基于TRIZ和Pro/Innovator 6.0的超薄軸承套圈外徑測(cè)量系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

焦葉凡，尹延經(jīng)，劉揚(yáng)

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人趨于輕型化，要求與其配套的軸承具有更加簡(jiǎn)單、緊湊的結(jié)構(gòu)。薄壁軸承追求外形極限尺寸，具有重量輕、體積小、精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能，能夠很好地滿足輕量化需求。目前，某型軸承套圈的壁厚最薄處僅為0.275 mm，其外徑尺寸采用傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量?jī)x(如D913)測(cè)量時(shí)極易產(chǎn)生變形，無(wú)法有效獲取數(shù)據(jù)。因此，為提高超薄軸承套圈外徑測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用TRIZ理論和計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新平臺(tái)Pro/Innovator 6.0，對(duì)超薄軸承套圈外徑測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以提出合理有效的解決方案。

1 TRIZ系統(tǒng)和Pro/Innovator簡(jiǎn)介

TRIZ理論即“發(fā)明問(wèn)題解決理論”，是一種總結(jié)各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則建立起的一套解決方法理論體系[1-2]。文獻(xiàn)[3]在基于TRIZ的軸承概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究中預(yù)測(cè)了未來(lái)軸承會(huì)向著“功能齊全，結(jié)構(gòu)消失”的自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)模式發(fā)展，驗(yàn)證了TRIZ對(duì)行業(yè)技術(shù)進(jìn)化路線的預(yù)測(cè)能力；基于TRIZ理論，文獻(xiàn)[4]完成了振動(dòng)鉆削裝置的改進(jìn)和車(chē)削技術(shù)的預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[5]對(duì)刃具干磨工藝進(jìn)行了改造，進(jìn)一步驗(yàn)證了TRIZ理論對(duì)實(shí)際工況中技術(shù)難題的解決能力。

在國(guó)內(nèi)，TRIZ理論尚處于學(xué)習(xí)與熟悉的階段，諸多科研機(jī)構(gòu)和專家都在致力于研究和運(yùn)用TRIZ理論，Pro/Innovator 6.0(計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新平臺(tái))則提供了一套完整的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新解決方案，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題的流水線解決方式。

2 Pro/Innovator 6.0解題流程

如圖1所示，在解決工程問(wèn)題的實(shí)際應(yīng)用中，Pro/Innovator 6.0的流程為：1)通過(guò)技術(shù)人員對(duì)初始問(wèn)題進(jìn)行描述；2)對(duì)待解決問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析、建立系統(tǒng)組件模型、不斷分解問(wèn)題，找到問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因并形成問(wèn)題列表；3)根據(jù)工程技術(shù)特性選擇合適的通用工程參數(shù)，進(jìn)行資源分析，定義問(wèn)題的矛盾矩陣，查找TRIZ理論中的40個(gè)創(chuàng)新原理，參考軟件提供的知識(shí)庫(kù)查詢功能提出解決方案；4)對(duì)各種備選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)并生成評(píng)價(jià)報(bào)告。另外，Pro/Innovator 6.0還具有專利查詢及申請(qǐng)的功能，可供技術(shù)人員直接將可行案例提交為專利[4]。

圖1 Pro/Innovator 6.0解題流程

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 初始問(wèn)題描述

在軸承使用過(guò)程中，為保證軸承外徑與座孔、內(nèi)徑與軸的高度配合，軸承的內(nèi)、外徑尺寸精度是判定軸承是否合格的重要指標(biāo)。而對(duì)于中小型薄壁軸承(外徑尺寸為60～115 mm)，采用傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)量?jī)x(D913)測(cè)量時(shí)，軸承套圈極易產(chǎn)生變形，無(wú)法獲取有效測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)功能分析

在TRIZ理論中，技術(shù)系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定功能而存在的，系統(tǒng)功能分析就是對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的功能單元及功能單元間的相互關(guān)系進(jìn)行建模。Pro/Innovator 6.0從技術(shù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的角度，分析系統(tǒng)功能組件及組件系統(tǒng)存在的作用關(guān)系，找到技術(shù)系統(tǒng)矛盾所在并解決，這種分析結(jié)果能夠優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)的整體性能[6]。

3.2.1 功能模型和能量流分析

利用Pro/Innovator 6.0構(gòu)建系統(tǒng)組件模型時(shí)，需要理清系統(tǒng)作用對(duì)象、系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件之間存在的有害或非優(yōu)化作用，并將能量的傳遞和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化圖形化，以明確下一步求解方向[7]。

在該案例中，首先對(duì)超薄軸承套圈外徑測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行組件分析，其功能流分析如圖2所示，已知該系統(tǒng)的作用對(duì)象(超薄軸承外圈)、系統(tǒng)組件(千分表、支點(diǎn)、測(cè)頭、操作臺(tái))、超系統(tǒng)組件(人員、環(huán)境)、分析組件之間的相互作用，同時(shí)定義該系統(tǒng)中的主能量流、控制流、結(jié)構(gòu)流或自定義流及各組件流傳遞中承擔(dān)的角色，最終生成“How to”問(wèn)題模型。

由圖2可知，主要矛盾集中在測(cè)頭對(duì)超薄套圈存在不穩(wěn)定的接觸力，而此接觸力是通過(guò)機(jī)械測(cè)量系統(tǒng)中彈簧力和杠桿力產(chǎn)生的，因此系統(tǒng)生成的“How to”問(wèn)題模型列表為：

How to stabilize 支承力 of 超薄套圈？

How to decrease 接觸力 of 測(cè)頭？

How to decrease 彈簧壓力 of 測(cè)頭？

How to decrease 杠桿力 of 千分表？

以上分析可以明確當(dāng)前系統(tǒng)中需解決的問(wèn)題。通過(guò)Pro/Innovator 6.0軟件中組件價(jià)值分析的理想度診斷分析，可確定系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)并從眾多“How to”問(wèn)題模型列表中找出解決系統(tǒng)問(wèn)題的突破口。組件價(jià)值理想度診斷分析如圖3所示。

由圖3可知：1)通過(guò)增加其功能貢獻(xiàn)來(lái)改進(jìn)區(qū)域C中的系統(tǒng)組件側(cè)支點(diǎn)、垂直支點(diǎn)、千分表、操作臺(tái)支承板；2)通過(guò)降低系統(tǒng)成本來(lái)改進(jìn)區(qū)域B中系統(tǒng)的組件測(cè)頭；3)為簡(jiǎn)化和理想化系統(tǒng)，可以考慮刪除系統(tǒng)中理想度低的測(cè)頭和千分表。

在超薄套圈外徑測(cè)量實(shí)例中，將超薄套圈在測(cè)量過(guò)程中容易變形導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確作為初始問(wèn)題，則可能產(chǎn)生該問(wèn)題的子問(wèn)題為：1)操作員對(duì)套圈的控制過(guò)量；2)測(cè)頭對(duì)套圈的壓力過(guò)大。

圖2 功能流分析示意圖

圖3 組件價(jià)值理想度診斷分析

3.3 問(wèn)題解決與方案生成

TRIZ的問(wèn)題模型分為技術(shù)矛盾、物理矛盾和物場(chǎng)模型等，對(duì)應(yīng)的TRIZ工具為矛盾矩陣、分離方法知識(shí)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)。借助Pro/Innovator 6.0解決問(wèn)題模塊對(duì)上述子問(wèn)題進(jìn)行深入分析，在定義矛盾后，軟件會(huì)自動(dòng)查詢矛盾矩陣，列出與其相關(guān)的創(chuàng)新原理，并在豐富且強(qiáng)大的技術(shù)方案知識(shí)庫(kù)中提取實(shí)用案例作為解決有類似矛盾問(wèn)題的參考，或構(gòu)建實(shí)際待解決問(wèn)題的物場(chǎng)模型，利用標(biāo)準(zhǔn)解法體系中針對(duì)模型有害作用、不足作用、過(guò)度作用等問(wèn)題的解法獲得解決方案。

3.3.1 矛盾分析

首先以矛盾定義的方式提取技術(shù)矛盾，確定壓力和測(cè)量精度為改善和惡化的參數(shù)。查詢矛盾矩陣可得到3個(gè)供參考的創(chuàng)新原理：No.6多用性原理、No.28機(jī)械系統(tǒng)代替原理、No.25自服務(wù)原理。綜合分析結(jié)果如下：

1)參照No.28機(jī)械系統(tǒng)代替原理給出的“利用光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng)、聲學(xué)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、味覺(jué)系統(tǒng)或嗅覺(jué)系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)”得到啟發(fā)，采用光柵原理，將測(cè)頭在光柵上的微小位移量轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)從而獲取測(cè)量結(jié)果，測(cè)量過(guò)程中大大減小測(cè)頭對(duì)套圈的壓力。

2)利用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)代替靜止場(chǎng)原理，將套圈尺寸的變化量轉(zhuǎn)換成壓縮空氣流量或壓力的變化，然后通過(guò)指示裝置獲取套圈誤差。

另外，根據(jù)問(wèn)題切入點(diǎn)“測(cè)頭對(duì)套圈壓力過(guò)大”提取物理矛盾。壓力大，機(jī)械力傳遞精確；壓力小，套圈不會(huì)變形:即改善和惡化的參數(shù)均為壓力，判斷矛盾為物理矛盾，可采用的創(chuàng)新原理為復(fù)制原理。利用光學(xué)原理，將套圈輪廓投影，根據(jù)被測(cè)套圈投影與標(biāo)準(zhǔn)件投影比較，找出微小形變量，從而判斷套圈是否合格。

3.3.2 知識(shí)庫(kù)查詢

根據(jù)軟件提供的知識(shí)庫(kù)查詢功能，通過(guò)查詢“怎樣減小應(yīng)力變形”在系統(tǒng)中獲取可參照的解決方案。從“充填葉片空腔的方法減小激光噴射錘擊時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的葉片變形”結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理上得到啟發(fā)，將套圈內(nèi)側(cè)填充一些比鋼材剛度小且有彈性的材料，利用其對(duì)套圈向外的作用力支承套圈，從而避免套圈變形。

3.3.3 物場(chǎng)分析

建立的物場(chǎng)模型如圖4所示，問(wèn)題定義：千分表測(cè)頭要緊密接觸軸承套圈，由于測(cè)頭和人手對(duì)軸承套圈產(chǎn)生一定的作用力，從而造成套圈變形，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，即手對(duì)套圈產(chǎn)生不充分作用，套圈對(duì)測(cè)頭產(chǎn)生不充分作用。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解第4級(jí)第1項(xiàng)第2條“測(cè)量復(fù)制品或肖像”，構(gòu)造解決方案為：利用超高像素的數(shù)碼相機(jī)將被測(cè)套圈照片拍攝下來(lái)，再與標(biāo)準(zhǔn)件的照片相比較，從而得到合格套圈。

圖4 系統(tǒng)物場(chǎng)模型分析圖

3.4 方案評(píng)價(jià)

上述生成的備選方案可在Pro/Innovator 6.0軟件中進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)模型可參照技術(shù)人員設(shè)置的不同評(píng)價(jià)指標(biāo)，組合設(shè)置權(quán)重，以達(dá)到對(duì)多個(gè)備選技術(shù)方案定量評(píng)價(jià)的目的。

在本案例中，可選擇基于精度、可操作性、成本與測(cè)量時(shí)間4個(gè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，各參數(shù)的權(quán)重見(jiàn)表1。針對(duì)薄壁軸承外圈(外徑為60 mm)，用D913外徑測(cè)量?jī)x測(cè)量后與標(biāo)準(zhǔn)值相差3～5 μm，系統(tǒng)提出的方案及結(jié)果見(jiàn)表2，由于成本、測(cè)量時(shí)間、精度為負(fù)向影響，最終方案評(píng)價(jià)均為負(fù)值，數(shù)值越大，則證明得到的方案越成功。由表可知：方案1，2，3，5測(cè)量后均可保證與標(biāo)準(zhǔn)值相差1 μm以內(nèi)，但方案1在所有方案中分?jǐn)?shù)最高，即測(cè)量軸承套圈外徑精度高、成本低廉、可操作性好，采用的非接觸測(cè)量成功避免了超薄套圈在測(cè)量過(guò)程中的變形。

表1 評(píng)價(jià)參數(shù)

表2 解決方案

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用TRIZ理論和Pro/Innovator 6.0，通過(guò)對(duì)超薄軸承套圈外徑測(cè)量?jī)x器現(xiàn)存的問(wèn)題進(jìn)行因果分析和資源分析，提取了問(wèn)題中存在的物理矛盾和技術(shù)矛盾，找到了適用的創(chuàng)新原理，并在軟件強(qiáng)大的知識(shí)庫(kù)下獲得了超薄軸承套圈外徑測(cè)量系統(tǒng)的解決方案，切實(shí)有效地避免了套圈在機(jī)械力作用下的變形，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性。