齒輪外錐角測量檢具機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

袁小江

（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

1 引言

前蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊舒勒等人在研究與分析世界各國大量的發(fā)明專利后，并綜合多個學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，提出了“發(fā)明/創(chuàng)新問題的解決理論”，即TRIZ理論。經(jīng)過幾十年不斷的研究與發(fā)展，國際上有三種代表性的TRIZ模型和方法論，分別是：（1）技術(shù)矛盾和物理矛盾的矛盾矩陣及其發(fā)明原理和分離原理；（2）“物—場”模型及標(biāo)準(zhǔn)解法；（3）SUH模型及SUH算子解法［6-9］。應(yīng)用第一種方法解決齒輪外錐角測量檢具中的矛盾問題，分析提出創(chuàng)新設(shè)計方案。應(yīng)用TRIZ理論方法實現(xiàn)創(chuàng)新的流程是：先分析需要解決的問題，應(yīng)用39個通用工程參數(shù)中和該問題相適應(yīng)的參數(shù)來表達(dá)需解決的問題，把一個具體的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ理論問題。然后確定該TRIZ問題是技術(shù)矛盾還是物理矛盾，若是技術(shù)矛盾，則應(yīng)用矛盾矩陣從40個發(fā)明原理中找到合適的原理；若是物理矛盾，就應(yīng)用分離原理來確定相應(yīng)的發(fā)明原理。最后利用發(fā)明原理找到具體問題的解決方案，并對其進(jìn)行評估，如果方案比較優(yōu)化則執(zhí)行方案，如果方案不優(yōu)化則重復(fù)前面的步驟，直至找到優(yōu)化的方案為止[1-4]。

圖1 基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計流程Fig.1 Innovation Design Process Based on TRIZ Theory

創(chuàng)新設(shè)計時首先確定創(chuàng)新對象，通過研究與分析存在的問題，用39個工程參數(shù)中的兩個來表達(dá)矛盾，并確定矛盾的類型。之后針對不同類型的矛盾，采用相應(yīng)的解決矛盾問題的工具，確定矛盾問題的創(chuàng)新原理，最終確定優(yōu)化的創(chuàng)新設(shè)計方案，其常規(guī)流程[3]，如圖1所示。

2 案例介紹

2.1 齒輪外錐角被測參數(shù)

被測外錐角齒輪零件，如圖2所示。該齒輪零件的被檢測參數(shù)有兩個，一是外錐角，二是與工藝基準(zhǔn)面（零件的下底端面）距離（50±0.05）mm外錐角的基準(zhǔn)直徑φ152.5±0.05mm。被測參數(shù)外錐角′是以直徑φ152.5±0.05mm處為起點至上端面為測量范圍，兩被測參數(shù)具有關(guān)聯(lián)性。該道工序的外錐角加工是以下底端面和內(nèi)孔作為工藝基準(zhǔn)。

圖2 被測外錐角齒輪零件圖Fig.2 Measured Outside the Cone Angle Gear Part Drawing

2.2 測量點的布置方案

根據(jù)零件測量要求與精度，采用比較測量法（以精密制造的檢具校準(zhǔn)件為測量基準(zhǔn)零位，被測參數(shù)的實際數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比較，在公差范圍內(nèi)即為合格，否則不合格），將兩個被測參數(shù)進(jìn)行合并測量，采用直線位移傳感器把測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，通過電子柱直觀顯示。其測量點的布置位置，如圖3所示。

圖3 測量點設(shè)置圖Fig.3 Measurement Point Set Figure

以工藝基準(zhǔn)進(jìn)行定位，在距離底面基準(zhǔn)（50±0.01）mm處（即直徑φ152.5±0.05mm處）設(shè)置測量基準(zhǔn)，在測量基準(zhǔn)之上5mm處設(shè)置測量點1，測量外錐角（測量桿1的直線位移尺寸傳給傳感器，通過直線位移尺寸轉(zhuǎn)化為角度變化值，從而確定角度的誤差值）；在對稱面（右側(cè)）設(shè)置測量點2，測量直徑φ152.5±0.05mm的尺寸誤差。

2.3 檢具結(jié)構(gòu)方案介紹

根據(jù)被測量參數(shù)的精度與要求，測量點的設(shè)置與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、顯示是檢具結(jié)構(gòu)的基本要求，這個方面成本壓縮控制的空間不大。根據(jù)齒輪零件的結(jié)構(gòu)特點，被測零件只能由側(cè)面推入放置到測量點的位置上（不能由上往下直接放入到測量點位置上），結(jié)合檢具在線測量的技術(shù)要求，其結(jié)構(gòu)考慮以下幾種方案。（1）直線電機(jī)，被測零件放置在基座上定位，由直線電機(jī)驅(qū)動基座（低速運動），運送零件到達(dá)測量點位置，完成測量后再回到測量點之外一定的距離位置。直線電機(jī)需安裝在檢具底板底部。（2）氣缸，由氣缸驅(qū)動基座完成上述工作，氣缸也需安裝在檢具底板底部，現(xiàn)場需有滿足條件的氣源。（3）傳送帶，由傳送帶驅(qū)動基座進(jìn)行上述工作。

以上三種方案各有優(yōu)缺點，直線電機(jī)自動化程度高，但動態(tài)剛性較差，需加緩沖阻尼，易發(fā)熱，需考慮散熱條件，操作較為復(fù)雜。氣缸操作簡單方便，測量現(xiàn)場需有符合要求的氣源，其低速下運動穩(wěn)定性較差，行程控制不精確。傳送帶進(jìn)行直線運動時，需要通過齒輪、蝸桿、絲杠等機(jī)械裝置進(jìn)行傳動轉(zhuǎn)化，同時傳送帶需要考慮反方向回程運動，機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。

3 案例矛盾點分析

檢具在線測量工作時由一人進(jìn)行操作，要求檢具操作簡單；30s之內(nèi)完成一個零件的檢測，要求測量精度穩(wěn)定、高效；滿足測量條件時，要求檢具低成本控制。通過分析檢具的設(shè)計要求，應(yīng)用TRIZ理論的39個工程參數(shù)來定義，希望得到改善和提高的參數(shù)有：“可靠性”、“測量精度”、“使用的方便”、“自動化程度”，改善和提高這些參數(shù)則容易導(dǎo)致惡化的參數(shù)有：“裝置的復(fù)雜層次”、“控制的復(fù)雜層次”。這些矛盾都屬于技術(shù)矛盾，通過查詢TRIZ矛盾矩陣表，得到解決矛盾的創(chuàng)新發(fā)明原理，如表1所示。

表1 矛盾矩陣表Tab.1 Contradiction Matrix Table

根據(jù)表1所列出的創(chuàng)新發(fā)明原理，結(jié)合檢具的技術(shù)要求，通過整理與分析其中的26、27、24、17條原理具有可行性。選擇的原理與矛盾問題的解決方案，如表2所示。

表2 原理與解決方案Tab.2 Principle and Solution

4 案例機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用

通過上述創(chuàng)新原理解決方案的分析，根據(jù)齒輪外錐角測量檢具的技術(shù)要求，綜合考慮測量精度與操作性、成本要求等因素，設(shè)計機(jī)械式的操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動被測零件移動，其創(chuàng)新設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖4所示。主要創(chuàng)新設(shè)計點如一下幾點所示。

（1）根據(jù)維數(shù)變化法，在底板下面用4個腳支柱支撐出足夠高的空間，在底板12上開設(shè)方形通孔，將推拉軸控制機(jī)構(gòu)設(shè)置在底板之下，移動板2與基座3設(shè)置在底板面之上。（2）根據(jù)中介物法，驅(qū)動被測零件通過多種中介物進(jìn)行傳遞，被測零件定位于基座3上，基座3固定在移動板2上，推拉軸9的一端通過固定支座4與移動板2連接，另一端通過固定座10與底板12固定連接，通過轉(zhuǎn)動與推拉把手13使得推拉軸9帶動移動板2驅(qū)動被測零件，在與測量點連線垂直的面上做直線運動。（3）根據(jù)復(fù)制和替代原則，由推拉軸的直線運動帶動被測齒輪工件在測量點之外先與基座3安裝定位好，然后直線運動到測量點位置停止。為保證零件與測量點的準(zhǔn)確位置，利用限位螺釘1進(jìn)行位置的調(diào)試，利用安裝在推拉軸上的彈簧7使得被測工件在直線運動過程中沒有間隙位移量，同時在啟動與停止時具有緩沖作用；為防止長期使用彈簧與推拉軸之間出現(xiàn)磨損間隙，同時使得彈簧不跟隨推拉軸轉(zhuǎn)動，在彈簧一端安裝雙向推力球軸承8。擋被測工件準(zhǔn)確到達(dá)測量點位置時，轉(zhuǎn)動把手13，使得推拉軸轉(zhuǎn)動，限位銷11與推拉軸上的限位槽配合進(jìn)行限位，并由彈簧的推力消除限位時的間隙，使得工件在測量過程中固定不動；測量結(jié)束后，反向轉(zhuǎn)動把手并向外拉推拉軸與另一端槽限位（直線運動45mm），再安裝下一個工件進(jìn)行測量。

圖4 創(chuàng)新設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Innovative Design Structure

為避免滑動摩擦力與磨損的影響，移動板2的直線移動設(shè)計為鋼珠滾動移動的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。移動板2整體與底板8不接觸，并保持1mm的間隙，移動板兩側(cè)通過鋼珠與固定在底板上的支架4滾動接觸，通過擋塊5上的調(diào)整螺釘6調(diào)整好位置精度并鎖緊。

圖5 移動板的移動結(jié)構(gòu)Fig.5 The Movement of the Mobile Plate Structure

5 結(jié)束語

通過齒輪外錐角的被測參數(shù)與零件結(jié)構(gòu)特點的分析，根據(jù)在線測量應(yīng)用的要求對檢具提出了較多的設(shè)計限制，往往有些要求是互相矛盾的，既要高效與一定的自動化程度程度，又要求低成本，操作簡單方便，為找到這些矛盾的平衡點，引入了TRIZ理論的39個工程參數(shù)定義矛盾。通過矛盾矩陣提供的創(chuàng)新原理分析技術(shù)要求，設(shè)計解決矛盾的方案，在實現(xiàn)同等效率、操作性等要求的條件下，降低了成本。通過齒輪外錐角測量檢具案例應(yīng)用的介紹，通過問題矛盾點的分析，應(yīng)用矛盾矩陣表查找解決矛盾點的對應(yīng)方法，經(jīng)過優(yōu)化分析建立創(chuàng)新解決方案，實現(xiàn)較優(yōu)化解決問題的手段。該案例的經(jīng)驗介紹對當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新、創(chuàng)造性的應(yīng)用具有良好的借鑒作用。