基于TRIZ理論的電磁振動試驗臺設計

張麗

摘要：為了解決現有電磁振動試驗臺振動自由度少、參數可控性差等問題，應用TRIZ理論對振動試驗臺進行創新設計，得到了一種五自由度電磁振動試驗臺，不僅振動自由度多且實現了自由度和結構的變胞，可滿足更多測試工作的需求。

Abstract： In order to solve the problems of low vibration freedom and poor parameter controllability of the existing electromagnetic vibration test bench， the TRIZ theory was used to innovate the design of the vibration test bench， and a five-degree-of-freedom electromagnetic vibration test bench was obtained. The degree of freedom and structural variation can meet the needs of more testing work.

關鍵詞：五自由度;振動試驗臺;TRIZ理論

Key words： five degrees of freedom;vibration test table;TRIZ theory

0 ?引言

振動試驗臺廣泛應用于航空航天、汽車、鐵路、電力電子、石油化工、玩具等各行各業的研究、開發與制造[1-2]。TRIZ理論揭示了發明創造的內在規律和原理，能夠幫助人們打破思維定式，突破思維障礙，激發創新可以快速確認出需要改進的問題或沖突，然后解決矛盾，獲得所需的理想解。通過TRIZ理論成功解決的工程問題有很多[3-4]。王巖等[5]運用TRIZ理論對文件袋密封涂膠裝置優化設計，能夠對不同尺寸的文件袋的精準涂膠，杜絕了人工涂膠有可能產生泄密問題;尹健康等[6]運用TRIZ對卷煙分揀作業的噴碼系統創新設計，降低了噴碼次數，提高了卷煙配送的分揀效率;夏文涵等[7]運用TRIZ理論對管道機器人設計了創新設計方案。

1 ?問題分析

由于使用環境的不同和模擬逼真度要求的提高，對試驗臺的振動自由度的要求越來越高。現有電磁振動試驗臺存在振動自由度少、能耗高等技術難題，隨著振動測試對象對振動試驗臺振動參數要求的不斷提高，已經很難滿足產品振動測試及其它有關多自由度激振研究的需要，且相關的研究目前已進入飽和階段，無法突破現有的研究思路和技術瓶頸，后續研究無法取得實質性的技術突破和理論創新，因此迫切需要研制一種具有振動自由度多、振動頻率高的多自由度電磁振動試驗臺。

2 ?系統分析

2.1 九屏幕分析

九屏幕法是通過不同維度對存在的問題進行全面的分析，需要考慮超系統、當前系統及子系統的過去和未來，能夠打破保守思維，為解決問題提供思路。運用九屏幕法對變胞式電磁振動試驗臺進行分析，如圖1所示。

2.2 生命曲線分析

經過分析發現，技術系統的進化一般按照TRIZ理論中的S曲線進行，如圖2所示。分析發現振動試驗臺研制已經進入成熟期，且各項技術趨于完善，相關專利數量增加，但是專利等級降低，企業仍然可以獲利，但是市場競爭加劇。研究發現振動試驗臺在成熟期系統發展緩慢的原因：系統性能已接近自然極限，缺乏振動與控制核心技術，發展趨于緩慢;回報率/有害價值比值快速增加;超系統發生改變;新出現的矛盾阻礙系統發展等。

通過以上分析，對應解決方法：設計出新的機構，控制采用控制器和驅動器結合，該系統的合理機構空間布局不僅節省了大量的零件設計和加工，而且解決了系統改變帶來的控制程度不高的問題。

2.3 完備性法則

實現功能是任何技術系統的目的。為實現某一功能，技術系統必具備最基本的要素，即一個完備的技術系統必須包含動力裝置、傳動裝置、執行裝置和控制裝置四個子系統，如圖3所示。其是從能量傳遞的角度展示振動試驗臺中各個子系統之間的關系。

2.4 功能分析

現有產品系統簡單，控制方式單一，可控性差，最多可實現X、Y、Z三個方向的平移運動。基于此系統進行改進，如圖4所示。

2.5 金魚法

激振裝置存在的主要問題是激振自由度不夠，設計出的新方案需要實現振動臺自由度可變的要求，那么有沒有可能找到一種新的設計方案，可以滿足X、Y、Z方向互不干涉的激振要求且滿足振動過程中振動臺的變胞要求呢？分析過程如圖5所示。

3 ?解決方案

①在連接方式上用鉚接替代原有螺栓連接，其物-場模型如圖6所示。在高強度，高頻率振動條件下，傳統的螺栓連接容易松動斷裂，若采用焊接方式則會產生內應力。針對此問題我們采用鉚接和攪拌摩擦焊進行補強。②在支撐方式上用交叉的雙S型替代原有直板或彈簧連接，其物-場模型如圖7所示。原有的支撐方式中多用彈簧或承載力小，直板支撐控制精度差且運動空間小，引入剛柔耦合方式支撐方式—三自由度柔性支架，其形狀是混合交叉的雙S型。

4 ?結論

針對現有電磁振動試驗臺存在的不合理問題，將存在的工程問題轉化為TRIZ問題。基于TRIZ理論對振動試驗臺進行九屏幕分析、功能分析等，找到克服現有電磁振動試驗臺不足存在的問題，通過物—場分析，找到解決存在問題的思路。為五自由度變胞式電磁振動試驗臺樣機的制作提供了理論依據，為新設備的研發提供指導。

參考文獻：

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[4]謝爾蓋·伊克萬科. TRIZ 打開創新之門的金鑰匙[M].孫永偉，譯.北京：科學出版社，2015.

[5]王巖，何邦貴，葉恬雨，等.基于TRIZ理論的文件袋密封涂膠裝置設計[J].包裝工程，2019，40（07）：197-200.

[6]尹健康，陳昌華，黃登仕.基于TRIZ理論的卷煙分揀作業中噴碼系統創新設計[J].包裝工程，2018，39（09）：108-113.

[7]夏文涵，王凱，李彥，等.基于TRIZ的管道機器人自適應檢測模塊創新設計[J]機械工程學報，2016，52（05）：58-67.