Pro/Innovator在定位装置中的应用

2013-07-20 by:广州ProE/Creo培训中心来源:仿真在线

0 前言
    在日常生活或从事科研工作过程中,常常会遇到各种各样的问题,但却总不能在创造性的水平上解决问题,即对极端复杂的问题采用简单的解决方案。TRIZ作为创新设计方法理论,被誉为苏联国家创新的“点金术”,广泛应用于军事、工业、航空航天领域、且发挥了巨大作用。TRIZ所有的理论、结论和建议都是建立在对250万份发明专利信息的分析之上,并在实际运用过程中得到过验证。
    随着科学技术的发展,与TRIZ相结合的创新性技术软件也随之出现,Pro/Innovator就是其中的代表性软件之一,该软件是TRIZ理论、本体论、现代设计方法学、自然语言处理技术与计算机软件技术相结合的新一代计算机软件。本文利用Pro/Innovator软件中的与技术系统功能分析、组件价值分析、TRIZ解决工具体系相关的系统模块完成对定位装置问题的分析和解决,探索Pro/Innovator解决工程技术问题的途径。
1 TRIZ概述
1.1 TRIZ与传统的创新方法
    产品创新设计的实现并不容易,每个工程人员所掌握的知识都是极其有限的,在设计和处理遇到的问题时常涉及大量该产品领域外的知识,且随着经验知识的积累,易受到思维惯性的影响。其次,人们在思考问题时,必然的将所掌握的知识和信息之间建立某种联系,这种联系每发生一次就会得到加强,最终形成一种习惯性思维,极易限制创新性思维的产生。
    在TRIZ创新性思维出现之前,已经存在的传统创新思维方法有两种:一是早期的试错法;二是头脑风暴法。试错法是按照第1次猜测→第1次排错…→第n次猜测→第n次排错的路线来完成创造性工作,是一种非常低效的创造技法,其创造过程浪费了大量的时间和精力。头脑风暴法作为改进的试错法,是由美国人阿·奥斯本1939年首次提出,于1957年公之于众,初衷是以自由思考、以量求质、不同行业结合改善等方法提高试错法的效率,但大量的实践表明头脑风暴法只有在解决如寻找产品新用途、创立广告的新形式等方面能发挥最好的作用,在解决复杂的技术问题时受到局限。
    TRIZ是俄文发明问题解决理论的词头缩写。该理论是苏联发明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)及其领导的一批研究人员,自1946年开始,花费l500人/年,在分析研究世界各国250万份专利的基础上提出的。阿奇舒勒开始就坚信发明问题的基本原理是客观存在的,这些原理不仅能被确认也能被整理而形成一种理论,掌握该理论的人不仅能提高发明的成功率、缩短发明周期,也使发明问题具有预见性。TRIZ以技术系统进化法则为理论核心,以技术系统或技术过程、(技术进化过程中产生的)矛盾、(解决矛盾所用的)资源、(技术系统进化的方向)理想解为四大基本概念,提出了解决矛盾问题和复杂发明问题所需要的多种分析方法、解题工具和算法流程。就分析工具来说,资源分析所涉及到的多屏幕法具有操作性强、实用性强的特点,可以更好地帮助使用者质疑和超越常规,克服思维惯性,为解决问题提供清晰的思路途径,也成为培养发明家和创新人才的有效法宝。
1.2 TRIZ与传统设计方法解题模式
    传统设计方法在面对解决问题时,常常会利用经验、头脑风暴法或其他设计方法直接来寻找最终解决方案。TRIZ解决问题的过程是首先将要解决的特殊问题加以定义、明确,然后将该问题转化为TRIZ标准问题(问题模型):通过TRIZ提供的工具体系求得标准问题的通用解(解决方案模型);将通用解与具体问题相对照,考虑实际条件的限制,转化为专业领域问题的特殊解(最终解决方案),并在设计中加以实现,最终获得具体问题的实际解。TRIZ解决问题的目的是努力寻求突破性方法消除冲突,达到对问题的彻底化解,而不是传统设计中类似折衷法那样对矛盾的缓解。
    TRIZ提供的工具体系,除物场模型相关内容外,其他部分将结合应用实例和Pro/Innovator软件进行介绍。

2 应用实例
2.1 定位装置问题在Pro/Innovator中的解决步骤
定位装置问题在Pro/Innovator中的解决步骤。该过程给出了一套规范的解题步骤,分析问题的过程对于解决问题更为重要,但往往分析问题不会直接引出答案,需要在分析过程中不断明确问题条件,进而准确提出问题、定义矛盾和解决问题。

2.2 定位装置问题
    定位装置总体布局,该装置由液压下放油缸、抓放机构、箱体、定力机构、安装支架等组成。锁紧套选用材质软的铝青铜耐磨材料;锚桩材料选用45钢,表面镀硬铬以提高锚桩表面的硬度和耐磨性。锁紧套和锚桩构成的定力机构为过盈配合,过盈量为52μm,试验过程中摩擦力在(17.64±0.98)kN内波动,试验曲线与规定的力学曲线基本吻合,但多次使用后会在摩擦力刚达到17.64kN时出现超过17.64kN的峰值力。
    定位装置的功能是保证在箱体初始位置调平的前提下,实现箱体可靠、水平坐落在地基上且无滑移。
工作流程如下:
    a)在液压下放油缸下放箱体的过程中,由抓放机构保持箱体平稳;
    b)当5个定力机构中的任意一个先触地,当其所受地面反作用力达到17.64 kN时,锚桩相对于锁紧套运动;
    c)当5个锚桩全部触地且地面对5个锚桩施加的作用力总计达到88.2 kN后,液压下放油缸和抓放机构与箱体脱离,箱体通过锚桩可靠水平触地。
    经分析,该定位装置存在的问题包括:锚桩和锁紧套相对滑动后出现磨损现象、多次使用后出现锚桩和锁紧套之间摩擦力不稳定现象、再次使用时出现锚桩和锁紧套复位困难现象。

2.3 分析问题过程
2.3.1 系统功能分解
定义系统功能是分析问题的第1步,也是最重要的一步。对系统功能进行分级分解后,可帮助工程设计人员更深入地理解系统、准确确定分析问题的着眼点。
由图5系统功能分解图可知,本系统功能可分为三级:第1级,定位装置实现箱体定位;第2级,支撑箱体、放置箱体;第3级,分别为细化后的支撑箱体和放置箱体的子功能。

2.3.2 系统功能模型分析及组件价值分析
系统功能模型分析是分析问题和解决问题的关键步骤之一。模型中包含了“地面”这个组件,尽管它不是系统的一部分,但其与系统组件间产生相互作用,因此也纳入模型中。
Pro/Innovator软件在进行系统功能模型分析时,同时提供了组件价值分析功能。该技术系统包含了系统必然存在的4个组件,即驱动装置、传动装置、执行机构和控制装置,分别由系统中液压下放油缸、箱体、定力机构(兼做执行机构和控制装置)实现对应的功能,符合技术系统进化法则中的完备性法则;功能模型表示了各组件之间的相互关系,如减少磨损、破坏、支撑等关系;组件价值流分析共包含3种流,即主能量流、结构流和有害流,各种流在传递过程中未出现中断现象,符合技术系统进化法则中的能量传递法则。

    由于该方案尚处于试验阶段,各组件成本分配未知,因此组件价值分析仅考虑各组件功能贡献和问题影响两个方面。根据分析结果来确定是否将某些系统组件移出系统或进行简化以及是否要提高某些组件的功能等。分析结果表明,锚桩和锁紧套是系统问题影响最多的2个组件,可先从这2个组件入手并结合功能模型分析初步确定解决问题的方向:
    a)方向1:控制锚桩和锁紧套间的摩擦力;
    b)方向2:减小或消除锚桩和锁紧套间的磨损;
    c)方向3:控制锚桩的位置(可任意相对锁紧套伸缩)。
2.3.3 RCA(Root Cause Analysis)分析
    进一步分析上述提出的3个解决问题的方向,按试验情况将控制锚桩和锁紧套间的摩擦力作为首要解决方向,即将锚桩和锁紧套间的摩擦力不稳定原因作为RCA分析的初始问题。
    在诸如锚桩和锁紧套制造精度不可控、环境温度影响、锚桩与锁紧套间润滑油不足等多种根本问题中,结合对定位装置问题的分析最终确定该装置的根本问题为:
    a)锚桩与锁紧套间摩擦力不稳定;
    b)锚桩与锁紧套加工精度不足。
    需要说明的是,Pro/Innovator中的RCA分析图根据绘制,本文中未表示。不同的是,软件中的RCA分析加入了对子系统、超系统以及时间轴上操作流程等资源分析,充分体现了TRIZ注重资源分析的思想。
2.4 解决方案
2.4.1 定义系统的技术矛盾
    技术矛盾是指两个参数之间的矛盾,即为了改善技术系统的某个参数,导致该技术系统的另一个参数发生恶化。定义技术矛盾的步骤分为3步,依次为“问题是什么”、“现有的解决方案是什么”、“现有解决方案的缺点是什么”,通过技术矛盾定义的3步来抽取系统的技术矛盾。
    定义系统的技术矛盾是依据上述RCA分析的两个根本原因,分别确定了两对技术矛盾:
    a)针对“锚桩与锁紧套间摩擦力不稳定”的根本原因。
    通过引入其他系统(如液压系统),改善锚桩和锁紧套间摩擦力的稳定性,但同时恶化了锚桩和锁紧套组成的定力系统的复杂性。由此可以确定“稳定性一系统的复杂性”为系统的一对技术矛盾。查找矛盾矩阵,得到序号为2、35、22、26的创新原理。经分析,适用于本系统的创新原理为序号2——抽取原理。对照本方案获得的启示是将影响系统功能实现的不稳定因素——锚桩和锁紧套间的摩擦力从系统中抽取出来。
    b)针对“锚桩与锁紧套加工精度不足”的根本原因。
    通过引入介质(如调节装置),改善了锚桩和锁紧套的可制造性,但同时恶化了锚桩和锁紧套间操作流程的方便性。以调节装置为例进行说明,由于采用该装置,降低了对锚桩和锁紧套的加工精度要求,但仅利用该装置不能准确调节二者间的过盈量,还需要将定力装置从系统中拆除后借助外界装置测定系统是否按照预先设定的力学曲线运动。由此确定“可制造性一操作流程的方便性”为系统的一对技术矛盾。查找矛盾矩阵,得到序号为2、5、13、16的创新原理。经分析,适用于本系统的创新原理为序号2和5。序号5一组合原理指出在空间或时间上将相同物体或相关操作加以组合,得到的启示是在原系统的基础上增加其他系统,并与原系统在空间和操作流程上进行组合。

2.4.2 TRIZ结构动态性进化法则应用
系统结构动态性法则指出,系统的发展分为刚体→一个可动连接→多个可动连接→弹性→粉末→液体→气体→场等阶段,即系统向更为灵活和快速变化的结构过渡,在提高自身效率的同时增加了系统的可控性。
本文中的定位装置属于具有一个可动连接的机械场,可控性较差。因此在解决方案上考虑用更高级且易控的场来代替原方案中的机械场。

2.4.3 定义系统的物理矛盾
    物理矛盾是指对系统的同一参数有不同的要求。定位装置中锚桩与锁紧套间摩擦力的大与小就构成了系统的物理矛盾,即为达到系统定位箱体的功能要求,需要锚桩与锁紧套间有足够大的摩擦力;但要降低锚桩和锁紧套之间的磨损,需要二者之间的摩擦力要小。
    TRIZ解决物理矛盾的方法有空间分离、时间分离、条件分离和系统级别分离。适用的分离原理为矛盾属性时间分离原理,即对同一参数的两个不同的要求在不同的时间上得到满足。
    从时间分离原理可以得到这样的启示:通过改变锚桩与锁紧套间的摩擦力大小来改善原方案的不足,按此思路重新规划系统的摩擦力。
    a)在5个锚桩头部全部触地前,锚桩与锁紧套之间需要较小的摩擦力;
    b)当5个锚桩全部触地且需要锚桩头部插入地面防止箱体滑移时,锚桩与锁紧套间需要较大的摩擦力:
    c)当液压油缸和抓放机构与箱体脱开后,锚桩与锁紧套间摩擦力仅提供支撑箱体的重量即可,此刻摩擦力较小。
2.4.4 知识库查询
    Pro/Innovator软件中的知识库是建立在大量专利的基础上,为工程设计人员提供可能适用的解题思路。知识库的查询方式分为功能查询、结构化查询和关键词查询。对于初学TRIZ的人员一般不建议在分析问题之前查询相关的信息,因为这样常常会跨越分析问题的过程而直接寻求解决方案,可能会又一次陷入思维惯性中。
    本文中针对锚桩使用后复位、控制摩擦力、降低磨损3个方面,分别提出了知识库查询检索式。

2.4.5 解决方案
根据创新原理和结构动态性进化法则,以消除定力机构的磨损和提高系统稳定性为设计目标,提出液压机械组合定位装置和机电组合定位装置两套方案;以改善系统功能为设计目标,提出变摩擦力定位装置方案。下面以机电组合定位装置方案为例进行介绍:
机电组合定位装置将组件价值分析中问题最多的锚桩和锁紧套由5个简化为一个直接固定在箱体底部的锚桩,使摩擦力不稳定因素和零件间过渡磨损的问题得到消除。

经初步计算,在地面反作用力为196N、电机轴半径为0.014m,系统效率η(含机械传动和电机)取50%的条件下,单个电机功率仅为34W,计算结果可根据实际设计参数进行修正。该方案可通过电机的反向运动实现支腿的复位,但由于增加了电机驱动装置,系统体积增加,总体布局上需要占用高度方向上的空间尺寸。

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