基于TRIZ的双沟道砂轮修整装置的创新设计 - 文章

基于TRIZ的双沟道砂轮修整装置的创新设计

作者：向愿赵武张旭领

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摘要：本文针对目前轴承加工等行业中使用的双沟道砂轮修整装置存在的加工精度低与后期维护难等问题；基于TRIZ创新理论，对该装置的功能与结构进行冲突分析；并结合该装置的常见结构特点，运用TRIZ理论中的冲突矩阵与发明原理，具体就其主轴的传动系统进行创新设计。实践应用表明，该创新设计方案能有效地提高双沟道砂轮修整装置的加工精度并具备良好的后期维护性。

修整砂轮在轴承行业等其他加工行业的生产中是经常需要的一道工序。其工作过程为：根据所加工工件的几何形状等要求利用砂轮修整装置对磨床砂轮进行修整，以便利用修整好的砂轮来加工所需工件。因此，对砂轮的修整直接影响到工件的加工质量，砂轮修整装置的加工精度就显得非常关键。但是传统的双沟道砂轮修整装置存在着开始加工精度高，随后加工精度急剧降低，加工性能不稳定等问题。

以提高双沟道砂轮修整装置的整体加工精度与性能为创新目的，以TRIZ创新理论为创新设计的理论依据，提出了双沟道砂轮修整装置的主轴传动系统的一种创新方案。

1 TRIZ创新理论

1.1 TRIZ理论概述

TRIZ是俄文“发明问题解决理论”的英文音译，其英文全称是Theory of Inventive Problem Solving。它被认为是目前最全面、系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论，它被美国及欧洲等国称为“超发明术”。在欧美及日本，TRIZ理论得到了广泛深入的应用和发展。如Rockwell Automotive公司曾针对某型号汽车的刹车系统运用TRIZ理论进行了创新设计，使刹车系统的零件减少，成本降低，但刹车系统的功能却没有变化。

TRIZ理论认为：冲突（矛盾）普遍存在于各种产品的设计之中。冲突的分析和解决是产品创新方案设计的主要步骤。在TRIZ理论中，冲突主要分为物理冲突、技术冲突和管理冲突，在工程产品创新过程中TRIZ主要研究解决前两种冲突的方法。

技术冲突指：一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入或者有害效应的消除导致一个或者几个子系统或系统变坏。技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突。Alt Sheller提出：基于39个标准工程参数，任何一个技术冲突都可以用其中的一对特性来描述；而该技术冲突的创新解可由TRIZ提供的40条发明原理来求得。

物理冲突指：为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。物理冲突可应用“空间分离”、“时间分离”、“整体与部分分离”、“基于条件的分离”解决，然后再应用解决技术冲突的40条发明原理解决。

TRIZ解决冲突的方法与传统创新设计中的折衷法不同，TRIZ可以彻底地消除产品中的物理冲突和技术冲突，获得全新概念的产品。

1.2 TRIZ创新的一般过程

利用TRIZ创新理论进行创新的一般过程可用图1来表示，该流程图不仅描述了TRIZ理论中各种工具之间的关系，也描述了产品创新中的同题。具体解释为：应用TRIZ的第1步是对给定的问题进行分析；如果发现存在冲突，则应用原理去解决；如果问题明确，但不知道如何解决，则应用效应去解决；第3种解决冲突的方法是对待创新的技术系统进行进化过程的预测。该过程可采用传统手工方法实现，也可采用计算机软件辅助实现，两者创新思维过程完全一致。文中仅以手工方法来实现创新过程。

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图1 TRIZ创新的一般过程

对于具体的技术冲突解决的过程为：首先针对具体问题确认一个技术冲突；然后，将描述冲突的两个参数对应成标准工程参数；通过标准工程参数的序号，在冲突矩阵中确定可用发明原理序号；再利用发明原理解决冲突，并将其具体化为特定冲突的领域解。图2表明了针对技术冲突问题求解的一般过程。

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图2 技术冲突的解决过程

2 双沟道砂轮修整装置主轴传动系统的创新设计

2.1 传统双沟道砂轮修整装置结构及功能

传统的双沟道砂轮修整装置（大体结构如图3所示）其功能为：根据所加工工件的几何形状等要求对磨床砂轮进行修整，利用修整好的砂轮来加工所需工件。其大体结构及主要功能如下：

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图3 传统的砂轮修整装置结构示意图

(1)主轴及其传动部件。其为整个砂轮修整装置的关键部件之一，将动力机构产生的动力传递给修整工具，带动修整工具对待修整砂轮进行修整。其定位精度与旋转精度直接影响到砂轮的修整精度。

(2)修整工具。其形状与尺寸要求和被加工工件紧密相关。

(3)主托架。对相关部件进行定位，特别是对主轴进行定位，其定位精度影响到砂轮的修整精度。

(4)动力机构。用于产生动力，通过主轴传动系统来驱动修整工具旋转工作。

2.2 主轴传动系统的冲突分析与确定

通过砂轮修整装置的修整工具修整出来的磨床砂轮精度直接影响着轴承双沟道的精度。因此，如何在长时间与高速切削工况下保证装有修整工具的主轴运转精度是进行结构设计时的关键。下面主要从装置主托架的制造难度和主轴形变这两个因素来分析与设计。

首先，主轴需要比较精确的回转精度。因而对砂轮修整装置的主托架上下安装孔的同轴度与圆周跳动误差提出了较高的要求。但是对于主托架这种结构复杂、笨重的部件来说，提高加工精度的同时必然给主托架的制造加工及后期维修带来一定的困难。可以认为，主托架上下安装孔的形位误差精度的提高导致了有用及有害两种结果。有用的结果（也称为欲改善的工程参数）：提高了砂轮修整装置主轴的回转精度；有害的结果（也称为恶化的工程参数）：增加了主托架制造加工与后期维修的难度，这就形成了一对技术冲突（不妨定义为“加工技术冲突”）。

为利用TRIZ的技术冲突矩阵，需要将这对技术冲突中的参数名称转换为TRIZ标准工程参数。想要改善的工程参数：“主托架上下安装孔的形位误差精度”对应的TRIZ标准工程参数为“组件复杂性”；恶化的工程参数：“主托架生产加工的难度”对应的TRIZ标准工程参数为“可制造性”。

其次，主轴需要准确、稳定的回转中心来保证回转精度，这就需要把主轴在主托架上进行准确、可靠地定位，保证主轴在运转时的跳动在允许范围内。传统的设计方法为：将轴与两个轴承的内圈用过盈配合连接，然后将两个轴承安装在主托架的两个安装孔内，用轴承的外圈与主托架上的安装孔定位配合。整个主轴在径向与轴向上都处于定位，不能进行移动，而长时间的高速切削必然会使主轴因为发热而产生径向与轴向方向上的形变。在传统的这种设计方案中，因为主轴的径向与轴向都被固定不能移动，主轴在轴向上产生的形变不能进行自我消除，从而导致主轴发生弯曲变形产生挠度，影响主轴回转精度。为了满足加工要求，主轴必须进行定位，使其相对于主托架有固定的位置；从消除轴向形变的角度出发，主轴相对于主托架又必须可以进行一定量的位移，以消除轴向形变。所以，主轴相对于主托架必须有固定的位置，但在轴向上又不能被完全固定在主托架上，这就构成了一对物理冲突（定义为“形变物理冲突”）。

该定位系统应该具有的特性：保证主轴相对主托架有固定定位；出现的相反的特性为：主轴在轴向方向不能进行微量伸缩以满足系统要求。通过对以上“形变物理冲突”的分析，在保证主轴相对主托架有固定定位并满足一定回转精度的情况下，主轴在轴向方向必须可以进行微量伸缩。在此，采用“基于条件的分离”的解决方法。

2.3 冲突矩阵的建立及相应发明原理的确定

根据以上两个技术冲突与物理冲突的冲突描述，即对“加工技术冲突”与“形变物理冲突”的描述，可以将它们对应的标准工程参数及特性到TRIZ冲突矩阵（见表1）（第1列为想要改善的工程参数，第1行为恶化的工程参数）中进行查询，可很容易得到各自对应的发明原理。

表1 TRIZ理论中的冲突矩阵局部表
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(1)“加工技术冲突”对应的发明原理及一般解有：

No.27低成本不耐用的物体代替昂贵耐用的物体(Cheap short-living objects)：用一组廉价物体代替一个昂贵物体，放弃某些品质（如持久性）。

No.1分割(Segmentation)：将物体分成独立的部分，使物体成为可拆卸的或者增加物体的分割程度。

(2)根据TRIZ创新原理中提供的“基于条件的分离”的物理冲突解决方法，也可以得到其对应的发明原理及一般解有：

No.1分割(Segmentation)。

No.7套装（Nesting）：一个物体位于另一物体之内，而后者又位于第3个物体之内；一个物体通过另一个物体的空腔。

2.4 创新设计方案的确定

(1)“加工技术冲突”。根据以上分析，在初步设计中，选择“No.1分割(Segmentation)”原理。对整个结构复杂、笨重主托架进行分割，分割为两个部分：一个是结构复杂、笨重，但是精度要求低的外壳部分；一个是结构简单、轻巧，但是形位精度比较高的上下安装套部分。

(2)“形变物理冲突”。根据以上分析，考虑“No.7套装(Nesting)”发明原理。主轴的安装方式设计为：增加上下安装套。将主轴与轴承正常安装，但轴承的外圈通过过盈配合安装在上下安装套内，而上下安装套又安装在主托架的安装孔内。上安装套与主托架固定，下安装套不进行轴向固定，保证主轴在产生轴向小变形时能自我消除形变。

综合以上两种初步的创新设计方案，主轴传动系统的创新设计方案如下（如图4所示）：主轴部件安装在较高精度，但结构简单的上下安装套内，而不是直接安装在主托架上。上安装套通过螺栓固定在主托架上，而下安装套则通过轴承及相应的轴端挡圈与主轴配合，安装于主托架的下安装孔内，但并不与主托架在轴向上固定。在轴向方向上下安装套连同里面的轴承可随着主轴发热变长而向下进行小偏移。这种结构的设计避免了加工时，因主轴与轴承的发热变长而引起整个主轴的弯曲变形。上下安装套的设计保证了工作过程中的高精密加工，同时也降低了修整装置的生产、装配难度与成本。避免了砂轮修整器装配时必须要采取措施使装配误差小于10μm，以达到成型砂轮的修整精度要求，在保证精度的同时还降低了砂轮修整装置的制造难度。

2.5 砂轮修整装置结构的创新设计方案

该创新设计方案中，砂轮修整装置主要由：主轴、上安装套、修整工具、下安装套、主托架、动力机构等部件组成。与传统方案相比，此创新方案根据TRIZ创新理论中的技术冲突与物理冲突理论，创造性地增加了上安装套与下安装套这两个部件（如图4所示）。其与传统的双沟道砂轮修整装置特点比较如表2所示。

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图4 改进后的主轴传动系统图

表2 传统方案与创新设计方案特点比较
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3 结束语

通过TRIZ创新理论中物理冲突与技术冲突解决理论在砂轮修整装置创新设计中的运用，提出了双沟道砂轮修整装置的主轴传动系统的一个创新方案。在满足双沟道加工的高精度要求的同时，也具备了很好的后期设备维护性能以及良好的经济性。该创新方案已成功应用于实际轴承加工行业中，取得了较好的效果。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/4/2013)


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