林玲玉，馬蘇常（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津　300222）

集成TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣的可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計方法

林玲玉，馬蘇常
（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

摘要：分析現(xiàn)有可重構(gòu)機(jī)床的多種設(shè)計方法，提出了基于集成TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣的可重構(gòu)機(jī)床方案設(shè)計模型?？偨Y(jié)了用戶對機(jī)床的需求以及可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計要點，將其進(jìn)行歸納轉(zhuǎn)化成通用工程參數(shù)，并運(yùn)用TRIZ工具求得原理解，最后應(yīng)用形態(tài)學(xué)矩陣對所得原理解進(jìn)行組合性分析，得出多種可供選擇的RMT結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；形態(tài)學(xué)矩陣；集成；可重構(gòu)機(jī)床設(shè)計

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和制造技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)亟需生產(chǎn)出滿足用戶需求的產(chǎn)品，這對機(jī)床的要求也逐漸趨于個性化?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計技術(shù)必須能夠同時解決裝備的復(fù)雜性、動態(tài)性等問題，因此，1998年美國提出了可重構(gòu)制造技術(shù)這一重要概念[1]?？芍貥?gòu)機(jī)床（reconfigurable machine tool，RMT）是可以進(jìn)行自身結(jié)構(gòu)重組、變換、更替來完成特定加工任務(wù)的一種新型機(jī)械加工裝備。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)在RMT的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但是實現(xiàn)機(jī)床的可重構(gòu)設(shè)計仍然有許多其他的方法和途徑。

目前，國內(nèi)外研究者從多個角度對RMT的設(shè)計方法進(jìn)行了研究。Alejandro等[2]研究了一種車銑可重構(gòu)臺式機(jī)床，該機(jī)床可以根據(jù)加工工件種類的不同在車削和銑削之間靈活變換加工形式，同時設(shè)計了拱形軌道可以加工不同表面，給出了車銑可重構(gòu)臺式機(jī)床的原型機(jī)。張廣鵬等[3]提出以工藝方案為依據(jù)的RMT設(shè)計方法，依據(jù)工藝方案來設(shè)置RMT的相應(yīng)模塊。許虹等[4]提出了基于工藝規(guī)劃的RMT設(shè)置方法，從工藝需求出發(fā)識別相關(guān)工序族，最后獲得一系列RMT結(jié)構(gòu)配置。曾法力等[5]通過對圖的節(jié)點和邊進(jìn)行操作來研究RMT的配置，提高了制造系統(tǒng)的快速性和敏捷性。本文將集成TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣的方法應(yīng)用于RMT的概念設(shè)計研究中，構(gòu)建了RMT的設(shè)計模型，給出了多種RMT結(jié)構(gòu)配置方案。

1　TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣的集成

TRIZ是由俄國發(fā)明家G S Altshuller為代表的研究小組提出的。該研究小組在研究世界各國大量著名專利的過程中，發(fā)現(xiàn)技術(shù)的變革及產(chǎn)品的創(chuàng)新等是遵循一定規(guī)律的，掌握了相關(guān)規(guī)律就可以預(yù)測產(chǎn)品未來的發(fā)展趨勢，使發(fā)明創(chuàng)新問題的解具有可預(yù)見性[6]。沖突矩陣是TRIZ中解決技術(shù)沖突的有效工具，也是TRIZ解決問題的核心工具之一。發(fā)現(xiàn)沖突并且解決沖突是創(chuàng)新設(shè)計的核心，通過不斷解決產(chǎn)品設(shè)計中存在的沖突可以持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品。形態(tài)分析法是由瑞士科學(xué)家Zwicky[7]提出的，其目的是找出一切可能存在的解的組合方案。對機(jī)械產(chǎn)品來說，形態(tài)分析法是把一個完整系統(tǒng)劃分成多個子系統(tǒng)，把各個子系統(tǒng)在矩陣中進(jìn)行排列組合來獲得多種方案，最后依據(jù)相關(guān)評價準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)選的一種方法。

TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣的集成可以產(chǎn)生極具創(chuàng)新性的解，由此浙江大學(xué)的劉曦澤等[8]提出了集成形態(tài)學(xué)矩陣與沖突解決原理的概念設(shè)計過程模型，并且對此模型進(jìn)行詳細(xì)分析證明了該設(shè)計模型在使用中的靈活性和創(chuàng)新性。本文將該方法用于RMT的概念設(shè)計中，提出了適用于RMT的設(shè)計模型，為RMT的概念設(shè)計提供了解決途徑。

2　TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣集成的RMT方案模型

2.1TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣集成的RMT模型構(gòu)建

產(chǎn)品設(shè)計過程大致包括需求產(chǎn)生、問題分析、問題定義、解的產(chǎn)生、方案評價5個步驟[8-10]。在以前的RMT研究中主要依靠研究人員的經(jīng)驗來進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)的分析，TRIZ與形態(tài)學(xué)的結(jié)合可以在概念設(shè)計層面發(fā)現(xiàn)極具創(chuàng)新性的解[11]，方案設(shè)計模型如圖1所示，模型構(gòu)建過程如下：

（1）從市場對RMT的需求出發(fā)，總結(jié)出RMT的整機(jī)功能、主要特點及設(shè)計要素。

（2）對RMT的功能需求進(jìn)行TRIZ描述，TRIZ提供了多種進(jìn)行描述的工具，通常用39個通用工程參數(shù)描述。

（3）運(yùn)用TRIZ工具求解，獲得原理解。

（4）對獲得的RMT機(jī)床原理解進(jìn)行初步分析，對其作簡單篩選后列入形態(tài)學(xué)矩陣。

（5）對矩陣中的原理解進(jìn)行分析，從各行抽出一個原理解進(jìn)行組合，經(jīng)過解評價得出概念設(shè)計方案。

2.2TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣集成的RMT設(shè)計過程

根據(jù)TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣集成的RMT設(shè)計模型，得出RMT的設(shè)計過程：

（1）在當(dāng)前多變的市場環(huán)境下，對機(jī)床的需求也越來越多樣化及個性化，這促使著機(jī)床向著具有更高柔性的方向進(jìn)化。市場要求RMT機(jī)床具備適應(yīng)性強(qiáng)、可操作性好、具有更高的精度和生產(chǎn)率以及功能冗余少等優(yōu)勢，而在這些功能優(yōu)化的同時也有一些功能惡化。在設(shè)計過程中找出其中的矛盾點，對沖突進(jìn)行定義。

（2）針對目前RMT機(jī)床設(shè)計中存在的沖突，用39個通用工程參數(shù)進(jìn)行如下定義：機(jī)床的適應(yīng)性、多用性和裝置復(fù)雜性，可操作性和裝置可靠性，生產(chǎn)率、適應(yīng)性及多用性，制造精度和裝置復(fù)雜性。

（3）將TRIZ描述的通用工程參數(shù)列入沖突矩陣，沖突矩陣的行表示惡化的特性，列表示改進(jìn)的特性，行列的交叉點是所對應(yīng)的發(fā)明原理。通過查閱沖突矩陣表，可以查找對應(yīng)的發(fā)明原理，對所得的發(fā)明原理進(jìn)行初步分析，排除不適合機(jī)床設(shè)計領(lǐng)域的解以簡化矩陣，如表1所示。

圖1　集成TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣的RMT方案設(shè)計模型

表1　RMT機(jī)床的技術(shù)沖突矩陣及原理解

（4）將所得原理解列入形態(tài)學(xué)矩陣，如表2所示。

（5）通過表2中得出組合方案：分割-動態(tài)化-維數(shù)變化-分離。

表2　RMT機(jī)床原理解的形態(tài)學(xué)矩陣

3　RMT設(shè)計方案分析

（1）RMT能快速響應(yīng)不同零件族的加工需求，提高生產(chǎn)率；將機(jī)床劃分成容易組裝的多個模塊，可以根據(jù)加工需求增刪、替換模塊；同時模塊間標(biāo)準(zhǔn)化的接口具有通用性，提高了加工精度。

（2）機(jī)床沿著動態(tài)性增加的方向進(jìn)化來適應(yīng)不同的加工需求，對于剛性部件增加其柔性，不可動的部件變?yōu)榭蓜印?/p>

（3）RMT機(jī)床沿著多維化的方向進(jìn)化，例如機(jī)床軸數(shù)的增加，增加了可操作性；零件裝夾一次可以完成不同表面的加工，精度高。

結(jié)合上述對于RMT的分析，運(yùn)用圖論中表示機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圖畫表示法對RMT進(jìn)行簡化表示。機(jī)床坐標(biāo)系示意圖如圖2所示。運(yùn)用圖畫表示法表示部分立式機(jī)床模塊的結(jié)構(gòu)配置及動作關(guān)系，如圖3所示。

圖2　機(jī)床坐標(biāo)系示意圖

圖3　部分RMT的簡化結(jié)構(gòu)配置圖

圖3（a）表示工作臺沿X向移動，主軸繞Z軸轉(zhuǎn)動且可以沿Z向移動調(diào)整主軸與工件的距離；圖3（b）在工作臺端增加了Y向移動模塊；圖3（c）重新組合模塊，在立柱底端增加了可以Y向移動的模塊；圖3（d）工作臺可以回轉(zhuǎn)適應(yīng)不同角度的加工且可以沿Y向、X向移動。

4　結(jié)束語

本文將TRIZ與形態(tài)學(xué)矩陣集成的方法應(yīng)用于RMT的研究中。從RMT的功能需求出發(fā)來進(jìn)行分析，并給出了該方法的設(shè)計模型，最后獲得分割-動態(tài)化-維數(shù)變化-分離的設(shè)計方案，用圖論中表示機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圖畫表示法對機(jī)床結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了簡化表示及分析，為RMT的設(shè)計提供了多種解決方法。

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Research design method of re-configurable machine for TRIZ and morphology matrix

LIN Ling-yu，MA Su-chang
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：After the existing design methods of re-configurable machine tools are analyzed，the design model integrated TRIZ and morphological matrix is put forward. Customer demands and key points of re-configurable machine tools design and are summarized，which are transformed into a general engineering parameters. By using TRIZ these conflicts are solved and and principle solutions are worked out. Finally，by combining the results of the analysis of the principle solution of the matrix，the RMT structure design scheme is obtained.

Key words：TRIZ；morphological matrix；integration；reconfigurable machine tools design

作者簡介：林玲玉（1989—），女，碩士研究生；馬蘇常（1968—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、特種加工.

基金項目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研發(fā)展基金項目（KJY14-03）.

收稿日期：2015-06-24

中圖分類號：TG502.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095－0926（2015）03－0032－03