田大烈

摘要： 針對(duì)現(xiàn)有圖書生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的打包或裁剪工藝的推書機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了新型的推書機(jī)構(gòu)，并通過(guò)Proe5.0建模，通過(guò)Adams進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可以提高圖書生產(chǎn)線的柔性制造程度，縮減設(shè)計(jì)周期。

Abstract： According to the book pushing mechanism drawbacks of indispensable packaging or cutting process in the production， using TRIZ theory to take the innovation design， a new book pushing mechanism has been designed. Through Proe5.0 for modeling， Adams for dynamic simulation， it can improve the flexible manufacturing degree of book production line， and can reduce the design cycle.

關(guān)鍵詞： 推書；TRIZ理論；仿真；設(shè)計(jì)

Key words： pushing book；TRIZ theory；simulation；design

中圖分類號(hào)：TP334.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0111-03

0 引言

設(shè)計(jì)人員在根據(jù)限定的設(shè)計(jì)任務(wù)條件，會(huì)初步選擇主要參數(shù)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合，在計(jì)算仿真出設(shè)計(jì)結(jié)果后，再根據(jù)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，若達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，會(huì)再調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進(jìn)入一種從新設(shè)計(jì)計(jì)算循環(huán)，直到所有驗(yàn)證結(jié)果符合設(shè)計(jì)任務(wù)條件，這需要設(shè)計(jì)者本身具有較高的專業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)候可能進(jìn)行多次反復(fù)驗(yàn)算，設(shè)計(jì)效率會(huì)降低，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。

推書裝置功能就是將一定規(guī)格尺寸圖書，堆積成一定厚度、重量推動(dòng)一定距離，送到輸送皮帶輪上，該過(guò)程必須確保一定高度堆積圖書不會(huì)被推散，即要求在水平推書的過(guò)程盡量保持勻速運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在目前推書機(jī)構(gòu)主要是利用凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)[1]，讓它符合特定的推書規(guī)律，并利用壓力角優(yōu)化產(chǎn)生良好的傳力性能。但是這些組合機(jī)構(gòu)只能在前期設(shè)計(jì)規(guī)律下運(yùn)動(dòng)，不能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)節(jié)奏和任務(wù)實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線要求。下面具體簡(jiǎn)紹一種新型推書機(jī)構(gòu)。

1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ（發(fā)明問(wèn)題解決理論）是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇.阿奇舒勒帶領(lǐng)一大批科技工作者在研究了大量專利的基礎(chǔ)上提出的一套具有完整理論體系的創(chuàng)新方法。TRIZ理論包含40個(gè)發(fā)明原理，39個(gè)工程參數(shù)及阿奇舒勒矛盾矩陣，物理矛盾和分離原理，技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化法則，最終理想解（IFR），物-場(chǎng)模型分析，發(fā)明問(wèn)題標(biāo)準(zhǔn)算法（ARIZ）科學(xué)知識(shí)原理庫(kù)，發(fā)明問(wèn)題的76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，沖突、技術(shù)進(jìn)化和效應(yīng)。

2 基于TRIZ理論創(chuàng)新[2]

2.1 研究目的

現(xiàn)在目前推書機(jī)構(gòu)主要是利用凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)，讓它符合特定的推書規(guī)律，并利用壓力角優(yōu)化產(chǎn)生良好的傳力性能。在前期設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要根據(jù)推書板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇凸輪的輪廓及凸輪壓力角、選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但是這些組合機(jī)構(gòu)只能在前期設(shè)計(jì)規(guī)律下運(yùn)動(dòng)，不能根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)節(jié)奏和任務(wù)實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線要求。鑒于上述原因，我們基于TRIZ理論設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足實(shí)際生產(chǎn)節(jié)奏和任務(wù)實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線且減少設(shè)計(jì)周期的推書機(jī)構(gòu)。將會(huì)對(duì)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線煩人研究具有一定的參考價(jià)值。

2.2 基本思路及創(chuàng)新點(diǎn)

如圖1及圖2所示目前的推書機(jī)構(gòu)[3]主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、槽形凸輪、擺桿、連桿、過(guò)載保護(hù)裝置、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、推書板組成。其中過(guò)載保護(hù)裝置是保證推書板在卡死或過(guò)載的極限情況下，停機(jī)確保安全。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，槽形凸輪作等速圓周旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而讓一端固定的，帶由滾動(dòng)軸承的擺桿左右搖擺，而齒輪齒條機(jī)構(gòu)中，下面的齒條固定，連桿在擺桿的驅(qū)使下左右移動(dòng)，進(jìn)而迫使齒輪以連桿的一端為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)了推書板下的齒條，使推書板在水平方向上左右移動(dòng)，因?yàn)椴坌瓮馆喌妮喞€不規(guī)則，所以推書板的移動(dòng)速度因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的急回特性并不一樣。

2.2.1 問(wèn)題分析

推書板實(shí)現(xiàn)根據(jù)推書距離和推書高度及重量確定需要在水平方向左右移動(dòng)距離和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

在工作的時(shí)候必須確保推書過(guò)程平穩(wěn)可靠，在不工作的時(shí)候必須具有急回特性，快速返回到初始狀態(tài)，減少非工作時(shí)間。因?yàn)橥茣鴻C(jī)構(gòu)只能在前后移動(dòng)，所以水平移動(dòng)導(dǎo)軌較長(zhǎng)，推書的效率只能一個(gè)機(jī)構(gòu)完成，并不能滿足實(shí)際生產(chǎn)節(jié)奏和任務(wù)實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線，構(gòu)成系統(tǒng)適應(yīng)性、通用性與控制和測(cè)量的復(fù)雜性的技術(shù)矛盾。由矛盾矩陣表查出三個(gè)發(fā)明原理（見(jiàn)表1）。

1號(hào)，分離法，即將整體切分，包含三方面的含義：將物體分成相互獨(dú)立的部分、將物體分成容易組裝進(jìn)而拆卸的部分、增加物體的分割程度。我們采用發(fā)明原理1號(hào)不對(duì)稱原則中的第一條，將利用水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)來(lái)合成推書板的運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

推書板采用分離原理，將原本水平移動(dòng)分解為水平方向移動(dòng)與垂直方向移動(dòng)合成，利用機(jī)械系統(tǒng)替代法在垂直方向?qū)⑺臈U機(jī)構(gòu)、帶輪、鏈輪等機(jī)械傳動(dòng)省去，利用氣缸控制垂直方向的移動(dòng)速度和高度。

如圖4所示，該創(chuàng)新機(jī)構(gòu)由：1-三相異步電機(jī)、2-普通V型帶、3-單輸入雙輸出蝸輪蝸桿減速器、4-曲柄、5-連桿1、6-鎖緊螺栓、7-連桿2、8-圓柱銷、9-螺旋齒輪軸、10-螺旋齒輪、11-垂直立柱、12-氣缸、13-氣缸安裝座、14-推書板導(dǎo)軌、15-推書板組成。該裝置主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)及輔助機(jī)構(gòu)。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置包括三相異步電機(jī)、提供一定壓力的氣源（空氣壓縮機(jī)）；水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括曲柄、連桿1、鎖緊螺栓、連桿2、圓柱銷、推書桿；垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括氣缸、氣缸安裝座、推書板導(dǎo)軌；輔助機(jī)構(gòu)包括螺旋齒輪軸、螺旋齒輪；協(xié)調(diào)控制機(jī)構(gòu)主要包括三位四通電磁換向閥、電氣控制裝置、檢測(cè)裝置等。

該裝置事先要根據(jù)需要推書堆積的高度、推書距離、實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)推書頻率調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)：

①改變氣缸安裝座相對(duì)于垂直立柱的高度：通過(guò)活動(dòng)扳手卡住螺旋齒輪軸頭上加工成的四面體并施加一定的力矩，螺旋齒輪作為主動(dòng)輪將動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞給從動(dòng)軸-螺旋齒輪軸，而該螺旋齒輪軸上端加工成螺桿，與氣缸安裝座中間的開口螺母配合，由于螺旋齒輪軸下端與垂直立柱低面相對(duì)固定，故將螺旋齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闅飧装惭b座的直線升降運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槁菁y升角小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角，氣缸安裝座受到軸向力作用時(shí)候，無(wú)論這個(gè)力多大，螺旋齒輪軸上的螺桿不會(huì)自行送退[3]，故在停止傳動(dòng)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)精確可靠軸向定位。進(jìn)而調(diào)節(jié)推書板相對(duì)于堆積書的高度。

②改變推書的距離：連桿1上加工有一定長(zhǎng)度的環(huán)形開口槽，連桿2上加工有開口螺母，連桿1與連個(gè)通過(guò)移動(dòng)副配合在一起，由鎖緊螺栓固定，這樣推書板的水平運(yùn)動(dòng)距離將會(huì)發(fā)生改變。

③改變推書頻率：交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性能已使逆變器-三相異步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)中應(yīng)用日益廣泛，采用變頻器可以調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變推書板在推書板導(dǎo)向座上水平移動(dòng)的速度。在設(shè)計(jì)氣缸導(dǎo)桿的移動(dòng)速度時(shí)，會(huì)有很多影響因素，比如：氣缸的缸徑、空氣壓縮機(jī)的供氣量、電磁閥的流量等，大多數(shù)影響因素被設(shè)計(jì)者所考慮，目前可以通過(guò)采用排氣節(jié)流與節(jié)流閥靠近氣缸[4]，能有限地控制氣缸導(dǎo)桿移動(dòng)速度，進(jìn)而控制推書板導(dǎo)軌垂直方向上的上升與下降運(yùn)動(dòng)。

3 推書機(jī)構(gòu)Adams動(dòng)力學(xué)仿真[6]

由于蝸輪蝸桿減速器雙輸出的運(yùn)動(dòng)相對(duì)稱，只是運(yùn)動(dòng)相錯(cuò)180°，故取將在Proe5.0中建模一邊另存為.x_t格式，導(dǎo)入Adams2013中，在構(gòu)件間添加約束：曲柄與連桿1、連桿2與推書板添加轉(zhuǎn)動(dòng)副；連桿1與連桿2、氣缸導(dǎo)桿與氣缸、氣缸安裝座與垂直立柱添加固定副；推書板導(dǎo)軌與垂直立柱、推書板與推書板導(dǎo)軌添加移動(dòng)副；垂直立柱、曲柄旋轉(zhuǎn)軸都與大地添加固定副。添加驅(qū)動(dòng)、定義材料，讓執(zhí)行元件推書板按照以下運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)：推書板水平前進(jìn)-推書板導(dǎo)軌垂直上升-推書板水平推書-推書板導(dǎo)軌垂直下降-推書板水平回退到初始位置。設(shè)置曲柄旋轉(zhuǎn)周期為8s，步長(zhǎng)設(shè)為50，可以得到如圖6、圖7、圖8所示仿真曲線：推書板位移曲線、速度曲線、加速度曲線。

從圖6、圖7、圖8可看出，該新型推書裝置在推書過(guò)程中執(zhí)行件-推書板的位移、速度與加速度變化情況，曲線均光滑，沒(méi)有出現(xiàn)較大的沖擊和突變，只是加速度存在柔性沖擊，說(shuō)明該推書裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較適合，滿足推書動(dòng)作的設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)推書動(dòng)作的平穩(wěn)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)書本推書機(jī)構(gòu)所存在的問(wèn)題，采用TRIZ理論不僅縮短了設(shè)計(jì)周期；而且增加了設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的實(shí)用性，設(shè)計(jì)出了新型的推書機(jī)構(gòu)。用PROE創(chuàng)建三維圖形，用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，證明推送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)推書動(dòng)作的平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱江.凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]，機(jī)械，2002（29）：24-25.

[2]馬力輝，檀潤(rùn)華.發(fā)明問(wèn)題解決理論解到領(lǐng)域解的轉(zhuǎn)化方法研究.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，14（10）：1873-1880.

[3]丁樹模，丁問(wèn)司.機(jī)械工程學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014，8.

[4]王立，祖龍啟，唐樹森.變頻器-三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法[J].大連輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（9）：211-213.

[5]李雪濤，司偉.氣缸的速度控制[J].橡塑技術(shù)與裝備，2003（29）：26-28.

[6]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.