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        基于Pro/Innovator油缸機(jī)械手?jǐn)[臂精度問題的解決方案分析

        2018-07-26 05:28:38鐵曉艷張振潮張作超王虎強(qiáng)焦春照
        軸承 2018年5期
        關(guān)鍵詞:齒輪軸齒條小人

        鐵曉艷,張振潮,張作超,王虎強(qiáng),焦春照

        (1.洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽 471039;2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471039;3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,河南 洛陽 471039)

        我國工業(yè)正在朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、虛擬化、智能化的方向發(fā)展,對計(jì)算機(jī)技術(shù)的依賴也與日俱增,在技術(shù)創(chuàng)新中,對強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)輔助工具的需求愈加急迫。億維訊創(chuàng)造性地將發(fā)明問題解決理論TRIZ(Theory of the Solution of Inventive Problems)、本體論、多工程領(lǐng)域中解決相似技術(shù)問題的有效方法、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、自然語言處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)出了新一代的CAI技術(shù)工具——計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺Pro/Innovator。

        1 PRO/Innovator介紹

        計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺Pro/Innovator借助其強(qiáng)大的綜合分析工具和源于世界優(yōu)秀專利而創(chuàng)建的創(chuàng)新方案庫,不同工程領(lǐng)域的技術(shù)人員在面臨每一技術(shù)難題時,可打破思維定勢、拓寬思路,以全新的視角和思路分析問題,快速得到可操作的高效解決方案。

        在進(jìn)行問題方案分析時,借助TRIZ創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)和解決問題理論,揭示創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理,澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾,從而獲得最終的理想解。運(yùn)用TRIZ理論和Pro/Innovator創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺解決問題、分析方案,可以明確現(xiàn)有產(chǎn)品或工藝流程中存在的問題,并迅速確定和解決產(chǎn)品升級與開發(fā)中的關(guān)鍵問題,不僅可加快設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程,而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品[1-2]。換言之,利用TRIZ理論解決問題的路線方針,而Pro/Innovator平臺是TRIZ研究成果的一種具體化表現(xiàn),是解決問題的工具與方案庫[3-4]。

        一個創(chuàng)新問題解決的困難程度取決于對該問題描述的清晰程度,描述得越清楚,問題就越容易解決,因此,Pro/Innovator中創(chuàng)新問題求解的過程也是對問題不斷深入描述的過程。通常為了獲取最理想的解決方案,需要從宏觀和微觀上分別分析、提取系統(tǒng)中所包含的物理矛盾,即系統(tǒng)本身可能產(chǎn)生對立的特性。Pro/Innovator解決創(chuàng)新問題的一般流程如圖1所示。

        圖1 Pro/Innovator解決創(chuàng)新問題的一般流程圖Fig.1 General flow chart for solving innovation problem by Pro/Innovator

        2 油缸機(jī)械手?jǐn)[臂問題分析

        基于Pro/Innovator和TRIZ創(chuàng)新理論,針對油缸機(jī)械手?jǐn)[臂精度的問題進(jìn)行創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)與分析,從而解決問題。

        2.1 項(xiàng)目來源

        軸承磨床加工套圈時,采用油缸機(jī)械手進(jìn)行自動上下料,其主要作用是更換軸承套圈,使磨床能夠連續(xù)加工工件。油缸機(jī)械手?jǐn)[臂結(jié)構(gòu)如圖2所示,其工作原理為:液壓油從入口進(jìn)入油缸,油缸固定在箱體上;左端液壓油驅(qū)動活塞向右移動;齒條活塞帶動齒輪軸旋轉(zhuǎn),齒輪軸支承夾緊塊,夾緊塊自夾緊在齒輪軸上,擺臂桿固定在夾緊塊上,撥爪固定在擺臂桿上,定位塊固定在齒輪軸上(限制旋轉(zhuǎn)角度);液壓油從右端出口進(jìn)入油缸,形成回路;液壓輸出控制,擺臂桿輸出動力,實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的擺臂功能。

        圖2 油缸機(jī)械手三維簡圖Fig.2 3D diagram of oilcylinder manipulator

        油缸機(jī)械手?jǐn)[臂工序流程為:軸承套圈沿上料道滾動到一定位置(擋料塊擋料);機(jī)械手在初始位置抓取套圈,在油缸的驅(qū)動下擺臂,運(yùn)動到油缸行程限定的工件加工位;抓手松開,返回到初始位置。

        2.2 問題分解

        油缸驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)行擺臂運(yùn)動時,系統(tǒng)存在的主要問題為:由于液壓系統(tǒng)需保證油缸內(nèi)外壓力一致,齒輪齒條運(yùn)動之間存在間隙,導(dǎo)致機(jī)械手不能精準(zhǔn)的在正確位置上擺動;機(jī)械手?jǐn)[臂速度和回程速度較慢,影響整機(jī)加工效率。當(dāng)齒輪齒條間隙過小時,容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象;當(dāng)齒輪齒條間隙過大時,造成擺臂精度下降。所以,如何提高油缸機(jī)械手?jǐn)[臂的精度是工件連續(xù)自動上下料的關(guān)鍵,即該系統(tǒng)的技術(shù)IFR(最終理想解)是機(jī)械手能夠準(zhǔn)確無誤地擺臂到工件加工位置;齒輪齒條能夠運(yùn)動自如,不會卡死;不會出現(xiàn)液壓油泄漏;不會帶來其他的有害作用。

        2.3 系統(tǒng)分析

        針對該系統(tǒng)運(yùn)用小人法[5]建立如圖3所示的問題模型:小人1,2,3,4,5分別代表液壓油、齒條、機(jī)械手、齒輪軸、齒輪軸與齒條的間隙。

        圖3 小人法建立的問題模型Fig.3 Problem model built by smart little people method

        通過系統(tǒng)問題分析可知,存在4個方面的問題:小人1力氣太小,推不動小人2;小人2與小人3因箱子糾纏時間太長;小人3無法到達(dá)指定位置;小人1趁機(jī)逃走。綜合這些原因?qū)е碌慕Y(jié)果為小人2與小人4糾纏時間太長,導(dǎo)致小人3沒有達(dá)到指定位置。

        由此,建立目標(biāo)模型為引入X,并且X的功能是能夠保證小人3到達(dá)指定位置,即只要X能破除4個問題之一即可。此時X可以設(shè)定為:小人1數(shù)量增加;小人2與小人4關(guān)系親近;小人3能夠到達(dá)指定位置;小人1不想逃走。

        通過小人法分析,得到在機(jī)械手和工件之間增加“某種裝置X”來補(bǔ)償由于齒輪間隙造成的擺臂精度不準(zhǔn)確的缺點(diǎn),但是這個“某種裝置”有可能導(dǎo)致不可預(yù)測的問題出現(xiàn)。由此,將問題模型過渡到技術(shù)方案模型,也就是找資源?;赑ro/Innovator軟件,通過資源分析找到可利用的物質(zhì)資源有:齒輪齒條、密封蓋和油缸、定位塊。

        衍生出了對新技術(shù)系統(tǒng)的要求:驅(qū)動機(jī)械手做擺臂運(yùn)動;機(jī)械手?jǐn)[臂的時候應(yīng)盡可能精確;齒輪齒條能夠運(yùn)動自如,不會卡死;不會出現(xiàn)液壓油泄漏;不會帶來其他有害作用。

        2.3.1 功能分析

        基于Pro/Innovator軟件,對該系統(tǒng)進(jìn)行功能分析[6-7],得到如圖4所示的功能結(jié)構(gòu)圖和如圖5所示的功能流分析圖。

        圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of system function

        圖5 系統(tǒng)功能流分析圖Fig.5 Analysis diagram of system function flow

        通過組件模型分析,描述了系統(tǒng)中的組件及其相互間的關(guān)系,并得出影響精度的3個功能因素:液壓系統(tǒng)壓力過大,床身沒有回油裝置;齒輪齒條加工精度差;油缸密封性能不好,導(dǎo)致漏油。

        通過功能流分析,可清楚看出技術(shù)系統(tǒng)的能量傳遞組件、控制組件和結(jié)構(gòu)組件,了解系統(tǒng)各組件對技術(shù)系統(tǒng)的功能貢獻(xiàn)。從功能貢獻(xiàn)、問題影響、成本分配三方面分析組件在技術(shù)系統(tǒng)中的理想度,組件價值分析結(jié)果順序?yàn)椋簷C(jī)械手→齒輪軸→活塞→油缸→壓緊端蓋。

        2.3.2 裁剪分析

        通過組件價值分析,系統(tǒng)中各組件的理想度相差不大,在進(jìn)行裁剪分析時可根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪組件(圖6)[6-7]。形成方案1:裁剪掉液壓系統(tǒng)、液壓油,將此結(jié)構(gòu)用電動機(jī)代替,通過電動機(jī)驅(qū)動擺臂,通過電器控制機(jī)械手?jǐn)[臂精度。

        圖6 裁剪分析Fig.6 Cutting pattern analysis

        2.3.3 因果分析

        基于Pro/Innovator對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行因果分析(圖7)[5],得到導(dǎo)致油缸機(jī)械手?jǐn)[臂精度不高的原因有:齒輪齒條間隙不可控;液壓壓力大,產(chǎn)生漏油現(xiàn)象;壓力不均,擺臂角度不準(zhǔn)確。

        圖7 因果分析Fig.7 Causal analysis

        2.4 技術(shù)矛盾

        基于Pro/Innovator軟件和TRIZ理論對油缸機(jī)械手?jǐn)[臂問題進(jìn)行分析,得到該系統(tǒng)的3對技術(shù)矛盾[5]:

        一是齒輪齒條間隙(距離)與結(jié)構(gòu)卡死(性能),其中齒輪齒條間隙屬于距離屬性,結(jié)構(gòu)卡死屬于性能屬性。

        二是密封性能、漏油問題與增加系統(tǒng)復(fù)雜性,其中密封性能、漏油問題屬于尺寸屬性,增加系統(tǒng)復(fù)雜性屬于性能屬性。

        三是定位塊結(jié)構(gòu)與增加系統(tǒng)復(fù)雜性,其中定位塊結(jié)構(gòu)屬于尺寸屬性,增加系統(tǒng)復(fù)雜性屬于性能屬性。

        2.5 創(chuàng)新方案庫

        在進(jìn)行了問題分析、問題分解、系統(tǒng)分析、資源分析、功能分析、裁剪分析、因果分析之后,已經(jīng)基本掌握了問題的癥結(jié)與物理屬性,進(jìn)而明確了系統(tǒng)的技術(shù)矛盾與最優(yōu)理想解。根據(jù)系統(tǒng)分析的技術(shù)矛盾,借助Pro/Innovator軟件提供的創(chuàng)新方案庫[7],結(jié)合技術(shù)人員長期針對該方案的經(jīng)驗(yàn)理解與技術(shù)升華,查詢創(chuàng)新理論及原理,將其轉(zhuǎn)化為符合該問題的解決方案,從而解決系統(tǒng)矛盾。

        根據(jù)曲面化原理(圖8),球形接觸區(qū)提高耦合的可靠度,聯(lián)想到提升齒輪齒條嚙合的可靠度,形成方案2:重新設(shè)計(jì)齒輪齒條的嚙合接觸區(qū)域,計(jì)算出齒輪齒條能夠滿足精準(zhǔn)運(yùn)動的最大間隙。

        圖8 方案2Fig.8 Scheme 2

        從《預(yù)先反作用原理》獲得啟發(fā)(圖9),提前考慮機(jī)械手的位置補(bǔ)償,形成方案3:在機(jī)械手預(yù)定達(dá)到的位置之前,先轉(zhuǎn)動機(jī)械手到所需要補(bǔ)償?shù)奈恢茫诎惭b齒輪軸和設(shè)計(jì)鍵槽時可考慮該方案。

        圖9 方案3Fig.9 Scheme 3

        利用事先防范原理的緊急制動原理,在系統(tǒng)問題中采用緊急制動裝置,形成方案4:在齒輪軸上安裝一個運(yùn)動傳感器,當(dāng)齒條齒輪出現(xiàn)卡死現(xiàn)象,齒輪軸不再運(yùn)動,則感應(yīng)器發(fā)出報警,命令系統(tǒng)緊急停止。

        利用系統(tǒng)自服務(wù)原理(圖9),從系統(tǒng)自身的機(jī)械原理找出路,形成方案5:采用壓強(qiáng)大的液壓系統(tǒng),使機(jī)械手動力增強(qiáng),快速實(shí)現(xiàn)工件轉(zhuǎn)換。

        圖10 方案5Fig.10 Scheme 5

        利用預(yù)先作用原理(圖11),預(yù)先確定物質(zhì)的極限位置,把單物質(zhì)變成雙物質(zhì),提前預(yù)想機(jī)械構(gòu)件的極限動作,形成方案6:在油缸上安裝固定螺釘,限制機(jī)械手的擺臂位置,提高運(yùn)動精度。

        圖11 方案6Fig.11 Scheme 6

        利用反饋原理(圖12),通過機(jī)械構(gòu)件動作產(chǎn)生的效應(yīng),使控制室及時得到動作信號,形成方案7:在油缸上安裝接近開關(guān),當(dāng)定位塊運(yùn)動到接近開關(guān)的位置時,發(fā)出信號,限制機(jī)械手的擺臂運(yùn)動,從而提高擺臂精度。

        圖12 方案7Fig.12 Scheme 7

        Pro/Innovator軟件提供的創(chuàng)新方案庫還有其他思路,引導(dǎo)解決問題,這里不再一一列舉。

        2.6 方案評估

        基于創(chuàng)新知識庫的創(chuàng)新原理,通過對機(jī)械手油缸擺臂精度問題的分析,得到以上7種方案,對這7種方案從成本可控性、操作可行性、整改難易度、效果可靠性等方面進(jìn)行綜合整體評估[6],見表1。

        表1 方案評估Tab.1 Scheme evaluation

        3 優(yōu)化結(jié)果

        通過對所形成的7個方案進(jìn)行結(jié)果評估,從結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、成本可控性以及可行性等方面綜合考慮,篩選得到的最終方案為:優(yōu)化齒輪齒條嚙合間隙(圖13);在油缸上安裝接近開關(guān),通過磁場觸發(fā)機(jī)械手的運(yùn)動;在油缸上增加固定螺釘,限制機(jī)械手?jǐn)[動位置;在齒輪軸上安裝傳感器,出現(xiàn)卡死時引發(fā)報警(圖14)。

        圖13 齒輪齒條嚙合間隙示意圖Fig.13 Diagram of meshing clearance of gear rack

        圖14 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Diagram of optimized structure

        最優(yōu)方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4個方面:

        1)優(yōu)化齒輪齒條嚙合間隙是解決該問題的關(guān)鍵,通過重新設(shè)計(jì),可有效改善擺臂機(jī)械手的運(yùn)動精度。

        2)在油缸上安裝接近開關(guān),通過磁場觸發(fā)機(jī)械手的運(yùn)動,運(yùn)用磁場和電氣控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手?jǐn)[臂運(yùn)動,不僅提高了運(yùn)動的精度,而且縮短了感應(yīng)時間。

        3)在油缸上增加固定螺釘,限制機(jī)械手?jǐn)[動位置。固定螺釘與定位塊相輔相成,當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動的極限位置超差時,固定螺釘和定位塊可以起到阻礙和限制的作用。

        4)在齒輪軸上安裝傳感器,出現(xiàn)卡死時引發(fā)報警,此保險方案可在齒輪齒條出現(xiàn)卡死,機(jī)械手無法實(shí)現(xiàn)擺臂運(yùn)動時,機(jī)器通過傳感器獲取信號,立即停車。

        綜上,該方案在結(jié)構(gòu)上無需很大修改,不影響原有零部件的結(jié)構(gòu),成本消耗低,可行性強(qiáng)。經(jīng)機(jī)床設(shè)備調(diào)試驗(yàn)收,該方案不僅提高了機(jī)械手?jǐn)[臂的運(yùn)動精度,而且大大縮短了擺臂更換工件的循環(huán)時間,改善了機(jī)床的穩(wěn)定性,獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

        此改進(jìn)方案目前已應(yīng)用于軸承制造裝備,適應(yīng)于軸承內(nèi)圈磨床、外圈磨床和內(nèi)圓磨床等裝備。某套圈采用該方案前后的對比結(jié)果見表2(部分?jǐn)?shù)據(jù))。

        表2 某套圈采用改進(jìn)方案前后對比結(jié)果Tab.2 Comparison results of ring before and after improvement

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