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        基于ARIZ 理論的維護(hù)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

        2023-12-13 11:21:52范敦坤
        機電工程技術(shù) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:螺母顯示器間隙

        吳 杰,范敦坤

        (廣州廣電運通金融電子股份有限公司,廣州 510663)

        0 引言

        隨著經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步,人們對自動柜員機(Automated Teller Machine,ATM)的需求量在逐年增加,自動柜員機是一種在計算機自動控制下,為用戶提供個人自助銀行服務(wù)的公共自助設(shè)備[1]。它除了可以辦理傳統(tǒng)銀行柜面服務(wù)外,還能夠增加網(wǎng)點智能化程度,簡化業(yè)務(wù)辦理流程,提升辦理效率。隨著數(shù)字人民幣試點持續(xù)推進(jìn),ATM機已率先實現(xiàn)了數(shù)字人民幣與紙鈔的雙向兌換功能,它給人們帶來了極大的便利。ATM 維護(hù)終端的顯示屏是通過旋轉(zhuǎn)機機構(gòu)固定在后門上,由于旋轉(zhuǎn)軸與孔間存在間隙,且其支撐臂較長,因而經(jīng)常發(fā)生維護(hù)終端向一端偏斜,直接影響用戶使用體驗。目前維護(hù)終端偏斜問題解決方案主要是從減小配合間隙方面考慮,既增加了制造成本,又降低了生產(chǎn)效率,存在一定的問題。然而,應(yīng)用ARIZ理論在自動柜員機領(lǐng)域鮮有研究,對于維護(hù)終端偏斜問題的創(chuàng)新設(shè)計未見報道。

        本文運用ARIZ 理論針對維護(hù)終端偏斜問題,建立了針維護(hù)終端的系統(tǒng)模型、并進(jìn)行了系統(tǒng)相互作用分析、物質(zhì)場資源分析、因果分析和最小問描述,最終消除了維護(hù)終端裝置中出現(xiàn)的技術(shù)矛盾和物理矛盾,提出了多個結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,并結(jié)合實際情況對設(shè)計方案進(jìn)行了工程可行性評估,選擇其中較理想的解決方案進(jìn)行了生產(chǎn)驗證,為今后產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供了有價值的參考。

        1 ARIZ理論

        發(fā)明問題解決算法(Algorithm for Inventive-Problem Solving,ARIZ)是TRIZ 創(chuàng)新方法理論中用于解決復(fù)雜創(chuàng)新問題的重要思維工具之一,它提供了一整套從問題分析解決到方案評價的系統(tǒng)化流程。創(chuàng)新方法用于問題解決近年來被應(yīng)用于工程技術(shù)、社科等多個領(lǐng)域,為人們創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供系統(tǒng)的理論和方法工具,成功解決了不少復(fù)雜難題。經(jīng)過多次改進(jìn)和發(fā)展,ARIZ-85C版本應(yīng)用最為普遍[2-6]。

        ARIZ-85C版本共計9 個關(guān)鍵步驟,如圖1 所示。其中步驟1、7、8、9 是常規(guī)性步驟,其余步驟則根據(jù)該問題是否獲得了解決方案循環(huán)推進(jìn)。當(dāng)進(jìn)行到某一步驟獲得問題解決方案即可跳出循環(huán)。其處理問題的關(guān)鍵在于聚焦最小問題,抓住主要矛盾,同時利用多個TRIZ理論工具,如發(fā)明原理、物場原理、技術(shù)矛盾、物理矛盾等,獲得該問題的創(chuàng)新設(shè)計方案[7-12]。在用ARIZ理論對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時,應(yīng)充分考慮產(chǎn)品存在的問題,對其工作原理作合適的調(diào)整,以滿足對產(chǎn)品的新要求。

        圖1 ARIZ-85C流程

        2 ARIZ在維護(hù)終端優(yōu)化的應(yīng)用

        2.1 問題描述

        技術(shù)系統(tǒng)的名稱是維護(hù)終端,其主要功能是支撐顯示器。如圖2 所示,維護(hù)終端包括固定架、支撐臂、聯(lián)接板和顯示器。支撐臂右端和固定架樞接,支撐臂左端和聯(lián)接板樞接,聯(lián)接板與顯示器鎖緊。為了使顯示器在工作過程中,可以靈活的轉(zhuǎn)動,壓鉚螺母柱與配合孔之間存在間隙。由于壓鉚螺母柱與配合孔之間存在間隙,導(dǎo)致其對顯示器的約束不足,發(fā)生偏斜現(xiàn)象。目前維護(hù)終端偏斜問題主要是從減小配合間隙方面考慮,既降低了生產(chǎn)效率,也無法徹底解決偏斜問題。

        圖2 維護(hù)終端結(jié)構(gòu)

        2.2 系統(tǒng)功能分析

        2.2.1 系統(tǒng)資源列表

        維護(hù)終端系統(tǒng)中的外部資源是整機、空氣、重力等,系統(tǒng)中的內(nèi)部資源是固定架、支撐臂、聯(lián)接板、顯示器。維護(hù)終端超系統(tǒng)組件、系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件列表如圖3 所示。

        圖3 系統(tǒng)資源列表

        2.2.2 系統(tǒng)相互作用分析

        組件相互作用分析是問題識別階段的一個步驟,它是用來識別一個工程系統(tǒng)中的組件。在這個過程中,工程系統(tǒng)以及與之相互作用和共存的超系統(tǒng)的相關(guān)組件被識別出來[13]。根據(jù)系統(tǒng)資源分析,維護(hù)終端超系統(tǒng)組件、系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件在系統(tǒng)運行中的相互作用如圖4 所示,交叉為黑點時表示有相互作用。

        圖4 系統(tǒng)相互作用

        2.2.3 系統(tǒng)功能模型

        維護(hù)終端主要功能是支撐顯示器。根據(jù)系統(tǒng)資源列表和系統(tǒng)相互作用分析,得到功能模型算法,再根據(jù)算法建立系功能模型。如圖5 所示,圖中實線表示功能正常,虛線表示功能不足。

        圖5 系統(tǒng)功能模型

        通過組件模型分析,可以得出導(dǎo)致偏斜可能的4 個功能因素:壓鉚螺母柱1 與支撐臂約束不足;壓鉚螺母柱2 與固定架約束不足;壓鉚螺母柱3 與聯(lián)接板約束不足;壓鉚螺母柱4 與支撐臂約束不足。

        2.2.4 因果分析

        采用5W方式分析維護(hù)終端裝配到ATM 上發(fā)生明顯傾斜的原因:(1)為什么顯示器發(fā)生傾斜現(xiàn)象?答:因為聯(lián)接板發(fā)生了傾斜。(2)為什么聯(lián)接板發(fā)生傾斜現(xiàn)象?答:因為支撐臂發(fā)生了傾斜。(3)為什么支撐臂發(fā)生了傾斜現(xiàn)象?答:因為壓鉚螺母柱和孔之間存在間隙。(4)為什么壓鉚螺母柱和孔之間存在微小間隙就會發(fā)生明顯傾斜現(xiàn)象?答:因為維護(hù)終端為水平放置受向下的重力作用,由于支撐臂較長,所以左端發(fā)生的微小傾斜時在右端被放大數(shù)倍。

        如圖6所示,假設(shè)壓鉚螺母柱(高度為L2)和孔之間傾角為β,支撐臂(長度為L1)和水平面之間的傾角為α,則由幾何關(guān)系可知:α =β,因此由三角函數(shù)公式可得到:

        圖6 幾何關(guān)系示意圖

        將上面式(2)、(3)參數(shù)代入式(1),得

        由上面幾何關(guān)系推導(dǎo)出的公式可得:由于壓鉚螺母柱和孔之間存在微小間隙,當(dāng)左端發(fā)生微小的傾斜距離H2時,則支撐臂右端傾斜距離為H1被成倍放大,放大倍數(shù)為L1/L2。

        2.3 定義最小問題

        在維護(hù)終端系統(tǒng)里,系統(tǒng)的功能是支撐顯示器,系統(tǒng)組件分別是固定架、支撐臂、聯(lián)接板和顯示器。關(guān)鍵是定義系統(tǒng)存在的技術(shù)矛盾TC1 和TC2。

        技術(shù)矛盾TC1:如果壓鉚螺母柱與孔配合間隙小(制造精度高),那么不發(fā)生偏斜(可靠性高),但是生產(chǎn)效率低。

        技術(shù)矛盾TC2:如果壓鉚螺母柱與孔配合間隙大(制造精度低),那么生產(chǎn)效率高(可靠性低),但是會發(fā)生偏斜。

        定義最小問題:在提高生產(chǎn)效率同時,顯示器不發(fā)生偏斜。下面將根據(jù)最小問題,尋找解決方案。

        2.4 問題模型分析

        2.4.1 技術(shù)矛盾

        (1)技術(shù)沖突分析

        按照TRIZ理論描述:TC1 定義為增強有用作用,同時增強有害作用。TC2 定義為降低有害作用,同時降低有用作用[14]。通過上述最小問題的定義,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在技術(shù)矛盾。如圖7 所示,利用技術(shù)矛盾進(jìn)行分析,選取技術(shù)沖突TC1 進(jìn)行求解。

        圖7 技術(shù)矛盾分析

        (2)技術(shù)沖突解決

        本次技術(shù)矛盾中“可靠性”是需要改善的參數(shù);孔與軸的“制造精度”是惡化參數(shù)。尋找阿奇舒勒沖突矩陣中改善和惡化通用工程參數(shù)交叉的單元,確定發(fā)明原理。根據(jù)發(fā)明原理列表可以獲得以下兩個創(chuàng)新方案。

        方案1,基于發(fā)明原理-預(yù)補償(采用預(yù)先準(zhǔn)備好的應(yīng)急措施補償物體相對較低的可靠性),如圖8 所示。采用楔形墊片放置在固定架固定面的下方,該楔形墊片具有一個長圓形通孔,用來調(diào)整補償距離。楔形墊片產(chǎn)生的補償距離可以糾正壓鉚螺母柱和孔配合間隙引起的傾斜,避免維護(hù)終端發(fā)生傾斜。

        圖8 方案1 示意圖

        方案2,基于發(fā)明原理-分割(①將物體分為多個獨立單元,使物體易于拆卸;②增加物體可分割的程度),如圖9 所示。將與壓鉚螺母柱配合的孔從中間分割開移除部分材料,形成Ω形鎖片。該Ω形鎖片的特點是完全閉合時弦高均小于直徑。Ω形鎖片與支撐臂焊件成一體,然后用一個螺釘鎖緊壓鉚螺母柱,從而消除間隙,避免維護(hù)終端發(fā)生傾斜。

        圖9 方案2 示意圖

        2.4.2 物理矛盾

        (1)定義操作區(qū)間和操作時間

        操作區(qū)域是指系統(tǒng)完成某項功能的執(zhí)行,需要一定的空間區(qū)域[15]。操作時間是指系統(tǒng)完成某項功能的執(zhí)行,需要一定的時間區(qū)域。維護(hù)終端系統(tǒng)存在技術(shù)矛盾的同時也存在物理矛盾,依據(jù)圖10 進(jìn)行物理矛盾的操作區(qū)域和操作時間分析。

        圖10 操作區(qū)間和操作時間圖

        (2)物理沖突分析

        在裝配時為了提高生產(chǎn)效率,希望壓鉚螺母柱與孔的間隙比較大,但是為了使后護(hù)終端在工作過程中不發(fā)生傾斜,這時又要求壓鉚螺母柱與孔的間隙比較小。這種既要間隙“大”與又要間隙“小”的同時存在的情況,是物理沖突。根據(jù)對維護(hù)終端系統(tǒng)操作區(qū)域和操作時間分析,利用四大“分離法則”(空間分離、時間分離、條件分離、整體與部分分離)進(jìn)行消除物理沖突。查找與該分離法則對應(yīng)的發(fā)明原理,得到解決方案。

        (3)物理沖突解決

        方案3,空間分離法則中的維數(shù)變化發(fā)明原理(①將物體變?yōu)槎S運動以克服一維直線運動或定位的困難,或者過渡到三維空間運動以消除物體在二維平面的運動或定位問題;②單層排列的物體變?yōu)槎鄬优帕?;將物體傾斜或側(cè)向放置;③利用照射到臨近表面或物體背面的光線),如圖11 所示,將壓鉚螺柱和孔壁由垂直改變?yōu)閮A斜即錐孔。利用錐孔的自動對心作用,使其居中,從而避免傾斜。

        圖11 方案3 示意圖

        方案4,條件分離法則中的熱膨脹發(fā)明原理(①利用材料的熱膨脹或熱收縮;②組合使用不同熱膨脹系統(tǒng)的幾種材料)。壓鉚螺母柱外徑與孔配間隙小,裝配時用電磁感應(yīng)對孔預(yù)熱,孔受熱膨脹后變大容易裝配,冷卻至常溫時間隙小,從而避免傾斜。

        2.4.3 物場資源

        思維慣性是創(chuàng)新設(shè)計的最大障礙,ARIZ強調(diào)在解決問題過程中必須開闊思路,運用TRIZ可以克服思維慣性導(dǎo)致的障礙,增加解決問題的靈活性。這一步旨在增加可用物場資源數(shù)量,尋找系統(tǒng)內(nèi)資源與外資源等。模擬智能小人法(SLP)可打破思維定勢,用于在微觀級別上分析系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的某些組件無法執(zhí)行必要的功能和顯示沖突的功能時,使用一小群人來表示無法完成特定的功能,通過活躍的小人物來達(dá)到預(yù)期的功能。然后根據(jù)模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計。如圖12 所示,建立SLP模型,紅色小人與黑色小人分別表示壓鉚螺母柱的“外表面”和孔壁的“內(nèi)表面”,兩者之間的理想狀態(tài)是:在裝配時兩者之間沒有約束并能自由離開;在工作時,黑色小人被紅色小人抓住,兩組小人緊緊地抓在一起。

        圖12 智能小人法模型示意圖

        方案5,智能小人法(SLP):壓鉚螺母柱采用記憶合金制造,裝配時將其冷卻,使外徑變小,易于裝配,生產(chǎn)效率高;裝配完成放置一段時間后它靠記憶功能恢復(fù)初始形狀,此時與孔配合間隙變小,從而避免傾斜。

        2.5 創(chuàng)新方案評估及驗證

        (1)創(chuàng)新方案評估

        下面結(jié)合工藝加工情況,從成本、經(jīng)濟效益和技術(shù)難度對上述5 個設(shè)計方案進(jìn)行評估,分別如下。

        方案1,采用預(yù)先準(zhǔn)備好的楔形墊片來調(diào)整補償間隙,避免后臺維護(hù)終端發(fā)生傾斜。該方案雖然結(jié)構(gòu)簡單、但因增加了新的物料成本較高,暫不考慮。

        方案2,采用Ω 形鎖片鎖緊壓鉚螺母柱,從而消除間隙,避免后臺維護(hù)終端發(fā)生傾斜。該方案結(jié)構(gòu)簡單、但因增加了新的物料及焊接工藝成本較高,暫不考慮。

        方案3,采用錐孔的自動對心作用使其居中,從而避免傾斜。該方案不僅結(jié)構(gòu)簡單、而且成本較低,優(yōu)選此方案。

        方案4,采用電磁感應(yīng)對孔預(yù)熱,冷卻時間隙小,從而避免傾斜。該方案需要投入新的設(shè)備、成本較高,暫不考慮。

        方案5,采用記憶合金制造壓鉚螺母柱,恢復(fù)初始形狀時間隙變小,從而避免傾斜。該方案需要投入新的設(shè)備、新材料,成本較高,暫不考慮。

        方案1、方案2、方案4和方案5均需要增加新的物料或設(shè)備,方案3只對需螺母柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的改進(jìn),無需增加物料成本較低,因此方案3是較理想的解決方案。

        (2)創(chuàng)新方案驗證

        根據(jù)方案3 對維護(hù)終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,并將樣機裝配到ATM整機上測試驗證,該樣機順利地通過了功能測試、振動測動和環(huán)境測試等測試。同時,該設(shè)計方案已成功申請專利:一種自動柜員機的后臺維護(hù)終端(CN201520139271.5)。如圖13 所示,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.23《包裝運輸包裝件隨機振動試驗條件和方法》對維護(hù)終端進(jìn)行了隨機振動測試,測試完成后各構(gòu)件功能正常,且未發(fā)生顯示器傾斜現(xiàn)象,具備良好的產(chǎn)品性能。實踐證明運用ARIZ 創(chuàng)新理論效地解決了維護(hù)終端傾斜問題,既提升了公司產(chǎn)品質(zhì)量,也提高了顧客對產(chǎn)品的滿意度。

        圖13 隨機振動測試

        3 結(jié)束語

        本文基于ARIZ 理論對維護(hù)終端偏斜問題做了全面分析,針對核心矛盾及相關(guān)物場資源分析獲得了不同的創(chuàng)新設(shè)計方案,并結(jié)合實際情況對設(shè)計方案進(jìn)行了工程可行性評估及驗證。主要結(jié)論如下。

        (1)ARIZ理論指出了維護(hù)終端偏斜問題的技術(shù)矛盾與物理矛盾,明確了最小問題及系統(tǒng)內(nèi)部各種資源及相互作用關(guān)系,有助于擴展解決問題的思路。

        (2)ARIZ理論提供了多種解決工程問題的工具,使用不同的處理工具可得到不同創(chuàng)新方案,直至得到了較理想的設(shè)計方案。本文在運用ARIZ創(chuàng)新理論解決維護(hù)終端偏斜問題中獲得了5 個設(shè)計方案,充分驗證了ARIZ 在解決創(chuàng)新問題上的具有系統(tǒng)性、完整性和高效性。

        (3)ARIZ理論建立產(chǎn)品設(shè)計中創(chuàng)新思維過程模型具有普遍的適用性,為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計與功能改進(jìn)提供了一種科學(xué)的方法。

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