基于TRIZ的可重构夹具创新设计研究*

任工昌，田　川，王　晨，王宏卫

(陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021)



基于TRIZ的可重构夹具创新设计研究*

任工昌，田川，王晨，王宏卫

(陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021)

摘要：可重构夹具作为可重构制造系统重要的组成部分之一，对于保证产品质量、提高系统重构性、缩短系统斜升时间等具有重要的意义。针对可重构夹具设计中的问题，提出运用TRIZ冲突解决原理进行可重构夹具创新设计。由可重构夹具概念出发，归纳了可重构夹具设计要求和设计参数。通过构建可重构夹具设计工程参数与TRIZ冲突矩阵39个标准工程参数之间的关联，建立了可重构夹具创新设计过程模型，为设计者提供了一种新的设计思路。最后，实例证明了该设计模型的可行性。

关键词：可重构夹具；TRIZ；冲突解决原理；创新设计模型；关联表

0引言

可重构制造系统(Reconfigurable Manufacturing System，简称RMS)是为了适应当今快速多变和难以预测的市场环境而产生的一种新型制造系统[1]。可重构夹具作为RMS重要的组成部分之一，其结构性能在很大程度上决定着RMS的重构性和斜升时间。当前国内外对于可重构夹具的设计研究较少，主要集中从模块化、置换演绎、多功能元件、夹具元件库推理、机电综合等方面进行可重构夹具系统设计，这些在很大程度上推动了可重构夹具的发展。然而，需要指出的是当前可重构夹具设计系统仍然缺乏系统性、创新性、对设计人员经验知识的依赖还很强，设计过程复杂、对其中出现的冲突还没有行之有效的解决方法。TRIZ理论是解决技术问题或发明问题强有力的方法学，已被广泛应用于产品设计、生产管理等方面。可重构夹具作为一种知识密集产品，迫切的需要一套成熟理论支撑其创新设计，然而，当前将TRIZ理论应用于夹具，尤其是可重构夹具的实践还很少。本文根据TRIZ冲突解决原理在创新方面较强的优势，为设计者快速高效地解决可重构夹具设计中的问题提供一种新的思路。

1可重构夹具

研究表明，制造系统底层结构与部件的性质是影响系统快速重构能力的重要因素，并且具有可重构性的子系统、构件是可重构制造系统的重要组成部分。可重构制造系统一般可由可重构加工系统、可重构物流系统和可重构控制系统三个子系统组成。可重构夹具作为可重构加工系统的组成之一，在提高制造系统快速响应产品变化的能力，缩短产品设计制造周期，增加制造系统的柔性，降低成本，提高生产效率等方面都具有十分重要的意义。

1.1可重构夹具的概念

在加工、焊接、检测、装配等制造过程中，夹具被用于定位和夹紧工件，使其处于确定的位置和平稳状态[2]。可重构夹具是传统组合夹具、柔性夹具的延伸和发展，是为了适应可重构制造系统而出现的一种新的夹具理念和装夹系统。图1为可重构夹具的各种性能与现有夹具之间的比较，可以得出，可重构夹具继承了组合夹具、可调夹具的柔性和专用夹具的刚性，集成了二者的优点。

可重构夹具系统[3]是针对被加工的零件族、加工技术要求和具体制造过程，利用可重构夹具模块或组件和元件重排、变形(如相变材料的变形)、裁剪和革新等手段对夹具重新组态并变换夹具功能，迅速满足夹紧需求的一种可变夹具系统。实现重构的方式主要有物理重构和逻辑重构两种。物理重构指的是从系统外引入新的构件，或从系统中移除已有的构件，或用一个构件替换另一个构件来重新构造系统的结构及重新组合系统的功能；逻辑重构指的是保证系统构件不变而改变生产作业计划以达到重构。具体到可重构夹具系统而言，其可重构的实现主要是基于硬件层的物理重构，具体的实施方法主要依靠模块化和自适应调整。

图1　不同夹具系统的特点

1.2当前可重构夹具设计的方法

一般的机械产品设计过程可分为用户需求分析、产品概念设计、技术设计、施工设计和试生产五个阶段。对于夹具系统而言，设计人员主要将设计重点集中于技术设计阶段，并将技术设计过程具体展开为安装规划(setup planning)、夹具规划(fixture planning)和夹具构形设计(fixture configuration design)三个部分[4]，而相对夹具上游和下游设计的关注则很少。可重构夹具作为夹具的一种，其设计方法与传统夹具的设计方法类似，但是为了实现夹具可重构的功能，设计中应该融入成组技术(GT)、模块化设计等方法。可重构夹具的设计方法可以总结为基于成组技术、模块化、设计人员经验和模糊知识推理的设计过程。当前可重构夹具设计缺乏对上游设计的详细深入分析、缺乏系统性和创新性，已然成为了影响可重构制造系统发展的瓶颈之一。

1.3可重构夹具的设计特点及设计要求

1.3.1可重构夹具的设计特点

可重构夹具是在“多变短小”(产品品种多、生产计划多变、交货期短、生产批量小)的制造需求环境和激烈的市场竞争下，伴随可重构制造系统而出现的。因此对于可重构夹具的设计有着鲜明的特点。

(1)可重构夹具的设计是针对产品零件族的设计。

可重构夹具设计是以多品种变批量或者混流生产模式为主的，这里的产品零件族的划分不仅限于成组技术基于物理、几何和工艺的相似性，还加入了生物学相似性、化学相似性及组合拓扑概念的广义相似性。同时在考虑模块化接口特性的基础上引入了接口“整合概念”，实现了夹具系统各模块在重构后的“相乘效果”，促使产品族及夹具的工作范围扩大，功能增强[5]。

(2)可重构夹具的设计是以模块化的可重构夹具组件为主，附加少数专用元件的功能需求组合设计。

模块化是可重构夹具的基础，科学准确合理地划分模块力求以少量模块组成尽可能多、可靠性高、成本低廉的夹具是可重构夹具设计的目标。设计时，根据功能需求，对夹具进行功能分解，设计出不同功能的模块和专用元件，最终通过组合形成不同功能的可重构夹具。

(3)可重构夹具的设计是一种标准化设计。

实现可重构的核心是标准化，可重构夹具的设计必须实现硬件模块、软件模块及接口的标准化。例如模块接口的标准化有效地保证了各个模块之间的互换，否则夹具的重构将失去任何意义。

1.3.2可重构夹具的设计要求

用户需求的满足始终是产品开发的目标。用户需求包括外部用户需求和内部用户需求[6]。将消费者作为外部用户，产品生产制造、品质、销售、技术法规以及售后等部门作为内部用户。产品不但要保证满足外部用户需求：消费者对产品的功能、性能、人机工程等方面的要求；同时也要保证满足内部用户需求：企业内部各部门对产品的制造工艺、装配性、可维修性等方面的要求。通过市场调研分析和企业内部研讨规划，可以得到用户(外部用户和内部用户)对可重构夹具的需求。通过对用户需求的定义、分析、筛选和推理就可得出可重构夹具的设计要求。这是设计人员进行设计的准则和规范。具体的设计要求见表1。

表1　可重构夹具设计要求

续表

2可重构夹具工程参数的确定

针对如何满足每一项设计要求，应该系统地分析可重构夹具应具有什么样的质量特性，即就是确定可重构夹具的设计工程参数。

可重构夹具设计工程参数的获取可通过召开智慧风暴会议来确定[7]。召开智慧风暴会议应该满足以下要求：①参会人员应该包括可重构夹具设计相关人员和用户等；②会议应在轻松活跃的气氛下进行，参会人员畅所欲言，知无不言，言无不尽，充分发挥集体智慧；③会议应有专人进行详细记录并列出各种观点、建议和方法，最后整理分析寻找出最有价值的意见。依据智慧风暴会议所确定的可重构夹具设计工程参数见表2。

表2　可重构夹具设计工程参数

表2列出了26个具体化的可重构夹具设计工程参数，为了应用的方便，可将其分为三类：物理几何参数、负向参数和正向参数。物理几何参数为No.1~ No.4；正向参数指的是当这些参数变大时，可重构夹具系统性能提高，正向参数为No.5~ No.19；负向参数与正向参数意义相对，负向参数为No.20~ No.26。

3TRIZ冲突解决原理及可重构夹具创新设计

3.1冲突解决原理

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，在分析研究世界各国250万件高水平专利的基础上所提出的发明问题解决理论[8]。其中，冲突解决原理是TRIZ解决工程实际问题行之有效的工具之一。

冲突解决原理的核心内容包括39个标准工程参数、40条发明原理、技术冲突与冲突矩阵、物理冲突与分离原理、四大分离原理与40条发明原理之间的对应关系等。冲突解决原理认为：冲突(矛盾)是推动事物发展革新的动力，产品创新设计的过程实质上就是设计人员解决设计过程中遇到的冲突问题[9]。实施冲突解决原理的一般步骤为：首先对工程实际问题进行分析与定义并对问题进行判定；其次确定发生冲突的实际工程参数并将其转化为TRIZ标准工程参数或程式化表述冲突；然后通过冲突矩阵或者分离原理得到解决此类冲突的发明原理和应用实例；最后通过类比联想、实例推理等方法得到具体工程问题的初步创新方案[10]。具体实施冲突解决原理的过程如图2所示。

图2　冲突解决原理解决工程实际问题的一般过程

3.2可重构夹具创新设计

可重构夹具系统作为一种新型复杂多知识融合系统，设计过程中为了满足夹具的各种设计要求，其设计工程参数之间出现冲突是显而易见的。例如，从刚度要求方面考虑，夹具的重量应该越大越好，而从经济性要求方面考虑，轻量化夹具是设计的目标。这意味着夹具的3号工程参数—质量既要大又要小，就成为了设计中的冲突。如前所述，TRIZ理论中的冲突解决原理可以有效的解决工程问题中的冲突。因此，设计人员可借助冲突解决原理对可重构夹具设计冲突问题进行分析求解。实践中发现，如何将可重构夹具设计工程参数泛化为TRIZ理论39个标准工程参数是利用TRIZ解决可重构夹具设计问题的关键。通过定义分析、相似匹配等方法将可重构夹具26个设计工程参数映射到TRIZ理论39个标准工程参数，见表3。具体标准工程参数的内容可参考文献[8]。

表3　可重构夹具设计工程参数与TRIZ标准工程参数关联表

在冲突解决原理、工程参数关联表等的基础之上便可提出可重构夹具创新设计过程模型，如图3。具体步骤为：首先，由设计人员对可重构夹具设计问题进行分析与定义；其次，确定夹具设计问题中发生冲突的设计工程参数，并在映射关联表3的辅助下将冲突的设计工程参数转化为TRIZ标准参数；然后利用TRIZ冲突解决原理的方法对冲突问题进行求解，得到TRIZ原理解；最后利用类比联想、实例推理等方法得到具体针对可重构夹具设计问题的创新解。

图3　可重构夹具创新设计模型

4案例分析

在可重构夹具设计中，如何得到重构性好、适应性强、结构简单的夹具一直是设计者追求的目标。然而，适应性及重构性与夹具结构复杂程度却是阻碍这一目标实现的冲突。利用上述可重构夹具创新设计模型可对此问题的解决提供一些思路。

在问题分析的基础上确定发生冲突的夹具设计参数为适应性及重构性、结构复杂度；根据可重构夹具设计工程参数与TRIZ标准工程参数关联表将工程设计参数泛化为TRIZ标准参数：35适应性及多用性、36装置的复杂性；利用冲突解决原理解决过程，得到相应的发明原理及通解：动态化、机械系统的替代、气动与液压结构和热膨胀。

(1)动态化

使物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整；把物体分成几个部分，各部分之间可以相对改变位置；将不动的物体改为可动的，或具有自适应性。

(2)机械系统的替代

用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统；用电场、磁场和电磁场完成与物体的相互作用；由恒定场转向可变场，由静态场转向动态场，由随机场转向确定场；将铁磁粒子用于场的作用中。

(3)气动与液压结构

物体的固体零部件用气动或液压零部件代替，将气体或液体用于膨胀或减振。

(4)热膨胀

利用材料的热膨胀(或热收缩)性质；利用一些热膨胀系数不同的材料。

在发明原理与工程实例的启发下，得到原问题的创新概念解。美国发明专利一种可重构加紧系统[11]，该夹具硬件系统主要由盖板、可充气气囊、具有标准化、模块化的连接件和锁紧装置组成。设计中利用可充气气囊代替传统机械系统加紧工件，正是应用了机械系统的替代、气动和液压结构和热膨胀这三条发明原理，从而增强了夹具的柔性、提高了夹具的适应性，简化了夹具的结构，实现了可重构夹具创新设计的目标。此实例可以说明可重构夹具创新设计模型是正确可行的。

5总结

从可重构夹具概念出发，介绍了可重构夹具及其设计特点，并提出了可重构夹具的设计要求及设计工程参数。针对可重构夹具中的设计问题，通过构建可重构夹具设计参数与TRIZ理论39个标准工程参数之间的关联表，可使设计人员准确、方便地利用TRIZ冲突解决原理解决可重构夹具中的设计问题。这在一定程度上促进了TRIZ理论与可重构夹具的发展。

[参考文献]

[1] Koren Y，Heisel U，Jovane F，et al. Reconfigurable Manufacturing Systems [J]. Annals of the CIRP，1999,48(2)：527-540.

[2]杨东哲,成晔,蔡复之,等.夹具设计的并行性研究[J].计算机集成制造系统，1996(3)：32-36.

[3]王战春，贾振元，张永顺. 面向可重构制造系统的敏捷夹具设计[J].机械设计与制造，2003(2)：57-59.

[4]蔡瑾,段国林,李翠玉,等. 夹具设计技术发展综述[J]. 河北工业大学学报，2002，31(5)：35-40.

[5]李欣. 可重构夹具系统构建与创新设计[D].苏州:苏州大学，2011.

[6]穆建华. QFD和TRIZ的集成及应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2006.

[7]郭婧.基于QFD和TRIZ理论的工业产品测试夹具研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[8]檀润华.创新设计[M].北京：机械工业出版社，2002.

[9]刘志峰，杨明，张雷. 基于TRIZ的可拆卸连接结构设计研究[J].中国机械工程，2010，21(7)：852-859.

[10] 赵延玲，马苏常. 基于TRIZ的机床可重构设计研究[J]. 组合机床与自动化加工技术，2014(7)：12-14,18.

[11] Mike P Matlack，Kurt A Burton，John A Baumann. Reconfigurable Clamping Systems[P]. US Patent：0084012，2008.

(编辑李秀敏)

Research on Innovative Design of Reconfigurable Fixture Based on TRIZ

REN Gong-chang，TIAN Chuan，WANG Chen，WANG Hong-wei

(Shaanxi University of Science and Technology，School of Electrical and Mechanical Engineering，Xi’an 710021，China)

Abstract：As an important part of reconfigurable manufacturing system, reconfigurable fixture plays an important role to ensure products quality, improve system reconfigurability, decrease system ramp-up time, etc. Aiming at the problem in reconfigurable fixture design, TRIZ contradictions inventive principles are used to provide innovative ideas to reconfigurable fixture design. According to the concept of reconfigurable fixture, the design requirements and parameters are concluded. By constructing an associated table between 39 standard parameters in TRIZ conflict matrix and reconfigurable fixture design parameters, the reconfigurable fixture innovative design model is established, which provides a new way to designers. At last, a design case proves the feasibility of the proposed methods.

Key words：reconfigurable fixture；TRIZ；contradictions inventive principles；innovative design model；associated table

中图分类号：TH16；TG65

文献标识码：A

作者简介：任工昌(1962-)，男，西安人，陕西科技大学教授，博士，研究方向为产品创新设计理论、机电设备实时监控、CAD、机构综合、工业设计；通讯作者：田川(1990-)，男，陕西宝鸡人，陕西科技大学硕士研究生，研究方向为机械设计及理论，(E-mail)tc1024@126.com。

*基金项目：国家自然科学基金项目(51175314)；陕西省科学技术研究发展计划项目(2014GY2-04)

收稿日期：2015-05-22；修回日期：2015-06-20

文章编号：1001-2265(2016)03-0131-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.036