1、基于 TRIZ 理论的黄金手镯自动压光机设备的创新设计 沈孝芹 李欢欢 于复生 王波 程启良 山东建筑大学机电工程学院 摘 要： 通过对传统黄金手镯压光工艺和压光机构的研究和分析, 找出存在的问题, 确立了技术冲突。根据 TRIZ 理论中的矛盾矩阵表得到解决问题的发明原理, 根据合适的发明创新原理, 得出问题的解决思路和具体设计方案与工作原理, 设计出一种新型的黄金手镯压光机设备, 有效地解决了传统黄金手镯压光过程中存在的问题。关键词： 创新设计; TRIZ 理论; 压光机; 黄金手镯; 作者简介：沈孝芹 (1974) , 女, 博士, 教授, 主要从事有限元应用技术、金属结构、焊接工艺等方面
2、的研究。E-mail:。收稿日期：2016-04-15基金：山东省高等学校科研计划项目 (J14LB05) Innovative Design of Golden Bracelet Automatical Calender Equipment Based on TRIZ TheorySHEN Xiaoqin LI Huanhuan YU Fusheng WANG Bo CHENG Qiliang School of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Jianzhu University; Abstract： The existing
3、 problems are found out and established the technical contradictions through researching and analyzing the traditional golden bracelet calender technology and calender institutions. The invention principle to solve the problem was obtained according to Theory of Inventive Problem Solving ( TRIZ) con
4、tradiction matrix table, and then the solution of the problem thinking, concrete design scheme and working principle were obtained according to the right principle of the invention. A new type of golden bracelet calender equipment was designed. The equipment effectively solves the problems that exis
5、t in the process of traditional golden bracelet calender.Keyword： Innovative design; TRIZ theory; Calender; Golden bracelet; Received： 2016-04-150 前言手镯作为一种首饰, 随着生活品质的提高, 其需求量不断增加, 因此必须要提高手镯的生产量和生产效率, 根据手镯的加工工艺, 手镯在成型之后, 为使得其表面更加光泽闪亮, 需要对手镯的表面进行压光处理1-2, 黄金手镯压光过程中基本上是人工劳动, 伴随雇佣劳动价格的升高, 和实现自动化的浪潮, 黄金手镯
6、的压光加工急需自动加工设备来代替人工劳动。压光过程用到的压光刀, 如果操作不当, 会对劳动者的手指造成伤害, 目前市场上存在的压光设备也都是操作者手持手镯进行压光3, 并通过把手镯间断的浸没到凉水中吸收压光过程中产生的热量, 长时间对操作者手指的浸泡, 也是对人身体的一种伤害。即便是在正常工作下, 加工时被锋利的压光刀刮伤等事情也不在少数。而且操作者手动生产的产品一致性差, 也影响了手镯的美观。因此设计出一种结构简单、运行稳定、成本低廉、操作灵活方便的自动压光设备是十分必要的。1 运用 TRIZ 理论提出解决思路TRIZ 创新理论是由前苏联著名科学家阿奇舒勒研究得出的发明创新理论。应用TRIZ
7、 解决发明问题时, 首先应用分析工具对问题进行转换、改变描述方式, 即建立 TRIZ 模型, 把问题转换为 TRIZ 的标准问题;然后, 利用基于知识的 TRIZ工具, 选择确定具体的转换方式, 得到解决问题的一般方案, 即 TRIZ 的标准答案4-5;再结合具体问题的领域知识与经验, 得到具体的发明问题解决方案6-8, TRIZ 创新理论这种解决问题的方式可以用图 1 来更形象的描述。在解决一个综合问题时, 可能使用 TRIZ 的一个工具甚至多个工具, 最后从具体的解决方案中得出最终理想的解决方案。图 1 TRIZ 解决问题的流程 下载原图2 基于 TRIZ 理论的创新设计2.1 冲突问题描
8、述及分析黄金手镯有着不同的规格, 其外圆半径在一定范围内有数种尺寸, 在加工过程中, 由于尺寸规格的不同, 要根据尺寸要求相应的改变压光刀与手镯旋转中心的距离, 大量的调整工作增长了劳动时间, 极大地降低了生产效率;黄金手镯外形为弧面, 单纯的手镯和压光刀轴向旋转压光, 只能对手镯表面某一圆周完成压光, 并不能完成手镯整个外弧面的加工, 如果由人工来操作完成, 就会降低产品的一致性, 影响手镯的美观, 同时人工生产的效率也会降低, 生产成本也会提高。针对上述出现的问题可以发现, 目前加工步骤中的问题是:为了能对不同尺寸的手镯进行加工, 需要不断改变手镯需加工表面与压光刀之间的距离, 以保证两者
9、能充分接触, 从而出现生产率低的情况;针对手镯加工外表面为弧面, 简单的接触挤压旋转, 并不能完成对整个弧面的压光, 从而由人工完成, 出现生产成本增加的情况。分析得出黄金手镯压光过程中存在着技术矛盾:调整手镯需加工外表面与压光刀之间的距离与生产效率之间的矛盾, 人工操作加工手镯弧面与生产成本之间的矛盾。2.2 TRIZ 原理求解分析将上述存在问题转化成 39 项工程参数, 即转换成 TRIZ 标准问题。“既要实现对不同规格尺寸的手镯进行压光处理又要避免生产效率的降低;既要实现手镯弧面加工又要避免生产成本的提高”, 对上述存在的问题进行分析, 发现出需要解决的问题是由哪些相互矛盾的冲突属性所造
10、成的, 将存在的问题分析变成为对应的 39 项工程参数中的合适项。工程参数 33 可操作性:是指在加工时, 耗费的劳动力、工序、时间以及加工设备越少, 同时又有足够的生产量, 即其可操作性好。工程参数 35 适应性及通用性:是指生产设备或者控制系统在外界环境发生变化时的抗干扰能力, 或者是可在不同的工作环境中正常工作的能力。工程参数 36 系统的复杂性:是指系统中元件数目及多样性, 如果用户也是系统中的元素, 将会增加系统的复杂性, 掌握该系统的难易程度是其复杂性的一个量度。工程参数 39 生产率:是指在一定时间范围内所完成的功能或者生产数量。显然 33 号, 35 号, 39 号是需要改进的
11、参数, 36 号系统复杂性是恶化参数, 是需要抑制的参数。根据问题描述得到的工程参数, 从矛盾矩阵表中得到推荐的发明问题解决原理。针对“实现对不同规格尺寸的手镯进行压光处理, 要改善压光刀操作的自调节性能, 将提高系统的复杂性”这一矛盾, 查找 TRIZ 矛盾矩阵, 从表 1 黄金手镯自动压光机设备矛盾矩阵表查第 33 行、39 行和第 36 行, 得到表中推荐的自动压光机设备的发明原理序号有 6 个, 有 32 号, 26 号, 12 号, 17 号, 28 号, 24号, 如表 1 所示。表 1 黄金手镯自动压光机设备矛盾矩阵表 下载原表 对矩阵表中推荐的 6 条发明原理进行分析, 32
12、号改变颜色原理、26 号复制原理、12 号等势性原理, 28 号机械系统代替原理, 24 号中介物原理, 这 5 条发明原理对上述问题解决的启发作用不是特别明显, 17 号维数变化原理作用较大。17号维数变化原理是: (1) 如果物体作线性运动有困难, 则使物体在二维度上移动, 在一个平面上的运动也可以过渡到三维空间; (2) 单层排列的物体变为多层排列; (3) 将物体倾斜或侧向放置; (4) 利用给定表面的反面; (5) 利用投向相邻面或反面的光流。根据维数变化原理可尝试将压光刀具安装在垂直维度上, 并在垂直维度上可上下移动。对“实现手镯弧面加工, 要改善压光刀操作的适应性能, 将提高压光
13、系统的复杂性”中存在的本矛盾, 查找 TRIZ 矛盾矩阵, 从表 1 黄金手镯自动压光机设备矛盾矩阵表查第 35 行和第 36 行, 得到表中推荐的自动压光机设备的发明原理序号有 4 个, 分别是 15 号, 29 号, 37 号, 28 号, 如表 1 所示。综合上述 4 条发明原理, 其中 29 号是运用气压与液压结构原理, 37 号是热膨胀原理, 这两项对本问题的解决作用不大, 对于 15 号动态特性原理和 28 号机械系统代替原理起到的作用较大, 其 15 号动态特性原理内容为: (1) 自动调节物体, 使其各动作及各阶段都是最佳工作状态; (2) 分割物体, 将物体分成彼此相对移动的
14、几个部分; (3) 使不动的物体成为可动的。根据动态化原理可尝试将系统结构分为几个部分, 部分之间可相互移动, 往复运动部分可转化为旋转结构。28 号机械系统代替原理的内容为: (1) 用光学、声学、味学等设计原理代替力学设计原理; (2) 用电场、磁场和电磁场同物体相互作用; (3) 由恒定场转向不定场, 由时间固定的场转向时间变化的场, 由无结构的场转向有一定结构的场; (4) 把场与场作用和铁磁粒子组合使用。2.3 创新方案的确定解决冲突问题得到的发明原理, 是得到的一般解, 对得到的解决方法进行发散联想, 归纳演绎, 得到具体化的解决方案, 即具体解。根据 17 号维数变化原理的提示,
15、 将压光刀的夹持器采用弹簧机构控制, 可实现垂直方向的移动, 又考虑到黄金手镯表面为弧面, 压光刀在根据不同尺寸规格的手镯进行调整时, 需要进行一定的旋转调整, 最终选定方案如图 2 所示, 同时由于黄金手镯的尺寸规格变化, 对黄金手镯的夹持机构也要有一定的适应性和通用性, 设计成可根据不同尺寸规格而调整的结构, 最终选定方案如图 3 所示。图 2 压光刀夹持器 下载原图图 3 黄金手镯夹持机构 下载原图压光刀夹持器可在弹簧的作用下可以自动调节垂直方向上的位置, 刀固定块为轴形结构, 可以根据要求对压光刀适当旋转。通过手柄凸轮结构的旋转, 改变支撑爪的支撑半径, 以适应不同尺寸规格的手镯, 并
16、完成快速夹装和拆卸。根据 15 号动态化原理的提示, 将黄金手镯的加工分割成两个方向同时进行, 分为圆周旋转压光和外表弧面径向压光两个部分, 为实现外表面的径向弧面加工, 就需要压光刀或者手镯在一定范围内实现径向旋转, 拟采用图 4 所示的摆动拨叉结构, 让黄金手镯和夹持黄金手镯机构实现径向旋转, 完成手镯外表面的弧面加工。图 4 摆动拨叉结构 下载原图根据 28 号机械系统代替原理的提示, 运动的元件需要考虑限位的问题中, 在手镯旋转支撑机构上放置两块磁铁, 可根据需要进行移动位置, 与安装在摆动拨轴上面的霍尔组件构成了“传感器检测元件”, 检测到磁铁后控制系统对电机发送反向运动指令, 从而
17、打磨在两块磁铁之间的手镯部分, 将整个手镯弧面分段打磨, 这样使得手镯表面压光更加充分。通过上述基于 TRIZ 创新理论的分析, 再通过各机构之间的连接及驱动装置, 最终确立如图 5 所示9的黄金手镯自动压光机创新方案。图 5 黄金手镯自动压光机创新方案 下载原图装置采用两个直流电机和一个步进电机提供驱动力, 直流电机分别带动手镯和压光刀的旋转, 步进电机通过摆动拨叉结构控制手镯完成径向旋转, 对手镯外表弧面完成充分压光。压光针转动机构是由飞轮和前后摆件构成的摇摆机构组成, 由直流电机 II 的转动变为摆动, 提高了加工的效率;转动部分采用轴承连接, 结构紧凑、质量轻、摩擦小、转动平稳;该装置
18、总体采用模块化设计, 主要通过螺栓固定, 系统中的电机以及各个零部件都属于可拆卸安装, 如有损坏, 可随时更换。3 实例验证黄金手镯自动压光机设备的实验基于市场上销量较大的黄金手镯, 选用足金材料, 尺寸宽约 7.6 mm, 质量约 28 g, 内直径约 56 mm。电动机的功率 30 W, 电机转速 12 r/min。普通技术工人经过简单培训后, 可以顺利操作该设备对黄金手镯完成压光, 压光完成后的光泽度完全符合生产要求, 加工效率比普通人工操作, 提升 3 到 4倍, 应用于工厂加工, 生产效果好:降低了对工人的技术要求, 使用简单, 操作方便, 同时满足不同尺寸规格的手镯压光要求, 提高
19、了产品一致性和成品率, 缩短了加工时间, 有效提高了生产效率。4 结论分析手镯压光过程中存在的问题, 利用 TRIZ 理论中冲突矩阵推荐的解决理论, 解决装置设计中适用性、可操作性、生产率与系统复杂性之间的矛盾, 得出更实用的创新方案, 有效地解决手镯压光中存在的问题, 提高了生产率, 降低了操作难度, 同时也满足了不同尺寸规格手镯的压光。利用 TRIZ 的矛盾冲突理论, 在手镯压光机的设计中具有很好的指导作用, 通过推荐的发明原理, 帮助设计人员打开思路, 有利于压光机的优化设计。参考文献1袁军平.贵金属首饰制作工艺M.北京:化学工业出版社, 2008. 2YAMAZAKI H, NAGAN
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