TRIZ理论在插齿机翻转型工作台上的应用

1 引言

       插齿机是一种使用插齿刀按照展成法加工内、外直齿和斜齿圆柱齿轮以及其他齿形的齿轮加工机床。插齿机主要用于加工多联齿轮和内齿轮，加附件后可加工齿条，在插齿机上使用专门刀具还能加工非圆齿轮、不完全齿轮和内外成形表面等，加工精度可达7～5级，最大加工工件直径达12m。

       TRIZ（The Theory of Innovation Problems Solving，发明问题解决理论）是一种以技术系统为认知分析基础，以解决问题为首要任务，以不断提高技术系统的理想度为进化目标，让所有的人工制造物（产品）变得更完美的理论与方法学。其核心是建立基于消除技术冲突的逻辑方法，不断地发现问题并不折不扣地给予解决，推动产品的不断进化，想着理想化创新产品设计的实现。技术系统进化法则、48个通用工程参数、40个创新发明原理、矛盾矩阵表、技术矛盾和物理矛盾等是构成TRIZ理论的体系。本文将插齿机翻转功能工作台视为一个技术系统，利用九屏幕法对该系统进行详细分解，并利用矛盾矩阵表和40个发明原理优化翻转功能工作台传动链、减少装配引起的误差、解决冲屑冷却油与机床内润滑油的混合等问题。

2 基于TRIZ的翻转型工作台系统分析

       作为有效的创新方案，TRIZ提供了系统化的思维方法——九屏幕法，具有可操作性、实用性强的特点。九屏幕法要求设计人员在分析和解决问题的时候，不仅要考虑当前的系统，还要考虑它的超系统和子系统。以插齿机翻转型工作台为例（见图1、图2）。

图1 翻转工作台原理图

图2 翻转工作台系统组成与功能分析

       由图2，工作台总成是当前的技术系统，它既是插齿机主机整体的一个核心部件，又承载着工件完成圆周分度运动，插齿机主机是工作台总成的超系统；工作台底座、旋转壳体、输入轴及电机、锥齿轮传动等是工作台总成的主要组成部分，是它的子系统，工作台底座主要作用是承载，旋转壳体实现工作台面（包括加工工件）的角度旋转，实现移动、负载的作用，输入轴及电机主要作用是传送力矩，锥齿轮传动实现力矩的换方向传送、并实现旋转壳体的旋转运动。基于此，工作台总成的精度及加工装配的便利性综合取决于四个子系统。

3 基于TRIZ的工作台设计研究

       3.1 翻转工作台总成的主要问题分析

       工作台总成作为插齿机实现圆周分度的一个核心部件，旋转型工作台更是在圆周分度的基础上增加了角度可调整的功能，旋转工作台的理想化目标就是准确的传动分度运动，角度便于调整，精度易于保证：一方面加工和装配过程过于复杂变会增加操作工人的劳动量，且综合误差不可避免，因此精度保证较难；另一方面工作台的输入轴及电机结构与主机存在接口，接口属于运动中的密封问题，处理不得当变会导致冲屑的冷却油与机床内的润滑油混合，影响了整机的润滑效果。基于此，工作台的主要问题就是如何解决传动可靠与混漏油的综合问题。

       3.2 翻转工作台的技术冲突描述

       TRIZ理论中，技术冲突是指技术系统中两个参数存在着相互制约。即在提高技术系统的某一个参数（特性、子系统）时，导致另一参数（特性、子系统）的恶化而产生的冲突。通过对翻转工作台的问题分析，①提高加工及部件装配的方便性，降低了生产率；因此操作流程的方便性和生产率构成一对技术矛盾；②传动输入端处的接口容易导致冲屑冷却油与机床内润滑油的互混，构成了一对技术矛盾。当技术系统中的实际问题转化为技术矛盾之后，利用矛盾矩阵，可以得到推荐的创新原理。以这些创新原理出发，设计人员就容易找到针对实际问题的一些可行方案。

       3.2.1 工程参数的确定

       工程参数是表述产品特性的通用个语言，是作为产品设计指标的一种体现。它可以分为：“改善的参数”和“恶化的参数”两大类。需要指出的是，美国公司TRIZ研究人员在对1985～2003年间15万份专利的总结、归纳、分析的基础上，将GenrichS．Altshuller提出的39个通用工程参数提高到48个，并对它们的编码也做了调整。此处的通用工程参数即为该48个通用工程参数。

       通过对翻转工作台两对技术矛盾的分析，当提高加工精度及装配便利性时，降低了生产效率；即改善了33操作流程的方便性，恶化了39生产率；传动力矩时冷却冲屑油与内部润滑油互混，改善了19运动物体的能量消耗，恶化了30作用于物体的有害因素。

       3.2.2 矛盾矩阵表的应用

       为了提高解决技术矛盾的效率，搞清楚具体在什么情况下使用哪些创新原理，GenrichS．Altshuller创建了矛盾矩阵表，来作为解决技术矛盾的工具。2003年，美国公司TRIZ研究人员扩展了矛盾矩阵表，使其解决的问题日益增多。矛盾矩阵表为48个通用工程参数组成的矩阵。第一列表示改善的参数，第一行表示恶化的参数。矩阵中行列交汇处每一单元格内的数字即为40个创新原理的序号（见图3）。

图3 设计后的工作台结构图

       在矛盾矩阵表上，每一个单元格内的数字均表示解决对应的技术矛盾时对人们最有用的创新原理的序号，基于这些创新原理，我们再加以演绎，使创新原理具体化，就可以找到解决实际问题的一些可行方案，从中选择最优方案。

       3.3 翻转工作台的创新方案及其选择

       在翻转工作台的创新设计中，针对两对技术矛盾，在图3中，查找两对工程参数行列交汇处的创新原理序号。得出解决提高精度及装配方便性与生产率技术矛盾（技术矛盾一）的创新原理序号为No.15、No.1、No.28，解决传动力矩与混漏油矛盾问题（技术矛盾二）的创新原理序号为No.1、No.24、No.6、No.27。

       3.3.1 技术矛盾的设计方案

       以下是根据翻转工作台所列出的创新原理设计的方案。

       （1）No.15—动态特性原理、No.1—分割原理、No.28—机械系统替代原理。动态特性原理就是调整物体或环境的性能，使其在工作的各阶段达到最优状态，如果一个物体是静止的，使之移动或可动。分割原理就是把一个物体分成相互独立的部分或将物体分成容易组装和拆卸的部分。机械系统替代原理就是用视觉系统、听觉系统、味觉系统或嗅觉系统代替机械系统。综合利用以上原理，将翻转工作台的各部件进行分割，每个功能部件做到分体的组件。

       （2）No.1—分割原理、No.24—借助中介物原理、No.6—多用性原理、No.27—廉价替代品原理。借助中介物原理就是使用中介物实现所需动作或者将一物体与另一容易去除的物体暂时结合。多用性原理就是使一个物体具备多项功能，消除了该功能在其他物体内存在的必要性（进而裁剪其他物体）。廉价替代品原理就是用若干便宜的物体代替昂贵的物体，同时降低某些质量要求（例如工作寿命）。

       3.3.2 翻转工作台的最优设计方案

       基于以上这些创新原理，得出最优的设计方案。一种最新结构的翻转工作台，包括工作台底座、旋转壳体、电机及输入轴、锥齿轮传动机构。将电机及输入端的结构和方式进行改变，转换到工作台的侧面，而不再伸入机床主机之内，从而避免了冷却油与润滑油在连接位置的混合。将锥齿轮传动机构方式及位置进行了更改，从而能够以组件的方式与工作台主体进行连接，便于装配与互换。图3为基于该方案设计之后的工作台结构图。

4 结语

       综上所述，文章在分析插齿机翻转型工作台创新设计中，运用TRIZ理论，指出设计工作台的技术矛盾，并应用TRIZ工具——矛盾矩阵表列出推荐的创新原理；运用这些创新原理，本文给出了一种翻转工作台的最优设计方案。该种方案设计出的工作台具有益效果如下。

       工作台锥齿轮传动部分作为一个整体，可单独生产并独立装配，在总装环节再连接到工作台底座上形成一个总成，便于生产运作，提高了装配的便利性，将电机及输入端改到工作台底座的一侧避免了与主机的连接，可有效防止混漏油。

       需要指出的是，翻转工作台的两对技术矛盾所推荐的创新原理并非全部应用在该设计方案中，进一步的研究是提出新的矛盾进行进一步的改进。