基于TRIZ理论的机床浮动主轴的方案设计

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TRIZ理论与计算机辅助创新集成已成为目前技术和产品创新的研究热点。文章针对常用玻璃加工方法及其存在的问题，应用TRIZ技术矛盾解决矩阵，结合TechOptimizer软件创造性地设计出玻璃加工机床浮动主轴系统，较好地解决了主轴既要高速旋转又必须具有自适应性的技术难题。其研究结果表明应用TRIZ理论和TechOptimizer技术创新软件，确实可以有效地解决技术创新、产品创新中的技术难题。
/ U, s1 o- {+ Q引言
TRIZ是由被誉为TRIZ之父的前苏联海军部专家Genrich S．Altshuller创立的。其目的是研究人类在进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理、方法和规律。掌握了这些，人们就能能动地进行产品开发设计，预测未来发展趋势。
! r- ~' w5 }" s产品创新的主要任务是不断解决过时产品和市场需求之间的矛盾。产品之所以不能满足市场需求，就是因为其内部存在阻碍更新换代的矛盾。在TRIZ理论中，称这类矛盾为技术矛盾。所谓技术矛盾是指用已知的原理和方法去改进系统某部分或参数时，不可避免的会出现系统的其它部分或参数变坏的现象。例如：质量和强度、汽车的速度和燃料耗费等等。技术矛盾解决矩阵所提供的原理往往并不能直接使问题得到解决，而是提供了最有可能解决问题的探索方向。解决问题时，还必须根据所提供的原理及所要解决问题的特定条件，提出解决问题的具体方法。
1 TechOptimizer技术创新软件
TechOptimizer软件是以TRIZ为理论基础，结合创造性设计方法，辅助工程技术人员、科研人员以及企业经营者进行产品改进、新产品开发以及获得突破性创新技术的计算机辅助创新软件。它能帮助不同工程领域技术人员在产品的概念设计阶段，根据市场需求正确地发现并迅速解决产品开发中的关键问题，高质量、高效率地提出可行的创新设计方案，将设计引向正确方向。该软件是由美国Invention Machine公司开发的，是一种基于知识的创新工具。
TechOptimizer软件由产品分析、流程分析、特征传递、科学原理检索、创新原理、预测和网络助手等功能模块组成。其主要特点是：可根据用户需求，快速发现现有产品或流程中存在的问题，并给出高质量解决方案；帮助设计者解决技术矛盾，避免妥协设计；加速新产品和工艺研发过程；在概念设计阶段进行成本分析，有效降低产品成本；扩展用户的知识领域；智能化的向导随时给出操作提示，软件使用更容易；以及自动生成分析报告等。
& k' J( J+ x: }" @: x, ^2 玻璃加工机床浮动主轴的创新方案设计
0 V; l# o" ^, [6 t  ]9 O2.1 常用玻璃加工方法及其存在的问题
平板玻璃的磨边加工，玻璃棱边被加工成一定的形状，如平直边、圆边或C形边等，通常采用能在一次性操作中完成的生产线。玻璃的粗磨、半精磨、精磨、抛光等由装在多达六个工位上的金刚石砂轮连续进行。对于玻璃工艺制品和水晶玻璃的装饰性磨削加工，则多用手动或在多轴自动专用磨床上进行装饰性加工。光学透镜的粗磨，一般在专用磨床上采用轮缘为圆弧的杯形砂轮。
目前，由于机床主轴在加工玻璃时，自身不能对刀具所受外力的变化快速地进行自我调整，致使玻璃产品和刀具容易破碎。
& Q% b- {1 p$ q; h. |2.2 应用技术矛盾解决矩阵提出创新方案
5 w( u* n! M/ b+ g/ U# K玻璃在进行磨削加工时，砂轮主轴必须高速旋转。但由于玻璃不平整会导致对砂轮施加压力的变化，而玻璃是脆性材料，受力不当容易破裂，这就要求主轴能随着所受压力的变化而快速调整，即其既要高速旋转又必须具有自适应性，在受力变大时能够自行退让。
! p+ q) L. _* s( }3 s# @" F: h现应用技术矛盾解决矩阵来解决这种矛盾，并提出相应的解决方案。
在表1改善的技术特性栏中选择第9项“速度”，在恶化的技术特性栏中选择第14项“强度”。可以看出，为了解决这一矛盾，TRIZ提供了4种解决原理，其编号分别为8、3、26、14。通过对这些原理的比较，选择原理14“回转、椭圆性”，即改直线运动为回转运动，将立方体变成椭圆体，使用滚筒及球状、螺旋状的物体。通过筛选，选择例子CONTACT OVER A SPHERICAL SUFACE。由此，可以考虑用点接触来替代物体的面接触。显然，这种替代可以大大减少接触物体间的摩擦力。
1 J5 \% H3 ^+ |8 U5 c在改善的技术特性栏中选择第1项“运动物体质量”，在恶化的技术特性栏中选择第3项“运动物体尺寸”。在提供的4个解决原理中选择原理15“动态性”，即自动调节物体。使其在各动作、阶段的性能最佳；将物体分割成既可变化又可相互配合的数个构成要素；使不动物体可动或可相互交换。由此考虑用“气浮”，因为“气浮”对主轴受力变化的响应迅速，且主轴所受切削力较小，因此所需气体压力也不会很大。

根据原理15和原理14以及软件(TechOptimizer)所给相关例子的启发，可提出一个初步解决方案如下：首先把主轴要实现的功能进行分割，分为高速旋转的功能与主轴能上下浮动的功能。对于主轴的高速旋转，可用高速电机实现，而主轴的上下浮动功能，则用“气浮”来解决。
. J$ Q9 a! y, V7 k$ z7 [* T考虑到主轴的特殊要求，它与轴承之间的摩擦力应很小，这里选择气体润滑轴承。气体润滑轴承常用空气作为润滑剂，故又称空气轴承。空气轴承具有无接触、摩擦小、温升低、寿命长，适应高速，且对主机和环境无污染等优点。
依据以上分析和对轴承等选择以及对方案的构思、细化，可提出方案1(如图1所示)：主轴3由空气轴承4支承，所需转矩由单相串激电机8提供，但其间通过一个传动架传递，主轴与传动架之间由滚珠6形成点接触。在砂轮进行切削之前，通过气缸排出的气体将主轴推向远端。加工过程中，主轴将随着切削力的改变而自行上下浮动。
/ m  X1 J9 @1 I+ Z- C如果在改善的技术特性栏中选择第9项“速度”，在恶化的技术特性栏中选择第14项“强度”。在提供的4个解决原理中选择原理3“部分改变”，即将物体的均一构成或外部环境及作用改为不均一；让物体的不同部分各具有不同功能；让其各部分处于各自动作的最佳状态。根据原理3和15以及软件所给相关例子的启发，可提出另一种解决方案2(如图2所示)：转子5与主轴2一体，定子绕组4与外壳一体。主轴2的高速旋转功能，通过定子绕组4与转子5的作用来实现，而其上下浮动功能，则与方案1相同，仍由“气浮”来实现。对于轴承，仍选用径向空气轴承。其结构更简单、紧凑，便于维护。

图1 创新方案一
1 砂轮；2 气缸盖；3 主轴；4 空气轴承；5 行程挡块；6 滚珠；7 联轴器；8 电机
如果在改善的技术特性栏中选择第9项“速度”，在恶化的技术特性栏中选择第14项“强度”。在提供的4个解决原理中选择原理3“部分改变”，即将物体的均一构成或外部环境及作用改为不均一；让物体的不同部分各具有不同功能；让其各部分处于各自动作的最佳状态。根据原理3和15以及软件所给相关例子的启发，可提出另一种解决方案2(如图2所示)：转子5与主轴2一体，定子绕组4与外壳一体。主轴2的高速旋转功能，通过定子绕组4与转子5的作用来实现，而其上下浮动功能，则与方案1相同，仍由“气浮”来实现。对于轴承，仍选用径向空气轴承。其结构更简单、紧凑，便于维护。

图2 创新方案二
6 |- t, k+ O( ^4 T  r6 ]* \8 Z1 砂轮；2 主轴；3 轴承；4 定子绕组；5 转子；6 气缸盖
8 L" Z+ m& ~- x以上两方案共同的特点是将主轴的高速旋转功能与主轴的上下移动功能进行了分离，且主轴自由悬浮，对主轴顶端刀具受力的变化能产生快速响应，从而较好地解决了主轴既要高速旋转又必须具有自适应性的技术难题。事实上。还可以提出其它解决方案，例如，将方案2的气体润滑轴承改为电磁轴承，轴和轴承之间甚至可没有摩擦力的作用，但其结构较复杂，成本也较高。此外，还可以使主轴的上下移动和主轴的旋转动力均由气压实现，即用高压气体冲击主轴下端的叶片从而使其高速旋转。缺点是所需气体压力大，对主轴、叶片以及气体容器的强度和刚度要求高，而且具有一定危险性。
3 结论
5 T$ H8 H( b4 J5 j- L本文针对TRIZ理论与计算机辅助创新集成方法进行了初步探讨，并通过玻璃加工机床浮动主轴的两种创新方案的寻求过程，实践了应用TRIZ技术矛盾解决矩阵和Tech Optimizer技术创新软件，解决产品创新过程中技术难题，进行机械产品创新方案设计的方法。表明应用TRIZ理论和TechOptimizer技术创新软件，确实可以有效地解决技术创新、产品创新中的技术难题。【MechNet】
( ~& c! y! y, {1 R; [文章关键词： 机床