基于TRIZ的传动片送料装置研究设计

袁 峰，丁泽新，朱 俊

(郑州大学机械工程学院，河南郑州450001)

0 引言

TRIZ是由前苏联著名发明家G.S.Altshuller及其带领的研究团队，通过深入分析和研究世界各国近250万件高水平发明专利的基础上建立起来的发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving)［1］.自创立以来，经过半个多世纪的发展，TRIZ已成为解决发明问题的强有力的方法，在各类工程领域中发挥了重大的作用［2-4］.

锯链是森林采伐油锯上的工作部件，而传动片则是锯链的重要组成零件，如图1所示.该种型号的锯链由连接片、右切齿链片、安全传动片、左切齿链片、普通传动片、链轴6种零件组成.锯链的每8个链片(包含6个连接片，1个左切齿链片和1个右切齿链片)为其最小循环单元，由8个链轴铆接而成.

图1 锯链结构图Fig.1 The structure of saw chain

通过对锯链结构的分析，结合生产实际，拟定以锯链的最小循环单元为其装配单元，分4个工位完成其自动装配过程，如图2所示［5］.分析可知，传动片送料装置是锯链自动装配系统中工位三的重要组成部分.

图2 四工位装配顺序图Fig.2 The four-station assembly sequence diagram

锯链自动装配系统属于小型零件、快节拍、较高精度的自动化装配线，在传动片送料装置等的设计中存在着多种冲突.TRIZ总结了人类在解决技术难题、进行发明创造时所遵循的科学原理和法则，在创新方面有较强的优势，可为锯链自动装配系统中传动片送料装置的设计提供方法.

1 传动片送料装置中的冲突问题描述及其标准化

TRIZ认为发明问题的核心是解决冲突［6］，并通过详细研究，提出用39个通用工程技术特性参数来描述冲突.基于TRIZ的发明问题解决过程模型如图3所示.

图3 基于TRIZ的发明问题解决过程模型Fig.3 The model of Process of Inventive Problem Solving based on TRIZ

依据TRIZ的发明问题解决过程模型，为解决发明问题，首先要分析各通用工程技术特性参数之间是否存在冲突.在传动片送料装置的设计中存在着以下冲突问题:

(1)锯链由6种小型零件组成，在装配过程中极易出现卡料、定位精度不足等问题，因此，为了保证锯链自动装配系统的正常工作，整个系统必须具有较高的可靠性;锯链自动装配系统要实现预定的设计要求，每个工作循环的时间T≤1.5 s，即整个系统需具有较高的生产率;同时高的可靠性必然导致装置复杂程度加大，运动物体重量随之增加.根据TRIZ对工程冲突问题的划分可知，传动片送料装置的“可靠性”与“生产率”之间、“可靠性”与“运动物体的重量”之间构成了两对技术冲突.

(2)锯链自动装配系统应具有较高的生产率，这就要求机构在运动过程中有较短的响应时间和较高的运动速度，但是机构运动速度太快，则可能导致机构在运动过程中产生较大的冲击力，随之带来不必要的振动和噪声.根据TRIZ对工程冲突问题的划分可知，机构“运动速度的快与慢”属于传动片送料装置设计中的物理冲突.

2 传动片送料装置中技术冲突的解决

利用TRIZ提供的冲突矩阵和40条发明原理，可以解决设计中存在的技术冲突问题.由冲突矩阵可以得到推荐的创新原理，每条创新原理对应不同的应用方向，从而为技术冲突的解决提供可行的思维方向.

2.1 冲突矩阵的建立

冲突矩阵的行和列分别对应恶化和改善的39个通用工程参数，行与列的交点处提供了参数之间对应冲突的发明原理解决方案.发明原理是TRIZ的核心内容之一，共40条，用编号体现在矩阵元素里.

将传动片送料装置希望改进的特性“可靠性”及其可能产生负面影响的特性“生产率”和“运动物体的重量”组成TRIZ冲突矩阵表，得到传动片送料装置的冲突矩阵，如表1所示.在冲突矩阵中，每对冲突最多对应4条解决原理，以免使用原理过多反而使问题的解决复杂化.

表1 传动片送料装置的冲突矩阵Tab.1 The conflict matrix of feeding device of Transmission Piece

该矩阵表达了TRIZ提示的改进原理.通过查找表1冲突特性交汇处各编号所对应的原理，结合问题实际情况，拟采用编号为1、10、29所对应的发明原理，其创新思维方向如表2所示.

表2 冲突解决原理Tab.2 Conflict solution principles

2.2 技术冲突的解决

根据冲突矩阵所提供的创新思维方向，设计中，根据分割原理，将传动片送料装置分成垂直挡板运动机构、推块运动机构、垂直推板运动机构和滑台底座运动机构4个主要组成部分，从而有效地避免了卡料、定位精度不足等问题，提高了整个装置的可靠性.

根据预操作原理，机构的给料装置采用振动式给料器，这种给料器不仅非常适合小型工程零件的进给，而且能够实现零件的自动定向，以使传动片在到达送料装置时处于易操作的位置(如图4所示)，从而简化了机构的设计，有效降低了运动部件的重量.

图4 预操作后的传动片姿态Fig.4 The attitude of Transmission Pieces after preprocessing

根据气动或液压结构的原理，传动片送料装置全部采用气缸驱动，从而提高了系统的响应速度，简化了系统的结构，缩短了单个工作循环所需的时间.

3 传动片送料装置中物理冲突的解决

与技术冲突相比，物理冲突是一种更尖锐的矛盾［7］，物理冲突的解决是 TRIZ研究的关键问题之一.Altshuller［8］、Glazunov［9］、Savransky［10］等人先后提出了多种解决方法.现代TRIZ在总结各种研究方法的基础上，提出了基于分离原理的解决方法，按照空间、时间、条件、系统级别等分类，可以相应归纳为:空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分的分离.

依据对解决物理冲突各种原则的分析，机构“运动速度的快与慢”这一冲突的解决采用解决物理冲突的第二条原理:从时间上分离相反的特性.因此，在机构运动过程中，通过控制系统，使气缸的运动速度呈现“两头慢，中间快”的特点，从而满足系统高生产率和低冲击力的双重要求.

4 传动片送料装置创新解的确定

基于上述技术冲突和物理冲突的解决，沿着提示的创造性思维方向，结合自身实践经验和工程实际，滤除掉不符合要求的原理方案，最终得到了传动片送料装置创新方案的特定解，进一步具体化，得到了传动片送料装置的最终结构，如图5所示.

图5 传动片送料装置的创新解Fig.5 The innovative solution of feeding device of Transmission Piece

根据上述创新方案的这一特定解制成了传动片送料装置的物理样机，并通过实验证明其能有效解决设计中遇到的难题，较好地实现预期目的.

5 结论

TRIZ将创新思想进行了科学的整理与提炼，能够为设计问题的解决提供较为成熟的理论体系和方法，帮助设计人员确定问题的探索方向，从而缩短产品的研发时间.笔者运用TRIZ得到了锯链自动装配系统中传动片送料装置的创新解，解决了整个系统设计中的一大难题.目前，整个锯链自动装配系统已进入装配调试的最后阶段，该系统的试制成功必将大大提高锯链的装配效率和装配质量，有效降低其生产成本，延长其使用寿命.

［1］ 檀润华.发明问题解决理论［M］.北京:科学出版社，2004.

［2］ 刘江南，赵世雄，刘秋平.基于TRIZ的救援抢险车树木打冰除雪装置研究［J］.中国机械工程，2011，22(18):2167-2170.

［3］ 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.

［4］ 袁峰，王太勇，聂惠娟.基于创新设计理论/功能分析的机械产品功能原理创新设计［J］.计算机集成制造系统，2006，12(2):204-209.

［5］ DING Ze-xin，YUAN Feng，ZHU Jun.Design of Auto-matic Assembly System of Saw Chain［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，141:239-243.

［6］ EMILY MS.From Russia with TRIZ［J］.Mechinal Engineering，2003，125:18-20.

［7］ 袁峰.面向需求的机械产品原理方案创新设计关键技术研究［D］.天津:天津大学机械工程学院，2007.

［8］ ALTSHULLER GS.The Innovation Algorithm，TRIZ，Systematic Innovation and Technical Creativity［M］.Worcester:Technical Innovation Center，INC，1999.

［9］ GLAZUNOV V N.The Search of Principles of Action in Technical Systems，“Methods of Problem Analysis and Decision Searching in Techniques”Book 4［M］.Moscow:Echnoi Transport，1990.

［10］ SAVRANSKY S D.Engineering of Creativity［M］.Boca Raton:CRC Press，2000.