基于TRIZ的机床可重构设计研究*

赵延玲，马苏常

(天津职业技术师范大学 机械工程学院 高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222)

基于TRIZ的机床可重构设计研究*

赵延玲，马苏常

(天津职业技术师范大学 机械工程学院 高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222)

针对当前快速多变的市场需求与机床结构配置之间的冲突，提出应用TRIZ冲突矩阵和技术进化理论对机床进行创新设计的方法。首先定义冲突，将冲突转换成通用工程参数，应用冲突矩阵解决冲突，分析得出冲突解决方案，即机床实现可重构。其次基于TRIZ技术进化理论对机床实现可重构的原理进行求解，提出了在机床模块化设计的基础上通过模块结构的创新实现机床的创新设计的思路，研究结果对机床创新设计方案的提出具有一定的指导意义。

机床可重构；冲突矩阵；创新设计

0 引言

经济全球化以来，产品更新换代越来越快，人们的需求也日益多样化和个性化，各制造企业需要快速地提供具有高性价比的产品来响应市场的需求，从而提高自身的竞争力。由于机床是机械工业的主要生产设备，因此，快速开发出满足市场需求的机床产品是解决问题的核心。目前一些学者主要从提高切削速度、提高生产效率、加大工艺范围等方面对机床进行了研究，并取得了重大的成果，给制造企业带来了很大的经济效益[1]。但是，要进一步提高机床的性能，必须从机床的功能-原理-结构入手对机床的结构配置进行创新设计。

目前对机床结构配置的创新设计主要依靠前设计者的经验，而机床设计过程中会出现冲突(如成本、柔性、系统复杂性等冲突)，仅依靠设计经验及现有机械设计理论难以解决冲突，以及创新设计周期长。TRIZ发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving)提供了冲突解决原理和技术进化理论等工具，能有效解决设计过程中遇到的设计冲突和方案局限并难以获取等问题[2-4]。近年来有学者开始将TRIZ理论应用于机床部件的设计当中[5]，但是没有将TRIZ理论应用于机床结构配置设计当中。因此，本文针对市场需求与机床结构配置之间的冲突，将TRIZ冲突解决原理和技术进化理论相结合应用于机床结构配置可重构的创新设计中，分析了机床实现可重构设计的必要性，并提出在机床模块化设计的基础上通过模块结构的创新实现机床的创新设计的思路。

1 TRIZ理论概述

TRIZ理论是前苏联发明家G.S.Althsuler和其领导的团队在分析世界近250万份高水平的发明专利的基础上总结出的综合理论体系，它被认为是目前最全面系统的技术创新理论，并广泛应用于工业、建筑、微电子、化学、生物学、社会学、医疗等领域中，运用该理论可以大大缩短各项技术的发明创造周期[6-7]。TRIZ理论包括技术进化理论，冲突矩阵，76个标准解、发明问题解决算法(ARIZ)等工具，其中，冲突矩阵和技术进化理论是核心[8]。

TRIZ理论的冲突矩阵是由39个通用工程参数、40个发明原理和它们之间的对应关系组成。由于产品设计过程中总是会出现技术冲突，即提高系统某一技术特性将导致另一特性恶化，冲突矩阵是解决技术冲突的有效工具。

TRIZ技术进化理论则提供了一系列的进化模式和进化路线，其中进化模式是系统进化的宏观方向，进化路线则能够定性地指出技术系统沿着某一方向的具体进化过程。应用技术进化理论不仅能预测技术的发展，而且还能展现预测结果实现的产品可能的结构状态，对于产品创新设计具有指导作用[9]。

2 机床可重构设计流程

TRIZ理论认为产品的进化过程是不断发现冲突并解决冲突的过程，而阿奇舒勒冲突矩阵可以有效地解决产品设计过程中遇到的冲突。利用冲突矩阵解决技术冲突时，首先需要用该问题所处的技术领域中的特定术语定义冲突，然后将冲突转换成TRIZ的通用工程参数，最后利用冲突矩阵查找发明原理，解决冲突[6]。

基于TRIZ的机床可重构设计的具体步骤如下：

(1)定义冲突：分析市场需求，将其转化为机床的设计需求，通过设计需求与现有机床产品的对比，找出二者之间的冲突。用机床设计的行业术语定义冲突，并将其转化为通用工程参数之间的冲突，即确定要改善的参数，以及由此参数的改善将导致恶化的参数。

(2)解决冲突：冲突矩阵的行表示需改善的参数，列表示将恶化的参数，两项标准参数所在行列的交叉点为解决矛盾的发明原理。因此可以在定义冲突的基础上，利用冲突矩阵查找发明原理，可以得到一系列解决冲突的发明原理。而冲突矩阵中的用来解决冲突的发明原理是适用于多领域的一系列通解，所以需要分析选择机床设计领域适用的通解，并将其转化为机床设计中的特定解决方案。

(3)原理预测：解决冲突的方案即是机床设计要实现的功能，功能需要由具体的物理结构来实现，而原理是功能到物理结构的桥梁，也就是说产品功能是通过原理映射到物理结构的。因此，需要在解决冲突的基础上进行原理求解。机床作为一个技术系统，它的发展也是遵循一定的规律的，因此可以应用TRIZ技术进化理论对实现解决方案的原理进行预测，实现了原理的创新。

(4)结构实现：结构是产品的最终表现形式，产品的功能、原理是通过具体的结构来实现的。因此，需要在原理机床原理创新的基础上进行结构实现。在TRIZ技术进化理论中选择机床结构的进化路线，对其结构进行预测，进行结构的创新并实现原理的结构化，产生创新设计方案。

图1为基于TRIZ技术进化理论的机床可重构设计流程图。

图1 基于TRIZ的机床可重构设计流程图

3 基于TRIZ的机床方案设计

3.1 市场需求与机床现状分析

经济全球化以来，产品更新换代加快，客户需求多样化，且要求低价格，高质量，交货期短。产品更新换代快和客户需求的多样化要求机床有足够的柔性，即具有高适应性和多用性；价格低和交货期短要求机床效率高；效率高、成本低则要求机床实现定制化，功能冗余少，系统简单。

而当前机床的实际现状为当机床的效率高且功能冗余少时，机床柔性将会降低；当机床柔性提高时，功能冗余增多，机床的结构将变得复杂，购买机床的成本也将提高。

因此基于TRIZ冲突矩阵，对市场需求与机床现状间存在的矛盾进行定义，得出两对技术冲突：适应性和多用性与系统复杂性的冲突；生产率与适应性和多用性的冲突。

3.2 基于冲突矩阵解决技术冲突

查阿奇舒勒冲突矩阵，得到一系列解决冲突的发明原理。通过对适合机床设计领域的通解的分析，将其转化为机床设计中的特定解决方案，如表1所示。

表1 机床技术冲突矩阵

查阅冲突矩阵中40个发明原理得出，表1中分割原理即为将物体分成独立的部分，使物体可拆卸。动态化原理则为将物体分割成彼此相互配合又可相对移动的若干部分，可以通过自动调节，使其在每个动作阶段的性能达到最佳。

综合分析得出机床设计中的冲突解决方案：将机床分割成几个相互配合并可相对移动的几个部分，每次提供给客户确定的、满足当前需要的功能，当客户需求变化时，可通过拆卸模块，快速改变机床的结构来满足客户新的功能需求，即机床结构要可进行重构。

3.3 基于TRIZ技术进化理论的机床原理求解

机床功能需要具体的物理结构来实现，而原理是功能和物理结构之间的桥梁。因此，机床要实现重构首先需要对重构的原理进行求解。

TRIZ技术进化理论中物质分割的进化路线为：

机床沿此路线已进化为模块化机床，即将机床系统分为多个模块，每一个模块完成一个特定的子功能，模块按照某种方法装起来完成系统所要求的功能，且可通过增减模块改变机床的功能。处在该路线的最后一个阶段，因此机床沿此路线的进化潜能不大。

TRIZ技术进化理论中动态化模式下提高可移动性的进化路线为：

机床沿此路线进化过程为：专用机床→组合机床→数控机床。专用机床是为某一种零件(或一组相似零件)的特定工序定制设计的，生产效率高，但是当需求变化时，无法进行调整以适应新的需求，视为不可动系统；组合机床使用了大量的通用零部件，是通过更换少数专用部件来满足加工对象的变化，为部分可动系统；数控机床功能多，且大多采用模块化结构，当需求时可以通过模块的增删来改变其功能，为高度可动系统，但只能通过模块的增删改变其配置，柔性仍然不足。因此，沿此路线机床应向系统整体可动的方向进化，即不仅可以通过模块的增减(重新组合)来实现机床配置的变换，而且可以通过模块的位置的改变(重新排列)来实现机床的重构，满足新的加工需求，也就是说机床沿此路线要能够通过模块的重新组合排列实现配置的重构。

TRIZ技术进化理论中动态化模式下的提高柔性的进化路线为：

机床沿此路线的进化过程为：专用机床→组合机床→模块化机床。目前的模块化机床由模块组成，每一个模块是一个固定的子系统，可以通过模块的增减改变机床的结构配置，处于改路线的第二个阶段。因此，沿此路线机床应向着模块自身的动态多变的方向进化，即不改变机床模块间的位置，只通过提高模块自身柔性来实现机床的重构。

综上所述，可以得出机床实现重构的原理有以下两种：①通过模块的重新组合排列实现机床的重构；②通过模块自身结构的柔性来实现机床的重构。

3.4 基于TRIZ技术进化理论的机床结构创新设计

根据上述的机床重构设计原理，给出如下两个基于TRIZ技术进化理论的机床结构创新设计案例。

3.4.1 模块间重新排列组合的结构实现

机床模块间是通过接口连接的，模块位置的重新排列则需要接口实现系列化、标准化，即机床的主体、立柱、主轴头、换刀装置、工作台、夹紧单元等都应设计成具有标准接口的标准模块，以提高模块的通用性和互换性。模块之间的接口主要分为有相对运动的接口和无相对运动的接口两大类。

图2所示为通过有相对运动的接口的标准化实现的模块重新组合排列得到的几种配置。配置1通过在工作台下设置滑块结构，工作台可以沿着X轴移动，主轴可以沿Z轴移动；配置2是通过模块的重新组合，在配置1的立柱下增设滑块并改变工作台滑块导向得到的，该配置可实现主轴沿X轴和Z轴移动，工作台沿Y轴移动；配置3是在配置2的基础上，经过模块的重新排列，将立柱下的滑块放置在工作台下，可实现工作台X轴和Y轴的移动，主轴沿Z轴移动。

(a)配置1 (b)配置2 (c)配置3图2 有相对运动的接口的标准化

图3为无相对运动的接口的标准化得到的几种结构配置。底座上有沿圆周分布的定位槽和定位孔，水平支撑单元包括支撑体部分和圆柱形立腿部分，立式支撑单元具有一个垂直的腿部，截面为矩形，立式支撑单元和水平支撑单元的腿部与底板的定位槽和定位孔通过接口的标准化可以进行配合。因此，可通过将它们的腿部插入底座的不同定位槽或定位孔中而实现机床的重构。

(a)底座 (b)水平支撑单元 (c)立式支撑单元 (d)结构配置图3 无相对运动的接口的标准化

3.4.2 模块自身柔性的结构实现

TRIZ研究者总结出的提高柔性的进化路线为：刚性体→单铰链→多铰链→柔性体→气体→场。目前主轴模块结构为刚性体，处于该路线的第一个阶段。因此，沿此路线有很大的进化潜能，可向单铰链、多铰链进化。如图4所示，图4a的初始配置铰链水平放置，可以完成外圆柱面的车削、在外圆柱面上钻孔等操作；只需调整铰链的结构，就可以对机床进行重构，得到图4b所示的配置，为典型的立式结构，可进行钻削、铣削等加工。

(a)初始配置 (b) 重构后的配置图4 主轴结构创新设计图

4 结论

本文针对当前快速多变的市场需求与机床结构配置之间的冲突，提出应用TRIZ冲突矩阵和技术进化理论进行机床的创新设计的方法。提出了基于TRIZ的机床可重构设计的具体步骤并给出了流程图。描述了市场需求与现有机床之间的冲突，并将冲突转化为TRIZ通用工程参数，应用冲突矩阵加以解决，提出动态化和物质分割是实现机床可重构设计的发展方向。基于TRIZ技术进化理论，沿着动态化和物质分割的路线对机床进行了预测，提出机床实现重构的两个原理：在模块化设计的基础上，通过模块间的重新排列实现机床的重构；通过模块自身结构的柔性来实现机床的重构。应用技术进化理论对模块结构进行了预测，提出实现两种原理的结构创新设计方案。

[1] 张曙,卫汉华,张炳生.机床结构配置的新思路[J]. 制造技术与机床,2011(10):8-11.

[2]戴义贵,潘凤章,景秀并.基于TRIZ的计算机辅助机械产品创新设计[J].机械设计与制造,2004(3):50-52.

[3]檀润华.产品创新设计若干问题研究进展[J].机械工程学报,2003 (9):11-16.

[4]刘志峰,胡迪,高洋,等. 基于TRIZ的可拆卸联接改进设计[J].机械工程学报,2012,48(11):66-71.

[5]慕永成,曲世永.基于TRIZ理论的机床浮动主轴的方案设计[J]. 组合机床与自动化加工技术,2008(5):34-36.

[6]PRESNER J,JANTSCHGI J,BIRKEL S, et al. The theory of inventive problem solving(TRIZ)as option generation tool within cleaner production project[J].Journal of Cleaner Production,2010,18(2):128-136.

[7]张付英,刘 卉,张林静.基于TRIZ冲突解决原理的液压缸活塞密封技术研究[J].润滑与密封,2006(8):30-33.

[8]檀润华.发明问题解决理论[M].北京:科学出版社,2004.

[9]张付英,徐燕申.基于TRIZ的液压缸移动密封的进化研究[J].润滑与密封, 2004, 5 (3): 14-17.

(编辑 李秀敏)

Research on Reconfigurable Design of Machine Tools Based on TRIZ

ZHAO Yan-ling，MA Su-chang

(Key Lab of High Speed Cutting and Precision Machining,School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China)

For solving the contradiction between fast-changing market demand and the structure configuration of machine tools, conflict matrix and technical evolution theory of TRIZ (theory of inventive problem solving) are used to the innovative design of machine tools. Firstly, the conflict was defined and transferred into general engineering parameters. Resolving it with the conflict matrix and obtained the solution to the conflict that the machine tools need to be reconfigurable. Secondly, achieving the principle of reconfigurable machine tools based on technical evolution theory. Finally, put forward the design idea that innovate the structure of modular machine tools on the basis of the modular design. The results of the study have certain guiding significance.

reconfigurable machine tools; conflict matrix; innovative design

1001-2265(2014)07-0012-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.004

2013-11-15；

2013-12-16

天津职业技术师范大学科研基金预研课题(KJY11-12)

赵延玲(1988—)，女，陕西榆林人，天津职业技术师范大学硕士研究生，主要研究方向为创新设计，(E-mail)angeling518@126.com。

TH122；TG65

A