基于TRIZ和Pro/Innovator 6.0的超薄轴承套圈外径测量系统的创新设计

焦叶凡，尹延经，刘扬

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

随着现代工业机器人趋于轻型化，要求与其配套的轴承具有更加简单、紧凑的结构。薄壁轴承追求外形极限尺寸，具有重量轻、体积小、精度高、寿命长等优良性能，能够很好地满足轻量化需求。目前，某型轴承套圈的壁厚最薄处仅为0.275 mm，其外径尺寸采用传统的机械测量仪(如D913)测量时极易产生变形，无法有效获取数据。因此，为提高超薄轴承套圈外径测量的准确性，采用TRIZ理论和计算机辅助创新平台Pro/Innovator 6.0，对超薄轴承套圈外径测量系统进行创新设计，以提出合理有效的解决方案。

1 TRIZ系统和Pro/Innovator简介

TRIZ理论即“发明问题解决理论”，是一种总结各种技术发展进化遵循的规律模式，并综合多学科领域的原理和法则建立起的一套解决方法理论体系[1-2]。文献[3]在基于TRIZ的轴承概念设计创新研究中预测了未来轴承会向着“功能齐全，结构消失”的自润滑结构模式发展，验证了TRIZ对行业技术进化路线的预测能力；基于TRIZ理论，文献[4]完成了振动钻削装置的改进和车削技术的预测；文献[5]对刃具干磨工艺进行了改造，进一步验证了TRIZ理论对实际工况中技术难题的解决能力。

在国内，TRIZ理论尚处于学习与熟悉的阶段，诸多科研机构和专家都在致力于研究和运用TRIZ理论，Pro/Innovator 6.0(计算机辅助创新平台)则提供了一套完整的计算机辅助创新解决方案，实现了创新设计问题的流水线解决方式。

2 Pro/Innovator 6.0解题流程

如图1所示，在解决工程问题的实际应用中，Pro/Innovator 6.0的流程为：1)通过技术人员对初始问题进行描述；2)对待解决问题进行系统分析、建立系统组件模型、不断分解问题，找到问题产生的根本原因并形成问题列表；3)根据工程技术特性选择合适的通用工程参数，进行资源分析，定义问题的矛盾矩阵，查找TRIZ理论中的40个创新原理，参考软件提供的知识库查询功能提出解决方案；4)对各种备选方案进行评价并生成评价报告。另外，Pro/Innovator 6.0还具有专利查询及申请的功能，可供技术人员直接将可行案例提交为专利[4]。

图1 Pro/Innovator 6.0解题流程

3 应用实例

3.1 初始问题描述

在轴承使用过程中，为保证轴承外径与座孔、内径与轴的高度配合，轴承的内、外径尺寸精度是判定轴承是否合格的重要指标。而对于中小型薄壁轴承(外径尺寸为60～115 mm)，采用传统的机械测量仪(D913)测量时，轴承套圈极易产生变形，无法获取有效测量数据。

3.2 系统功能分析

在TRIZ理论中，技术系统是为了实现某个特定功能而存在的，系统功能分析就是对技术系统的功能单元及功能单元间的相互关系进行建模。Pro/Innovator 6.0从技术系统功能实现的角度，分析系统功能组件及组件系统存在的作用关系，找到技术系统矛盾所在并解决，这种分析结果能够优化技术系统的整体性能[6]。

3.2.1 功能模型和能量流分析

利用Pro/Innovator 6.0构建系统组件模型时，需要理清系统作用对象、系统组件和超系统组件之间存在的有害或非优化作用，并将能量的传递和物质的转化图形化，以明确下一步求解方向[7]。

在该案例中，首先对超薄轴承套圈外径测量系统进行组件分析，其功能流分析如图2所示，已知该系统的作用对象(超薄轴承外圈)、系统组件(千分表、支点、测头、操作台)、超系统组件(人员、环境)、分析组件之间的相互作用，同时定义该系统中的主能量流、控制流、结构流或自定义流及各组件流传递中承担的角色，最终生成“How to”问题模型。

由图2可知，主要矛盾集中在测头对超薄套圈存在不稳定的接触力，而此接触力是通过机械测量系统中弹簧力和杠杆力产生的，因此系统生成的“How to”问题模型列表为：

How to stabilize 支承力 of 超薄套圈？

How to decrease 接触力 of 测头？

How to decrease 弹簧压力 of 测头？

How to decrease 杠杆力 of 千分表？

以上分析可以明确当前系统中需解决的问题。通过Pro/Innovator 6.0软件中组件价值分析的理想度诊断分析，可确定系统的关键点并从众多“How to”问题模型列表中找出解决系统问题的突破口。组件价值理想度诊断分析如图3所示。

由图3可知：1)通过增加其功能贡献来改进区域C中的系统组件侧支点、垂直支点、千分表、操作台支承板；2)通过降低系统成本来改进区域B中系统的组件测头；3)为简化和理想化系统，可以考虑删除系统中理想度低的测头和千分表。

在超薄套圈外径测量实例中，将超薄套圈在测量过程中容易变形导致测量不准确作为初始问题，则可能产生该问题的子问题为：1)操作员对套圈的控制过量；2)测头对套圈的压力过大。

图2 功能流分析示意图

图3 组件价值理想度诊断分析

3.3 问题解决与方案生成

TRIZ的问题模型分为技术矛盾、物理矛盾和物场模型等，对应的TRIZ工具为矛盾矩阵、分离方法知识库和标准解系统。借助Pro/Innovator 6.0解决问题模块对上述子问题进行深入分析，在定义矛盾后，软件会自动查询矛盾矩阵，列出与其相关的创新原理，并在丰富且强大的技术方案知识库中提取实用案例作为解决有类似矛盾问题的参考，或构建实际待解决问题的物场模型，利用标准解法体系中针对模型有害作用、不足作用、过度作用等问题的解法获得解决方案。

3.3.1 矛盾分析

首先以矛盾定义的方式提取技术矛盾，确定压力和测量精度为改善和恶化的参数。查询矛盾矩阵可得到3个供参考的创新原理：No.6多用性原理、No.28机械系统代替原理、No.25自服务原理。综合分析结果如下：

1)参照No.28机械系统代替原理给出的“利用光学视觉系统、声学听觉系统、电磁系统、味觉系统或嗅觉系统代替机械系统”得到启发，采用光栅原理，将测头在光栅上的微小位移量转化成脉冲信号从而获取测量结果，测量过程中大大减小测头对套圈的压力。

2)利用运动场代替静止场原理，将套圈尺寸的变化量转换成压缩空气流量或压力的变化，然后通过指示装置获取套圈误差。

另外，根据问题切入点“测头对套圈压力过大”提取物理矛盾。压力大，机械力传递精确；压力小，套圈不会变形:即改善和恶化的参数均为压力，判断矛盾为物理矛盾，可采用的创新原理为复制原理。利用光学原理，将套圈轮廓投影，根据被测套圈投影与标准件投影比较，找出微小形变量，从而判断套圈是否合格。

3.3.2 知识库查询

根据软件提供的知识库查询功能，通过查询“怎样减小应力变形”在系统中获取可参照的解决方案。从“充填叶片空腔的方法减小激光喷射锤击时燃气轮机的叶片变形”结构动作原理上得到启发，将套圈内侧填充一些比钢材刚度小且有弹性的材料，利用其对套圈向外的作用力支承套圈，从而避免套圈变形。

3.3.3 物场分析

建立的物场模型如图4所示，问题定义：千分表测头要紧密接触轴承套圈，由于测头和人手对轴承套圈产生一定的作用力，从而造成套圈变形，导致测量不准确，即手对套圈产生不充分作用，套圈对测头产生不充分作用。应用标准解第4级第1项第2条“测量复制品或肖像”，构造解决方案为：利用超高像素的数码相机将被测套圈照片拍摄下来，再与标准件的照片相比较，从而得到合格套圈。

图4 系统物场模型分析图

3.4 方案评价

上述生成的备选方案可在Pro/Innovator 6.0软件中进行方案评价，评价模型可参照技术人员设置的不同评价指标，组合设置权重，以达到对多个备选技术方案定量评价的目的。

在本案例中，可选择基于精度、可操作性、成本与测量时间4个参数进行评价，各参数的权重见表1。针对薄壁轴承外圈(外径为60 mm)，用D913外径测量仪测量后与标准值相差3～5 μm，系统提出的方案及结果见表2，由于成本、测量时间、精度为负向影响，最终方案评价均为负值，数值越大，则证明得到的方案越成功。由表可知：方案1，2，3，5测量后均可保证与标准值相差1 μm以内，但方案1在所有方案中分数最高，即测量轴承套圈外径精度高、成本低廉、可操作性好，采用的非接触测量成功避免了超薄套圈在测量过程中的变形。

表1 评价参数

表2 解决方案

4 结束语

应用TRIZ理论和Pro/Innovator 6.0，通过对超薄轴承套圈外径测量仪器现存的问题进行因果分析和资源分析，提取了问题中存在的物理矛盾和技术矛盾，找到了适用的创新原理，并在软件强大的知识库下获得了超薄轴承套圈外径测量系统的解决方案，切实有效地避免了套圈在机械力作用下的变形，提高了测量准确性。