物―场模型在成组夹具创新设计中的应用

【摘 要】在实际生产中产品对定位元件存在磨损，影响夹具的使用寿命。如何提高夹具中的定位元件使用寿命，利用TRIZ理论中的问题描述和分析工具，即根据系统功能建立物场模型，介绍了物场模型的的3条定律。本文以拨叉钻孔成组夹具为例，对成组夹具的定位夹紧系统进行分析。为成组夹具设计中应用物场模型进行问题描述，根据标准解法求解。在成组夹具设计中，其他功能系统的物场分析的标准解法及矛盾矩阵还需进一步研究。

【关键词】TRIZ理论；成组夹具设计；物场模型分析

0 引言

成组夹具是伴随着成组加工技术产生的，不同于常见的组合夹具和通用可调整夹具，对于一组零件时专用的，但对于组内零件又是通用的。因此成组夹具的设计就包括了通用性与专用型。总之成组夹具是针对一组零件的某一工序而专门设计的组内通用可调夹具。夹具可调部分结构设计使用寿命逐渐的不能适应产品的发展，这就形成了夹具的使用寿命与产品的生产质量之间的矛盾。原有的夹具设计理念不能适应时代的发展要求。因此本文主要以以TRIZ理论为指导，采用其物质-场（以下简称物场）分析方法在保证成组夹具功能的前提下寻找不同的满足产品功能要求的原理和结构，构建拨叉钻孔成组夹具的物场模型，并应用标准解法提出了改进方案，在较短时间内实现产品创新。

1 成组夹具的设计方法

成组夹具的设计流程如图1所示。

根据零件的特征进行分组，结合零件的加工工艺分析与机床对夹具的要求，确定最佳的定位与夹紧方案，进行成组夹具的结构设计。结构设计包括可调部分和基本部分的设计，然后进行零件的试制，并进行零件的误差分析。根据零件的误差分析，再决定是否对夹具的定位夹紧方案及夹具的结构进行调整。在这一过程中，设计周期与制造周期、验证周期较长，逐渐的不能适应产品更新换代的速度。因此提高夹具的设计效率，缩短设计周期就显得尤为重要。

2 成组技术及成组夹具

成组夹具包括基础部分与可调部分。基础部分由夹具体、夹紧机构、动力传动部件等元件组成。工作原理是对同组内的零件进行快速准确的实现定位与夹紧功能。基础部件一般长期组合在一起，固定在加工机床上，不需要经常调整更换。调整部分包括定位元件、夹紧元件和导向元件等，是根据所选定不同零件甚至不同工序的结构特点、定位夹紧方式及工序尺寸等夹具设计具体要求而进行特定设计，是专用的零部件。使用是可以进行更换于调整，以适应不同的零件的加工要求。由于拨叉的种类较多如图1所示，不同的拨叉加工时需要更换定位元件，定位元件通过调整、组合适应工艺可变性的能力不足以适应产品更新换代、小批量生产需要的矛盾。为了解决这一矛盾采用TRIZ理论物场模型进行描述与分析。

3 物-场模型

物-场模型是TRIZ理论中一种重要的问题描述和分析工具，用来建立与现存技术系统问题相联系的功能模。在解决问题过程中，可以根物场模型所描述的问题，来查找相对应的一般解法和标准解法。

系统是为了实现特定的功能，产品是功能的实现。系统是输入与输出之间正常的、期望存在的关系。系统的功能可以是一个较大功能，也可以是分解到子系统的功能，直至达到底层的功能为止。

阿奇舒勒通过研究功能，发现并总结了3条定律：

1）所有的功能都可以分解为3个基本元件（S1、S2、F）；

2）一个存在的功能必定有3个基本元件组成；

3）将相互作用的3个基本元件进行有机组合将形成一个功能。

物-场模型涉及到的基本概念有物质（Substance）、场（Field）等。理想的功能是场F通过物质S2作用于并S1改变S1。物质的物质是指某种物体或过程，可以是整个系统，也可以是系统的子系统或单个的物体，甚至可以是环境。场是指完成某种功能所需的效应，体现着物-场模型中物质之间的作用关系，通常是一些能量形式，如：力场、磁场、电场、热能场、化学场、声场、光学场等等。因而1个物场模型通常包括2个物质和1个场3个基本元素。一个完整的系统功能通常用一个完整的物场三角形进行模型化如图2所示，复杂的有多个物场三角形来进行模型化。

4 拨叉钻孔夹具物场模型分析

夹具的功能是实现对零件的准确定位与夹紧功能，以及其他辅助功能。因此可以将系统大体分为定位系统、夹紧系统、对刀系统等。物-场模型是根据功能而建立的模型。本文以拨叉钻孔夹具为例，对夹具的定位与夹紧功能建立物场模型进行分析。

以图3中拨叉零件为例，加工径向孔、端面N1定位，控制了5个自由度，三个方向的平移，两个方向的转动；然后固定孔a的位置，限制拨叉的转动，实现了零件的完全定位。夹具结构图如图4所示。该夹具是实现不同拨叉的钻孔功能的，可以看做一个系统。这个系统功能是实现零件的准确定位、快速夹紧的功能，功能可分分解为定位功能、夹紧功能、其他辅助功能等。限于篇幅限制，本文重点分析成组夹具中的定位系统。

从物场模型角度分析每一个系统是有三个基本元件组成。夹具中实现的基本功能使准确的定位与夹紧功能。拨叉零件看作S2，定位芯轴与芯轴衬套S1，压紧杆施加机械力作为场F。但是拨叉零件的形状各异，调整螺栓、支撑弯板等零件需要更换，在一定程度上影响夹具的定位精度。定位夹紧系统物场模型如图5所示。

螺栓与弯板等定位零件在更换与调整时，由于定位元件制造精度和使用磨损存在定位精度达不到要求。随着零件更新换代的频率加快，定位元件的更换与调整的频率也在加快，很大程度影响了生产效率。由于系统能完成夹具的基本功能，因此属于完整的物-场模型。但模型中存在有用与有害共存，根据TRIZ理论物场模型的标准解法系统中，第二级标准解法（标准解法2.1）中的2个标准解法。如表1所示。

根据物场模型标准解法，提供两种解决方案。方案1：单一物场模型转化为链式物场模型，如图6所示。加入新的物质S3，即在定位心轴与定位衬套S1表面喷涂耐磨材料或柔性材料S3，改变定位心轴与定位衬套的表面性质，提高其耐磨性F2，减少定位心轴的磨损量，延长心轴的使用寿命。方案2：在不引进新物质S3的前提下，对原有的物场模型进行改造。心轴与夹具体是刚性链接改造为浮动心轴，在心轴与衬套加入弹簧S3，同时心轴设计成胀套结构，这样在定位心轴磨损的情况下，也能保证拨叉轴向孔与心轴能紧密配合。

5 结论

本文以拨叉钻孔夹具为例，结合TRIZ 理论思维方法、物场分析工具在夹具设计中的应用，分析了夹具中定位系统，转换为物场模型进行分析，为成组夹具设计中应用TRIZ 理论进行问题求解提供了参考思路。能够解决机构创新设计中遇到的各种问题，其在机构设计中应用的关键是将机构设计问题用TRIZ理论的术语描述。

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