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    【集萃网观察】1 引言

  随着全球经济一体化的发展,企业正面临着前所未有的机遇和挑战,创新已经成为企业生存、竞争和发展的必然选择,而产品创新设计更是其中最为重要的环节。产品创新需要更多跨学科的知识、更复杂的技术支撑和更完善的创新理论。创新设计就是要构思出新的产品工作原理,为产品的目标功能找出新的具有市场竞争能力和实际实现可能性的原理解。前苏联G.S Altshuller及其领导的一批研究人员,在分析研究世界各国250万件专利的基础上指出:工业和自然科学中的问题和解决方案是重复出现的,技术进化模式也是重复出现的,只有百分之一的解决方案是真正的发明,而其余部分只是以一种新的方式来应用以前存在的知识或概念。因此,对于—个新的技术问题,从已经存在的原理和方法中可以找到该问题的解决方案。

  发明问题的解决理论TRIZ(TRIZ系俄语缩写,其英文译名为Theory of Inventive Problem Solving,TIPS)由前苏联海军部专利局专家G.S.AltshulIer创立,它是一种建立在技术系统演变规律基础上的问题解决系统。效应,即TRIZ中基于知识的问题解决工具,是由于某种原因而产生的一种特定的科学现象,包括物理效应、化学效应、生物效应及几何效应等同。它们是由各种科学原理组成,是构成各种领域知识的基本科学知识。科学效应在设计中起着重要的作用,每—个效应都可能对应—个设计问题的解决方案。对同一个设计问题,采用不同的科学效应求解,可能产生新颖的设计方案。如果设计者能灵活地运用人类已有的基本知识,进行重新组合、叠加、联想、综合、推理及抽象等过程,则可形成新思想、新概念,达到创新的目的。

  2 发明级别及效应解决问题的过程

  2.1发明级别

  依发明等级分类工程问题的解决方案是非常有用的且能产生很多利益,此分类方法是创新设计科学方法论的基础。TRIZ的—个重要成果是认为发明是有级别的,产品沿着由低级向高级的方向发展。由于这种发展。产品才一直占领老市场或又赢得新市场。G.S.Altshuller通过研究,依据问题的难易程度、知识来源等,将产品或发明问题分为5个级别,如表1所示。

  按上述发明级别,第1、2、3级已表明,95.7%的新产品设计可以通过类比已有的产品设计完成,即新产品只是已有产品的某种改进;第4、5级要用到已有的效应及新发现的效应。

  2.2 应用效应解决问题的过程

  效应知识库是从大量的专利分析中得出的许多抽象的功能模块和效应。这些效应都是为了实现某种特定功能的技术方法。如采用物理、化学、生物及电子学等领域中的原理,解决机械设计中的创新问题;或通过效应知识库中的相关定律,解决工艺设计中的问题。效应知识库的建立过程是以解决用户存在的问题为根本出发点,应用效应解决问题的一般过程,如图1所示。

  在进行设计时,设计人员首先要要做的工作是要发现问题,确定问题,并将其抽象为基本问题,然后进行系统分析,功能分析,确定需求功能,建立功能结构。按照需求功能从效应知识库中查找恰当的效应和实例,然后利用关联和控制方式对现有功能进行改进,确定出问题的原理解,并对该原理解进行检验,如果原理解不能满足需求功能则应该重新对问题进行分析或选择其他效应。效应知识库中包含着大量的物理、化学和几何效应,涉及到多领域的知识,是TRIZ中最容易使用的一种工具,在对给定的问题进行分析时,如果问题明确但不知道如何解决,则要应用效应知识库去解决,它可以直接提供给设计者大量的相关效应,使存在的问题得以解决,并且通过与其它的TRIZ工具和概念结合消除最终解中可能存在的问题。

  3 基于TRIZ效应的创新设计实例

  注射成型机(简称注射机或注塑机)是将热塑性塑料或热固性塑料利用成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备心它能够一次成型外型复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品,且注射成型工艺对各种塑料的加工具有良好的适应性,生产能力较高,并易于实现自动化,因此注塑机被广泛应用于国防工业、交通运输业、建材材料、包装、农业、科教卫生及人们日常生活的各个领域。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,现代社会对注塑制品的需求日益增长,对注射技术的要求也越来越高。普通液压式注射系统,如图2所示。由于存在能耗大、有污染、以及控制精度不高等问题难以满足市场要求,因此设计与制造新一代“节能环保型”注塑机就成为迫切需要关注和解决的问题。

  3.1问题分析

  从根本上实现注塑机的节能注射成型,只有创新的节能的注射成型技术、节能的动力系统和节能执行机构,三者合为一体,才能达到完满的节能性能。近年来,随着注塑机的发展,节能技术有了很大的进展,主要在中、小型注塑机上进行节能技术开发,在动力驱动系统上作开发,缺少对节能注射成型原理及节能执行机构的创新开发。故主要从节能注射成型原理及节能执行机构的角度出发,利用TRIZ中的效应理论对注塑机注射机构进行创新设计,进而达到节能的目的。根据实际生产运行情况,注塑机液压系统及注射机构主要存在如下一些问题:

  (1)注塑机在不同工序下需要的油液流量和压力不同,必须依靠流量阀和压力阀调节,由于定量泵不可调节输出功率,因此多余的能量只能在挡板,油路中泄露,加剧了各种阀的磨损,又造成油温过高,电机噪音过大,以及机械寿命缩短等现象。

  (2)由于油液流动的阻力损失和泄漏较大,所以系统能耗利用效率较低。如果处理不当,泄漏不仅污染场地,而且还可能引起火灾和爆炸事故。

  (3)液压系统中的油液被污染或混入空气后,容易引起爬行、振动和噪声,使注塑机注射机构的工作性能受到影响。

  3.2系统功能分析

  一个技术系统通常实现许多功能,设计者通过对系统的功能分析可以确定系统中的有用标准作用、有用不足作用、有用过剩作用和有害作用,之后就可以利用TRIZ中的发明原理、标准解及相应的效应原理对后三种作用进行创新改进设计,并得出解决问题的功能原理解。注射机构是注翅机最重要的组成部分之一,其主要功能是:在规定的时间内将一定量的塑料加热塑化后,以一定的压力和速度,通过螺杆将熔融塑料注入到模具型腔中,并在注射结束后,对注射到模具型腔中的熔融塑料保持定型。通过对普通液压式注射机构进行功能分析可以发现系统中存在的问题,如有害作用:油液流动的阻力损失和泄漏较大造成系统效率低下,灰尘污染液压油等,有用过剩作用:滤油器和管路阻碍液压油流动,有用不足作用:熔融塑料的注射速度不够大,完善这些功能的实现是后续创新设计的出发点。

  3.3需求功能定义

  根据功能分析的结果决定去掉注塑机注射机构中的注射油缸及其液压驱动系统,采用新的驱动装置实现熔融塑料到模具型腔的注射功能。要求新的驱动装置能够以一定的压力和速度快速准确地将熔融塑料由螺杆头前部的储料室注入到模具型腔中,并能够在注射结束后对注射到模具型腔中的熔融塑料保持定型。为便于利用效应库查找实现该功能的相应效应,可将注射熔融塑料到模具型腔的功能抽象为移动流体物质。

  3.4查找恰当的效应并利用关联改进功能

  效应知识库是TRIZ中最容易使用的一种工具。在对效应知识库进行研究的早期阶段。G.S.Altshuller就已验证:对于一个给定的问题,运用各种物理、化学和几何效应可以使解决方案更理想和简单的实现,而要实现这一点必须按照功能对效应进行分类,建立—个大型的效应知识库。浏览效应知识库中的“移动流体物质”功能,可以快速确定与该问题相关的效应,如表2所示。

  为使注射机构驱动系统结构简单,操作方便,降低成本,可选用帕斯卡定律,使熔融流体在高压空气的作用下产生运动。但只选用帕斯卡定律无法满足需求功能,还需要磁场力效应、螺线管磁场效应、欧姆效应结合成为效应链。对帕斯卡定律的输入量和控制参数进行控制,如图3所示。

  帕斯卡定律:密闭容器中的液体,能对加在其上的压强,毫不改变大小地向各个方向传递到液体内的各处。

  磁场力效应:铁磁性材料在磁场中要受到磁场力作用,沿受力方向运动。

  螺线管磁场效应:线圈由导线缠绕而成。当电流通过螺线管时,在其内部会产生磁场。如果螺线管的长度远大于其直径,则螺线管内的磁场线平行于它的轴线,产生匀强磁场。

  欧姆效应:在导体的两端加一直流电压,在导体的内部会产生直流电流。改变电压或电阻可改变电流强度。

  3.5具体解决方案

  设计中的重要突破、成本或复杂程度的显著降低,往往是功能分析及裁剪的结果。基于消除元件并重新分配元件间的有用功能的裁剪是一种改进系统的方法,该方法研究每—个功能是否必需,如果必需则研究系统中的其它元件是否可完成该功能,反之则去除不必要的功能及其元件。经过裁剪后的系统更为简化,成本更低,而性能保持不变或更好,剪裁使产品或工艺更趋向于理想。将注射机构驱动系统效应链与注塑机注射机构功能模型结合起来,对系统进行创新改进设计:把注塑机注射机构的注射油缸及其液压驱动装置全部去掉,用电器柜控制线圈中电压或电流的大小和方向,在线圈内部产生不同的磁场,使电磁换向阀在规定的时间内接通和断开,进而控制高压空气按照注塑工艺的要求快速推动熔融塑料填充到模具型腔中完成注射动作。创新改进设计后的注塑机注射机构系统原理方案,如图4所示。

  4 结论

  效应知识库为产品创新设计过程提供大量的效应支持,有利于设计者在产品的概念设计阶段高质量地提出创新设计方案,从而达到提高产品竞争力的目的。基于TRIZ效应理论,将注塑机注射机构原来的液压驱动注射系统改为高压空气直接推动熔融流体的注射系统,成功地运用TRIZ中的效应知识库进行了产品创新设计。通过试验发现,创新设计后的注塑机注射机构的性能和可靠性从根本上得到了提高,克服了原有系统效率低下、工作性能不稳定和环境污染严重等缺点,为开发新一代“节能环保型”注塑机指明了方向。

  来源:佳工机电



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