基于TRIZ理論的車床轉(zhuǎn)位刀塔改進

1序言在某輸入軸柔性制造線的05、10工序上，配有液壓轉(zhuǎn)位刀塔的2臺數(shù)控臥式車床（以下簡稱車床）承擔(dān)著8004或0019輸入軸的車削加工（見圖1）。車床運行中，斷續(xù)出現(xiàn)輸入軸各臺階長度切短1～4mm的現(xiàn)象（見圖2），有時間隔20件出現(xiàn)2根廢品，有時間隔35件出現(xiàn)2根廢品。廢品發(fā)生時，車刀片崩刃損壞。輸入軸的廢品數(shù)積累至10件時，該條生產(chǎn)線停滯待修理。圖1

輸入軸車削示意

a）輸入軸廢品

b）車刀片崩刃圖2

輸入軸廢品及車刀片崩刃示意2問題分析將液壓轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的工程問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標準問題，經(jīng)功能分析法得到關(guān)鍵問題后，結(jié)合功能模型圖進行功能裁剪，用因果鏈分析法得到主/次要問題，經(jīng)發(fā)明原理解決技術(shù)矛盾沖突，構(gòu)建串/并聯(lián)復(fù)合物場模型進行標準求解，并用HOWTO模型進行概念方案探索。2.1

功能分析法功能分析是識別系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件的功能，并分析其特點和成本的一種分析工具。1）功能組件分析涉及三方面內(nèi)容：組件分析、相互作用分析和功能模型圖繪制。①組件分析：確定液壓轉(zhuǎn)位刀塔車削零件為當前系統(tǒng)組件，I/O信號、繼電器、液壓油及電能為子系統(tǒng)組件，加工程序和機外在線測量為超系統(tǒng)組件。②相互作用分析：找出各組件兩兩之間的相互作用，用“＋”表示存在相互作用，用“－”表示不存在相互作用。③功能模型圖繪制：確立各組件之間的具體功能關(guān)系，畫出功能模型圖（見圖3），其中實線箭頭表示無害、充足作用，波浪線箭頭表示有害作用，虛線箭頭表示不足作用。

圖3

功能模型2）通過功能組件分析得到4個關(guān)鍵問題：轉(zhuǎn)位刀塔對車刀的夾固不足，液壓裝置對轉(zhuǎn)位刀塔鎖緊不足，繼電控制線路轉(zhuǎn)換不足，以及PMC及I/O信號觸發(fā)不足。3）功能組件裁剪。依據(jù)功能模型圖，經(jīng)裁剪原則B進行組件裁剪，即裁掉可自我執(zhí)行的有用功能。擬裁剪組件為繼電控制線路，裁剪后的功能模型圖如圖4所示。裁剪后的預(yù)期成效：可提高液壓裝置動作信號的穩(wěn)定性，消除繼電控制線路轉(zhuǎn)換I/O信號的不足。4）運用功能組件裁剪法，得到概念解決方案：PLC工業(yè)觸點（工作電壓為DC24V或AC220V、AC110V）直接控制液壓裝置。圖4

裁剪后的功能模型

2.2

因果鏈分析法因果鏈分析是全面識別工程系統(tǒng)缺點的分析工具，它可以挖掘隱藏于初始缺點背后的各種缺點，通過深究缺點的根源得到深層次原因。在這些原因中，有的易解決，有的不易解決，易解決的問題是用戶優(yōu)先著重關(guān)注的。畫出車床刀塔車廢品的因果分析圖（見圖5），通過因果鏈分析得到關(guān)鍵的待解決問題。3個主要原因依次是液壓換向閥卡滯、刀塔鎖緊閥信號錯和進刀數(shù)據(jù)反饋異常；2個次要原因則是編程工況為手工、刀塔機械間隙大。圖5

車床刀塔車廢品的因果分析圖2.3

矛盾分析運用技術(shù)矛盾分析方法，對上述因果鏈分析得到的關(guān)鍵待解決問題進行概念方案探究。（1）技術(shù)矛盾1及解決方案

具體如下。1）運用六字法則“如果……那么……但是……”，定義技術(shù)矛盾1：刀塔鎖緊閥信號錯。隨后，查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表，找到適合的發(fā)明原理（見表1）。2）經(jīng)技術(shù)矛盾分析法得到概念解決方案：設(shè)計并采用安全繼電模塊，經(jīng)行程開關(guān)監(jiān)視刀塔鎖緊到位狀態(tài)，去掉繼電控制環(huán)節(jié)，PLC觸點直接控制液壓換向閥。表1

技術(shù)矛盾1的求解過程（2）技術(shù)矛盾2及解決方案

具體如下。1）運用六字法則定義技術(shù)矛盾2，查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表，找到適合的發(fā)明原理（見表2）。2）經(jīng)技術(shù)矛盾分析法得到概念解決方案：CNC系統(tǒng)增加反饋元件進行壽命監(jiān)視，增加光柵尺進行雙測量系統(tǒng)比對誤差，更換材料或工藝延長反饋元器件壽命。表2

技術(shù)矛盾2的求解過程2.4物場模型分析法（1）液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔作用不足的求解

具體步驟如下。1）針對液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔作用不足，建立圖6所示物場模型。2）查詢76個標準解中第4類標準解（檢測系統(tǒng)）第4個：假如一個不完整物場系統(tǒng)不能被檢測，則增加一個或兩個物場系統(tǒng)，且一個場作為輸出。假如已存在的場是非有效的，在不影響原系統(tǒng)的條件下，改變或加強該場，使它具有容易檢測的參數(shù)。這時可以加入第2個場F2，來增強F的作用。3）得到概念解決方案：液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔，電場驅(qū)動光電開關(guān)監(jiān)視鎖緊到位狀態(tài)，一旦鎖緊不到位，便反饋異常并停止下一步切削。圖6

液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔作用不足的物場模型（2）繼電控制線路轉(zhuǎn)換信號作用不足的求解

具體步驟如下。1）針對繼電控制線路轉(zhuǎn)換信號作用不足，建立圖7所示物場模型。2）查詢76個標準解中第2類標準解（改變已有系統(tǒng)）第2個：一個可控性很差的系統(tǒng)已存在，部分不能改變時，可并聯(lián)第2個場F2，來增強F的作用。3）得到概念解決方案：附加碟簧二次鎖緊，一旦繼電控制線路控制液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔不徹底時，它可在液壓控制閥的碟簧恢復(fù)力作用下，再次強化鎖緊油路。圖7

繼電控制線路轉(zhuǎn)換信號作用不足的物場模型2.5知識使能1）知識使能：轉(zhuǎn)位刀塔松開、鎖緊動作時均得存在位移。2）經(jīng)功能分析可知，引起轉(zhuǎn)位刀塔車件變長1～4mm的關(guān)鍵問題之一是轉(zhuǎn)位刀塔鎖緊動作失常，未能及時發(fā)現(xiàn)而進一步直接車削零件造成廢品。3）轉(zhuǎn)化為HOWTO模型，HOWTO識別轉(zhuǎn)位刀塔鎖緊動作異常。查找功能代碼表：F05探測物體的位移和運動，找到對應(yīng)的物理效應(yīng)。TRIZ推薦物理效應(yīng)為E06標記物（引入易探測的標識）。4）得到概念方案：增加轉(zhuǎn)位刀塔位移到位監(jiān)視環(huán)節(jié)，經(jīng)行程開關(guān)檢知轉(zhuǎn)位刀塔松開、鎖緊的位移是否到位，經(jīng)操作屏幕以報警EX1015呈現(xiàn)。3解決方案匯總與評價通過以上5種TRIZ工具和創(chuàng)新導(dǎo)航IFR得出的概念解決方案，綜合考慮理想度、技術(shù)難度、可靠性、和經(jīng)濟性進行初步整理篩選評估，得到可行性較高的方案，總得分越高代表方案越優(yōu)。轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的方案決策矩陣見表3。表3

轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的方案決策矩陣4應(yīng)用TRIZ理論解決措施轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的最優(yōu)解決方案為車床增加反饋元件，對轉(zhuǎn)位刀塔在液壓換向閥控制下的“松開→旋轉(zhuǎn)→鎖緊”到位動作進行監(jiān)視。即CNC系統(tǒng)執(zhí)行程序中T代碼換刀（如T0703）→CNC經(jīng)地址F7.3向PMC傳送T碼選通信號并經(jīng)F26.7傳送T07→PMC經(jīng)COIN指令判定T碼當前值C18與目標刀號D472的一致性→C18≠D472時COIN的輸出結(jié)果R708.4＝0→PMC經(jīng)地址R707.6、R712.7和R123.0順序傳遞后向車床側(cè)輸出Y3.0＝1→DC24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動作以驅(qū)動刀塔松開；伴隨F7.3＝1→PMC經(jīng)ROT指令計算C18和D472的差值后給定刀塔回轉(zhuǎn)的最短路徑步數(shù)D485以及回轉(zhuǎn)方向R752.6（正向0反向1）→經(jīng)R710.0和R122.7順序傳遞后輸出Y2.7＝1→DC24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動作以驅(qū)動刀塔正/反轉(zhuǎn)→刀塔松開延時500ms后R739.3＝1→R123.0＝0切斷刀塔松開電磁閥→PMC經(jīng)R710.3和R123.4順序傳遞后輸出Y3.4＝1→C24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動作以驅(qū)動刀塔鎖緊；伴隨C18＝D472時COIN的輸出結(jié)果R708.4＝1→延時500ms后PMC經(jīng)地址G5.3、G4.3分別向CNC反饋T碼換刀完成信號以及M/S/T/B碼完成信號→CNC繼續(xù)T0703的下一程序段。在此換刀循環(huán)中，添入反饋信號X8.3，用以判定刀塔是否鎖緊到位：一旦不到位X8.3＝0，G5.3≠1使得CNC不能繼續(xù)執(zhí)行加工程序（光標停在T0703處），同時HMI屏顯EX1015TURRETNOTCLAMP報警。為實現(xiàn)上述設(shè)想方案，務(wù)必選擇觸點常開式PNP型DC24V光電開關(guān)，采用5mm厚不銹鋼板制作開關(guān)支架，鋪設(shè)電纜至車床控制柜內(nèi)，編制PMC梯形圖（見圖8）以添入X8.3和EX1015。待調(diào)試運行完畢后，還得將PMC梯形圖固化寫入FROM內(nèi)，避免車床斷電重啟后PMC梯形圖又復(fù)原。圖8

刀塔監(jiān)視用PMC梯形圖5應(yīng)用效果柔性線內(nèi)2臺車床轉(zhuǎn)位刀塔新增監(jiān)視策略后，車床運行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。車床每年停機時間由40臺·日/年降低為20臺·日/年，停機率下降50%，廢品率降低10%。產(chǎn)品異常原因的查找時間縮短14h（見表4），單次維修節(jié)約（20－6）h