齿轮外锥角测量检具机构的创新设计

袁小江

（无锡科技职业学院，江苏 无锡 214028）

1 引言

前苏联科学家阿齐舒勒等人在研究与分析世界各国大量的发明专利后，并综合多个学科领域的原理和法则，提出了“发明/创新问题的解决理论”，即TRIZ理论。经过几十年不断的研究与发展，国际上有三种代表性的TRIZ模型和方法论，分别是：（1）技术矛盾和物理矛盾的矛盾矩阵及其发明原理和分离原理；（2）“物—场”模型及标准解法；（3）SUH模型及SUH算子解法［6-9］。应用第一种方法解决齿轮外锥角测量检具中的矛盾问题，分析提出创新设计方案。应用TRIZ理论方法实现创新的流程是：先分析需要解决的问题，应用39个通用工程参数中和该问题相适应的参数来表达需解决的问题，把一个具体的问题转化为TRIZ理论问题。然后确定该TRIZ问题是技术矛盾还是物理矛盾，若是技术矛盾，则应用矛盾矩阵从40个发明原理中找到合适的原理；若是物理矛盾，就应用分离原理来确定相应的发明原理。最后利用发明原理找到具体问题的解决方案，并对其进行评估，如果方案比较优化则执行方案，如果方案不优化则重复前面的步骤，直至找到优化的方案为止[1-4]。

图1 基于TRIZ理论的创新设计流程Fig.1 Innovation Design Process Based on TRIZ Theory

创新设计时首先确定创新对象，通过研究与分析存在的问题，用39个工程参数中的两个来表达矛盾，并确定矛盾的类型。之后针对不同类型的矛盾，采用相应的解决矛盾问题的工具，确定矛盾问题的创新原理，最终确定优化的创新设计方案，其常规流程[3]，如图1所示。

2 案例介绍

2.1 齿轮外锥角被测参数

被测外锥角齿轮零件，如图2所示。该齿轮零件的被检测参数有两个，一是外锥角，二是与工艺基准面（零件的下底端面）距离（50±0.05）mm外锥角的基准直径φ152.5±0.05mm。被测参数外锥角′是以直径φ152.5±0.05mm处为起点至上端面为测量范围，两被测参数具有关联性。该道工序的外锥角加工是以下底端面和内孔作为工艺基准。

图2 被测外锥角齿轮零件图Fig.2 Measured Outside the Cone Angle Gear Part Drawing

2.2 测量点的布置方案

根据零件测量要求与精度，采用比较测量法（以精密制造的检具校准件为测量基准零位，被测参数的实际数据与之进行比较，在公差范围内即为合格，否则不合格），将两个被测参数进行合并测量，采用直线位移传感器把测量数据转化为电信号，通过电子柱直观显示。其测量点的布置位置，如图3所示。

图3 测量点设置图Fig.3 Measurement Point Set Figure

以工艺基准进行定位，在距离底面基准（50±0.01）mm处（即直径φ152.5±0.05mm处）设置测量基准，在测量基准之上5mm处设置测量点1，测量外锥角（测量杆1的直线位移尺寸传给传感器，通过直线位移尺寸转化为角度变化值，从而确定角度的误差值）；在对称面（右侧）设置测量点2，测量直径φ152.5±0.05mm的尺寸误差。

2.3 检具结构方案介绍

根据被测量参数的精度与要求，测量点的设置与数据的转化、显示是检具结构的基本要求，这个方面成本压缩控制的空间不大。根据齿轮零件的结构特点，被测零件只能由侧面推入放置到测量点的位置上（不能由上往下直接放入到测量点位置上），结合检具在线测量的技术要求，其结构考虑以下几种方案。（1）直线电机，被测零件放置在基座上定位，由直线电机驱动基座（低速运动），运送零件到达测量点位置，完成测量后再回到测量点之外一定的距离位置。直线电机需安装在检具底板底部。（2）气缸，由气缸驱动基座完成上述工作，气缸也需安装在检具底板底部，现场需有满足条件的气源。（3）传送带，由传送带驱动基座进行上述工作。

以上三种方案各有优缺点，直线电机自动化程度高，但动态刚性较差，需加缓冲阻尼，易发热，需考虑散热条件，操作较为复杂。气缸操作简单方便，测量现场需有符合要求的气源，其低速下运动稳定性较差，行程控制不精确。传送带进行直线运动时，需要通过齿轮、蜗杆、丝杠等机械装置进行传动转化，同时传送带需要考虑反方向回程运动，机构较为复杂。

3 案例矛盾点分析

检具在线测量工作时由一人进行操作，要求检具操作简单；30s之内完成一个零件的检测，要求测量精度稳定、高效；满足测量条件时，要求检具低成本控制。通过分析检具的设计要求，应用TRIZ理论的39个工程参数来定义，希望得到改善和提高的参数有：“可靠性”、“测量精度”、“使用的方便”、“自动化程度”，改善和提高这些参数则容易导致恶化的参数有：“装置的复杂层次”、“控制的复杂层次”。这些矛盾都属于技术矛盾，通过查询TRIZ矛盾矩阵表，得到解决矛盾的创新发明原理，如表1所示。

表1 矛盾矩阵表Tab.1 Contradiction Matrix Table

根据表1所列出的创新发明原理，结合检具的技术要求，通过整理与分析其中的26、27、24、17条原理具有可行性。选择的原理与矛盾问题的解决方案，如表2所示。

表2 原理与解决方案Tab.2 Principle and Solution

4 案例机构的创新设计应用

通过上述创新原理解决方案的分析，根据齿轮外锥角测量检具的技术要求，综合考虑测量精度与操作性、成本要求等因素，设计机械式的操作机构驱动被测零件移动，其创新设计结构，如图4所示。主要创新设计点如一下几点所示。

（1）根据维数变化法，在底板下面用4个脚支柱支撑出足够高的空间，在底板12上开设方形通孔，将推拉轴控制机构设置在底板之下，移动板2与基座3设置在底板面之上。（2）根据中介物法，驱动被测零件通过多种中介物进行传递，被测零件定位于基座3上，基座3固定在移动板2上，推拉轴9的一端通过固定支座4与移动板2连接，另一端通过固定座10与底板12固定连接，通过转动与推拉把手13使得推拉轴9带动移动板2驱动被测零件，在与测量点连线垂直的面上做直线运动。（3）根据复制和替代原则，由推拉轴的直线运动带动被测齿轮工件在测量点之外先与基座3安装定位好，然后直线运动到测量点位置停止。为保证零件与测量点的准确位置，利用限位螺钉1进行位置的调试，利用安装在推拉轴上的弹簧7使得被测工件在直线运动过程中没有间隙位移量，同时在启动与停止时具有缓冲作用；为防止长期使用弹簧与推拉轴之间出现磨损间隙，同时使得弹簧不跟随推拉轴转动，在弹簧一端安装双向推力球轴承8。挡被测工件准确到达测量点位置时，转动把手13，使得推拉轴转动，限位销11与推拉轴上的限位槽配合进行限位，并由弹簧的推力消除限位时的间隙，使得工件在测量过程中固定不动；测量结束后，反向转动把手并向外拉推拉轴与另一端槽限位（直线运动45mm），再安装下一个工件进行测量。

图4 创新设计结构图Fig.4 Innovative Design Structure

为避免滑动摩擦力与磨损的影响，移动板2的直线移动设计为钢珠滚动移动的结构，如图5所示。移动板2整体与底板8不接触，并保持1mm的间隙，移动板两侧通过钢珠与固定在底板上的支架4滚动接触，通过挡块5上的调整螺钉6调整好位置精度并锁紧。

图5 移动板的移动结构Fig.5 The Movement of the Mobile Plate Structure

5 结束语

通过齿轮外锥角的被测参数与零件结构特点的分析，根据在线测量应用的要求对检具提出了较多的设计限制，往往有些要求是互相矛盾的，既要高效与一定的自动化程度程度，又要求低成本，操作简单方便，为找到这些矛盾的平衡点，引入了TRIZ理论的39个工程参数定义矛盾。通过矛盾矩阵提供的创新原理分析技术要求，设计解决矛盾的方案，在实现同等效率、操作性等要求的条件下，降低了成本。通过齿轮外锥角测量检具案例应用的介绍，通过问题矛盾点的分析，应用矛盾矩阵表查找解决矛盾点的对应方法，经过优化分析建立创新解决方案，实现较优化解决问题的手段。该案例的经验介绍对当前技术创新、创造性的应用具有良好的借鉴作用。