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基于TRIZ理论夹具创新设计思想

黄春萍++郭刚

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2017.11.188
摘 要：夹具的创新设计思想的培养提高了学生工程训练综合能力，也是提升了学生解决实际生产能力的重要途径。通过引入TRIZ理论的设计思想以及解决算法，进一步加深了学生的创新设计理论基础。学生通过不断运用TRIZ理论进行设计运用，为解决以后生产制造过程的工程问题打下了坚实的理论基础。
关键词：夹具 创新设计思想 TRIZ理论
：TB472 ：A ：1674-098X（2017）04（b）-0188-03
Based on the Theory of TRIZ Fixture Innovation Design Ideas
Huang Chunping Guo Gang
（1.Guangdong Province Sanshui Polytechnic School Foshan City，Fushan Guangdong， 528137， China；2.Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong， 510006，China）
Abstract：Fixture of the cultivation of the innovative design ideas to improve the students engineering training comprehensive ability， and improve the students ability to solve practical production important way.By introducing the designing idea of TRIZ theory and solving algorithms， further deepen the students innovation design theory basis.Students by using TRIZ theory to carry on the design， to solve the problem of manufacturing process of the project after laid a solid theoretical basis.
Key Words：Fixture； Innovative design ideas； TRIZ theory
1 夾具的创新设计思想背景
1.1 创新思想的提出
创新思想在现在社会生产发展中起了重要的指导方法，是社会物质新旧更替、科技发展的重要理念，在职业教育过程中也是体现的淋漓尽致，尤其是机械制造加工教学过程中。为了更好地提升学生的综合实践能力，学校都会通过学生加工零件的方式来提高学生动手操作能力。而加工零件的过程中总会出现零件二次装夹的问题，根据学生加工零件的复杂程度以及零件精度的要求就要求同时设计不同规格要求的夹具。夹具的设计要求就决定了零件是否能够加工完成或者是否按设计要求加工。
1.2 夹具的创新设计思想
夹具的创新设计思想是机械创新设计过程中重要组成部分，它也是问题解决思想的真实体现。夹具创新设计思想的提出是由实际问题的需求应运而生，是建立在创新制造过程之中，是依托需求问题之上的。作为夹具本身是没有任何价值意义的，但在机械制造过程夹具在特定零件加工过程中又是不可缺少的。好的夹具可以提高零件的精度水平，同时也降低了零件的装夹难度，使加工过程由复杂变得简单。
夹具的创新设计思想的提出是职业学校在培养学生工程训练综合实践能力过程中必不可少的理念。学生在工程训练过程中对不同零件加工过程所遇到的加工难题，通过设计夹具的方式来降低加工难度，将难易完成的工艺变得简单化。
1.3 夹具的创新设计思想的要求
学生通过对夹具的创新设计思想的掌握，就是要求能够正确运用自身所掌握的基本知识，解决零件加工过程中的问题，这种思想的根本性的作用就是要解决实际问题；那么如何更好更快的提高学生解决实际生产问题就是对夹具的设计思想的贴近于学生教学的要求了；夹具的创新设计思想就要求具备以下几个方面：（1）夹具的创新设计思想要有实用性；就是能够让学生把这种思想正确的运用于社会生产之中，这种思想的本身就要求有一定的生产实用效果。失去实用价值的设计思想最终只能停留在纸面上，对学生的生产能力的提升毫无作用。（2）夹具的创新设计思想要可操作性；夹具本身指的是一类零件，它的概念、结构、尺寸根据零件的不同没有定值，它的设计随着零件的改变而改变。那么夹具的创新设计思想就要求能够指导学生面对不同的零件根据装夹当中出现的问题设计不同的夹具，这种设计可以是多样性，不同的学生设计的夹具可能是一样的，但是指导学生去设计的思想是统一的。（3）夹具的创新设计思想要最优化；在职业教学过程中，要贯彻学生设计夹具时注意到夹具的制造过程要易于零件的制作过程。不能出现夹具的加工制造难于或者等同于零件的加工制造，毕竟要让学生明白夹具的真正作用只是辅助于零件的加工，加工夹具不是最终的目的，夹具只是为了使零件易于加工、提高加工精度。一旦出现夹具难于或者等同于零件的加工难度，就会使整个加过程出现死循环，最终无法加工零件或者降低零件的加工精度。
2 TRIZ理论的概述及运用
2.1 TRIZ理论的概述
TRIZ理论创始于1946年，是由前苏联著名发明家阿利赫舒列尔（G.S.Altshuller）研究并提出。其主要含义就是通过理论的指导解决实际问题，尤其是创新设计过程中出现的问题。1946年阿利赫舒列尔带领自己的研究团队通过对世界上250万件发明专利进行分析总结，提出了一套专门用于创新设计的问题解决理论——TRIZ理论；这种理论思想在当时为前苏联在航天航空、军事等领域的创新发展提供了强有力的理论指导，随着前苏联的解体才逐步让世界了解了TRIZ理论原理
TRIZ理论来源于实践又应用于实践，这正好唯物辩证的印证了马克思列宁主义最基本的思想——实践是检验真理的唯一标准。TRIZ理论提供了创新设计的基本思想、设计法则以及设计过程中问题解决途径。人们通过运用掌握TRIZ理论中的设计思想结合实际问题，正确选择使用问题解决工具就可以高效率得进行创新设计。
TRIZ理论的基本思想是指任何一个简单或者复杂的系统，都遵循其客观发展规律，同时也都是通过解决一个个小问题最终得到。而且这些小问题的解决都是通过各种模块组合而成。那么要解决这些小问题，TRIZ理论就提出各种解决方法和工具，其中包括：矛盾矩阵和创新原理、物质场分析模型和76个标准解、创新问题解决算法（ARIZ）、科学和技术效应库；TRIZ提出创新问题中的40个发明原理，包括分割、分离、嵌套等基本原理。在技术系统设计的过程中，TRIZ理论分析了包括运动物体的质量、速度、力等39个工程参数之间的关系，为创新设计过程创造出最优化设计的捷径。
2.2 TRIZ理论的运用
在前苏联时期，二战后TRIZ理论为苏联的的科技的发展奠定了坚实的理论基础，提高了苏联的工业的发展创新能力。当时，苏联的大多数的科学技术的成果都离不开TRIZ理论的指导，为苏联跻身于超级大国立下了汗马功劳。苏联解体之后，随着技术的解封，TRIZ理论传入了西方国家，西方国家对TRIZ理论进行剖析以及不断完善，也逐步将该理论运用于其工业领域，首先、在航天航空领域，飞机的创新设计制造过程，包括飞机的发动机的设计制造、火箭发动机的设计制造等；其次，在军事领域，作战用的枪支、舰艇已经坦克火炮等的创新设计；最后，在民用领域，包括软件的开发、计算机辅助设计以及计算机辅助制造的创新过程等。
3 夹具的创新设计
针对职业学校中的实践教学过程，为了提高学生的创新生产能力，通过尝试探索逐步将TRIZ理论的原理与方法引入教学过程。让学生掌握TRIZ理论的基本思想以及创新方法。根据职业学生的认知能力以及知识储备等因素，选择易于去思考的零件供学生设计。
在职业学校里数控车削的教学内容里，主要是要求学生掌握内（外）轮廓以及钻孔、镗孔加工的工艺过程。该次就以高脚酒杯为例，如图1。
加工工艺分为左右两边加工，先从右向左加工，加工完成酒杯的右边基本轮廓之后需要二次装夹加工左侧端面，左侧端面要求有一定的表面粗糙度。对于酒杯的二次装夹就是摆在学生加工中需要解决的主要问题了，此时酒杯的右边内外轮廓已经加工完毕，基本属于薄壁件了，不能直接装夹容易使轮廓发生变形，而且右侧轮廓属于曲面。不易于车床卡盘装夹。此时就是考察学生如何去解决加工问题。有同学提出放弃左侧端面的表面要求，直接采用切断刀具在加工完右侧端面后直接切断，在切断的过程中完成左侧端面的表面粗糙度的要求。学生进过尝试后，发现切断刀在切断的过程中，左侧的端面无法达到设计过程中表面粗糙度的要求，并且切断刀在切断后酒杯的左侧面会遗留下直径2 mm、长度4 mm的圆柱凸起，这种方法根据无法解决最终酒杯的加工问题。
教师通过引导灌输将TRIZ理论引进加工过程，让学生去学习了解该理论的原理和思想。学生通过对TRIZ理论的掌握，运用该理论中的设计思想中的矛盾矩阵，对此次加工中问题进行分析，最终决定设计专用夹具进行二次装夹对酒杯的左侧端面进行车削加工，以此达到最终的工件的基本精度要求。紧接着学生又通过工程参数的探索，对夹具提出新的要求，要求夹具本身（1）易于加工；（2）易于装拆；（3）夹具要有一定的可靠性；（4）装夹过程对酒杯没有影响。根据提出的要求，学生参照TRIZ理论给出的76个标准解以及创新问题解决算法对该夹具进行创新性设计，设计出如图2所示酒杯的夹具。
这种夹具的设计就解决了酒杯二次装夹的过程中所出现的一系列的问题，并且也达到了夹具设计的基本要求。学生很快通过车削加工以及线切割加工制作出如图2所示的夹具。并且也完成了酒杯的左侧端面的加工。酒杯二次装夹的效果图如图3所示。
4 综述
教师通过学生对一次实训课程中零件加工过程中所遇到的二次装夹的问题的引导解决，向学生讲授介绍了TRIZ理论的思想原理以及运用方法，让学生充分掌握了该理论在加工过程中出现二次装夹的情况下夹具的创新设计思想。学生通過学习与了解，能够辩证唯物的将该理论运用与接下来的几周实训课程中。教师还会接下来进一步地将该理论运用在机械设计过程的零件设计之中，培养学生实践创新能力，将这种能力运用与未来的实际生产加工当中。
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