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基于进化树的碎纸机刀具变型设计

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发表时间:2020-01-06 16:45来源:https://www.suizhiji.net/

市场上销售的一些办公室碎纸机由于使用了效率较低的刀具及零部件,其粉碎等级低、粉碎效果不理想,无法达到完全保护隐私的目的。为使改进后的碎纸机快速占领市场,需对其进行变型设计。产品的变型设计是在保持产品的基本功能、结构及原理不变的情况下,对产品进行的一种参数修改或对其结构进行的局部调整,或两者兼有[1]。专家和学者已提出了模块化变型设计[2]、基于实例推理的变型设计[3,4]、基于变量化和参数化设计方法的变型设计[5]等。变型设计包括结构变型和参数化变型,其中:结构变型是通过对零部件的局部结构进行修改来满足设计要求;参数化变型是通过修改参数化模型的尺寸参数来满足设计需求[6]。两种变型设计均有其优点和不足,参数和尺寸修改若无法满足日益变化的市场需求时,则需融入更多的创造性思维进行结构变型。文献[7]认为,在找不到相关经验与样板的情况下,专家在结构变型设计时更加依赖设计经验,此时,可引入发明问题解决理论中的进化路线来指导结构变型。

进化树由按照一定客观趋势建立起的进化路线整合构成[8],它按照逻辑排序分布着系统组件的主要实施方案,两者均是在已有产品的基础上进行设计改进,具有共通性。文中通过对以往变型设计和进化树改进的成功案例类比分析,提出进化树与变型设计相结合的方式,同时引入实例知识库[9]作为变型设计案例支持,构建出基于进化树的产品变型设计流程,用来指导碎纸机刀具的变型设计。

1 进化树

TRIZ是苏联发明专家Altshuller等在分析了世界上大量高水平专利的基础上提出的,由大量专利分析结果的工程实例库(世界专利库、美国专利库、中国专利库)支持[10]。进化路线是对TRIZ理论中已知的技术元素进化趋势的汇总(收录在Innovation Suite软件中)。进化树是根据TRIZ中技术系统进化路线的发展而被提出的。进化树简化了对大量方案的搜索过程,使进化方案变得更加多元与清晰,降低路线选择的偶然性[8]。进化树可对产品的内部结构、几何变化、材料进化及系统的动态性和协调性提供指导,从而缩短设计周期[11,12,13,14,15]

进化树的建立规则[8]:原则上,每一条进化路线均可作为进化树的主干进行层级进化。但最方便的是使用内部元素变化最明显的一条,例如物质分割路线、单-双-多进化路线及系统扩展-裁剪路线。通过收集研究对象的相关信息进行主干选择,主干确定后,将进行第2层级的路线扩展,路线选择的方向要尽可能提高产品的动态化,取决于系统拥有的资源,如没有资源,需创造可提供动态可能性的资源,如物质分割路线、单-双-多进化路线及系统扩展-裁剪路线。检查此时物质的表面特性、内部结构可进行第2层级变换的可能性,但为使进化结构最佳化,需确定此时变换对后续变换重要的情况下再添加第2层级路线。第2层级进化后,检查此时系统资源,然后向第3层级动态进化。在动态化的基础上,建议提高系统的可控性及协调性,从而选择相应的进化路线。每个物体的具体进化树均可无限层级进化,但受到现实条件的需求及约束,选择最优的进化路线进行设计指导即可,如图1所示。

2 基于进化树的产品变型设计流程

非标准机械产品的变型设计流程

(1)划分并确定变型零部件。根据用户需求对变型产品依据功能进行零部件划分并确定变型零部件。

(2)相似实例查询。在实例知识库中预先存入大量的成熟设计实例,根据设计要求和特征,从实例库中检索出最为相似的候选实例,然后在此基础上进行必要的修改,从而形成新的产品设计方案,若不符合需求,则需继续选择适当的进化路线来进行分析迭代,直至产出最优方案为止,并且作为新的实例不断扩展实例库。

(3)修改或创建新方案。若没有符合需求的相似实例,则需对零部件进行结构变型生成新方案,依据进化树的建立规则对零部件的结构进行概念方案推演。

(4)方案整合。依据进化树推演可得到多个状态序列,此时需建立形态学矩阵对方案状态序列进行整合。

(5)方案筛选与评价。利用Pugh矩阵进行方案筛选与评价。选择评分较高的概念方案进行后续工作。

(6)完善方案。选择概念方案进行后续设计完善。

(7)输出新零部件。将新的零部件方案保存到实例知识库中进行实例扩充,保存到TRIZ进化路线库作为实例支持。

3 碎纸机刀具变型设计

(1)划分并确定变型零部件。以某电商网站销量第一的碎纸机为例,主要用户为办公人员,纸张粉碎后为条状,无法达到保密需求,使用繁琐。对碎纸机进行零部件划分时按照功能可划分为动力零部件、传动零部件、切割零部件、收集零部件及控制零部件。根据用户需求,变型零部件优先确定为切割零部件刀具。刀具的变型需求主要为碎纸等级高、保密性能高、使用方便等。碎纸机刀具[16]由多个单刀片组合而成,如图3所示。单个刀片依序排列组成单组刀具,两单组刀具组成碎纸机刀具组。

(2)相似实例查询。在实例知识库中进行相似实例的查询,假设没有相似实例(文中主要研究以结构变型为主),需对刀具进行结构变型。

(3)修改或创建新方案。主要零部件刀具主要由表面和内部结构两部分构成,以TRIZ工程实例库中的进化路线为支持,依据进化树的建立规则选取适当的路线构建进化树。首先确定进化树的主干。选择从技术发展趋势来看最简单的方案,即单个的、单体的、刚性的、实体的具有平面形状的物体,也就是单个实体刀片。主干的选择为物质分割路线:整体式固体分割式固体高度分割固体颗粒状固体液体雾化气体场。

从主干的每一部分可引出分支,即第2层级的进化路线。对于进化树主轴的每一步来说,数量和选择都是不同的,取决于系统所拥有的资源。对于刀具来说,最主要的资源是刀具表面及其内部结构。从最基本的单个刀片开始进化,对其刀刃表面的进化,可选择线性结构的几何进化路线和表面特性进化路线。依据此进化路线可将刀刃形状进化为无弯曲刀刃、线性弯曲刀刃、弧形弯曲刀刃和波浪形弯曲刀刃。刀刃的表面由平滑表面进化到线性表面及凹凸表面。使用弯曲刀刃可降低碎纸尺寸。对于刀具内部结构可选择空洞程度增加路线,依据此路线可将刀具内部进化为实体、内部空腔、内部多个空腔及毛细孔内部空腔。在此路线上可对刀具内部引入新物质,例如引入气流以降低刀具因大功率运动而导致的发热等,起到对刀具的降温作用,延长零部件的使用寿命。单个刀片的碎纸机进化树(片断)如图5所示。

图5为针对单个刀片的进化推演分析。为提高系统的多样可能性,需引入单-双-多路线(物质分割路线包含部分单-双-多路线)。从生产成本及加工工艺考虑,多刀刃进化以线性弯曲刀刃为例表示(在进化中不唯一)。在多刀刃组合的基础上,应向提高其动态化、可控性、协调性的方向演进。通过增加不对称路线来提高系统的多样性,据此推演出碎纸机刀具为对称结构和不对称结构,从而进行碎纸机刀具的相互组合,以增加系统的多样可能性,提高动态化、可控性及协调性,进化树(片断)如图6所示。

(4)方案整合。图6中的进化树显示出每一条进化路线的状态序列对应碎纸机刀具的变型参数。每条进化路线的一个序列节点均可和其他路线的序列节点进行组合。如方案1:平滑刀刃表面、线性弯曲刀刃、刀刃内部实体、刀具采用螺旋不规则形状相互咬合而成、半自动控制、采用刀具组单独转动和共同转动相结合方式;方案2:平滑刀刃表面、弧形弯曲刀刃、内部多个空腔、刀具组采用旋转排列和螺旋不规则排列咬合而成、全自动控制、采用刀具组单独转动和共同转动相结合等。依此计算可得方案种类的数量有3×3×4×5×3×3=1 620种。

(5)方案筛选与评价。根据形态学矩阵可得到系统所有方案,但受到需求及约束的限制,一些低级方案和互斥方案需剔除。如为降低人为操作造成的失误,操作方式可采取全自动化控制和半自动化控制两类,剔除手动控制。由于刀刃内部空间有限,为降低开发难度和开发费用,剔除波浪形刀刃、刀刃内部多个空腔及毛细血管空腔。留下实体及内部空腔,空腔可引入气流,对刀具表面进行降温及防止卡纸等。将保留的序列整合为可行方案,整理成Pugh矩阵。Pugh矩阵是方案筛选与评价阶段的主要系统性工具,Pugh矩阵需多个迭代评估。在迭代过程中,多个方案被组合起来并/或进行更改,便于针对多个指标提高其性能。以原始碎纸机刀具为基准,从用户需求和企业需求角度提炼评价指标,赋予每一指标相应权重,计算每个方案的指标对应的加权得分并排序,进行方案的整合和改进。持续迭代后最终Pugh矩阵如表2所示。

方案A:平滑刀刃表面、线性弯曲刀刃、实体、旋转排列、全自动化控制、双组刀具转动。

方案B:平滑刀刃表面、线性弯曲刀刃、实体、旋转排列+螺旋不规则排列、全自动化控制、单独和共同转动。

方案C:平滑刀刃表面、线性弯曲刀刃、内部空腔+气流、旋转排列+螺旋不规则排列、半自动化控制、双组刀具转动。

方案D:凹凸表面、弧形弯曲刀刃、实体、垂直排列+螺旋不规则排列、全自动化控制、双组刀具转动。

方案E:凹凸表面、弧形弯曲刀刃、内部空腔+气流、垂直排列+螺旋不规则排列、半自动化控制、单独和共同转动。

方案F:凹凸表面、弧形弯曲刀刃、内部空腔+气流、螺旋不规则排列、全自动化控制、单独和共同转动。

方案G:凹凸表面、线性弯曲刀刃、内部空腔+气流、旋转排列+螺旋不规则排列、双组刀具转动、全自动化控制。

方案H:平滑刀刃表面、弧形弯曲刀刃、内部空腔+气流、垂直排列+螺旋不规则排列、全自动化控制、单独和共同转动。

由矩阵显示,在保留的8个方案中,6个方案因评分较低被舍弃,2个被保留。方案H分数最高,方案F次之,以方案H为例进行后续设计。

(6)方案完善。方案H采用平滑刀刃表面、弧形弯曲刀刃、内部空腔+气流、垂直排列+螺旋不规则排列、全自动化控制、单独和共同转动方式。对方案完善后,可采用单组弧形刀刃与单组线性刀刃相互咬合的方式,采用差异化刀刃既可提高碎纸程度也可增加多种工作方式。保密等级要求低的碎纸作业采用线性刀刃刀具组单独转动即可完成,保密等级要求高的碎纸作业可采用双组刀具共同转动,采用单独转动和共同转动两种方式可降低能量消耗,有纸张进入时,自动判断最优工作方式,最大程度降低马达的工作强度,以延长零部件寿命。采用全自动化控制,碎纸机内置有红外感应器,有物品进入时,智能接收信号开始工作,检测收集箱内的置物情况。刀具内部为整体空腔并引入气流,降低摩擦所产生的温度升高现象。完善后的最终方案。

1螺旋不规则排列刀刃组;2线性弯曲刀刃;3单组刀片(全自动化作业);4气流引入孔;5传动轴;6垂直排列刀刃组;7气流出口;8弧形弯曲刀刃;9轴承

(7)新零件输出。新产品方案可保存到知识实例库和TRIZ进化路线库中,不断扩充案例库,从而不断积累设计知识和实例。

4 结论

文中研究了进化树在碎纸机刀具变型设计中的应用,提高了刀具的粉碎等级与粉碎效果,达到预期变型目的。主要结论如下:

(1)提供了一种新的变型设计思路,对非标准机械结构变型提供参考;由含有大量专利分析总结的进化实例库支持,可增加变型推演的客观性。

(2)以进化树进行推演得到的刀具变型方案数量更加丰富,以Pugh矩阵进行方案筛选与指标加权评价得到的最终方案更加优质,符合市场及用户需求。

(3)由于进化路线包括产品的物理状态和化学状态的进化,导致一些进化路线在针对变型设计时不宜使用。在进一步的研究中,需对变型设计的可用进化路线进行区分,改进变型设计流程图,更好地指导产品变型设计。


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