【正文】 突，即適應性及多用性與系統的復雜性的沖突。這里主要通過對反饋可控性、減少人為干預、動態(tài)化三條路線進行分析，對仿生抓夾式夾具技術將來可能的發(fā)展方向做出準確判斷和預測。 天津職業(yè)技術師范大學Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設 計專 業(yè)： 機械制造工藝教育 班級學號： 學生姓名： 指導教師： 副教授 二〇一二 年 六 月天津職業(yè)技術師范大學本科生畢業(yè)設計基于DE的仿生抓夾式夾具創(chuàng)新設計Innovative design ofBionic CatchClip type Fixture Based on DE專業(yè)班級：機制0711班學生姓名：鄭~~指導教師： 副教授學 院：機械工程學院2012年 6月摘 要為了明確仿生抓夾式夾具技術目前和未來發(fā)展的研究思路，拓寬其研究領域，跳出仿生抓夾式夾具固有的技術范疇，從更高的理論層面對其進行分析，為其未來發(fā)展領域尋求具有理論支持的技術方向。本文將TRIZ的直接進化理論引入到仿生抓夾式夾具中來，根據它的進化模式和多條進化路線來對仿生抓夾式夾具技術進行分析，發(fā)現其進化潛能。通過對仿生抓夾式夾具的預測，對其做出創(chuàng)新設計。根據沖突矩陣表，查出發(fā)明創(chuàng)新原理，運用其中的動態(tài)性和機械系統替代原理，設計出伸縮抓夾夾具和吸附式夾具。 Bionic Catch Clip type Fixture 。 innovative design 目 錄1 緒論 1 設計背景及意義 1 仿生設計 1 仿生設計內容 1 仿生設計原則 2 創(chuàng)新設計 32 TRIZ理論 4 TRIZ發(fā)明問題解決理論 4 TRIZ的三大進化理論 4 直接進化理論 6 進化模式 6 進化路線 7 進化潛能 93 基于DE的仿生抓夾式夾具創(chuàng)新設計 10 夾具 10 夾具的分類 10 夾具的作用 11 夾具的組成 11 夾具的現狀及發(fā)展方向 12 柔性夾具 13 柔性夾具的分類 14 仿生抓夾式夾具 14 仿生抓夾式夾具的進化預測 15 進化路線分析 15 預測結論 19 仿生抓夾式夾具的創(chuàng)新設計 19結 論 22參考文獻 23附錄1 技術沖突和發(fā)明原理表 25附錄2 英文資料及翻譯 27致 謝 4346 / 531 緒論 設計背景及意義機械制造的機械加工、焊接、熱處理、檢驗、裝配等工藝過程中，為了安裝加工工件，使之占有正確的位置，以保證零件和產品的質量，并提高生產效率，所采用的工藝裝備稱為夾具。隨著科學技術的不斷進步，夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。而仿生抓夾式夾具屬于其中機床夾具和通用夾具。這些都是一直困擾企業(yè)的現實問題。顯然，如何設計制造出更先進的夾具是工業(yè)進步的一大關鍵，因此研究仿生抓夾式夾具的進化歷程和夾具技術的未來發(fā)展方向有著重要的意義。 仿生設計內容由于仿生設計的研究領域非常廣泛，所以仿生設計的內容可以從不同的角度產生不同的層次和方向。（1）仿生物體形態(tài)的設計是在對自然生物體。仿生物形態(tài)的設計是仿生設計的主要內容，強調對生物外部形態(tài)美感特征與人類審美需求的表現。（3）仿生物結構的設計生物結構是自然選擇與進化的重要內容，是決定生命形式與種類的因素，具有鮮明的生命特征與意義。（4）仿生物功能的設計功能仿生設計主要研究自然生物的客觀功能原理與特征，從中得到啟示以促進產品功能改進或新產品功能的開發(fā)。（6）仿生物形式美感的設計從人類的審美要求出發(fā)，發(fā)現和歸納自然生物所蘊含的美感規(guī)律，更好的進行產品美感與意義的整合設計。 仿生設計原則 作為工業(yè)設計的一種創(chuàng)新思維與方法，仿生設計首先應該遵循工業(yè)設計的一下原則。②功能性：產品合理、有效的基本功能和方便、安全、宜人等多層次功能的綜合體現。④創(chuàng)造性：在概念、思維、方法、表現、使用等方面的獨創(chuàng)性。⑥系統性：是對產品系統的認識、把握與創(chuàng)造。對仿生設計來說更加強調以下幾個方面：①設計的合理性與合目的性：對自然生物相關概念分析、概括與設計應用的合理。③設計的多義性：理解自然生物有意義的形式，賦予產品更多樣化的美感和含義。創(chuàng)新設計是創(chuàng)新理念與設計實踐的結合。創(chuàng)新設計可以從以下幾個側重點出發(fā)： 從用戶需求出發(fā)，以人為本，滿足用戶的需求。 從成本設計理念出發(fā)，采用新材料、新方法、新技術，降低產品成本、提高產品質量、提高產品競爭力。作為“為傳達而設計”的視覺傳達設計，如何正確充分地傳達信息是每一個設計者始終要面臨的中心問題。必須要把視覺傳達設計的創(chuàng)新重視起來，從設計理念、視覺語言和技術表現方式的創(chuàng)新入手，正確充分地傳達信息。阿奇舒勒創(chuàng)建于1946年。實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程而且能得到高質量的創(chuàng)新產品。技術沖突是指一個作用同時導致有用及有害兩種結果。通過對250萬件專利研究的詳細研究，TRIZ理論提出39個通用工程參數（見附錄表一）描述沖突。TRIZ中的發(fā)明原理是由專門研究人員對不同領域的已有創(chuàng)新成果進行分析、總結，得到的具有普遍意義的經驗，這些經驗對指導不同領域的產品創(chuàng)新都有重要的參考價值。實驗證明這些原理對于指導設計人員的發(fā)明創(chuàng)造具有重要的作用圖21所示就是應用沖突解決問題的流程。隨著TRIZ進化理論的發(fā)展，不同的研究者提出了不同的進化模式體系。該理論認為，技術系統進化的主要動力來自于人們對技術系統主要功能逐步提高的要求。2）技術進化引導理論GTE理論包括了6條進化模式：①增加理想度；②子系統不平衡；③向超系統轉換；④增加動態(tài)性；⑤縮短能量轉換路徑；⑥向微觀級轉換。3）直接進化理論DE理論是從如何利用技術預測理論進行戰(zhàn)略決策或提高未來可控性的角度，對技術進化理論進行研究，其核心思想是精益求精。因此，與其他技術進化理論相比，DE具有靈活性和目標導向性的特點，DE理論的使用步驟及通用流程詳如圖22所示。現在是理解過去的關鍵過去是理解未來的關鍵理解未來是控制進化的關鍵1. 收集歷史數據2. DE診斷3. 思想綜合4. 決策制定5. .支撐進化過程 圖22 DE理論的使用步驟及通用流程圖DE理論包含了10條進化路線：①進化階段；②增加理想化水平；③增加資源的包含量；④系統零部件的非均衡發(fā)展；⑤增加系統的動態(tài)性和可控性；⑥增加系統的復雜性再簡化；⑦零件之間的匹配與不匹配；⑧向微觀進化；⑨增加場的應用；⑩增加自動化，減少人的介入。 進化模式技術系統進化模式是指技術系統在發(fā)展過程中所呈現出的復雜進化趨勢。考慮到原有技術系統與新技術系統的交替，可描述為六個階段：（1） 系統還沒有存在，但出現的重要條件已發(fā)現。（3） 社會認識到新系統的價值。（5） 新一代產品開始出現，并代替原系統。進化模式2:增加理想化水平。系統改進的大致方向就是提高系統的理想化程度，可以通過系統改進來增大系統的有用功能和減小系統的有害功能。目前的便攜式計算機質量及體積都很小，且具有文字處理、數學計算、通信、繪圖、播放多媒體等功能。進化模式4:系統零部件的非均衡發(fā)展。產品進化中常見的錯誤是非關鍵子系統得到設計人員特別的關注。 進化模式5:增加系統的動態(tài)性和可控性。也就是說，系統會增加本身的靈活性和可變性以適應不斷變化的環(huán)境和滿足多種要求。進化模式6:提供增加系統的復雜性使問題得到簡化。把一個系統轉換為雙系統或多系統就可以實現這些。進化模式7:系統元件匹配和不匹配交替出現。例如早期的轎車采用板簧吸收振動，這種結構式從當時馬車上借用的。進化模式8:由宏觀系統向微觀系統進化。例如烹調用的灶具開始采用燒木材或燒煤的爐子，此后的灶具燒天然氣，后來出現了微波爐及電磁爐。場的應用是微觀級的最高級別，場是無形的，產生場的作用物可以遠離系統，雖為系統的一部分但可以不在系統實體組成需要考慮的范圍之內。目的就是希望系統能代替人類完成那些單調乏味的工作，而讓人類去完成更多富有創(chuàng)造性的腦力工作。這十種模式導致產品不同的進化路線，每種進化模式都有多條進化路線。進化路線指出了產品結構進化的狀態(tài)序列，其實質是產品如何從一種核心技術移動到另一新的核心技術，新舊核心技術所完成的基本功能相同，但新技術的性能極限提高或成本降低?；诋斍爱a品核心技術所處的狀態(tài)，按照進化路線，通過設計，可使其移動到新的狀態(tài)。因此，TRIZ中的技術進化理論是預測產品結構進化的理論。圖23 “增加動態(tài)性和可控性”中的進化路線進化模式1進化模式2進化模式…進化模式n問題進化路線11進化路線…進化路線1m進化路線n1進化路線…進化路線nm狀態(tài)1狀態(tài)3狀態(tài)…狀態(tài)2狀態(tài)p當前狀態(tài)最高狀態(tài)技術系統的進化路線是指一個系統從結構進化的特點描述產品核心技術所處的狀態(tài)序列。研究這些進化路線對產品創(chuàng)新具有很重要的意義。 進化潛能系統的進化潛能系統已進化的路線技術進化模式、進化路線與現代產品設計方法學的融合，產生了進化潛能的新概念。對不同的產品，進化模式可能不同。圖25 技術系統進化潛能圖由于直接進化的進化潛能圖將進化極限定義為TRIZ預測的產品能達到的最終進化路線，即進化潛能圖是一個封閉的多邊形圖，這顯然與技術的不斷進步不符。3 基于DE的仿生抓夾式夾具創(chuàng)新設計 夾具機械制造的機械加工、焊接、熱處理、檢驗、裝配等工藝過程中，為了安裝加工工件，使之占有正確的位置，以保證零件和產品的質量，并提高生產效率，所采用的工藝裝備稱為夾具。1）按通用化程度分類①通用夾具通用夾具是指已經標準化的，在一定范圍內可用于加工不同工件的夾具。這類夾具一般由專業(yè)工廠生產，常作為機床附件提供給用戶。其缺點是夾具的加工精度不高，生產率也較低，且較難裝夾形狀復雜的工件，故適用于單件小批量生產。其特點是針對性極強，沒有通用性。專用夾具的設計制造周期較長，隨著現代多品種，中、小批生產的發(fā)展，專用夾具在適應性和經濟性等方面已產生很多問題。④組合夾具由許多標準件組合而成，可根據零件加工工序的需求拼裝，用完后再拆卸，可用于單件、小批生產。2）按使用機床的類型分類可分為車床夾具、磨床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、銑床夾具等。4）按用途分類可分為機床夾具、裝配夾具、檢驗夾具、抓夾夾具等。用夾具裝夾工件時，能穩(wěn)定地保證加工精度，并減少對其他生產條件的依賴性，故在精密加工中廣泛地使用夾具。（2）提高生產率。（3）降低生產成本。（4）改善工人的勞動條件。當采用氣壓、液壓等夾緊裝置時，可減輕工人的勞動強度，保證安全生產。在機床上安裝一些夾具可以擴大其工藝范圍。有些夾具對保證發(fā)揮機床基本性能的作用是很大的，如在牛頭刨床上沒有虎鉗是很難進行加工的。定位元件是夾具的主要功能元件之一，它的作用是使工件在夾具中占據正確的位置。（2）夾緊裝置。根據動力源的不同，可分為手動、氣動、液壓和電動等夾緊裝置。它的結構類型很多，設計時應注意選擇。用來保證刀具相對于夾具的位置，對于鉆頭、擴孔鉆、鉸刀、鏜刀等孔加工刀具用導向元件，對于銑刀、刨刀等用對刀裝置。根據機床的工作特點，夾具在機床上的安裝連接常有兩種形式：一種是安裝在機床工作臺上，另一種是安裝在機床主軸上。（5）夾具體。定位元件、夾緊裝置、導向元件、對刀裝置、導向元件、對刀裝置、連接元件等都裝在它上面，因此夾具體一般比較復雜，它保證了各元件之間的相對位置。（6）其他元件及裝置。夾緊裝置連接元件導向元件對刀裝置定位元件夾具體輔助工具其他機床工件刀具機床夾具和機床、刀具、工件之間的關系如圖31所示。（1）夾具的現狀 國際生產研究協會的統計表明，目前中、小批多品種生產的工件品種已占工件種類總數的85%左右。然而，一般企業(yè)都仍習慣于大量采用傳統的專用夾具，一般在具有中等生產能力的工廠里，約擁有數千甚至近萬套專用夾具；另一方面，在多品種生產的企業(yè)中，每隔3～4年就要更新50～80%左右專用夾具，而夾具的實際磨損量僅為10~20%左右。 （2）夾具的發(fā)展方向 現代機床夾具的發(fā)展方向主要表現為標準化、精密化、高效化和柔性化等四個方面。機床夾具的標準化與通用化是相互聯系的兩個方面。機床夾具的標準化，有利于夾具的商品化生產，有利于縮短生產準備周期，降低生產總成本。隨著機械產品精度的日益提高，勢必相應提高了對夾具的精度要求。；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為5μm。高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時間和輔助時間，以提高勞動生產率，減輕工人的勞動強度。例如，在銑床上使用電動虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗轉速為9000r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。 ④柔性化。工藝的可變因素主要有：工序特征、生產批量、工件的形狀和尺寸等。為適應現代機械工業(yè)多品種、中小批量生產的需要，擴大夾具的柔性化程度，改變專用夾具的不可拆結構為可拆結構，發(fā)展可調夾具結構，將是當前夾具發(fā)展的主要方向。但是工件變化可以在小范圍，即在相似的形狀和和尺寸變動不大的范圍內，也可在大范圍，即零件形狀完全不同，尺寸變化很大?；\統的說，就是指與NC機床、加工中心配合使用的、具有夾持多種不同工件能力的夾具?；蛘哒f，柔性夾具就是指與NC機床、加工中心配合使用的，具有加工多種不同工件的夾具。表1 柔性夾具分類表分類柔性工作原理種類主要優(yōu)缺點組合夾具標準元件的機械裝配孔系、槽系應用較廣，特別是孔系組合夾具因剛