田川，董歡歡

（陜西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721001）

0 引言

柔性夾具是一種具有結(jié)構(gòu)和功能可調(diào)整、可變化的工藝裝備，可以適應(yīng)在一定范圍內(nèi)不同形狀和尺寸工件的定位與夾緊需求[1-2]。柔性夾具的出現(xiàn)和發(fā)展是伴隨著產(chǎn)品市場由“賣方市場”向“買方市場”的過渡，用戶需求由“單一化”向“個性化”的轉(zhuǎn)變，制造模式由“剛性生產(chǎn)”向“柔性生產(chǎn)”的變革而發(fā)展起來的。當前，柔性夾具的設(shè)計主要依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗知識，通過對現(xiàn)有夾具構(gòu)件的調(diào)整、變異和革新等方式來實現(xiàn)，缺少成體系的設(shè)計方法。同時，因為柔性夾具自身所具有的設(shè)計知識密集性和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性等特點，柔性夾具的用戶需求如何轉(zhuǎn)換成具體的工程設(shè)計措施，以及柔性夾具設(shè)計過程中工程設(shè)計措施的沖突問題如何得到有效解決成為了當前阻礙柔性夾具設(shè)計發(fā)展的重要障礙之一。質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment，QFD）是精準分析用戶需求、發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計關(guān)鍵問題、提高產(chǎn)品質(zhì)量滿意度的有效方式之一；發(fā)明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）是解決工程設(shè)計問題的程式化、標準化、系統(tǒng)化解決方法之一，將二者結(jié)合應(yīng)用到柔性夾具的設(shè)計過程中，可以豐富柔性夾具的設(shè)計方法，有效解決柔性夾具的設(shè)計問題，提高柔性夾具的設(shè)計滿意度[3]。

1 QFD與TRIZ理論基礎(chǔ)

1.1 QFD理論

QFD理論源自日本，由日本赤尾洋二等質(zhì)量專家在1966年首次提出[4]。該理論是一種利用矩陣思路并按照程序化方法處理用戶需求和工程措施的二維關(guān)系分析工具，其核心是建立質(zhì)量屋（House Of Quality，HOQ）矩陣，通過將用戶對產(chǎn)品功能等各方面的需求逐步展開分解為產(chǎn)品具體的設(shè)計、技術(shù)、工藝、生產(chǎn)等要求，將用戶需求充分體現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期的各個階段。該方法現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)、經(jīng)營管理、科學(xué)研究等多個領(lǐng)域，有效提高了產(chǎn)品與市場的適切性和生產(chǎn)效率[5]。QFD理論系統(tǒng)解決了設(shè)計“干什么”的問題。

1.2 TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒提出的一種基于知識的面向人的系統(tǒng)化發(fā)明問題解決理論[6-7]。TRIZ理論包含的創(chuàng)新問題解決工具有技術(shù)系統(tǒng)進化法則、效應(yīng)庫、沖突矩陣、物場分析、ARIZ方法、理想解等。TRIZ理論與傳統(tǒng)的創(chuàng)新問題試錯法相比具有操作性更強、解決方案更優(yōu)、解決過程對技術(shù)人員的背景知識依賴更小等優(yōu)勢。TRIZ理論系統(tǒng)地解決了設(shè)計“怎么干”的問題[8]。

QFD和TRIZ理論在設(shè)計過程中，各自處于不同的階段，將二者結(jié)合形成集成化設(shè)計方法，可以有效地解決產(chǎn)品設(shè)計問題，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量[9-11]。

2 基于QFD與TRIZ理論的柔性夾具創(chuàng)新設(shè)計模型

基于QFD與TRIZ理論的柔性夾具創(chuàng)新設(shè)計模型如圖1所示，具體步驟為：1）通過用戶調(diào)研確定柔性夾具的用戶需求并對需求進行權(quán)重分析；2）通過QFD方法將柔性夾具用戶需求轉(zhuǎn)換為夾具設(shè)計具體技術(shù)措施并得到存在沖突的技術(shù)參數(shù)；3）利用TRIZ沖突解決工具對發(fā)現(xiàn)的柔性夾具設(shè)計問題進行求解；4）得到柔性夾具的創(chuàng)新設(shè)計方案并對方案進行評價。

圖1 基于QFD與TRIZ理論的柔性夾具創(chuàng)新設(shè)計模型

2.1 柔性夾具用戶需求分析及夾具設(shè)計工程參數(shù)確定

1）柔性夾具用戶需求分析。

柔性夾具的用戶需求可以分為以消費者為主的外部需求和以柔性夾具生產(chǎn)制造等部門為主的內(nèi)部需求[12]。通過市場調(diào)研和夾具生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)內(nèi)部分析，可以得到柔性夾具的用戶需求，并按需求類型對調(diào)研分析結(jié)果加以整理，得到了柔性夾具的可用性要求、柔性要求、工藝性要求、經(jīng)濟性要求、人機性要求等，具體如表1所示。

表1 柔性夾具的用戶需求

2）柔性夾具工程參數(shù)確定。

柔性夾具用戶需求確定后，可以通過邀請夾具設(shè)計、制造等領(lǐng)域相關(guān)專家召開頭腦風(fēng)暴會議來確定柔性夾具的設(shè)計工程參數(shù)[3]。柔性夾具設(shè)計工程參數(shù)如表2所示，除了柔性夾具的物理幾何設(shè)計參數(shù)（序號1～序號2），按照參數(shù)變化對柔性夾具的影響，可以分為產(chǎn)生有利作用的正向參數(shù)（序號3～序號10）和產(chǎn)生有害作用負向參數(shù)（序號11～序號18）。

表2 柔性夾具的設(shè)計工程參數(shù)

2.2 QFD分析得到柔性夾具設(shè)計沖突

使用QFD 工具分析得到柔性夾具設(shè)計沖突的關(guān)鍵是構(gòu)建柔性夾具的質(zhì)量屋（HOQ），柔性夾具質(zhì)量屋構(gòu)建的核心是：通過調(diào)研分析得到柔性夾具用戶需求權(quán)重，利用頭腦風(fēng)暴會議等方式確定用戶需求與工程設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，按照質(zhì)量屋矩陣計算得到用戶最期望解決的問題及這些問題所對應(yīng)的工程參數(shù)，并厘清它們之間的關(guān)系，使設(shè)計人員在柔性夾具概念設(shè)計階段就將用戶需求納入設(shè)計范疇，更好地適應(yīng)市場需要。

運用量表法對用戶需求進行賦分[13]，分值區(qū)間為0～5分，分值越高則表示該用戶需求更具設(shè)計價值；通過頭腦風(fēng)暴及專家會議形式確定各設(shè)計需求與工程參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。并用符號表示其關(guān)聯(lián)強弱：實心圓表示強關(guān)聯(lián)，取值為3；空心圓表示中等關(guān)聯(lián)，取值為2；空心三角形表示弱關(guān)聯(lián)，取值1；空格表示無關(guān)聯(lián)關(guān)系。在柔性夾具工程設(shè)計參數(shù)中用X表示負相關(guān)，用O表示正相關(guān)。得到柔性夾具質(zhì)量屋模型如圖2所示。

圖2 柔性夾具質(zhì)量屋模型

2.3 利用TRIZ沖突解決工具進行柔性夾具創(chuàng)新設(shè)計

通過分析柔性夾具質(zhì)量屋矩陣，從18個工程設(shè)計參數(shù)中，得到反映用戶需求權(quán)重排名前10的工程設(shè)計參數(shù)分別是柔性夾具的重構(gòu)時間、成本、標準件比例、壽命、制造時間、可靠性、元件數(shù)目、裝夾時間、模塊數(shù)目、尺寸等。對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行分析、整理后，得到負相關(guān)（即存在矛盾）的柔性夾具設(shè)計參數(shù)；對照TRIZ技術(shù)沖突解決工具提供的39個標準工程參數(shù)，對柔性夾具沖突參數(shù)進行泛化；利用TRIZ沖突解決矩陣查詢沖突通用解決原理，再采用歸納、演繹、推理等方法將通用解決方案轉(zhuǎn)化成柔性夾具設(shè)計沖突解決的具體方案，對柔性夾具進行創(chuàng)新設(shè)計[14]。具體柔性夾具沖突設(shè)計參數(shù)的泛化及解決原理如表3所示。具體原理解釋可參考文獻[9]。

3 工程應(yīng)用

得到發(fā)明問題解決原理后，結(jié)合TRIZ知識庫給定的應(yīng)用案例和工程實例對原理進行分析，結(jié)合柔性夾具專業(yè)知識，創(chuàng)新性地得到解決柔性夾具設(shè)計關(guān)鍵問題的概念解。美國學(xué)者Matlack等[15]申請了一項發(fā)明專利——柔性可重構(gòu)夾具系統(tǒng)，該柔性夾具系統(tǒng)中包含對工件進行定位的保持組件和對工件進行夾緊的可充氣氣囊，保持組件由可被重新解鎖配置的柔性鏈條組成。該柔性夾具方案中利用了動態(tài)化原理，將傳統(tǒng)的剛性組件變成了可動和可調(diào)柔性鏈條；利用氣壓結(jié)構(gòu)，引入適應(yīng)性更大的可充氣氣囊，從而實現(xiàn)了對不同工件的定位和夾緊，不僅提高了夾具的柔性，也簡化了夾具整體結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

柔性夾具作為一種適應(yīng)性強、響應(yīng)迅速的工裝設(shè)備被廣泛應(yīng)用于加工制造系統(tǒng)，其設(shè)計的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。以柔性夾具為研究對象，提出了柔性夾具在概念設(shè)計階段所存在的需求掌握不明確、問題發(fā)現(xiàn)不精準、解決工具少等問題；針對問題的有效解決，提出了基于QFD和TRIZ理論的柔性夾具創(chuàng)新設(shè)計模型；得到了柔性夾具在可用性、柔性、工藝性、經(jīng)濟性、人機性等5方面的設(shè)計需求；提出了柔性夾具18個方面的設(shè)計工程參數(shù)；建立了柔性夾具的質(zhì)量屋模型；得到了柔性夾具在裝置復(fù)雜性、適應(yīng)性及成本等方面的設(shè)計問題及這些問題的解決方案，在一定程度上促進了QFD理論、TRIZ理論與柔性夾具的發(fā)展。