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        基于TRIZ理論的車床轉位刀塔改進

        日期:2021-12-14 點擊量:77

          該文針對轉位刀塔車床加工中頻繁出現廢品的問題,借助TRIZ工具將工程問題轉化為標準問題后,先用功能分析法得到4個關鍵問題,對其功能模型圖進行裁剪,再用因果鏈分析法得到5個影響因素,經發明原理解決技術矛盾沖突,經復合物場模型進行標準求解,還用HOW TO模型進行了知識使能,探索到概念方案。

        序 言

          在某輸入軸柔性制造線的05、10工序上,配有液壓轉位刀塔的2臺數控臥式車床(以下簡稱車床)承擔著8004或0019輸入軸的車削加工(見圖1)。車床運行中,斷續出現輸入軸各臺階長度切短1~4mm的現象(見圖2),有時間隔20件出現2根廢品,有時間隔35件出現2根廢品。廢品發生時,車刀片崩刃損壞。輸入軸的廢品數積累至10件時,該條生產線停滯待修理。

        圖1  輸入軸車削示意


        a)輸入軸廢品             b)車刀片崩刃
        圖2   輸入軸廢品及車刀片崩刃示意
        問題分析
          將液壓轉位刀塔車削零件的工程問題轉化為TRIZ標準問題,經功能分析法得到關鍵問題后,結合功能模型圖進行功能裁剪,用因果鏈分析法得到主/次要問題,經發明原理解決技術矛盾沖突,構建串/并聯復合物場模型進行標準求解,并用HOW TO模型進行概念方案探索。
          2.1   功能分析法
          功能分析是識別系統和超系統組件的功能,并分析其特點和成本的一種分析工具。
          1)功能組件分析涉及三方面內容:組件分析、相互作用分析和功能模型圖繪制。①組件分析:確定液壓轉位刀塔車削零件為當前系統組件,I/O信號、繼電器、液壓油及電能為子系統組件,加工程序和機外在線測量為超系統組件。②相互作用分析:找出各組件兩兩之間的相互作用,用“+”表示存在相互作用,用“-”表示不存在相互作用。③功能模型圖繪制:確立各組件之間的具體功能關系,畫出功能模型圖(見圖3),其中實線箭頭表示無害、充足作用,波浪線箭頭表示有害作用,虛線箭頭表示不足作用。

        圖3  功能模型

          2)通過功能組件分析得到4個關鍵問題:轉位刀塔對車刀的夾固不足,液壓裝置對轉位刀塔鎖緊不足,繼電控制線路轉換不足,以及PMC及I/O信號觸發不足。
          3)功能組件裁剪。依據功能模型圖,經裁剪原則B進行組件裁剪,即裁掉可自我執行的有用功能。擬裁剪組件為繼電控制線路,裁剪后的功能模型圖如圖4所示。裁剪后的預期成效:可提高液壓裝置動作信號的穩定性,消除繼電控制線路轉換I/O信號的不足。
          4)運用功能組件裁剪法,得到概念解決方案:PLC工業觸點(工作電壓為DC24V或AC220V、AC110V)直接控制液壓裝置。

        圖4  裁剪后的功能模型

          2.2   因果鏈分析法
          因果鏈分析是全面識別工程系統缺點的分析工具,它可以挖掘隱藏于初始缺點背后的各種缺點,通過深究缺點的根源得到深層次原因。在這些原因中,有的易解決,有的不易解決,易解決的問題是用戶優先著重關注的。
          畫出車床刀塔車廢品的因果分析圖(見圖5),通過因果鏈分析得到關鍵的待解決問題。3個主要原因依次是液壓換向閥卡滯、刀塔鎖緊閥信號錯和進刀數據反饋異常;2個次要原因則是編程工況為手工、刀塔機械間隙大。



        圖5  車床刀塔車廢品的因果分析圖

          2.3   矛盾分析

          運用技術矛盾分析方法,對上述因果鏈分析得到的關鍵待解決問題進行概念方案探究。
          (1)技術矛盾1及解決方案  具體如下。
          1)運用六字法則“如果……那么……但是……”,定義技術矛盾1:刀塔鎖緊閥信號錯。隨后,查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表,找到適合的發明原理(見表1)。
          2)經技術矛盾分析法得到概念解決方案:設計并采用安全繼電模塊,經行程開關監視刀塔鎖緊到位狀態,去掉繼電控制環節,PLC觸點直接控制液壓換向閥。

        表1  技術矛盾1的求解過程


          2)技術矛盾2及解決方案  具體如下。
          1)運用六字法則定義技術矛盾2,查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表,找到適合的發明原理(見表2)。
          2)經技術矛盾分析法得到概念解決方案:CNC系統增加反饋元件進行壽命監視,增加光柵尺進行雙測量系統比對誤差,更換材料或工藝延長反饋元器件壽命。

        表2   技術矛盾2的求解過程


          2.4 物場模型分析法
          (1)液壓裝置鎖緊轉位刀塔作用不足的求解  具體步驟如下。
          1)針對液壓裝置鎖緊轉位刀塔作用不足,建立圖6所示物場模型。
          2)查詢76個標準解中第4類標準解(檢測系統)第4個:假如一個不完整物場系統不能被檢測,則增加一個或兩個物場系統,且一個場作為輸出。假如已存在的場是非有效的,在不影響原系統的條件下,改變或加強該場,使它具有容易檢測的參數。這時可以加入第2個場F2,來增強F的作用。
          3)得到概念解決方案:液壓裝置鎖緊轉位刀塔,電場驅動光電開關監視鎖緊到位狀態,一旦鎖緊不到位,便反饋異常并停止下一步切削。

        圖6  液壓裝置鎖緊轉位刀塔作用不足的物場模型


          2)繼電控制線路轉換信號作用不足的求解  具體步驟如下。

        1)針對繼電控制線路轉換信號作用不足,建立圖7所示物場模型。

        2)查詢76個標準解中第2類標準解(改變已有系統)第2個:一個可控性很差的系統已存在,部分不能改變時,可并聯第2個場F2,來增強F的作用。

        3)得到概念解決方案:附加碟簧二次鎖緊,一旦繼電控制線路控制液壓裝置鎖緊轉位刀塔不徹底時,它可在液壓控制閥的碟簧恢復力作用下,再次強化鎖緊油路。



        圖7  繼電控制線路轉換信號作用不足的物場模型



        2.5 知識使能

        1)知識使能:轉位刀塔松開、鎖緊動作時均得存在位移。

        2)經功能分析可知,引起轉位刀塔車件變長1~4mm的關鍵問題之一是轉位刀塔鎖緊動作失常,未能及時發現而進一步直接車削零件造成廢品。

        3)轉化為HOW TO模型,HOWTO識別轉位刀塔鎖緊動作異常。查找功能代碼表:F05探測物體的位移和運動,找到對應的物理效應。TRIZ推薦物理效應為E06標記物(引入易探測的標識)。

        4)得到概念方案:增加轉位刀塔位移到位監視環節,經行程開關檢知轉位刀塔松開、鎖緊的位移是否到位,經操作屏幕以報警EX1015呈現。

        解決方案匯總與評價


        通過以上5種TRIZ工具和創新導航IFR得出的概念解決方案,綜合考慮理想度、技術難度、可靠性、和經濟性進行初步整理篩選評估,得到可行性較高的方案,總得分越高代表方案越優。轉位刀塔車削零件的方案決策矩陣見表3。


        表3  轉位刀塔車削零件的方案決策矩陣


        應用TRIZ理論解決措施


        轉位刀塔車削零件的最優解決方案為車床增加反饋元件,對轉位刀塔在液壓換向閥控制下的“松開→旋轉→鎖緊”到位動作進行監視。即CNC系統執行程序中T代碼換刀(如T0703)→CNC經地址F7.3向PMC傳送T碼選通信號并經F26.7傳送T07→PMC經COIN指令判定T碼當前值C18與目標刀號D472的一致性→C18≠D472時COIN的輸出結果R708.4=0→PMC經地址R707.6、R712.7和R123.0順序傳遞后向車床側輸出Y3.0=1→DC24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動作以驅動刀塔松開;伴隨F7.3=1→PMC經ROT指令計算C18和D472的差值后給定刀塔回轉的最短路徑步數D485以及回轉方向R752.6(正向0反向1)→經R710.0和R122.7順序傳遞后輸出Y2.7=1→DC24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動作以驅動刀塔正/反轉→刀塔松開延時500ms后R739.3=1→R123.0=0切斷刀塔松開電磁閥→PMC經R710.3和R123.4順序傳遞后輸出Y3.4=1→C24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動作以驅動刀塔鎖緊;伴隨C18=D472時COIN的輸出結果R708.4=1→延時500ms后PMC經地址G5.3、G4.3分別向CNC反饋T碼換刀完成信號以及M/S/T/B碼完成信號→CNC繼續T0703的下一程序段。在此換刀循環中,添入反饋信號X8.3,用以判定刀塔是否鎖緊到位:一旦不到位X8.3=0,G5.3≠1使得CNC不能繼續執行加工程序(光標停在T0703處),同時HMI屏顯EX1015 TURRET NOT CLAMP報警。

        為實現上述設想方案,務必選擇觸點常開式PNP型DC24V光電開關,采用5mm厚不銹鋼板制作開關支架,鋪設電纜至車床控制柜內,編制PMC梯形圖(見圖8)以添入X8.3和EX1015。待調試運行完畢后,還得將PMC梯形圖固化寫入FROM內,避免車床斷電重啟后PMC梯形圖又復原。



        圖8  刀塔監視用PMC梯形圖



        應用效果

        柔性線內2臺車床轉位刀塔新增監視策略后,車床運行穩定,產品質量得到保證。車床每年停機時間由40臺·日/年降低為20臺·日/年,停機率下降50%,廢品率降低10%。產品異常原因的查找時間縮短14h(見表4),單次維修節約(20-6)h×60元/h=840元。車床可動率得到提高,單班產量每日增加8件,每年可多生產4608根輸入軸,效益增加(80-72)件/班×2班/天×288天=4608件×161.73元/件×15%=11.18萬元。此外,推廣至公司80臺轉位刀塔車床,實現總效益894.4萬元。機床制造商也可借鑒該策略,對機械行業廣大車床用戶大有裨益。



        表4  產品異常原因的查找時間對比


        本文發表于《金屬加工(冷加工)》2021年第11期第82~85,88頁,作者:重汽(濟南)車橋有限公司 劉勝勇。原標題:《基于TRIZ理論的車床轉位刀塔改進》。







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