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工艺需求导向下工艺创新设计

时间:2020-03-18 02:27:33 所属分类:艺术理论 浏览量:

为使工艺创新设计有章可循,提出了一种工艺需求导向下的工艺创新设计过程。对工艺需求及其相应特点进行了阐述,建立了工艺需求获取方法模型,引导工艺人员从用户、设计信息、企业内部、社会环境和服务能力五个方面有针对性地获取工艺需求。借助于层次分析法(

  为使工艺创新设计有章可循,提出了一种工艺需求导向下的工艺创新设计过程。对工艺需求及其相应特点进行了阐述,建立了工艺需求获取方法模型,引导工艺人员从用户、设计信息、企业内部、社会环境和服务能力五个方面有针对性地获取工艺需求。借助于层次分析法(AHP)将工艺需求重要度进行评估,并利用质量功能展开(QFD)理论将工艺需求转换成相应的工艺特征,然后运用发明问题解决理论(TRIZ)生成可满足工艺需求的工艺创新设计方案。以南极磷虾脱壳设备中滚轴(细长轴)的加工工艺设计过程为例,验证了上述方法的可行性。

工艺需求导向下工艺创新设计

  1引言

  工艺创新设计对于企业提高产品质量、降低成本、提高生产效率以及赢得市场竞争等方面发挥着至关重要的作用[1]。然而,研究人员针对技术创新的研究更多的关注产品创新设计,对工艺方面的创新研究相对较少。文献[2]提出了工艺-产品创新集成的动态最优控制模型;文献[3]基于混合推理和工艺创新设计方法,提出一种面向创新的切削工艺知识库模型;文献[4]在对工艺信息进行分类划分,提出了动态场景的工艺信息多视图表达方法;文献[5]提出了一种基于质量功能配置的确定工艺质量水平的建模方法。这些方法在一定程度上提升了工艺设计效率,但应用到工艺创新设计中都有一定的局限性。同时,这些研究更多地注重产品和工艺本身的因素,而很少从工艺需求的角度认识和规划工艺过程。鉴于此,文章从工艺需求角度出发,提出了一种工艺需求导向下的工艺创新设计过程模型,以系统地辅助工艺人员进行工艺创新设计。

  2工艺需求获取方法

  工艺设计是一项复杂的综合性工作,涉及因素众多,主要考虑时间、质量、成本、服务和环境五个目标,将上述目标细化来解决具体工艺问题。此目标框架下,过于关注工艺设计本身,容易忽略设计前端,从而造成设计与工艺的脱节。另外,基于竞争和个性化要求,企业越来越重视用户需求。用户需求首先表现为产品的功能和性能,其载体是产品。而工艺研究对象是组成产品的一个个零件,可见工艺需求与用户对产品需求有着固有的不同。基于上述分析,结合工艺设计的目标与内容,发现工艺需求主要来源于五个方面,即用户、设计信息、企业内部、社会环境和服务能力。工艺需求获取方法模型,如图1所示。该模型将工艺设计融入到产品生命全周期,跳出了原目标框架的束缚。

  3工艺需求导向下的工艺创新设计过程

  为在工艺创新设计过程中更全面挖掘与分析工艺需求,提出了一种工艺需求导向下的工艺创新设计过程模型,如图2所示。模型主要由工艺需求获取与组织、工艺需求评估、工艺需求转换与工艺创新方案生成四个模块组成,该流程为一闭合过程,全程围绕工艺需求展开。

  3.1工艺需求获取与组织

  前述方法获取的工艺需求是零散的,表达也不规范,要对其有更深入的认识和挖掘,需将其进行合理的组织和规范化的表达。需求组织应用较广的是KJ法,该方法通过将性质相同或相近的需求进行合并,从而能够从错综复杂的信息中,通过一定的思维方式抓住信息的本质并将其进行归类解决[6]。工艺需求组织可以借助KJ法从广度方向和深度方向将相似的工艺需求进行抽象和合并。

  3.2工艺需求评估

  考虑到工艺需求组织的层次关系,易将其表示为树状结构,其形式与AHP(AnalyticalHierarchyProcess,层次分析法)[7]结构类似,因此选用AHP对工艺需求进行评估。AHP将问题所涉及的诸多因素按类分层排列,构成一个递阶层次结构模型,将问题进行条理化与层次化,具体过程,如图3所示。(1)建立需求矩阵。式中:aij表示工艺需求i和j相对于目标的重要值,且aij>0,aii=1,aij=1/aji。(2)一致性检验。式中:CR为随机一致性比率,用来判断上述矩阵是否出现逻辑上的不一致,RI表示平均随机一致性指标[7],CI表示一致性系数,λmax表示该矩阵的最大特征值。(3)层次单排序。式中:W为对应于最大特征值λmax的归一化特征矢量,即重要度向量,表示本层次各需求对于上一层次需求信息的重要度。(4)层次总排序。

  3.3工艺需求转换

  获取工艺需求后,将工艺需求与工艺特征之间建立关联,将工艺需求引入工艺设计过程中。相对于单纯的决策方法,质量功能展开(QualityFunctionDeployment,简称QFD)通过建立关系矩阵,能够很好地支持和满足工艺需求,并能够结合线性加权法、层次分析法等决策方法进行方案评价[8]。QFD理论的主要工具是质量屋(HouseofQuality,简称HoQ),常用于顾客需求与产品的工程技术特性之间的关系转换之中,将QFD应用于工艺需求转换,有必要对其进行修改,修改后的HoQ,如图3所示。屋顶是工艺特征的相关矩阵,表示工艺特征之间的相关性,一般用“+”、“-”依次表示特征成正、负相关。同一工艺特征间的负相关表示一组物理冲突,不同特征间的负相关表示一组技术冲突[9]。

  3.4工艺方案生成

  工艺需求的获取来自于用户、设计信息、企业内部、社会环境和服务能力五个方面,这会导致对工艺有不同的、甚至相互矛盾的要求。即使是同一用户,不同需求之间也可能存在冲突。冲突是创新设计的动力,冲突的解决推动着创新的进展。如何创造性地解决这些问题与冲突,相关专家提出了大量的方法[9]。其中,TRIZ理论其优势在于能将矛盾与冲突点转化为利益点,并归纳问题解决的有效方法。因此,将TRIZ理论引入工艺创新设计过程中,指导工艺创新方案的生成。

  4示例

  南极磷虾因其巨大的生物资源总量和较高的市场价值日益受到各国重视。由于磷虾体内的氟元素及活性酶集中于虾壳及头腹中,去除虾壳、生产高品质磷虾肉是实现磷虾高值化利用的有效途径之一。中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所在这一领域深耕多年[10],在国内率先开发出了南极磷虾剥壳设备,其主框架,如图4所示。上述设备核心元素为多根滚轴并列,通过滚轴间的间隙和挤压实现磷虾的壳肉分离。基于脱壳行程需求,滚轴较长,为1430mm,工作段轴径为50mm,长径比大于20,属于典型的细长轴,刚性较差,加工中产生的切削力、切削热、振动等因素都将直接影响工件加工的尺寸精度和形位精度。同时,南极磷虾个头较小,相邻滚轴间隙只有几十丝的距离,这就要求滚轴具备较高的精度要求。

  4.1滚轴工艺需求获取与组织

  结合前述工艺需求的五个方面,借助头脑风暴法获取工艺需求。用户需求集中于设备要价低质好、耐用、高效等。设计者需求集中于滚轴的尺寸精度和位置度精度要严格控制,以期功能的实现。企业内部需求集中于如何便于生产组织和生产管理,关注的是如何降低加工成本、减少材料消耗、减少工作量等。借助KJ法将上述工艺需求进行归类组织,如图5所示。工艺需求表达是一个从抽象到具体的过程,经过表达后的工艺需求具有层次性。

  4.2滚轴工艺需求评估

  建立需求矩阵:一致性检验:CR值分别为0.02833,0.0624,0.02833,0.04382,0.037,0.037,均小于0.1,一致性较好。总排序:将层次总排序的结构进行归一化处理后的滚轴质量屋左墙结果,如图6所示。4.3滚轴工艺需求转换获取明确的工艺需求后,以工艺需求为导向对滚轴采取相应的工艺技术特征。查阅相关文献,结合滚轴的相关信息,针对每项工艺需求获得了“机床性能”、“装夹方案”、“刀具性能”等12项工艺特征,最终建立质量屋,如图6所示。

  4.4滚轴工艺方案生成

  工艺创新设计过程模型中,有两种方式实现工艺创新。(1)由于重要度较高的工艺特征与工艺需求的关系更加紧密,对其重点改进。图6可知,装夹方案和机床性能这两项工艺特征的重要度较高。而南极磷虾脱壳设备属于研发设备,其生产加工在研究所自有的加工车间里进行,受制于现有条件,考虑机床性能这一项,困难重重。(2)借助HoQ分析各项工艺特征的相关性,找出并解决其中存在的冲突。图6可知,装夹方案这一工艺特征存在着负相关,形成物理冲突:为提高加工效率与精度,应尽量减少装夹次数;为降低加工成本,使普通机床加工具有可行性,需要多次装夹。TRIZ为解决物理冲突提供了四条分离原理:时间分离、空间分离、条件分离、整体和部分分离[9]。基于发明原理1(分割原理),将滚轴加工分割处理,简化装夹。滚轴为不锈钢材质,刚性较差,分三段加工,有效避免了细长轴加工中易出现的难点。单台设备中,滚轴多达百根,滚轴两端若采用常规切削圆料,加工量大,采用模具加工,切削工作极大的减少,因此,该滚轴两端模具成型。通过上述方法加工的滚轴,已能够很好地应用在南极磷虾脱壳设备中。

  5结语

  (1)分析了工艺需求的特点,并建立面向用户、设计信息、企业内部、社会环境和服务能力的工艺需求获取方法模型。(2)运用KJ法从深度和广度的方向对工艺需求进行归类组织,在此基础上借助于AHP对工艺需求进行评估,并利用QFD理论将工艺需求转换为相应的工艺特征,完成了对工艺需求的组织、分析与转化。(3)运用TRIZ理论对工艺特征进行分析,最后生成可满足工艺需求的工艺创新设计方案。工艺需求导向贯穿整个工艺创新设计过程,有效服务于工艺创新设计,使其变得有章可循。上述提出的以工艺需求的获取、管理、评价和转换为流程的工艺创新设计方法是一种工艺创新模式的初步尝试,还不完善。工艺创新设计过程本身是一项系统而复杂的工作,如何将工艺需求进一步具体化,如何将工艺特征进一步细化到工步等,这些问题还需深入研究。

  《工艺需求导向下工艺创新设计》来源:《机械设计与制造》,作者:周春生 郑晓伟 张凯 李仕成

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