基于TRIZ的凸轮机构实验台的设计

宋双双，马超，姚佳，谭仕鑫



基于TRIZ的凸轮机构实验台的设计

宋双双，马超，姚佳，谭仕鑫

（辽宁工业大学 机械学院，辽宁 锦州 121001）

利用TRIZ理论针对凸轮实验台进行了创新设计研究。首先将设计描述为TRIZ问题从而确定技术冲突，再使用技术冲突矩阵找到合适的发明原理，在发明原理的指导下制作了一种能够直接绘制凸轮运动规律曲线的盘形凸轮实验台。该凸轮实验台包含了齿轮、凸轮、直线轴承等多种传动机构，在手动操作下，凸轮带动绘图笔直线运动，同时齿轮系带动辊子和纸张转动，绘图笔能够在纸张上绘制出凸轮机构的位移－角度曲线。这种凸轮实验台结构简单、成本低、易携带，非常适合在高校的相关实验中使用。

TRIZ；技术冲突；凸轮实验台

凸轮机构是机械基础课程要学习的重要章节，它的结构组成虽然简单，涉及到的知识面却非常广泛，学习难度较大，一直是高校学生的学习难点[1]，但目前很多高校缺少满足课堂及实验需求的凸轮实验教具，给学生们的学习造成了一定的困难。基于此，本文在TRIZ创新设计理论的指导下，自主设计并制作了一种凸轮机构实验教具，该教具造价低廉、方便携带、操作性强，在课堂教学和实验教学的实践中取得了良好的效果。

1 TRIZ主要理论及方法

TRIZ是一套发明问题解决理论，是采用系统化的方法和工具来解决创造性问题的流程化方法[2-3]，对产品开发与设计创新具有重要意义。在凸轮机构教具的发明中，首先要将发明中的具体问题描述为TRIZ问题，确定出发明中的技术冲突，基于技术冲突解决原理使用通用工程参数对问题进行表达及分析，然后使用技术冲突矩阵表来寻找相应的发明原理，再借鉴、使用前人的技术成果，提出创新设计的方案，解决问题的流程如图1所示。

图1 TRIZ问题解决流程

2 采用TRIZ方法对问题进行分析并解决

2.1 问题分析、寻找冲突

设计目标确定为能够适用于教室、实验室等多种环境，结构简单、操作丰富、成本较低的凸轮机构实验教具的设计。在设计中利用TRIZ理论的场物模型来描述凸轮机构实验教具，得到如图2所示的模型，其中凸轮和绘图纸通过机械作用场来产生关系。基于上述模型，可得到问题的最终理想解：装置能够在机械能的驱动下完成凸轮的转动，并保证绘图的输出，这就产生了使得凸轮机构实验装置结构复杂的有害效应。

图2 场物分析模型

2.2 建立技术冲突矩阵

根据TRIZ理论的39个通用工程参数，将上述冲突抽象为一般问题描述，分析并列出表1与表2中需要改善的参数、恶化的参数并构建冲突矩阵。

表1 冲突矩阵表1

表2 冲突矩阵表2

3 凸轮实验台的设计

3.1 根据发明原理提出设计方案

在TRIZ分析中得到的发明原理是带有普遍规律的，当在实际问题中应用发明原理时，需要对应实际问题、具体情况从而得到具体问题的特定解。经过分析筛选，选用以下发明原理，并得出具体的解决方案。

（1）采用发明原理7（嵌套原则），即一个物体通过另一个物体的空腔。机构的框架由木质结构搭接构成，在机架的内部设有空腔，用空间轮系来完成传动。

（2）采用发明原理1（分割原则），即将物体分容易组装和拆卸的部分。机架采用木结构搭建，由螺丝完成紧固；采用紧定螺钉将手摇轮、齿轮、螺栓固定在光轴上，让机构的拆装非常简单；由于转矩很小，采用螺母预紧的方式来固定凸轮，使凸轮容易安装和拆卸。

（3）采用发明原理24（中介原则），即把另一个（易分开的）物体暂时附加给某一物体。实验台要对多种凸轮廓线进行模拟，因此需要放置多个凸轮，在框架内部设计了光轴式凸轮库，便于不同类型凸轮的更换与存放，可以实现多种运动规律图线的绘制与输出。

（4）采用发明原理3（局部性原则），即使物体的不同部分应当具有不同的功能。在设计中，按原动、传动和执行部分对机构进行拆分组合，各部分完成不同的工作内容，将传动部分设计为空间机构，把原动和执行部分连接在一起。

3.2 总体设计方案

凸轮机构教具主要由机架、凸轮库、传动锥齿轮、手轮、凸轮及推杆、传动齿轮、绘图笔、切刀、输出辊等部分组成，结构如图3所示。其中机架为木质框架，降低了整体质量与造价，手轮为原动件，驱动方式为手摇，也可连接电机驱动。其运动和力主要通过3传动锥齿轮与6传动齿轮进行传递：一部分通过3传动锥齿轮将手轮的转动转换为凸轮的转动，再由凸轮推动推杆进行直线往复运动，在推杆上设置弹簧实现推杆的回程锁合。另一部分通过6传动齿轮驱动9输出辊，带动纸张完成与绘图笔垂直的输出运动。通过绘图笔上设定预紧力自动调节弹簧，防止笔尖压力过大划破纸张。在这两种运动的共同作用下，教具能够完成凸轮机构位移曲线即－曲线的一次性连续绘制，实物见图4。

3.3 操作过程

操作过程为：

（1）转动手柄，通过锥齿轮传动，带动凸轮的运动；

（2）凸轮转动时由于廓线的变化，会顶着推杆做往复运动，与推杆相连的绘图笔也会做轴向往复运动；

（3）同时，手柄上的直齿轮系又驱动两个输纸工作辊转动，工作辊带动纸筒的卷轴，使得纸沿着垂直于推杆轴向的方向做输出运动；

（4）在这两个运动的共同作用下，输出的纸就能够绘制出推杆的运动规律曲线；

（5）当曲线绘制完成后，停止转动手柄，按下切刀的把手，将输出图纸取下，完成操作。

图3 结构原理图

图4 实物图

3.4 创新点分析

（1）该实验台造价低、占地小、重量轻，携带方便，可以输出多种类型的运动规律适用于课堂演示实验和实验室综合实验。

（2）可方便快速的更换凸轮、推杆，变换推杆位置，有利于学生更加深入地了解和掌握凸轮机构的各种性能，从而将书本知识落实到工程实际。

（3）包含多种机构，大量采用标准零件，拆、装以及零件的更换十分方便。

4 结语

采用TRIZ创新设计理论所设计的新型凸轮机构运动实验台，是采用先进的创新设计方法来进行自主教具设计的成功尝试，有效地提高了工科类高校在凸轮机构实验教学环节的教学水平。该实验教具有良好的实用性、经济性，能够拓展学生的研究能力和动手能力，对于推动高校实验室的建设有重要意义。

[1]田杰，等. 凸轮机构创新综合实验装置研究[J]. 合肥工业大学报，2011，34（7）：986-988.

[2]延伟，王江兰，王欢. 基于TRIZ反馈原理的铣刨机洒水系统创新设计[J]. 机械，2016，43（11）：37-41.

[3]魏奇锋，等. 基于TRIZ的生物医学工程仪器创新设计[J]. 工程设计学报，2011，18（5）：322-325.

[4]濮良贵. 机械设计（第八版）[M]. 北京：高等教育出版社，2011：238-269.

[5]刘昌祺，牧野洋，曹西京. 凸轮机构设计[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

Design for the Cam Experimental Platform Based on TRIZ

SONG Shuangshuang，MA Chao，YAO Jia，TAN Shixin

( Mechanical Engineering &Automation College,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China )

This paper use Technical conflict method of TRIZ on the innovation of new type of cam mechanism test bench. First, the design is described as the TRIZ problem to identify conflicts, then the technology of conflict matrix is used to find the right invention principle, finally, a kind of test bench which can directly draw the motion rule curve of cam is designed under the guidance of the invention principle. This CAM experiment table contains gear, CAM, linear bearings and other transmission mechanisms, the CAM drives the drawing pen under the manual operation, at the same time, the gears drives the roll and paper, drawing pen can draw a displacement-Angle curve of CAM mechanism on the paper. This cam mechanism experiment test bench has the advantages of simple structure and low cost. It is very suitable for cam mechanism experiments in universities.

TRIZ；technical contradiction；cam mechanism test bench

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.013

1006－0316 (2018) 06－0067－04

2017－12－07

辽宁省大学生创新创业项目（201701006）；辽宁工业大学教改立项（201603）

宋双双（1996－），女，辽宁铁岭人，本科，主要研究方向为机电一体化设计；马超（1981－），男，辽宁朝阳人，硕士，讲师，主要研究方向为机械设计及理论。