机电工程基础Word格式文档下载.docx

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随着我国金融业的不断发展和办公化要求的不断提高，市场对打孔装订设备的需求不断增大；

同时，人们对健康环保意识的不断增强，使得对打孔装订设备工作性能的要求越来越高。

基于这种情况，一种环保型打孔装订机开始在市场上出现。

但是它存在着故障率高、无故障工作时间短等缺陷，因此，需要对打孔装订机进行创新设计，提高其性能，减少故障率，同时创新设计出真正满足市场的需求产品。

本文对打孔装订机的创新设计主要分为以下两个内容：

一、运用TRIZ理论，将原有的打孔装订机进行创新设计，设计出新型的螺旋传动系统。

经试验表明，新型的打孔装订机与原设备相比，虽然没有增加新的功能，没有提高自动化程度，但是，极大地降低了设备的故障率，从整体上提高了设备的可靠性。

二、运用组合创新法，创新设计出打孔装订机的关键部件——新型的上、下装订运动机构。

关键词：

打孔装订机；

创新；

TRIZ；

组合创新法

TheMechanismInnovativeDesignfortheBookbindingMachine

WANGDong

（SchoolofMechanicalandElectricalEngineeringandAutomation,Shanghaiuniversity,Shanghai,,China）

Abstract:

Withthedevelopmentofthefinancetradeandtheoffice，theneedforabookbindingmachineincreasesinthemarket.Andwithdevelopmentofenvironmentprotectionconsciousnessofthepeople,theperformanceofthebookbindingmachineisincreased.Justbasedonthatcase,thebookbindingmachinewithoutairpollutionwasdesignedandproduced.Butithassomedisadvantages,suchasthehighrateofbreakdownandthequickworn-outofthekeypartsetc.Soanewkindofbookbindingmachineshouldbedesignedinnovatively.Theperformanceofitshouldbeenhancedandthetroublerateshouldbedecreased.Thenewmachinewillmeetaneedofthemarket.

Towpartsmakeupofinnovativedesignofthebookbindingmachineinthethesis:

Firstly,theprimarybookbindingmachineisdesignedinnovativelywithTRIZ.Thenewdrivesystemmadeupofgearandhelixisdesigned.Itisprovedbyexperimentsthatthenewmachinehasthesamefunctionandautomaticdegreeastheold.Butthereliabilityofthenewmachinehasbeenenhancedandthetroubleratehasbeenreducedgreatly.

Secondly,bookbindingequipmentandadetentwhicharethekeypartsofthebookbindingmachinehavebeendesignedwithInnovativeTheoryofCombination.

1.引言：

随着市场经济的繁荣，商业活动的效率越来越高，作为经济生活主要舞台和社会生活重要枢纽的金融业所承担的业务量也随之空前提高，各种新型支付方式的规范和完善使各种票据的使用量不断上升，票据装订工作已经由一个辅助工序转变成一个重要步骤，这项任务完成的效率会直接影响金融活动的效率，同样，此项工作的质量也会影响金融活动的质量，从而进一步影响金融机构在市场中的信誉。

所以传统的手工装订方式已经不再适应这种优质高效的工作要求，应被淘汰。

与此同时，现代人的环保和健康意识越来越高，传统纸张打孔（钻孔、冲孔）方式产生大量飞屑，对空气和人体都非常有害，所以迫切需要一种新型的环保的票据装订设备。

正是基于上述需求，我们设计开发出一种无飞屑、环保型的打孔装订机。

本课题以创新设计高性能的打孔装订机为出发点，以TRIZ理论、组合创新法为理论基础。

前苏联以CenrichA1tshuller为首的原苏联科研人员于1946年开始了有关TRIZ理论和实践的研究，在研究分析了世界上250多万件高水平发明专利的基础上，提出了一套全新的创新设计理论——发明问题解决理论（TRIZ理论）。

二十世纪80年代末以前，TRIZ理论对其他的国家处于保密状态。

90年代，随着前苏联的解体，一批研究TRIZ理论的科学家移居美国。

他们将TRIZ理论带到了西方，并迅速引起了学术界和企业界的极大关注。

西方很多企业，如波音、福特、通用、摩托罗拉、三菱等大企业在新产品开发中应用TRIZ理论，都取得了可观的经济效益。

组合创新法是一种最常见的创造技法。

它是按照一定的需要，将两个或两个以上的因素通过巧妙的组合，获得具有统一整体功能的新产品的手段。

组合创新法应用的单元一般是比较成熟的技术，不需要从头开始，因而可以最大限度的节约人力、财力和物力。

在当代社会生产和生活中，存在着大量先前已经开发出来的技术，只要进行合理组合，就能创造出合适人们需要的崭新系统。

以组合求发展，由综合而创造，已成为当代设计发展的主流。

但组合创新法暴露出的缺点，一是创新过程依靠设计者的经验和原有成熟技术的知识库，其次是在创新过程中没有严密的逻辑性和严密的推导过程，仅仅是一种创新构思。

本课题研究的主要内容：

（1）运用TRIZ理论，创新出新的打孔装订机的进给系统，解决了原有进给系统故障率高、个别零件失效快的问题。

（2）运用组合创新设计法，设计出装订机构。

2．TRIZ理论在打孔装订机进给系统中的创新设计：

2.1TRIZ理论的基本原理：

TRIZ解决创新问题的核心是研究待解决问题的“技术冲突”，并寻找解决该“技术冲突”的方法。

所谓“技术冲突”，是指在同一系统中一个“作用”同时导致对该系统“有用”和“有害”两种结果，也可以指“有用作用”的引用或“有害效应”的消除导致一个或几个子系统或系统变“坏”。

A1tshuller认为，技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突，其经常出现的三种情况为：

（1）在一个子系统中引入一种有用功能，导致另一个子系统产生一种有害功能或加强了已存在的一种有害功能。

（2）消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变坏。

（3）有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统或系统变得太复杂。

对于技术冲突的一般化表达，A1tshuller提出：

基于39个通用工程特性，任何一个技术冲突都可以用其中的一对特性来描述；

而该技术冲突的创新解可由TRIZ提供的40条发明创造方法来求得。

因此，TRIZ技术构造了一个冲突矩阵，该矩阵包含40行40列，其中第一行和第一列是按顺序排列的39个通用工程特性序号，矩阵元素中的数字表示40条发明创造方法中推荐采用的方法序号。

2.2打孔装订机的工作原理：

打孔装订机是一种台式办公设备，从结构上可将其分为打孔和装订两大部分，从功能上，可分为打孔、装订、加热、测长切管和控制五个部分。

其结构简图2-1如下：

图2-1打孔装订机的结构简图

Figure2-1stilettobindingmachinestructurediagram

表2-1打孔装订机结构简图明细表

Table2-1scheduleofbindingmachinestructurediagramofdrillinghole

首先，进给电机15驱动齿轮16转动，齿轮16带动齿条17作上下运动。

同时，通过一测高装置（图2-1中未画）将被装订纸张的高度信号传至自动测长切管组件13，自动测长切管组件依纸张高度计算出装订所需塑料管长度，并将塑料管14切出合适长度备用。

然后，打孔电机1一边随滑块18进给、一边通过一变速装置2带着管状钻头5旋动，完成切纸打孔动作。

纸屑由集屑器3收集经排屑管7顺序排出。

最后，经打孔的纸张在压帽加压机构12的作用下，被上、下两组装订机构组件11和9压紧并被加热，孔中的塑料管两端受热后迅速软化并在模具中成形，形成标准的端冒，完成装订。

2.3冲突矩阵的建立与技术冲突的解决原理：

打孔装订机存在的主要问题是在额定打孔深度（即装订厚度）条件下，其进给系统传动零部件失效率高。

表现为：

开式齿轮齿条传动啮合间隙不稳定，齿轮或齿条上的轮齿变形或断裂。

经研究发现，当装订的纸张强度较高时，随着钻头钻孔的深入，纸张对钻头的阻力变大，同时碎纸屑从空心钻头内排出时，进一步增大了钻头的阻力，使得对于安装精度要求很高的齿轮－齿条进给系统出现了上述问题。

如果增加齿轮－齿条传动的强度与刚度，来满足传动的要求，则会导致传动系统体积增大、对机架整体刚度、精度的要求提高等的负面影响，使机器成本大幅上升。

综上分析可知，其技术冲突可用TRIZ中39个通用工程特性描述如下：

希望改进的特性：

（1）传动系统传递的力（这里用序号Ⅰ表示），

（2）轮齿的强度（用序号Ⅱ表示）；

两种特性改善会产生负面影响的特性：

（1）传动系统的体积（这里用字母A表示）；

（2）机架整体的制造精度（用字母B表示）。

将上述希望改进的特性及其可产生负面影响的特性代入TRIZ冲突矩阵表，得打孔装订机进给系统的冲突矩阵，如表2-2所示。

表中给出的数字就是40条创造发明原理中的方法排序号，如“7”就是指第七个发明方法：

套装。

表2-2冲突矩阵表

Table2-2conflictmatrixtable

由希望改进的特性“传动系统传递的力”（Ⅰ）与产生负面影响的特性“传动系统的体积”（A），可以从冲突矩阵中查到以下四个发明方法：

序号是9，12，15，37；

对应的创新方法分别为：

预加反作用,等势性,动态化,热膨胀；

同样，由“轮齿的强度”（Ⅱ）与“机架整体的制造精度”（B）查到的发明方法序号是3，27；

对应的创新方法分别是：

局部质量，低成本、不耐用的物体替代昂贵、耐用的物体。

依此类推，各创新方法及其相应解决技术冲突的原理和内容。

结合实际情况，从中选用曲面化方法来建立打孔装订机进给系统的创新方案。

依据该方法之解决技术冲突的原理和内容，由TRIZ软件系统可建立进给系统的“有用”的创新方案为：

螺旋传动进给和凸轮传动进给。

即用螺旋传动或凸轮传动进给代替原来的开式齿轮齿条传动进给可解决上述的技术冲突。

螺旋传动与凸轮传动进给方案的比较如表2-3所示：

表2-3进给系统传动新方案的比较

Table2-3feedsystemisanewschemecomparison

综上分析可知，螺旋传动更适合作为打孔装订机的进给传动系统。

通过对螺旋传动进给系统进行实际工况运转和样机实验，结果发现螺旋传动能够准确地实现自动打孔的进给，且稳定性高、寿命长，其结构及工作原理如图2-2所示。

图2-2自动打孔装订机及其螺旋传动进给系统

1.主电机2.减速机3.管状钻头4.滑块5.丝杠6.齿轮传动7.进给电机

本章将TRIZ理论运用于自动打孔装订机中，将“希望改进的特性”与“两种特性改善会产生负面影响的特性”代入TRIZ冲突矩阵表后，得到TRIZ的曲面化创新方法，同时基于自动打孔装订机的运动原理，将自动打孔装订机原来的齿轮齿条进给系统改为螺旋传动。

通过试验表明，创新设计后的自动打孔装订机的性能和可靠性从根本上得到了提高，克服了原有系统故障率高，无故障工作时间短等缺点。

4.打孔装订机的装订机构组合创新设计：

4.1组合创新技法：

在发明创新活动中，按照所采用的技术的来源可分为两类：

一类是发明中采用全新的技术原理，称为突破型发明；

另一类是采用已有的技术进行重新组合，从而形成新的发明。

从人类的技术历史中可以看出，进入19世纪50以来突破型的发明在总发明数量中所占的比重在下降，而组合型发明的比重在增加。

在组合中实现创新，这已经成为现代技术创新活动的一种趋势。

组合创新方法是指按照一定的技术原理，通过将两个或多个功能元素合并，从而形成一种具有新功能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。

组合创新方法的类型很多，常用的有以下几类：

功能组合，性能组合，同类组合，异类组合，技术组合。

4.2装订机构的组合创新设计：

打孔装订机完成打孔后，管状钻头退回原位，下一步的装订过程需要装订机构将孔中的塑料管压帽加热。

下装订机构首先需要水平运动到极限位置并保持停歇，在自动测长切管组件将塑料管切断后，塑料管利用其重力落在下装订机构的定位针上，下装订机构水平运动到原位后，立即向上运动到极限位置并保持停歇，完成热熔后下装订机构垂直向下运动回到原位，完成一个循环，其运动轨迹如图4－1a所示：

下装订机构先从B→A，在A点停歇，然后从A→B→C，在C点停歇，然后C→B完成一次循环。

图4-1装订机构运动轨迹

a）下装订机构运动轨迹b）上装订机构运动轨迹

上装订机构对孔中的塑料管压帽热熔，需要有垂直运动，同时上装订机构不能和带钻头的滑块在同一个垂直面内，需要有水平运动，综合这两点，上装订机构的运动轨迹如图4—1b所示，E点为原位，先从E→D→F，在F点停歇加热，然后从F→D→E，回到原位完成循环。

从上、下装订机构的运动轨迹可知，这两个装订机构需要的功能是相同的：

能够实现水平运动和垂直运动，并且能够停歇。

从以往所学的知识易得，能够实现连续转动→双侧停歇直线移动的机构有：

移动从动件凸轮机构、利用连杆轨迹实现停歇运动机构、不完全齿轮齿条往复移动间歇机构、不完全齿轮移动导杆间歇机构。

由于连杆机构的轨迹是曲线，不完全齿轮机构在开始啮合与脱离啮合时有较大的冲击和噪声等缺点，因此选用凸轮机构。

4.4组合凸轮机构的构思：

根据组合创新技法的思想，将不同的单元机构进行合并，从而形成具有不同功能的组合机构。

根据组合创新技法，找出单元机构之间的运动关系基于单元机构的机构分析顺序以及机构参数，可分为以下几类：

机构串接组合，机构并接组合，机构回接组合，机构叠接组合，机构时序组合。

上、下装订机构都要求有水平运动和直线运动，并要求有停歇，因此上、下

装订机构可采用相同的机构。

凸轮机构虽然能实现任意轨迹，但是单个凸轮无法同时满足水平运动和垂直运动的合成，因此，需要用并接式组合法，将两组凸轮组合。

（如图4—2）

图4—2凸轮组合

a）组合凸轮机构b）Ⅰ单元机构c）Ⅱ单元机构d）运动传递框图

如图4—2a所示机构，主动件为1和2，输出为M点。

将组合凸轮机构按照并接式组合原理，分割成Ⅰ、Ⅱ两个单元机构（图4—2b、c所示）；

单元机构Ⅰ是单自由度盘状凸轮机构，Ⅱ是单自由度圆柱凸轮机构，这两个机构3和4组成移动副，因此，M点是Ⅰ、Ⅱ机构运动的合成，当1和3的输入角速度为w1时，可以画出运动传递框图（如图4—2d所示）

虽然上、下模具都是水平运动和垂直运动的合成，中间需要停歇，但是运动的前后顺序和停歇间隔不同，因此，运用时序式组合方法，上、下模具的运动顺序如图4—3如下：

下装订机构：

在w1匀速角速度输入，以360°

为一个循环周期，在0～Φ3内，盘状凸轮机构Ⅰ转动发生在小半径r1对应的弧面上，3保持垂直停歇，即M点保持垂直停歇。

在0～Φ1（Φ1＜Φ2＜Φ3＜360°

），圆柱凸轮机构Ⅱ实现水平运动，在弹簧力的作用下使5移动到左极限位置，即M点从右极限位置运动到左极限位置；

在Φ1～Φ2，机构Ⅱ使得M

点保持水平停歇；

在Φ2～Φ3，在圆柱凸轮机构Ⅱ的作用下，M点从左极限位置水平运动到右极限位置。

下装订机构完成从B→A→B的过程。

在Φ3～360°

，机构Ⅱ作用使得M点保持水平右极限停歇。

在Φ3～Φ4（Φ3＜Φ4＜Φ5＜Φ6＜360°

），在盘状凸轮机构Ⅰ作用下M的运动到上极限位置；

在Φ4～Φ5，机构Ⅰ使得M点在上极限保持垂直停歇，完成装订机构热熔塑料管的过程；

在Φ5～Φ6，机构Ⅰ使

得M点从上极限运动到下极限（即原位），Φ6～360°

，M点保持停歇垂直停歇。

下装订机构完成从B→C→B的过程（见装订机构运动循环图4—4）。

上装订机构：

同样在w1匀速角速度输入，以360°

为一个循环周期，在0～Φ2内，机构Ⅲ、Ⅳ作用使得K点保持原位停歇；

在Φ2～Φ3（Φ2＜Φ3＜Φ4＜Φ5＜Φ6＜Φ7＜360°

），机构Ⅳ作用使K点水平运动从原位（左极限）运动到右极限，机构Ⅲ仍然使K点保持垂直停歇；

在Φ3～Φ4，机构Ⅲ使K点实现垂直运动，即K点从上极限运动到下极限，机构Ⅳ使K点保持水平停歇；

在Φ4～Φ5，机构Ⅲ、Ⅳ使得K点保持水平、垂直停歇，完成模具热熔塑料管的过程；

在Φ5～Φ6，机构Ⅲ使得K点从下极限位置运动到上极限位置，机构Ⅳ使K点保持水平停歇；

在Φ6～Φ7，机构Ⅲ使K点保持垂直停歇，机构Ⅳ使K点从右极限运动到左极限（原位）。

上装订机构完成从E→D→F→D→E的过程（见装订机构运动循环图4—4）

图4—3装订机构及运动轨迹

a）下装订机构b）上装订机构c）下装订机构运动轨迹d）上装订机构运动轨迹

图4—4上、下装订机构运动循环图

循环图确定后，就可以根据自动切管的时间和塑料管需要热熔的时间来确定Φ1～Φ7的具体角度，作为设计上、下装订机构的尺寸依据。

5结论：

本文将TRIZ理论、组合创新设计法和颜氏创造性设计法，运用于实际的打孔装订机创新设计中。

运用TRIZ理论，提高了设备的可靠性；

运用组合创新设计法，设计出打孔装订机；

综合以上研究，得出以下结论：

（1）通过对自动打孔装订机中故障率高的进给系统进行TRIZ创新设计,获得TRIZ理论中的曲面化方案，即将原来的齿轮齿条进给系统替换成螺旋传动系统。

试验表明，创新设计后的自动打孔装订机的性能和可靠性从根本上得到了提高，克服了原有进给系统故障率高，无故障工作时间短等缺点。

（2）运用组合创新法,设计出装订机构系统，并对整个打孔装订过程进行时序组合，创新设计出打孔装订新设备。

致谢：

感谢李朝东教授对本工作的大力支持，在此表示感谢！

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