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1、 撰寫人：___________日 期：___________ 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) Tianjin University of Technology and Education 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械制造工藝教育 班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 副教授 二〇一二 年 六 月 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于DE的仿生

2、抓夾式夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì) Innovative design ofBionic Catch Clip type Fixture Based on DE 專業(yè)班級(jí)：機(jī)制0711班 學(xué)生姓名：鄭~~ 指導(dǎo)教師： 副教授 學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院 2012年 6月 摘 要 為了明確仿生抓夾式夾具技術(shù)目前和未來發(fā)展的研究思路，拓寬其研究領(lǐng)域，跳出仿生抓夾式夾具固有的技術(shù)范疇，從更高的理論層面對(duì)其進(jìn)行分析，為其未來發(fā)展領(lǐng)域?qū)で缶哂欣碚撝С值募夹g(shù)方向。 本文將TRIZ的直接進(jìn)化理論引入到仿生抓夾式夾具中來，根據(jù)它的進(jìn)化模式和多條進(jìn)化路

3、線來對(duì)仿生抓夾式夾具技術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其進(jìn)化潛能。這里主要通過對(duì)反饋可控性、減少人為干預(yù)、動(dòng)態(tài)化三條路線進(jìn)行分析，對(duì)仿生抓夾式夾具技術(shù)將來可能的發(fā)展方向做出準(zhǔn)確判斷和預(yù)測。 通過對(duì)仿生抓夾式夾具的預(yù)測，對(duì)其做出創(chuàng)新設(shè)計(jì)。運(yùn)用TRIZ理論中的沖突及發(fā)明創(chuàng)新原理，對(duì)問題進(jìn)行分析，得出技術(shù)沖突，即適應(yīng)性及多用性與系統(tǒng)的復(fù)雜性的沖突。根據(jù)沖突矩陣表，查出發(fā)明創(chuàng)新原理，運(yùn)用其中的動(dòng)態(tài)性和機(jī)械系統(tǒng)替代原理，設(shè)計(jì)出伸縮抓夾夾具和吸附式夾具。 關(guān)鍵詞：直接進(jìn)化理論；仿生抓夾式夾具；進(jìn)化模式；創(chuàng)新設(shè)計(jì) ABSTRACT For present and future development o

4、f the fixtures’ technology clear thinking,broden the research field, jumped out of the inherent fixture technology category, from the theoretical level to analyze it, for the future development field of fixture looking for the technology trends of theory support. the paper quoted Directed evolutio

5、n theory of TRIZ to the Bionic Catch Clip type Fixture.According to its Patterns of technological evolution and multiple evolutionary lines to analyze bionic catch clip type fixture technologies, and find its evolutionary potential. There mainly through feedback control, reducing human intervention,

6、 dynamic route for analysis, on the development direction of the possible future has made accurate judgment and the forecast. Through forecast about the bionic catch clip type fixture, to make its innovative design. Using the theory of conflict and inventive principles to analyze the problem, we co

7、nclude that technology conflicts, the conflict, namely is adaptability and the complexity of the system. according to the conflict matrix table, find out the principle invention and innovation, then, using the dynamic and mechanical system substitution principle, design the telescopic catch clip fix

8、ture and adsorptive fixture. Key Words: Directed evolution; Bionic Catch Clip type Fixture ; Patterns of technological evolution ; innovative design 目 錄 1 緒論 1 1.1 設(shè)計(jì)背景及意義 1 1.2 仿生設(shè)計(jì) 1 1.2.1 仿生設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 1.2.2 仿生設(shè)計(jì)原則 2 1.3 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 3 2 TRIZ理論 4 2.1 TRIZ發(fā)明問題解決理論 4 2.2 TRIZ的三大進(jìn)化理論 4 2.2

9、直接進(jìn)化理論 6 2.2.1 進(jìn)化模式 6 2.2.2 進(jìn)化路線 7 2.2.3 進(jìn)化潛能 9 3 基于DE的仿生抓夾式夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì) 10 3.1 夾具 10 3.1.1 夾具的分類 10 3.1.2 夾具的作用 11 3.1.3 夾具的組成 11 3.1.4 夾具的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 12 3.2 柔性夾具 13 3.2.1 柔性夾具的分類 14 3.2.2 仿生抓夾式夾具 14 3.3 仿生抓夾式夾具的進(jìn)化預(yù)測 15 3.3.1 進(jìn)化路線分析 15 3.3.2 預(yù)測結(jié)論 19 3.4 仿生抓夾式夾具的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 19 結(jié) 論 22 參考文獻(xiàn) 23 附錄

10、1 技術(shù)沖突和發(fā)明原理表 25 附錄2 英文資料及翻譯 27 致 謝 43 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 設(shè)計(jì)背景及意義 機(jī)械制造的機(jī)械加工、焊接、熱處理、檢驗(yàn)、裝配等工藝過程中，為了安裝加工工件，使之占有正確的位置，以保證零件和產(chǎn)品的質(zhì)量，并提高生產(chǎn)效率，所采用的工藝裝備稱為夾具。 夾具最早出現(xiàn)在18世紀(jì)后期。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。 夾具按用途分類，可分為機(jī)床夾具、裝配夾具和檢驗(yàn)夾具等；按通用化程度分類，可分為通用夾具、專用夾具、成組夾具、組合夾具、隨行夾具。而仿生抓夾式夾具屬于

11、其中機(jī)床夾具和通用夾具。 在批量生產(chǎn)中，企業(yè)都習(xí)慣于采用傳統(tǒng)的專用夾具，一般在具有中等生產(chǎn)能力的工廠里，約有數(shù)千甚至近萬套專用夾具；在多品種生產(chǎn)的企業(yè)中，每隔3~4年就要更新50%~80%的專用夾具，而夾具的實(shí)際磨損量僅為10%~20%，這些夾具往往留下來又很難得到重復(fù)使用，拋棄他們又實(shí)在可惜，因此造成很大的浪費(fèi)。這些都是一直困擾企業(yè)的現(xiàn)實(shí)問題。近年來，數(shù)控機(jī)床、加工中心、成組技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)等新加工技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)機(jī)床夾具提出了如下新的要求： a) 能迅速而方便地裝備新產(chǎn)品的投產(chǎn)，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)成本； b) 能裝夾一組具有相似性特征的工件； c) 能使用于精密加工的高精

12、度機(jī)床夾具； d) 能適用于各種現(xiàn)代化制造技術(shù)的新型機(jī)床夾具； e) 采用以液壓站等為動(dòng)力源的高效夾緊裝置，以進(jìn)一步減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率； f) 提高機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化程度。 顯然，如何設(shè)計(jì)制造出更先進(jìn)的夾具是工業(yè)進(jìn)步的一大關(guān)鍵，因此研究仿生抓夾式夾具的進(jìn)化歷程和夾具技術(shù)的未來發(fā)展方向有著重要的意義。 1.2 仿生設(shè)計(jì) 仿生設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)中有著深厚歷史積淀與豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的，同時(shí)又是最新鮮、最具活力的設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法，是設(shè)計(jì)回歸自然、追求人性化的具體、可行的方法，正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過程中新的亮點(diǎn)。 1.2.1 仿生設(shè)計(jì)內(nèi)容 由于仿生設(shè)計(jì)的研究領(lǐng)域非常廣泛，所以仿生設(shè)計(jì)的內(nèi)

13、容可以從不同的角度產(chǎn)生不同的層次和方向?；谏锾卣髡J(rèn)知與產(chǎn)品的構(gòu)成要素的相關(guān)性，可以將仿生設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容歸納為：仿生物體形態(tài)的設(shè)計(jì)；仿生物表面肌理與質(zhì)感設(shè)計(jì)；仿生物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；仿生物功能的設(shè)計(jì)；仿生物色彩的設(shè)計(jì)；仿生物形式美感的設(shè)計(jì)；仿生物意象的設(shè)計(jì)等。 （1）仿生物體形態(tài)的設(shè)計(jì) 是在對(duì)自然生物體。包括動(dòng)物、植物、微生物、人類等所具有的典型外部形態(tài)的認(rèn)知基礎(chǔ)上，尋求對(duì)產(chǎn)品形態(tài)的突破與創(chuàng)新。仿生物形態(tài)的設(shè)計(jì)是仿生設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)對(duì)生物外部形態(tài)美感特征與人類審美需求的表現(xiàn)。 （2）仿生物表面肌理與質(zhì)感設(shè)計(jì) 自然生物體的表面機(jī)理與質(zhì)感，不僅僅是一種觸覺或視覺的表象，更代表某種內(nèi)在功能的

14、需要，具有深層次的生命意義，通過對(duì)生物表面肌理與質(zhì)感的設(shè)計(jì)創(chuàng)造，增強(qiáng)仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品形態(tài)的功能意義和表現(xiàn)力。 （3）仿生物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 生物結(jié)構(gòu)是自然選擇與進(jìn)化的重要內(nèi)容，是決定生命形式與種類的因素，具有鮮明的生命特征與意義。結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)通過對(duì)自然生物由內(nèi)而外的結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)知，結(jié)合不同產(chǎn)品概念與設(shè)計(jì)目的進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，使人工產(chǎn)品具有自然生命的意義與美感特征。 （4）仿生物功能的設(shè)計(jì) 功能仿生設(shè)計(jì)主要研究自然生物的客觀功能原理與特征，從中得到啟示以促進(jìn)產(chǎn)品功能改進(jìn)或新產(chǎn)品功能的開發(fā)。 （5）仿生物色彩的設(shè)計(jì) 自然生物的色彩首先是生命存在的特征與需要，對(duì)設(shè)計(jì)來說更是自然美感的主要內(nèi)容，其豐富、

15、紛繁的色彩關(guān)系與個(gè)性特征，對(duì)產(chǎn)品的色彩設(shè)計(jì)具有重要意義。 （6）仿生物形式美感的設(shè)計(jì) 從人類的審美要求出發(fā)，發(fā)現(xiàn)和歸納自然生物所蘊(yùn)含的美感規(guī)律，更好的進(jìn)行產(chǎn)品美感與意義的整合設(shè)計(jì)。 （7）仿生物意象的設(shè)計(jì) 生物的意象是在人類認(rèn)識(shí)自然的經(jīng)驗(yàn)與情感積累的過程中產(chǎn)生的，仿生物意象的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品語義和文化特征的體現(xiàn)具有重要作用。 1.2.2 仿生設(shè)計(jì)原則 作為工業(yè)設(shè)計(jì)的一種創(chuàng)新思維與方法，仿生設(shè)計(jì)首先應(yīng)該遵循工業(yè)設(shè)計(jì)的一下原則。 ①藝術(shù)性與科學(xué)性相結(jié)合：尊重客觀審美規(guī)律的同時(shí)，應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品化與商品化。 ②功能性：產(chǎn)品合理、有效的基本功能和方便、安全、宜人等多層次功

16、能的綜合體現(xiàn)。 ③經(jīng)濟(jì)性：滿足標(biāo)注化、批量生產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)延長使用壽命、方便運(yùn)輸、維修及回收。 ④創(chuàng)造性：在概念、思維、方法、表現(xiàn)、使用等方面的獨(dú)創(chuàng)性。 ⑤需求性：對(duì)不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境、年齡、人群等多元化需求的差異性設(shè)計(jì)，滿足并創(chuàng)造需求。 ⑥系統(tǒng)性：是對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)、把握與創(chuàng)造。 ⑦資源性：通過設(shè)計(jì)追求自然資源、設(shè)計(jì)資源的無限可逆性循環(huán)利用。 對(duì)仿生設(shè)計(jì)來說更加強(qiáng)調(diào)以下幾個(gè)方面： ①設(shè)計(jì)的合理性與合目的性：對(duì)自然生物相關(guān)概念分析、概括與設(shè)計(jì)應(yīng)用的合理。 ②設(shè)計(jì)的創(chuàng)造與再造：對(duì)自然生物模擬及更高層次設(shè)計(jì)應(yīng)用的可持續(xù)性、可逆性創(chuàng)造。 ③設(shè)計(jì)的多義性：理解自然生物有意義的形

17、式，賦予產(chǎn)品更多樣化的美感和含義。 1.3 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科技成果進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，設(shè)計(jì)出具有科學(xué)性、創(chuàng)造性、新穎性及實(shí)用性的一種實(shí)踐活動(dòng)。 創(chuàng)新設(shè)計(jì)是創(chuàng)新理念與設(shè)計(jì)實(shí)踐的結(jié)合。發(fā)揮創(chuàng)造性的思維，將科學(xué)、技術(shù)、文化、藝術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)融匯在設(shè)計(jì)之中，設(shè)計(jì)出具有新穎性、創(chuàng)造性和實(shí)用性的新產(chǎn)品。創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以從以下幾個(gè)側(cè)重點(diǎn)出發(fā)： 1、從用戶需求出發(fā)，以人為本，滿足用戶的需求。 2、從挖掘產(chǎn)品功能出發(fā)，賦予老產(chǎn)品以新的功能、新的用途。 3、從成本設(shè)計(jì)理念出發(fā)，采用新材料、新方法、新技術(shù)，降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品競爭力。 創(chuàng)新

18、是設(shè)計(jì)本質(zhì)的要求，也是時(shí)代的要求。作為“為傳達(dá)而設(shè)計(jì)”的視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)，如何正確充分地傳達(dá)信息是每一個(gè)設(shè)計(jì)者始終要面臨的中心問題。但是，在當(dāng)今社會(huì)，僅僅把傳達(dá)信息的關(guān)鍵詞定位于正確和充分顯然是不夠的。必須要把視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新重視起來，從設(shè)計(jì)理念、視覺語言和技術(shù)表現(xiàn)方式的創(chuàng)新入手，正確充分地傳達(dá)信息。 2 TRIZ理論 TRIZ是一種發(fā)明問題解決理論，由前蘇聯(lián)學(xué)者根里奇·阿奇舒勒創(chuàng)建于1946年。TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的

19、創(chuàng)新產(chǎn)品。 2.1 TRIZ發(fā)明問題解決理論 在利用TRIZ解決問題過程中，設(shè)計(jì)者首先將待設(shè)計(jì)的產(chǎn)品表達(dá)成為TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，如發(fā)明原理、技術(shù)進(jìn)化理論等，求出該TRIZ問題的普通解，最后設(shè)計(jì)者再把該解轉(zhuǎn)化為特定解。 技術(shù)沖突是指一個(gè)作用同時(shí)導(dǎo)致有用及有害兩種結(jié)果。技術(shù)沖突場表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)子系統(tǒng)之間的沖突。通過對(duì)250萬件專利研究的詳細(xì)研究，TRIZ理論提出39個(gè)通用工程參數(shù)（見附錄表一）描述沖突。實(shí)際應(yīng)用中，首先要把組成沖突的雙方內(nèi)部性能用該39個(gè)工程參數(shù)中的兩個(gè)來表示，然后在沖突矩陣中找出解決沖突的“發(fā)明原理”。 TRIZ中的發(fā)明原理是由專門研究人員對(duì)不同

20、領(lǐng)域的已有創(chuàng)新成果進(jìn)行分析、總結(jié)，得到的具有普遍意義的經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)指導(dǎo)不同領(lǐng)域的產(chǎn)品創(chuàng)新都有重要的參考價(jià)值。在對(duì)全世界專利進(jìn)行分析，阿奇舒勒提出了40條發(fā)明原理（見附錄表二）。實(shí)驗(yàn)證明這些原理對(duì)于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的發(fā)明創(chuàng)造具有重要的作用圖2-1所示就是應(yīng)用沖突解決問題的流程。 具體化 應(yīng)用40條原理 應(yīng)用39個(gè)參考將問題一般化 一般問題 特定問題 特定解 一般解 圖2-1 應(yīng)用沖突解決問題的流程 2.2 TRIZ的三大進(jìn)化理論 TRIZ理論包含著許多系統(tǒng)的、科學(xué)的而又富有可操作的創(chuàng)造性思維方法和發(fā)明問題的分析方法，而TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論是其中的一

21、部分，其認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化存在著客觀規(guī)律而不同領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)化規(guī)律是可以相互移植的。 隨著TRIZ進(jìn)化理論的發(fā)展，不同的研究者提出了不同的進(jìn)化模式體系。有技術(shù)進(jìn)化理論（Evolution of Technique， ET）、技術(shù)進(jìn)化引導(dǎo)理論（Guided Technology Evolution， GTE）、直接進(jìn)化理論（Directed Evolution， DE）： 1）技術(shù)進(jìn)化理論 ET理論側(cè)重于TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論的原理詮釋，它著重于研究了技術(shù)進(jìn)化的動(dòng)力和理論基礎(chǔ)。該理論認(rèn)為，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的主要?jiǎng)恿碜杂谌藗儗?duì)技術(shù)系統(tǒng)主要功能逐步提高的要求。ET理論為技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化方向及進(jìn)化時(shí)間點(diǎn)

22、等的選擇問題提供了可行性思路，但由于這些假設(shè)本身是邏輯推測而非嚴(yán)格數(shù)理證明的結(jié)果，關(guān)于這些假設(shè)的實(shí)證研究也尚未開展，因此其可靠性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。 2）技術(shù)進(jìn)化引導(dǎo)理論 GTE理論包括了6條進(jìn)化模式：①增加理想度；②子系統(tǒng)不平衡；③向超系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；④增加動(dòng)態(tài)性；⑤縮短能量轉(zhuǎn)換路徑；⑥向微觀級(jí)轉(zhuǎn)換。GTE理論是以技術(shù)預(yù)測理論為中心的新興應(yīng)用性技術(shù)進(jìn)化理論，其出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)TRIZ理論開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)化的方法，對(duì)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展趨勢進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。 3）直接進(jìn)化理論 DE理論是從如何利用技術(shù)預(yù)測理論進(jìn)行戰(zhàn)略決策或提高未來可控性的角度，對(duì) 技術(shù)進(jìn)化理論進(jìn)行研究，其核心思想是精益求精。DE理論認(rèn)為，傳統(tǒng)的

23、預(yù)測理論消極地認(rèn)為等待技術(shù)進(jìn)化過程的自然發(fā)生，GTE則是機(jī)械地預(yù)測技術(shù)進(jìn)化過程，而DE理論則強(qiáng)調(diào)如何根據(jù)特定的目標(biāo)選擇適應(yīng)的技術(shù)進(jìn)化模式，以達(dá)到提高未來可控性的目的。因此，與其他技術(shù)進(jìn)化理論相比，DE具有靈活性和目標(biāo)導(dǎo)向性的特點(diǎn)，DE理論的使用步驟及通用流程詳如圖2-2所示。所以我們選用DE理論對(duì)夾具進(jìn)行進(jìn)化預(yù)測。 現(xiàn)在是理解過去的關(guān)鍵 過去是理解未來的關(guān)鍵 理解未來是控制進(jìn)化的關(guān)鍵 1. 收集歷史數(shù)據(jù) 2. DE診斷 3. 思想綜合 4. 決策制定 5. .支撐進(jìn)化過程 圖2-2 DE理論的使用步驟及通用流程圖 DE理論包含了10條進(jìn)

24、化路線：①進(jìn)化階段；②增加理想化水平；③增加資源的包含量；④系統(tǒng)零部件的非均衡發(fā)展；⑤增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和可控性；⑥增加系統(tǒng)的復(fù)雜性再簡化；⑦零件之間的匹配與不匹配；⑧向微觀進(jìn)化；⑨增加場的應(yīng)用；⑩增加自動(dòng)化，減少人的介入。 2.2 直接進(jìn)化理論 直接進(jìn)化理論是TRIZ理論的一個(gè)重要的分支，其核心是技術(shù)進(jìn)化過程的管理與控制，它主要研究技術(shù)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)化的趨勢，即技術(shù)進(jìn)化定律或進(jìn)化模式、技術(shù)進(jìn)化路線和技術(shù)進(jìn)化潛能。 2.2.1 進(jìn)化模式 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式是指技術(shù)系統(tǒng)在發(fā)展過程中所呈現(xiàn)出的復(fù)雜進(jìn)化趨勢。隨著TRIZ理論的發(fā)展，進(jìn)化模式的種數(shù)也不斷變化，進(jìn)化模式，下面是10種進(jìn)化模式: 進(jìn)化模

25、式1:進(jìn)化階段，技術(shù)系統(tǒng)的生命周期為出生、生長、成熟、退出。 考慮到原有技術(shù)系統(tǒng)與新技術(shù)系統(tǒng)的交替，可描述為六個(gè)階段： （1） 系統(tǒng)還沒有存在，但出現(xiàn)的重要條件已發(fā)現(xiàn)。 （2） 高級(jí)別的創(chuàng)新已出現(xiàn)，但發(fā)展很慢。 （3） 社會(huì)認(rèn)識(shí)到新系統(tǒng)的價(jià)值。 （4） 初始系統(tǒng)概念的資源已用盡。 （5） 新一代產(chǎn)品開始出現(xiàn)，并代替原系統(tǒng)。 （6） 原系統(tǒng)的部分應(yīng)用可能與新系統(tǒng)共同存在。 進(jìn)化模式2:增加理想化水平。 每一種系統(tǒng)完成的功能在產(chǎn)生有用效應(yīng)的同時(shí)都會(huì)不可避免地產(chǎn)生有害效應(yīng)。系統(tǒng)改進(jìn)的大致方向就是提高系統(tǒng)的理想化程度，可以通過系統(tǒng)改進(jìn)來增大系統(tǒng)的有用功能和減小系統(tǒng)的有害功能。例如第一

26、臺(tái)計(jì)算機(jī)質(zhì)量為數(shù)噸，需占用一大房間，但確實(shí)具有計(jì)算的功能。目前的便攜式計(jì)算機(jī)質(zhì)量及體積都很小，且具有文字處理、數(shù)學(xué)計(jì)算、通信、繪圖、播放多媒體等功能。 進(jìn)化模式3:增加資源的包含量。 進(jìn)化模式4:系統(tǒng)零部件的非均衡發(fā)展。 不同的子系統(tǒng)具有不同的生命周期，某些子系統(tǒng)阻礙了系統(tǒng)整體的進(jìn)化。產(chǎn)品進(jìn)化中常見的錯(cuò)誤是非關(guān)鍵子系統(tǒng)得到設(shè)計(jì)人員特別的關(guān)注。如設(shè)計(jì)人員努力開發(fā)更好地飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，但對(duì)飛機(jī)影響最大的是其空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，因此，設(shè)計(jì)人員的努力對(duì)提高飛機(jī)性能的作用不大。 進(jìn)化模式5:增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和可控性。 在系統(tǒng)的進(jìn)化過程中，技術(shù)系統(tǒng)總是通過增加動(dòng)態(tài)性和可控性而不斷地得到進(jìn)化。也就是說，

27、系統(tǒng)會(huì)增加本身的靈活性和可變性以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和滿足多種要求。例如早期的汽車是靠發(fā)動(dòng)機(jī)的速度控制的，后是靠手工操縱齒輪變速器控制速度，后來又是自動(dòng)變速器。 進(jìn)化模式6:提供增加系統(tǒng)的復(fù)雜性使問題得到簡化。 技術(shù)系統(tǒng)總是首先趨向于結(jié)構(gòu)復(fù)雜化（增加系統(tǒng)元件的數(shù)量，提高系統(tǒng)功能的特性），然后逐漸精簡（可以用一個(gè)結(jié)構(gòu)稍微簡單的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同樣的功能或者實(shí)現(xiàn)更好的功能）。把一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)這些。例如組合音響將AM/FM收音機(jī)、磁帶機(jī)、VCD機(jī)、揚(yáng)聲器等集成為一個(gè)系統(tǒng)，用戶可根據(jù)需要選擇自己需要的功能。 進(jìn)化模式7:系統(tǒng)元件匹配和不匹配交替出現(xiàn)。 在這種進(jìn)化模式中，為了改善系

28、統(tǒng)功能并消除負(fù)面效應(yīng)，系統(tǒng)元件可以匹配，也可以不匹配。例如早期的轎車采用板簧吸收振動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)式從當(dāng)時(shí)馬車上借用的。隨著轎車的進(jìn)化，板簧與轎車的其他部分已不匹配，后來研制出轎車專用減振器。 進(jìn)化模式8:由宏觀系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)進(jìn)化。 即技術(shù)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)在進(jìn)化過程中，向著減小它們尺寸的方向進(jìn)化，進(jìn)化的終點(diǎn)意味著元件不存在，需通過場實(shí)現(xiàn)其必要功能。例如烹調(diào)用的灶具開始采用燒木材或燒煤的爐子，此后的灶具燒天然氣，后來出現(xiàn)了微波爐及電磁爐。 進(jìn)化模式9:增加場的使用。 場的應(yīng)用是微觀級(jí)的最高級(jí)別，場是無形的，產(chǎn)生場的作用物可以遠(yuǎn)離系統(tǒng)，雖為系統(tǒng)的一部分但可以不在系統(tǒng)實(shí)體組成需要考慮的范圍之內(nèi)。

29、 進(jìn)化模式10: 提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少人的介入。 目的就是希望系統(tǒng)能代替人類完成那些單調(diào)乏味的工作，而讓人類去完成更多富有創(chuàng)造性的腦力工作。例如最出洗衣服用搓板，此后出現(xiàn)了單杠、雙杠洗衣機(jī)，后來又出現(xiàn)了全自動(dòng)洗衣機(jī)。 這十種模式導(dǎo)致產(chǎn)品不同的進(jìn)化路線，每種進(jìn)化模式都有多條進(jìn)化路線。 2.2.2 進(jìn)化路線 每條產(chǎn)品進(jìn)化路線是從結(jié)構(gòu)進(jìn)化的特點(diǎn)描述產(chǎn)品核心技術(shù)所處的狀態(tài)序列。進(jìn)化路線指出了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)化的狀態(tài)序列，其實(shí)質(zhì)是產(chǎn)品如何從一種核心技術(shù)移動(dòng)到另一新的核心技術(shù)，新舊核心技術(shù)所完成的基本功能相同，但新技術(shù)的性能極限提高或成本降低。即產(chǎn)品沿進(jìn)化路線進(jìn)化的過程是新舊核心技術(shù)更替的過程。

30、 基于當(dāng)前產(chǎn)品核心技術(shù)所處的狀態(tài)，按照進(jìn)化路線，通過設(shè)計(jì)，可使其移動(dòng)到新的狀態(tài)。核心技術(shù)通過產(chǎn)品的特定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品進(jìn)化過程的實(shí)質(zhì)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)化的剛性系統(tǒng) 一個(gè)鉸鏈 多鉸鏈 彈性體 液體 氣體 場 單鏡頭 雙鏡頭 多鏡頭 彈性鏡頭 液體鏡頭 氣體鏡頭 場控鏡頭 本機(jī)構(gòu)目前所處狀態(tài) 新狀態(tài) 過程。因此，TRIZ中的技術(shù)進(jìn)化理論是預(yù)測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)化的理論。如圖2-3所示是模式5“增加動(dòng)態(tài)性和可控性”下的一條進(jìn)化路線和產(chǎn)品的進(jìn)化過程。 圖2-3 “增加動(dòng)態(tài)性和可控性”中的進(jìn)化路線 進(jìn)化模式1 進(jìn)化模式2 進(jìn)化模式… 進(jìn)化模式n 問題 進(jìn)化路線1-1

31、 進(jìn)化路線… 進(jìn)化路線1-m 進(jìn)化路線n-1 進(jìn)化路線… 進(jìn)化路線n-m 狀態(tài)1 狀態(tài)3 狀態(tài)… 狀態(tài)2 狀態(tài)p 當(dāng)前狀態(tài) 最高狀態(tài) 技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化路線是指一個(gè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)進(jìn)化的特點(diǎn)描述產(chǎn)品核心技術(shù)所處的狀態(tài)序列。每種進(jìn)化模式都包括多條進(jìn)化路線，目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品進(jìn)化路線已有300多條，典型的進(jìn)化路線有20條。研究這些進(jìn)化路線對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新具有很重要的意義。應(yīng)用進(jìn)化模式與進(jìn)化路線的過程如圖2-4所示 圖2-4 搜索具有進(jìn)化潛力的進(jìn)化路線 應(yīng)用進(jìn)化模式和進(jìn)化路線過程為：根據(jù)已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇一種或幾種進(jìn)化模式，然后從每種模式中選擇一種或幾種進(jìn)化路線，從進(jìn)

32、化路線中確定新的核心技術(shù)的可能的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 2.2.3 進(jìn)化潛能 系統(tǒng)的進(jìn)化潛能 系統(tǒng)已進(jìn)化的路線 技術(shù)進(jìn)化模式、進(jìn)化路線與現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)的融合，產(chǎn)生了進(jìn)化潛能的新概念。TRIZ直接進(jìn)化的潛能圖（也稱雷達(dá)圖）如圖2-5所示，圖中每一條射線表示與構(gòu)件或系統(tǒng)相關(guān)的進(jìn)化模式，外周表示進(jìn)化模式沿各條路線的進(jìn)化極限，陰影面積表示目前產(chǎn)品沿進(jìn)化路線已完成的進(jìn)化，而進(jìn)化極限與陰影面積之間的面積差就代表該系統(tǒng)的進(jìn)化潛能。對(duì)不同的產(chǎn)品，進(jìn)化模式可能不同。進(jìn)化潛能圖可直觀表示給定技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化情況，為設(shè)計(jì)人員確定未來技術(shù)開發(fā)方向提供了理論依據(jù)。 圖2-5 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化潛能圖 由于直接進(jìn)化的進(jìn)化

33、潛能圖將進(jìn)化極限定義為TRIZ預(yù)測的產(chǎn)品能達(dá)到的最終進(jìn)化路線，即進(jìn)化潛能圖是一個(gè)封閉的多邊形圖，這顯然與技術(shù)的不斷進(jìn)步不符。所以，應(yīng)從發(fā)展的觀點(diǎn)研究技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化潛能。 3 基于DE的仿生抓夾式夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì) 3.1 夾具 機(jī)械制造的機(jī)械加工、焊接、熱處理、檢驗(yàn)、裝配等工藝過程中，為了安裝加工工件，使之占有正確的位置，以保證零件和產(chǎn)品的質(zhì)量，并提高生產(chǎn)效率，所采用的工藝裝備稱為夾具。 3.1.1 夾具的分類 機(jī)床夾具可以按不同的方式進(jìn)行分類。 1）按通用化程度分類 ①通用夾具 通用夾具是指已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的，在一定范圍內(nèi)可用于加工不同工件的夾具。例如，車床上三爪卡盤和四爪單動(dòng)卡盤，銑床

34、上的平口鉗、分度頭和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。這類夾具一般由專業(yè)工廠生產(chǎn)，常作為機(jī)床附件提供給用戶。 采用這類夾具可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，減少夾具品種，從而降低生產(chǎn)成本。其缺點(diǎn)是夾具的加工精度不高，生產(chǎn)率也較低，且較難裝夾形狀復(fù)雜的工件，故適用于單件小批量生產(chǎn)。 ②專用夾具 專用夾具是針對(duì)某一工件某一工序的加工要求而專門設(shè)計(jì)和制造設(shè)夾具。其特點(diǎn)是針對(duì)性極強(qiáng)，沒有通用性。在產(chǎn)品相對(duì)穩(wěn)定、批量較大的生產(chǎn)中，常用各種專用夾具，可獲得較高的生產(chǎn)率和加工精度。專用夾具的設(shè)計(jì)制造周期較長，隨著現(xiàn)代多品種，中、小批生產(chǎn)的發(fā)展，專用夾具在適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等方面已產(chǎn)生很多問題。 ③成組夾具 適用于一組零件的夾具，一般

35、都是同類零件，經(jīng)過調(diào)整（如更換、增加一些元件）可用來定位，夾緊一組零件。 ④組合夾具 由許多標(biāo)準(zhǔn)件組合而成，可根據(jù)零件加工工序的需求拼裝，用完后再拆卸，可用于單件、小批生產(chǎn)。 ⑤隨行夾具 用于自動(dòng)線上，工件安裝在隨行夾具上，隨行夾具由運(yùn)輸裝置送往各機(jī)床，并在機(jī)床夾具或機(jī)床工作臺(tái)上進(jìn)行定位夾緊。 2）按使用機(jī)床的類型分類 可分為車床夾具、磨床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、銑床夾具等。 3）按動(dòng)力源分類 可分為手動(dòng)夾具、氣動(dòng)夾具、液壓夾具、氣液夾具、電動(dòng)夾具、電磁夾具、真空夾具、自緊夾具等。 4）按用途分類 可分為機(jī)床夾具、裝配夾具、檢驗(yàn)夾具、抓夾夾具等。 3.1.2 夾具的作用

36、 夾具在零件加工過程中的作用主要有以下5點(diǎn)： （1）保證加工精度。用夾具裝夾工件時(shí)，能穩(wěn)定地保證加工精度，并減少對(duì)其他生產(chǎn)條件的依賴性，故在精密加工中廣泛地使用夾具。另外，它還是全面質(zhì)量管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 （2）提高生產(chǎn)率。用夾具來定位、夾緊工件，就避免了手工操作用劃線等方法來定位工件，縮短了安裝工件的時(shí)間。 （3）降低生產(chǎn)成本。在批量生產(chǎn)中使用夾具時(shí)，由于勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和允許使用技術(shù)等級(jí)較低的人工操作，故可明顯地降低生產(chǎn)成本。 （4）改善工人的勞動(dòng)條件。用夾具裝夾工件方便、省力、安全。當(dāng)采用氣壓、液壓等夾緊裝置時(shí)，可減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。 （5）擴(kuò)大機(jī)床的工藝范圍

37、。在機(jī)床上安裝一些夾具可以擴(kuò)大其工藝范圍。如在車床上加上三爪卡盤，加工短軸類、套類零件等要方面很多。有些夾具對(duì)保證發(fā)揮機(jī)床基本性能的作用是很大的，如在牛頭刨床上沒有虎鉗是很難進(jìn)行加工的。 3.1.3 夾具的組成 一般的夾具是由下列幾部分組成： （1）定位元件。定位元件是夾具的主要功能元件之一，它的作用是使工件在夾具中占據(jù)正確的位置。通常，當(dāng)工件定位基準(zhǔn)面的形狀確定后，定位元件的結(jié)構(gòu)也就基本上確定了。 （2）夾緊裝置。將工件夾緊，以保證在加工時(shí)保持所限制的自由度。根據(jù)動(dòng)力源的不同，可分為手動(dòng)、氣動(dòng)、液壓和電動(dòng)等夾緊裝置。通常，夾緊裝置的結(jié)構(gòu)會(huì)影響夾具的復(fù)雜程度和性能。它的結(jié)構(gòu)類型很多，設(shè)

38、計(jì)時(shí)應(yīng)注意選擇。 （3）導(dǎo)向元件和對(duì)刀裝置。用來保證刀具相對(duì)于夾具的位置，對(duì)于鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、鏜刀等孔加工刀具用導(dǎo)向元件，對(duì)于銑刀、刨刀等用對(duì)刀裝置。 （4）連接元件。根據(jù)機(jī)床的工作特點(diǎn)，夾具在機(jī)床上的安裝連接常有兩種形式：一種是安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，另一種是安裝在機(jī)床主軸上。連接元件用以確定夾具本身在機(jī)床上的位置。 （5）夾具體。夾具體是夾具的基本骨架。定位元件、夾緊裝置、導(dǎo)向元件、對(duì)刀裝置、導(dǎo)向元件、對(duì)刀裝置、連接元件等都裝在它上面，因此夾具體一般比較復(fù)雜，它保證了各元件之間的相對(duì)位置。常用的夾具體為鑄造結(jié)構(gòu)、鍛造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)，形狀有回轉(zhuǎn)體形和底座形等多種。 （6）其他元件及裝

39、置。根據(jù)加工需要，有些夾具還會(huì)采用分度裝置、靠模裝置、上下料裝置、工業(yè)機(jī)器人、頂出器和平衡塊等，這些元件或裝置也需要專門設(shè)計(jì)。 夾緊裝置 連接元件 導(dǎo)向元件 對(duì)刀裝置 定位元件 夾具體 輔助工具 其他 機(jī)床 工件 刀具 機(jī)床夾具和機(jī)床、刀具、工件之間的關(guān)系如圖3-1所示。 圖3-1 機(jī)床夾具和機(jī)床、刀具、工件之間的關(guān)系 3.1.4 夾具的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 夾具最早出現(xiàn)在18世紀(jì)后期，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。 （1）夾具的現(xiàn)狀 國際生產(chǎn)研究協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)表明，目前中、小批多品種生產(chǎn)的工件品種已占工件種類總數(shù)的85%

40、左右?，F(xiàn)代生產(chǎn)要求企業(yè)所制造的產(chǎn)品品種經(jīng)常更新?lián)Q代，以適應(yīng)市場的需求與競爭。然而，一般企業(yè)都仍習(xí)慣于大量采用傳統(tǒng)的專用夾具，一般在具有中等生產(chǎn)能力的工廠里，約擁有數(shù)千甚至近萬套專用夾具；另一方面，在多品種生產(chǎn)的企業(yè)中，每隔3～4年就要更新50～80%左右專用夾具，而夾具的實(shí)際磨損量僅為10~20%左右。特別是近年來，數(shù)控機(jī)床、加工中心、成組技術(shù)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）等新加工技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)機(jī)床夾具提出了如下新的要求： ①能迅速而方便地裝備新產(chǎn)品的投產(chǎn)，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)成本； ②能裝夾一組具有相似性特征的工件； ③能適用于精密加工的高精度機(jī)床夾具； ④能適用于各種現(xiàn)代

41、化制造技術(shù)的新型機(jī)床夾具； ⑤采用以液壓站等為動(dòng)力源的高效夾緊裝置，以進(jìn)一步減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率； ⑥提高機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化程度。 （2）夾具的發(fā)展方向 現(xiàn)代機(jī)床夾具的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)化、精密化、高效化和柔性化等四個(gè)方面。 ①標(biāo)準(zhǔn)化。機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化是相互聯(lián)系的兩個(gè)方面。目前我國已有夾具零件及部件的國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T2148～T2259－91以及各類通用夾具、組合夾具標(biāo)準(zhǔn)等。機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于夾具的商品化生產(chǎn)，有利于縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)總成本。 ②精密化。隨著機(jī)械產(chǎn)品精度的日益提高，勢必相應(yīng)提高了對(duì)夾具的精度要求。精密化夾具的結(jié)構(gòu)類型很

42、多，例如用于精密分度的多齒盤，其分度精度可達(dá)±0.1；用于精密車削的高精度三爪自定心卡盤，其定心精度為5μm。 ③高效化。高效化夾具主要用來減少工件加工的基本時(shí)間和輔助時(shí)間，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。常見的高效化夾具有自動(dòng)化夾具、高速化夾具和具有夾緊力裝置的夾具等。例如，在銑床上使用電動(dòng)虎鉗裝夾工件，效率可提高5倍左右；在車床上使用高速三爪自定心卡盤，可保證卡爪在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為9000r/min的條件下仍能牢固地夾緊工件，從而使切削速度大幅度提高。目前，除了在生產(chǎn)流水線、自動(dòng)線配置相應(yīng)的高效、自動(dòng)化夾具外，在數(shù)控機(jī)床上，尤其在加工中心上出現(xiàn)了各種自動(dòng)裝夾工件的夾具以及自動(dòng)更換夾具的

43、裝置，充分發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床的效率。 ④柔性化。機(jī)床夾具的柔性化與機(jī)床的柔性化相似，它是指機(jī)床夾具通過調(diào)整、組合等方式，以適應(yīng)工藝可變因素的能力。工藝的可變因素主要有：工序特征、生產(chǎn)批量、工件的形狀和尺寸等。 具有柔性化特征的新型夾具種類主要有：組合夾具、通用可調(diào)夾具、成組夾具、模塊化夾具、數(shù)控夾具等。為適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)多品種、中小批量生產(chǎn)的需要，擴(kuò)大夾具的柔性化程度，改變專用夾具的不可拆結(jié)構(gòu)為可拆結(jié)構(gòu)，發(fā)展可調(diào)夾具結(jié)構(gòu)，將是當(dāng)前夾具發(fā)展的主要方向。 3.2 柔性夾具 一般說來，柔性夾具是指工件的形狀和尺寸有一定變化后，夾具還能適應(yīng)繼續(xù)使用的應(yīng)變能力。但是工件變化可以在小范圍，即在相似的

44、形狀和和尺寸變動(dòng)不大的范圍內(nèi)，也可在大范圍，即零件形狀完全不同，尺寸變化很大。所以，柔性夾具還是含糊的，沒有明確的定義和界限?；\統(tǒng)的說，就是指與NC機(jī)床、加工中心配合使用的、具有夾持多種不同工件能力的夾具。 3.2.1 柔性夾具的分類 柔性夾具是指用同一夾具系統(tǒng)，完成多種形狀尺寸各異的工件裝夾的裝備?；蛘哒f，柔性夾具就是指與NC機(jī)床、加工中心配合使用的，具有加工多種不同工件的夾具。柔性夾具的主要類見表1。 表1 柔性夾具分類表 分類 柔性工作原理 種類 主要優(yōu)缺點(diǎn) 組合夾具 標(biāo)準(zhǔn)元件的機(jī)械裝配 孔系、槽系 應(yīng)用較廣，特別是孔系組合夾具因剛度好而應(yīng)用于數(shù)控加工中心 可調(diào)整

45、夾具 在通用或者專用夾具基礎(chǔ)上更換元件和調(diào)節(jié)元件位置 通用、成組 通用范圍大，適應(yīng)性廣，加工對(duì)象不太固定，一般在多品種、小批量中應(yīng)用廣泛 模塊化程序控制式夾具 用伺服控制機(jī)構(gòu) 雙轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)式 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高，柔性有限 適應(yīng)性夾具 將定位元件或者夾緊元件分解成更小的元素以適應(yīng)工件的連續(xù)變化 渦輪葉片式 彎曲場軸式 適應(yīng)范圍小 相變材料 夾具 材料物理性質(zhì)（相態(tài)、壓強(qiáng)）的變化 真相變材料夾具、偽變相材料流態(tài)床夾具 工件加工精度受到相變條件 仿生抓夾 式夾具 形狀記憶合金 機(jī)器人終端器夾具 成本較高 3.2.2 仿生抓夾式夾具 根據(jù)柔性夾具的分類

46、可知，仿生抓夾式夾具是由柔性夾具發(fā)展得到的。它包括了結(jié)構(gòu)柔性，材料柔性等。比如說它的材料柔性，它的材料可為形狀記憶合金。 形狀記憶合金是近幾十年發(fā)展起來的一種新型功能材料，它是利用應(yīng)力和溫度誘發(fā)相變的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能的一類材料。其特點(diǎn)是：將已在高溫下定形的形狀記憶合金置于低溫或常溫下使其變形，當(dāng)環(huán)境溫度升高到臨界溫度時(shí)，合金的變形消失并可回復(fù)到定型時(shí)的原始狀態(tài)。 仿生抓夾式夾具是仿照生物的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)和制造出來的，如生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、表面肌理、功能等。主要是仿照生物的夾持能力。如下圖3-2，仿照蜘蛛的多爪抓夾夾具。 仿生抓夾式夾具主要用來抓夾物體，一般用在機(jī)器人或機(jī)械裝置的終端。

47、圖3-2 多抓仿生抓夾夾具 3.3 仿生抓夾式夾具的進(jìn)化預(yù)測 3.3.1 進(jìn)化路線分析 經(jīng)過對(duì)仿生抓夾式夾具技術(shù)的分析，我們將從以下幾條進(jìn)化路線對(duì)仿生抓夾式夾具技術(shù)進(jìn)行分析，分別為增加反饋可控性、增加動(dòng)態(tài)化路線、減少人為干預(yù)路線。 （1）增加反饋可控性 直接控制 增加反饋 增加媒介控制 智能反饋 機(jī)械控制 液壓控制 增加傳感器 智能控制 目前狀態(tài) 新狀態(tài) 這是直接進(jìn)化理論的模式5下的一條路線，即“增加動(dòng)態(tài)性及可控性”。 圖3-3 仿生抓夾式夾具的反饋可控性路線 通過對(duì)仿生抓夾式夾具技術(shù)的發(fā)展分析，得出仿生抓夾式夾具反饋可控性路線，如圖3-3所示。 最初的仿生

48、抓夾式夾具制造簡單，由工人手動(dòng)夾緊，操作簡單，屬于機(jī)械控制，如下圖3-4所示，為一個(gè)簡單的機(jī)械控制仿生抓夾式夾具。機(jī)械控制是最基本的一種控制，它是利用機(jī)械設(shè)備本身的有關(guān)部件實(shí)現(xiàn)控制，但是工作效率低，精度也低。 圖3-4 機(jī)械控制 圖3-5 液壓控制 隨著仿生抓夾夾具的發(fā)展，先后出現(xiàn)了液壓和氣壓控制，大多數(shù)使用液壓控制。液壓控制是仿生抓夾式夾具的一種主要的控制方式。仿生抓夾式夾具的夾持元件運(yùn)動(dòng)速度和操作是根據(jù)油的流量與壓力來確定的，因而只要控制油的流量與壓力，就可以控制夾持元件的運(yùn)動(dòng)速度和夾持力。如圖3-5所示，就是液壓的工作原理。這樣的改進(jìn)之后，

49、工作效率有很大的提高，且比較穩(wěn)定，減少了人力的加入。 目前在工業(yè)生產(chǎn)中，好多精密零件的加工需要精確的裝夾，而一般的控制已經(jīng)無法滿足。所以就出現(xiàn)了增加反饋的仿生抓夾式夾具，在夾具中加入了反饋元件（傳感器），一般為壓力傳感器，它能快速的、及時(shí)的、準(zhǔn)確的反映出夾持力的大小，以便及時(shí)調(diào)整。這樣就大大的提高了工件的裝夾精度。 隨著產(chǎn)品的要求越來越高，工件的加工精度越高，裝夾精度也就越高。這就使人們想到了智能化，如具有高度的“觸覺”和“視覺”等，且能高速準(zhǔn)確的自動(dòng)控制夾具，及時(shí)調(diào)整夾持力。目前仿生抓夾式夾具在這方面技術(shù)不成熟，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍都非常小。所以，仿生抓夾式夾具的智能控制還有很大的研究空間

50、上面的分析可以看出，仿生抓夾式夾具基本上還在增加反饋階段，在反饋可控性路線上有一定的發(fā)展?jié)摿Γ上蛑悄芊答伔较虬l(fā)展。 （2）增加動(dòng)態(tài)化 仿生抓夾式夾具可以按照進(jìn)化模式5，即“增加動(dòng)態(tài)性及可控性模式”來進(jìn)行預(yù)測分析。通過它來確定尋找新的替代技術(shù)的可能方向，我們從增加動(dòng)態(tài)化這條路線分析，這條路線可分為6個(gè)階段，如圖3-6所示。 剛性體 單鉸鏈 多鉸鏈 彈性體 分子結(jié)構(gòu) 場 目前狀態(tài) 新狀態(tài) 最初的仿生抓夾式夾具的抓夾部分（爪子）是剛性的，不可轉(zhuǎn)動(dòng)的，它制造簡單。但是很多復(fù)雜的零件它不可夾持，不穩(wěn)定，且易損壞工件。 圖3-6 增加動(dòng)態(tài)化路線 為了改善上面的一些不足，就出

51、現(xiàn)了單鉸鏈的爪子，它就可以夾持一些稍微復(fù)雜或不規(guī)則的工件了。隨著工業(yè)的發(fā)展，需要制造的精度也越來越高，所以對(duì)仿生抓夾式夾具的要求也就越高了，更加朝著柔性化發(fā)展。接著就出現(xiàn)了多鉸鏈的夾爪，使得它更加的柔性化，就如多指關(guān)節(jié)的機(jī)械手，如圖3-7所示。 圖3-7 多關(guān)節(jié)機(jī)械手 仿生抓夾式夾具技術(shù)正經(jīng)歷著向更加柔性的變化，電磁能和熱能等場在仿生抓夾式夾具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還相對(duì)簡單，應(yīng)用也比較少，仍然有很多值得探討的地方，具有非常廣闊的空間。所以，仿生抓夾式夾具在增加動(dòng)態(tài)性這條路線上還有很大的進(jìn)化潛力，這無疑也是非常令人期待的一個(gè)新突破。 (3)減少人為干預(yù) 手工操作 機(jī)械化 智能化 手工夾

52、緊 人工裝夾工件 液壓、氣壓夾緊 自動(dòng)調(diào)整夾持力 機(jī)構(gòu)自鎖 這是進(jìn)化模式10“增加自動(dòng)化，減少人的介入”下的一條進(jìn)化路線。進(jìn)化路線如圖3-8所示。圖中還表示了仿生抓夾式夾具技術(shù)在此條進(jìn)化路線上的發(fā)展。 圖3-8 減少人為干預(yù)的進(jìn)化路線 最開始的仿生抓夾式夾具是非常簡易的，全部由人工夾緊操作。工作效率很低，人的工作量大，且不夠穩(wěn)定，不安全。為了減少人的工作量，仿生抓夾式夾具機(jī)械化，有機(jī)械驅(qū)動(dòng)夾緊的，液壓驅(qū)動(dòng)夾緊、氣壓驅(qū)動(dòng)夾緊、電氣驅(qū)動(dòng)夾緊的，如圖3-9就是一個(gè)液壓抓具的簡圖。這樣的改進(jìn)之后，工作比較可靠，工作效率高，而成本不高，人們可以去完成更具有創(chuàng)造性的工作了。 油缸 圖

53、3-9 液壓抓夾夾具簡圖 如何提高技術(shù)系統(tǒng)的功能效益，用來實(shí)現(xiàn)那些枯燥的功能，這就需要往智能化方面的發(fā)展了。目前，智能化在仿生抓夾式夾具中的應(yīng)用還比較小。比如如何自動(dòng)的調(diào)整夾持力的大小、智能定位、智能測量工件的尺寸等。所以，仿生抓敬夾式夾具技術(shù)在這方面還是有很大的發(fā)展空間的。 3.3.2 預(yù)測結(jié)論 通過對(duì)增加反饋性路線、增加動(dòng)態(tài)化路線和減少人為干預(yù)路線這三條路線的進(jìn)化分析。得出仿生抓夾式夾具的方向可以歸結(jié)為兩點(diǎn)： 1）智能化。比如使夾具智能定位，自動(dòng)測量，自動(dòng)調(diào)整夾持力等。這就需要自動(dòng)化和電方面的知識(shí)了?？梢栽趭A具中加入傳感器、控制器等。 2）結(jié)構(gòu)柔性化。即仿生抓夾式夾具更加的動(dòng)

54、態(tài)化，使夾具的可自適應(yīng)性更強(qiáng)。如同一夾具可以夾持不同形狀，不同尺寸的工件。而現(xiàn)在的仿生抓夾式夾具如要做到這點(diǎn)，則必須換不同夾持元件。 這里，我將從第二個(gè)方面——結(jié)構(gòu)柔性化，來對(duì)仿生抓夾式夾具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 3.4 仿生抓夾式夾具的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 通過上節(jié)對(duì)仿生抓夾式夾具技術(shù)的進(jìn)化預(yù)測分析，我們應(yīng)用TRIZ理論對(duì)仿生抓夾式夾具存在的問題加以分析，提出可行的解決方案。 （1）問題描述 ① 傳統(tǒng)的抓夾式夾具不適合夾持尺寸不一的工件，適應(yīng)性和通用性差。這是因?yàn)閵A持部位（爪子）的大小是固定的，所以尺寸小的仿生抓夾式夾具，不適合夾大尺寸的工件，反之亦然。 ② 如果夾持不同尺寸的工件需要不同的仿生抓夾

55、式夾具的話，那么就需要很多套爪子，系統(tǒng)非常復(fù)雜，成本高，管理不便，操作也不便。總之，矛盾集中體現(xiàn)仿生抓夾式夾具的的適應(yīng)性及多用性與其系統(tǒng)的復(fù)雜性這兩個(gè)工程參數(shù)之間。 （2）問題分析 要解決的這個(gè)問題，涉及兩個(gè)工程參數(shù)： ? 欲改善參數(shù)：適應(yīng)性及多用性（No.35） ? 負(fù)面影響參數(shù)：系統(tǒng)的復(fù)雜性（No.36） 由沖突矩陣表查出發(fā)明原理，如表2所示。 由沖突矩陣查出推薦的發(fā)明原理： No.15——?jiǎng)討B(tài)特性原理。調(diào)整物體或環(huán)境的性能，使其在工作的各個(gè)階段都達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；分割物體，使其各部分可以改變相對(duì)位置；如果一個(gè)物體整體是靜止的，使之移動(dòng)或可動(dòng)。 No.28——機(jī)械系統(tǒng)的替代原理

56、。用光學(xué)系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)、電磁學(xué)系統(tǒng)或影響人類感覺的系統(tǒng)，代替機(jī)械系統(tǒng)；使用與物體相互作用的電場、磁場、電磁場；用運(yùn)動(dòng)場代替恒定場，結(jié)構(gòu)化場代替非結(jié)構(gòu)化場；把場與場作用和鐵磁粒子組合使用。 No.29——?dú)鈩?dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理。將物體的固體部分，用氣體或流體代替，將氣體或液體用于膨脹或減振。 No.37——熱膨脹原理。利用材料的熱膨脹或熱收縮；組合使用不同熱膨脹系數(shù)的幾種材料。 表2 沖突矩陣 惡化的 改善 特性 的特性 No.1 …… No.36 系統(tǒng)的 復(fù)雜性 …… No.39 No.1 …

57、No.35 適應(yīng)性及 多用性 15，29 37，28 … No.39 綜合分析以上4條發(fā)明原理，其中29號(hào)氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理和37號(hào)熱膨脹原理對(duì)該問題的意義不大。 再來看看另外兩個(gè)原理：No.15號(hào)動(dòng)態(tài)特性原理和No.28號(hào)機(jī)械系統(tǒng)的替代原理。 原理15——?jiǎng)討B(tài)性?？梢詫⒎律A式夾具的爪子變得更加的柔性化，如果爪子可以隨著工件尺寸的大小變化而變長變短，就解決了問題。 原理28——機(jī)械系統(tǒng)的替代原理?？梢砸粤硪粋€(gè)系統(tǒng)來代替爪子的機(jī)械系統(tǒng)，如電磁場，也可以解決問題。 （3）解決方案 1）方案一：應(yīng)用15號(hào)動(dòng)態(tài)化原

58、理 首先，我們將爪子改為多鉸鏈的或彈性體的，如圖3-10所示，就是將剛性體改為多鉸鏈的。這樣可以使夾具更加的適應(yīng)工件的形狀，使夾持更加穩(wěn)定。 圖3-10 多鉸鏈元件 圖3-11 伸縮元件 如果要使夾具可以夾持不同尺寸的工件，就得改變爪子的長短。所以我們可以把爪子設(shè)計(jì)成伸縮的或折疊形的，又因?yàn)檎郫B的占用空間，而伸縮性的不僅占用空間小，且在不使用時(shí)，還起到保護(hù)作用，不受外界污染。如圖3-11所示，就是一個(gè)伸縮形的元件。最后，我們將仿生抓夾式的爪子做成可伸縮的多鉸鏈形式。如圖3-12所示。 圖3-12可伸縮多鉸鏈抓夾式夾具 2）方案二：應(yīng)用28號(hào)

59、機(jī)械系統(tǒng)替代原理 仿生抓夾式夾具主要是通過爪子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來夾持工件的，而能夾持工件的大小決定于爪子的形狀及大小。通過機(jī)械系統(tǒng)替代原理我們可以通過機(jī)械系統(tǒng)改為磁場系統(tǒng)。 可以設(shè)計(jì)帶有吸附作用的元件，就猶如壁虎爬墻，如圖3-13所示。或者直接將爪子去掉，改為吸盤式的，這樣就可以解決問題了。 圖3-13 吸附式爪子 比較方案一和方案二，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：伸縮性抓夾夾具可以在不用時(shí)可以收起來，占用空間小，且穩(wěn)定性比較高，但制造精度要高，來保證嵌套的緊密型；吸附式的夾具，制造簡單，適用性廣。 結(jié) 論 技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化路線和進(jìn)化潛能的研究對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有重要的知道作用。本文通過對(duì)仿生

60、抓夾式夾具技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r分析，歸納和總結(jié)了仿生抓夾式夾具技術(shù)的進(jìn)化路線，通過對(duì)這些進(jìn)化路線的具體分析，對(duì)對(duì)仿生抓夾式夾具做出技術(shù)進(jìn)化預(yù)測。得出仿生抓夾式夾具技術(shù)在動(dòng)態(tài)化路線、減少人為干預(yù)路線、反饋可控性路線上還有很大的發(fā)展空間。 通過對(duì)仿生抓夾式夾具的進(jìn)化預(yù)測分析，以及對(duì)仿生抓夾式夾具技術(shù)目前遇到的問題進(jìn)行分析。我們應(yīng)用TRIZ發(fā)明問題解決理論的沖突原理對(duì)仿生抓夾夾具做出創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 TRIZ理論是個(gè)有效的產(chǎn)品創(chuàng)新工具，本文對(duì)現(xiàn)在仿生抓夾式夾具目前存在的問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用TRIZ理論，構(gòu)沖突，用39個(gè)工程參數(shù)中的2個(gè)描述該沖突，即No.35適應(yīng)性及多用性與No.36系統(tǒng)的復(fù)雜性的沖突

61、。由沖突矩陣確定可用的發(fā)明原理——15號(hào)動(dòng)態(tài)化原理和28號(hào)機(jī)械系統(tǒng)的替代原理，由發(fā)明原理所提供的思路與線索，對(duì)仿生抓夾式夾具進(jìn)行TRIZ分析，得出解決方案。設(shè)計(jì)出可伸縮柔性的仿生抓夾式夾具和吸附式仿生抓夾式家具，它們不僅可以抓夾不同尺寸的工件，并且制造簡單，占用空間小，成本低。 參考文獻(xiàn) [1] 于帆，陳嬿. 仿生造型設(shè)計(jì). 華中科技大學(xué)出版社. 2005，11. [2] Hamel, G., Leading the Revolution.Bosten:Harvard Business School Press ,2000. [3] 趙敏，史曉凌，段海波. TRIZ入門及實(shí)踐.

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