基于Pro／Innovator油缸機(jī)械手?jǐn)[臂精度問題的解決方案分析

鐵曉艷，張振潮，張作超，王虎強(qiáng)，焦春照

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

我國工業(yè)正在朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、虛擬化、智能化的方向發(fā)展，對計算機(jī)技術(shù)的依賴也與日俱增，在技術(shù)創(chuàng)新中，對強(qiáng)有力的計算機(jī)輔助工具的需求愈加急迫。億維訊創(chuàng)造性地將發(fā)明問題解決理論TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）、本體論、多工程領(lǐng)域中解決相似技術(shù)問題的有效方法、現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、自然語言處理技術(shù)和計算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了新一代的CAI技術(shù)工具——計算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計平臺Pro／Innovator。

1 PRO／Innovator介紹

計算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計平臺Pro／Innovator借助其強(qiáng)大的綜合分析工具和源于世界優(yōu)秀專利而創(chuàng)建的創(chuàng)新方案庫，不同工程領(lǐng)域的技術(shù)人員在面臨每一技術(shù)難題時，可打破思維定勢、拓寬思路，以全新的視角和思路分析問題，快速得到可操作的高效解決方案。

在進(jìn)行問題方案分析時，借助TRIZ創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)和解決問題理論，揭示創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，從而獲得最終的理想解。運(yùn)用TRIZ理論和Pro／Innovator創(chuàng)新設(shè)計平臺解決問題、分析方案，可以明確現(xiàn)有產(chǎn)品或工藝流程中存在的問題，并迅速確定和解決產(chǎn)品升級與開發(fā)中的關(guān)鍵問題，不僅可加快設(shè)計人員創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品［1-2］。換言之，利用TRIZ理論解決問題的路線方針，而Pro／Innovator平臺是TRIZ研究成果的一種具體化表現(xiàn)，是解決問題的工具與方案庫［3-4］。

一個創(chuàng)新問題解決的困難程度取決于對該問題描述的清晰程度，描述得越清楚，問題就越容易解決，因此，Pro／Innovator中創(chuàng)新問題求解的過程也是對問題不斷深入描述的過程。通常為了獲取最理想的解決方案，需要從宏觀和微觀上分別分析、提取系統(tǒng)中所包含的物理矛盾，即系統(tǒng)本身可能產(chǎn)生對立的特性。Pro／Innovator解決創(chuàng)新問題的一般流程如圖1所示。

圖1 Pro／Innovator解決創(chuàng)新問題的一般流程圖Fig.1 General flow chart for solving innovation problem by Pro／Innovator

2 油缸機(jī)械手?jǐn)[臂問題分析

基于Pro／Innovator和TRIZ創(chuàng)新理論，針對油缸機(jī)械手?jǐn)[臂精度的問題進(jìn)行創(chuàng)新方案設(shè)計與分析，從而解決問題。

2.1 項(xiàng)目來源

軸承磨床加工套圈時，采用油缸機(jī)械手進(jìn)行自動上下料，其主要作用是更換軸承套圈，使磨床能夠連續(xù)加工工件。油缸機(jī)械手?jǐn)[臂結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為：液壓油從入口進(jìn)入油缸，油缸固定在箱體上；左端液壓油驅(qū)動活塞向右移動；齒條活塞帶動齒輪軸旋轉(zhuǎn)，齒輪軸支承夾緊塊，夾緊塊自夾緊在齒輪軸上，擺臂桿固定在夾緊塊上，撥爪固定在擺臂桿上，定位塊固定在齒輪軸上（限制旋轉(zhuǎn)角度）；液壓油從右端出口進(jìn)入油缸，形成回路；液壓輸出控制，擺臂桿輸出動力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的擺臂功能。

圖2 油缸機(jī)械手三維簡圖Fig.2 3D diagram of oilcylinder manipulator

油缸機(jī)械手?jǐn)[臂工序流程為：軸承套圈沿上料道滾動到一定位置（擋料塊擋料）；機(jī)械手在初始位置抓取套圈，在油缸的驅(qū)動下擺臂，運(yùn)動到油缸行程限定的工件加工位；抓手松開，返回到初始位置。

2.2 問題分解

油缸驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)行擺臂運(yùn)動時，系統(tǒng)存在的主要問題為：由于液壓系統(tǒng)需保證油缸內(nèi)外壓力一致，齒輪齒條運(yùn)動之間存在間隙，導(dǎo)致機(jī)械手不能精準(zhǔn)的在正確位置上擺動；機(jī)械手?jǐn)[臂速度和回程速度較慢，影響整機(jī)加工效率。當(dāng)齒輪齒條間隙過小時，容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象；當(dāng)齒輪齒條間隙過大時，造成擺臂精度下降。所以，如何提高油缸機(jī)械手?jǐn)[臂的精度是工件連續(xù)自動上下料的關(guān)鍵，即該系統(tǒng)的技術(shù)IFR（最終理想解）是機(jī)械手能夠準(zhǔn)確無誤地擺臂到工件加工位置；齒輪齒條能夠運(yùn)動自如，不會卡死；不會出現(xiàn)液壓油泄漏；不會帶來其他的有害作用。

2.3 系統(tǒng)分析

針對該系統(tǒng)運(yùn)用小人法［5］建立如圖3所示的問題模型：小人1，2，3，4，5分別代表液壓油、齒條、機(jī)械手、齒輪軸、齒輪軸與齒條的間隙。

圖3 小人法建立的問題模型Fig.3 Problem model built by smart little people method

通過系統(tǒng)問題分析可知，存在4個方面的問題：小人1力氣太小，推不動小人2；小人2與小人3因箱子糾纏時間太長；小人3無法到達(dá)指定位置；小人1趁機(jī)逃走。綜合這些原因?qū)е碌慕Y(jié)果為小人2與小人4糾纏時間太長，導(dǎo)致小人3沒有達(dá)到指定位置。

由此，建立目標(biāo)模型為引入X，并且X的功能是能夠保證小人3到達(dá)指定位置，即只要X能破除4個問題之一即可。此時X可以設(shè)定為：小人1數(shù)量增加；小人2與小人4關(guān)系親近；小人3能夠到達(dá)指定位置；小人1不想逃走。

通過小人法分析，得到在機(jī)械手和工件之間增加“某種裝置X”來補(bǔ)償由于齒輪間隙造成的擺臂精度不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，但是這個“某種裝置”有可能導(dǎo)致不可預(yù)測的問題出現(xiàn)。由此，將問題模型過渡到技術(shù)方案模型，也就是找資源。基于Pro／Innovator軟件，通過資源分析找到可利用的物質(zhì)資源有：齒輪齒條、密封蓋和油缸、定位塊。

衍生出了對新技術(shù)系統(tǒng)的要求：驅(qū)動機(jī)械手做擺臂運(yùn)動；機(jī)械手?jǐn)[臂的時候應(yīng)盡可能精確；齒輪齒條能夠運(yùn)動自如，不會卡死；不會出現(xiàn)液壓油泄漏；不會帶來其他有害作用。

2.3.1 功能分析

基于Pro／Innovator軟件，對該系統(tǒng)進(jìn)行功能分析［6-7］，得到如圖4所示的功能結(jié)構(gòu)圖和如圖5所示的功能流分析圖。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of system function

圖5 系統(tǒng)功能流分析圖Fig.5 Analysis diagram of system function flow

通過組件模型分析，描述了系統(tǒng)中的組件及其相互間的關(guān)系，并得出影響精度的3個功能因素：液壓系統(tǒng)壓力過大，床身沒有回油裝置；齒輪齒條加工精度差；油缸密封性能不好，導(dǎo)致漏油。

通過功能流分析，可清楚看出技術(shù)系統(tǒng)的能量傳遞組件、控制組件和結(jié)構(gòu)組件，了解系統(tǒng)各組件對技術(shù)系統(tǒng)的功能貢獻(xiàn)。從功能貢獻(xiàn)、問題影響、成本分配三方面分析組件在技術(shù)系統(tǒng)中的理想度，組件價值分析結(jié)果順序?yàn)椋簷C(jī)械手→齒輪軸→活塞→油缸→壓緊端蓋。

2.3.2 裁剪分析

通過組件價值分析，系統(tǒng)中各組件的理想度相差不大，在進(jìn)行裁剪分析時可根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪組件（圖6）［6-7］。形成方案1：裁剪掉液壓系統(tǒng)、液壓油，將此結(jié)構(gòu)用電動機(jī)代替，通過電動機(jī)驅(qū)動擺臂，通過電器控制機(jī)械手?jǐn)[臂精度。

圖6 裁剪分析Fig.6 Cutting pattern analysis

2.3.3 因果分析

基于Pro／Innovator對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行因果分析（圖7）［5］，得到導(dǎo)致油缸機(jī)械手?jǐn)[臂精度不高的原因有：齒輪齒條間隙不可控；液壓壓力大，產(chǎn)生漏油現(xiàn)象；壓力不均，擺臂角度不準(zhǔn)確。

圖7 因果分析Fig.7 Causal analysis

2.4 技術(shù)矛盾

基于Pro／Innovator軟件和TRIZ理論對油缸機(jī)械手?jǐn)[臂問題進(jìn)行分析，得到該系統(tǒng)的3對技術(shù)矛盾［5］：

一是齒輪齒條間隙（距離）與結(jié)構(gòu)卡死（性能），其中齒輪齒條間隙屬于距離屬性，結(jié)構(gòu)卡死屬于性能屬性。

二是密封性能、漏油問題與增加系統(tǒng)復(fù)雜性，其中密封性能、漏油問題屬于尺寸屬性，增加系統(tǒng)復(fù)雜性屬于性能屬性。

三是定位塊結(jié)構(gòu)與增加系統(tǒng)復(fù)雜性，其中定位塊結(jié)構(gòu)屬于尺寸屬性，增加系統(tǒng)復(fù)雜性屬于性能屬性。

2.5 創(chuàng)新方案庫

在進(jìn)行了問題分析、問題分解、系統(tǒng)分析、資源分析、功能分析、裁剪分析、因果分析之后，已經(jīng)基本掌握了問題的癥結(jié)與物理屬性，進(jìn)而明確了系統(tǒng)的技術(shù)矛盾與最優(yōu)理想解。根據(jù)系統(tǒng)分析的技術(shù)矛盾，借助Pro／Innovator軟件提供的創(chuàng)新方案庫［7］，結(jié)合技術(shù)人員長期針對該方案的經(jīng)驗(yàn)理解與技術(shù)升華，查詢創(chuàng)新理論及原理，將其轉(zhuǎn)化為符合該問題的解決方案，從而解決系統(tǒng)矛盾。

根據(jù)曲面化原理（圖8），球形接觸區(qū)提高耦合的可靠度，聯(lián)想到提升齒輪齒條嚙合的可靠度，形成方案2：重新設(shè)計齒輪齒條的嚙合接觸區(qū)域，計算出齒輪齒條能夠滿足精準(zhǔn)運(yùn)動的最大間隙。

圖8 方案2Fig.8 Scheme 2

從《預(yù)先反作用原理》獲得啟發(fā)（圖9），提前考慮機(jī)械手的位置補(bǔ)償，形成方案3：在機(jī)械手預(yù)定達(dá)到的位置之前，先轉(zhuǎn)動機(jī)械手到所需要補(bǔ)償?shù)奈恢茫诎惭b齒輪軸和設(shè)計鍵槽時可考慮該方案。

圖9 方案3Fig.9 Scheme 3

利用事先防范原理的緊急制動原理，在系統(tǒng)問題中采用緊急制動裝置，形成方案4：在齒輪軸上安裝一個運(yùn)動傳感器，當(dāng)齒條齒輪出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，齒輪軸不再運(yùn)動，則感應(yīng)器發(fā)出報警，命令系統(tǒng)緊急停止。

利用系統(tǒng)自服務(wù)原理（圖9），從系統(tǒng)自身的機(jī)械原理找出路，形成方案5：采用壓強(qiáng)大的液壓系統(tǒng)，使機(jī)械手動力增強(qiáng)，快速實(shí)現(xiàn)工件轉(zhuǎn)換。

圖10 方案5Fig.10 Scheme 5

利用預(yù)先作用原理（圖11），預(yù)先確定物質(zhì)的極限位置，把單物質(zhì)變成雙物質(zhì)，提前預(yù)想機(jī)械構(gòu)件的極限動作，形成方案6：在油缸上安裝固定螺釘，限制機(jī)械手的擺臂位置，提高運(yùn)動精度。

圖11 方案6Fig.11 Scheme 6

利用反饋原理（圖12），通過機(jī)械構(gòu)件動作產(chǎn)生的效應(yīng)，使控制室及時得到動作信號，形成方案7：在油缸上安裝接近開關(guān)，當(dāng)定位塊運(yùn)動到接近開關(guān)的位置時，發(fā)出信號，限制機(jī)械手的擺臂運(yùn)動，從而提高擺臂精度。

圖12 方案7Fig.12 Scheme 7

Pro／Innovator軟件提供的創(chuàng)新方案庫還有其他思路，引導(dǎo)解決問題，這里不再一一列舉。

2.6 方案評估

基于創(chuàng)新知識庫的創(chuàng)新原理，通過對機(jī)械手油缸擺臂精度問題的分析，得到以上7種方案，對這7種方案從成本可控性、操作可行性、整改難易度、效果可靠性等方面進(jìn)行綜合整體評估［6］，見表1。

表1 方案評估Tab.1 Scheme evaluation

3 優(yōu)化結(jié)果

通過對所形成的7個方案進(jìn)行結(jié)果評估，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、成本可控性以及可行性等方面綜合考慮，篩選得到的最終方案為：優(yōu)化齒輪齒條嚙合間隙（圖13）；在油缸上安裝接近開關(guān)，通過磁場觸發(fā)機(jī)械手的運(yùn)動；在油缸上增加固定螺釘，限制機(jī)械手?jǐn)[動位置；在齒輪軸上安裝傳感器，出現(xiàn)卡死時引發(fā)報警（圖14）。

圖13 齒輪齒條嚙合間隙示意圖Fig.13 Diagram of meshing clearance of gear rack

圖14 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Diagram of optimized structure

最優(yōu)方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4個方面：

1）優(yōu)化齒輪齒條嚙合間隙是解決該問題的關(guān)鍵，通過重新設(shè)計，可有效改善擺臂機(jī)械手的運(yùn)動精度。

2）在油缸上安裝接近開關(guān)，通過磁場觸發(fā)機(jī)械手的運(yùn)動，運(yùn)用磁場和電氣控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手?jǐn)[臂運(yùn)動，不僅提高了運(yùn)動的精度，而且縮短了感應(yīng)時間。

3）在油缸上增加固定螺釘，限制機(jī)械手?jǐn)[動位置。固定螺釘與定位塊相輔相成，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動的極限位置超差時，固定螺釘和定位塊可以起到阻礙和限制的作用。

4）在齒輪軸上安裝傳感器，出現(xiàn)卡死時引發(fā)報警，此保險方案可在齒輪齒條出現(xiàn)卡死，機(jī)械手無法實(shí)現(xiàn)擺臂運(yùn)動時，機(jī)器通過傳感器獲取信號，立即停車。

綜上，該方案在結(jié)構(gòu)上無需很大修改，不影響原有零部件的結(jié)構(gòu)，成本消耗低，可行性強(qiáng)。經(jīng)機(jī)床設(shè)備調(diào)試驗(yàn)收，該方案不僅提高了機(jī)械手?jǐn)[臂的運(yùn)動精度，而且大大縮短了擺臂更換工件的循環(huán)時間，改善了機(jī)床的穩(wěn)定性，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

此改進(jìn)方案目前已應(yīng)用于軸承制造裝備，適應(yīng)于軸承內(nèi)圈磨床、外圈磨床和內(nèi)圓磨床等裝備。某套圈采用該方案前后的對比結(jié)果見表2（部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

表2 某套圈采用改進(jìn)方案前后對比結(jié)果Tab.2 Comparison results of ring before and after improvement