基于TRIZ理論的自動焊接工裝夾具優化設計

賈金龍，劉展偉，蔡瑞斌，隋 然，馮 毅，薛 城

(1.蘭州工業學院 材料工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

焊接工裝夾具是將焊件準確定位和可靠夾緊，便于焊件進行裝配和焊接、保證焊件結構精度的工藝裝置。本課題組曾制作出一種自動焊接工裝夾具，該裝置采用步進電動機驅動絲杠旋轉，實現裝置提升旋轉，從而變換焊件在空間中的位置，實現全位置焊接。該裝置在使用過程中，夾持機構在繞Z軸旋轉時，由于重心不在中軸線上，導致偏心使得夾持機構轉動不平穩，從而影響系統穩定性和焊接質量。

TRIZ理論(發明問題解決理論)是根里奇·阿奇舒勒在總結了二十多萬份專利成果的基礎上，提煉出的一套發明問題解決理論體系。其主要包括40個發明原理、矛盾矩陣表、功能分析、物場分析、76個標準解和發明問題解決算法等，是基于技術的發展演化規律，研究整個設計與開發過程的方法論，進而解決工程領域中的創新問題[1-4]。

筆者針對現有全位置焊接工裝夾具存在的問題，應用TRIZ理論，對系統進行功能分析和因果分析，找出系統存在問題的關鍵原因，利用資源分析、矛盾分析獲得TRIZ解決方案模型，得出解決方案。

1 問題分析

1.1 描述問題

自動焊接工裝夾具的結構如圖1所示。

圖1 自動工裝夾具結構簡圖

工裝夾具內置三個伺服電動機，其工作原理為：機構高度調節通過提升電動機工作，使頂升機構旋轉提升與其焊接在一起的內套管，從而實現內套管以上部件沿Z軸整體提升，調節焊件的高度。機構旋轉通過Z軸旋轉電動機工作驅動嵌套在軸上的主動齒輪旋轉，進而驅動與其嚙合的從動齒輪旋轉，從而帶動焊接在從動齒輪上的三通旋轉，帶動夾持部位及夾持在其上的工件繞Z軸旋轉。夾持焊件旋轉通過X軸旋轉電動機工作驅動嵌套在軸上的主動齒輪旋轉，進而驅動與其嚙合的橫向從動齒輪旋轉，從而帶動焊接在從動齒輪上的夾持部位及夾持在其上的工件繞X軸旋轉，實現焊件的全位置焊接。且在工裝夾具夾頭安裝有電磁鐵，電磁鐵通過繼電器的控制實現焊件的吸附與釋放，從而保證焊件在夾頭轉動與移動的過程中保持穩定。

從圖中可以看出，由于重心不在軸線上，在機構旋轉時會產生偏心，從而導致夾持機構轉動不平穩。為此，在夾持機構另一側增加配重讓重心落在中軸線上，但由于每次焊接時夾持工件重量不一致，因此并沒有徹底解決問題。

1.2 系統功能分析

在TRIZ理論中，基于組件的功能分析是將系統拆分成各個組件，分析各組件之間的相互關系及組件在系統中的作用(見圖2)，將其作用分為正常功能、有害功能、不足功能和過剩功能。進一步理清各組件的關系及其在系統中的作用，為后續的因果分析和資源分析提供支持。

圖2 組件功能分析

1.3 因果分析

凡是結果，必然有其原因。在本課題中，以夾持部位轉動不平穩為起點，造成此缺點的中間原因有構件重心偏移、動力輸出不穩定、安裝精度不可控。以此三個中間原因為起點，不斷深入，逐層分析，最終找到根本原因和容易解決的原因，為資源分析和矛盾分析提供解決思路。表1為經過簡化的自動工裝夾具因果軸分析表。

表1 簡化后的自動工裝夾具因果軸分析表

2 問題求解

2.1 資源分析

為了挖掘系統中未被發現的隱形資源，利用多屏幕法，按照時間和系統層次兩個維度，分別對系統的過去和未來，子系統和超系統可利用的自然或環境資源、時間資源、空間資源、系統資源、信息資源、功能資源進行羅列，從而進行問題求解，以其中一項根本原因-從動齒輪支撐不足為例進行資源分析，如表2所示。

表2 從動齒輪支撐不足資源分析表

對超系統資源分析得知，其空間資源有：從動齒輪與外套管之間的距離。通過分析，可運用超系統中空間資源，得到方案1：因為系統面臨的問題是從動齒輪支撐不足，由于夾持機構產生的重力偏移通過三通加載在從動齒輪上，而從動齒輪又是單點支撐，故難以避免的會在旋轉過程中產生阻力過大而影響夾持機構轉動的平穩性?？梢岳脧膭育X輪與外套管之間的距離在從動齒輪下方安裝深溝球軸承和推力軸承，將單點接觸變為多點接觸，從而減少齒輪磨損，并且改變重心偏移問題。

2.2 矛盾分析

(1) 技術矛盾 根據之前因果分析中間原因構件重心偏移可知，現有解決辦法是在三通另一端增加配重而改變重心偏移，但此舉會導致重量和成本增加。根據創新原理22變害為利的啟發，得到方案2：因為系統面臨的問題是夾持機構過長而導致的重心偏移，而可以利用的空間資源又是三通的另一端，因此可以將三通的另一端也安裝一個夾持部件，這樣既可以避免重心偏移，也可以節約超系統的空間。

根據之前因果分析根本原因5可知，針對內外套管之間的轉動，現有解決辦法是內外管分別開槽、然后在槽中加入定位銷從而避免轉動，但是會導致成本增加、制造難度大。根據創新原理35改變特征(物理或化學參數改變)的啟發，得到方案3：內管選用方管，外管選用圓管。這樣，由于摩擦力的存在，并且外管在制造中也不是標準的圓管，所以內外管之間就不會產生轉動。

(2) 物理矛盾 根據之前因果分析根本原因2可知，針對橫向內套管過長，現系統采用不可伸縮式橫向內套管。由于整個橫向臂伸出較長，使得重心偏移較大，從而在一定程度上導致轉動不平穩。實際系統在轉動時要求橫向內套管短，減小重心偏移，實現平穩轉動，在焊接時要求橫向內套管長，便于焊工操作，而以上兩個時間段沒有交叉，因此可應用時間分離，根據動態特性原理得到方案4：將原來一個不可伸縮式的橫向內套管改為兩級伸縮式橫向內套管，在轉動前兩級收縮在一起，轉動完畢后第二級內套管伸出。從而實現時間分離。

3 結 語

利用TRIZ方法，通過系統功能分析，因果分析，依據資源分析和矛盾分析，將得到的四個方案整合，改進原裝置，將橫向內套管和夾持機構做成左右對稱部件，將內管由圓管變為方管，橫向內套管改為兩級伸縮式。從而減小偏心，改變轉動不平穩問題。方案實施前，轉動機構轉動角度不好控制，轉動不平穩，主從齒輪磨損嚴重，每年需要更換兩次，改進方案實施后，轉動平穩，主從齒輪預計三年更換一次。且焊工在操作中使用更方便、操作更快捷，能夠有效提高生產率，同時由于便于根據焊工姿態調整待焊工件位置，因此可以提高焊縫質量。