基于TRIZ理論的混聯式多維振動時效機器人的設計

王智慧，王成軍，邾志偉

（安徽理工大學 a.機械工程學院；b.人工智能學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

振動時效是指通過對鑄件施加交變載荷，使鑄件內部的殘余應力逐漸釋放出來的一種處理方法。自20世紀80年代以來，因振動時效費用低、污染環境小的優點，逐步代替熱處理消除內應力的時效處理。目前的振動時效裝置主要以激振器為主，通過人工將其固定在構件表面可以有效消除小型鑄件的殘余應力，卻無法滿足結構復雜的大型鑄件的激振作業需求。

TRIZ理論是一種能夠幫助使用者快速找到問題核心且提供解決問題的可行辦法的系統體系[1-2]。陳錦豪[3]對進氣管道調節機構進行創新設計過程中，基于TRIZ理論引入反向設計流程，使設計過程更加具體和完善。劉靜[4]基于TRIZ理論對馬桶監測裝置進行創新設計，解決馬桶水資源浪費等問題。本文基于TRIZ理論的創新思維研制一種適應性強、激振頻率高、安全可靠，可以適用于機械設備制造的多維振動時效機器人，減小和消除機械設備結構件焊接、鑄造或機械加工過程中產生的殘余應力，提高機械設備結構強度和尺寸精度；對實現裝配的互換性，使機械設備制造工藝穩定、可控，降低廢品率和制造成本具有現實意義。

1 振動時效裝置系統分析

1.1 問題描述

傳統的振動時效裝置多采用單自由度慣性激振器，通過卡具固定在工件上完成一維激振作業，結構簡單、操控方便，對小型激振任務具有良好的處理效果。對于中大型、結構復雜或焊縫多的構件，殘余應力呈空間三維分布，傳統的振動時效裝置難以滿足消除應力的實際需要，其振動模式單一，不能同時實現多自由度激振，振動時效處理效果較差。且現有振動時效裝置仍需要人工固定安裝和拆除，不僅勞動強度大，而且工作效率低。

1.2 九屏幕分析法

九屏幕法是一種綜合考慮問題的方法，從時間空間等多維度對問題進行全面系統的分析。建立當前系統為振動時效裝置的九屏幕分析法，如圖1所示。

圖1 九屏幕分析法

通過九屏幕分析，當前系統是振動時效裝置，超系統是振動時效機器人，從而解決人工去固定安裝和卸除裝置，大大降低工人的勞動強度；當前系統的未來是多維振動時效，有效解決目前振動時效裝置維數單一且對大型結構復雜或焊縫多的構件上的應力難以消除的問題。子系統的未來是可移動式激振器，可有效解決大型結構復雜或焊縫多的構件上的殘余應力呈空間三維分布的問題。超系統的未來是混聯式多維振動時效機器人，使振動時效裝置更加智能化，既能解決大型結構復雜或焊縫多的構件上的應力難以消除的問題，又能解決大型結構復雜或焊縫多的構件上的殘余應力呈空間三維分布的問題。

1.3 因果軸分析

因果軸分析是對事物發生的結果與其產生原因之間的關系進行分析的一種方法，通過研究其產生的根本原因，從而找到相應的解決辦法[5-6]。根據目前激振裝置存在的問題建立振動時效裝置的因果軸分析圖，如圖2所示。

圖2 振動時效機器人的因果分析圖

通過因果軸分析圖得到現階段振動時效處理效率低的原因：1）目前激振裝置為一維激振，激振過程中自由度單一，對于結構復雜的鑄件無法多個方向消除殘余應力；2）缺乏并聯機構，機器人在鑄件和焊接件的激振過程中，許多工作都需要人工完成，費時費力，自動化程度低；3）在已有機械臂夾持激振器的振動時效裝置中，機械臂移動性不足，最終激振裝置的激振效果不足；4）在已有機械臂夾持激振器的振動時效裝置中，用機械臂夾持激振器過程中，機械臂缺乏減振機構，導致機械臂遭受破壞。

以上問題導致目前的振動時效裝置激振效果不足，自動化程度較低。

2 問題解決

2.1 技術矛盾

通過九屏幕分析與因果軸分析目前振動時效裝置需要解決的問題是自動化程度較低。要改善的標準工程參數分別為適用性及多樣性和自動化程度，而相應惡化的參數為運動物體的質量和設備的復雜性。建立相應的矛盾關系矩陣如表1所示。

表1 矛盾關系矩陣

根據矛盾關系矩陣得到6條發明原理，根據1分割原理：把物體分成相互獨立的部分與15動態化原理。得到的解決方案為將振動時效裝置分成移動部分與激振部分。根據10預先作用原理：對部分物體施加必要改變與16未達到或過度的作用原理。得到的解決方案為對缺乏減振機構的機械臂施加改變增加一個減振機構及隔振器。根據11預先防范原理：事先采取應急處理，補償物體相對低的可靠性，得到的解決方案與10預先作用原理得到的方案一致，即增加一個隔振器。

2.2 物-場模型

1）問題模型的建立。由九屏幕分析圖和因果分析圖可知：①機器人在鑄件和焊接件的激振過程中，許多工作都需要人工完成，費時費力，自動化程度低；②單自由度激振器激振過程中，不能多方向上進行激振處理；③在已有機械臂夾持激振器的振動時效裝置中，機械臂移動性不足，最終激振裝置的激振效果不足。

2）解決方案。對于問題①，采用一般解法3，增加第三種物質來阻止有害作用。采用增加多機械臂的方法來替代人工操作激振器，提高自動化程度，如圖3所示，可得解決方案：增加多個機械臂。

圖3 問題①物場模型示意圖

針對問題②，采用一般解法6，即引入物質S3和另一種場F2來提高有用效應，如圖4所示。

圖4 問題②物場模型示意圖

將原有的一維激振器激振中引入升降裝置，解決了原系統激振方向單一和激振維數單一的問題，工作方式發生變化，從原有的一維激振變為多維激振，提高了激振效率，節約了成本，且機器人具有適用性及多樣性，滿足市場需求。

針對問題③，采用一般解法3，增加第三種物質來阻止有害作用。通過在機械手上增加移動裝置，例如將機械臂安裝在滑動導軌上，使機械臂具有移動性能，如圖5所示。

圖5 問題③物場模型示意圖

3 混聯式多維振動時效機器人的設計

對以上提出的解決方案進行歸納總結，提出一種混聯式多維振動時效機器人的設計，該機器人由吊支架、軌道移動裝置、升降裝置、左機械臂、右機械臂、隔振器和激振器組成，如圖6所示。

圖6 混聯式振動時效機器人的設計

軌道移動裝置通過啞鈴型導向輪安裝在工字型導軌上，升降裝置中連板與軌道移動裝置相連，通過軌道電動機驅動鏈輪實現軌道移動裝置在工字型導軌上的移動，從而帶動升降裝置的前后移動；左右調姿裝置通過矩形支撐架與升降裝置相連，同樣左右機械臂通過電動機驅動可在矩形支撐架上的導軌上實現左右移動。從機構學角度而言，機械臂具有2平移、2轉動共4個自由度，因而安裝在左機械臂、右機械臂末端的激振器為具有3個平移、3個轉動共6個運動自由度，且具有一個垂直方向移動和水平方向移動共2個冗余自由度，整個混聯式多維振動時效機器人具有3平移、3轉動共6個自由度。為了防止激振器對機械臂的影響，在機械臂與激振器中間設置隔振器。

該振動時效機器人工作原理：雙目攝像頭先根據被振動時效處理的目標物的制造工序情況，確定需要執行振動時效處理的工藝參數、夾具夾持的具體構件及部位，將目標物通過橡膠彈簧支撐在地面或工作臺上。振動時效處理作業前，通過調節軌道移動裝置實現遠距離直線調節，其次通過升降裝置實現上下調節，最后通過左右調姿裝置使激振器到達準確位置，并通過夾具將激振器固定在目標物的指定位置，啟動激振器對目標物進行振動時效處理。振動時效處理完成后，松開夾具，通過升降調姿裝置或左右機械臂移開激振器，等待下一次執行振動時效處理任務的指令。在執行振動時效處理任務過程中，對目標物的位置及姿態的識別主要依賴雙目攝像頭完成。

4 結論

基于TRIZ理論的九屏幕分析、因果軸分析，分析目前振動時效裝置存在激振效果不足、自動化程度較低等問題；根據分析存在的問題，建立技術矛盾矩陣與物場模型，提出混聯式多維振動時效機器人的設計。機器人能夠實現3平移、3轉動共6個自由度方向對復雜構件進行振動時效處理任務，從而減小和消除機械設備結構件殘余應力，避免結構變形或形成裂紋；能提高機械設備的結構強度和尺寸精度，減輕生產線上工人的勞動強度，克服現有技術的缺陷。