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摘 要： 摘要：介紹了運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析結(jié)論，針對(duì)其質(zhì)量過大的不足，提出一種基于發(fā)明問題求解理論(Theoryofinventiveproblemsolving，TRIZ)的運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計(jì)方法，建立基于TRIZ物場模型和沖突解決理論的運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)
摘要：介紹了運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析結(jié)論，針對(duì)其質(zhì)量過大的不足，提出一種基于發(fā)明問題求解理論(Theoryofinventiveproblemsolving，TRIZ)的運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計(jì)方法，建立基于TRIZ物場模型和沖突解決理論的運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計(jì)過程模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂座的輕量化設(shè)計(jì)。對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的臂座建立了三維模型并進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在安全系數(shù)提高的前提下，質(zhì)量減小了331kg。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座;TRIZ;輕量化設(shè)計(jì);受力分析
臂座是連接機(jī)械臂與底部支撐構(gòu)件的重要部件，其在工作時(shí)承受來自抓取物等的工作反力以及機(jī)械臂本身重力等方面復(fù)雜的受力。因此，臂座結(jié)構(gòu)的可靠性顯得尤為重要，它的失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的癱瘓。因此，設(shè)計(jì)時(shí)考慮較大的安全系數(shù)是必要的。然而，較大的安全系數(shù)以及零件本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了單個(gè)零件重量是較大的，導(dǎo)致設(shè)備自重大，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性造成極為不利的影響。因此，臂座的輕量化設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。此外，從節(jié)能降耗、推動(dòng)綠色低碳以及增加設(shè)備本身動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，輕量化設(shè)計(jì)亦有重要意義。
發(fā)明問題解決理論TRIZ被認(rèn)為是目前最全面系統(tǒng)地論述發(fā)明創(chuàng)造、實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的新理論。該理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇阿奇舒勒(G.S.Altshuller)帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，自1946年開始，在分析研究了世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上提出的。TRIZ理論提供了沖突解決原理和物—場分析原理等工具，能有效解決設(shè)計(jì)過程中遇到的設(shè)計(jì)沖突和方案難以獲取等問題，已在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者利用TRIZ理論解決了許多產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題，有較多的實(shí)際應(yīng)用案例[1-9]。如，劉志峰等[2]提出了基于物—場分析原理和TRIZ沖突解決原理的可拆卸聯(lián)接改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，建立了聯(lián)接結(jié)構(gòu)可拆卸設(shè)計(jì)物—場分析模型及設(shè)計(jì)流程;韓立芳等[3]基于TRIZ理論的技術(shù)沖突分析解決理論，分析、選擇、確定了可行的發(fā)明原理，給出了雙環(huán)拱型分體轎箱垂直旋轉(zhuǎn)式立體車庫的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案;鮑宏等[4]針對(duì)主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)新問題，提出一種應(yīng)用發(fā)明問題解決理論的主動(dòng)再制造綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并通過變速箱輸入軸系零部件的設(shè)計(jì)案例驗(yàn)證了該方法的可行性;夏文涵[5]等人基于TRIZ提出了管道檢測機(jī)器人自適應(yīng)檢測模塊的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，并利用該方案進(jìn)行了管道檢測機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高了機(jī)器人對(duì)環(huán)境的自主適應(yīng)能力;H.T.Hsieh等[6]基于TRIZ理論提出了摩擦攪拌焊接(FrictionStirWelding)的工藝設(shè)計(jì)流程并舉例進(jìn)行驗(yàn)證說明。在輕量化設(shè)計(jì)方面，陶義[7]等人基于TRIZ理論的矛盾分析法對(duì)重型卡車彈簧支架進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)研究;黃永玉等[8]利用TRIZ的Pro/Innovator軟件對(duì)某系列重型數(shù)控車床進(jìn)行組件和因果分析，從機(jī)床的鑄件結(jié)構(gòu)、材料應(yīng)用以及傳動(dòng)系統(tǒng)的改造等方面進(jìn)行了優(yōu)化;鄧學(xué)欣等[9]以TRIZ的解決技術(shù)沖突方法為手段，分析了點(diǎn)焊機(jī)器人焊鉗小型輕量化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路。
文中擬提出基于TRIZ物場模型—沖突解決理論的運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合物場模型與沖突解決理論進(jìn)行臂座的輕量化設(shè)計(jì)。
1臂座原型及力學(xué)分析
如圖1所示為運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座，主要由鉆臂安裝箱體座、主梁、支撐板、加強(qiáng)筋與安裝板5部分組成，零件采用一次鑄造成型的方法制造，產(chǎn)品實(shí)際質(zhì)量為1810kg。
分析運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂的工作工況，確定臂座的各危險(xiǎn)工況如表1所示。依次計(jì)算表1所示9種工況，得到臂座在各極限偏角工況下的應(yīng)力及最大位移，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，表2為結(jié)果統(tǒng)計(jì)。
由表2可知，最大應(yīng)力工況為機(jī)械臂俯角-30°，擺角0°狀態(tài)，最大應(yīng)力位置發(fā)生在安裝板連接孔處。選擇臂座材料為Q345，則臂座各工況有大于1.95的安全系數(shù)，符合常規(guī)設(shè)計(jì)要求。但此時(shí)實(shí)際產(chǎn)品重量為1810kg，對(duì)單個(gè)零件來說，重量偏重，有必要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。
2基于TRIZ理論的臂座輕量化設(shè)計(jì)
2.1基于TRIZ理論的臂座輕量化設(shè)計(jì)求解策略
臂座的輕量化設(shè)計(jì)需要減小臂座的質(zhì)量，這可能會(huì)造成臂座因強(qiáng)度的下降而使設(shè)備無法正常工作。圖3所示為基于TRIZ物場模型—沖突解決理論的臂座輕量化設(shè)計(jì)策略的流程，主要包含以下幾個(gè)步驟：(1)識(shí)別問題;(2)提出設(shè)計(jì)需求;(3)根據(jù)第(1)、(2)步中所確定的問題及設(shè)計(jì)需求建立物場模型;(4)合理選擇解法進(jìn)行求解。
臂座系統(tǒng)的功能組件可以用物場模型進(jìn)行描述，包括S1，S2，F(xiàn)三個(gè)元素。S1表示臂座強(qiáng)度與剛度，S2表示臂座質(zhì)量，F(xiàn)表示場，這里為對(duì)臂座的輕量化設(shè)計(jì)方法。圖4所示為臂座系統(tǒng)的物場基本模型。
2.2臂座的輕量化設(shè)計(jì)
(1)采用物-場模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在臂座支撐系統(tǒng)的物-場模型中，有臂座重量和強(qiáng)度與剛度兩種物質(zhì)，場為輕量化設(shè)計(jì)方法。質(zhì)量的減小使得臂座強(qiáng)度與剛度降低，即輕量化設(shè)計(jì)對(duì)臂座強(qiáng)度與剛度產(chǎn)生了有害作用，物場模型見圖5所示。利用TRIZ理論物場模型分析并解決問題，力爭把有害的作用消除。
相關(guān)期刊推薦：《機(jī)械設(shè)計(jì)》創(chuàng)刊于1981年，是中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)會(huì)刊，設(shè)有欄目：設(shè)計(jì)領(lǐng)域綜述，專題論文，應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例分析。研究生教育指定中文重要期刊。
針對(duì)圖5所示的臂座系統(tǒng)物質(zhì)場模型，該類應(yīng)用模型通常采用物質(zhì)場模型的1類或2類標(biāo)準(zhǔn)解，如表3所示。
表1[10]中物場模型的第1、2類解共有36種參考標(biāo)準(zhǔn)解法。直接從這36種參考標(biāo)準(zhǔn)解法中選出符合設(shè)計(jì)需求的解較為困難且效率低。此外，TRIZ沖突解決理論和TRIZ物場模型的標(biāo)準(zhǔn)解具有共通性[4]。因此，綜合采用沖突解決理論和物場模型這兩種方法可有效提高解決問題的效率和有效性。
(2)采用沖突解決理論的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
上述定義的設(shè)計(jì)問題也可轉(zhuǎn)化為TRIZ理論的沖突問題，包括一個(gè)技術(shù)沖突和一個(gè)物理沖突。
①技術(shù)沖突。
輕量化設(shè)計(jì)需要減小臂座的重量，很可能會(huì)導(dǎo)致臂座在工作過程中因強(qiáng)度或剛度不足而使設(shè)備無法正常工作的技術(shù)沖突。采用TRIZ的沖突理論分析可知，應(yīng)采用發(fā)明原理解決問題，發(fā)明原理解決問題的步驟如圖6所示。
將2#靜止物體的質(zhì)量作為要改善的參數(shù)，將14#強(qiáng)度作為惡化的參數(shù)，查詢矛盾矩陣表獲得解決問題的方案如表4所示。
②物理沖突。
進(jìn)行臂座設(shè)計(jì)時(shí)，存在著既要求臂座強(qiáng)度足夠高以保證鉆臂正常工作，又要求強(qiáng)度足夠低以盡量減輕其重量這個(gè)物理矛盾。分析表2中的受力分析數(shù)據(jù)可知，臂座在不同工況下受力差別較大(最大為工況2的176.9MPa，最小為工況6的36.1MPa)，結(jié)合TRIZ理論分析可知，得出這對(duì)沖突應(yīng)采用條件分離原理解決，解決方案如表5所示。
(3)臂座的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。
綜合考慮所獲得的解決方案，結(jié)合臂座零件本身進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
①結(jié)合表4中02#抽取原理、10#預(yù)先作用原理、27#廉價(jià)替代品原理和表5中創(chuàng)新原理1(分割)、創(chuàng)新原理5(組合)、創(chuàng)新原理13(反向作用)等創(chuàng)新方案，將臂座系統(tǒng)主梁、支撐板、加強(qiáng)筋進(jìn)行預(yù)先作用和以簡單代替復(fù)雜的方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，預(yù)先將支撐板傾斜一角度以去掉原設(shè)計(jì)主梁下端的筋板。
②根據(jù)表3中S1.2.4提供的標(biāo)準(zhǔn)解法進(jìn)行臂座系統(tǒng)物場模型改進(jìn)，改進(jìn)后的物場模型如圖7所示，通過引入一個(gè)場F2進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于場F2的選擇，可參考表5中創(chuàng)新原理14(曲面化)獲得靈感，將主梁結(jié)構(gòu)曲面化，即改變其為能承受更大彎、扭作用力夫人的圓形結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)減小其尺寸。
改進(jìn)設(shè)計(jì)的模型如圖8所示，主要包括：1-鉆臂安裝箱體座，2-安裝板，3-主梁，4-支撐板，5-加強(qiáng)筋，理論計(jì)算質(zhì)量1404kg。
2.3力學(xué)計(jì)算
針對(duì)基于TRIZ輕量化設(shè)計(jì)的鉆臂座，建立三維模型并導(dǎo)入ANSYS軟件，對(duì)表2所列9個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。
分析計(jì)算結(jié)果可知，臂座優(yōu)化后最大應(yīng)力161.6MPa。臂座材料為Q345，計(jì)算結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.13。
3設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析臂坐輕量化設(shè)計(jì)前后的最大應(yīng)力、直板應(yīng)力與最大位移數(shù)據(jù)對(duì)比如表7所示。圖10、圖11所示為各工況下應(yīng)力、位移變化趨勢圖。
分析圖10、圖11、表7、表8，可獲得以下結(jié)論：優(yōu)化設(shè)計(jì)后的臂座最大應(yīng)力比設(shè)計(jì)前有所降低，但相差不大，個(gè)別工況出現(xiàn)了最大應(yīng)力大于優(yōu)化設(shè)計(jì)之前。而直板應(yīng)力普遍高于優(yōu)化設(shè)計(jì)前，這是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)后去掉了兩側(cè)的筋板所致。需要指出的是，直板應(yīng)力不是影響零件設(shè)計(jì)安全系數(shù)的關(guān)鍵因素。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大位移值全部小于優(yōu)化前，且各工況下變形曲線走勢相對(duì)平穩(wěn)，有利于零件穩(wěn)定性的增加和使用壽命的增長。優(yōu)化后的模型質(zhì)量減少了331kg，減少19.1%。此外，優(yōu)化后模型的安全系數(shù)由1.95增加至2.13。
4結(jié)論
(1)介紹了運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及各危險(xiǎn)工況，并利用有限元模型計(jì)算了臂座在各危險(xiǎn)工況下的受力情況。
(2)基于TRIZ物場模型和沖突解決理論進(jìn)行運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元模型分析優(yōu)化后的臂座在各工況下的受力情況。
(3)對(duì)兩種模型的受力分析結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出優(yōu)化后的模型在安全系數(shù)提高的前提下，臂座重量減少了331kg。
綜上所述，基于TRIZ的運(yùn)動(dòng)助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計(jì)方案是可行的。——論文作者：董琛，王豪