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摘 要： 摘要：介紹了運(yùn)動助力機(jī)械臂座的原設(shè)計結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析結(jié)論，針對其質(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)動助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計方法，建立基于TRIZ物場模型和沖突解決理論的運(yùn)動助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)
摘要：介紹了運(yùn)動助力機(jī)械臂座的原設(shè)計結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析結(jié)論，針對其質(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)動助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計方法，建立基于TRIZ物場模型和沖突解決理論的運(yùn)動助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計過程模型，實現(xiàn)了對機(jī)械臂座的輕量化設(shè)計。對輕量化設(shè)計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)動助力機(jī)械臂座;TRIZ;輕量化設(shè)計;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，它的失效會導(dǎo)致整個設(shè)備的癱瘓。因此，設(shè)計時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)雜性決定了單個零件重量是較大的，導(dǎo)致設(shè)備自重大，對設(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)計是至關(guān)重要的。此外，從節(jié)能降耗、推動綠色低碳以及增加設(shè)備本身動力性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，輕量化設(shè)計亦有重要意義。
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，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)計過程中遇到的設(shè)計沖突和方案難以獲取等問題，已在產(chǎn)品設(shè)計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)計的問題，有較多的實際應(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)計方法，建立了聯(lián)接結(jié)構(gòu)可拆卸設(shè)計物—場分析模型及設(shè)計流程;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)計方案;鮑宏等[4]針對主動再制造設(shè)計過程中的創(chuàng)新問題，提出一種應(yīng)用發(fā)明問題解決理論的主動再制造綠色創(chuàng)新設(shè)計方法，并通過變速箱輸入軸系零部件的設(shè)計案例驗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，提高了機(jī)器人對環(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)計流程并舉例進(jìn)行驗證說明。在輕量化設(shè)計方面，陶義[7]等人基于TRIZ理論的矛盾分析法對重型卡車彈簧支架進(jìn)行了輕量化設(shè)計研究;黃永玉等[8]利用TRIZ的Pro/Innovator軟件對某系列重型數(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)計思路。
文中擬提出基于TRIZ物場模型—沖突解決理論的運(yùn)動助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計方法，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。
1臂座原型及力學(xué)分析
如圖1所示為運(yùn)動助力機(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)品實際質(zhì)量為1810kg。
分析運(yùn)動助力機(jī)械臂的工作工況，確定臂座的各危險工況如表1所示。依次計算表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，計算結(jié)果如圖2所示，表2為結(jié)果統(tǒng)計。
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)計要求。但此時實際產(chǎn)品重量為1810kg，對單個零件來說，重量偏重，有必要進(jìn)行輕量化設(shè)計。
2基于TRIZ理論的臂座輕量化設(shè)計
2.1基于TRIZ理論的臂座輕量化設(shè)計求解策略
臂座的輕量化設(shè)計需要減小臂座的質(zhì)量，這可能會造成臂座因強(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)計策略的流程，主要包含以下幾個步驟：(1)識別問題;(2)提出設(shè)計需求;(3)根據(jù)第(1)、(2)步中所確定的問題及設(shè)計需求建立物場模型;(4)合理選擇解法進(jìn)行求解。
相關(guān)期刊推薦：《地質(zhì)通報》(曾用刊名：中國區(qū)域地質(zhì))，1982年創(chuàng)刊，作為中國地學(xué)傳媒中的首份地質(zhì)學(xué)綜合性學(xué)術(shù)月刊，刊物特色：報道簡潔、精練，取材廣泛、嚴(yán)謹(jǐn)，信息量大，刊期短。包含基礎(chǔ)地質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地質(zhì)、海洋地質(zhì)、能源地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)、城市地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、勘察地球物理、勘察地球化學(xué)、地質(zhì)實驗、探測技術(shù)、地質(zhì)調(diào)查信息技術(shù)、科技政策、科技管理等專業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)論文。
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，這里為對臂座的輕量化設(shè)計方法。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
(1)采用物-場模型的優(yōu)化設(shè)計。
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)計對臂座強(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http://www.bigeer.cn/gyeqk/1955.html》創(chuàng)刊于1981年，是中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械設(shè)計會會刊，設(shè)有欄目：設(shè)計領(lǐng)域綜述，專題論文，應(yīng)用技術(shù)與實例分析。研究生教育指定中文重要期刊。
針對圖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)計方法。
上述定義的設(shè)計問題也可轉(zhuǎn)化為TRIZ理論的沖突問題，包括一個技術(shù)沖突和一個物理沖突。
�、偌夹g(shù)沖突。
輕量化設(shè)計需要減小臂座的重量，很可能會導(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。
�、谖锢頉_突。
進(jìn)行臂座設(shè)計時，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。
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。
①結(jié)合表4中02#抽取原理、10#預(yù)先作用原理、27#廉價替代品原理和表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，預(yù)先將支撐板傾斜一角度以去掉原設(shè)計主梁下端的筋板。
�、诟鶕�(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，通過引入一個場F2進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對于場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，理論計算質(zhì)量1404kg。
2.3力學(xué)計算
針對基于TRIZ輕量化設(shè)計的鉆臂座，建立三維模型并導(dǎo)入ANSYS軟件，對表2所列9個工況進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖9所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。
分析計算結(jié)果可知，臂座優(yōu)化后最大應(yīng)力161.6MPa。臂座材料為Q345，計算結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.13。
3設(shè)計方案對比分析臂坐輕量化設(shè)計前后的最大應(yīng)力、直板應(yīng)力與最大位移數(shù)據(jù)對比如表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)計后的臂座最大應(yīng)力比設(shè)計前有所降低，但相差不大，個別工況出現(xiàn)了最大應(yīng)力大于優(yōu)化設(shè)計之前。而直板應(yīng)力普遍高于優(yōu)化設(shè)計前，這是因為優(yōu)化設(shè)計后去掉了兩側(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)動助力機(jī)械臂座原設(shè)計結(jié)構(gòu)及各危險工況，并利用有限元模型計算了臂座在各危險工況下的受力情況。
(2)基于TRIZ物場模型和沖突解決理論進(jìn)行運(yùn)動助力機(jī)械臂座的優(yōu)化設(shè)計，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)動助力機(jī)械臂座輕量化設(shè)計方案是可行的。——論文作者：董琛，王豪