辛越峰，童 春，劉健松，陳 爽

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621900)

0 引言

用于搬運和吊裝圓盤形零件、毛坯等的夾具，主要為剛性與柔性吊裝夾具兩類。其中，剛性吊裝夾具一般由夾鉗實現(xiàn)，主要利用杠桿原理和物體重力自鎖而進行吊裝，如“ 一種用于圓筒型物件的吊裝夾具”用于對圓柱形零件等進行水平吊裝[1]，該類夾具尤其適合于各港口碼頭的大型港機設(shè)備吊裝；柔性吊裝夾具一般由纖維吊帶或鋼絲繩實現(xiàn)[2]，適合水平吊裝長徑比較大的圓柱形毛坯、零件、成品產(chǎn)品等，可有效降低被吊物體的損壞程度。

但是，對于長徑比較小的重型盤類物體的移動及其車床裝卡，剛性吊裝夾具存在裝卡難度大、物體易脫落風險大、垂直吊起的物體不便于機床水平裝夾等問題。常用機械夾緊夾具搬運鉛錠等比較常見，但是存在受力不均、容易產(chǎn)生變形、人工搬運費時費力、生產(chǎn)效率低等缺陷[3]。對于如鉛銻錫圓餅、鎢合金法蘭盤、大型無磁不銹鋼法蘭等的搬運及吊裝，磁吸與真空吸附方法同樣存在難度，普遍通過吊帶與人工一起完成。同時，柔性吊裝夾具存在繩子易干涉而不利于三爪卡盤等位置裝卡、被吊裝物容易脫落而引發(fā)物體受損及人員傷害等巨大安全隱患。

發(fā)明問題求解理論(Theory of inventive problem solving，TRIZ)是蘇聯(lián)學者及其領(lǐng)導(dǎo)的研究機構(gòu)在哲學概念和認知科學的基礎(chǔ)上，通過研究分析250 萬件技術(shù)專利提出的創(chuàng)新問題解決系統(tǒng)化方法[4]。利用TRIZ理論中的技術(shù)沖突模型、物理沖突模型、物場模型、技術(shù)進化理論等方法與思想，對產(chǎn)品問題進行分析解決，可為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供更為合理的方案[5-6]。復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，創(chuàng)新成敗受成本、技術(shù)、市場等多種因素影響，需建立恰當?shù)娘L險評估模型[7]。模糊層次分析法(Fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP)是一種對定性問題進行定量分析的多準則決策方法，它將人對事物的認知強弱程度用模糊數(shù)來表示，適合于主觀性較強的產(chǎn)品設(shè)計問題多方案優(yōu)選排序[8-9]。

針對現(xiàn)有吊裝夾具存在的不足，基于TRIZ及FAHP等分析方法，設(shè)計一種合理而全新的工件吊裝裝置很有必要，可對長徑比較小且質(zhì)量大的圓柱類產(chǎn)品、零件或毛坯等進行安全而可靠的吊裝，滿足被吊對象位置移動、被吊對象在車床三抓卡盤安裝、成品零件總裝等用途。

1 基于TRIZ及FAHP的問題解決模式

1.1 設(shè)計問題解決思路

質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment，QFD)作為一種產(chǎn)品開發(fā)的結(jié)構(gòu)化方法，將質(zhì)量需求轉(zhuǎn)換成為產(chǎn)品特性、零部件特性、工藝特性等技術(shù)，使設(shè)計和制造的產(chǎn)品能真正地滿足顧客需求[10]。QFD使用“質(zhì)量屋”表示需求、產(chǎn)品功能及其相互關(guān)系。

針對夾具存在問題，在分析已有方案基礎(chǔ)上，應(yīng)用QFD進行工程特性分析，進而采用TRIZ理論進行問題解決，并通過FAHP進行設(shè)計方案評估。設(shè)計問題的解決思路如圖2所示。

圖1 設(shè)計問題解決思路

1.2 基于TRIZ及FAHP的設(shè)計問題解決模式

基于以上設(shè)計問題解決思路，結(jié)合QFD、TRIZ、FAHP相關(guān)方法，獲得如圖2所示的基于TRIZ及FAHP的設(shè)計問題解決模式。其中，QFD作為問題分析工具，對設(shè)計對象的工程特性進行分析；TRIZ結(jié)合工程特性問題，進行問題轉(zhuǎn)化并求解；通過FAHP對新設(shè)計方案之間或者吊裝方式之間進行評估。其中，權(quán)重確定采用德爾菲法、a-問題、客戶調(diào)查、AHP、FAHP[11]等方法。

圖2 基于TRIZ及FAHP的設(shè)計問題解決模式

1.3 模糊互補判斷矩陣確定權(quán)重

復(fù)雜產(chǎn)品的質(zhì)量需求指標權(quán)重確定方法，可采用模糊互補判斷矩陣確定權(quán)重[9]，指標對應(yīng)判斷矩陣A的確定，如表1所示。

表1 判斷矩陣A要素確定

(1)aii=0.5i=1 ,2 ,···,n；

(2)aij+aji=1i,j=1 ,2 ,···,n；

假設(shè)有m個專家獲得的n個因素的m個判斷矩陣，允許值為δ(一般取0.1)，該值越小代表要求越嚴。由以上公式確定的權(quán)重，應(yīng)該進行模糊互補判斷矩陣的一致性檢驗：

① 檢驗m個判斷矩陣Ak的滿意一致性

I(Ak,W(k))≤δ, k =1 , 2 , …, m

② 檢驗判斷矩陣間的滿意相容性

I(Ak,Al)≤δ, k ≠l ;k , l =1 , 2 , …, m

2 吊裝夾具工程特性分析

2.1 吊裝工件移動過程

進行工件機床裝卡，工件移動過程如圖3所示，包括工件水平裝夾、垂直移動、垂直裝夾、垂直拆卸等步驟。若采用已有吊帶或者夾鉗進行工件裝夾，很難滿足需求，需要輔助件或者人工參與保證工件裝夾。

圖3 工件在機床上的裝卡過程圖

2.2 吊裝夾具工程特性分析

基于現(xiàn)有的多種吊裝夾具，利用質(zhì)量屋進行需求分析和相關(guān)工程特性關(guān)系分析，如圖4所示。通過調(diào)研用戶需求主要包括操作性、安全性能、應(yīng)用范圍等七項，通過專家評分及產(chǎn)品應(yīng)用體驗等方法，確定安全性能、操作性、應(yīng)用范圍以及使用壽命需求是權(quán)重相對較高的用戶夾具需求，應(yīng)優(yōu)先滿足。將用戶需求向夾具工程特性映射，夾具工程特性分為總裝或機床裝卡、勞動強度、搬運速度、夾持物可調(diào)性等八項技術(shù)特性，各特性的權(quán)重由質(zhì)量需求權(quán)重及相互相關(guān)程度綜合獲得。采用柔性或者剛性吊裝夾具增設(shè)輔助件進行盤類工件吊裝，部分技術(shù)特性之間存在負相關(guān)，難以同時實現(xiàn)用戶需求。

圖4 吊裝夾具的設(shè)計質(zhì)量屋

3 基于TRIZ的吊裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 吊裝夾具TRIZ問題轉(zhuǎn)化求解

工程特性存在負相關(guān)，物理沖突可以根據(jù)分離原理，選擇對應(yīng)發(fā)明原理進行解決，如圖3所示；技術(shù)沖突通過由39個通用技術(shù)參數(shù)及40個發(fā)明原理組成的經(jīng)典技術(shù)沖突矩陣，解決技術(shù)沖突問題。明確問題的改善技術(shù)參數(shù)與惡化參數(shù)后，通過沖突矩陣，查找相應(yīng)的發(fā)明原理，進而用發(fā)明原理對問題求解。

表2 分離原理與發(fā)明原理關(guān)系

① 問題：大質(zhì)量薄圓柱物體的搬運及裝夾；

② 解決方案：吊帶加人工，并增加輔助件實現(xiàn)被吊物體的搬運與裝夾；

③ 存在問題：實現(xiàn)了夾持物的可調(diào)性以及裝夾與總裝，存在安全性問題；同時，吊帶增加了輔助件，進而增加裝置的復(fù)雜性，影響了裝置的加工工藝性。

通過分析，吊裝夾具存在工程特性矛盾為技術(shù)矛盾，建立問題模型：

希望改善的參數(shù)：適用性、通用性35；

導(dǎo)致惡化的參數(shù)：可靠性27，系統(tǒng)復(fù)雜性36，可制造性32；

通過技術(shù)沖突矩陣解決問題，同時定義一個改善參數(shù)的多個技術(shù)沖突，選擇各個矛盾矩陣中的優(yōu)先發(fā)明原理，吊裝夾具選擇發(fā)明原理35、15、1，見表3。發(fā)明原理為問題解決提供思路、方向，見表4。

表3 吊裝夾具技術(shù)沖突矩陣

表4 發(fā)明原理選擇及應(yīng)用

3.2 吊裝夾具結(jié)構(gòu)方案形成

發(fā)明原理“系統(tǒng)復(fù)雜性”與“可制造性”之間存在正相關(guān)，吊裝夾具的設(shè)計均具有分割物體、零部件間相對調(diào)節(jié)的思想。通過以上發(fā)明原理的啟發(fā)，結(jié)合專業(yè)知識、經(jīng)驗、相似產(chǎn)品、知識庫等進行方案設(shè)計，獲得了兩種全新的吊裝夾具。

(a)方案1 (b)方案2 圖5 新型吊裝夾具方案

方案1：如圖5a所示，兩個下爪體與支架轉(zhuǎn)動副連接，上爪體與支架間移動副連接，可適應(yīng)不同直徑與厚度的被吊物體夾持；上爪體上部設(shè)計掛鉤調(diào)節(jié)機構(gòu)，保證被吊物體處于平衡狀態(tài)，滿足吊裝需求。

方案2：如圖5b所示，支架與三個爪體間相互獨立，且保證三個爪體均有移動副連接于支架，根據(jù)被吊物體直徑分別調(diào)節(jié)三個爪體位置；支架上部設(shè)置有掛鉤調(diào)節(jié)機構(gòu)，滿足用戶需求。

4 基于FAHP的吊裝方案設(shè)計

4.1 基于FAHP的吊裝方案優(yōu)選

對方案1與方案2進行效果評估，吊裝夾具模糊層次結(jié)構(gòu)模型如圖6，其中準則層指標確定應(yīng)結(jié)合QFD中的需求指標與工程特性。

圖6 吊裝夾具模糊層次結(jié)構(gòu)模型圖

吊裝夾具的準則層模糊互補判斷矩陣：

A={(0.5,0.7,0.6,0.3,0.7);(0.3,0.5,0.7,0.4,0.7);(0.4,0.3,0.5,0.4,0.5);(0.7,0.6,0.6,0.5,0.7); (0.3,0.3,0.4,0.3,0.5)}

行和歸一法求得排序向量：

WA={0.215,0.205,0.185,0.23,0.165}

若只有一位人員進行打分，則不需要進行相容性檢測，只進行一致性檢查，選擇a=0.3。

0.108 0.512 0.538 0.483 0.566 0.488 0.103 0.526 0.471 0.554 0.463 0.474 0.093 0.446 0.529 0.517 0.529 0.554 0.115 0.582 0.434 0.446 0.471 0.418 0.083

方案層互補判斷矩陣B1={(0.5,0.7); (0.3,0.5)}；B2={(0.5,0.5); (0.5,0.5)}；B3={(0.5,0.6); (0.4,0.5)}；B4={(0.5,0.7); (0.3,0.5)}；B5={(0.5,0.4); (0.6,0.5)}

行和歸一法求得排序向量：

WB1={0.6;0.4};WB2={0.5;0.5} ;WB3={0.55;0.45} ;WB4={0.6;0.4}WB5={0.45;0.55}

同上，進行一致性檢查，此處省略。

總排序矩陣W=WA·WB=WA·{WB1;WB2;WB3;WB4;WB5;}={0.546;0.456}

排序中，方案1優(yōu)于方案2，所以選擇方案1為問題解決方案(方案1與方案2均有移動、裝夾、組裝盤類工件的功能，但方案2需三爪體分別調(diào)節(jié)，容易引起三爪體中心與支架中心偏移；若通過聯(lián)鎖機構(gòu)實現(xiàn)同心，裝置復(fù)雜性及重量大大增加，所以選擇方案1為問題解決方案)。

4.2 優(yōu)選方案詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于方案1設(shè)計的工件吊裝裝置，主要由掛鉤、掛鉤調(diào)節(jié)機構(gòu)、上爪體、支架、下爪體等組成。采用有限元靜力學分析，對局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進設(shè)計。其中，爪體通過靜力學分析，存在應(yīng)力集中點，設(shè)計為帶梳齒的“V”型面，且應(yīng)力集中部位以圓弧過度消除應(yīng)力集中，通過轉(zhuǎn)動副連接增加了夾持物體的自適應(yīng)能力，同時“V”型面增加了與盤類物體圓柱面的接觸面積，使受力均勻化，夾持更牢固，如圖7所示；支架兩臂夾角為80°～90°，掛鉤調(diào)節(jié)機構(gòu)通過T型滑塊實現(xiàn)被吊物體的水平調(diào)節(jié)功能。

(a)三維受力模型 (b)詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖7 爪體詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計

5 總結(jié)

針對長徑比較小的重型工件吊裝問題，提出基于TRIZ及FAHP的問題解決模式，應(yīng)用QFD進行吊裝夾具工程特性分析，存在的工程特性矛盾采用TRIZ進行了分析與求解，獲得了兩種的新型吊裝夾具；應(yīng)用FAHP對兩種吊裝方案進行評估，選擇方案1為問題解決方案。最后，對方案1進行了詳細設(shè)計，可實現(xiàn)吊裝直徑大、厚度薄、質(zhì)量大的零件及毛坯等需求，驗證該問題解決模式的可行性及新型夾具的可靠性。提出的問題解決模式可應(yīng)用于類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計問題求解，尤其可采用相應(yīng)的發(fā)明原理來獲取解決問題的途徑，提高問題解決的可能性。