王智慧，王成軍，邾志偉

（安徽理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.人工智能學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

振動(dòng)時(shí)效是指通過(guò)對(duì)鑄件施加交變載荷，使鑄件內(nèi)部的殘余應(yīng)力逐漸釋放出來(lái)的一種處理方法。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，因振動(dòng)時(shí)效費(fèi)用低、污染環(huán)境小的優(yōu)點(diǎn)，逐步代替熱處理消除內(nèi)應(yīng)力的時(shí)效處理。目前的振動(dòng)時(shí)效裝置主要以激振器為主，通過(guò)人工將其固定在構(gòu)件表面可以有效消除小型鑄件的殘余應(yīng)力，卻無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件的激振作業(yè)需求。

TRIZ理論是一種能夠幫助使用者快速找到問(wèn)題核心且提供解決問(wèn)題的可行辦法的系統(tǒng)體系[1-2]。陳錦豪[3]對(duì)進(jìn)氣管道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于TRIZ理論引入反向設(shè)計(jì)流程，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加具體和完善。劉靜[4]基于TRIZ理論對(duì)馬桶監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決馬桶水資源浪費(fèi)等問(wèn)題。本文基于TRIZ理論的創(chuàng)新思維研制一種適應(yīng)性強(qiáng)、激振頻率高、安全可靠，可以適用于機(jī)械設(shè)備制造的多維振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人，減小和消除機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)件焊接、鑄造或機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和尺寸精度；對(duì)實(shí)現(xiàn)裝配的互換性，使機(jī)械設(shè)備制造工藝穩(wěn)定、可控，降低廢品率和制造成本具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 振動(dòng)時(shí)效裝置系統(tǒng)分析

1.1 問(wèn)題描述

傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效裝置多采用單自由度慣性激振器，通過(guò)卡具固定在工件上完成一維激振作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控方便，對(duì)小型激振任務(wù)具有良好的處理效果。對(duì)于中大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或焊縫多的構(gòu)件，殘余應(yīng)力呈空間三維分布，傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效裝置難以滿足消除應(yīng)力的實(shí)際需要，其振動(dòng)模式單一，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多自由度激振，振動(dòng)時(shí)效處理效果較差。且現(xiàn)有振動(dòng)時(shí)效裝置仍需要人工固定安裝和拆除，不僅勞動(dòng)強(qiáng)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(wèn)題的方法，從時(shí)間空間等多維度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。建立當(dāng)前系統(tǒng)為振動(dòng)時(shí)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(guò)九屏幕分析，當(dāng)前系統(tǒng)是振動(dòng)時(shí)效裝置，超系統(tǒng)是振動(dòng)時(shí)效機(jī)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(dòng)強(qiáng)度；當(dāng)前系統(tǒng)的未來(lái)是多維振動(dòng)時(shí)效，有效解決目前振動(dòng)時(shí)效裝置維數(shù)單一且對(duì)大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜或焊縫多的構(gòu)件上的應(yīng)力難以消除的問(wèn)題。子系統(tǒng)的未來(lái)是可移動(dòng)式激振器，可有效解決大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜或焊縫多的構(gòu)件上的殘余應(yīng)力呈空間三維分布的問(wèn)題。超系統(tǒng)的未來(lái)是混聯(lián)式多維振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人，使振動(dòng)時(shí)效裝置更加智能化，既能解決大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜或焊縫多的構(gòu)件上的應(yīng)力難以消除的問(wèn)題，又能解決大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜或焊縫多的構(gòu)件上的殘余應(yīng)力呈空間三維分布的問(wèn)題。

1.3 因果軸分析

因果軸分析是對(duì)事物發(fā)生的結(jié)果與其產(chǎn)生原因之間的關(guān)系進(jìn)行分析的一種方法，通過(guò)研究其產(chǎn)生的根本原因，從而找到相應(yīng)的解決辦法[5-6]。根據(jù)目前激振裝置存在的問(wèn)題建立振動(dòng)時(shí)效裝置的因果軸分析圖，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人的因果分析圖

通過(guò)因果軸分析圖得到現(xiàn)階段振動(dòng)時(shí)效處理效率低的原因：1）目前激振裝置為一維激振，激振過(guò)程中自由度單一，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件無(wú)法多個(gè)方向消除殘余應(yīng)力；2）缺乏并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在鑄件和焊接件的激振過(guò)程中，許多工作都需要人工完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)化程度低；3）在已有機(jī)械臂夾持激振器的振動(dòng)時(shí)效裝置中，機(jī)械臂移動(dòng)性不足，最終激振裝置的激振效果不足；4）在已有機(jī)械臂夾持激振器的振動(dòng)時(shí)效裝置中，用機(jī)械臂夾持激振器過(guò)程中，機(jī)械臂缺乏減振機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致機(jī)械臂遭受破壞。

以上問(wèn)題導(dǎo)致目前的振動(dòng)時(shí)效裝置激振效果不足，自動(dòng)化程度較低。

2 問(wèn)題解決

2.1 技術(shù)矛盾

通過(guò)九屏幕分析與因果軸分析目前振動(dòng)時(shí)效裝置需要解決的問(wèn)題是自動(dòng)化程度較低。要改善的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)分別為適用性及多樣性和自動(dòng)化程度，而相應(yīng)惡化的參數(shù)為運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量和設(shè)備的復(fù)雜性。建立相應(yīng)的矛盾關(guān)系矩陣如表1所示。

表1 矛盾關(guān)系矩陣

根據(jù)矛盾關(guān)系矩陣得到6條發(fā)明原理，根據(jù)1分割原理：把物體分成相互獨(dú)立的部分與15動(dòng)態(tài)化原理。得到的解決方案為將振動(dòng)時(shí)效裝置分成移動(dòng)部分與激振部分。根據(jù)10預(yù)先作用原理：對(duì)部分物體施加必要改變與16未達(dá)到或過(guò)度的作用原理。得到的解決方案為對(duì)缺乏減振機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂施加改變?cè)黾右粋€(gè)減振機(jī)構(gòu)及隔振器。根據(jù)11預(yù)先防范原理：事先采取應(yīng)急處理，補(bǔ)償物體相對(duì)低的可靠性，得到的解決方案與10預(yù)先作用原理得到的方案一致，即增加一個(gè)隔振器。

2.2 物-場(chǎng)模型

1）問(wèn)題模型的建立。由九屏幕分析圖和因果分析圖可知：①機(jī)器人在鑄件和焊接件的激振過(guò)程中，許多工作都需要人工完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)化程度低；②單自由度激振器激振過(guò)程中，不能多方向上進(jìn)行激振處理；③在已有機(jī)械臂夾持激振器的振動(dòng)時(shí)效裝置中，機(jī)械臂移動(dòng)性不足，最終激振裝置的激振效果不足。

2）解決方案。對(duì)于問(wèn)題①，采用一般解法3，增加第三種物質(zhì)來(lái)阻止有害作用。采用增加多機(jī)械臂的方法來(lái)替代人工操作激振器，提高自動(dòng)化程度，如圖3所示，可得解決方案：增加多個(gè)機(jī)械臂。

圖3 問(wèn)題①物場(chǎng)模型示意圖

針對(duì)問(wèn)題②，采用一般解法6，即引入物質(zhì)S3和另一種場(chǎng)F2來(lái)提高有用效應(yīng)，如圖4所示。

圖4 問(wèn)題②物場(chǎng)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(tǒng)激振方向單一和激振維數(shù)單一的問(wèn)題，工作方式發(fā)生變化，從原有的一維激振變?yōu)槎嗑S激振，提高了激振效率，節(jié)約了成本，且機(jī)器人具有適用性及多樣性，滿足市場(chǎng)需求。

針對(duì)問(wèn)題③，采用一般解法3，增加第三種物質(zhì)來(lái)阻止有害作用。通過(guò)在機(jī)械手上增加移動(dòng)裝置，例如將機(jī)械臂安裝在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，使機(jī)械臂具有移動(dòng)性能，如圖5所示。

圖5 問(wèn)題③物場(chǎng)模型示意圖

3 混聯(lián)式多維振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人的設(shè)計(jì)

對(duì)以上提出的解決方案進(jìn)行歸納總結(jié)，提出一種混聯(lián)式多維振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人的設(shè)計(jì)，該機(jī)器人由吊支架、軌道移動(dòng)裝置、升降裝置、左機(jī)械臂、右機(jī)械臂、隔振器和激振器組成，如圖6所示。

圖6 混聯(lián)式振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人的設(shè)計(jì)

軌道移動(dòng)裝置通過(guò)啞鈴型導(dǎo)向輪安裝在工字型導(dǎo)軌上，升降裝置中連板與軌道移動(dòng)裝置相連，通過(guò)軌道電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪實(shí)現(xiàn)軌道移動(dòng)裝置在工字型導(dǎo)軌上的移動(dòng)，從而帶動(dòng)升降裝置的前后移動(dòng)；左右調(diào)姿裝置通過(guò)矩形支撐架與升降裝置相連，同樣左右機(jī)械臂通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可在矩形支撐架上的導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。從機(jī)構(gòu)學(xué)角度而言，機(jī)械臂具有2平移、2轉(zhuǎn)動(dòng)共4個(gè)自由度，因而安裝在左機(jī)械臂、右機(jī)械臂末端的激振器為具有3個(gè)平移、3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，且具有一個(gè)垂直方向移動(dòng)和水平方向移動(dòng)共2個(gè)冗余自由度，整個(gè)混聯(lián)式多維振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人具有3平移、3轉(zhuǎn)動(dòng)共6個(gè)自由度。為了防止激振器對(duì)機(jī)械臂的影響，在機(jī)械臂與激振器中間設(shè)置隔振器。

該振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人工作原理：雙目攝像頭先根據(jù)被振動(dòng)時(shí)效處理的目標(biāo)物的制造工序情況，確定需要執(zhí)行振動(dòng)時(shí)效處理的工藝參數(shù)、夾具夾持的具體構(gòu)件及部位，將目標(biāo)物通過(guò)橡膠彈簧支撐在地面或工作臺(tái)上。振動(dòng)時(shí)效處理作業(yè)前，通過(guò)調(diào)節(jié)軌道移動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離直線調(diào)節(jié)，其次通過(guò)升降裝置實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)，最后通過(guò)左右調(diào)姿裝置使激振器到達(dá)準(zhǔn)確位置，并通過(guò)夾具將激振器固定在目標(biāo)物的指定位置，啟動(dòng)激振器對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。振動(dòng)時(shí)效處理完成后，松開(kāi)夾具，通過(guò)升降調(diào)姿裝置或左右機(jī)械臂移開(kāi)激振器，等待下一次執(zhí)行振動(dòng)時(shí)效處理任務(wù)的指令。在執(zhí)行振動(dòng)時(shí)效處理任務(wù)過(guò)程中，對(duì)目標(biāo)物的位置及姿態(tài)的識(shí)別主要依賴(lài)雙目攝像頭完成。

4 結(jié)論

基于TRIZ理論的九屏幕分析、因果軸分析，分析目前振動(dòng)時(shí)效裝置存在激振效果不足、自動(dòng)化程度較低等問(wèn)題；根據(jù)分析存在的問(wèn)題，建立技術(shù)矛盾矩陣與物場(chǎng)模型，提出混聯(lián)式多維振動(dòng)時(shí)效機(jī)器人的設(shè)計(jì)。機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)3平移、3轉(zhuǎn)動(dòng)共6個(gè)自由度方向?qū)?fù)雜構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理任務(wù)，從而減小和消除機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)變形或形成裂紋；能提高機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和尺寸精度，減輕生產(chǎn)線上工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。