錢美南，李龍，陳家樂

（安徽理工大學(xué) 人工智能學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

車身殼體是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，也是一個(gè)典型的焊接結(jié)構(gòu)件，焊接工藝作為焊接生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，它在焊接生產(chǎn)中起著關(guān)鍵的作用，其焊接質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系到車身整體的美觀還直接影響整個(gè)車身質(zhì)量，甚至?xí)＜暗饺松戆踩?。目前白車身焊接質(zhì)量檢測(cè)方法主要有破壞性檢測(cè)技術(shù)、非破壞性檢測(cè)技術(shù)、肉眼觀察[1]，并且都只適用不同部件的檢測(cè)，整個(gè)檢測(cè)過程的工作量大、數(shù)據(jù)量大、速度慢且效率低。

根據(jù)TRIZ在設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得的成效[2]，本文為解決焊接質(zhì)量檢測(cè)速度慢、效率低等問題，采用TRIZ理論對(duì)白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過“九屏分析法”為白車身焊接質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人提供研究方向，借助“因果軸分析法”對(duì)白車身焊接質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器不足之處進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)阻礙機(jī)器人研發(fā)的相關(guān)因素，再運(yùn)用“功能分析法”對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行抽象描述，最后我們采用TRIZ工具進(jìn)行問題解決與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了可靠思路。

1 TRIZ理論介紹

TRIZ理論是由蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿利赫舒列爾于1946年創(chuàng)立的，其英文解釋是Theory of the Solution of Inventive Problems（發(fā)明問題解決理論）。他從閱讀世界各國著名的發(fā)明專利過程發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展總是遵循一定的規(guī)律，而且同一條規(guī)律可以適用于在不同的場(chǎng)合解決不同的問題，掌握了這些規(guī)律就可以進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。TRIZ理論就是用來解決矛盾和技術(shù)的創(chuàng)新原理和法則的歸納體系。

TRIZ理論對(duì)問題的研發(fā)和問題的解決思路具有明確的指導(dǎo)意義，是目前產(chǎn)品問題解決及技術(shù)創(chuàng)新最有價(jià)值的方法之一，它可以讓人們?cè)诮鉀Q問題之前確定問題解決的方法并分析該方法的適用性，以及對(duì)未來發(fā)展的預(yù)測(cè)。TRIZ理論采用系統(tǒng)性思維和標(biāo)準(zhǔn)化思維工具[3]，對(duì)問題進(jìn)行抽象化分析，對(duì)我們要解決的問題進(jìn)行原理分析、進(jìn)化過程預(yù)測(cè)，最終得到針對(duì)性的解及可能產(chǎn)生出來的新問題，TRIZ理論流程如圖1所示。TRIZ理論主要解決問題的方法有沖突矩陣和創(chuàng)新原理、物質(zhì)-場(chǎng)分析模型、九屏分析法、因果軸分析法等。

圖1 TRIZ理論流程圖

2 基于TRIZ理論的系統(tǒng)分析

2.1 九屏分析法

系統(tǒng)常常由多個(gè)子系統(tǒng)組成，同時(shí)它又常常隸屬于一個(gè)更大的系統(tǒng)，即超系統(tǒng)，每一個(gè)系統(tǒng)也都有它的過去與未來。在解決問題時(shí)，常常需要用到子系統(tǒng)和超系統(tǒng)資源，或者需要考慮系統(tǒng)、子系統(tǒng)及超系統(tǒng)的過去與未來的發(fā)展變化，從多個(gè)維度對(duì)問題進(jìn)行分析，可以打開圖中所示9個(gè)屏幕。當(dāng)前白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人的九屏分析如圖2所示，用九屏分析法分析白車身焊接快速檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)：當(dāng)前系統(tǒng)是焊接質(zhì)量檢測(cè)的操作員，子系統(tǒng)是手動(dòng)檢測(cè)，超系統(tǒng)是機(jī)械化檢測(cè)。最初的焊接質(zhì)量檢測(cè)是人工檢測(cè)，工作量大且效率低，焊接質(zhì)量也得不到保證。隨著機(jī)器人的發(fā)展與運(yùn)用，將機(jī)器人運(yùn)用到焊接質(zhì)量檢測(cè)行業(yè)以代替人工作業(yè)、提高工作效率，白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人的研發(fā)將進(jìn)一步推動(dòng)焊接質(zhì)量檢測(cè)行業(yè)的發(fā)展。

圖2 白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人九屏分析圖

2.2 因果軸分析法

因果軸分析法用于根本原因與結(jié)果之間存在的因果關(guān)系構(gòu)成的關(guān)系鏈，發(fā)現(xiàn)問題的根本原因，結(jié)合邏輯鏈中薄弱環(huán)節(jié)，找出解決問題的切入點(diǎn)。因果分析是建立其初始缺點(diǎn)與各個(gè)底層缺點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行預(yù)測(cè)。

從當(dāng)前白車身焊接質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器的信息精確度不足開始推導(dǎo)，現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人不能直接用于焊接質(zhì)量檢測(cè)作業(yè)的主要原因在于成本及適用性上存在很大的不足。根本原因如下：1）材料的彈性模量、剛度和強(qiáng)度的不足導(dǎo)致工作臂支持力不足；2）白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)過程中的機(jī)械臂靈活性和操作性不足；3）掃描效率不高及焊接口特征識(shí)別缺乏，導(dǎo)致過程中可觀測(cè)點(diǎn)不足。具體的因果軸分析如圖3所示。

圖3 白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人因果軸分析圖

2.3 功能分析法

系統(tǒng)功能分析是從抽象的角度來分析系統(tǒng)，找到工程系統(tǒng)中的功能缺點(diǎn)或存在問題的組件，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的分析。對(duì)現(xiàn)有的質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行功能分析可知，當(dāng)前系統(tǒng)是車身焊接質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人，子系統(tǒng)是焊接質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)，超系統(tǒng)是自主快速檢測(cè)機(jī)器人。當(dāng)前系統(tǒng)包括工作臂、視覺系統(tǒng)、操作系統(tǒng)；子系統(tǒng)主要包括齒輪、識(shí)別器、減速機(jī)等；超系統(tǒng)主要包括導(dǎo)軌、操作者等。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)分析，由于可檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量不足，不僅導(dǎo)致混聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)掃描攝像頭的承載和調(diào)姿不足，還使得信息采集的數(shù)據(jù)量不足，這些數(shù)據(jù)量導(dǎo)入計(jì)算機(jī)與視覺系統(tǒng)匹配度較低，導(dǎo)致視覺系統(tǒng)反饋給操作者的信息準(zhǔn)確性和完備性不足，影響操作者對(duì)裝置的調(diào)整?；谝陨戏治?，建立白車身焊接質(zhì)量自主快速檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)組件功能模型。

3 基于TRIZ理論焊接質(zhì)檢機(jī)器人的問題分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1）問題1：串聯(lián)機(jī)械臂末端負(fù)重比不足。通過組件九屏分析和因果軸分析發(fā)現(xiàn)，白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人現(xiàn)有問題是機(jī)器人機(jī)械臂負(fù)重比不足，現(xiàn)有的解決方案是改變機(jī)械臂的幾何結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)械臂的承載能力。采用技術(shù)矛盾求解串聯(lián)機(jī)械臂末端負(fù)重比不足，經(jīng)分析轉(zhuǎn)化TRIZ的39個(gè)通用工程參數(shù)，歸納出技術(shù)矛盾如下：惡化參數(shù)為No.36設(shè)備復(fù)雜性，No.13結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；改善的參數(shù)為No.07運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量、No.14強(qiáng)度和No.26物質(zhì)或事物的數(shù)量。得到TRIZ沖突矩陣如表1所示。

表1 矛盾矩陣表

運(yùn)用“物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)?5：改變串聯(lián)式幾何結(jié)構(gòu)”，使用混聯(lián)機(jī)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上來看，并聯(lián)機(jī)械臂構(gòu)型比較緊湊，整體承載能力比較大，彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)械臂在許多應(yīng)用方面的短板[4]。與其它機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂有多種優(yōu)點(diǎn)：精度高、反應(yīng)快、剛度大、能夠承載大型零件且操作靈活。串聯(lián)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作空間大、關(guān)節(jié)靈活性好[5]。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)及互補(bǔ)性，因此選用混聯(lián)工作臂作為白車身焊接質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2）問題2：白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)過程的靈活性和操作性不足。采用裁剪法求解機(jī)器人檢測(cè)過程的靈活性和操作性，對(duì)圖4進(jìn)行系統(tǒng)剪裁，裁剪結(jié)果如圖5所示。

圖4 白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)組件功能模型

圖5 白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人剪裁圖示

圖5中裁剪機(jī)器人系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)的混聯(lián)機(jī)構(gòu)和自動(dòng)掃描系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)，在機(jī)械臂的自主運(yùn)動(dòng)下完成掃描過程，實(shí)現(xiàn)掃描機(jī)構(gòu)的全自動(dòng)化；將掃描探頭和視覺系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)，掃描探頭將捕捉到的視覺信息傳入視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掃描過程的智能化、自動(dòng)化、可操作化，提高了掃描機(jī)器人的檢測(cè)速度和檢測(cè)精度，大大減少了工作量。

3）問題3：檢測(cè)過程可觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目不足。物-場(chǎng)模型是建立物體與各種場(chǎng)之間的聯(lián)系，包括機(jī)械場(chǎng)、重力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等，即建立其宏觀和微觀的聯(lián)系。采用物-場(chǎng)分析求解檢測(cè)過程中可觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目不足的問題。傳統(tǒng)的焊接質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)只能對(duì)單一的部件進(jìn)行檢測(cè)，無法適用于所有的零部件，檢測(cè)攝像頭無法精準(zhǔn)確定適當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)，也無法看出其對(duì)車身是否存在影響。轉(zhuǎn)化成TRIZ物-場(chǎng)模型分析，其中3個(gè)元素分別是車身可觀測(cè)點(diǎn)（S1）、檢測(cè)攝像頭（S2）、機(jī)械場(chǎng)（F）；在機(jī)械場(chǎng)中，物質(zhì)2對(duì)物質(zhì)1的作用關(guān)系較弱，建立物-場(chǎng)模型如圖6（a）所示。從物-場(chǎng)模型76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法表中查得，可以采用解法2.2.1求解，即引入新的場(chǎng)來增強(qiáng)需要的效果，如圖6（b）所示。

圖6 物-場(chǎng)模型分析

4 焊接質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能分析，將整個(gè)機(jī)器人裝置劃分成不同系統(tǒng)，研究每個(gè)系統(tǒng)的缺陷和不足及相互之間的影響，得出各個(gè)部件有相互作用的關(guān)系，找到工程系統(tǒng)中的功能缺點(diǎn)或存在問題的組件。通過功能建模對(duì)其進(jìn)行因果分析，通過因果分析發(fā)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)計(jì)中的不足，對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化，通過TRIZ理論的35號(hào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理、裁剪法、物-場(chǎng)分析，得到最終機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 檢測(cè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

移動(dòng)組件1包括支撐環(huán)和多位掃描攝像頭。通過升降組件2帶動(dòng)升降的移動(dòng)組件1。支撐平臺(tái)4上設(shè)有多個(gè)相互交叉布置的限位槽，每個(gè)限位槽為倒置的T形結(jié)構(gòu)，當(dāng)車體固定在支撐平臺(tái)上時(shí)，可通過多個(gè)螺釘一端滑動(dòng)設(shè)置在不同的限位槽內(nèi)，另一端穿出將車體進(jìn)行固定，即螺釘?shù)尼旑^與T形結(jié)構(gòu)相互匹配，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)車體的快速定位，車體可在滑軌上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自主定位，無需人為推動(dòng)，大大節(jié)省了人力。在升降組件的帶動(dòng)下，移動(dòng)組件升降至車體上方的合適位置，第一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多位掃描攝像頭進(jìn)行環(huán)形運(yùn)動(dòng)，并隨著升降組件的移動(dòng)，使得多位掃描攝像頭進(jìn)行360°掃描，多位掃描攝像頭與計(jì)算機(jī)連接，用于傳輸掃描信息，利用計(jì)算機(jī)完成三維掃描，充分獲取車身信息并進(jìn)行處理分析，最終輸出檢測(cè)結(jié)果。

五自由度的并/混聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)具有易操控、精度高、靈活性好[6-7]等優(yōu)點(diǎn)，故該檢測(cè)機(jī)器人作業(yè)裝置采用的是3UPU-PP混聯(lián)機(jī)構(gòu)，是兩轉(zhuǎn)一移三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和兩移動(dòng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)形成的混聯(lián)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)U副間通過主動(dòng)移動(dòng)P副連接，其中3UPU稱為并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中，定平臺(tái)在上，動(dòng)平臺(tái)在下，動(dòng)、定平臺(tái)均通過胡克鉸U與支鏈連接；PP稱為串聯(lián)機(jī)構(gòu)[8]。該并聯(lián)支架可以實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)的移動(dòng)，動(dòng)平臺(tái)可輸出3個(gè)平移自由度，無轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，解耦容易，控制更簡(jiǎn)單方便，運(yùn)動(dòng)學(xué)正解容易，可操作性強(qiáng)，機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間的配合精度相對(duì)較高，而且在所承受載荷方面也更好。

整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兼有剛度好、定位精確及工作空間大、控制解耦性好等多方面的綜合性能及優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是基于操作器方位特征集的串（并）聯(lián)自由度數(shù)目和順序分配、組合方式及新型少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊的構(gòu)造。將機(jī)械化、智能化、自動(dòng)化合理融合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)車體表面不同焊接位置的快速自動(dòng)掃描，提高檢測(cè)精度，避免車體的搬運(yùn)和移動(dòng)，而且實(shí)現(xiàn)多個(gè)掃描相應(yīng)進(jìn)行及機(jī)構(gòu)同時(shí)自動(dòng)充電，減少掃描缺陷，效率更高。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用TRIZ理論對(duì)現(xiàn)有的白車身焊接質(zhì)量進(jìn)行分析，通過九屏分析法和因果軸分析找出機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中的缺點(diǎn)和不足，通過矛盾分析，運(yùn)用裁剪法和物-場(chǎng)模型解決了機(jī)器人機(jī)械臂負(fù)重比不足、操作性和靈活性不足及焊接質(zhì)量檢測(cè)觀測(cè)點(diǎn)不足等問題。綜合考慮白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人的作業(yè)范圍、精度、負(fù)載能力及制造成本等方面，成功設(shè)計(jì)出白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人，為白車身焊接質(zhì)量快速檢測(cè)機(jī)器人的研發(fā)提供了研究基礎(chǔ)和研究依據(jù)。