基于TRIZ理論的自動(dòng)焊接工裝夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈金龍，劉展偉，蔡瑞斌，隋 然，馮 毅，薛 城

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

焊接工裝夾具是將焊件準(zhǔn)確定位和可靠夾緊，便于焊件進(jìn)行裝配和焊接、保證焊件結(jié)構(gòu)精度的工藝裝置。本課題組曾制作出一種自動(dòng)焊接工裝夾具，該裝置采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)裝置提升旋轉(zhuǎn)，從而變換焊件在空間中的位置，實(shí)現(xiàn)全位置焊接。該裝置在使用過程中，夾持機(jī)構(gòu)在繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于重心不在中軸線上，導(dǎo)致偏心使得夾持機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

TRIZ理論(發(fā)明問題解決理論)是根里奇·阿奇舒勒在總結(jié)了二十多萬份專利成果的基礎(chǔ)上，提煉出的一套發(fā)明問題解決理論體系。其主要包括40個(gè)發(fā)明原理、矛盾矩陣表、功能分析、物場分析、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和發(fā)明問題解決算法等，是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律，研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的方法論，進(jìn)而解決工程領(lǐng)域中的創(chuàng)新問題[1-4]。

筆者針對現(xiàn)有全位置焊接工裝夾具存在的問題，應(yīng)用TRIZ理論，對系統(tǒng)進(jìn)行功能分析和因果分析，找出系統(tǒng)存在問題的關(guān)鍵原因，利用資源分析、矛盾分析獲得TRIZ解決方案模型，得出解決方案。

1 問題分析

1.1 描述問題

自動(dòng)焊接工裝夾具的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)工裝夾具結(jié)構(gòu)簡圖

工裝夾具內(nèi)置三個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，其工作原理為：機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)通過提升電動(dòng)機(jī)工作，使頂升機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)提升與其焊接在一起的內(nèi)套管，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)套管以上部件沿Z軸整體提升，調(diào)節(jié)焊件的高度。機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)通過Z軸旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)工作驅(qū)動(dòng)嵌套在軸上的主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)與其嚙合的從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)焊接在從動(dòng)齒輪上的三通旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)夾持部位及夾持在其上的工件繞Z軸旋轉(zhuǎn)。夾持焊件旋轉(zhuǎn)通過X軸旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)工作驅(qū)動(dòng)嵌套在軸上的主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)與其嚙合的橫向從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)焊接在從動(dòng)齒輪上的夾持部位及夾持在其上的工件繞X軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)焊件的全位置焊接。且在工裝夾具夾頭安裝有電磁鐵，電磁鐵通過繼電器的控制實(shí)現(xiàn)焊件的吸附與釋放，從而保證焊件在夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)的過程中保持穩(wěn)定。

從圖中可以看出，由于重心不在軸線上，在機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏心，從而導(dǎo)致夾持機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)。為此，在夾持機(jī)構(gòu)另一側(cè)增加配重讓重心落在中軸線上，但由于每次焊接時(shí)夾持工件重量不一致，因此并沒有徹底解決問題。

1.2 系統(tǒng)功能分析

在TRIZ理論中，基于組件的功能分析是將系統(tǒng)拆分成各個(gè)組件，分析各組件之間的相互關(guān)系及組件在系統(tǒng)中的作用(見圖2)，將其作用分為正常功能、有害功能、不足功能和過剩功能。進(jìn)一步理清各組件的關(guān)系及其在系統(tǒng)中的作用，為后續(xù)的因果分析和資源分析提供支持。

圖2 組件功能分析

1.3 因果分析

凡是結(jié)果，必然有其原因。在本課題中，以夾持部位轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)為起點(diǎn)，造成此缺點(diǎn)的中間原因有構(gòu)件重心偏移、動(dòng)力輸出不穩(wěn)定、安裝精度不可控。以此三個(gè)中間原因?yàn)槠瘘c(diǎn)，不斷深入，逐層分析，最終找到根本原因和容易解決的原因，為資源分析和矛盾分析提供解決思路。表1為經(jīng)過簡化的自動(dòng)工裝夾具因果軸分析表。

表1 簡化后的自動(dòng)工裝夾具因果軸分析表

2 問題求解

2.1 資源分析

為了挖掘系統(tǒng)中未被發(fā)現(xiàn)的隱形資源，利用多屏幕法，按照時(shí)間和系統(tǒng)層次兩個(gè)維度，分別對系統(tǒng)的過去和未來，子系統(tǒng)和超系統(tǒng)可利用的自然或環(huán)境資源、時(shí)間資源、空間資源、系統(tǒng)資源、信息資源、功能資源進(jìn)行羅列，從而進(jìn)行問題求解，以其中一項(xiàng)根本原因-從動(dòng)齒輪支撐不足為例進(jìn)行資源分析，如表2所示。

表2 從動(dòng)齒輪支撐不足資源分析表

對超系統(tǒng)資源分析得知，其空間資源有：從動(dòng)齒輪與外套管之間的距離。通過分析，可運(yùn)用超系統(tǒng)中空間資源，得到方案1：因?yàn)橄到y(tǒng)面臨的問題是從動(dòng)齒輪支撐不足，由于夾持機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的重力偏移通過三通加載在從動(dòng)齒輪上，而從動(dòng)齒輪又是單點(diǎn)支撐，故難以避免的會(huì)在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生阻力過大而影響夾持機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性?？梢岳脧膭?dòng)齒輪與外套管之間的距離在從動(dòng)齒輪下方安裝深溝球軸承和推力軸承，將單點(diǎn)接觸變?yōu)槎帱c(diǎn)接觸，從而減少齒輪磨損，并且改變重心偏移問題。

2.2 矛盾分析

(1) 技術(shù)矛盾 根據(jù)之前因果分析中間原因構(gòu)件重心偏移可知，現(xiàn)有解決辦法是在三通另一端增加配重而改變重心偏移，但此舉會(huì)導(dǎo)致重量和成本增加。根據(jù)創(chuàng)新原理22變害為利的啟發(fā)，得到方案2：因?yàn)橄到y(tǒng)面臨的問題是夾持機(jī)構(gòu)過長而導(dǎo)致的重心偏移，而可以利用的空間資源又是三通的另一端，因此可以將三通的另一端也安裝一個(gè)夾持部件，這樣既可以避免重心偏移，也可以節(jié)約超系統(tǒng)的空間。

根據(jù)之前因果分析根本原因5可知，針對內(nèi)外套管之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)有解決辦法是內(nèi)外管分別開槽、然后在槽中加入定位銷從而避免轉(zhuǎn)動(dòng)，但是會(huì)導(dǎo)致成本增加、制造難度大。根據(jù)創(chuàng)新原理35改變特征(物理或化學(xué)參數(shù)改變)的啟發(fā)，得到方案3：內(nèi)管選用方管，外管選用圓管。這樣，由于摩擦力的存在，并且外管在制造中也不是標(biāo)準(zhǔn)的圓管，所以內(nèi)外管之間就不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2) 物理矛盾 根據(jù)之前因果分析根本原因2可知，針對橫向內(nèi)套管過長，現(xiàn)系統(tǒng)采用不可伸縮式橫向內(nèi)套管。由于整個(gè)橫向臂伸出較長，使得重心偏移較大，從而在一定程度上導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)。實(shí)際系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要求橫向內(nèi)套管短，減小重心偏移，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在焊接時(shí)要求橫向內(nèi)套管長，便于焊工操作，而以上兩個(gè)時(shí)間段沒有交叉，因此可應(yīng)用時(shí)間分離，根據(jù)動(dòng)態(tài)特性原理得到方案4：將原來一個(gè)不可伸縮式的橫向內(nèi)套管改為兩級伸縮式橫向內(nèi)套管，在轉(zhuǎn)動(dòng)前兩級收縮在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后第二級內(nèi)套管伸出。從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間分離。

3 結(jié) 語

利用TRIZ方法，通過系統(tǒng)功能分析，因果分析，依據(jù)資源分析和矛盾分析，將得到的四個(gè)方案整合，改進(jìn)原裝置，將橫向內(nèi)套管和夾持機(jī)構(gòu)做成左右對稱部件，將內(nèi)管由圓管變?yōu)榉焦?，橫向內(nèi)套管改為兩級伸縮式。從而減小偏心，改變轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)問題。方案實(shí)施前，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度不好控制，轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，主從齒輪磨損嚴(yán)重，每年需要更換兩次，改進(jìn)方案實(shí)施后，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，主從齒輪預(yù)計(jì)三年更換一次。且焊工在操作中使用更方便、操作更快捷，能夠有效提高生產(chǎn)率，同時(shí)由于便于根據(jù)焊工姿態(tài)調(diào)整待焊工件位置，因此可以提高焊縫質(zhì)量。