基于TRIZ 的振動時效機器人用多維隔振裝置設計*

孫 吉 ， 王成軍

（1.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學人工智能學院，安徽 淮南 232001）

0 前言

在不均勻的外力或溫度場作用下，物體內存在由于應力分布不均而產生的殘余應力。殘余應力會縮短金屬構件的壽命，降低其疲勞強度及尺寸精度。為消除殘余應力，現有的方法主要有自然時效、熱時效、振動時效等[1]。自然時效工作效率較低，熱時效對加熱設備及工人操作技術要求較高，較難實現自動化加工。振動時效能耗較低，具有流程化、自動化、智能化的優點。

在對工件進行時效處理的過程中，現有的振動時效裝置的激振方向單一，多為單自由度或雙自由度，適于對結構簡單、體積較小的工件進行時效處理。由于大型工件或不規則工件殘余應力分布復雜，現有裝置對其振動時效處理的工作效率較差，且整體工作過程中需要人工參與[2]。為解決此問題，現采用振動時效機器人配合振動時效裝置實現多自由度振動時效工作。

在解決具體問題時應用TRIZ 理論得出合適的創新方法，構建解決問題的思考方向，應用TRIZ 理論進行創新設計，已成為學界的研究熱點[3]。為設計出與振動時效機器人配合的振動時效裝置，本文擬采用TRIZ 理論分析創新方法，并根據創新方法對研究對象進行分析，實現創新設計。設計過程中通過有限元軟件進行仿真，可驗證創新設計結構在實際應用中的合理性。

1 問題分析

1.1 問題描述

為保護振動時效機器人總體結構，延長其壽命，需在振動時效機器人與激振裝置中間安裝隔振器。現有的隔振裝置的結構如圖1 所示，主要由調節螺栓、上蓋、彈簧座、底座和彈簧組成。其中，上蓋與底座總體連接方式為移動副連接。

振動時效機器人的工作方式為確定激振點位置及移動路徑，固定夾爪夾緊激振位置的外形部件的同時開始激振。隔振器限制激振裝置的自由度，起到緩沖作用。如圖1 所示的隔振器自由度過低，導致進行振動時效處理時工作效率較低。

圖1 隔振裝置模型

1.2 因果軸分析

為解決實際問題，需挖掘出問題的底層邏輯及其相互關系，根據現象與結果之間的因果關系找到構成問題的關系鏈，再根據關系鏈找到問題的解決方法。可將實際問題拆分為因果鏈中的幾個關鍵因素，為分析問題提供思路[4-5]。分析振動時效的相關資料，可得如圖2 所示的因果軸分析圖，裝載在機械臂的振動時效裝置工作效率不高的主要原因是激振器的數量不足、隔振器的自由度不足、裝載在機械臂的振動時效裝置的工作精度不足、大型零件存在一定的結構復雜度。

圖2 因果軸分析圖

2 運用TRIZ理論解決問題

2.1 技術矛盾求解方法對隔振裝置進行分析

為解決振動時效裝置應用在機械臂上工作效率過低的問題，利用因果軸分析可得：隔振器的自由度不足會影響振動時效裝置的振動維度，隔振器的剛度不足，使振動時效裝置工作效率低。隔振器需在增加隔振器自由度的同時，增加振動時效裝置的剛度。

故上述問題的技術矛盾如下。改善的參數：35.適用性及通用性；惡化的參數：39.生產率。根據TRIZ矛盾解決矩陣[6]，可得發明原理，如表1 所示。

表1 矛盾矩陣

由對本問題實際情況的分析，選擇合適發明原理的部分契合本問題的內容，如表2 所示。

表2 矛盾解決原理

現選擇35c、28c、6a 解決技術矛盾。根據35c，可將隔振器設計為可變柔性，在未激振時調節為剛性，在激振時調節為柔性。在此過程中同時運用了28c 和6a，可將此運動場設置為自動化調節，使該裝置工作自由度相對普通隔振器要高，且柔性可調節。

2.2 技術矛盾解決方案

在普通隔振器中間加裝繩連接調節裝置，需將隔振器設計為可變柔性，故調節裝置在隔振器兩端必須為柔性。在安裝底座安裝一氣缸，氣缸活塞桿通過螺栓連接至鉸接安裝板，將安裝底座與連接底板通過繩連接器的繩連接，該方案可調節隔振器兩端的柔性且自由度高，理論上滿足設計要求。設計總體示意圖如圖3 所示。

圖3 隔振器改進示意圖

2.3 物理矛盾求解方法對隔振裝置進行分析

在實際工程應用中，該設計的繩連接無法保證安裝精度，無法保證隔振器上板的平面度，結構需進一步改進。故根據實際情況采用物理矛盾求解方法對該方案進行修改[7]。

2.3.1 分析技術系統

1）確定隔振裝置技術系統的組成元素。隔振裝置技術系統由以下幾個部分組成：鉸接安裝板、繩連接器、鋼絲繩索、安裝底座、彈簧座、彈簧、連接底板、氣缸。

2）找出隔振裝置精度低的根源。氣缸活塞桿伸出時，帶動鉸接安裝板水平移動。為滿足隔振裝置的有效性，安裝底座與連接底板須為柔性連接。故與鉸接安裝板連接的繩連接器和安裝在連接底板的繩連接座采用繩連接。當鉸接安裝板帶動繩連接器拉動連接底板時，由于四組繩連接為柔性部件且其相對精度不能保證，導致整體隔振裝置精度較低。根據以上分析，可將隔振裝置各部分參數串聯成鏈狀結構，結構如圖4 所示。

圖4 隔振裝置的邏輯鏈

3）當剛柔轉換器的剛度較大時，隔振裝置的精度滿足要求。為提高隔振效果，在隔振裝置中采用了較高柔性的部件，用于控制安裝底座與連接底板的距離。因此在本案例中，隔振裝置連接部件的柔性是關鍵參數。

2.3.2 定義物理矛盾

按照物理矛盾的定義，可將上述問題中的物理矛盾定義為：剛柔轉換器連接部件的柔性應該為低，用于提高隔振裝置的定位精度；同時剛柔轉換器連接部件的柔性應該為高，以便提高隔振裝置的隔振效果。

2.3.3 解決物理矛盾

解決物理矛盾，需根據物理矛盾的類型采用合適的分離原理[8-9]。本文的物理矛盾為剛柔轉換器連接部件的柔性高低。在機械臂定位振動時效方位時，需使剛柔轉換器連接部件的柔性變低；在振動時效裝置工作時，需使剛柔轉換器連接部件的柔性變高，提高隔振效果。在此案例中采用相反需求的時間分離原理，根據該原理的內容可設計解決方案。

方案一：在安裝底座與連接底板間各安裝一圓柱形連桿，兩連桿垂直安裝一球鉸副，在兩連桿外套一環形套筒。根據氣缸的直線運動調節套筒位置，當套筒套在球鉸鏈中時，該剛柔轉換器為剛性連接；當套筒未套在球鉸鏈中時，該剛柔轉換器為柔性連接。

方案二：在連接底板上垂直固連一氣缸，由氣缸帶動一導柱的連接板，導柱一端連接至連接板，另一端安裝卡塊，可通過旋轉電機卡在安裝底座中。當氣缸直線運動至卡塊工作區域中，卡塊旋轉動作使剛柔轉換器變為剛性連接；當氣缸及旋轉電機未動作時，剛柔轉換器為柔性連接。

方案三：在安裝底座與連接底板間安裝一并聯支架，并聯支架的左右支鏈均為5R 串聯結構，在兩支鏈中部安裝一氣缸，氣缸左右以鉸接連接兩支鏈。隨著氣缸活塞桿伸長，并聯支架與彈簧構成了一個剛體。若氣缸不動作，則其構成柔性連接。

2.4 方案評估

通過TRIZ 理論分析得到三個具體的創新方案，對其進行分析可得方案評估表，如表3 所示。由于方案一、二占用空間及結構復雜度較高，不予采用，故采用方案三作為解決該問題的相對最優解。

表3 方案評估表

3 多維隔振裝置有限元分析

3.1 模型建立

建立最優方案的三維模型，如圖5 所示。多維隔振裝置由振動安裝板、安裝底座、彈簧、連接底板、三維加速度傳感器、并聯支架、電磁激振器等組成。其中，并聯支架由滾動軸承、轉動關節、上連桿、左頂桿、下連桿、氣缸、銷、右頂桿、環形滑軌組成，如圖6 所示。

圖5 多維隔振裝置模型

圖6 并聯支架結構圖

3.2 有限元仿真參數設置

氣缸工作時，整個系統的運動可看作速度接近0 的勻速運動。通過計算選擇受外應力最大的結構件右頂桿進行有限元分析，將其模型導入ANSYS Workbench，確定其材料屬性為鋁合金，且其最大載荷為73.568 N。將其鉸接部分作為固定支撐約束，根據靜力學分析可得出該零件的應力、應變云圖[10]，分別如圖7、圖8 所示。

圖7 右頂桿應力云圖

圖8 右頂桿應變云圖

3.3 有限元結果分析

根據右頂桿應力云圖、應變云圖可得，最大等效應力為31.524 MPa，遠小于鋁合金的屈服強度246 MPa，最大等效應變為0.000 444 01 mm/mm，滿足右頂桿工作要求。

4 結論

為解決傳統隔振裝置無法滿足多維振動時效的隔振需求的問題，運用TRIZ 理論對其進行分析，發現合適的技術創新方法。使用因果軸分析及技術矛盾分析提供解決方案，通過物理矛盾優化該方案，評估并選擇最佳方案，設計一款振動時效機器人用多維隔振裝置。借助ANSYS 有限元軟件對其關鍵部件進行靜力學分析，分析結果滿足材料強度要求，驗證了結構設計的合理性。