機械手傳控裝置優(yōu)化設(shè)計

王哲衎，王亮，楊博文，李義，李豐林

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052）

傳統(tǒng)的機械制造領(lǐng)域，尤其在高端裝備產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)品精度高、生產(chǎn)周期長、物料質(zhì)量大等情況，需要在某些環(huán)節(jié)通過機械手進(jìn)行生產(chǎn)輔助，以提高生產(chǎn)效率[1]。同時，在重要機械裝置的檢修保養(yǎng)過程中，由于可能面臨相對惡劣的檢修環(huán)境，也需要機械手代替人工操作，確保檢修過程安全可靠[2]。甚至在采用數(shù)字化虛擬工藝布局設(shè)計過程中，也經(jīng)常采用布局機械手的方案，以期優(yōu)化工藝布局、縮短產(chǎn)品投產(chǎn)時間[3]。但是，受限于實際工作條件，在許多工況下機械手的傳控裝置只能采用傳統(tǒng)的機械式結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生傳控效率低下、零部件易于磨損等現(xiàn)象，產(chǎn)品可靠性及運行穩(wěn)定性較差。為解決機械式傳控機構(gòu)存在的問題，以某型機械手傳控裝置為例，運用TRⅠZ 創(chuàng)新理論，完成創(chuàng)新的傳控機構(gòu)設(shè)計。通過過程固化，探討面向?qū)嵺`的創(chuàng)新設(shè)計解決問題流程。

1 研究案例

某型機械手傳控機構(gòu)如圖1 所示，起固定夾持機械手作用的是9、10、11、12、13 部分。其中9 為固定擋板，10、12 為結(jié)構(gòu)相同的緊固螺桿，10、12 兩側(cè)部分為套著彈簧的伸縮桿，11 為固定機械手的加固塊。在此固定裝置中，緊固螺桿12 延伸至加固塊11 內(nèi)部，其末端與11 內(nèi)部靠近機械手底座8 一側(cè)的固定裝置相連，而與11 內(nèi)部靠近彈簧與伸縮桿一側(cè)的蝸桿相嚙合。通過旋轉(zhuǎn)手柄13 帶動緊固螺桿12 向夾持機械手底部加固塊11 的方向運動，加固塊11 內(nèi)部的垂直方向蝸桿與緊固螺桿12 進(jìn)行嚙合，從而使兩組加固塊靠近或遠(yuǎn)離機械手底座8。

圖1 某型機械手結(jié)構(gòu)圖

2 建立沖突區(qū)域

在加固塊靠近或遠(yuǎn)離機械手底座的過程中，緊固螺桿12 與加固塊11 內(nèi)部蝸桿的齒輪傳動雖然傳動比大，效率較高，但存在軸向力大、容易發(fā)熱、推動力難以進(jìn)行有效控制的問題[4]。若緊固螺桿對蝸桿的推動力過大，不僅會造成緊固螺桿過度振動，縮短緊固螺桿與蝸桿的使用壽命，還會在使用時產(chǎn)生噪聲；若緊固螺桿對蝸桿的推動力過小，則會造成機構(gòu)運動卡滯，加大緊固螺桿與蝸桿的磨損，同時也會造成其使用壽命縮短[5]。上述技術(shù)問題的矛盾焦點在于螺桿推動力的大小無法精確控制，因此針對緊固螺桿和蝸桿在傳動過程中的嚙合面區(qū)域建立沖突分析模型。緊固螺桿與蝸桿傳動過程沖突區(qū)域如圖2 所示，在此區(qū)域可以清晰地顯示推動力的作用與整體機構(gòu)傳輸平穩(wěn)性的關(guān)系[6]。

圖2 沖突區(qū)域示意圖

3 建立物質(zhì)-場模型

在理想條件下，緊固螺桿對蝸桿的作用是有效完整的。但在實際運用過程中，由于受到工作環(huán)境、人為因素等影響，緊固螺桿與蝸桿之間的作用力無法始終維持在設(shè)計要求的可控范圍內(nèi)，造成蝸桿過度磨損，傳輸可靠性持續(xù)下降，機械手位置精度無法保證。通過上述分析，可以建立以下物質(zhì)-場模型。當(dāng)緊固螺桿對蝸桿作用力過大時，會產(chǎn)生過剩作用，即結(jié)構(gòu)晃動，使用壽命縮短；當(dāng)緊固螺桿對蝸桿作用力過小時，會產(chǎn)生不足作用，即精度不夠，機械結(jié)構(gòu)磨損。緊固螺桿與蝸桿物質(zhì)-場模型如圖3 所示，實線為過剩作用，虛線為不足作用[7]。

圖3 緊固螺桿與蝸桿物質(zhì)-場模型

4 技術(shù)沖突建模及求解

為解決傳控裝置蝸桿過度磨損導(dǎo)致機械手定位精度不準(zhǔn)確的問題，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，可以采取以下措施：①調(diào)整緊固螺桿與蝸桿嚙合面中心距，以增大緊固螺桿對蝸桿的推動力；②重新選取緊固螺桿與蝸桿的材料，使其擁有更高的強度與硬度。

但無論采用哪種方案，僅能適當(dāng)?shù)匮娱L其工作時長，緊固螺桿與蝸桿仍會受長期工作的影響，而產(chǎn)生過度磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致機械手定位精度降低。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，技術(shù)沖突模型的建立著眼于推動力與系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。緊固螺桿對蝸桿推動力過大，則會導(dǎo)致緊固螺桿過度振動，工作時噪聲過大，縮短緊固螺桿與蝸桿的使用壽命。若推動力過小，則會導(dǎo)致運動卡滯，加劇緊固螺桿與蝸桿的磨損。

上述2 種情況可以通過工程參數(shù)將其表示出來，如表1 所示。

表1 技術(shù)沖突問題描述

為了得到問題的解，需要建立工程參數(shù)與發(fā)明原理之間的映射關(guān)系，這種映射關(guān)系即為沖突矩陣[8]，如表2 所示。

表2 沖突矩陣求解

由表2 可知，在沖突矩陣中所得到對應(yīng)的發(fā)明原理中，比較有應(yīng)用可能性的原理有3、5、8、11、13、21、28、31、35、40 等。

通過逐一比對發(fā)明原理，并結(jié)合工程實踐相關(guān)制約條件等因素的影響，其中發(fā)明原理28 中的2 項解決方案比較適合解決上述問題，即運用磁場、電場或電磁場完成物體或系統(tǒng)間的相互作用和進(jìn)行場與場之間的變換。通過場與場之間的變換，將機械場轉(zhuǎn)化為電磁場，將緊固螺桿與蝸桿嚙合的機械結(jié)構(gòu)用電磁機構(gòu)代替[9]。在固定底座與擋板之間使用磁浮技術(shù)，將伸縮桿、彈簧全部去除，在靠近擋板一側(cè)的固定底座上添加電磁芯片，將擋板改造為帶有磁浮控制臺的滑動塊，并在滑動塊與固定底座之間添加滑道，以確保滑塊的穩(wěn)定性（如圖4 所示）[10]。

圖4 創(chuàng)新設(shè)計傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

操作者遠(yuǎn)程即可通過程序控制滑塊靠近或遠(yuǎn)離固定底座。磁浮傳控裝置的設(shè)計從根本上解決了緊固螺桿對蝸桿的作用力難以控制的問題，相較于原先的機械結(jié)構(gòu)，磁浮傳動裝置極大地提高了機械手本體在運輸時的穩(wěn)定性，降低了傳控機構(gòu)操作難度，在提高整體便捷性的同時，也保證了機械手在使用時的工作效率。

5 創(chuàng)新設(shè)計流程研究

在運用到工程實踐過程中時，受研發(fā)周期和制造成本等的制約，需要對結(jié)合實際應(yīng)用的創(chuàng)新設(shè)計流程進(jìn)行合理規(guī)劃，避免工程技術(shù)人員把精力和時間浪費到大量的技術(shù)試湊工作中。通過上述傳控裝置創(chuàng)新設(shè)計過程可以總結(jié)具有針對性的利用技術(shù)沖突模型解決實踐問題的應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計流程，如圖5 所示。

圖5 工程問題創(chuàng)新設(shè)計流程

第一階段：通過對已有產(chǎn)品應(yīng)用狀況進(jìn)行分析或者對客戶需求的新產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測性分析，提煉出工程領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用問題。

第二階段：通過原因分析以及沖突區(qū)域的界定，建立起物質(zhì)-場分析模型。需要注意的是，原因分析過程應(yīng)把握能達(dá)到運用工程實際手段解決問題的程度即可，無須持續(xù)不斷地分析下去。

第三階段：建立技術(shù)沖突模型，利用工程參數(shù)及40 條發(fā)明原理，求出原理通解并進(jìn)行提煉，同時對提煉出的原理解進(jìn)行工程實踐對比。

第四階段：進(jìn)行領(lǐng)域解集分析，同時完成工程設(shè)計評價過程，從中選取最符合現(xiàn)場實際的具體實施方案，并進(jìn)行設(shè)計反饋。

6 結(jié)論

綜上所述，將實際工程問題轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新設(shè)計問題，在確定沖突區(qū)域、物質(zhì)-場模型建立后分析得出沖突模型與沖突矩陣，并最終通過40 條發(fā)明原理，解決了某型機械手傳動機構(gòu)緊固螺桿與蝸桿推動力難以精確控制的問題，同時探討研究了具體的面向?qū)嵺`的優(yōu)化設(shè)計流程。基于工程實踐的創(chuàng)新設(shè)計理念不僅具有良好的實踐應(yīng)用價值，同時也為本領(lǐng)域中其他結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的改進(jìn)創(chuàng)新提供了借鑒作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。