機械手傳控裝置優化設計

王哲衎，王亮，楊博文，李義，李豐林

（大連科技學院，遼寧 大連 116052）

傳統的機械制造領域，尤其在高端裝備產品的生產過程中，由于產品精度高、生產周期長、物料質量大等情況，需要在某些環節通過機械手進行生產輔助，以提高生產效率[1]。同時，在重要機械裝置的檢修保養過程中，由于可能面臨相對惡劣的檢修環境，也需要機械手代替人工操作，確保檢修過程安全可靠[2]。甚至在采用數字化虛擬工藝布局設計過程中，也經常采用布局機械手的方案，以期優化工藝布局、縮短產品投產時間[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的機械式結構，易產生傳控效率低下、零部件易于磨損等現象，產品可靠性及運行穩定性較差。為解決機械式傳控機構存在的問題，以某型機械手傳控裝置為例，運用TRⅠZ 創新理論，完成創新的傳控機構設計。通過過程固化，探討面向實踐的創新設計解決問題流程。

1 研究案例

某型機械手傳控機構如圖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 為結構相同的緊固螺桿，10、12 兩側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 內部，其末端與11 內部靠近機械手底座8 一側的固定裝置相連，而與11 內部靠近彈簧與伸縮桿一側的蝸桿相嚙合。通過旋轉手柄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 內部的垂直方向蝸桿與緊固螺桿12 進行嚙合，從而使兩組加固塊靠近或遠離機械手底座8。

圖1 某型機械手結構圖

2 建立沖突區域

在加固塊靠近或遠離機械手底座的過程中，緊固螺桿12 與加固塊11 內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、容易發熱、推動力難以進行有效控制的問題[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，還會在使用時產生噪聲；若緊固螺桿對蝸桿的推動力過小，則會造成機構運動卡滯，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域建立沖突分析模型。緊固螺桿與蝸桿傳動過程沖突區域如圖2 所示，在此區域可以清晰地顯示推動力的作用與整體機構傳輸平穩性的關系[6]。

圖2 沖突區域示意圖

3 建立物質-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計要求的可控范圍內，造成蝸桿過度磨損，傳輸可靠性持續下降，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-場模型。當緊固螺桿對蝸桿作用力過大時，會產生過剩作用，即結構晃動，使用壽命縮短；當緊固螺桿對蝸桿作用力過小時，會產生不足作用，即精度不夠，機械結構磨損。緊固螺桿與蝸桿物質-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-場模型

4 技術沖突建模及求解

為解決傳控裝置蝸桿過度磨損導致機械手定位精度不準確的問題，根據工程實踐經驗，可以采取以下措施：①調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，僅能適當地延長其工作時長，緊固螺桿與蝸桿仍會受長期工作的影響，而產生過度磨損現象，導致機械手定位精度降低。根據工程實踐經驗，技術沖突模型的建立著眼于推動力與系統的控制穩定性。緊固螺桿對蝸桿推動力過大，則會導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將其表示出來，如表1 所示。

表1 技術沖突問題描述

為了得到問題的解，需要建立工程參數與發明原理之間的映射關系，這種映射關系即為沖突矩陣[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的發明原理中，比較有應用可能性的原理有3、5、8、11、13、21、28、31、35、40 等。

通過逐一比對發明原理，并結合工程實踐相關制約條件等因素的影響，其中發明原理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間的相互作用和進行場與場之間的變換。通過場與場之間的變換，將機械場轉化為電磁場，將緊固螺桿與蝸桿嚙合的機械結構用電磁機構代替[9]。在固定底座與擋板之間使用磁浮技術，將伸縮桿、彈簧全部去除，在靠近擋板一側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?；瑝K的穩定性（如圖4 所示）[10]。

圖4 創新設計傳動機構結構圖

操作者遠程即可通過程序控制滑塊靠近或遠離固定底座。磁浮傳控裝置的設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構，磁浮傳動裝置極大地提高了機械手本體在運輸時的穩定性，降低了傳控機構操作難度，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 創新設計流程研究

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

圖5 工程問題創新設計流程

第一階段：通過對已有產品應用狀況進行分析或者對客戶需求的新產品進行預測性分析，提煉出工程領域實際應用問題。

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

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

第四階段：進行領域解集分析，同時完成工程設計評價過程，從中選取最符合現場實際的具體實施方案，并進行設計反饋。

6 結論

綜上所述，將實際工程問題轉化為創新設計問題，在確定沖突區域、物質-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 條發明原理，解決了某型機械手傳動機構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實踐的優化設計流程?；诠こ虒嵺`的創新設計理念不僅具有良好的實踐應用價值，同時也為本領域中其他結構或系統的改進創新提供了借鑒作用，具有廣闊的應用前景。