摘要：介绍了运动助力机械臂座的原设计结构及力学分析结论，针对其质量过大的不足，提出一种基于发明问题求解理论(Theoryofinventiveproblemsolving，TRIZ)的运动助力机械臂座轻量化设计方法，建立基于TRIZ物场模型和冲突解决理论的运动助力机械臂座轻量化设计过程模型，实现了对机械臂座的轻量化设计。对轻量化设计的臂座建立了三维模型并进行有限元分析，分析结果表明，优化后的结构在安全系数提高的前提下，质量减小了331kg。
关键词：运动助力机械臂座;TRIZ;轻量化设计;受力分析
臂座是连接机械臂与底部支撑构件的重要部件，其在工作时承受来自抓取物等的工作反力以及机械臂本身重力等方面复杂的受力。因此，臂座结构的可靠性显得尤为重要，它的失效会导致整个设备的瘫痪。因此，设计时考虑较大的安全系数是必要的。然而，较大的安全系数以及零件本身结构的复杂性决定了单个零件重量是较大的，导致设备自重大，对设备的稳定性造成极为不利的影响。因此，臂座的轻量化设计是至关重要的。此外，从节能降耗、推动绿色低碳以及增加设备本身动力性、经济性等方面考虑，轻量化设计亦有重要意义。
发明问题解决理论TRIZ被认为是目前最全面系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论。该理论是由前苏联发明家根里奇阿奇舒勒(G.S.Altshuller)带领研究团队，自1946年开始，在分析研究了世界各国250万件专利的基础上提出的。TRIZ理论提供了冲突解决原理和物—场分析原理等工具，能有效解决设计过程中遇到的设计冲突和方案难以获取等问题，已在产品设计过程中得到了广泛应用。国内外学者利用TRIZ理论解决了许多产品优化设计的问题，有较多的实际应用案例[1-9]。如，刘志峰等[2]提出了基于物—场分析原理和TRIZ冲突解决原理的可拆卸联接改进设计方法，建立了联接结构可拆卸设计物—场分析模型及设计流程;韩立芳等[3]基于TRIZ理论的技术冲突分析解决理论，分析、选择、确定了可行的发明原理，给出了双环拱型分体轿箱垂直旋转式立体车库的创新性设计方案;鲍宏等[4]针对主动再制造设计过程中的创新问题，提出一种应用发明问题解决理论的主动再制造绿色创新设计方法，并通过变速箱输入轴系零部件的设计案例验证了该方法的可行性;夏文涵[5]等人基于TRIZ提出了管道检测机器人自适应检测模块的创新设计方案，并利用该方案进行了管道检测机器人创新设计，提高了机器人对环境的自主适应能力;H.T.Hsieh等[6]基于TRIZ理论提出了摩擦搅拌焊接(FrictionStirWelding)的工艺设计流程并举例进行验证说明。在轻量化设计方面，陶义[7]等人基于TRIZ理论的矛盾分析法对重型卡车弹簧支架进行了轻量化设计研究;黄永玉等[8]利用TRIZ的Pro/Innovator软件对某系列重型数控车床进行组件和因果分析，从机床的铸件结构、材料应用以及传动系统的改造等方面进行了优化;邓学欣等[9]以TRIZ的解决技术冲突方法为手段，分析了点焊机器人焊钳小型轻量化的创新设计思路。
文中拟提出基于TRIZ物场模型—冲突解决理论的运动助力机械臂座轻量化设计方法，并结合物场模型与冲突解决理论进行臂座的轻量化设计。
1臂座原型及力学分析
如图1所示为运动助力机械臂座，主要由钻臂安装箱体座、主梁、支撑板、加强筋与安装板5部分组成，零件采用一次铸造成型的方法制造，产品实际质量为1810kg。
分析运动助力机械臂的工作工况，确定臂座的各危险工况如表1所示。依次计算表1所示9种工况，得到臂座在各极限偏角工况下的应力及最大位移，计算结果如图2所示，表2为结果统计。
由表2可知，最大应力工况为机械臂俯角-30°，摆角0°状态，最大应力位置发生在安装板连接孔处。选择臂座材料为Q345，则臂座各工况有大于1.95的安全系数，符合常规设计要求。但此时实际产品重量为1810kg，对单个零件来说，重量偏重，有必要进行轻量化设计。
2基于TRIZ理论的臂座轻量化设计
2.1基于TRIZ理论的臂座轻量化设计求解策略
臂座的轻量化设计需要减小臂座的质量，这可能会造成臂座因强度的下降而使设备无法正常工作。图3所示为基于TRIZ物场模型—冲突解决理论的臂座轻量化设计策略的流程，主要包含以下几个步骤：(1)识别问题;(2)提出设计需求;(3)根据第(1)、(2)步中所确定的问题及设计需求建立物场模型;(4)合理选择解法进行求解。
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臂座系统的功能组件可以用物场模型进行描述，包括S1，S2，F三个元素。S1表示臂座强度与刚度，S2表示臂座质量，F表示场，这里为对臂座的轻量化设计方法。图4所示为臂座系统的物场基本模型。
2.2臂座的轻量化设计
(1)采用物-场模型的优化设计。
在臂座支撑系统的物-场模型中，有臂座重量和强度与刚度两种物质，场为轻量化设计方法。质量的减小使得臂座强度与刚度降低，即轻量化设计对臂座强度与刚度产生了有害作用，物场模型见图5所示。利用TRIZ理论物场模型分析并解决问题，力争把有害的作用消除。
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针对图5所示的臂座系统物质场模型，该类应用模型通常采用物质场模型的1类或2类标准解，如表3所示。
表1[10]中物场模型的第1、2类解共有36种参考标准解法。直接从这36种参考标准解法中选出符合设计需求的解较为困难且效率低。此外，TRIZ冲突解决理论和TRIZ物场模型的标准解具有共通性[4]。因此，综合采用冲突解决理论和物场模型这两种方法可有效提高解决问题的效率和有效性。
(2)采用冲突解决理论的优化设计方法。
上述定义的设计问题也可转化为TRIZ理论的冲突问题，包括一个技术冲突和一个物理冲突。
①技术冲突。
轻量化设计需要减小臂座的重量，很可能会导致臂座在工作过程中因强度或刚度不足而使设备无法正常工作的技术冲突。采用TRIZ的冲突理论分析可知，应采用发明原理解决问题，发明原理解决问题的步骤如图6所示。
将2#静止物体的质量作为要改善的参数，将14#强度作为恶化的参数，查询矛盾矩阵表获得解决问题的方案如表4所示。
②物理冲突。
进行臂座设计时，存在着既要求臂座强度足够高以保证钻臂正常工作，又要求强度足够低以尽量减轻其重量这个物理矛盾。分析表2中的受力分析数据可知，臂座在不同工况下受力差别较大(最大为工况2的176.9MPa，最小为工况6的36.1MPa)，结合TRIZ理论分析可知，得出这对冲突应采用条件分离原理解决，解决方案如表5所示。
(3)臂座的综合优化设计。
综合考虑所获得的解决方案，结合臂座零件本身进行改进设计。
①结合表4中02#抽取原理、10#预先作用原理、27#廉价替代品原理和表5中创新原理1(分割)、创新原理5(组合)、创新原理13(反向作用)等创新方案，将臂座系统主梁、支撑板、加强筋进行预先作用和以简单代替复杂的方法进行改进设计，预先将支撑板倾斜一角度以去掉原设计主梁下端的筋板。
②根据表3中S1.2.4提供的标准解法进行臂座系统物场模型改进，改进后的物场模型如图7所示，通过引入一个场F2进行优化设计。对于场F2的选择，可参考表5中创新原理14(曲面化)获得灵感，将主梁结构曲面化，即改变其为能承受更大弯、扭作用力夫人的圆形结构，并适当减小其尺寸。
改进设计的模型如图8所示，主要包括：1-钻臂安装箱体座，2-安装板，3-主梁，4-支撑板，5-加强筋，理论计算质量1404kg。
2.3力学计算
针对基于TRIZ轻量化设计的钻臂座，建立三维模型并导入ANSYS软件，对表2所列9个工况进行计算，计算结果如图9所示，数据统计结果如表6所示。
分析计算结果可知，臂座优化后最大应力161.6MPa。臂座材料为Q345，计算结构安全系数为2.13。
3设计方案对比分析臂坐轻量化设计前后的最大应力、直板应力与最大位移数据对比如表7所示。图10、图11所示为各工况下应力、位移变化趋势图。
分析图10、图11、表7、表8，可获得以下结论：优化设计后的臂座最大应力比设计前有所降低，但相差不大，个别工况出现了最大应力大于优化设计之前。而直板应力普遍高于优化设计前，这是因为优化设计后去掉了两侧的筋板所致。需要指出的是，直板应力不是影响零件设计安全系数的关键因素。优化后的结构最大位移值全部小于优化前，且各工况下变形曲线走势相对平稳，有利于零件稳定性的增加和使用寿命的增长。优化后的模型质量减少了331kg，减少19.1%。此外，优化后模型的安全系数由1.95增加至2.13。
4结论
(1)介绍了运动助力机械臂座原设计结构及各危险工况，并利用有限元模型计算了臂座在各危险工况下的受力情况。
(2)基于TRIZ物场模型和冲突解决理论进行运动助力机械臂座的优化设计，利用有限元模型分析优化后的臂座在各工况下的受力情况。
(3)对两种模型的受力分析结果进行比较分析，得出优化后的模型在安全系数提高的前提下，臂座重量减少了331kg。
综上所述，基于TRIZ的运动助力机械臂座轻量化设计方案是可行的。——论文作者：董琛，王豪
