基于TRIZ及FAHP的盘类工件吊装夹具设计*

0 引言

用于搬运和吊装圆盘形零件、毛坯等的夹具，主要为刚性与柔性吊装夹具两类。其中，刚性吊装夹具一般由夹钳实现，主要利用杠杆原理和物体重力自锁而进行吊装，如“ 一种用于圆筒型物件的吊装夹具”用于对圆柱形零件等进行水平吊装[1]，该类夹具尤其适合于各港口码头的大型港机设备吊装；柔性吊装夹具一般由纤维吊带或钢丝绳实现[2]，适合水平吊装长径比较大的圆柱形毛坯、零件、成品产品等，可有效降低被吊物体的损坏程度。

但是，对于长径比较小的重型盘类物体的移动及其车床装卡，刚性吊装夹具存在装卡难度大、物体易脱落风险大、垂直吊起的物体不便于机床水平装夹等问题。常用机械夹紧夹具搬运铅锭等比较常见，但是存在受力不均、容易产生变形、人工搬运费时费力、生产效率低等缺陷[3]。对于如铅锑锡圆饼、钨合金法兰盘、大型无磁不锈钢法兰等的搬运及吊装，磁吸与真空吸附方法同样存在难度，普遍通过吊带与人工一起完成。同时，柔性吊装夹具存在绳子易干涉而不利于三爪卡盘等位置装卡、被吊装物容易脱落而引发物体受损及人员伤害等巨大安全隐患。

发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving，TRIZ)是苏联学者及其领导的研究机构在哲学概念和认知科学的基础上，通过研究分析250 万件技术专利提出的创新问题解决系统化方法[4]。利用TRIZ理论中的技术冲突模型、物理冲突模型、物场模型、技术进化理论等方法与思想，对产品问题进行分析解决，可为产品创新设计提供更为合理的方案[5-6]。复杂产品创新设计是一项系统工程，创新成败受成本、技术、市场等多种因素影响，需建立恰当的风险评估模型[7]。模糊层次分析法(Fuzzy analytic hierarchy process，FAHP)是一种对定性问题进行定量分析的多准则决策方法，它将人对事物的认知强弱程度用模糊数来表示，适合于主观性较强的产品设计问题多方案优选排序[8-9]。

针对现有吊装夹具存在的不足，基于TRIZ及FAHP等分析方法，设计一种合理而全新的工件吊装装置很有必要，可对长径比较小且质量大的圆柱类产品、零件或毛坯等进行安全而可靠的吊装，满足被吊对象位置移动、被吊对象在车床三抓卡盘安装、成品零件总装等用途。

1 基于TRIZ及FAHP的问题解决模式

1.1 设计问题解决思路

质量功能展开(Quality Function Deployment，QFD)作为一种产品开发的结构化方法，将质量需求转换成为产品特性、零部件特性、工艺特性等技术，使设计和制造的产品能真正地满足顾客需求[10]。QFD使用“质量屋”表示需求、产品功能及其相互关系。

针对夹具存在问题，在分析已有方案基础上，应用QFD进行工程特性分析，进而采用TRIZ理论进行问题解决，并通过FAHP进行设计方案评估。设计问题的解决思路如图2所示。

图1 设计问题解决思路

1.2 基于TRIZ及FAHP的设计问题解决模式

基于以上设计问题解决思路，结合QFD、TRIZ、FAHP相关方法，获得如图2所示的基于TRIZ及FAHP的设计问题解决模式。其中，QFD作为问题分析工具，对设计对象的工程特性进行分析；TRIZ结合工程特性问题，进行问题转化并求解；通过FAHP对新设计方案之间或者吊装方式之间进行评估。其中，权重确定采用德尔菲法、a-问题、客户调查、AHP、FAHP[11]等方法。

图2 基于TRIZ及FAHP的设计问题解决模式

1.3 模糊互补判断矩阵确定权重

复杂产品的质量需求指标权重确定方法，可采用模糊互补判断矩阵确定权重[9]，指标对应判断矩阵A的确定，如表1所示。

表1 判断矩阵A要素确定

(1)aii=0.5 i=1 ,2 ,···,n；

(2)aij+aji=1 i,j=1 ,2 ,···,n；

假设有m个专家获得的n个因素的m个判断矩阵，允许值为δ(一般取0.1)，该值越小代表要求越严。由以上公式确定的权重，应该进行模糊互补判断矩阵的一致性检验：

① 检验m 个判断矩阵Ak 的满意一致性

I(Ak ,W(k))≤δ, k =1 , 2 , …, m

② 检验判断矩阵间的满意相容性

I(Ak ,Al)≤δ, k ≠l ;k , l =1 , 2 , …, m

只有当①和②两条满足时，m个权重集的均值作为因素集X的权重分配向量是合理和可靠的。权重向量表达式：

2 吊装夹具工程特性分析

2.1 吊装工件移动过程

进行工件机床装卡，工件移动过程如图3所示，包括工件水平装夹、垂直移动、垂直装夹、垂直拆卸等步骤。若采用已有吊带或者夹钳进行工件装夹，很难满足需求，需要辅助件或者人工参与保证工件装夹。

图3 工件在机床上的装卡过程图

2.2 吊装夹具工程特性分析

基于现有的多种吊装夹具，利用质量屋进行需求分析和相关工程特性关系分析，如图4所示。通过调研用户需求主要包括操作性、安全性能、应用范围等七项，通过专家评分及产品应用体验等方法，确定安全性能、操作性、应用范围以及使用寿命需求是权重相对较高的用户夹具需求，应优先满足。将用户需求向夹具工程特性映射，夹具工程特性分为总装或机床装卡、劳动强度、搬运速度、夹持物可调性等八项技术特性，各特性的权重由质量需求权重及相互相关程度综合获得。采用柔性或者刚性吊装夹具增设辅助件进行盘类工件吊装，部分技术特性之间存在负相关，难以同时实现用户需求。

图4 吊装夹具的设计质量屋

3 基于TRIZ的吊装夹具结构设计

3.1 吊装夹具TRIZ问题转化求解

工程特性存在负相关，物理冲突可以根据分离原理，选择对应发明原理进行解决，如图3所示；技术冲突通过由39个通用技术参数及40个发明原理组成的经典技术冲突矩阵，解决技术冲突问题。明确问题的改善技术参数与恶化参数后，通过冲突矩阵，查找相应的发明原理，进而用发明原理对问题求解。

表2 分离原理与发明原理关系

① 问题：大质量薄圆柱物体的搬运及装夹；

② 解决方案：吊带加人工，并增加辅助件实现被吊物体的搬运与装夹；

③ 存在问题：实现了夹持物的可调性以及装夹与总装，存在安全性问题；同时，吊带增加了辅助件，进而增加装置的复杂性，影响了装置的加工工艺性。

通过分析，吊装夹具存在工程特性矛盾为技术矛盾，建立问题模型：

希望改善的参数：适用性、通用性35；

导致恶化的参数：可靠性27，系统复杂性36，可制造性32；

通过技术冲突矩阵解决问题，同时定义一个改善参数的多个技术冲突，选择各个矛盾矩阵中的优先发明原理，吊装夹具选择发明原理35、15、1，见表3。发明原理为问题解决提供思路、方向，见表4。

表3 吊装夹具技术冲突矩阵

表4 发明原理选择及应用

3.2 吊装夹具结构方案形成

发明原理“系统复杂性”与“可制造性”之间存在正相关，吊装夹具的设计均具有分割物体、零部件间相对调节的思想。通过以上发明原理的启发，结合专业知识、经验、相似产品、知识库等进行方案设计，获得了两种全新的吊装夹具。

(a)方案1 (b)方案2
图5 新型吊装夹具方案

方案1：如图5a所示，两个下爪体与支架转动副连接，上爪体与支架间移动副连接，可适应不同直径与厚度的被吊物体夹持；上爪体上部设计挂钩调节机构，保证被吊物体处于平衡状态，满足吊装需求。

方案2：如图5b所示，支架与三个爪体间相互独立，且保证三个爪体均有移动副连接于支架，根据被吊物体直径分别调节三个爪体位置；支架上部设置有挂钩调节机构，满足用户需求。

4 基于FAHP的吊装方案设计

4.1 基于FAHP的吊装方案优选

对方案1与方案2进行效果评估，吊装夹具模糊层次结构模型如图6，其中准则层指标确定应结合QFD中的需求指标与工程特性。

图6 吊装夹具模糊层次结构模型图

吊装夹具的准则层模糊互补判断矩阵：

A={(0.5,0.7,0.6,0.3,0.7);(0.3,0.5,0.7,0.4,0.7);(0.4,0.3,0.5,0.4,0.5);(0.7,0.6,0.6,0.5,0.7); (0.3,0.3,0.4,0.3,0.5)}

行和归一法求得排序向量：

WA={0.215,0.205,0.185,0.23,0.165}

若只有一位人员进行打分，则不需要进行相容性检测，只进行一致性检查，选择a=0.3。

对应权重矩阵

方案层互补判断矩阵B1={(0.5,0.7); (0.3,0.5)}；B2={(0.5,0.5); (0.5,0.5)}；B3={(0.5,0.6); (0.4,0.5)}；B4={(0.5,0.7); (0.3,0.5)}；B5={(0.5,0.4); (0.6,0.5)}

行和归一法求得排序向量：

WB1={0.6;0.4};WB2={0.5;0.5} ;WB3={0.55;0.45} ;WB4={0.6;0.4} WB5={0.45;0.55}

同上，进行一致性检查，此处省略。

总排序矩阵W=WA ·WB= WA ·{ WB1; WB2; WB3; WB4; WB5;}={0.546;0.456}

排序中，方案1优于方案2，所以选择方案1为问题解决方案(方案1与方案2均有移动、装夹、组装盘类工件的功能，但方案2需三爪体分别调节，容易引起三爪体中心与支架中心偏移；若通过联锁机构实现同心，装置复杂性及重量大大增加，所以选择方案1为问题解决方案)。

4.2 优选方案详细结构设计

基于方案1设计的工件吊装装置，主要由挂钩、挂钩调节机构、上爪体、支架、下爪体等组成。采用有限元静力学分析，对局部结构进行优化改进设计。其中，爪体通过静力学分析，存在应力集中点，设计为带梳齿的“V”型面，且应力集中部位以圆弧过度消除应力集中，通过转动副连接增加了夹持物体的自适应能力，同时“V”型面增加了与盘类物体圆柱面的接触面积，使受力均匀化，夹持更牢固，如图7所示；支架两臂夹角为80°～90°，挂钩调节机构通过T型滑块实现被吊物体的水平调节功能。

(a)三维受力模型 (b)详细结构设计
图7 爪体详细结构设计

5 总结

针对长径比较小的重型工件吊装问题，提出基于TRIZ及FAHP的问题解决模式，应用QFD进行吊装夹具工程特性分析，存在的工程特性矛盾采用TRIZ进行了分析与求解，获得了两种的新型吊装夹具；应用FAHP对两种吊装方案进行评估，选择方案1为问题解决方案。最后，对方案1进行了详细设计，可实现吊装直径大、厚度薄、质量大的零件及毛坯等需求，验证该问题解决模式的可行性及新型夹具的可靠性。提出的问题解决模式可应用于类似工程结构设计问题求解，尤其可采用相应的发明原理来获取解决问题的途径，提高问题解决的可能性。