基于TRIZ理论的白车身焊接质量快速检测机器人设计

钱美南，李龙，陈家乐

（安徽理工大学 人工智能学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

车身壳体是一个复杂的结构件，也是一个典型的焊接结构件，焊接工艺作为焊接生产的重要环节，它在焊接生产中起着关键的作用，其焊接质量的好坏不仅关系到车身整体的美观还直接影响整个车身质量，甚至会危及到人身安全。目前白车身焊接质量检测方法主要有破坏性检测技术、非破坏性检测技术、肉眼观察[1]，并且都只适用不同部件的检测，整个检测过程的工作量大、数据量大、速度慢且效率低。

根据TRIZ在设计领域取得的成效[2]，本文为解决焊接质量检测速度慢、效率低等问题，采用TRIZ理论对白车身焊接质量快速检测机器人进行设计，通过“九屏分析法”为白车身焊接质量检测机器人提供研究方向，借助“因果轴分析法”对白车身焊接质量检测机器不足之处进行相关推导，发现阻碍机器人研发的相关因素，再运用“功能分析法”对机器人系统进行抽象描述，最后我们采用TRIZ工具进行问题解决与创新设计，为白车身焊接质量快速检测机器人的设计提供了可靠思路。

1 TRIZ理论介绍

TRIZ理论是由苏联发明家根里奇·阿利赫舒列尔于1946年创立的，其英文解释是Theory of the Solution of Inventive Problems（发明问题解决理论）。他从阅读世界各国著名的发明专利过程发现，产品技术的发展总是遵循一定的规律，而且同一条规律可以适用于在不同的场合解决不同的问题，掌握了这些规律就可以进行产品的设计。TRIZ理论就是用来解决矛盾和技术的创新原理和法则的归纳体系。

TRIZ理论对问题的研发和问题的解决思路具有明确的指导意义，是目前产品问题解决及技术创新最有价值的方法之一，它可以让人们在解决问题之前确定问题解决的方法并分析该方法的适用性，以及对未来发展的预测。TRIZ理论采用系统性思维和标准化思维工具[3]，对问题进行抽象化分析，对我们要解决的问题进行原理分析、进化过程预测，最终得到针对性的解及可能产生出来的新问题，TRIZ理论流程如图1所示。TRIZ理论主要解决问题的方法有冲突矩阵和创新原理、物质-场分析模型、九屏分析法、因果轴分析法等。

图1 TRIZ理论流程图

2 基于TRIZ理论的系统分析

2.1 九屏分析法

系统常常由多个子系统组成，同时它又常常隶属于一个更大的系统，即超系统，每一个系统也都有它的过去与未来。在解决问题时，常常需要用到子系统和超系统资源，或者需要考虑系统、子系统及超系统的过去与未来的发展变化，从多个维度对问题进行分析，可以打开图中所示9个屏幕。当前白车身焊接质量快速检测机器人的九屏分析如图2所示，用九屏分析法分析白车身焊接快速检测机器人系统：当前系统是焊接质量检测的操作员，子系统是手动检测，超系统是机械化检测。最初的焊接质量检测是人工检测，工作量大且效率低，焊接质量也得不到保证。随着机器人的发展与运用，将机器人运用到焊接质量检测行业以代替人工作业、提高工作效率，白车身焊接质量快速检测机器人的研发将进一步推动焊接质量检测行业的发展。

图2 白车身焊接质量快速检测机器人九屏分析图

2.2 因果轴分析法

因果轴分析法用于根本原因与结果之间存在的因果关系构成的关系链，发现问题的根本原因，结合逻辑链中薄弱环节，找出解决问题的切入点。因果分析是建立其初始缺点与各个底层缺点之间的逻辑关系，建立数学模型并进行预测。

从当前白车身焊接质量检测机器的信息精确度不足开始推导，现有工业机器人不能直接用于焊接质量检测作业的主要原因在于成本及适用性上存在很大的不足。根本原因如下：1）材料的弹性模量、刚度和强度的不足导致工作臂支持力不足；2）白车身焊接质量快速检测机器人检测过程中的机械臂灵活性和操作性不足；3）扫描效率不高及焊接口特征识别缺乏，导致过程中可观测点不足。具体的因果轴分析如图3所示。

图3 白车身焊接质量快速检测机器人因果轴分析图

2.3 功能分析法

系统功能分析是从抽象的角度来分析系统，找到工程系统中的功能缺点或存在问题的组件，对其进行相应的分析。对现有的质量检测设备进行功能分析可知，当前系统是车身焊接质量检测机器人，子系统是焊接质量检测机构，超系统是自主快速检测机器人。当前系统包括工作臂、视觉系统、操作系统；子系统主要包括齿轮、识别器、减速机等；超系统主要包括导轨、操作者等。同时对系统内部进行详细分析，由于可检测点的数量不足，不仅导致混联机构对扫描摄像头的承载和调姿不足，还使得信息采集的数据量不足，这些数据量导入计算机与视觉系统匹配度较低，导致视觉系统反馈给操作者的信息准确性和完备性不足，影响操作者对装置的调整。基于以上分析，建立白车身焊接质量自主快速检测机器人系统组件功能模型。

3 基于TRIZ理论焊接质检机器人的问题分析及创新设计

1）问题1：串联机械臂末端负重比不足。通过组件九屏分析和因果轴分析发现，白车身焊接质量快速检测机器人现有问题是机器人机械臂负重比不足，现有的解决方案是改变机械臂的几何结构，增强机械臂的承载能力。采用技术矛盾求解串联机械臂末端负重比不足，经分析转化TRIZ的39个通用工程参数，归纳出技术矛盾如下：恶化参数为No.36设备复杂性，No.13结构稳定性；改善的参数为No.07运动物体的质量、No.14强度和No.26物质或事物的数量。得到TRIZ冲突矩阵如表1所示。

表1 矛盾矩阵表

运用“物理或化学参数改变原理35：改变串联式几何结构”，使用混联机构，从结构上来看，并联机械臂构型比较紧凑，整体承载能力比较大，弥补了串联机械臂在许多应用方面的短板[4]。与其它机构相比，并联机构机械手臂有多种优点：精度高、反应快、刚度大、能够承载大型零件且操作灵活。串联机械臂结构简单、工作空间大、关节灵活性好[5]。结合两者的优点及互补性，因此选用混联工作臂作为白车身焊接质量检测机器人的主要执行机构。

2）问题2：白车身焊接质量快速检测机器人检测过程的灵活性和操作性不足。采用裁剪法求解机器人检测过程的灵活性和操作性，对图4进行系统剪裁，裁剪结果如图5所示。

图4 白车身焊接质量快速检测机器人系统组件功能模型

图5 白车身焊接质量快速检测机器人剪裁图示

图5中裁剪机器人系统，将设计的混联机构和自动扫描系统集成为一个系统，在机械臂的自主运动下完成扫描过程，实现扫描机构的全自动化；将扫描探头和视觉系统集成为一个系统，扫描探头将捕捉到的视觉信息传入视觉系统，实现扫描过程的智能化、自动化、可操作化，提高了扫描机器人的检测速度和检测精度，大大减少了工作量。

3）问题3：检测过程可观测点数目不足。物-场模型是建立物体与各种场之间的联系，包括机械场、重力场、温度场、应力场等，即建立其宏观和微观的联系。采用物-场分析求解检测过程中可观测点数目不足的问题。传统的焊接质量检测技术只能对单一的部件进行检测，无法适用于所有的零部件，检测摄像头无法精准确定适当检测点，也无法看出其对车身是否存在影响。转化成TRIZ物-场模型分析，其中3个元素分别是车身可观测点（S1）、检测摄像头（S2）、机械场（F）；在机械场中，物质2对物质1的作用关系较弱，建立物-场模型如图6（a）所示。从物-场模型76个标准解法表中查得，可以采用解法2.2.1求解，即引入新的场来增强需要的效果，如图6（b）所示。

图6 物-场模型分析

4 焊接质量检测机器人整体结构设计

根据功能分析，将整个机器人装置划分成不同系统，研究每个系统的缺陷和不足及相互之间的影响，得出各个部件有相互作用的关系，找到工程系统中的功能缺点或存在问题的组件。通过功能建模对其进行因果分析，通过因果分析发现机器人设计中的不足，对此进行优化，通过TRIZ理论的35号创新设计原理、裁剪法、物-场分析，得到最终机器人的设计方案。白车身焊接质量快速检测机器人主体结构如图7所示。

图7 检测机器人总体结构

移动组件1包括支撑环和多位扫描摄像头。通过升降组件2带动升降的移动组件1。支撑平台4上设有多个相互交叉布置的限位槽，每个限位槽为倒置的T形结构，当车体固定在支撑平台上时，可通过多个螺钉一端滑动设置在不同的限位槽内，另一端穿出将车体进行固定，即螺钉的钉头与T形结构相互匹配，因此可实现对车体的快速定位，车体可在滑轨上移动实现自主定位，无需人为推动，大大节省了人力。在升降组件的带动下，移动组件升降至车体上方的合适位置，第一电动机带动多位扫描摄像头进行环形运动，并随着升降组件的移动，使得多位扫描摄像头进行360°扫描，多位扫描摄像头与计算机连接，用于传输扫描信息，利用计算机完成三维扫描，充分获取车身信息并进行处理分析，最终输出检测结果。

五自由度的并/混联机构可以实现五轴联动，因为该机构具有易操控、精度高、灵活性好[6-7]等优点，故该检测机器人作业装置采用的是3UPU-PP混联机构，是两转一移三自由度并联机构和两移动串联机构形成的混联机构，两个U副间通过主动移动P副连接，其中3UPU称为并联机构，该机构中，定平台在上，动平台在下，动、定平台均通过胡克铰U与支链连接；PP称为串联机构[8]。该并联支架可以实现在三维空间内的移动，动平台可输出3个平移自由度，无转动，结构简单，占地面积小，解耦容易，控制更简单方便，运动学正解容易，可操作性强，机构各构件之间的配合精度相对较高，而且在所承受载荷方面也更好。

整体机构设计兼有刚度好、定位精确及工作空间大、控制解耦性好等多方面的综合性能及优点，其设计的关键是基于操作器方位特征集的串（并）联自由度数目和顺序分配、组合方式及新型少自由度并联机构模块的构造。将机械化、智能化、自动化合理融合，结构简单紧凑，不仅实现对车体表面不同焊接位置的快速自动扫描，提高检测精度，避免车体的搬运和移动，而且实现多个扫描相应进行及机构同时自动充电，减少扫描缺陷，效率更高。

5 结论

本文运用TRIZ理论对现有的白车身焊接质量进行分析，通过九屏分析法和因果轴分析找出机器人设计过程中的缺点和不足，通过矛盾分析，运用裁剪法和物-场模型解决了机器人机械臂负重比不足、操作性和灵活性不足及焊接质量检测观测点不足等问题。综合考虑白车身焊接质量快速检测机器人的作业范围、精度、负载能力及制造成本等方面，成功设计出白车身焊接质量快速检测机器人，为白车身焊接质量快速检测机器人的研发提供了研究基础和研究依据。