石 磊，雷良育，李 佳

(浙江農(nóng)林大學工程學院，浙江臨安 311300)

嫁接技術是克服農(nóng)作物、水果、蔬菜連茬病害和低溫障礙的最有效途徑，使其抗病能力增強，增產(chǎn)效果顯著，被廣泛應用于西瓜、黃瓜、甜瓜、茄子、西紅柿的栽培中。但人工嫁接速度慢、費工費、效率低等。嫁接機技術是集機械、自動控制與設施園藝于一體的高新技術。它可在極短的時間內將莖稈直徑僅為幾毫米的砧木、穗木切成合乎要求的切口，并將兩者的切口快速、準確地結合到一起，使嫁接速度大幅度提高。同時由于砧、穗木接合迅速，避免了切口長時間氧化和苗內液體的流失，從而又可大大提高蔬菜苗嫁接成活率。因此，自動嫁接技術被稱為嫁接育苗的革命性技術［3］。

本文所提及的嫁接機是在原中國農(nóng)業(yè)大學研制的第一代嫁接機樣機基礎上進行改進的嫁接機。改進后的嫁接機利用貼接法針對黃瓜苗、絲瓜苗的穗木苗種和黒籽南瓜的砧木進行嫁接。因改進后的嫁接機還存在諸多的不足和缺陷，采用TRIZ理論指導本嫁接機的創(chuàng)新改進，解決系統(tǒng)設計和創(chuàng)造中的疑難問題，加快產(chǎn)品的創(chuàng)新速度。

1 TRIZ理論

TRIZ(系俄文字母對應的拉丁字母縮寫)意為解決發(fā)明創(chuàng)造問題的理論，起源于蘇聯(lián)，英譯為theory of inventive problem solving，英文縮寫為TIPS。它是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立，阿奇舒勒因此被尊稱為TRIZ理論之父［10］。TRIZ理論被西方國家稱為神奇的“點金術”。經(jīng)過多年發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)發(fā)展成為解決技術問題或發(fā)明問題的強有力的方法學理論，已解決了前蘇聯(lián)、美國、歐洲、日本等國家許多企業(yè)成千上萬個創(chuàng)新難題［1］。

1.1 沖突及其解決原理

阿奇舒勒將沖突分為管理沖突、技術沖突和物理沖突。

1)管理沖突。管理沖突是指這樣的一種場景:根據(jù)現(xiàn)場的情況，從內心認為需要做一些事情以獲得希望的結果或避免某些現(xiàn)象的發(fā)生，但卻不知如何去做，即沒有發(fā)現(xiàn)可以解決問題的任何方法。TRIZ沒有提供直接求解管理沖突的方法，即TRIZ主要考慮的是后兩類沖突:技術沖突和物理沖突。

2)技術沖突。現(xiàn)實中有許多這樣的例子:想吃一份好菜，但太貴;想穿一件時髦的衣服，但太過招搖;想坐車，但有人說應該步行，因為坐車會影響環(huán)境等。當人們試圖用某種方法去實現(xiàn)所需要的功能(有利效應)卻產(chǎn)生了另一方面的不足(產(chǎn)生了不利效應)時，TRIZ就稱之為出現(xiàn)了技術沖突。

3)物理沖突。物理沖突與技術沖突有著截然不同的定義。物理沖突只涉及系統(tǒng)中的一種性能指標，其矛盾在于:為了某種功能的實現(xiàn)，對某個性能指標提出完全相反的要求(或對該子系統(tǒng)或部件提出了相反的要求)［2］。

沖突解決流程見圖1。

圖1 沖突解決流程

1.2 物－場模型分析

TRIZ中所謂的物－場模型指的是構成功能各組件之間關系的模型，而物－場模型分析則是對技術系統(tǒng)內部各構成要素之間相互關系和相互作用進行分析的一種方法［5］。

阿奇舒勒通過對功能的組成特點進行研究，發(fā)現(xiàn)并總結了3條定律:① 所有的功能都可以分解為3個基本元素(S1，S2，F(xiàn));② 一個存在的功能必定由這3個基本元素組成;③將相互作用的3個基本元素進行有機組合將形成一個功能［4］。舉例說明建立吸塵器清潔地毯的物－場模型。在本例中地毯是需要改變的對象(改變其清潔度)，所以地毯是工件(S1);吸塵器的吸頭直接作用于地毯，它是工具(S2);而其中的場則與所采用的效應有關，如果是靜電吸塵器，采用的是靜電場(F1)，如果是真空吸塵器，則是壓力場(F2)等［7］。

利用物場模型方法對技術系統(tǒng)分析后，可以將其歸納到不同的類別中。對于每種類別來說，它們都有自己特別的、規(guī)范的解題方法，即為標準解［8］。顯然標準解具有特定性、通用性和普遍性等特點，這些特點使得物場分析與標準解在解決實際問題時更具有廣泛性［6］。物場模型解題模式見圖2。

圖2 物場模型的解題模式

2 TRIZ理論在蔬菜苗嫁接機中的應用實例

2.1 嫁接機的主要機械機構及運作步驟

本嫁接機機械部分有3個關鍵部分，即砧、穗木苗切削機構，推夾機構和供苗臺機構(圖3)。推夾機構的整體設計是整個嫁接機最核心和最關鍵的部分，因為推夾機構的精度和質量直接影響嫁接的成敗。經(jīng)過調試試驗證明:該機構可以基本保證嫁接所需的要求，但其穩(wěn)定性一般，故障率偏高，所以推夾機構的優(yōu)化是后續(xù)需要不斷探索和研究的主要內容。韓國同類型的產(chǎn)品，其嫁接的可靠性更高，故障率更低，實用性更強，最關鍵在于其推夾部分的設計更合理。

本嫁接所采用的是砧、穗木苗分切機構。這樣不僅減小了每個切削機構的切削阻力，而且可使砧、穗木分開調試，使得維護更方便，同時設計的合理性并沒有影響嫁接機的工作效率。

供苗臺機構的設計對于提高嫁接機工作效率起著至關重要的作用，不應該被忽視。原中國農(nóng)業(yè)大學樣機采用的是兩側對稱供苗的方式。該方式保證了切削的位置，提高了砧、穗木嫁接的精度，最重要的是使得操作人員操作起來更方便。本嫁接機所采用的是單側(穗木)供苗機構，砧木部分沒有設置供苗機構。這樣就無法保證一個固定的切削位置，需要操作人員仔細觀察，因而對操作人員的要求比較高，可靠性較低，增加了勞動強度，并在一定程度上降低了安全性。

由于本嫁接機搬運機械手的回轉驅動采用的是雙氣缸上下串聯(lián)的結構，對加工精度和裝配精度要求很高，而實際上都無法達到所要求的精度。同時，氣缸旋轉時產(chǎn)生的沖擊力對機構造成的影響很大，無法保證嫁接所需的高精度，因此總體的穩(wěn)定性和準確度不高。

本嫁接機完成嫁接涉及到砧木苗、穗木苗的夾推、搬運，以及夾子的推送，而嫁接機的機構總成又事關嫁接是否成功，所以可以利用TRIZ理論中的矛盾分析法和物－場解決原理來討論。

圖3 自主設計的蔬菜苗嫁接機

2.2 嫁接機嫁接過程中所涉及到的技術沖突

在本嫁接機的嫁接過程中涉及到的技術沖突主要有:砧木苗、穗木苗的供苗速度慢，嫁接效率低，需要依靠2個人在兩側供苗，若是增加供苗的人數(shù)，供苗速度加快，效率有所提升，但卻浪費了勞動力，耗費人力資源，增加了成本;搬運砧木和穗木苗的機械手臂是由氣缸驅動，在嫁接過程中噪聲大，而且精度不高，若是對氣缸進行改進，使其噪音減小，精度提升，則會使得操作繁冗，技術難度增加，成本增加;整個嫁接機的工作臺較小，效率不是很高，若是擴大工作臺的面積，雖會提高效率，但同時會帶來機器質量的增加，移動困難等問題。依照 TRIZ理論對39個工程參數(shù)描述如下:

希望改進的參數(shù):靜止件的體積(NO.8);速度(NO.9);結構穩(wěn)定性(NO.13);制造精度(NO.29);生產(chǎn)率(NO.39)。

以上5種參數(shù)的改善將導致如下4種參數(shù)的惡化:靜止件的質量(NO.2);物質的損失(NO.23);可制造性(NO.32);可操作性(NO.33)。

2.3 運用阿奇舒勒沖突矩陣選取合適的發(fā)明原理

嫁接機機構的技術沖突見表1，需要改進的參數(shù)為 8、9、13、29、39，帶來的惡化參數(shù)有 2、23、32、33。根據(jù)阿奇舒勒沖突矩陣所列舉的發(fā)明原理可選擇發(fā)明原理 14、28、40。

1)發(fā)明原理14。曲線、曲面畫法:在供苗時采用一個圓盤式的機構，在圓盤的邊緣可以夾持多支木苗，圓盤轉動，實現(xiàn)對木苗的步進輸送。這樣提高了生產(chǎn)率，減少了人力資源的浪費，使得結構更合理化。

2)發(fā)明原理28。機械系統(tǒng)的替代:這里主要是指用轉盤式的夾苗機構來替代人力的供給，這樣既減少了物質資源的浪費，又提高了生產(chǎn)效率。

3)發(fā)明原理40。復合材料:在增大工作臺體積的同時也增加了裝備的質量，使得移動較困難，換成復合材料后，既擴大了工作臺的面積，也提高了產(chǎn)量，而且還能使得整體裝備的質量不會有大的提升。

表1 沖突解決矩陣(部分矩陣)

將發(fā)明原理應用到本嫁接機工作臺表面，如圖4所示。

圖4 嫁接機工作臺表面簡圖

2.4 嫁接機系統(tǒng)內物－場分析模型

嫁接機整體嫁接的工作過程包括砧木、穗木苗的夾取、切削、搬運，進而通過推夾裝置推動苗夾進行嫁接。整個工作流程采用電機與氣缸共同作用完成嫁接，當苗夾實現(xiàn)對木苗的嫁接，還要通過氣缸使其松開，然后通過傳送帶滑下。在這個系統(tǒng)流程中，苗夾對順利推送起著關鍵性的作用。

嫁接機整體系統(tǒng)中必存在小問題引起的沖突，這就需要采用物－場分析模型來進行分析(圖5)。首先建立模型，其中:S1為夾苗推送裝置;S2為夾苗;F表示機械能。若S2夾苗在S1推送裝置中被卡住或是運行不平滑受阻，則會導致整個嫁接過程的停滯或失敗，所以有必要引進推桿導軌S3。

圖5 夾苗推送機構對夾苗的物－場分析模型

2.5 嫁接機機構整體的設計方案

嫁接機的整體結構包括電機、苗木搬運機械臂、切削機構、砧木苗盤夾持裝置、苗夾推送裝置以及苗夾，傳送帶等。圖6所示是用solidworks繪制的三維模型。

圖6 嫁接機整體機構三維模型

改進后的嫁接機較之前更加人性化，不僅提高了生產(chǎn)效率，減少了人力、物力資源的損失，而且在機器本身的美觀度上也得以大大改進(圖7)?？傊?，TRIZ理論在嫁接機的改進中得以充分應用，且效果良好。

圖7 改進嫁接機樣機

3 結束語

TRIZ理論包括發(fā)現(xiàn)設計中的問題、沖突及解決沖突的發(fā)明原理和物－場分析模型。在加速開發(fā)新型農(nóng)林業(yè)新產(chǎn)品的過程中，TRIZ理論作為創(chuàng)新理論作出了突出貢獻。TRIZ理論將創(chuàng)新思想進行了科學的整理與提煉，為現(xiàn)代機械機構創(chuàng)新設計開創(chuàng)了一套可行、可靠的科技理論指導體系［9－12］。本文將沖突解決原理、阿奇舒勒矛盾矩陣模型以及發(fā)明原理等充分應用于嫁接機的設計創(chuàng)新改進中，并且分析了系統(tǒng)存在的中小問題，用物－場模型原理建立理論模型來解決實際問題。在具體問題的研究上，首先對技術沖突進行了確認，借鑒標準的工程參數(shù)選擇相對應的發(fā)明原理，在發(fā)明原理的基礎上確定嫁接機的改進設計方案，最終確定嫁接機構的總體結構，并且完整制造出新的樣機。TRIZ理論在本嫁接機中的實際運用證實了其在創(chuàng)新設計中的重要意義，也使得TRIZ理論與實踐相結合的思想觀念顯得尤為重要。

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