■董 陽(yáng) 鄧援超周 楊 張 立

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430068）

1 TRIZ概述

TRIZ是由前蘇聯(lián)根里奇·阿奇舒勒（G.S.Alt?shuller）提出，自1946年開(kāi)始探究的一套具有普遍適用性的發(fā)明問(wèn)題解決理論，它能幫助我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并找到解決問(wèn)題的方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速創(chuàng)新和優(yōu)化[1]。TRIZ理論有一套標(biāo)準(zhǔn)的找到解決問(wèn)題方案的流程，包括以下4步：①對(duì)待解決的實(shí)際問(wèn)題作詳盡的分析并清楚地定義該問(wèn)題；②將該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ中的某種通用問(wèn)題模型；③利用TRIZ工具得到TRIZ提供的通用形式的解；④把TRIZ通用形式的解具體化為針對(duì)該實(shí)際問(wèn)題的具體的解。

自1990年開(kāi)始，TRIZ理論進(jìn)入中國(guó)，首先主要被機(jī)械、電子、生物、化工等技術(shù)領(lǐng)域的研究人員重視，隨著對(duì)其研究的逐漸深入，TRIZ理論被引入到了管理、創(chuàng)新教育等非技術(shù)領(lǐng)域，在企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍與推廣力度也越來(lái)越大。很多學(xué)者做了相關(guān)的研究和探討。平恩順等[2]將TRIZ理論應(yīng)用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，建立了機(jī)械產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生過(guò)程模型，以期在機(jī)械產(chǎn)品突破性創(chuàng)新方面進(jìn)行一些前期探索。徐起賀等[3]闡述了TRIZ理論中各項(xiàng)工具方法在機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用，并展望了隨TRIZ方法學(xué)的不斷推廣與應(yīng)用深化,人類(lèi)技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程必將更快更新。黃蕾等[4]則是將TRIZ理論應(yīng)用到具體的飼料機(jī)械工程實(shí)際問(wèn)題當(dāng)中，解決了袋裝飼料智能裝車(chē)機(jī)安裝廠房高度受限問(wèn)題。

本文將TRIZ理論應(yīng)用于飼料包裝袋套袋機(jī)的開(kāi)袋裝置中，對(duì)該裝置進(jìn)行了問(wèn)題描述、問(wèn)題分析，并運(yùn)用合適的TRIZ理論方法及工具提出該問(wèn)題的解決方案模型，最終轉(zhuǎn)化為實(shí)施方案。

2 飼料包裝袋和飼料包裝袋套袋機(jī)介紹

2.1 飼料包裝袋及開(kāi)袋裝置介紹

現(xiàn)在工業(yè)上飼料的包裝大都采用覆膜包裝袋（見(jiàn)圖1），但由于一些飼料產(chǎn)品對(duì)包裝密封性要求高，通常會(huì)采用較高檔的雙層包裝袋（見(jiàn)圖2），這種雙層包裝袋包括外部的編織袋（以下稱(chēng)外袋）以及其內(nèi)部套的一層塑料薄膜袋（以下稱(chēng)內(nèi)袋）。

圖1 覆膜包裝袋

圖2 雙層包裝袋

雙層包裝袋在使用前需要套在一起，即將內(nèi)袋套入外袋中，目前雙層包裝袋套袋動(dòng)作由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，現(xiàn)研發(fā)出適用于雙層袋的飼料包裝袋套袋機(jī)（見(jiàn)圖3）來(lái)代替人工，其生產(chǎn)流程如圖4所示，箭頭方向代表生產(chǎn)工藝流程走向。

其中，要完成套袋動(dòng)作，先必須將外袋打開(kāi)，再將內(nèi)袋套進(jìn)去，所以外袋開(kāi)袋裝置是將內(nèi)袋套入外袋不可缺少的部分，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖3 飼料包裝袋套袋機(jī)

圖4 飼料包裝袋套袋機(jī)生產(chǎn)流程

各關(guān)鍵部套按如圖6(a)～6(c)的順序執(zhí)行套袋動(dòng)作。過(guò)程如下：上吸盤(pán)下降吸氣將外袋吸住、上升、打開(kāi)外袋，見(jiàn)圖6(a)；拉內(nèi)袋機(jī)械手伸出，夾住內(nèi)袋，見(jiàn)圖6(b)；拉內(nèi)袋機(jī)械手收回，將內(nèi)袋套入外袋中，見(jiàn)圖6(c)。

2.2 問(wèn)題描述

圖5中的開(kāi)袋上吸盤(pán)包含左側(cè)開(kāi)袋上吸盤(pán)、中間開(kāi)袋上吸盤(pán)、右側(cè)開(kāi)袋上吸盤(pán)，這三個(gè)開(kāi)袋上吸盤(pán)初始狀態(tài)是等高的且同時(shí)動(dòng)作，其工作流程如圖7所示。

在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)調(diào)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)開(kāi)袋裝置在打開(kāi)外袋后，由于外帶長(zhǎng)度在800～1 000 mm之間，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，加上編織袋很軟，所以上表面形成不平整弧面，外袋左、中吸盤(pán)以及中、右吸盤(pán)之間部分會(huì)下墜，如圖8所示。

圖5 外袋開(kāi)袋裝置

圖6 套袋工位各關(guān)鍵部套的工作示意圖

圖7 開(kāi)袋上吸盤(pán)工作流程圖

圖8 外袋下墜部分示意圖

當(dāng)出現(xiàn)開(kāi)袋上吸盤(pán)中間的外袋下墜較嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致拉內(nèi)袋機(jī)械手在伸出過(guò)程中戳到外袋，將外袋戳掉，不能實(shí)現(xiàn)套袋，在這之后的工序都無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常進(jìn)行。

綜合上述分析，問(wèn)題可描述為：打開(kāi)的外袋上表面下墜。

3 問(wèn)題分析

3.1 系統(tǒng)功能組件分析

組件列表可以回答系統(tǒng)是由哪些組件組成，包括系統(tǒng)作用對(duì)象、技術(shù)系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件，以及和系統(tǒng)組件發(fā)生相互作用的超系統(tǒng)組件。超系統(tǒng)組件有：機(jī)架、進(jìn)內(nèi)袋裝置、拉內(nèi)袋機(jī)械手、內(nèi)袋；系統(tǒng)組件有：上吸盤(pán)托架、下吸盤(pán)托架、升降裝置、左側(cè)開(kāi)袋上吸盤(pán)、中間開(kāi)袋上吸盤(pán)、右側(cè)開(kāi)袋上吸盤(pán)、右側(cè)開(kāi)袋下吸盤(pán)、左側(cè)開(kāi)袋下吸盤(pán)；作用對(duì)象為：外袋。功能分析如圖9所示。

3.2 因果鏈分析

通過(guò)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行因果分析可以幫助梳理邏輯關(guān)系，找到解決問(wèn)題的更多突破口。針對(duì)問(wèn)題描述，對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行因果分析，得圖10的因果鏈分析圖。

4 提出解決問(wèn)題方案模型

圖9 功能組件分析

圖10 因果鏈分析

對(duì)上述因果分析結(jié)果進(jìn)行探討和實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)功能組件分析，系統(tǒng)本身存在不足的作用；由于現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上所確定的吸盤(pán)吸力作用點(diǎn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的，故01號(hào)原因不是關(guān)鍵缺點(diǎn)；針對(duì)02號(hào)原因進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得外袋開(kāi)袋后，吸盤(pán)的真空度值保持在-18.7 kPa，并無(wú)漏氣情況；06號(hào)和07號(hào)原因所描述的內(nèi)容是外袋自身特性，也不是關(guān)鍵缺點(diǎn)；故以上四項(xiàng)原因不足以提供方案模型。03號(hào)和05號(hào)原因所描述的內(nèi)容屬于現(xiàn)有工作過(guò)程中的某種工作狀態(tài)，可考慮運(yùn)用TRIZ工具對(duì)這兩種工作狀態(tài)做進(jìn)一步的研究；04號(hào)原因是吸盤(pán)吸力方向所決定的，亦可作進(jìn)一步討論。

4.1 物場(chǎng)模型解決問(wèn)題

針對(duì)功能組件分析和對(duì)03號(hào)原因進(jìn)行分析，都可理解為開(kāi)袋上吸盤(pán)對(duì)外袋的作用不足，從而導(dǎo)致外袋的上表面開(kāi)袋效果不好，才呈現(xiàn)如圖8所示的開(kāi)袋情況。那么對(duì)開(kāi)袋上吸盤(pán)、外袋、真空氣構(gòu)建物場(chǎng)模型進(jìn)行分析。功能載體：開(kāi)袋吸盤(pán)；功能作用體：外袋；功能：真空?qǐng)?。用物?chǎng)模型來(lái)描述該問(wèn)題模型，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)物場(chǎng)模型

這是一個(gè)效應(yīng)不足的物場(chǎng)模型，對(duì)這種物場(chǎng)模型，TRIZ理論中的標(biāo)準(zhǔn)解法第二級(jí)(S2級(jí))中提供了多種解法。在此采用S2.4.9構(gòu)造場(chǎng)方法（如圖12），增加另一個(gè)場(chǎng)F2來(lái)強(qiáng)化有用的效應(yīng)[5]。為了找到能夠利用的場(chǎng)F2，采用資源分析來(lái)尋找可以利用的資源。系統(tǒng)中能夠提供的資源種類(lèi)有四類(lèi)，分別是時(shí)間資源：開(kāi)袋裝置打開(kāi)外袋后到拉內(nèi)袋機(jī)械手伸出前的這段時(shí)間T；空間資源：開(kāi)袋裝置各吸盤(pán)之間的空間，以及被打開(kāi)外袋中間的環(huán)形空間；能量/場(chǎng)資源：機(jī)械場(chǎng)、壓縮空氣流、外袋的重力場(chǎng)；功能資源：整機(jī)機(jī)架、拉內(nèi)袋機(jī)械手、內(nèi)袋、開(kāi)袋裝置、外袋。

圖12 物場(chǎng)模型的第二種解法示意圖

經(jīng)空間資源分析得出開(kāi)袋裝置各吸盤(pán)之間的空間，以及被打開(kāi)的袋子中間的環(huán)形空間可利用。提出可解決問(wèn)題的方案一：在開(kāi)袋上吸盤(pán)之間另增加兩個(gè)吸盤(pán)，減小外袋上表面的下墜程度，這樣能有效改善外袋的開(kāi)袋效果，有利于拉內(nèi)袋機(jī)械手順利穿過(guò)外袋，且不會(huì)將外袋戳掉。

分析04號(hào)（吸盤(pán)吸力是豎直向上的）原因，目前吸盤(pán)對(duì)外袋產(chǎn)生的吸力是豎直向上的。當(dāng)外袋產(chǎn)生下墜時(shí)，根據(jù)靜力學(xué)的知識(shí)可知，在吸盤(pán)與外袋接觸的位置，外袋表面張力對(duì)吸盤(pán)產(chǎn)生的拉力應(yīng)當(dāng)是斜向下的，然而此處吸盤(pán)產(chǎn)生的吸力是豎直向上的，吸盤(pán)產(chǎn)生向上的吸力不足以抵消外袋產(chǎn)生斜向下的作用力，這也是一個(gè)效應(yīng)不足的物場(chǎng)模型。按照方案一的解題思路，提出可解決問(wèn)題的方案二：將吸盤(pán)做改進(jìn)，增加一種機(jī)械場(chǎng)來(lái)加強(qiáng)吸盤(pán)原有的真空氣的作用效應(yīng)，在吸盤(pán)的工作面上加若干根成45°傾斜布置的鋼針，當(dāng)吸盤(pán)接觸編織袋時(shí)，鋼針成角度的刺入外袋，給外袋提供一個(gè)45°斜向上的拉力，用以抵消外袋產(chǎn)生的斜向下的作用力，吸盤(pán)模型優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)圖13。

4.2 技術(shù)矛盾解決問(wèn)題

分析05號(hào)（吸盤(pán)的開(kāi)袋高度低了）原因。對(duì)開(kāi)袋裝置而言，由于外袋口周長(zhǎng)是定值，如果抬高它的袋口開(kāi)袋高度，固會(huì)減小吸盤(pán)的長(zhǎng)度，這樣一來(lái)會(huì)影響開(kāi)袋效果，這兩個(gè)參數(shù)是相矛盾的。解決矛盾的重要途徑就是利用阿奇舒勒矛盾矩陣。綜上，對(duì)兩方面的參數(shù)進(jìn)行分析總結(jié)如下：

需要改善的方面——提高開(kāi)袋上吸盤(pán)的開(kāi)袋高度，改變外袋打開(kāi)后的袋口形狀；

造成惡化的方面——減小了吸盤(pán)長(zhǎng)度，開(kāi)袋困難。

定義矛盾：

需要改善的參數(shù)——12#形狀；

造成惡化的參數(shù)——3#運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度。

圖13 吸盤(pán)模型優(yōu)化前后對(duì)比

查閱阿奇舒勒矛盾矩陣表得到這對(duì)矛盾對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理是29#氣壓與液壓結(jié)構(gòu)、34#拋棄與再生、5#組合、4#非對(duì)稱(chēng)這四個(gè)。采用4#非對(duì)稱(chēng)發(fā)明原理，其內(nèi)容包括兩種含義：第一種含義，物體的對(duì)稱(chēng)形式轉(zhuǎn)為不對(duì)稱(chēng)形式；第二種含義，如果物體不是對(duì)稱(chēng)的，則加強(qiáng)它的不對(duì)稱(chēng)程度。由4#非對(duì)稱(chēng)性提出解決問(wèn)題模型方案三：開(kāi)袋裝置的結(jié)構(gòu)形式是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，將其對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)非對(duì)稱(chēng)化。對(duì)開(kāi)袋結(jié)構(gòu)形式做調(diào)整，如圖14所示。圖14中所述開(kāi)袋上吸盤(pán)中的三個(gè)吸盤(pán)不等高（有高度差△h）且不同步動(dòng)作，工作流程圖如圖15所示。

圖14 方案三的模型

圖15 方案三的模型的工作流程

4.3 方案選擇

三個(gè)方案理論上都可以將問(wèn)題得到解決，但是方案一的制作成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及整機(jī)重量均會(huì)提高，方案二需要重新設(shè)計(jì)零部件以及plc設(shè)計(jì)程序上改動(dòng)較大，所以前兩個(gè)方案只作為備選的參考方案。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中采用的第三種方案，并做了數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)方案三可以完全解決這一問(wèn)題，不會(huì)出現(xiàn)拉內(nèi)袋機(jī)械手戳掉外袋這種情況。

5 結(jié)語(yǔ)

①通過(guò)對(duì)飼料包裝袋套袋機(jī)開(kāi)袋裝置進(jìn)行問(wèn)題描述、分析，將工程實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論方法和工具提出解決實(shí)際問(wèn)題的方案模型，并對(duì)方案模型進(jìn)行分析選擇，將最合適的方案實(shí)施在實(shí)物樣機(jī)中，解決了問(wèn)題，達(dá)到了理想效果。

②將TRIZ理論創(chuàng)新方法首次應(yīng)用在飼料包裝袋套袋機(jī)上，為后續(xù)對(duì)飼料包裝袋套袋機(jī)的優(yōu)化工作提供了導(dǎo)向。