趙盛林

（廣西科學(xué)技術(shù)情報研究所，廣西 南寧530022）

0 引言

目前在洗衣片生產(chǎn)領(lǐng)域基本上是采用各洗衣片單元連成一條的大批量生產(chǎn)模式，包裝之前需要進行定長裁斷，而當前大多數(shù)企業(yè)仍然采用人工切斷的方法，即使利用了手持式切斷裝置，但跟自動化設(shè)備相比其生產(chǎn)效率仍然非常不樂觀，除此之外也難保證切斷長度一致。現(xiàn)有的洗衣片卷繞裝置存在切斷時不能整齊的將制品切斷，卷繞長度調(diào)節(jié)不方便，工人勞動強度過大、自動化程度不足等缺陷，而且能耗高，浪費能源，使用成本高。

為了解決上述問題，結(jié)合現(xiàn)有知識對設(shè)計需求進行創(chuàng)新求解，設(shè)計出一種能夠用于成品洗衣片定長切割卷繞成捆的機構(gòu)成為了重中之重。通過圍繞知識創(chuàng)新的閉環(huán)結(jié)構(gòu)建立用于機械創(chuàng)新設(shè)計的知識鏈衍變模型，對于洗衣片成品生產(chǎn)過程存在的問題和生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析，提出設(shè)計需求，并利用知識鏈衍變模型進行拆分求解子項解決方案。利用組合法得到成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準備生產(chǎn)的機械裝置，用于解決洗衣片生產(chǎn)現(xiàn)況存在的諸多問題。

1 知識鏈與專利信息分析方法

1.1 知識鏈結(jié)構(gòu)及運用方法

當今，知識信息得到了充足的發(fā)展，大量的知識儲備對于知識創(chuàng)新尤其是機械創(chuàng)新設(shè)計提供了質(zhì)的改變，而面對海量的知識，對于其進行有效地分析和利用成為了重中之重。

2001年，Holsapple.C.W學(xué)者研究并定義了知識鏈模型，如圖1所示[1]。

圖1 知識鏈原始模型

1.2 專利信息分析方法

專利信息分析，即對專利文件所披露的大量的離散的知識信息進行分析、增減、整合，從中利用統(tǒng)計學(xué)方面的方法和手段使這些知識的共態(tài)和異態(tài)得到把握和歸納，最終轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新力的體現(xiàn)以及對于實體的技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計等過程決策提供參考。專利信息分析方法分為定量分析與定性分析，一個是通過分析量的效應(yīng)，一個是通過內(nèi)容“質(zhì)”的研究來反映技術(shù)的特征與發(fā)展應(yīng)用。二者相輔相成，既有區(qū)別，又有統(tǒng)一。

2 知識鏈衍變創(chuàng)新設(shè)計模式

對原始知識鏈結(jié)構(gòu)提煉出主要運行機制，即知識獲得-知識選擇-知識生成-知識內(nèi)化-知識外化的基本過程，參考宋迪等關(guān)注于研究知識創(chuàng)新的二次知識鏈模型的啟發(fā)，結(jié)合專利信息技術(shù)方法的定性分析，建立一種知識鏈衍生結(jié)構(gòu)的機械創(chuàng)新設(shè)計模型，如圖 2 所示[2]。

圖2 機械創(chuàng)新設(shè)計知識鏈衍變結(jié)構(gòu)

3 洗衣片包裝預(yù)準備機構(gòu)創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 問題分析

洗衣片作為新一代洗滌快消用品，其特點在于洗滌效果顯著、環(huán)保性能優(yōu)越等優(yōu)點，成品如圖3（1）所示，洗衣片本身屬于高濃縮固體形態(tài)，質(zhì)感較軟，表面具有少許粘性，容易切割。它的生產(chǎn)過程可以概括為預(yù)混-靜置-打料-制片-切片-包裝，其中預(yù)混-靜置-打料可以歸結(jié)為原料預(yù)加工，而制片-切片-包裝為洗衣片產(chǎn)成品的生產(chǎn)過程，如圖3（2）所示為洗衣片的制片設(shè)備。

圖3 洗衣片樣例圖

而在制片完成后要進行切輥，即對成輥的洗衣片進行等寬徑向切割成若干個洗衣片輥，然后進行定長切片作業(yè)，即對在料盤上的洗衣片按合適的長度進行切斷處理，以便其能夠直接用于各種各樣的打包機械上，實現(xiàn)紡織的半自動化或者全自動化生產(chǎn)。如圖4所示。在生產(chǎn)后，投入包裝的過程前，將洗衣片按指定的合適長度卷繞成捆，然后捆扎再繼續(xù)打包出售。

圖4 洗衣片產(chǎn)成品生產(chǎn)過程

目前洗衣片生產(chǎn)領(lǐng)域基本上是大批量生產(chǎn)，各洗衣片單元連成一條，打包出場之前的定長切片作業(yè)大多數(shù)都采用人工切斷的方法，即操作工利用靈活的手持式切斷裝置，對洗衣片進行定長切割，切割后再進行手工纏繞成捆，這種方式仍然屬于半自動化甚至是無自動化水平，其生產(chǎn)效率非常低下，而且也難保證切斷長度一致和成捆后產(chǎn)品外形的統(tǒng)一性。

因此，市面上出現(xiàn)了一批專門用來解決洗衣片定長切割問題的自動化半自動設(shè)備，這類設(shè)備大致分為兩種：一種是只解決定長切割問題，而對切割后的洗衣片不進行特制的卷繞作業(yè)，因此各洗衣片雖然長度和寬度均能夠保持一致但是成捆的作業(yè)仍然需要人工或者轉(zhuǎn)入下道工序，操作不快捷方便；另一種是具有卷繞功能，能夠幫助定長切割后洗衣片成捆的設(shè)備，該設(shè)備對于定長切割后的洗衣片進行卷繞處理，使得洗衣片精準成捆，但是目前這類設(shè)備的卷繞原理是對每一個洗衣片單元之間設(shè)置一個獨立的預(yù)緊裝置，而該預(yù)緊裝置懸掛在半空中，但是零部件較小，日常生產(chǎn)過程中，這些預(yù)緊裝置不容易被發(fā)現(xiàn)，操作人員在檢查發(fā)現(xiàn)松動時，手工調(diào)整松緊不方便，容易收到設(shè)備傷害，并且需要單獨調(diào)整，效率過低。

故由上述可以得到解決問題的關(guān)鍵所在：（1）洗衣片切片作業(yè)的定長切割精準度；（2）洗衣片卷繞成捆應(yīng)該具備整齊高效；（3）設(shè)備可操作性需要優(yōu)良、應(yīng)具備高可用性和易維修性。

3.2 知識收集和子項需求求解

針對技術(shù)問題應(yīng)用知識鏈衍變創(chuàng)新設(shè)計模式理論方法進行求解，先對關(guān)鍵問題進行細化拆解處理，然后利用專利信息分析方法分析從現(xiàn)有的知識庫中獲取到的知識，篩選出對求解問題更有力的知識素材，通過類比設(shè)計等設(shè)計方法對知識進行處理，得到技術(shù)問題解決方案，最終通過組合法完成整體設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]。

（1）定長切斷裝置

常見的定長切斷裝置采用間歇輸送裝置并配合切割裝置，由此可以進一步拆分為對輸送裝置、間歇裝置、切割裝置進行求解。

由知識獲取和專利信息分析技術(shù)得到，輸送裝置具有多種多樣，可以分為連續(xù)輸送式、接力輸送式、牽引輸送式、擠壓輸送式、組合式等，如表1所示。

表1 輸送裝置概括

連續(xù)輸送式，即是輸送過程中輸送單元相對于物料不發(fā)生相對位移，例如軌道小車、皮帶輸送機、鏈式輸送等。

接力輸送式，與連續(xù)輸送相反，輸送過程中輸送單元相對于物料發(fā)生相對位移，多個輸送單元接替完成物料輸送，例如滾筒輸送、滾珠網(wǎng)帶鏈等。

牽引輸送式，不僅僅依靠物料自身重力來為物料輸送過程提供摩擦力，而是額外增加外力保證物料的輸送，例如摩擦輪牽引。

擠壓輸送式，通過擠壓力為物料提供輸送力，常用于流體輸送，例如齒輪式擠壓、柱塞式擠壓。

組合式，針對輸送物料的特征，選中多種基本輸送方式組合輸送。

考慮到洗衣片的材質(zhì)特性，選用接力輸送式滾筒輸送輸送裝置較為合適，能夠有效輸送洗衣片而又可以避免洗衣片對輸送裝置的粘連，確保后道工序有效開展。

間歇裝置可以通過機械結(jié)構(gòu)或者電器元件實現(xiàn)，常見的間歇機構(gòu)有棘輪、槽輪、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等，也可以通過變形實現(xiàn)間歇要求，通過電器元件控制機械裝置間歇工作有利于安裝設(shè)計和維修，具有更強的應(yīng)用性。

通過不同的刀具設(shè)置組合關(guān)系可以分為單刀固定式、單刀活動式、多刀聯(lián)排式，單刀固定式為刀具安裝在固定工位，通過物料定長移動，控制定長切割，每次切割作業(yè)只單次切割，獲得單個制品；單刀活動式為刀具安裝在活動滑軌上，通過刀具移動對每批物料進行定長切割，每次切割作業(yè)分為移動和多次切割，獲得多個制品；多刀聯(lián)排式同樣是對每批物料切割獲得多個制品，相比于單刀活動式只需要單次切割即可，如圖5所示。

圖5 刀具設(shè)置結(jié)構(gòu)

（2）卷繞成捆裝置

為了實現(xiàn)對洗衣片進行整齊卷繞的功能需求，對該需求進行求解分析，卷繞動作與切割動作的先后關(guān)系，決定了機構(gòu)的設(shè)計方向，如果卷繞動作位于切割動作之后，則需要對于切割后洗衣片的一端或者多端提供輔助力，幫助喂料卷繞，而卷繞動作位于切割動作之前，完全可以借助于輸送裝置對于洗衣片的輸送運動進行喂料，故卷繞動作適宜于在切割動作前開展，因此切斷裝置選用單刀固定式較為合適。參考常見卷繞裝置案例，可將卷繞功能需求進行動作拆分，一般性的卷繞動作路徑為：獲取物料-卷繞-輸送物料-釋放物料-返程。

由此可將該功能需求拆解為對獲取裝置、卷繞裝置、輸送裝置求解。

獲取裝置可以分為夾取式、承托式、吸盤式，根據(jù)洗衣片材質(zhì)較軟特點，夾取式和吸盤式容易破壞洗衣片外觀性狀，對產(chǎn)品造成破壞，而承托式夾手本身對于洗衣片不施加多余力，故選用承托式的設(shè)計思路，設(shè)計為伸縮式夾手，以便能夠通過氣缸直線運動獲取到洗衣片，隨后可以選用電器元件控制獲取裝置旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)對洗衣片的卷繞動作，如圖6所示。

圖6 獲取-卷繞-輸送裝置

考慮到輸送裝置的目的是為了解決洗衣片從卷繞切斷位置搬運到碼垛位置，而由于獲取卷繞裝置對于洗衣片的獲取動作在前，輸送裝置輸送的直接對象實際上是獲取裝置，應(yīng)保證輸送時輸送裝置上標記點位置相對于獲取裝置靜止不動，根據(jù)各輸送裝置特點，連續(xù)輸送式輸送裝置滿足功能需求，考慮到回程動作的便利和節(jié)能，以及結(jié)構(gòu)的緊湊型，在滿足輸送功能和獲取功能要求的情況下，將輸送裝置設(shè)計為轉(zhuǎn)盤式，如圖6所示。

3.3 成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準備設(shè)備設(shè)計

通過對上述子解決方案進行組合式創(chuàng)新，最終得到針對成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準備生產(chǎn)的機械裝置，如圖7所示。

圖7 成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準備設(shè)備

其工作原理為：工作之前操作人員需要檢查各部件的連接情況以及裝置的狀態(tài)是否穩(wěn)定可靠，以免工作時產(chǎn)生安全事故，人工將具有成品洗衣片的料盤輥安裝到料盤支座上方，成品洗衣片的自由端經(jīng)由傳送支架后與夾持電磁鐵平齊，伺服電機經(jīng)由減速器通過同步帶轉(zhuǎn)動，主軸轉(zhuǎn)位至卷繞爪與成品洗衣片平齊，推板氣缸使卷繞爪位于成品洗衣片的一側(cè)，此時裝置完成生產(chǎn)準備工作。

啟動后伺服電機驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)位，推板氣缸活塞桿伸出，成品洗衣片嵌入卷繞爪的夾爪之間，托板托住成品洗衣片下側(cè)，夾持電磁鐵松開成品洗衣片，在夾持氣缸推動下滑移塊和夾持電磁鐵運動到另一側(cè)極限位置，卷繞電機工作進行卷繞達到指定圈數(shù)后切斷刃氣缸驅(qū)動切斷刀刃向下切斷成品洗衣片，伺服電機驅(qū)動主軸再次轉(zhuǎn)位，待轉(zhuǎn)位兩次后工作人員將完成卷繞的成品洗衣片取下即可，同時將空置的卷繞爪與卷繞電機的輸出軸連接，主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)位重復(fù)上述工作過程。

本裝置用于洗衣片生產(chǎn)打包分裝階段需要定長成捆卷繞的生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用部件多為標準件，同時臥式安裝，操作空間大，適用于自動化設(shè)備領(lǐng)域，工作的可靠性高。結(jié)構(gòu)布局充分利用了臥式布局的優(yōu)點，成品洗衣片在傳送支架上水平移動，只需將卷繞有成品洗衣片的料盤安裝在料盤支座上，隨后做好初始安裝即可進行生產(chǎn)，卷繞過程設(shè)備自動完成，取料時需要一名工作人員參與，很大程度上改變了人員密集型參與生產(chǎn)的狀態(tài)。

本裝置可以根據(jù)需要的卷繞長度設(shè)定卷繞電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，同時卷繞的速度也可以調(diào)節(jié)，只需將卷繞電機換成伺服型號在配合相應(yīng)的控制器即可[4-5]。

4 結(jié)論

（1）通過研究分析知識鏈模型和專利信息分析方法，進而圍繞知識創(chuàng)新的閉環(huán)結(jié)構(gòu)建立用于機械創(chuàng)新設(shè)計的知識鏈衍變模型，方便用于機械創(chuàng)新設(shè)計過程。

（2）對于洗衣片成品生產(chǎn)過程存在的問題和生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析，提出設(shè)計需求，并利用知識鏈衍變模型進行拆分求解子項解決方案。

（3）利用組合法得到成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準備生產(chǎn)的設(shè)備，解決了洗衣片生產(chǎn)現(xiàn)況存在的諸多問題，豐富了自動化設(shè)備知識庫。