梁進(jìn)偉 鄧援超 劉瑩穎 湯 宇

(湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

0 引言

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒等通過(guò)對(duì)大量專(zhuān)利進(jìn)行提煉與總結(jié)后，形成的一套用于解決發(fā)明問(wèn)題的方法[1]。將TRIZ理論應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題時(shí)，首先利用功能分析和三軸分析，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行初步分析，然后利用標(biāo)準(zhǔn)解、知識(shí)庫(kù)、創(chuàng)新原理和分離方法進(jìn)一步解決問(wèn)題，進(jìn)而得到備選方案，最后通過(guò)評(píng)價(jià)各個(gè)方案，得到解決問(wèn)題的概念方案[2-4]。近幾年TRIZ在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用：朱輝[5]應(yīng)用TRIZ理論優(yōu)化了位置易固定、易定位、易維修的多軸擰緊機(jī)設(shè)計(jì)；趙明明[6]應(yīng)用TRIZ理論對(duì)普通農(nóng)用圓錐形噴頭加裝電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了噴頭噴藥過(guò)程中的霧滴漂移問(wèn)題；韓顏良[7]應(yīng)用TRIZ理論，對(duì)斗式提升機(jī)托架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出組合式焊接結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工工序少。本文將TRIZ應(yīng)用在包裝盒輸送折邊裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)折邊過(guò)程中出現(xiàn)的空邊問(wèn)題進(jìn)行分析，應(yīng)用TRIZ理論工具和方法獲得了解決思路，提出了解決空邊問(wèn)題的辦法，并將解決方案應(yīng)用于實(shí)際，取得了較好效果。

1 包裝盒成型機(jī)介紹

隨著人們生活水平的提高，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品包裝的要求也不斷提高。其中，翻蓋式包裝盒以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、包裝精美等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化妝品、煙盒、酒盒的設(shè)計(jì)[8-9]。翻蓋式包裝盒主要由內(nèi)包裝盒和外皮殼組成，如圖1所示。

1-內(nèi)包裝盒 2-外皮殼圖1 翻蓋式包裝盒

目前，市場(chǎng)應(yīng)用的內(nèi)包裝盒主要通過(guò)手工制作，生產(chǎn)效率低，且工序繁瑣，產(chǎn)品精度差異大。針對(duì)現(xiàn)有內(nèi)包裝盒的制作缺陷，研制了內(nèi)包裝盒成型機(jī)。內(nèi)包裝盒成型機(jī)主要由過(guò)膠機(jī)、吸風(fēng)輸送機(jī)、輸送折邊裝置、成型框裝置、貼小面紙裝置、保壓裝置、鏟邊裝置、成品料輸出裝置等組成。該內(nèi)包裝盒成型工藝包括送大面紙過(guò)膠、貼灰紙板、貼磁片、輸送折邊成型、圍框、刷耳、貼小面紙、鏟邊，流程如圖2所示。

要實(shí)現(xiàn)內(nèi)包裝盒成型并保證其質(zhì)量，在輸送折邊時(shí)折邊效果良好且無(wú)空邊現(xiàn)象。如果折邊過(guò)程出現(xiàn)空邊，會(huì)導(dǎo)致鏟邊成型部分無(wú)法良好脫模，并影響內(nèi)包裝盒質(zhì)量。因此，折邊不出現(xiàn)空邊在整個(gè)內(nèi)包裝盒成型過(guò)程中尤為重要。輸送折邊裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 內(nèi)包裝盒成型工藝流程

1-輸送裝置 2-下壓裝置 3-折邊裝置圖3 輸送折邊裝置

折邊裝置是輸送折邊裝置的重要部分，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1-連桿1 2-連桿2 3-折邊板 4-連桿3 5-折邊氣缸 6-連桿支撐座 7-升降板 8-導(dǎo)柱 9-升降氣缸 10-升降支撐板 11-直線(xiàn)軸承圖4 折邊裝置

輸送折邊成型的工藝順序如圖5所示。帶有灰紙板的大面紙通過(guò)輸送裝置被傳輸?shù)秸圻吂の?如圖5a所示)后，下壓裝置的下壓如圖5b所示；接著升降氣缸上升，帶動(dòng)折邊板，將帶有灰紙板的大面紙折成90度，同時(shí)保持伸出狀態(tài)，如圖5c所示；然后折邊氣缸推出驅(qū)動(dòng)連桿和折邊板，將帶有灰紙板大面紙翻折成180度，如圖5d所示；最后，折邊氣缸回到原位后，升降氣缸回到原位，完成一次輸送折邊成型。

(a) 帶有灰紙板的大面紙輸送到折邊工位 (b) 下壓裝置下壓

(c) 帶有灰紙板的大面紙折90度 (d) 帶有灰紙板的大面紙翻折180度圖5 輸送折邊工藝示意圖

2 問(wèn)題描述與分析

2.1問(wèn)題描述

圖6 空邊現(xiàn)象

通過(guò)觀察折邊效果發(fā)現(xiàn)，帶有灰紙板的大面紙被輸送到折邊工位，由折邊裝置完成折邊后，折邊存在空邊現(xiàn)象。所謂空邊現(xiàn)象，是指大面紙灰紙板未嚴(yán)密貼合，出現(xiàn)“氣泡”現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)，尤其是在面紙貼在灰紙板拐角處容易空邊。當(dāng)帶有灰紙板的大面紙存在空邊時(shí)，不僅會(huì)導(dǎo)致后續(xù)鏟邊裝置無(wú)法正常脫模，而且會(huì)影響內(nèi)包裝盒的美觀和質(zhì)量。所以，空邊現(xiàn)象是內(nèi)包裝盒成型中需要解決的問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)組件分析

在建立組件模型前，首先需要確定技術(shù)系統(tǒng)，并根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)定義確定其作用對(duì)象、系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件[10]。本課題技術(shù)系統(tǒng)的功能是帶有灰紙板的大面紙輸送折邊后無(wú)空邊。因此，本系統(tǒng)的作用對(duì)象是帶有灰紙板的大面紙，超系統(tǒng)組件有機(jī)架、真空泵，系統(tǒng)組件有輸送裝置、下壓裝置、連桿1、連桿2、折邊板、連桿3、折邊氣缸、連桿支撐座、升降板、導(dǎo)柱、升降氣缸、升降支撐板、直線(xiàn)軸承。基于以上組件，進(jìn)行組件間的作用分析，采用規(guī)范化功能描述方式建立組件功能模型，如圖7所示。

由圖7的組件功能模型可知，折邊板和下壓裝置對(duì)帶有灰紙板的大面紙的作用不足。

圖7 組件功能模型

2.3 因果鏈分析

因果鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)分析問(wèn)題成因，并對(duì)原因進(jìn)行層層分析，構(gòu)建因果鏈，指出事件發(fā)生的原因和導(dǎo)致的結(jié)果[11]。針對(duì)問(wèn)題描述，對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析，得到因果鏈如圖8所示。

圖8 因果鏈分析

對(duì)以上因果鏈結(jié)果進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究。針對(duì)01號(hào)和05號(hào)原因，對(duì)左、右從動(dòng)輪的安裝進(jìn)行校核，測(cè)量得到左、右從動(dòng)輥中心線(xiàn)等高且平行，滿(mǎn)足安裝要求；針對(duì)02號(hào)和04號(hào)原因，由于折邊裝置中的折邊板需要上下移動(dòng)，安裝擋邊和壓塊會(huì)對(duì)輸送折邊過(guò)程中折邊板的上下移動(dòng)形成干涉，因此無(wú)法安裝擋板和壓塊；針對(duì)03號(hào)原因，通過(guò)更改伺服電機(jī)控制程序可以實(shí)現(xiàn)輸送帶的準(zhǔn)停；針對(duì)06號(hào)原因，通過(guò)改變壓塊固定座的固定端跨度可以解決壓塊固定座的剛度不足問(wèn)題；針對(duì)07號(hào)原因，對(duì)壓塊的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)壓塊表面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；針對(duì)09號(hào)原因，測(cè)量折邊板左、右兩端與輸送帶之間的距離，發(fā)現(xiàn)折邊板左、右兩端與輸送帶箱體之間的距離相等，滿(mǎn)足安裝要求；08、10號(hào)原因?qū)儆诂F(xiàn)有工作狀態(tài)，可以利用TRIZ理論作進(jìn)一步研究。

3 解決方案

3.1 利用矛盾矩陣進(jìn)行分析

針對(duì)10號(hào)原因——折邊板帶動(dòng)大面紙下壓，無(wú)法將大面紙折成180度，可以理解為單位時(shí)間內(nèi)壓板豎直向下的位移大于水平向前的位移，折邊板接觸灰紙板后無(wú)法繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致大面紙形成空邊。如果利用兩個(gè)氣缸分別實(shí)現(xiàn)水平向前和豎直向下運(yùn)動(dòng)，那么折邊裝置的可靠性得到增強(qiáng)，但是整個(gè)折邊裝置會(huì)有較大改動(dòng)而使折邊裝置變得復(fù)雜。兩者間的矛盾形成一對(duì)技術(shù)矛盾，可以利用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾矩陣來(lái)解決[12]。綜上，對(duì)兩方面參數(shù)進(jìn)行分析：需要改善的方面——折邊裝置可靠性增強(qiáng)，造成惡化的方面——折邊裝置變得復(fù)雜。定義矛盾：需要改善的參數(shù)——No.27可靠性，惡化的參數(shù)——No.36設(shè)備復(fù)雜性。

1-拉簧2-壓板1 3-圓柱銷(xiāo) 4-壓板2圖9 方案1

查閱矛盾矩陣得到參考原理，#1分割、#13反向作用、#35物理/化學(xué)參數(shù)變化；根據(jù)#1分割原理，得到解決方案1、解決方案2，解決方案1：將折邊板設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)式，當(dāng)壓板與灰紙板接觸后繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓板隨著圓柱銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，折邊板可以繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，如圖9所示。解決方案2：將折邊板設(shè)計(jì)成分割式，折邊板接觸灰紙板后彈簧壓縮折邊板在滾筒和彈簧的作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，如圖10所示。

針對(duì)08號(hào)原因——折邊板無(wú)法將大面紙折成90度，可以理解為在升降氣缸帶動(dòng)折邊板向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，折邊板沒(méi)有將大面紙折成90度。解決的常規(guī)方法是在升降板上再增加鏟刀，讓升降氣缸升降時(shí)帶動(dòng)鏟刀將大面紙折成90度，那么折邊裝置對(duì)大面紙的作用力增強(qiáng)，但是整個(gè)裝置變得更復(fù)雜。上述兩者間形成一對(duì)技術(shù)矛盾，對(duì)兩方面參數(shù)進(jìn)行描述：需要改善的方面——折邊裝置對(duì)大面紙的作用力，惡化的方面——折邊裝置變得復(fù)雜。定義矛盾：需要改善的參數(shù)——No.13 力，惡化的參數(shù)——No.36設(shè)備復(fù)雜性。

1-滾筒支架 2-滾筒 3-壓板 4-彈簧圖10 方案2

查閱矛盾矩陣，得到可以參考的原理：#10預(yù)先作用原理、#19周期性原理、#36相變、#37熱膨脹。根據(jù)#10預(yù)先作用原理，得到解決方案3：輸送裝置上增加弧形擋邊，帶有灰紙板的大面紙運(yùn)輸?shù)秸圻吂の坏倪^(guò)程中沿著弧形擋板運(yùn)動(dòng)，在弧形擋板的作用下將帶有灰紙板的大面紙折成90度，弧形擋板的結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 弧面擋邊結(jié)構(gòu)

圖12 折邊板運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

3.2 應(yīng)用物理矛盾解決問(wèn)題

針對(duì)10號(hào)原因——折邊板帶動(dòng)大面紙下壓，無(wú)法將大面紙折成180度，折邊板下壓過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡是一段凸型弧線(xiàn)(如圖12所示)。在接觸灰紙板前，希望折邊板翻折速度快，這樣可以減少折邊板翻折時(shí)間；而接觸灰紙板后希望翻折速度小，這樣單位時(shí)間內(nèi)的豎直向下位移小，避免了灰紙板影響折邊板的向前運(yùn)動(dòng)。這就要求折邊板翻折時(shí)的速度既大也小，這構(gòu)成了TRIZ理論中的物理矛盾，而解決物理矛盾的核心是實(shí)現(xiàn)矛盾雙方的分離[13]。

解決物理矛盾有基于空間分離、基于時(shí)間分離、基于條件分離、基于整體與部分分離的4個(gè)分離原理[14]，由基于條件的分離原理可以利用#1、#5、#6、#7、#8、#13、#14、#22、#24、#25、#27、#33、#35等13個(gè)創(chuàng)新原理來(lái)解決相關(guān)物理矛盾。利用#1分割原理得到啟發(fā)，將折邊板運(yùn)動(dòng)分割開(kāi)，用兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，得到方案4：采用兩個(gè)氣缸分別實(shí)現(xiàn)水平向前和豎直向下運(yùn)動(dòng)，將豎直向下運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)分割開(kāi)來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)折邊過(guò)程，如圖13所示。

1-鏟邊氣缸 2鏟邊板 3-壓邊氣缸 4-壓邊板圖13 解決方案4

3.3 物場(chǎng)模型分析

針對(duì)08號(hào)原因——折邊板無(wú)法將大面紙折成90度，通過(guò)功能分析和因果鏈分析，可以理解為折邊板在升降氣缸的作用下向上運(yùn)動(dòng)，無(wú)法將帶有灰紙板的大面紙鏟90°，從而導(dǎo)致折邊時(shí)候容易出現(xiàn)空邊。可以將此看作折邊板對(duì)帶有灰紙板的大面紙的作用力不足。根據(jù)物場(chǎng)模型解決問(wèn)題的步驟，首先需要定義問(wèn)題的物場(chǎng)模型。本物場(chǎng)模型的作用對(duì)象是折邊板，被作用對(duì)象是帶有灰紙板的大面紙，其中，折邊板對(duì)帶有灰紙板的大面紙的作用力不足。它們之間的作用場(chǎng)是機(jī)械場(chǎng)，建立物場(chǎng)模型如圖14所示， TRIZ理論中的標(biāo)準(zhǔn)解法針對(duì)作用力不足模型提供了多種解法[15]，采用S2.2.6構(gòu)造物質(zhì)方法(見(jiàn)圖15)得到解決方案5、解決方案6。解決方案5：在折邊板前端嵌入橡膠塊，通過(guò)橡膠塊與帶有灰紙板的大面紙擠壓，使折邊板在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將大面紙折成90度，折邊板優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖16所示。解決方案6：折邊板前端增加彈簧片，折邊板在上升過(guò)程中通過(guò)彈片擠壓將大面紙折成90度，如圖17所示。采用S2.1.1向鏈?zhǔn)轿镔|(zhì)—場(chǎng)躍遷(見(jiàn)圖18)的方法得到解決方案7：折邊板下方增加一個(gè)推板，當(dāng)折邊板到達(dá)工作位置后通過(guò)一個(gè)氣缸推動(dòng)推板，將大面紙折成90度，如圖19所示。采用S2.1.2雙物—場(chǎng)模型的方法(如圖20)，得到解決方案8：采用位置控制，當(dāng)折邊板上升到工作位置前旋轉(zhuǎn)板處于豎直狀態(tài)，如圖21所示，當(dāng)折邊板運(yùn)動(dòng)到工作位置后旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)180，將大面折成90度，如圖22所示。

圖14 物場(chǎng)模型

圖15 構(gòu)造物質(zhì)模型

圖16 方案5

圖17 方案6

圖18 鏈?zhǔn)轿镔|(zhì)—場(chǎng)躍遷模型

圖19 優(yōu)化前后壓板的結(jié)構(gòu)

圖20 雙物場(chǎng)模型

圖21 旋轉(zhuǎn)板處于豎直狀態(tài)

圖22 旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)180°

4 方案評(píng)價(jià)及選擇

針對(duì)上述的8個(gè)方案，利用TRIZ理論中的評(píng)價(jià)模型對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行考慮，分別從可行性、加工性、裝配性和成本4個(gè)維度出發(fā)：方案1僅需更改折邊板結(jié)構(gòu)和增加彈簧就可以實(shí)現(xiàn)180度折邊，折邊板的可加工性和可裝配性強(qiáng)；方案2是在折邊板上增加滾筒，對(duì)折邊板的改動(dòng)較大，會(huì)大幅增加折邊板體積，從而導(dǎo)致整個(gè)折邊裝置體積變大，由于輸送折邊裝置的空間有限，故該方案難以實(shí)現(xiàn)；方案3需要在輸送帶上增加新裝置，然而輸送帶上的空間有限，無(wú)法再添加新裝置；方案4對(duì)現(xiàn)有裝置的更改較大，成本較高；方案5僅需要更改壓板結(jié)構(gòu)且加工簡(jiǎn)單，修改量較少，可實(shí)施性強(qiáng)：方案6采用彈簧片，會(huì)刮傷輸送帶吸風(fēng)箱體，影響輸送帶使用：方案7需要重新增加推板和氣缸，由于輸送折邊裝置的空間較小，無(wú)法在安裝推出氣缸；方案8采用旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)，會(huì)增加新的動(dòng)力裝置，成本有所提高。通過(guò)對(duì)比分析，選擇方案1與方案5來(lái)實(shí)施，在樣機(jī)測(cè)試過(guò)程中折邊過(guò)程未出現(xiàn)空邊，測(cè)試效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)包裝盒折邊裝置進(jìn)行問(wèn)題描述和分析，并將實(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了解決大面紙折邊出現(xiàn)空邊的具體方案，并對(duì)方案進(jìn)行分析和選擇，將最優(yōu)方案應(yīng)用于樣機(jī)測(cè)試，解決了大面紙折邊時(shí)出現(xiàn)空邊的問(wèn)題，為以后紙盒成型機(jī)優(yōu)化提供了思路。