李 霞,佟瑞棟,李依娜,葉 暢

(1.江蘇省惠山中等專業(yè)學(xué)校 機(jī)電工程系,江蘇 無錫 214153;2.朝陽市第六中學(xué) 物理組,遼寧 朝陽 122000;3.朝陽師范高等專科學(xué)校生化工程系,遼寧 朝陽 122000;4.江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院數(shù)字裝備學(xué)院,江蘇 淮安 223200)

0 引言

為了適應(yīng)塑料工業(yè)高速發(fā)展的需要,許多職業(yè)學(xué)校都開設(shè)了模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè).塑料模具設(shè)計(jì)作為該專業(yè)的核心課程,是理論性和實(shí)踐性緊密融合的一體化課程[1].為了完成該課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué),學(xué)校往往需要購置臥式、角式和立式三種類型的注射機(jī),但這需要較多的設(shè)備購置資金和較大的實(shí)訓(xùn)場所.為了解決這一問題,本文運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行分析討論,設(shè)計(jì)一種新型的組合式教學(xué)注射機(jī).

1 TRIZ理論及物理矛盾解決方法

1.1 TRIZ理論

TRIZ理論在20世紀(jì)40年代末由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒提出,阿奇舒勒和他的團(tuán)隊(duì)研究分析了世界各國約250萬件發(fā)明專利,認(rèn)為創(chuàng)新絕不是靈感的突現(xiàn)和無規(guī)律的事件,其中應(yīng)該蘊(yùn)含著發(fā)明的基本法則和技術(shù)進(jìn)化的規(guī)律,從而提煉和歸納出解決技術(shù)問題的基本原理和方法[2].

TRIZ理論包括了諸多內(nèi)容,而且還在不斷發(fā)展完善中.TRIZ理論認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)中存在著物理矛盾、技術(shù)矛盾和管理矛盾,而管理矛盾通?？梢赞D(zhuǎn)化成技術(shù)矛盾來解決,因此,TRIZ理論主要研究前兩種矛盾,并提供相應(yīng)的解決問題工具.

1.2 物理矛盾解決方法

本文要解決的主要問題涉及物理矛盾.所謂物理矛盾,就是在一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中存在對同一個(gè)參數(shù)提出相互排斥的需求的物理狀態(tài),即對技術(shù)系統(tǒng)或其子系統(tǒng)中的某一參數(shù)或?qū)傩蕴岢隽私厝徊煌男枨骩3].物理矛盾廣泛存在于生產(chǎn)生活的各種系統(tǒng)中,例如,在實(shí)訓(xùn)室建設(shè)中為了更好地滿足實(shí)訓(xùn)要求,我們希望購買類型更多的實(shí)訓(xùn)設(shè)備,但是這需要更多的經(jīng)費(fèi)投入和占用較大的實(shí)訓(xùn)場所;如果從節(jié)約經(jīng)費(fèi)和減小實(shí)訓(xùn)場地的角度出發(fā),又不希望購買更多的實(shí)訓(xùn)設(shè)備,也就是說購買實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量的多少受到特定條件的限制.

在TRIZ理論中,將物理學(xué)中常用的參數(shù)分為幾何、材料及能量、功能3類進(jìn)行表述,如表1所示[4].

表1 常見物理矛盾

TRIZ理論建議我們用4大分離原理(空間分離、時(shí)間分離、條件分離和系統(tǒng)級別分離)來解決物理矛盾:

技術(shù)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)在一特定空間體現(xiàn)出來的特性和在另外一個(gè)空間體現(xiàn)出來的特性不同,則可以將矛盾雙方在不同的空間上分離開來,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為空間分離.

技術(shù)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)在一特定時(shí)間段表現(xiàn)出的特性和在另一時(shí)間段表現(xiàn)出的特性不同,將矛盾雙方在不同的時(shí)間段分離開來,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為時(shí)間分離.

技術(shù)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)在不同條件下表現(xiàn)為不同的特性,將矛盾雙方在不同的條件下分離,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為條件分離.

技術(shù)系統(tǒng)對同一參數(shù)的不同要求,可以在不同的系統(tǒng)級別上實(shí)現(xiàn),如矛盾雙方在超系統(tǒng)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)的層次只出現(xiàn)一方,而該方在其他層次不出現(xiàn)時(shí),則可以讓矛盾雙方在不同層次分離,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為系統(tǒng)級別分離.

通過研究發(fā)現(xiàn),分離原理與一些發(fā)明原理之間存在著一定的關(guān)系,利用這些發(fā)明原理可以為解決物理矛盾提供更廣闊的思路,從而更好更快捷地獲得問題的解決方案.40條發(fā)明原理是阿奇舒勒對大量高質(zhì)量發(fā)明專利分析后歸納總結(jié)出來的共性規(guī)律.每一條分離原理可以對應(yīng)多條發(fā)明原理,具體見表2[4],表中數(shù)字為發(fā)明原理的編號.

表2 分離原理與發(fā)明原理的關(guān)系

物理矛盾解決流程如圖1所示.

2 注射機(jī)的分類和物理矛盾分析

2.1 注射機(jī)的分類

注射機(jī)是塑料注射成型所用的設(shè)備,按其結(jié)構(gòu)特征分為3種類型,分別是臥式、角式和立式注射機(jī),如圖2所示.

臥式注射機(jī)的開合模系統(tǒng)和注射系統(tǒng)均沿水平方向布置.這類注射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)身較低,穩(wěn)定性較好,維修方便,塑件頂出后可利用重力自動(dòng)落下,便于全自動(dòng)操作;其缺點(diǎn)是占地面積比較大,不便于模具安裝和嵌件安放.

立式注射機(jī)的開合模系統(tǒng)和注射系統(tǒng)均沿垂直方向布置.這類注射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是模具拆裝方便,嵌件安放便利,占地面積小;其缺點(diǎn)是不便于加料,塑件頂出后需要人工或其他方法取出,不易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作,另外機(jī)身重心較高,機(jī)器的穩(wěn)定性較差.

角式注射機(jī)的注射系統(tǒng)與開合模系統(tǒng)二者的軸線相互垂直.這類注射機(jī)綜合了立式和臥式注射機(jī)的優(yōu)點(diǎn),主要用于成型自動(dòng)脫卸螺紋塑件和成型中心部位不允許留有澆口痕跡的平面塑件[5].

2.2 物理矛盾分析

準(zhǔn)確地尋找和定義物理矛盾是解決問題的基礎(chǔ).為了滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求,一般需要購買3種類型的注射機(jī),但是這需要較大的實(shí)訓(xùn)場地和更多的設(shè)備投資,而現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)場地不能滿足這個(gè)要求.由此看出,實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對注射機(jī)的數(shù)量這個(gè)參數(shù)提出了截然相反的要求.這個(gè)矛盾在表1中體現(xiàn)為數(shù)量多與少(材料及能量類)的矛盾.

表3 定義物理矛盾的步驟

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),實(shí)際教學(xué)中并不是同時(shí)操作3種類型的注射機(jī),可以合理安排時(shí)間,按照順序使用,這屬于時(shí)間分離的問題.在表2中時(shí)間分離對應(yīng)的發(fā)明原理共有12條,并不是所有的發(fā)明原理都有助于具體問題的解決.經(jīng)過分析,認(rèn)為其中的第15條“動(dòng)態(tài)特性”原理可以幫助我們解決這個(gè)問題.

動(dòng)態(tài)特性原理啟示我們,“分割物體,使其各部分可以改變相對位置”,“如果一個(gè)物體整體是靜止的,使之移動(dòng)或可動(dòng)”.于是設(shè)想將注射機(jī)各部分分割成模塊,各模塊連接成柔性的、可自適應(yīng)的組合體,根據(jù)實(shí)訓(xùn)需要在不同時(shí)間段轉(zhuǎn)換成臥式、角式或立式的注射機(jī),從而減少占地面積.另外在注射機(jī)下面安裝滾輪使之可以移動(dòng)位置,調(diào)好位置后由滾輪上的自鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖定,既具有靈活性又具有穩(wěn)定性.

考慮到用于教學(xué)的注射機(jī)不需要很高的制造精度,于是在第26條“復(fù)制”發(fā)明原理啟發(fā)下,嘗試用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的教學(xué)機(jī)取代結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的生產(chǎn)用注射機(jī),這樣可以大大降低制造成本.

3 組合式注射教學(xué)機(jī)結(jié)構(gòu)組成和轉(zhuǎn)換原理

3.1 結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)

如圖3所示,組合式注射教學(xué)機(jī)包括料斗、支撐底座以及安裝在支撐底座上的注塑系統(tǒng)和開合模系統(tǒng).料斗安裝在注塑系統(tǒng)頂部,注塑系統(tǒng)安裝在支撐底座上,可在導(dǎo)軌上滑動(dòng),開合模系統(tǒng)鉸接在支撐底座上,并可以自由旋轉(zhuǎn).注塑系統(tǒng)包括料筒、螺旋送料組件和加熱組件,上部連接料斗.物料經(jīng)料斗進(jìn)入到料筒內(nèi)加熱,然后由螺旋送料組件驅(qū)動(dòng)進(jìn)入到開合模系統(tǒng).開合模系統(tǒng)的主要作用是保證成型模具的可靠開合以及脫出塑件[6].

3.2 轉(zhuǎn)換原理

組合式注射教學(xué)機(jī)包括臥式轉(zhuǎn)換成立式、臥式轉(zhuǎn)換成角式兩種轉(zhuǎn)換模式[7-8]..

(1)臥式向立式轉(zhuǎn)換:首先將料斗放平,然后將整體機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn),底座豎立,通過支撐板支撐,即可實(shí)現(xiàn)臥式向立式轉(zhuǎn)換.轉(zhuǎn)換過程如圖4所示.

(2)臥式向角式轉(zhuǎn)換:首先將注射機(jī)轉(zhuǎn)換成前臥式,然后將臺座后退,開合模機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到位,臺座前移,即可實(shí)現(xiàn)臥式向角式轉(zhuǎn)換過程.轉(zhuǎn)換過程如圖5所示.

4 結(jié)語

如果分別購買臥式、立式和角式三臺注射機(jī),共需要投資人民幣25萬元左右,現(xiàn)在自制的組合式注射教學(xué)機(jī)只需10萬元/臺左右,節(jié)約資金15萬元,節(jié)約占地面積20 m2,降低了基建費(fèi)用.另外,該機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì),便于維修和更換;配備語音導(dǎo)航,在操作時(shí)有導(dǎo)航提示,提高了人機(jī)交互能力;注射系統(tǒng)和開合模系統(tǒng)與PLC控制器相連,通過PLC控制器可以自動(dòng)控制注射系統(tǒng)和開合模系統(tǒng)工作.實(shí)踐證明,該機(jī)便于學(xué)生掌握塑料注塑成型工藝的基本方法和了解典型注塑模具的基本結(jié)構(gòu),在淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院試用以來,取得了較好的教學(xué)效果.