葛正斌，何邦貴，張朝亮，夏家良

（1.650504 昆明市 云南省 昆明理工大學(xué)；2.650021 昆明市 云南省 云南印刷技術(shù)研究有限公司；3.650231 昆明市 云南省 云南九九彩印有限公司）

0 引言

我國大部分印刷企業(yè)的生產(chǎn)工藝還比較落后，與發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)企業(yè)相比還有很大差距，一部分企業(yè)雖然完成了工藝和設(shè)備的改進(jìn)，但由于流程之間設(shè)備不連續(xù)等原因，生產(chǎn)效率依然低下[1]。雖然在傳統(tǒng)的書刊生產(chǎn)中，制版、印刷和裝訂三大環(huán)節(jié)各自都有顯著的技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了較高的自動(dòng)化，但三大環(huán)節(jié)目前依然獨(dú)立生產(chǎn)，尚未形成一體化[2]，仍存在大量的人工重復(fù)勞動(dòng)。尤其是書刊裝訂環(huán)節(jié)，需要人工將書帖添加到裝訂生產(chǎn)線上進(jìn)行書刊的成品裝訂。為減少添加書帖環(huán)節(jié)的人工數(shù)量，本文在分析配貼工藝流程的基礎(chǔ)上，運(yùn)用TRIZ 創(chuàng)新理論，設(shè)計(jì)了一套可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配頁功能的添加書帖裝置，以減少人為因素對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，進(jìn)而提高書刊生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平。

1 配貼工藝流程分析

無線膠訂聯(lián)動(dòng)機(jī)主要采用疊配的方式來配貼，即將各個(gè)書帖按照頁碼順序依次疊摞在一起，成為一個(gè)書芯[3]。圖1 所示為書帖配頁機(jī)的工作原理簡圖[4]。書帖按照頁碼順序依次堆放在儲頁臺上的每一個(gè)儲頁格中，當(dāng)配頁機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，先由儲頁格下的分貼機(jī)構(gòu)將最下面一個(gè)書帖分離出來，然后由叼頁機(jī)構(gòu)將書帖叼出按順序放到傳送鏈條上，傳送鏈條上的書帖由撥書棍推動(dòng)，隨著傳送鏈條持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并在每一個(gè)儲頁格下面不斷累積書帖直到收書臺，完成一本書芯的配貼。

圖1 書帖配頁機(jī)的工作原理簡圖Fig.1 Working principle diagram of book binding page machine

將書帖添加到對應(yīng)儲頁格中的動(dòng)作由人工來完成，分析人工添加書帖的整個(gè)過程，發(fā)現(xiàn)可以將人工添加書帖的動(dòng)作分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：識別、抓取、搬運(yùn)、整理、堆放。操作工人通過觀察，找到需要的書帖，用手抓取一摞書帖，搬運(yùn)到儲頁臺上并整理書帖，以提高書帖的松散度和整齊度，便于書帖分離，最后將書帖放入儲頁格中。

2 自動(dòng)添加書帖裝置設(shè)計(jì)需求

基于書帖自身的特性，以及配貼工藝流程，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下問題：（1）書帖本身比較柔軟，不利于配頁過程中對其進(jìn)行抓取；（2）當(dāng)書帖堆碼到一定高度時(shí)，書帖兩側(cè)會出現(xiàn)高度差，影響書帖堆碼的穩(wěn)定性及堆碼高度；（3）書帖的規(guī)格主要有16 開和32 開兩種，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)要能夠適應(yīng)不同大小的書帖；（4）書帖需要按照頁碼順序，添加到對應(yīng)的儲頁格當(dāng)中，不能出現(xiàn)添加錯(cuò)誤的情況；（5）添加書帖時(shí)需按照規(guī)定方向，折痕一側(cè)向前，添加到儲頁格當(dāng)中；（6）添加書帖過程中要保證儲頁格當(dāng)中有一定的書帖余量，不能出現(xiàn)儲頁格為空的情況；（7）書帖表面不能沾染液體，紙張不能出現(xiàn)劃痕、撕裂等情況；（8）長時(shí)間與支撐面之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)?dǎo)致字跡模糊與紙面磨損的情況。

3 自動(dòng)添加書帖裝置總體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的書帖存儲方式以縱橫交錯(cuò)、層層疊加、緊密排列的方式堆碼成一個(gè)長方體，優(yōu)點(diǎn)是以這種方式堆碼，存放的穩(wěn)定性高，存儲量大，不易散落，但這種存儲方式給書帖的抓取過程帶來了很大的難度，要實(shí)現(xiàn)書帖的自動(dòng)抓取基本不可能。添加書貼的方式是將書帖疊摞堆放在儲頁格里，書帖是由印刷后經(jīng)過折頁形成，有折痕的部分厚度會略高于無折痕的部分，由于幾百個(gè)書帖高度的累積，形成了較為明顯的高度差，且隨著書帖數(shù)量的增加，這種高度差越發(fā)明顯，書帖的堆疊也更加不穩(wěn)定，因此每個(gè)儲頁格存放的書帖數(shù)量受到限制。由于緩存量不夠，如果一個(gè)工人同時(shí)配好幾貼，就會出現(xiàn)顧此失彼的情況，這也導(dǎo)致需要多個(gè)配貼工人。為了解決書帖緩存量小的問題，可將書帖豎直放置（折痕朝上）在輸送鏈板上向前輸送，如圖2 所示。相較于水平放置，這種方式能夠增加書帖的存儲量。通過斜向上的弧形輸送機(jī)構(gòu)可使書帖由原來的豎直排列的狀態(tài)變成階梯狀的平鋪狀態(tài)，然后將書帖連續(xù)、緩慢地添加到儲頁格中。

圖2 書帖運(yùn)動(dòng)過程示意圖Fig.2 Sketch map of book signature movement process

4 基于TRIZ 理論的書帖輸送機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)矛盾和創(chuàng)新原理

當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)的某一個(gè)參數(shù)得到改善的同時(shí)，導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)惡化，就產(chǎn)生了技術(shù)矛盾[5]。TRIZ 理論將這些因素總結(jié)成描述系統(tǒng)性能的39個(gè)通用參數(shù)，建立了阿奇舒勒矛盾矩陣表（參見表1），并提供了40 個(gè)解決問題的發(fā)明原理。如圖3 所示，把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾之后，查找矛盾矩陣，找到推薦的解決該技術(shù)矛盾的發(fā)明原理[6]，將這些發(fā)明原理應(yīng)用到實(shí)際問題中，就比較容易找到解決該實(shí)際問題的可行性方案[7-9]。

圖3 技術(shù)矛盾的流程Fig.3 Process of technical contradiction

表1 阿奇舒勒矛盾矩陣表Tab.1 Altshuller contradiction matrix table

4.2 問題描述

根據(jù)前文確定的總體方案，書帖需要豎直放置在輸送鏈板上向前輸送，由于書帖是柔軟片狀，當(dāng)豎直放置時(shí)，很容易側(cè)倒、散落，因此必須在原來的輸送鏈板上增加額外的機(jī)構(gòu)來保證書帖平穩(wěn)地豎直放置在輸送鏈板上而不側(cè)倒。再加上書帖具有不同大小的尺寸規(guī)格，所以輸送通道的大小要能適應(yīng)書帖尺寸的變化。書帖輸送機(jī)構(gòu)不僅要防止書帖側(cè)倒散落，也要滿足能夠輸送不同尺寸規(guī)格的書帖，這必然會使系統(tǒng)變得復(fù)雜。

4.3 技術(shù)矛盾分析

（1）將實(shí)際問題描述轉(zhuǎn)化成39 個(gè)通用參數(shù)中的2 項(xiàng)[10]。

根據(jù)以上對問題的描述，不管是增加機(jī)構(gòu)來保證書帖平穩(wěn)輸送，還是使機(jī)構(gòu)具備輸送不同尺寸規(guī)格的書帖的功能，勢必使系統(tǒng)變得復(fù)雜。改善輸送機(jī)構(gòu)的適用性及多用性的同時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，機(jī)構(gòu)的適用性及多用性與系統(tǒng)的復(fù)雜性之間形成了一對技術(shù)矛盾。

通用參數(shù)35 號適用性及多用性：指物體或系統(tǒng)積極響應(yīng)外部變化的能力，或者在各種外部影響下，具備以多種方式發(fā)揮功能的可能性[11]。在此問題中，適用性及多用性的提高是改善的參數(shù)。

通用參數(shù)36 號系統(tǒng)的復(fù)雜性：指系統(tǒng)元素及其相互關(guān)系的數(shù)目及多樣性。如果用戶也是系統(tǒng)的一部分，將會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。人們掌握該系統(tǒng)的難易程度是其復(fù)雜性的一種度量[12]。在此問題中，系統(tǒng)的復(fù)雜性增加是惡化的參數(shù)。

（2）根據(jù)得到的工程參數(shù)，確定解決問題需要的發(fā)明原理

在表1 的矛盾矩陣表中，沿“改進(jìn)參數(shù)”方向找到“35 適用性及多用性”這個(gè)參數(shù)的名稱，然后沿“惡化參數(shù)”方向找出“36 系統(tǒng)的復(fù)雜性”這個(gè)參數(shù)的名稱，35（適用性及多用性）所在行與36（系統(tǒng)的復(fù)雜性）所在列的交叉處，即為解決該問題的4個(gè)發(fā)明原理，分別為：15號動(dòng)態(tài)特性，29 號氣壓和液壓結(jié)構(gòu)，37 號熱膨脹，28 號機(jī)械系統(tǒng)替代。綜合分析以上4 個(gè)發(fā)明原理，解決該問題最有效的發(fā)明原理是15 號動(dòng)態(tài)特性原理，其余3 個(gè)發(fā)明原理對該問題的徹底解決幫助不大。

4.3 問題解決

4.3.1 動(dòng)態(tài)特性原理的具體方法

15 號動(dòng)態(tài)特性原理的基本內(nèi)容為：①調(diào)整物體或環(huán)境的性能，使其在工作的各階段達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。②分割物體，使其各部分可以改變相對位置。③如果一個(gè)物體是靜止的，使之移動(dòng)或可動(dòng)[13]。

若書帖豎直放置時(shí)靜止不動(dòng)，在原輸送鏈板上增加一個(gè)用來固定書帖使之不側(cè)倒散落的機(jī)構(gòu)，就可以起到固定書帖的作用。但是，在添加書帖的過程當(dāng)中，書帖必須在輸送鏈板上源源不斷的向前輸送，所以增加用來固定書帖的機(jī)構(gòu)必須有一個(gè)在輸送方向上的移動(dòng)（參見圖4）。為了適應(yīng)不同尺寸規(guī)格的書帖，增加的機(jī)構(gòu)還需有一個(gè)在垂直于輸送方向的移動(dòng)。

圖4 書帖輸送及尺寸調(diào)整方向Fig.4 Direction of book signature transportation and size adjustment

4.3.2 基于動(dòng)態(tài)特性原理（15）的卡爪的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在發(fā)明原理15 的啟發(fā)下，分割物體，使其各部分可以改變相對位置。在原有的輸送鏈板兩側(cè)設(shè)置一個(gè)側(cè)擋板，側(cè)擋板上安裝一個(gè)可以隨書帖一起運(yùn)動(dòng)的卡爪，可以防止書帖側(cè)倒，與輸送鏈板組合在一起，實(shí)現(xiàn)書帖平穩(wěn)向前輸送的功能。

卡爪的結(jié)構(gòu)如圖5 所示?？ㄗχ饕蓴[桿、拉伸彈簧以及安裝板組成。安裝板固定在滾子鏈上，在鏈條的帶動(dòng)下，可以隨著鏈條與輸送鏈板同步向前運(yùn)動(dòng)，使書帖保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。擺桿的主要作用是支撐書帖使其不側(cè)倒、散落，由于限位擋桿的作用，擺桿不能順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，可以推著書帖向前輸送。拉伸彈簧的主要作用是，當(dāng)書帖受到外力，快速向前運(yùn)動(dòng)填滿空隙時(shí)，彈簧被拉長，擺桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使書帖順利通過，緊密排列在一起。

圖5 卡爪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of jaw structure

4.3.3 基于動(dòng)態(tài)特性原理（15）的可調(diào)節(jié)側(cè)擋板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在發(fā)明原理15 的啟發(fā)下，如果一個(gè)物體是靜止的，使之移動(dòng)或可動(dòng)。在輸送鏈板的支架上，設(shè)置兩條垂直于輸送方向的可以滑動(dòng)的導(dǎo)軌，將兩個(gè)側(cè)擋板安裝在導(dǎo)軌上，通過滾珠絲杠帶動(dòng)側(cè)擋板向兩側(cè)或中心移動(dòng)，帶有可移動(dòng)卡爪的側(cè)擋板與導(dǎo)軌、輸送鏈板組合在一起，最終組合起來的整體機(jī)構(gòu)既能保證書帖平穩(wěn)向前輸送，又能進(jìn)行寬度調(diào)節(jié)來適應(yīng)不同尺寸規(guī)格的書帖。

側(cè)擋板的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。支架兩端安裝兩根導(dǎo)軌，中間安裝一根雙向滾珠絲杠，兩個(gè)側(cè)擋板安裝在導(dǎo)軌上，通過滾珠絲杠的正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)側(cè)擋板沿導(dǎo)軌相對或相向滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)寬度的功能。

圖6 可調(diào)節(jié)側(cè)擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of adjustable side baffle structure

5 自動(dòng)添加書帖裝置的三維建模

5.1 輸送鏈板及底座三維建模

為增加配帖過程中書帖的緩存量，將書帖豎直放置在輸送鏈板上，由輸送鏈板將書帖輸送到前面的弧形輸送機(jī)構(gòu)，輸送鏈板長度根據(jù)需要可以適當(dāng)加長。輸送鏈板及機(jī)架的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 輸送鏈板及底座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of conveyor chain plate and base structure

兩條輸送鏈板安裝在機(jī)架上，在電機(jī)帶動(dòng)下向前輸送書帖。輸送機(jī)構(gòu)一側(cè)安裝氣缸推板，目的是將添加進(jìn)去的書帖快速向前推送，使書帖緊密排列，并為下次添加書帖空出位置。在輸送鏈板兩側(cè)及中間設(shè)置支撐板，起到支撐書帖的作用。

5.2 卡爪鏈條三維建模

上述輸送機(jī)構(gòu)存在的問題是，當(dāng)書帖豎直放置時(shí)，易側(cè)倒、散落，為了使書帖平穩(wěn)輸送，設(shè)計(jì)一個(gè)用于支撐書帖的動(dòng)態(tài)卡爪就顯得尤為重要。如圖8 所示，卡爪安裝在滾子鏈上，鏈條內(nèi)側(cè)安裝鏈條導(dǎo)軌，用于支撐和引導(dǎo)鏈條，在卡爪受到書帖擠壓時(shí)，支撐鏈條減少變形。兩條卡爪鏈條安裝在輸送鏈板兩側(cè)的側(cè)擋板上，在電機(jī)的帶動(dòng)下，卡爪與輸送鏈條同步向前運(yùn)動(dòng)，使書帖保持動(dòng)態(tài)平穩(wěn)狀態(tài)。

5.3 側(cè)擋板三維建模

如圖9 所示，側(cè)擋板通過支架安裝在導(dǎo)軌上，在滾珠絲杠的帶動(dòng)下，沿著導(dǎo)軌滑動(dòng)。側(cè)擋板中上方開一條縫隙，便于卡爪穿過縫隙，卡爪上的擺桿伸出側(cè)擋板，用來固定書帖?？ㄗ︽湕l通過鏈輪軸安裝在支架上，鏈輪軸帶動(dòng)卡爪鏈條與輸送鏈板同步向前運(yùn)動(dòng)。

圖9 側(cè)擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of side baffle structure

5.4 弧形輸送機(jī)構(gòu)三維建模

如圖10 所示，機(jī)架上安裝一個(gè)弧形支撐板，支撐板上安裝兩條輸送鏈和兩條窄輸送帶，用于輸送書帖。支撐板上方安裝壓緊皮帶以及輔助壓緊皮帶，為書帖提供一定的壓力，增大書帖與輸送鏈和輸送帶之間的摩擦力，并使書帖呈階梯狀緊密排列，避免書帖松散，保證書帖平穩(wěn)輸送。

圖10 弧形輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of arc conveyor mechanism

5.5 自動(dòng)添加書帖裝置總體布局

自動(dòng)添加書帖裝置總裝配三維實(shí)體圖如圖11 所示。本方案主要由氣缸推板、輸送鏈板、側(cè)擋板、卡爪和弧形輸送機(jī)構(gòu)組成，各部分結(jié)構(gòu)及安裝位置前文已詳細(xì)描述，此處不再贅述。

圖11 自動(dòng)添加書帖裝置總裝配三維實(shí)體圖Fig.11 General assembly 3D solid diagram of automatically adding book-signature mechanism

添加書帖時(shí)的具體實(shí)施過程：將書帖豎直放置在輸送鏈板和側(cè)擋板形成的凹槽中，氣缸帶動(dòng)推板推動(dòng)書帖快速向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)書帖作用在兩側(cè)卡爪上的力迫使卡爪上的擺桿擺動(dòng)，使書帖不受卡爪的限制向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)書帖通過以后，卡爪上的擺桿受到彈簧的拉力，使書帖后方的卡爪彈出，恢復(fù)原位，并且由于限位擋桿的作用，擺桿只能單向擺動(dòng)，書帖不能向后運(yùn)動(dòng)，卡爪固定住書帖，并和輸送鏈板一起帶著書帖緩慢向前運(yùn)動(dòng)。書帖運(yùn)動(dòng)到凹槽最前端時(shí)，與弧形輸送機(jī)構(gòu)接觸，斜向上的輸送鏈?zhǔn)箷稍瓉碡Q直緊密排列的狀態(tài)變成階梯狀的平鋪狀態(tài)，階梯狀平鋪的書帖由上方壓緊皮帶壓緊并由底下的輸送鏈和輸送帶向前輸送，最終緩慢連續(xù)添加到配頁機(jī)上的儲頁格中。

6 結(jié)語

本文在分析了配貼工藝流程的基礎(chǔ)上，確定了自動(dòng)添加書帖裝置的總體方案，并對其中存在的關(guān)鍵問題，運(yùn)用TRIZ 理論的技術(shù)矛盾分析，選擇15 號動(dòng)態(tài)特性原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了書帖輸送機(jī)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)卡爪和可調(diào)節(jié)側(cè)擋板。書帖輸送機(jī)構(gòu)與弧形輸送機(jī)構(gòu)串聯(lián)、配合，完成了自動(dòng)添加書帖裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，滿足了添加不同尺寸規(guī)格的書帖的設(shè)計(jì)需求。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)配頁功能，減少了添加書帖過程中的的人工操作，減輕了工人的體力勞動(dòng)，提高了書刊裝訂環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平，進(jìn)而減少了操作工人數(shù)量，減少了人工成本，具備一定的應(yīng)用推廣價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。