陳紀(jì)旸，鹿全禮，張佰順，杜付鑫，張?jiān)疵?，夏?/p>

基于TRIZ的筒紗自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳紀(jì)旸1,2，鹿全禮1，張佰順3，杜付鑫2，張?jiān)疵?，夏楠4

（1.山東正中信息技術(shù)股份有限公司，濟(jì)南 250014；2.山東大學(xué)，濟(jì)南 250061；3.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199；4. 中共德州市紀(jì)律檢查委員會(huì)，山東 德州 253000）

為了實(shí)現(xiàn)筒子紗的自動(dòng)化縫紉包裝，文中基于發(fā)明問題解決理論（TRIZ）提出并設(shè)計(jì)一套筒子紗自動(dòng)化縫紉包裝系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行分析，找出多對(duì)技術(shù)矛盾，根據(jù)分割與切割、預(yù)先作用、反向等發(fā)明原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種新的縫紉及其夾持機(jī)構(gòu)，解決傳統(tǒng)筒子紗編織袋包裝系統(tǒng)存在的工業(yè)縫紉機(jī)頭無法移動(dòng)，以及編織袋自身和筒子紗作為物料較為柔軟、容易形變的問題。對(duì)樣機(jī)封包的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，將樣品分9組，每組進(jìn)行80次封包試驗(yàn)，總計(jì)720次。由試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，總體成功率達(dá)到99.70%。基于TRIZ的筒紗自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)對(duì)不同硬度、質(zhì)地、尺寸的編織袋有很好的適應(yīng)性，具備良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明問題解決理論；技術(shù)矛盾；筒子紗；編織袋包裝；自動(dòng)縫紉封口

由阿奇舒勒創(chuàng)立的發(fā)明問題解決理論TRIZ作為先進(jìn)、系統(tǒng)和有效的創(chuàng)新理論和方法，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。發(fā)明問題被轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，然后基于TRIZ工具得到標(biāo)準(zhǔn)方案，再根據(jù)具體情況得到有效的創(chuàng)新方案[2-3]。

考慮到長(zhǎng)途運(yùn)輸以及成本等方面的因素，筒子紗常采用編織袋包裝，而縫紉封口是其中相當(dāng)重要的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)。筒子紗本身呈圓臺(tái)狀，與化肥、糧食等顆粒狀物體不同，無法簡(jiǎn)單依靠重力縱向灌入編織袋，需要按設(shè)定好的大小頭交錯(cuò)排列的方式推入到編織袋內(nèi)，最大程度地減少筒子紗之間的空隙。同時(shí)由于編織袋質(zhì)地較軟，很容易產(chǎn)生較大的物理形變，且往往由于客戶需求不同的筒子紗而導(dǎo)致尺寸不一、批量小、品種多。目前市面上常見的縫紉封口方式多為人工縫紉封口，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。在人工成本不斷攀升，招工困難的情況下，研發(fā)出一套可以適應(yīng)不同尺寸的筒子紗編織袋自動(dòng)化縫紉包裝系統(tǒng)極為重要。

文中主要介紹基于TRIZ理論的筒紗自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，解決“自動(dòng)化程度與多用性、適應(yīng)性”、“自動(dòng)化程度與可靠性”、“自動(dòng)化程度與形狀”、“生產(chǎn)率與形狀”等技術(shù)矛盾，設(shè)計(jì)一種新的夾持及縫紉機(jī)構(gòu)。

1 TRIZ 理論介紹

如圖1所示，TRIZ求解過程首先從問題定義開始，分析問題后設(shè)定理想化最終結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行資源分析并找出矛盾，然后判斷矛盾是技術(shù)矛盾還是物理矛盾，利用技術(shù)矛盾解決問題是解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題的一種常用方法[4]。將實(shí)際出現(xiàn)的問題轉(zhuǎn)化為一般的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)矛盾，然后利用通用工程參數(shù)對(duì)技術(shù)矛盾進(jìn)行分析描述[5]，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造技術(shù)矛盾對(duì)矩陣，從而將用以描述技術(shù)矛盾的通用工程參數(shù)和發(fā)明創(chuàng)新原理建立對(duì)應(yīng)關(guān)系[6-7]，再結(jié)合行業(yè)知識(shí)等，提出具體解決方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)求解目的。

圖1 TRIZ體系求解流程

2 問題分析

2.1 傳統(tǒng)封口工藝分析

人工按照大小頭錯(cuò)位排列的既定規(guī)則將筒子紗有序地放入編織袋中，然后將其用力推入袋中以擠壓空間，使得筒子紗之間排列緊密，最后夾持住袋子頂部袋口部位處，在此處完成縫紉封口動(dòng)作，見圖2。

2.2 問題描述及解決目標(biāo)

在現(xiàn)有的筒子紗編織袋包裝過程中，縫紉封口大多采用人工作業(yè)，且常采用縫紉機(jī)頭固定而編織袋運(yùn)動(dòng)的縫紉方式。由于編織袋質(zhì)地較軟，很難平整地進(jìn)入縫紉機(jī)構(gòu)，即使在此基礎(chǔ)上加上壓邊機(jī)構(gòu)加以改良（如圖3所示），也難以適用于不同尺寸的筒子紗，尤其對(duì)較小尺寸的筒子紗，包裝效果更是不甚理想。裝有筒子紗的編織袋經(jīng)過壓邊機(jī)構(gòu)后隨輸送帶運(yùn)動(dòng)至封口機(jī)頭處開始縫紉，縫紉機(jī)保持固定，此方式對(duì)編織袋自身塑性要求極高，不具備良好的適應(yīng)性；另外如果編織袋發(fā)生形變，很容易造成編織袋袋口堆積，使得縫紉失敗，甚至?xí)p壞縫紉機(jī)機(jī)針，使得包裝線被動(dòng)停產(chǎn)，影響包裝效率[8-9]。

針對(duì)目前生產(chǎn)現(xiàn)狀，特提出如下3個(gè)主要待解決的問題。

1）為提高設(shè)備柔性，要求自動(dòng)化縫紉系統(tǒng)能適應(yīng)多種規(guī)格尺寸的筒子紗及編織袋，并最大程度地減少編織袋內(nèi)的無效空間。

2）在保證實(shí)現(xiàn)全部工序自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、合理、易操作，使得設(shè)備操作工人能夠高效使用。

3）為提高生產(chǎn)效率，需解決筒子紗在較高速度移動(dòng)時(shí)易變形的問題，使筒子紗按照理想情況進(jìn)入縫紉封口作業(yè)環(huán)節(jié)。

圖3 帶壓邊機(jī)構(gòu)的縫紉封口系統(tǒng)

3 機(jī)械原理及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 分析問題得到參數(shù)，組建技術(shù)矛盾

分析2.2節(jié)的第1個(gè)問題，要求自動(dòng)化縫紉系統(tǒng)能滿足多種規(guī)格尺寸的筒子紗及編織袋，通過查詢TRIZ表得到技術(shù)特征參數(shù)35（適應(yīng)性）與38（自動(dòng)化程度）構(gòu)成矛盾對(duì)。分析2.2節(jié)的第2個(gè)問題，在保證實(shí)現(xiàn)全部工序自動(dòng)化的基礎(chǔ)上設(shè)備盡量簡(jiǎn)單、合理、易操作，通過查詢TRIZ表得到技術(shù)特征參數(shù)38（自動(dòng)化程度）與33（可操作性）之間存在矛盾。分析2.2節(jié)的第3個(gè)問題，在采用自動(dòng)化系統(tǒng)保證生產(chǎn)率的同時(shí)盡量保證編織袋的形狀保持不變，通過查詢TRIZ表得到技術(shù)特征參數(shù)38（自動(dòng)化程度）、39（生產(chǎn)率）與12（形狀）之間存在矛盾。經(jīng)分析以后，組建的矛盾對(duì)為M38–35、M38–33和M39–12[10]。

3.2 建立沖突矩陣，確定發(fā)明原理

可對(duì)3.1節(jié)得到的矛盾對(duì)進(jìn)行分析，得到矛盾沖突矩陣[11]，見表1和表2。

根據(jù)具體工藝要求，結(jié)合表1、表2中的發(fā)明原理，可得出其中的1（分割與切割）、10（預(yù)先作用）、13（反向）發(fā)明原理具備較強(qiáng)的可行性。由此可分析得出創(chuàng)新方向及具體應(yīng)用，見表3。

表1 M38–35、M38–33矛盾矩陣

Tab.1 M38–35 and M38–33 contradiction matrix

表2 M38–12和M39–12矛盾矩陣

表3 發(fā)明原理、創(chuàng)新方向及具體應(yīng)用

3.3 確定解決方案

3.3.1 夾持移動(dòng)子系統(tǒng)

夾持移動(dòng)子系統(tǒng)見圖4，裝有筒子紗的開口編織袋通過傳送帶移動(dòng)，當(dāng)通過定位光電傳感器時(shí)，第1夾持機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作。首先沿軸正方向?qū)⑾聤A板抬升至指定位置，再沿軸負(fù)方向?qū)⑸蠆A板下落，完成編織袋開口夾緊動(dòng)作。然后水平布置的57步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)和編織袋沿軸負(fù)方向移動(dòng)，同時(shí)所述夾持裝置外的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定有擋板，以防止筒管在袋內(nèi)竄動(dòng)。綜上，通過拉動(dòng)編織袋的袋口并限制筒管的運(yùn)動(dòng)空間，減少編織袋內(nèi)筒管之間的空隙，使袋內(nèi)筒管排布更加整齊緊湊。

夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由57步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行帶動(dòng)，待平臺(tái)到位后，電機(jī)1拖動(dòng)已被夾緊袋口的編織袋，沿軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)到縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)縫紉。

3.3.2 縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)

縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)見圖5，在夾持機(jī)構(gòu)將夾緊袋口的編織袋運(yùn)送到指定位置后，夾板上的第2夾持裝置與外皮帶下的固定夾板配合，沿軸負(fù)方向下降，以完成對(duì)編織袋口的二次夾緊動(dòng)作，夾持移動(dòng)子系統(tǒng)將回到初始位置后，縫紉運(yùn)動(dòng)平臺(tái)待縫紉機(jī)頭穿過夾持機(jī)構(gòu)板材上的開口后，開始沿軸正方向運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)縫紉機(jī)對(duì)編織袋進(jìn)行縫紉封口，以實(shí)現(xiàn)編織袋靜態(tài)縫紉。

圖4 夾持移動(dòng)子系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖

圖5 縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖

縫紉完成后，縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)的上夾板抬起，完成了縫紉封口的編織袋通過輸送機(jī)構(gòu)傳動(dòng)到下一環(huán)節(jié)。縫紉機(jī)平臺(tái)沿軸負(fù)方向返回到初始位置，等待下一輪縫紉動(dòng)作[12]。

4 系統(tǒng)測(cè)試

基于TRIZ理論設(shè)計(jì)的筒紗自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)見圖6，成袋的筒紗經(jīng)過夾持移動(dòng)子系統(tǒng)后進(jìn)入縫紉移動(dòng)子系統(tǒng)進(jìn)行縫紉，完整的過程見圖7。圖7a為夾持移動(dòng)狀態(tài)，圖7b為筒紗進(jìn)入縫紉狀態(tài)，直至到達(dá)圖7c中的位置，即為縫紉完成狀態(tài)。

在不考慮編織袋包裝前序工藝的前提下，對(duì)該系統(tǒng)的縫紉封口效果進(jìn)行了測(cè)試，將80個(gè)不同規(guī)格紗線編織袋在1 h內(nèi)的縫制結(jié)果作為一組考核對(duì)象，其中縫制效果差的測(cè)試結(jié)果被歸類為縫制失敗。通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析比較，可以有效地驗(yàn)證系統(tǒng)的縫制效率、縫制質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性[13]。在山東省某紡紗廠進(jìn)行多次實(shí)際縫紉試驗(yàn)后，形成了如表4所示的測(cè)試結(jié)果。

由720次的測(cè)試數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到，系統(tǒng)整體成功率達(dá)到99.70%，縫紉失敗的原因也均與工業(yè)縫紉機(jī)上螺紋脫落有關(guān)，并且在故障發(fā)生后可迅速修復(fù)。自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)的實(shí)際效果和經(jīng)捆扎后的效果見圖8。文中提出的基于TRIZ理論設(shè)計(jì)的筒紗自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)具有良好的縫紉效率和縫紉效果，不僅對(duì)不同規(guī)格的筒子紗具有很好兼容性和適配性，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)包裝過程的完全自動(dòng)化，而且包裝質(zhì)量和包裝效率處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖7 自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

表4 自動(dòng)縫紉系統(tǒng)實(shí)測(cè)效率及故障統(tǒng)計(jì)

Tab.4 Measurement efficiency and fault statistics of automatic sewing and packaging system

圖8 自動(dòng)縫紉包裝效果和經(jīng)捆扎后的效果

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)的本質(zhì)是使設(shè)計(jì)物最大限度地滿足人的需求，TRIZ技術(shù)矛盾理論可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)上的不足，構(gòu)建2個(gè)不同參數(shù)的矛盾矩陣，并通過相應(yīng)的發(fā)明原理來消除問題[14]。文中基于發(fā)明問題解決理論TRIZ設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種筒子紗編織袋自動(dòng)縫紉包裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了“自動(dòng)化程度與多用性、適應(yīng)性”、“自動(dòng)化程度與可靠性”、“自動(dòng)化程度與形狀”、“生產(chǎn)率與形狀”等技術(shù)矛盾[15]，克服了編織袋自身和筒子紗作為物料都較為柔軟、容易形變的難題，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)不同尺寸、質(zhì)地、塑性的編織袋都有很好的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了編織袋全自動(dòng)縫紉封口包裝，推動(dòng)了我國(guó)筒子紗包裝行業(yè)的改革。

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Design and Realization of Automatic Sewing and Packaging System for Package Yarn Based on TRIZ Theory

CHEN Ji-yang1,2, LU Quan-li1, ZHANG Bai-shun3, DU Fu-xin2, ZHANG Yuan-min2, XIA Nan4

(1. Shandong Zhengzhong Information Technology Co., Ltd., Jinan 250014, China; 2. Shandong University, Jinan 250061, China; 3. Navy Submarine Academy, Shandong Qingdao 266199, China; 4. Dezhou Discipline Inspection Commission of the Communist Party of China, Shandong Dezhou 253000, China)

The work aims to propose and design a set of automatic sewing and packaging system for package yarn based on TRIZ theory, so as to realize the automatic sewing and packaging of package yarn. In terms of structural design, the TRIZ theory was used to analyze and find out many pairs of technical contradictions. According to the invention principle of division and cutting, pre-action, reverse, etc., a new sewing and clamping mechanism was designed and realized to solve the problems that the industrial sewing machine head of the traditional package yarn woven bag packaging system could not move and the woven bag and package yarn were relatively soft and easy to deform. The stability of packaging by prototypes was tested. The prototypes were divided into 9 groups and each group underwent 80 packaging tests, totaling 720 times. From the test results, the system ran stably and the overall success rate reached 99.70%. The automatic sewing and packaging system for package yarn based on TRIZ has good adaptability to woven bags with different hardness, texture and size, and has good popularization and application value.

theory of the solution of inventive problems; technical contradiction; package yarn; woven bag packaging; automatic sewing and sealing

TB486

A

1001-3563(2022)15-0301-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.15.025

2021–12–05

山東大學(xué)橫向課題項(xiàng)目（魯科技合字20171063）

陳紀(jì)旸（1991—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化、電子信息、科技成果轉(zhuǎn)化等。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋