李歡歡，宋西寧，孫春萍，周荃

（261041 山東省 濰坊市 濰坊職業(yè)學院 機電工程學院）

0 引言

W 板也叫波形板，多用做高速公路波形防撞欄、工廠防護欄等，生產(chǎn)完的波型板在運輸過程中，若波形板之間沒有中介物將其間隔開，會對板子表面產(chǎn)生破壞。目前，在其生產(chǎn)過程中，最后工序是將表面處理好的 W 板碼垛到一起，W 板的碼垛一般是水平方向4 片為一排，垂直方向22 層為一垛[1]，以便打包后運輸，如圖1 所示。目前主要是采用人工的方式將W 板之間進行敷繩，以達到間隔板子并保護在運輸過程中免受損壞的目的。人工敷繩的方式加大了工人的工作強度且工作效率低。但目前市面上沒有解決該問題的自動化設備，如何解決W 板運輸過程中的保護問題成為亟待解決的問題。

圖1 W 板敷繩后碼垛圖Fig.1 Stacking diagram after rope laying on W-plate

在U-TRIZ 解題流程中，技術(shù)系統(tǒng)分析環(huán)節(jié)被特別加強，SAFC 分析模型是實現(xiàn)迭代創(chuàng)新（產(chǎn)品改進求解）和原始創(chuàng)新的重要工具。在SAFC 分析模型中，S1和S2分別代表一對相互作用的物質(zhì)，A1和A2分別對應為S1和S2的屬性。習慣上，將物質(zhì)S1作為功能載體-發(fā)出動作的主體，將物質(zhì)S2作為接受動作的客體；S3是實現(xiàn)功能后延展產(chǎn)生的、具有屬性 A3的第三物質(zhì)；Fuh是物質(zhì)S1的屬性A1與物質(zhì)S2的屬性A2相互作用產(chǎn)生的、可能有利或有害的功能[2]。標準的SAFC 分析模型如圖2 所示。

圖2 SAFC 分析模型Fig.2 SAFC analysis model

1 基于TRIZ 理論的創(chuàng)新設計

1.1 問題定義與分析

如何使W 板的表面在運輸過程中不被破壞是最終要解決的問題。目前人工敷繩方式存在很多不足：工人工作強度大，碼垛速度不高。從W 板的運輸角度出發(fā)，理想狀態(tài)是W 板不怕刮擦破壞，然而由于W 板本身的特性及W 板油漆的易刮擦特性，導致W 板在運輸過程中不可能達到表面不被破壞。不論事前還是事中解決問題，現(xiàn)存的主要問題是增加了成本及系統(tǒng)的復雜性。那么次優(yōu)的最終理想解定義為，使板子之間存在間隙，靠間隙來保護板子的表面，在其他方式實現(xiàn)有困難或者暫時達不到的情況下，研制機械裝置代替人工，實現(xiàn)板子表面覆繩，達到保護板子表面的目的。

根據(jù)U-TRIZ 的SAFC 模型[3-4]，對W 板敷繩的過程進行分析，如圖3 所示?？梢钥闯?，W 板要想碼垛整齊并且有間隔，需要人和碼垛機的配合。碼垛機在W 板碼垛的過程中，人將草繩敷在板子之間達到保護板子的目的，這就需要人與碼垛機工作時間的一致性，若達不到一致，會使碼垛過程效率低下。若不敷繩，碼垛的效率提高了，但是W板之間沒有草繩間隔，板子表面會受到損傷。由此得到碼垛過程中存在的矛盾為碼垛效率與W 板強度之間的矛盾，以及手動操作對W 板進行敷繩自動化程度低與制造成本、系統(tǒng)復雜性之間的矛盾。

圖3 W 板碼垛并敷繩的SAFC 模型Fig.3 SAFC model of W-plate stacking and rope laying

1.2 TRIZ 原理求解分析

將以上根據(jù)SAFC 模型分析的矛盾問題轉(zhuǎn)變?yōu)?8 項工程參數(shù)，即轉(zhuǎn)變?yōu)門RIZ 標準問題[5-6]。在既要“實現(xiàn)在W 板碼垛過程板之間產(chǎn)生間隔，又要避免生產(chǎn)成本的提高”的前提下，對以上發(fā)現(xiàn)的問題分析，找出必須消除的問題是由哪些沖突屬性引起的，把出現(xiàn)的問題分析變成為48 項工程參數(shù)中的對應項，然后根據(jù)矛盾矩陣，找到相應的發(fā)明原理，提供解決問題的方法[7-10]。

實現(xiàn)W 板自動敷繩，提高自動化程度，相應也提升了敷繩的生產(chǎn)率及可操作度，同時整個系統(tǒng)的復雜性也被提高了，即惡化的參數(shù)為系統(tǒng)復雜性。在矛盾矩陣中找到惡化的參數(shù)，自動化程度特征對應的編號為 43，在改善的參數(shù)中找到可操作度、自動化程度、生產(chǎn)率的對應編號分別為 34、43、44。對立的矛盾構(gòu)成的沖突矩陣如表1 所示。

表1 矛盾矩陣表Tab.1 Contradiction matrix

針對“實現(xiàn)對W 板的自動化敷繩”、實現(xiàn)“W板敷繩操作容易”、“提高W 板敷繩的生產(chǎn)率”分別與“提高系統(tǒng)復雜性”形成的這3 對矛盾，通過對照矛盾矩陣表可以看出，查找第34、43、44行和第45 行，得到表中列舉出的W 板自動敷繩設備的發(fā)明原理。對矩陣表中列舉的發(fā)明原理進行分析篩選，采用編號為15、17、28 的發(fā)明原理，這3 條原理對問題的解決有啟發(fā)作用。

15 號動態(tài)性原理是：（1）自動調(diào)節(jié)物體，使其各動作及各階段都是最佳工作狀態(tài)；（2）分割物體，使其各部分可以改變相對位置；（3）使靜止的物體可以移動或具有柔性。根據(jù)動態(tài)化原理的提示可以將整個系統(tǒng)劃分成幾部分，各部分之間產(chǎn)生相對運動實現(xiàn)W 板敷繩的整個動作。

17 號維數(shù)變化原理是：（1）如果物體作線性運動有困難，則使物體在二維度上移動，在一個平面上的運動也可以過渡到三維空間；（2）單層排列的物體變?yōu)槎鄬优帕?；?）將物體傾斜或側(cè)向放置；（4）利用給定表面的反面；（5）利用投向相鄰面或反面的光流。根據(jù)維數(shù)變化原理的提示，要完成覆繩工作，將動作分解為2 部分，實現(xiàn)繩在二維度上運動。

28 號替代機械系統(tǒng)是：（1）用視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、味覺系統(tǒng)或嗅覺系統(tǒng)替代機械系統(tǒng)；（2）使用與物體相互作用的電場、磁場、電磁場；（3）用可變場替代恒定場，隨時間變化的可動場替代固定場，隨機場替代恒定場；（4）把場與場作用粒子組合使用。根據(jù)替代機械系統(tǒng)的作用可運用相關(guān)的傳感元件代替人眼判斷W 板碼垛完成與敷繩動作的完成。

2 創(chuàng)新方案的設計

對需要解決的問題進行矛盾分析得到相應的發(fā)明原理，該發(fā)明原理只是一般解，還需要對該原理進行發(fā)散聯(lián)想得到解決問題的具體實際方案。

在15 號動態(tài)化原理和17 號維數(shù)變化原理的啟發(fā)下，將W 板敷繩的整個過程分成2 部分，繩子從輥子上滾動出來，然后繩子橫向覆在W 板上。兩個動作應該同時進行，兩動作的實現(xiàn)，同時根據(jù)空間分離的原理，分別依靠不同的電機帶動主軸實現(xiàn)動作，此處設計兩個電機分別控制敷繩動作及繩的縱向移動。在28 號機械系統(tǒng)替代原理的啟發(fā)下，人工敷繩時，可通過人眼判斷在W 板碼垛完成時，再行敷繩動作，機器設備自動完成時，如何將兩個動作連貫完成并且避免漏敷的情況，這里設計采用“傳感檢測元件”，時時檢測碼垛過程與敷繩動作的連貫一致性。

通過上述基于TRIZ 理論的創(chuàng)新分析，最終確立如圖4 所示的W 板自動敷繩設備的創(chuàng)新方案，其正視圖如圖5 所示，左視圖如圖6 所示。

圖4 W 板自動敷繩設備的創(chuàng)新方案Fig.4 Innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

圖5 W 板自動敷繩設備的創(chuàng)新方案的正視圖Fig.5 Front view of innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

圖6 W 板自動敷繩設備的創(chuàng)新方案的左視圖Fig.6 Left view of innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

該裝置分別通過一個敷繩電動機、一個縱向電機對設備提供動力驅(qū)動，敷繩電動機控制草繩從繩輥上放下的長度，縱向電機控制橫梁的縱向移動。在縱向電機控制橫梁縱向移動的過程中，敷繩電機同時進行運轉(zhuǎn)，控制草繩同步從繩輥上放下，實現(xiàn)對W 板的絕對包容，實現(xiàn)W 板碼垛過程中層與層之間的自動化敷繩。

3 結(jié)論

分析W 板在人工敷繩過程中存在的問題，得到創(chuàng)新設備在設計過程中的矛盾沖突，依據(jù)W 板實現(xiàn)自動化敷繩問題，形成了操作容易和產(chǎn)出效率同設備復雜程度之間的矛盾。利用TRIZ 發(fā)明原理，獲得了解決問題的方向，最終實現(xiàn)了W 板的自動化敷繩工作，解放了工人，有效地提升了作業(yè)速度，提高了生產(chǎn)效率。利用TRIZ 的矛盾沖突理論，在W 板敷繩設備的設計過程中起到了啟發(fā)作用，有利于設計人員打開設計思路，獲得更好的設計方案。