郝雪君，鄧援超，辛軍煒

（430068 湖北省 武漢市 湖北工業(yè)大學）

0 引言

隨著品質要求的日益嚴格，利用現(xiàn)有的圍框機制盒的品質已很難滿足要求，這造成了生產(chǎn)中工作效率低下、廢品率高的問題。其中造成該問題的最突出原因是鏟邊成型后小面紙空邊現(xiàn)象。鏟邊成型裝置工作，將圖1（a）中的半成品條盒加工成圖1（b）所示的成品條盒。全文嘗試運用TRIZ 理論為這個問題尋求解決辦法。

圖1 鏟邊成型過程中條盒的狀態(tài)Fig.1 State of strip box in the process of edge forming

TRIZ 理論即發(fā)明問題解決理論，該理論由蘇聯(lián)科學家根里奇·阿奇舒勒于1946 年創(chuàng)立。阿奇舒勒通過大量的專利分析，得出工程系統(tǒng)演變的客觀趨勢，通過這種趨勢提出發(fā)明問題解決理論[1-4]。本文針對小面紙空邊這個問題，通過TRIZ 理論進行描述分析，找到存在這個問題的根本原因，運用TRIZ 工具找到解決方案，對得到的方案進行評估，最終解決問題[5]。

1 鏟邊成型裝置介紹

條盒由圍框好的灰紙板和大小面紙黏貼而成，條盒材料示意圖如圖2 所示。

圖2 條盒材料示意圖Fig.2 Schematic diagram of strip box material

鏟邊成型工位是決定成型紙框品質的重要工位，該工位主要功能是將半成品條盒中的大小面紙的上端進行90°折邊、小面紙下端鏟平后，折入條盒內壁貼牢。該裝置主要由上鏟刀、下鏟刀、吸風壓板、下模組成。其中除小面紙一側為上下鏟刀和吸風壓板，紙框其余三側均只有上鏟刀和吸風壓板。鏟邊成型裝置示意圖如圖3 所示。

圖3 鏟邊成型裝置示意圖Fig.3 Schematic illustration of blade forming device

工作過程如下：（1）升降主軸將圍好的紙框下推至折邊工位的指定位置，吸風壓板在驅動氣缸②的作用下向半成品條盒運動，接觸條盒的表面，見圖4（a）；（2）吸風壓板貼緊紙框，吸風打開，同時上模吸風關閉，紙框被固定在4 個吸風壓板圍城的框內，上模退走，見圖4（b）；（3）4 工位上鏟刀全部水平推出，使高于紙框的面紙形成90°折邊，方便黏貼，小面紙機頭下鏟刀推出鏟邊，見圖4（c）；（4）小面紙下鏟刀收回，見圖4（d）；（5）下模上升，將鏟好邊的小面紙折入紙框內，完成包邊工作，見圖4（e）；（6）小面紙側驅動氣缸②向前運動，吸風板與下模產(chǎn)生一定的擠壓，形成小面紙保壓，使得小面紙與灰紙板完全貼合，見圖4（f）；（7）吸風壓板吸風關閉，壓板與上鏟刀退回至初始位置，見圖4（g）；（8）下模吸風關閉，下模收回，條盒圍框成型，見圖4（h）。成型框運離成型折邊工位的整個鏟邊成型工位動作完成。

圖4 鏟邊成型工位工作流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of molding station work flow

2 問題分析

2.1 問題描述

在紙框完成圍框機中成型折邊工位所有工序后，現(xiàn)存在如下現(xiàn)象：成品條盒小面紙包邊處出現(xiàn)空邊，如圖5 所示。這個現(xiàn)象會使紙框品質不達標。首先確定現(xiàn)存在的問題。鏟邊成型工位動作完成后，部分條盒出現(xiàn)小面紙空邊現(xiàn)象，不符合成型紙盒生產(chǎn)的品質要求[6]。

圖5 小面紙空邊現(xiàn)象示意圖Fig.5 Schematic illustration of empty edges of small paper

2.2 系統(tǒng)功能組件分析

在建立組件模型之前，首先需要確定技術系統(tǒng)，并根據(jù)改技術系統(tǒng)的定義，確定改技術系統(tǒng)的作用對象、技術系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件[7]。技術系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)紙框面紙折邊，因此系統(tǒng)的作用對象是貼上小面紙的半成品紙框，技術系統(tǒng)的組件為上模、下模、上鏟刀、下鏟刀、吸風壓板、驅動氣缸、升降主軸，技術系統(tǒng)的超系統(tǒng)為機架，電機、真空泵?；谝陨辖M件進行組件功能模型分析，分析各組件間的作用，如圖6 所示。

圖6 組件功能模型Fig.6 Component function model diagram

2.3 因果鏈分析

因果鏈分析是在組建功能模型的基礎上，通過構建因果鏈指出事件發(fā)生的原因和導致的結果，層層遞進，最終得到問題產(chǎn)生的根本原因。對當前系統(tǒng)進行因果鏈分析，得到因果鏈如圖7所示。

圖7 小面紙空邊現(xiàn)象因果鏈分析Fig.7 Causality chain analysis of empty edge of small surface paper

對小面紙空邊現(xiàn)象因果鏈分析得到的8 個原因進行實驗分析。針對原因I，通過實驗對面紙的材料進行實驗，結果表明面紙材料符合實際要求，故不再考慮；針對原因II，在加長鏟刀停留時間后，對小面紙回彈現(xiàn)象沒有根本改善，不能作為根原因；針對原因IV 和原因V，經(jīng)過樣機運行100 個物料進行圍框，記錄出現(xiàn)物料偏移的情況，經(jīng)測試后確認氣管不存在破損現(xiàn)象，真空泵吸力滿足正常工作需要，故不再考慮；針對原因VII 和原因VIII，通過觀察樣機運行中的紙框松動現(xiàn)象，最終選取增大吸盤盤徑，紙框松動問題得到解決。針對原因III 為樣機在實際運行過程中的某種狀態(tài)，以及原因VI 下模精度低，在運行過程中無法帶緊面紙，可以使用TRIZ 理論進行進一步研究。因此原因III 和原因VI 為該問題的2 個根原因，轉換成關鍵問題：①如何讓下鏟刀與小面紙有充分接觸面積；②如何提高下模精度。

3 基于TRIZ 理論對現(xiàn)有工程問題求解

3.1 問題①：針對如何讓下鏟刀與小面紙有充分接觸面積的問題

3.1.1 通過物場模型及標準解解決問題

針對問題①，首先定義問題的物場模型[8]。該物場模型的作用對象是下鏟刀，被作用對象是貼在灰紙板上的小面紙，其中下鏟刀對小面紙的作用力不足，它們之間的作用場是機械場。物場模型如圖8 所示。對作用力不足的模型，采用標準解S1.1.2 內部合成物場模型來解決。得到解決方案①，在鏟刀前端增加一段略高于鏟刀最高平面的刮片，使下鏟刀工作的時候與小面紙的底端有更大接觸面積，使其更好地貼合在灰紙板底端。解決方案①如圖9 所示。

圖8 解決方案物場模型圖Fig.8 Physical field model diagram

圖9 解決方案①Fig.9 Solution ①

（1）確定物質：S1-小面紙，S2-下鏟刀。

（2）確定場：F1-機械場。

解決方案物場模型如圖10 所示。由標準解S2.2.4 動態(tài)性[9]得到解決方案②，即將下鏟刀后端平面改成為由兩滾筒組成的弧面，通過滾筒弧形表面在工作過程中反復壓實，達到預期的鏟邊效果。解決方案②如圖11 所示。

針對這一物場模型，還可以采用標準解S2.1.2 雙物-場模型來解決。解決方案物場模型圖如圖12 所示。得到解決方案③，給原有的系統(tǒng)中增加一個氣動場，在下鏟刀處增加一個噴氣裝置，提前給小面紙鏟邊處一個折彎的力，方便下鏟刀工作時，更容易令小面紙形成90°鏟邊。解決方案③如圖13 所示。

圖12 解決方案物場模型圖Fig.12 Physical field model diagram

圖13 解決方案③Fig.13 Solution ③

3.1.2 通過技術矛盾解決問題

技術矛盾是指在改善一個參數(shù)的同時，隨之產(chǎn)生的其他的問題[10]。針對問題①，首先想到要解決小面紙空邊這個現(xiàn)象，就需要改善下鏟刀的形狀，使小面紙能更好地貼合在灰紙板下方，這樣就不會出現(xiàn)小面紙空邊現(xiàn)象。而改變鏟刀的形狀會使鏟刀的加工更復雜，因此惡化了制造難度。通過分析可知，待改善的參數(shù)是No.12——形狀，被惡化的參數(shù)是No.32——可制造性。根據(jù)所定義的工程參數(shù)查詢矛盾矩陣，得到對應的發(fā)明原理[11]，如表1 所示。

表1 矛盾矩陣表Tab.1 Contradiction matrix

查表，運用發(fā)明原理#1 分割原理得到解決方案④，即將下鏟刀設計成兩塊由銷柱連接的板，兩板的尾端用彈簧連接，鏟刀進給時，紙框擠壓彈簧，彈簧給紙框一個向上的力，使小面紙更牢固地貼合在條盒下端。解決方案④如圖14 所示。

圖14 解決方案④Fig.14 Solution ④

但是，改善了設備的可操作性必然增加裝置的制造難度，會惡化可制造性。查表可知，待改善的參數(shù)是No.33——可操作性，被惡化的參數(shù)是No.32——裝置的可制造性[12]。根據(jù)所定義的工程參數(shù)查詢矛盾矩陣，得到對應的發(fā)明原理，如表2 所示。

表2 矛盾矩陣表Tab.2 Contradiction matrix

根據(jù)這對技術矛盾查詢矛盾矩陣得到的發(fā)明原理#5 組合原理，由該發(fā)明原理得到解決方案⑤，即將下鏟刀與吸風壓板組合起來，鏟刀長度不能影響下模順利進入紙框進行包邊。組合式下鏟刀示意圖如圖15（a）所示，鏟邊狀態(tài)示意圖如圖15（b）所示。

圖15 解決方案⑤Fig.15 Solution ⑤

3.2 問題2：針對如何提高下模精度的問題

3.2.1 物理矛盾解決問題

物理矛盾是指同一參數(shù)具有相反的并且合乎情理的需求。具體可通過3 種方法解決：（1）分離矛盾需求；（2）滿足矛盾需求；（3）繞過矛盾需求，再利用分離原理嘗試解決，然后利用分離原理推薦的發(fā)明原理來構建解決方案模型，最后轉換為實際方案[13]。具體流程如下：針對如何提高下模精度這個問題，首先考慮到下模要略小于紙框，方便下模帶著小面紙順利進入紙框，因此下膜需要小。但如果下模過小，下面進入紙框時，無法順利進入紙框，所以在進入紙框時下模要小，方便模具順利進入。但過小的紙框會使折邊效果差，造成紙框品質不合格，這就形成了一對物理矛盾，即下模在剛進入紙框時要小，因為方便進入，但是在開始折邊時要大，因為要使小面紙平整地貼在紙框內側。針對該物理矛盾適用“基于時間分離”來解決，選擇“時間分離”運用發(fā)明原理11——事先防范原理，將下模進行改進，在進入紙框前，彈簧為原長狀態(tài)電磁鐵裝置處于失電狀態(tài)，小面紙調節(jié)吸風板處于原始狀態(tài)，下模大小略小于紙框，當下模頂端進入紙框時，磁鐵裝置得電，彈簧處于伸長的狀態(tài)，通過調節(jié)小面紙邊的吸風板，使小面紙被下模帶緊，平穩(wěn)折入紙框內。解決方案⑥如圖16 所示。

圖16 解決方案⑥Fig.16 Solution ⑥

4 方案評估與實施

經(jīng)過以上的分析和求解得出如表3 所示的6個方案，結合經(jīng)濟性以及有效性對所有方案進行可用性評估[14]。其中經(jīng)濟性包括方案的復雜程度和對原設備的改動大小，這兩點直接決定材料費用以及人工成本。有效性包括方案解決問題的實用性及穩(wěn)定性。經(jīng)過分析與評估，最終選擇方案①和方案⑥同時進行實施，小面紙空邊的問題被解決，圍框紙盒合格率達到99%，達到行業(yè)標準。

表3 方案匯總表Tab.3 Programme matrix

5 結論

通過對圍框機在實際生產(chǎn)中遇到的小面紙空邊問題進行問題描述和定義，再利用功能模型及因果鏈分析找到造成小面紙包邊后空邊現(xiàn)象的根本問題，利用物場模型、技術矛盾、物理矛盾等工具將這些根本問題轉化為TRIZ 問題模型[15]。再通過TRIZ 理論工具對問題模型進行處理，通過標準解推薦的構造物質來彌補不足效應，從而想到在下鏟刀上增加新的刮片來彌補鏟刀工作上的不足，通過發(fā)明原理11，從而想到對下模增加磁性調節(jié)裝置，再進行評估與選擇。最后將這些方案模型根據(jù)實際項目情況結合機械設計相關知識轉化成實際解決方案。為后續(xù)工程人員解決實際問題提供了一定的參考和借鑒。