基于TRIZ理論的智能割膠刀設(shè)計

王馭陌 張燕

摘要：運(yùn)用TRIZ 理論的沖突矩陣和創(chuàng)新原理，對傳統(tǒng)割膠刀進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明，該割膠刀實(shí)現(xiàn)了同時測量已割樹皮厚度和樹皮總厚度，大大減少了測量時間，并提高了測量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；容柵技術(shù)；樹皮厚度；量化

中圖分類號：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）12-3010-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.055

Design of Intelligent Tapping Knife Based on TRIZ Theory

WANG Yu-mo， ZHANG Yan

（College of Mechanical And Electrical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： The conflict matrix and innovation principles of TRIZ theory was used， the traditional tapping knife was improved and realized the visual experience. The results showed that the tapping knife could measure thinkness of the cut bark and the total bark at the same time， gkatly measrue time， and improve measrue realuce accuracy.

Key words： TRIZ theory； capacitive technology； bark thickness； quantify

天然橡膠是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防工業(yè)的重要原料，是四大基礎(chǔ)工業(yè)原料中惟一的可再生資源[1]。世界上部分或完全使用天然橡膠制成的物品已達(dá)7萬余種，天然橡膠產(chǎn)業(yè)已成為許多熱帶國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的主要組成部分[2]。目前，獲取橡膠產(chǎn)量的惟一途徑是割膠[3]，但是農(nóng)墾老齡膠工面臨退休，而年青人又由于經(jīng)驗不足無法進(jìn)行割膠，且大多不愿從事這一工作，出現(xiàn)了膠工群體年齡斷層現(xiàn)象[4]。割膠是一項需要較高技術(shù)的手工工作，膠工的割膠技術(shù)和割膠工具的自動化程度不僅會影響橡膠產(chǎn)量，還會影響整個生產(chǎn)周期的產(chǎn)量，甚至還會影響橡膠樹的壽命。因此，膠工的割膠技術(shù)及割膠工具是橡膠生產(chǎn)的關(guān)鍵。在膠園生產(chǎn)中，由于割膠工具和割膠技術(shù)的不同，橡膠的產(chǎn)量相差懸殊。通常，技術(shù)一般的膠工要比技術(shù)嫻熟的膠工少產(chǎn)20%～30%的橡膠[3]，并且傷樹多、耗皮多、樹皮再生速度慢。近幾年最熱門的氣刺微割技術(shù)[5]也沒有改進(jìn)割膠工具，仍然使用傳統(tǒng)割膠刀，橡膠生產(chǎn)勞動投入依舊很大[6]。本研究運(yùn)用TRIZ理論的沖突矩陣和創(chuàng)新原理，對傳統(tǒng)割膠刀進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗的可視化，以減少對膠工經(jīng)驗的依附度。

1 TRIZ理論簡介及應(yīng)用

1.1 TRIZ理論簡介

按傳統(tǒng)設(shè)計中的折中法，沖突并沒有徹底解決，而是降低沖突的程度，即沖突雙方取折中方案。而TRIZ理論認(rèn)為，產(chǎn)品創(chuàng)新的標(biāo)志是解決設(shè)計中的沖突，從而產(chǎn)生新的有競爭力的解。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可大大加快創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。TRIZ理論解決問題的主要依據(jù)是TRIZ矛盾矩陣表，實(shí)際應(yīng)用的大體流程為：首先針對資源提出矛盾；再用通用工程參數(shù)將特定的矛盾準(zhǔn)確地描述出來；隨即應(yīng)用39個技術(shù)參數(shù)將其轉(zhuǎn)化為一般性質(zhì)的問題；繼而從表中的40個解中找到解決問題的一般方法；最后結(jié)合實(shí)際工程情況，形成特定的解決方法。

1.2 TRIZ理論應(yīng)用

TRIZ理論中，由上述資源分析與描述可知，膠工的割膠技術(shù)對割膠效率及產(chǎn)量有很大的影響，因此導(dǎo)出并描述矛盾：

割膠經(jīng)驗既多又少，進(jìn)一步分析，割膠經(jīng)驗將導(dǎo)致割膠的深度不同，而深度的不同又正是效率高低及是否傷樹的關(guān)鍵，因此進(jìn)一步導(dǎo)出矛盾：割膠既深又淺。針對此矛盾，運(yùn)用物場模型分析如圖1所示。

由圖1可知，通過工具的改進(jìn)可改善經(jīng)驗依附度。故設(shè)計方案將經(jīng)驗可視化，而經(jīng)驗的多少又可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為割膠的深度。與割膠效率相關(guān)的深度又分為兩類，一類是樹皮厚度，另一類是已經(jīng)割去的樹皮厚度。

利用通用工程參數(shù)描述沖突，考慮到歸納的多方面性及隨機(jī)性，現(xiàn)將割膠過程遇到的問題從廣義上進(jìn)行歸納，轉(zhuǎn)化為可行性解的工程參數(shù)如下：

1）改進(jìn)的工程參數(shù)：運(yùn)動物體的面積、應(yīng)力或壓力，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性，測試精度、適應(yīng)性及多用性、自動化程度、生產(chǎn)率。

2）惡化的工程參數(shù)：運(yùn)動物體的重量、運(yùn)動物體作用的時間、物質(zhì)損失。

除預(yù)操作和參數(shù)變化之外，其他均能對割膠中遇到的問題產(chǎn)生指導(dǎo)作用?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)際工程情況，將特定問題的解決思路及方法概述如下：

1）動態(tài)化原理。指使一個物體或其環(huán)境在操作的每一個階段自動調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化的性能。在割膠過程中，人的能量是產(chǎn)生誤差的原因，但人又是優(yōu)質(zhì)的資源。因此，需要人來自適應(yīng)，進(jìn)行調(diào)整（圖2）。

2）反饋原理。即引入反饋以改善過程或動作。結(jié)合動態(tài)化原理，在本設(shè)計中，產(chǎn)生反饋使人及時調(diào)整割膠的力度，故需要工具對某些參數(shù)進(jìn)行量化。

3）合并原理。①在空間上將相似的物體連接在一起，使其完成并行的操作。②在時間上合并相似或相連的操作。綜合兩項內(nèi)容，又由于樹皮厚度會對需要割膠厚度產(chǎn)生指導(dǎo)作用，故可在測量已割去樹皮厚度的同時，測量樹皮總厚度，以節(jié)省時間。

4）局部質(zhì)量原理。①將物體或環(huán)境的均勻結(jié)構(gòu)變成不均勻結(jié)構(gòu)?；谠撛恚瑢⒏畹对O(shè)計成不均勻的材質(zhì)，在受力大的位置使用高質(zhì)量的鋼，受力較小的地方就使用普通鋼，以節(jié)省成本。②使組成物體的不同部分完成不同的功能?；谠撛?，可將割刀分為不同功能區(qū)，如將樹皮總厚度和已割樹皮厚度測量裝置分開，或適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)。

5）機(jī)械系統(tǒng)的替代原理。用視覺、聽覺、嗅覺系統(tǒng)代替部分機(jī)械系統(tǒng)。結(jié)合割膠實(shí)際，割膠過程中觀察機(jī)械讀數(shù)并不方便，可以考慮將之轉(zhuǎn)化為提示音的方式。

6）周期性作用原理。用周期性運(yùn)動或脈沖代替連續(xù)運(yùn)動。結(jié)合替代原理，為引起膠工的注意，僅當(dāng)超出割膠深度極限值時才發(fā)出報警音以代替連續(xù)的提示音。

7）緊急行為原理。以最快的速度完成有害的操作。割膠過程中，對樹皮厚度的測量會傷樹，因此設(shè)計成間隔性測量，時間設(shè)置為2 s。

2 智能割膠刀設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

結(jié)合上述解決思路及方法，最終設(shè)計出的智能割膠刀如下所示，圖3為割膠刀整體正視圖，圖4為其俯視圖。

本研究所設(shè)計的割膠刀是一種連有顯示屏及報警發(fā)聲裝置的智能割膠刀，手柄前端固定有割膠刀體，割膠刀體的中前部設(shè)有凹槽。割膠刀體的上側(cè)固定有測量儀，測量儀的中心部件為主控部件，內(nèi)部設(shè)有主控單片機(jī)、彈簧、測尺。下方分別設(shè)有已割樹皮厚度測量部件及樹皮總厚度測量部件，已割樹皮厚度測量部件包括已割樹皮厚度測量桿、限位套；樹皮總厚度測量部件包括樹皮總厚度測量刀、限位套、擋塊。主控部件上端設(shè)有顯示屏，顯示屏與主控部件用塑料構(gòu)件連接。主控部件右側(cè)安裝有報警發(fā)聲器。

使用前，用可拆卸固定裝置將測量儀連接于刀體上，已割樹皮厚度測量桿置于凹槽中，顯示屏上的已割厚度欄示值應(yīng)為零；使用時，正常割膠時使已割樹皮厚度測量桿的橫桿能夠緊貼樹皮即可，可連續(xù)行刀以縮短割膠時間。樹皮總厚度測量部件會在行刀中以規(guī)定的時間間隔自動彈出測量刀，實(shí)時更新樹皮的總厚度數(shù)據(jù)，使結(jié)果更為精確；已割樹皮厚度測量部件會在行刀過程中及時得出已割樹皮厚度，顯示于顯示屏上，并通過主控部件將樹皮總厚度及已割樹皮厚度數(shù)值通過算法分析器，與已建立的最優(yōu)割皮厚度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，從而得出此次行刀的深淺是否處于適當(dāng)范圍內(nèi)并顯示于顯示屏上，若不是則自動予以報警，膠工僅通過報警音即可判斷接下來所需使用的力度，這樣可只割一刀并不需掌握如何連刀，節(jié)省了大量時間，且能割出高產(chǎn)且不傷樹的產(chǎn)膠口。

2.2 主要零部件設(shè)計

2.2.1 樹皮總厚度測量刀設(shè)計 橡膠樹皮的厚度不僅能夠預(yù)測林木生長、病蟲危害和遺傳變異，還能夠預(yù)測橡膠的產(chǎn)膠量[8]。結(jié)合緊急行為原理，測量刀能夠自動彈出和收回，另考慮到樹皮厚度的輕微不均勻性，設(shè)置為每2 s自動測量一次，由主控部件實(shí)現(xiàn)，可手動關(guān)閉。

圖5為樹皮厚度測量刀側(cè)視圖，圖6為樹皮樹皮厚度測量刀正視圖。割膠時打開測量刀開關(guān)，按照提示調(diào)整割膠力度即可。每隔2 s插刀自動彈出插入樹皮，插刀鋒利可刺破樹皮直到木質(zhì)層，限位套則被樹皮阻擋在外面。插入樹皮過程中，限位套向后滑移并壓縮彈簧，當(dāng)?shù)镀迦氲侥举|(zhì)層時，因木質(zhì)層硬度較高而無法繼續(xù)刺入而停止運(yùn)動，彈簧停止壓縮，插刀自動快速縮回，即自動測量出樹皮厚度，并在顯示屏上顯示出來，同時數(shù)據(jù)傳輸至主控部件，與已割樹皮厚度數(shù)值進(jìn)行比較與處理。

2.2.2 割刀設(shè)計 圖7為割刀正視圖。在離其刀口1.5～2.0 cm處開了兩條對稱的凹槽，其目的是放入已割樹皮厚度測量桿，并使其沿凹槽運(yùn)動。前段刀身采用工具鋼，而后端刀身采用普通鋼，經(jīng)ANSYS分析，滿足要求。

2.2.3 已割樹皮厚度檢測部件設(shè)計 圖8為已割樹皮厚度檢測部件正視圖。正常割膠時，注意使測量桿的橫桿能夠緊貼樹皮即可，通過測量桿的移動可測出已割樹皮的厚度數(shù)值并及時傳輸?shù)街骺夭考M(jìn)行處理。測量桿設(shè)計成可拆卸的，可提高重復(fù)利用率。

2.2.4 測量部件設(shè)計 圖9為測量部件側(cè)視圖，圖10為測量部件正視圖。在測量部件的背面裝有照明燈，方便夜間操作。

3 測量機(jī)理及信號傳遞分析

3.1 測量機(jī)理

本設(shè)計所涉及的是長容柵位移傳感器及其原理[9]。

3.2 電信號傳遞分析

為了實(shí)現(xiàn)測距，動?xùn)排c定柵必須滿足以下要求：定柵節(jié)距為5.08 mm，動?xùn)殴?jié)距為0.635 mm，定柵節(jié)距是動?xùn)殴?jié)距的8倍，即每8條動?xùn)艑?yīng)1條定柵，但1條定柵節(jié)距內(nèi)有一半是屏蔽板，則只有4條動?xùn)排c定柵耦合。同時接收板r也與5節(jié)定柵耦合，接收板長為25.4 mm。若由？棕=0.635 mm表示動?xùn)殴?jié)距，其中C1（x），C2（x）……C8（x）表示各組每塊動?xùn)排c定柵間的電容，它們均是機(jī)械位移量x的函數(shù)。動?xùn)派瞎灿?組極板，各組工作情況相同，則取一組來進(jìn)行分析。每組8塊發(fā)射極板，各自收到從驅(qū)動電路送來的方波信號或基波正弦信號e1（t）、e2（t）…e8（t）為8路驅(qū)動信號，依次以45°相位差遞增。此信號周期T=512 τ=2 816 μs。在1/8 T開始處有較寬的凸波，而后在1/2 T開始處又有較寬的凹波，因而在整個T周期內(nèi)的基波是正弦信號。因此該信號可當(dāng)作正弦波，得出：e1=E×sin（？棕t），e2=E×sin（？棕t+π/4）……。

計算得出交流電壓源，由克希霍夫第一、第二定律寫出等效電路中的電流和電壓方程，得：

■1=■1+■1+■r+■r+■H+■H （1）

……

■8=■8+■8+■r+■r+■H+■H （2）

∑■■■i-■r■0=■r+■r+■H+■H （3）

■H=5■r （4）

式中，■1=■……■8=■

■r=■，■0=■，■H=a-jb，

其中，a=■，b=■，

RH為傳感器的負(fù)載電阻。

由上述式（1）～式（4）最終化簡得出：

？專（x）=arctan■ （5）

當(dāng)0≤x≤？棕時，？專（x）=arctan■ （6）

同理亦可得出0≤x≤？棕，2？棕≤x≤3？棕……

因此，該函數(shù)近似符合線性關(guān)系，其關(guān)系如圖11所示為測量移動距離x與相角之間的關(guān)系。

4 小結(jié)

本研究通過物場模型對問題進(jìn)行描述，提出了將以往的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為割膠深度并可視化；利用動態(tài)化及反饋原理確定了應(yīng)通過割膠工具進(jìn)行量化，并通過人的能量來自適應(yīng)而減小誤差，從而設(shè)計出樹皮總厚度及已割樹皮厚度測量部件；應(yīng)用合并原理進(jìn)行樹皮總厚度及已割樹皮厚度測量裝置的合并設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了在測已割樹皮厚度的同時測量樹皮總厚度，這樣節(jié)省了時間。通過局部質(zhì)量原理大大降低了成本，并綜合應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)的替代原理、周期性作用原理、緊急行為原理設(shè)計出了報警提示裝置，方便了割膠操作。

以TRIZ理論沖突解決原理作為指導(dǎo)，設(shè)計出能夠在割膠的同時自動測量出樹皮總厚度和已割的樹皮厚度的智能割膠刀。無割膠經(jīng)驗的人員使用該割膠刀能多產(chǎn)20%～30%的橡膠，且降低勞動強(qiáng)度，提高割膠收益，具有極大的市場應(yīng)用前景，能為進(jìn)一步研制高效割膠工具提供參考。

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