利用TRIZ理論對飼料包裝袋套袋機開袋裝置進行優(yōu)化設(shè)計

■董 陽 鄧援超周 楊 張 立

（湖北工業(yè)大學，湖北武漢 430068）

1 TRIZ概述

TRIZ是由前蘇聯(lián)根里奇·阿奇舒勒（G.S.Alt?shuller）提出，自1946年開始探究的一套具有普遍適用性的發(fā)明問題解決理論，它能幫助我們發(fā)現(xiàn)問題并找到解決問題的方法，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速創(chuàng)新和優(yōu)化[1]。TRIZ理論有一套標準的找到解決問題方案的流程，包括以下4步：①對待解決的實際問題作詳盡的分析并清楚地定義該問題；②將該問題轉(zhuǎn)化為TRIZ中的某種通用問題模型；③利用TRIZ工具得到TRIZ提供的通用形式的解；④把TRIZ通用形式的解具體化為針對該實際問題的具體的解。

自1990年開始，TRIZ理論進入中國，首先主要被機械、電子、生物、化工等技術(shù)領(lǐng)域的研究人員重視，隨著對其研究的逐漸深入，TRIZ理論被引入到了管理、創(chuàng)新教育等非技術(shù)領(lǐng)域，在企業(yè)和科研機構(gòu)的應(yīng)用范圍與推廣力度也越來越大。很多學者做了相關(guān)的研究和探討。平恩順等[2]將TRIZ理論應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)，建立了機械產(chǎn)品突破性創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生過程模型，以期在機械產(chǎn)品突破性創(chuàng)新方面進行一些前期探索。徐起賀等[3]闡述了TRIZ理論中各項工具方法在機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究中的應(yīng)用，并展望了隨TRIZ方法學的不斷推廣與應(yīng)用深化,人類技術(shù)創(chuàng)新過程必將更快更新。黃蕾等[4]則是將TRIZ理論應(yīng)用到具體的飼料機械工程實際問題當中，解決了袋裝飼料智能裝車機安裝廠房高度受限問題。

本文將TRIZ理論應(yīng)用于飼料包裝袋套袋機的開袋裝置中，對該裝置進行了問題描述、問題分析，并運用合適的TRIZ理論方法及工具提出該問題的解決方案模型，最終轉(zhuǎn)化為實施方案。

2 飼料包裝袋和飼料包裝袋套袋機介紹

2.1 飼料包裝袋及開袋裝置介紹

現(xiàn)在工業(yè)上飼料的包裝大都采用覆膜包裝袋（見圖1），但由于一些飼料產(chǎn)品對包裝密封性要求高，通常會采用較高檔的雙層包裝袋（見圖2），這種雙層包裝袋包括外部的編織袋（以下稱外袋）以及其內(nèi)部套的一層塑料薄膜袋（以下稱內(nèi)袋）。

圖1 覆膜包裝袋

圖2 雙層包裝袋

雙層包裝袋在使用前需要套在一起，即將內(nèi)袋套入外袋中，目前雙層包裝袋套袋動作由人工完成，勞動強度大，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，現(xiàn)研發(fā)出適用于雙層袋的飼料包裝袋套袋機（見圖3）來代替人工，其生產(chǎn)流程如圖4所示，箭頭方向代表生產(chǎn)工藝流程走向。

其中，要完成套袋動作，先必須將外袋打開，再將內(nèi)袋套進去，所以外袋開袋裝置是將內(nèi)袋套入外袋不可缺少的部分，其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖3 飼料包裝袋套袋機

圖4 飼料包裝袋套袋機生產(chǎn)流程

各關(guān)鍵部套按如圖6(a)～6(c)的順序執(zhí)行套袋動作。過程如下：上吸盤下降吸氣將外袋吸住、上升、打開外袋，見圖6(a)；拉內(nèi)袋機械手伸出，夾住內(nèi)袋，見圖6(b)；拉內(nèi)袋機械手收回，將內(nèi)袋套入外袋中，見圖6(c)。

2.2 問題描述

圖5中的開袋上吸盤包含左側(cè)開袋上吸盤、中間開袋上吸盤、右側(cè)開袋上吸盤，這三個開袋上吸盤初始狀態(tài)是等高的且同時動作，其工作流程如圖7所示。

在實驗樣機調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)開袋裝置在打開外袋后，由于外帶長度在800～1 000 mm之間，長度較長，加上編織袋很軟，所以上表面形成不平整弧面，外袋左、中吸盤以及中、右吸盤之間部分會下墜，如圖8所示。

圖5 外袋開袋裝置

圖6 套袋工位各關(guān)鍵部套的工作示意圖

圖7 開袋上吸盤工作流程圖

圖8 外袋下墜部分示意圖

當出現(xiàn)開袋上吸盤中間的外袋下墜較嚴重時會導致拉內(nèi)袋機械手在伸出過程中戳到外袋，將外袋戳掉，不能實現(xiàn)套袋，在這之后的工序都無法實現(xiàn)正常進行。

綜合上述分析，問題可描述為：打開的外袋上表面下墜。

3 問題分析

3.1 系統(tǒng)功能組件分析

組件列表可以回答系統(tǒng)是由哪些組件組成，包括系統(tǒng)作用對象、技術(shù)系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件，以及和系統(tǒng)組件發(fā)生相互作用的超系統(tǒng)組件。超系統(tǒng)組件有：機架、進內(nèi)袋裝置、拉內(nèi)袋機械手、內(nèi)袋；系統(tǒng)組件有：上吸盤托架、下吸盤托架、升降裝置、左側(cè)開袋上吸盤、中間開袋上吸盤、右側(cè)開袋上吸盤、右側(cè)開袋下吸盤、左側(cè)開袋下吸盤；作用對象為：外袋。功能分析如圖9所示。

3.2 因果鏈分析

通過對問題進行因果分析可以幫助梳理邏輯關(guān)系，找到解決問題的更多突破口。針對問題描述，對當前系統(tǒng)進行因果分析，得圖10的因果鏈分析圖。

4 提出解決問題方案模型

圖9 功能組件分析

圖10 因果鏈分析

對上述因果分析結(jié)果進行探討和實驗研究。針對功能組件分析，系統(tǒng)本身存在不足的作用；由于現(xiàn)實驗樣機上所確定的吸盤吸力作用點是通過實驗確定的，故01號原因不是關(guān)鍵缺點；針對02號原因進行實驗，測得外袋開袋后，吸盤的真空度值保持在-18.7 kPa，并無漏氣情況；06號和07號原因所描述的內(nèi)容是外袋自身特性，也不是關(guān)鍵缺點；故以上四項原因不足以提供方案模型。03號和05號原因所描述的內(nèi)容屬于現(xiàn)有工作過程中的某種工作狀態(tài)，可考慮運用TRIZ工具對這兩種工作狀態(tài)做進一步的研究；04號原因是吸盤吸力方向所決定的，亦可作進一步討論。

4.1 物場模型解決問題

針對功能組件分析和對03號原因進行分析，都可理解為開袋上吸盤對外袋的作用不足，從而導致外袋的上表面開袋效果不好，才呈現(xiàn)如圖8所示的開袋情況。那么對開袋上吸盤、外袋、真空氣構(gòu)建物場模型進行分析。功能載體：開袋吸盤；功能作用體：外袋；功能：真空場。用物場模型來描述該問題模型，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)物場模型

這是一個效應(yīng)不足的物場模型，對這種物場模型，TRIZ理論中的標準解法第二級(S2級)中提供了多種解法。在此采用S2.4.9構(gòu)造場方法（如圖12），增加另一個場F2來強化有用的效應(yīng)[5]。為了找到能夠利用的場F2，采用資源分析來尋找可以利用的資源。系統(tǒng)中能夠提供的資源種類有四類，分別是時間資源：開袋裝置打開外袋后到拉內(nèi)袋機械手伸出前的這段時間T；空間資源：開袋裝置各吸盤之間的空間，以及被打開外袋中間的環(huán)形空間；能量/場資源：機械場、壓縮空氣流、外袋的重力場；功能資源：整機機架、拉內(nèi)袋機械手、內(nèi)袋、開袋裝置、外袋。

圖12 物場模型的第二種解法示意圖

經(jīng)空間資源分析得出開袋裝置各吸盤之間的空間，以及被打開的袋子中間的環(huán)形空間可利用。提出可解決問題的方案一：在開袋上吸盤之間另增加兩個吸盤，減小外袋上表面的下墜程度，這樣能有效改善外袋的開袋效果，有利于拉內(nèi)袋機械手順利穿過外袋，且不會將外袋戳掉。

分析04號（吸盤吸力是豎直向上的）原因，目前吸盤對外袋產(chǎn)生的吸力是豎直向上的。當外袋產(chǎn)生下墜時，根據(jù)靜力學的知識可知，在吸盤與外袋接觸的位置，外袋表面張力對吸盤產(chǎn)生的拉力應(yīng)當是斜向下的，然而此處吸盤產(chǎn)生的吸力是豎直向上的，吸盤產(chǎn)生向上的吸力不足以抵消外袋產(chǎn)生斜向下的作用力，這也是一個效應(yīng)不足的物場模型。按照方案一的解題思路，提出可解決問題的方案二：將吸盤做改進，增加一種機械場來加強吸盤原有的真空氣的作用效應(yīng)，在吸盤的工作面上加若干根成45°傾斜布置的鋼針，當吸盤接觸編織袋時，鋼針成角度的刺入外袋，給外袋提供一個45°斜向上的拉力，用以抵消外袋產(chǎn)生的斜向下的作用力，吸盤模型優(yōu)化前后對比見圖13。

4.2 技術(shù)矛盾解決問題

分析05號（吸盤的開袋高度低了）原因。對開袋裝置而言，由于外袋口周長是定值，如果抬高它的袋口開袋高度，固會減小吸盤的長度，這樣一來會影響開袋效果，這兩個參數(shù)是相矛盾的。解決矛盾的重要途徑就是利用阿奇舒勒矛盾矩陣。綜上，對兩方面的參數(shù)進行分析總結(jié)如下：

需要改善的方面——提高開袋上吸盤的開袋高度，改變外袋打開后的袋口形狀；

造成惡化的方面——減小了吸盤長度，開袋困難。

定義矛盾：

需要改善的參數(shù)——12#形狀；

造成惡化的參數(shù)——3#運動物體的長度。

圖13 吸盤模型優(yōu)化前后對比

查閱阿奇舒勒矛盾矩陣表得到這對矛盾對應(yīng)的發(fā)明原理是29#氣壓與液壓結(jié)構(gòu)、34#拋棄與再生、5#組合、4#非對稱這四個。采用4#非對稱發(fā)明原理，其內(nèi)容包括兩種含義：第一種含義，物體的對稱形式轉(zhuǎn)為不對稱形式；第二種含義，如果物體不是對稱的，則加強它的不對稱程度。由4#非對稱性提出解決問題模型方案三：開袋裝置的結(jié)構(gòu)形式是對稱結(jié)構(gòu)，將其對稱結(jié)構(gòu)非對稱化。對開袋結(jié)構(gòu)形式做調(diào)整，如圖14所示。圖14中所述開袋上吸盤中的三個吸盤不等高（有高度差△h）且不同步動作，工作流程圖如圖15所示。

圖14 方案三的模型

圖15 方案三的模型的工作流程

4.3 方案選擇

三個方案理論上都可以將問題得到解決，但是方案一的制作成本、結(jié)構(gòu)復雜性以及整機重量均會提高，方案二需要重新設(shè)計零部件以及plc設(shè)計程序上改動較大，所以前兩個方案只作為備選的參考方案。我們在現(xiàn)場調(diào)試過程中采用的第三種方案，并做了數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)方案三可以完全解決這一問題，不會出現(xiàn)拉內(nèi)袋機械手戳掉外袋這種情況。

5 結(jié)語

①通過對飼料包裝袋套袋機開袋裝置進行問題描述、分析，將工程實際問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，運用TRIZ理論方法和工具提出解決實際問題的方案模型，并對方案模型進行分析選擇，將最合適的方案實施在實物樣機中，解決了問題，達到了理想效果。

②將TRIZ理論創(chuàng)新方法首次應(yīng)用在飼料包裝袋套袋機上，為后續(xù)對飼料包裝袋套袋機的優(yōu)化工作提供了導向。