基于TRIZ的餐具自動包裝整理機(jī)分析與設(shè)計(jì)

尚 欣 陳 亞 謝新義 伍淵遠(yuǎn) 張呈彬

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750001)

餐具包括杯子、碗、碟子及勺子等，酒店、食堂等公共用餐場合是使用餐具較多且重復(fù)利用最頻繁的地方，致病菌極易通過餐具傳播[1]。因此餐具的清洗消毒和自動包裝是餐飲業(yè)防止病菌傳播的有效方式，為此，中國推行了餐具集中消毒政策以保證餐飲業(yè)的衛(wèi)生，一般使用餐具清洗消毒設(shè)備和通用包裝機(jī)的方式對餐具進(jìn)行清洗消毒。因清洗設(shè)備與包裝設(shè)備不配套，在包裝前需大量人力進(jìn)行整理，不僅效率低，不能充分發(fā)揮清洗設(shè)備和包裝設(shè)備的潛力，還存在已消毒過的餐具再次污染的情況。對整理設(shè)備的研究，目前主要集中在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如黃銀華等[2]設(shè)計(jì)了一種管棒料包裝自動上下料裝置；趙仕奇等[3]設(shè)計(jì)了用于衛(wèi)生香包裝的上料裝置；張凱等[4]研究了棉麻纖維液氨改性成套設(shè)備上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)；陳文平[5]對一種板片料整理裝置的軌道進(jìn)行了設(shè)計(jì)；Okabe等[6-9]在基于傳感器的智能振動傳輸方面也進(jìn)行了大量研究，而且還嘗試了在振動傳輸裝置上加壓縮空氣噴嘴代替工業(yè)機(jī)械臂完成工件剔出動作的研究。Gunther等[10]根據(jù)操作性能優(yōu)化設(shè)計(jì)了模塊化給料裝置；趙建城等[11]對全自動灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。目前餐具包裝中一般采用專用清洗機(jī)清洗，然后人工整理再利用通用包裝機(jī)進(jìn)行包裝。另由于餐具的種類較多，尺寸復(fù)雜，整理過程中需要考慮清洗設(shè)備的效率與通用包裝機(jī)效率相匹配。因此，解決餐具包裝前理料中存在的問題是設(shè)計(jì)餐具包裝整理機(jī)的關(guān)鍵，為此，采用TRIZ[12-14]理論，通過分析其理想性解和功能分析，獲得存在的矛盾，然后利用矛盾沖突解決方法來實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，根據(jù)效率匹配，擬設(shè)計(jì)一種3路整理理料裝置用于與清洗設(shè)備和通用設(shè)備形成餐具清洗消毒自動包裝線。

1 TRIZ分析

1.1 需求和功能分析

經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用清洗機(jī)和通用包裝機(jī)械的餐具清洗消毒包裝線，存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，可能致餐具細(xì)菌含量超標(biāo)，存在公共衛(wèi)生隱患。采用自動清洗包裝設(shè)備可解決上述矛盾。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14-16]和實(shí)地調(diào)研，餐具的處理工藝流程為，將餐具上料到清洗消毒設(shè)備，清洗去除餐具上的食物殘?jiān)陀蜐n，后消毒，根據(jù)采用的消毒類型，決定后續(xù)是否再清洗，然后烘干，人工檢查和整理，輸送到包裝機(jī)進(jìn)行包裝，裝箱。常見的消毒方法有臭氧+紫外+中溫三重消毒、蒸汽式消毒、電子高溫消毒、煮沸、化學(xué)消毒法，如何對已消毒處理后不同規(guī)格的餐具進(jìn)行整理，使其適應(yīng)后續(xù)包裝機(jī)的包裝要求，需要設(shè)計(jì)一款能夠滿足且適應(yīng)這些餐具形狀、尺寸變化及自動整理的餐具整理機(jī)，效率能夠與清洗消毒和包裝機(jī)相匹配等功能要求。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，具體餐具整理機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足一臺清洗消毒設(shè)備所清洗的數(shù)量為2 000～4 000只/h，經(jīng)過整理機(jī)進(jìn)行整理分三路傳輸?shù)?個包裝機(jī)設(shè)備上從而完成集清洗、整理與包裝整個工序。該整理機(jī)按照平均2 000只/h計(jì)算則每路傳輸數(shù)量為667只/h，根據(jù)需求，結(jié)合TRIZ理論確定設(shè)計(jì)方案。

1.2 基于TRIZ的創(chuàng)新方案總體設(shè)計(jì)

針對餐具具有形狀不規(guī)則、容易破碎(瓷器)、易與整理機(jī)發(fā)生摩擦、整理的效率低的特性，基于TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新性方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種具有可調(diào)裝置的“三路”自動包裝整理機(jī)。由于餐具種類形狀不規(guī)則，根據(jù)TRIZ理論技術(shù)矛盾則需要設(shè)計(jì)多種適合餐具形狀的整理機(jī)，機(jī)器雖滿足了整理要求，卻大大增加了制造成本。另外根據(jù)功能分析，獲得設(shè)計(jì)中的矛盾有：尺寸變化、形狀變化與效率、適應(yīng)性及多用性、自動化程度之間的矛盾，查閱TRIZ矛盾解決矩陣[17]可以得到這些矛盾的原理解，尺寸變化為編號3，形狀變化為編號12，餐具包裝整理機(jī)需要的適應(yīng)性和多樣性編號為35，自動化編號為38，效率為39，則3、12所在的行與35、38、39所在列的交點(diǎn)中數(shù)字，就代表解決這些矛盾的原理解。各矛盾可用的原理解見表1。

表1 餐具整理機(jī)技術(shù)矛盾原理解

查閱TRIZ理論可知，在餐具與餐具整理機(jī)之間存在一種物質(zhì)——場模型。如圖1所示為分析餐具整理的理想化模型。為適應(yīng)各種不同的尺寸需要有高度和寬度方向上的限位裝置，二者直接對餐具作用達(dá)到整理不同形狀餐具的要求，并在機(jī)械場作用下完成自動輸送。根據(jù)TRIZ理論還可知，這些原理解及其提示詞分別為分割，把物體分割成相互獨(dú)立的，或容易組裝和拆卸的部分。因此根據(jù)發(fā)明原理、分離原理，將餐具的理料分解為不同種類，將理料和輸送分離，在清洗時(shí)預(yù)先將餐具分類清洗，使每次包裝都是對同一類；根據(jù)TRIZ理論提示詞：為實(shí)現(xiàn)預(yù)操作功能由直線、平面向曲線或曲面轉(zhuǎn)變以提高效率，然后將餐具三維方向的尺寸利用曲面化原理分解成寬和高兩個方向進(jìn)行調(diào)節(jié)；為滿足動態(tài)化要求將不動的物體變成移動的，或者將物體分成相互移動的幾部分，根據(jù)餐具清洗和理料要求，將餐具理料工藝動態(tài)化，在輸送中隨時(shí)間理料；同時(shí)可通過維數(shù)變化改變運(yùn)動維數(shù)、利用中介物、復(fù)制品替代物、機(jī)械系統(tǒng)的替代，將理料裝置的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化為二維，以適應(yīng)餐具尺寸的變化；對非對稱結(jié)構(gòu)部分通過改變對稱性或增加不對稱性，來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)功能，為了實(shí)現(xiàn)多路理料，利用理料件實(shí)現(xiàn)動態(tài)理料，并將理料件和導(dǎo)向件復(fù)制對分實(shí)現(xiàn)多路理料。在確定了整體方案和各部分方案后，進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

F. 機(jī)械場 S1. 寬度限位 S2. 餐具 S3. 高度限位

2 餐具包裝整理機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在求解過程中，應(yīng)該對每一條相應(yīng)的原理作解決技術(shù)矛盾方案的嘗試。根據(jù)嘗試分析的結(jié)果，結(jié)合實(shí)際工程的要求，擬定方案：餐具整理機(jī)包括整理系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)。整理系統(tǒng)安裝于輸送系統(tǒng)上，輸送系統(tǒng)包括安裝架、電機(jī)和輸送帶，安裝架包括底座、安裝于底座上的支撐架、安裝于支撐架上的第一橫梁、安裝支撐架和第一橫梁上的托輥，電機(jī)安裝于底座上，輸送帶安裝于托輥上，具體組成見圖2～7。

輸送系統(tǒng)如圖8所示，安裝架、輸送帶、第一橫梁、托輥、輸送系統(tǒng)是整理機(jī)能夠正常工作的重要組成部分，根據(jù)上述方案的擬定、設(shè)計(jì)所要達(dá)到的工作要求等設(shè)計(jì)出所要達(dá)到的帶式輸送機(jī)，由于整理機(jī)工作過程相對單一、簡單，采取工程上較為保守的計(jì)算方法，故在此滿足工作條件、輸送整理要求采用簡化的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。其驅(qū)動功率按式(1)[18]計(jì)算。

10. 輸送系統(tǒng) 11. 安裝架 12. 電機(jī) 13. 輸送帶 14. 底座 15. 支撐架 16. 第一橫梁 17. 托輥 20. 整理系統(tǒng)

211. 縱梁 212. 橫梁 221. 高度限位組件 222. 寬度限位組件 231. 連接銷 232. 理料件 233. 主體部 234. 凸起部

圖3 整理系統(tǒng)爆炸圖

Figure 3 Exploded diagram of feeder

223. 限位件 224. 連接件 225. 第二橫梁 226. 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 2261. 可調(diào)座

2262. 高度調(diào)節(jié)螺栓 2263. 第一手輪 2264. 高度調(diào)節(jié)座 2265. 高度調(diào)節(jié)螺母

228. 第二固定架 2271. 第一連接臂 2272. 第二連接臂 2273. 連接部

圖6 寬度限位組件組裝圖

Figure 6 Assembly diagram of width limit

2274. 轉(zhuǎn)臂 2275. 凹部 2276. 固定孔

11. 安裝架 13. 輸送帶 16. 第一橫梁 17. 托輥

(1)

式中：

P——所需的驅(qū)動功率，kW；

P1——空載所需驅(qū)動功率，kW；

P2——水平運(yùn)輸物料所需驅(qū)動功率，kW；

P3——提升物料所需驅(qū)動功率，kW；

f——托輥的轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)；

W——除物料外運(yùn)動部分的質(zhì)量，kg/m；

v——帶速，m/min；

L——輸送機(jī)的長度，m；

l0——中心距修正值，m；

H——提升高度(上升或下降的垂直高度)，m；

Qt——輸送量，t/h。

托輥的轉(zhuǎn)動摩擦系統(tǒng)f和中心距修正值可查手冊，經(jīng)計(jì)算得帶式輸送機(jī)驅(qū)動功率為3 kW。

餐具整理機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

餐具整理系統(tǒng)組裝如圖9所示，第一固定架安裝于安裝架上，分料裝置安裝于第一固定架的后端，整理裝置安裝于第一固定架的前端和中間，整理裝置一端與分料裝置連接，調(diào)節(jié)裝置安裝于第一固定架的中間位置，調(diào)節(jié)裝置與整理裝置連接；第一固定架包括縱梁和橫梁，縱梁設(shè)置于安裝架的上端，橫梁設(shè)置于縱梁上端，橫梁上設(shè)置通孔。

分料裝置包括限位機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，限位機(jī)構(gòu)包括高度限位組件和寬度限位組件，高度限位組件包括限位件、連接件和第二橫梁，連接件設(shè)置于限位件上，連接件上設(shè)置第二橫梁，第二橫梁的中間位置設(shè)置通孔，寬度限位組件包括導(dǎo)件和安裝導(dǎo)件的第二固定架，導(dǎo)件為一“凹”狀，導(dǎo)件的一端安裝于第二固定架上，另一端與整理裝置組裝，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括可調(diào)座、高度調(diào)節(jié)螺栓、第一手輪、高度調(diào)節(jié)座和高度調(diào)節(jié)螺母，可調(diào)座組裝于第二橫梁的通孔中，高度調(diào)節(jié)螺母安裝于高度調(diào)節(jié)座中，高度調(diào)節(jié)螺栓貫穿高度調(diào)節(jié)螺母中，一端組裝于可調(diào)座中，另一端與第一手輪組裝。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

21. 第一固定架 22. 分料裝置 23. 整理裝置 24. 調(diào)節(jié)裝置

整理裝置包括連接銷和理料件，理料件設(shè)置主體部和凸起部，凸起部設(shè)置于主體部的上端，凸起部設(shè)置通孔，連接銷穿過凸起部的通孔后組裝于第一固定架上；調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)節(jié)螺栓、帶座軸承、調(diào)節(jié)螺母和第二手輪，帶座軸承安裝于第二橫梁的通孔中，調(diào)節(jié)螺母安裝于理料件凸起部的通孔中，調(diào)節(jié)螺栓貫穿帶座軸承、凸起部的通孔和調(diào)節(jié)螺母，第二手輪安裝于調(diào)節(jié)螺栓的一端上。

上述限位件包括第一限位件和第二限位件，第一限位件和第二限位件的形狀為一“凸”字狀，上述連接件為長方體狀，連接件設(shè)置于第一限位件和第二限位件上；上述第二橫梁設(shè)置于連接件上。上述導(dǎo)件包括第一連接臂、第二連接臂和連接第一連接臂與第二連接臂的連接部，高度限位組件安裝于第一連接臂、第二連接臂與連接部圍成的“凹”形狀內(nèi)部，第一連接臂端沿著與第一連接臂垂直的方向朝外延伸形成轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂設(shè)置通孔，第一連接臂與連接部連接的位置處設(shè)置圓倒角，第二連接臂頂端設(shè)置凹部，第二連接臂頂端設(shè)置固定孔。上述理料件的主體還設(shè)置與導(dǎo)件連接的銜接部，銜接部端設(shè)置通孔，銜接部與第二連接臂的凹部通過銷軸連接，凸起部包括第一凸起部、第二凸起部和第三凸起部，分別于各凸起部頂端處設(shè)置通孔，上述第一凸起部和第三凸起部的通孔與連接銷配合組裝，兩個理料件為一組，理料件的第二凸起部的通孔安裝調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)螺母。

實(shí)際工作時(shí)需要調(diào)整2個理料件之間的寬度，作用于第二手輪而轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓作用于調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母帶動理料件移動，理料件的銜接部帶動導(dǎo)件的第二連接臂移動，從而調(diào)節(jié)一組理料件的2個理料件之間的距離及導(dǎo)件與導(dǎo)件之間的距離。

3 結(jié)論

本研究在符合效率能夠與清洗消毒和包裝機(jī)相匹配等功能要求的工序前提下，著重對整理裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，可以減少使用人員數(shù)量，防止二次污染，同時(shí)提高了作業(yè)效率，具有較好的使用價(jià)值。

通過前人對輸送整理的工業(yè)相關(guān)研究，本試驗(yàn)針對餐具整理機(jī)的輸送系統(tǒng)、分料裝置和整理裝置對清洗消毒后的餐具實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，降低人工成本可達(dá)40%～55%，同時(shí)設(shè)備通過調(diào)節(jié)裝置滿足整理要求，對分料裝置的高度限位組件和寬度限位組件調(diào)節(jié)，使得餐具整理機(jī)可以對高度和口徑不同餐具經(jīng)過調(diào)節(jié)后達(dá)到自動整理的目的，相較于其他設(shè)備具有更好的適應(yīng)性，且可以與通用包裝機(jī)匹配連接，故而經(jīng)濟(jì)性也較好。本研究尚未涉及到整理裝置進(jìn)行控制系統(tǒng)方向研究，這是未來研究努力的方向也是自動化程度的一個重要衡量指標(biāo)。