基于知識(shí)鏈衍變的成品洗衣片包裝預(yù)準(zhǔn)備設(shè)備創(chuàng)新研究

趙盛林

（廣西科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，廣西 南寧530022）

0 引言

目前在洗衣片生產(chǎn)領(lǐng)域基本上是采用各洗衣片單元連成一條的大批量生產(chǎn)模式，包裝之前需要進(jìn)行定長(zhǎng)裁斷，而當(dāng)前大多數(shù)企業(yè)仍然采用人工切斷的方法，即使利用了手持式切斷裝置，但跟自動(dòng)化設(shè)備相比其生產(chǎn)效率仍然非常不樂觀，除此之外也難保證切斷長(zhǎng)度一致?，F(xiàn)有的洗衣片卷繞裝置存在切斷時(shí)不能整齊的將制品切斷，卷繞長(zhǎng)度調(diào)節(jié)不方便，工人勞動(dòng)強(qiáng)度過大、自動(dòng)化程度不足等缺陷，而且能耗高，浪費(fèi)能源，使用成本高。

為了解決上述問題，結(jié)合現(xiàn)有知識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行創(chuàng)新求解，設(shè)計(jì)出一種能夠用于成品洗衣片定長(zhǎng)切割卷繞成捆的機(jī)構(gòu)成為了重中之重。通過圍繞知識(shí)創(chuàng)新的閉環(huán)結(jié)構(gòu)建立用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的知識(shí)鏈衍變模型，對(duì)于洗衣片成品生產(chǎn)過程存在的問題和生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)需求，并利用知識(shí)鏈衍變模型進(jìn)行拆分求解子項(xiàng)解決方案。利用組合法得到成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準(zhǔn)備生產(chǎn)的機(jī)械裝置，用于解決洗衣片生產(chǎn)現(xiàn)況存在的諸多問題。

1 知識(shí)鏈與專利信息分析方法

1.1 知識(shí)鏈結(jié)構(gòu)及運(yùn)用方法

當(dāng)今，知識(shí)信息得到了充足的發(fā)展，大量的知識(shí)儲(chǔ)備對(duì)于知識(shí)創(chuàng)新尤其是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了質(zhì)的改變，而面對(duì)海量的知識(shí)，對(duì)于其進(jìn)行有效地分析和利用成為了重中之重。

2001年，Holsapple.C.W學(xué)者研究并定義了知識(shí)鏈模型，如圖1所示[1]。

圖1 知識(shí)鏈原始模型

1.2 專利信息分析方法

專利信息分析，即對(duì)專利文件所披露的大量的離散的知識(shí)信息進(jìn)行分析、增減、整合，從中利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方面的方法和手段使這些知識(shí)的共態(tài)和異態(tài)得到把握和歸納，最終轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新力的體現(xiàn)以及對(duì)于實(shí)體的技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等過程決策提供參考。專利信息分析方法分為定量分析與定性分析，一個(gè)是通過分析量的效應(yīng)，一個(gè)是通過內(nèi)容“質(zhì)”的研究來反映技術(shù)的特征與發(fā)展應(yīng)用。二者相輔相成，既有區(qū)別，又有統(tǒng)一。

2 知識(shí)鏈衍變創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式

對(duì)原始知識(shí)鏈結(jié)構(gòu)提煉出主要運(yùn)行機(jī)制，即知識(shí)獲得-知識(shí)選擇-知識(shí)生成-知識(shí)內(nèi)化-知識(shí)外化的基本過程，參考宋迪等關(guān)注于研究知識(shí)創(chuàng)新的二次知識(shí)鏈模型的啟發(fā)，結(jié)合專利信息技術(shù)方法的定性分析，建立一種知識(shí)鏈衍生結(jié)構(gòu)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，如圖 2 所示[2]。

圖2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)知識(shí)鏈衍變結(jié)構(gòu)

3 洗衣片包裝預(yù)準(zhǔn)備機(jī)構(gòu)創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 問題分析

洗衣片作為新一代洗滌快消用品，其特點(diǎn)在于洗滌效果顯著、環(huán)保性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，成品如圖3（1）所示，洗衣片本身屬于高濃縮固體形態(tài)，質(zhì)感較軟，表面具有少許粘性，容易切割。它的生產(chǎn)過程可以概括為預(yù)混-靜置-打料-制片-切片-包裝，其中預(yù)混-靜置-打料可以歸結(jié)為原料預(yù)加工，而制片-切片-包裝為洗衣片產(chǎn)成品的生產(chǎn)過程，如圖3（2）所示為洗衣片的制片設(shè)備。

圖3 洗衣片樣例圖

而在制片完成后要進(jìn)行切輥，即對(duì)成輥的洗衣片進(jìn)行等寬徑向切割成若干個(gè)洗衣片輥，然后進(jìn)行定長(zhǎng)切片作業(yè)，即對(duì)在料盤上的洗衣片按合適的長(zhǎng)度進(jìn)行切斷處理，以便其能夠直接用于各種各樣的打包機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)紡織的半自動(dòng)化或者全自動(dòng)化生產(chǎn)。如圖4所示。在生產(chǎn)后，投入包裝的過程前，將洗衣片按指定的合適長(zhǎng)度卷繞成捆，然后捆扎再繼續(xù)打包出售。

圖4 洗衣片產(chǎn)成品生產(chǎn)過程

目前洗衣片生產(chǎn)領(lǐng)域基本上是大批量生產(chǎn)，各洗衣片單元連成一條，打包出場(chǎng)之前的定長(zhǎng)切片作業(yè)大多數(shù)都采用人工切斷的方法，即操作工利用靈活的手持式切斷裝置，對(duì)洗衣片進(jìn)行定長(zhǎng)切割，切割后再進(jìn)行手工纏繞成捆，這種方式仍然屬于半自動(dòng)化甚至是無(wú)自動(dòng)化水平，其生產(chǎn)效率非常低下，而且也難保證切斷長(zhǎng)度一致和成捆后產(chǎn)品外形的統(tǒng)一性。

因此，市面上出現(xiàn)了一批專門用來解決洗衣片定長(zhǎng)切割問題的自動(dòng)化半自動(dòng)設(shè)備，這類設(shè)備大致分為兩種：一種是只解決定長(zhǎng)切割問題，而對(duì)切割后的洗衣片不進(jìn)行特制的卷繞作業(yè)，因此各洗衣片雖然長(zhǎng)度和寬度均能夠保持一致但是成捆的作業(yè)仍然需要人工或者轉(zhuǎn)入下道工序，操作不快捷方便；另一種是具有卷繞功能，能夠幫助定長(zhǎng)切割后洗衣片成捆的設(shè)備，該設(shè)備對(duì)于定長(zhǎng)切割后的洗衣片進(jìn)行卷繞處理，使得洗衣片精準(zhǔn)成捆，但是目前這類設(shè)備的卷繞原理是對(duì)每一個(gè)洗衣片單元之間設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的預(yù)緊裝置，而該預(yù)緊裝置懸掛在半空中，但是零部件較小，日常生產(chǎn)過程中，這些預(yù)緊裝置不容易被發(fā)現(xiàn)，操作人員在檢查發(fā)現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，手工調(diào)整松緊不方便，容易收到設(shè)備傷害，并且需要單獨(dú)調(diào)整，效率過低。

故由上述可以得到解決問題的關(guān)鍵所在：（1）洗衣片切片作業(yè)的定長(zhǎng)切割精準(zhǔn)度；（2）洗衣片卷繞成捆應(yīng)該具備整齊高效；（3）設(shè)備可操作性需要優(yōu)良、應(yīng)具備高可用性和易維修性。

3.2 知識(shí)收集和子項(xiàng)需求求解

針對(duì)技術(shù)問題應(yīng)用知識(shí)鏈衍變創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式理論方法進(jìn)行求解，先對(duì)關(guān)鍵問題進(jìn)行細(xì)化拆解處理，然后利用專利信息分析方法分析從現(xiàn)有的知識(shí)庫(kù)中獲取到的知識(shí)，篩選出對(duì)求解問題更有力的知識(shí)素材，通過類比設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法對(duì)知識(shí)進(jìn)行處理，得到技術(shù)問題解決方案，最終通過組合法完成整體設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。

（1）定長(zhǎng)切斷裝置

常見的定長(zhǎng)切斷裝置采用間歇輸送裝置并配合切割裝置，由此可以進(jìn)一步拆分為對(duì)輸送裝置、間歇裝置、切割裝置進(jìn)行求解。

由知識(shí)獲取和專利信息分析技術(shù)得到，輸送裝置具有多種多樣，可以分為連續(xù)輸送式、接力輸送式、牽引輸送式、擠壓輸送式、組合式等，如表1所示。

表1 輸送裝置概括

連續(xù)輸送式，即是輸送過程中輸送單元相對(duì)于物料不發(fā)生相對(duì)位移，例如軌道小車、皮帶輸送機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔偷取?/p>

接力輸送式，與連續(xù)輸送相反，輸送過程中輸送單元相對(duì)于物料發(fā)生相對(duì)位移，多個(gè)輸送單元接替完成物料輸送，例如滾筒輸送、滾珠網(wǎng)帶鏈等。

牽引輸送式，不僅僅依靠物料自身重力來為物料輸送過程提供摩擦力，而是額外增加外力保證物料的輸送，例如摩擦輪牽引。

擠壓輸送式，通過擠壓力為物料提供輸送力，常用于流體輸送，例如齒輪式擠壓、柱塞式擠壓。

組合式，針對(duì)輸送物料的特征，選中多種基本輸送方式組合輸送。

考慮到洗衣片的材質(zhì)特性，選用接力輸送式滾筒輸送輸送裝置較為合適，能夠有效輸送洗衣片而又可以避免洗衣片對(duì)輸送裝置的粘連，確保后道工序有效開展。

間歇裝置可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)或者電器元件實(shí)現(xiàn)，常見的間歇機(jī)構(gòu)有棘輪、槽輪、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等，也可以通過變形實(shí)現(xiàn)間歇要求，通過電器元件控制機(jī)械裝置間歇工作有利于安裝設(shè)計(jì)和維修，具有更強(qiáng)的應(yīng)用性。

通過不同的刀具設(shè)置組合關(guān)系可以分為單刀固定式、單刀活動(dòng)式、多刀聯(lián)排式，單刀固定式為刀具安裝在固定工位，通過物料定長(zhǎng)移動(dòng)，控制定長(zhǎng)切割，每次切割作業(yè)只單次切割，獲得單個(gè)制品；單刀活動(dòng)式為刀具安裝在活動(dòng)滑軌上，通過刀具移動(dòng)對(duì)每批物料進(jìn)行定長(zhǎng)切割，每次切割作業(yè)分為移動(dòng)和多次切割，獲得多個(gè)制品；多刀聯(lián)排式同樣是對(duì)每批物料切割獲得多個(gè)制品，相比于單刀活動(dòng)式只需要單次切割即可，如圖5所示。

圖5 刀具設(shè)置結(jié)構(gòu)

（2）卷繞成捆裝置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣片進(jìn)行整齊卷繞的功能需求，對(duì)該需求進(jìn)行求解分析，卷繞動(dòng)作與切割動(dòng)作的先后關(guān)系，決定了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方向，如果卷繞動(dòng)作位于切割動(dòng)作之后，則需要對(duì)于切割后洗衣片的一端或者多端提供輔助力，幫助喂料卷繞，而卷繞動(dòng)作位于切割動(dòng)作之前，完全可以借助于輸送裝置對(duì)于洗衣片的輸送運(yùn)動(dòng)進(jìn)行喂料，故卷繞動(dòng)作適宜于在切割動(dòng)作前開展，因此切斷裝置選用單刀固定式較為合適。參考常見卷繞裝置案例，可將卷繞功能需求進(jìn)行動(dòng)作拆分，一般性的卷繞動(dòng)作路徑為：獲取物料-卷繞-輸送物料-釋放物料-返程。

由此可將該功能需求拆解為對(duì)獲取裝置、卷繞裝置、輸送裝置求解。

獲取裝置可以分為夾取式、承托式、吸盤式，根據(jù)洗衣片材質(zhì)較軟特點(diǎn)，夾取式和吸盤式容易破壞洗衣片外觀性狀，對(duì)產(chǎn)品造成破壞，而承托式夾手本身對(duì)于洗衣片不施加多余力，故選用承托式的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)為伸縮式夾手，以便能夠通過氣缸直線運(yùn)動(dòng)獲取到洗衣片，隨后可以選用電器元件控制獲取裝置旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣片的卷繞動(dòng)作，如圖6所示。

圖6 獲取-卷繞-輸送裝置

考慮到輸送裝置的目的是為了解決洗衣片從卷繞切斷位置搬運(yùn)到碼垛位置，而由于獲取卷繞裝置對(duì)于洗衣片的獲取動(dòng)作在前，輸送裝置輸送的直接對(duì)象實(shí)際上是獲取裝置，應(yīng)保證輸送時(shí)輸送裝置上標(biāo)記點(diǎn)位置相對(duì)于獲取裝置靜止不動(dòng)，根據(jù)各輸送裝置特點(diǎn)，連續(xù)輸送式輸送裝置滿足功能需求，考慮到回程動(dòng)作的便利和節(jié)能，以及結(jié)構(gòu)的緊湊型，在滿足輸送功能和獲取功能要求的情況下，將輸送裝置設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)盤式，如圖6所示。

3.3 成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準(zhǔn)備設(shè)備設(shè)計(jì)

通過對(duì)上述子解決方案進(jìn)行組合式創(chuàng)新，最終得到針對(duì)成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準(zhǔn)備生產(chǎn)的機(jī)械裝置，如圖7所示。

圖7 成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準(zhǔn)備設(shè)備

其工作原理為：工作之前操作人員需要檢查各部件的連接情況以及裝置的狀態(tài)是否穩(wěn)定可靠，以免工作時(shí)產(chǎn)生安全事故，人工將具有成品洗衣片的料盤輥安裝到料盤支座上方，成品洗衣片的自由端經(jīng)由傳送支架后與夾持電磁鐵平齊，伺服電機(jī)經(jīng)由減速器通過同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)位至卷繞爪與成品洗衣片平齊，推板氣缸使卷繞爪位于成品洗衣片的一側(cè)，此時(shí)裝置完成生產(chǎn)準(zhǔn)備工作。

啟動(dòng)后伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)位，推板氣缸活塞桿伸出，成品洗衣片嵌入卷繞爪的夾爪之間，托板托住成品洗衣片下側(cè)，夾持電磁鐵松開成品洗衣片，在夾持氣缸推動(dòng)下滑移塊和夾持電磁鐵運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)極限位置，卷繞電機(jī)工作進(jìn)行卷繞達(dá)到指定圈數(shù)后切斷刃氣缸驅(qū)動(dòng)切斷刀刃向下切斷成品洗衣片，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸再次轉(zhuǎn)位，待轉(zhuǎn)位兩次后工作人員將完成卷繞的成品洗衣片取下即可，同時(shí)將空置的卷繞爪與卷繞電機(jī)的輸出軸連接，主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)位重復(fù)上述工作過程。

本裝置用于洗衣片生產(chǎn)打包分裝階段需要定長(zhǎng)成捆卷繞的生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用部件多為標(biāo)準(zhǔn)件，同時(shí)臥式安裝，操作空間大，適用于自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域，工作的可靠性高。結(jié)構(gòu)布局充分利用了臥式布局的優(yōu)點(diǎn)，成品洗衣片在傳送支架上水平移動(dòng)，只需將卷繞有成品洗衣片的料盤安裝在料盤支座上，隨后做好初始安裝即可進(jìn)行生產(chǎn)，卷繞過程設(shè)備自動(dòng)完成，取料時(shí)需要一名工作人員參與，很大程度上改變了人員密集型參與生產(chǎn)的狀態(tài)。

本裝置可以根據(jù)需要的卷繞長(zhǎng)度設(shè)定卷繞電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，同時(shí)卷繞的速度也可以調(diào)節(jié)，只需將卷繞電機(jī)換成伺服型號(hào)在配合相應(yīng)的控制器即可[4-5]。

4 結(jié)論

（1）通過研究分析知識(shí)鏈模型和專利信息分析方法，進(jìn)而圍繞知識(shí)創(chuàng)新的閉環(huán)結(jié)構(gòu)建立用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的知識(shí)鏈衍變模型，方便用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程。

（2）對(duì)于洗衣片成品生產(chǎn)過程存在的問題和生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)需求，并利用知識(shí)鏈衍變模型進(jìn)行拆分求解子項(xiàng)解決方案。

（3）利用組合法得到成品洗衣片分段卷繞—切斷打包預(yù)準(zhǔn)備生產(chǎn)的設(shè)備，解決了洗衣片生產(chǎn)現(xiàn)況存在的諸多問題，豐富了自動(dòng)化設(shè)備知識(shí)庫(kù)。