基于TRIZ的試卷袋密封簽定制印刷機(jī)構(gòu)設(shè)計

馬 濤， 張朝亮， 王 超*， 李 倩， 郭力銘， 單 光

(1.云南出版印刷集團(tuán)有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650200；2.云南印刷技術(shù)研究有限公司， 云南 昆明 650231； 3.曲靖卷煙廠， 云南 曲靖 655000)

由于試卷的特殊性，對試卷印后加工設(shè)備研究開發(fā)較少。目前，試卷裝袋密封主要以手工分裝試卷、涂膠、密封的方式進(jìn)行。由于參與試卷裝袋密封人員數(shù)量多，為確保試卷保密性，必須組織參與生產(chǎn)人員入闈，待相關(guān)考試結(jié)束并公布成績后，方可取消入闈。長時間的入闈管理不利于人員的管理和身心健康，且人員和設(shè)備閑置也導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。近年， “定制”[5]的生產(chǎn)和銷售理念應(yīng)用越發(fā)廣泛，各行業(yè)都在發(fā)展符合自身產(chǎn)品特點的定制服務(wù)，通過“定制”解決“大生產(chǎn)”和“分眾化”的矛盾沖突[6]。種類多、需求小且規(guī)格不統(tǒng)一的密封簽為試卷印制企業(yè)帶來了較大的生產(chǎn)壓力，傳統(tǒng)拼版印刷再分切的方式不僅需要大量人工，密封簽生產(chǎn)周期還長，一定程度上不利于保持試卷的時效性和保密性。課題組以現(xiàn)有密封簽生產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用TRIZ理論[7]對密封簽印刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能分析，運(yùn)用SolidWorks[8]軟件及Motion插件進(jìn)行三維建模和運(yùn)動學(xué)分析，對印刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

1 密封簽定制印刷要求

各中小型考試場數(shù)較各大型考試多，使得密封簽規(guī)格變化頻繁，且需求量少。目前，密封簽生產(chǎn)主要是依據(jù)密封袋規(guī)格和數(shù)量進(jìn)行批量印制，其過程為：拼版、平張膠印、裁切。傳統(tǒng)工藝雖然可以一次性生產(chǎn)大批量同規(guī)格密封簽，滿足大型國家級或其他考試的試卷密封需求，但其有生產(chǎn)工序冗繁、人工需求大、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差等工藝特性，不適合生產(chǎn)小批量多規(guī)格的密封簽，尤其是采用拼版方式生產(chǎn)的密封簽。

基于此現(xiàn)狀，亟需一種可以進(jìn)行不同規(guī)格小批量密封簽定制印刷的生產(chǎn)設(shè)備，以提高密封簽生產(chǎn)效率和自動化水平，降低用工需求，減少人員接觸。需針對傳統(tǒng)密封簽生產(chǎn)工藝中的印刷和密封環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新研究，在滿足密封簽定制印刷和密封需求的同時簡化印刷機(jī)構(gòu)。

2 基于TRIZ的印刷機(jī)構(gòu)設(shè)計過程

2.1 問題解決流程

采用TRIZ理論解決設(shè)計問題，其基本流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題的基本流程Figure 1 Basic process of problem solving by TRIZ theory

運(yùn)用TRIZ理論解決問題的基本思路是將待解決的問題轉(zhuǎn)化成典型問題，找出問題的主要矛盾，再針對性使用TRIZ工具得出解決特定問題的方案，最后根據(jù)實際情況得到最終解決方案[9]。

2.2 密封簽印刷機(jī)構(gòu)功能研究

2.2.1輥筒功能研究

印刷功能是印刷機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)功能，為了保證定制印刷的靈活性，可采用生產(chǎn)所需規(guī)格的單張密封簽綿紙供料的方式進(jìn)行供料。在定制印刷中，參與密封簽印刷的輥需要具備紙張固定和松脫功能，為保證單張密封簽綿紙能被固定進(jìn)行印刷，從機(jī)械作用形式上分析，夾緊動作較為簡單有效，因此可在紙張一端添加一個機(jī)械力場以固定紙張。該機(jī)械力場可以為機(jī)械鎖緊、氣漲鎖緊、吸附固定等固定方式，其中機(jī)械鎖緊結(jié)構(gòu)操作簡單，鎖緊形式多樣，應(yīng)用較為廣泛；氣漲鎖緊結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多用于卷筒類產(chǎn)品固定；吸附固定結(jié)構(gòu)多用于有一定自重的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移和輸送，適用于常壓狀態(tài)下使用。因此，機(jī)械鎖緊結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更為突出。

要實現(xiàn)單張密封簽綿紙固定和松脫，需要控制密封簽的固定和松脫時間，單一的機(jī)械力場并不具備紙張固定和松脫雙重功能，需采用復(fù)合場實現(xiàn)輥筒固定和松脫紙張的雙重功能。普通場如圖2(a)所示，“物-場模型”完整，但僅靠機(jī)械鎖緊裝置固定紙張難以實現(xiàn)密封簽印刷后松脫，屬于效應(yīng)不足的場。而增強(qiáng)后的固定裝置印刷輥“物-場模型”如圖2(b)所示。圖2中：F1，F(xiàn)2為機(jī)械場；S1為固定裝置；S2為單張密封簽綿紙；S3為凸輪機(jī)構(gòu)。

圖2 印刷輥“物-場模型”分析Figure 2 "Substance-field model" analysis of printing roller

依據(jù)印刷輥“物-場模型”，要實現(xiàn)單張密封簽綿紙印刷的固定和松脫，必須保證印刷過程中紙張固定和松脫可循環(huán)進(jìn)行。為解決實現(xiàn)多功能而帶來的附加問題，在40種發(fā)明原理中進(jìn)行篩選，擬采用6多用性原理、13逆向思維、19周期性動作原理和20有效連續(xù)性原理對印刷輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

結(jié)合膠印各輥工作關(guān)系，選擇壓印輥作為單張密封簽綿紙印刷時的固定輥，壓印輥采用凸輪結(jié)構(gòu)控制叼紙牙開合，在彈簧的作用下使叼牙裝置可以固定和松脫單張密封簽綿紙。壓印叼牙輥筒工作時，凸輪與壓印叼牙輥筒反向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪與壓印叼牙輥筒旋轉(zhuǎn)到固定位置，凸輪頂點頂住滾珠軸承并保持旋轉(zhuǎn)，叼牙打開，綿紙進(jìn)入叼牙口，凸輪轉(zhuǎn)走時，叼牙在彈簧拉力作用下閉合，綿紙跟隨壓印輥筒旋轉(zhuǎn)在橡膠輥壓印下完成印刷，印刷完成后凸輪頂點再次觸動滾珠軸承，叼牙口打開密封簽松脫。壓印叼牙輥筒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 壓印叼牙輥筒示意圖Figure 3 Schematic diagram of imprinting gripper roller

2.2.2密封簽轉(zhuǎn)移功能研究

單張密封簽完成印刷后需要被轉(zhuǎn)移至粘貼工位，準(zhǔn)備密封簽的粘貼。單張密封簽轉(zhuǎn)移可通過推動力或摩擦力形成的力場進(jìn)行輸送。鑒于密封簽綿紙紙張定量低、厚度薄的特點，摩擦力場的作業(yè)方式不適合密封簽輸送。推動力場采用的板齒狀結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)密封簽輸送，但輸送速度過快依然不能很好地實現(xiàn)密封簽平穩(wěn)輸送。同時，推動力或摩擦力多為帶式輸送，需要較大的操作空間，且功能單一，不利于提高密封簽密封效率?？紤]到密封簽轉(zhuǎn)移裝置具備轉(zhuǎn)移和貼封的雙重功能，所以采用輥筒裝置進(jìn)行密封簽轉(zhuǎn)移較為合理，輥筒轉(zhuǎn)移裝置可以與印刷機(jī)構(gòu)一體安裝，輥筒與壓印叼牙輥筒垂直相切，可以實現(xiàn)密封簽轉(zhuǎn)移和貼封，縮短工序流程。

輥筒轉(zhuǎn)移裝置必須有高效、快速的轉(zhuǎn)移和貼封功能。因轉(zhuǎn)移后的密封簽不能夠平整地貼在試卷袋密封處，所以單一的輸送力場不能夠很好地進(jìn)行密封簽轉(zhuǎn)移和貼封。為達(dá)到密封簽快速轉(zhuǎn)移和平整貼封，擬對輥筒添加氣動力場，以復(fù)合場的形式，實現(xiàn)密封簽平整貼封。普通場如圖4(a)所示，“物-場模型”完整，但機(jī)械場的效力不足以滿足密封簽貼封需求，增強(qiáng)后的轉(zhuǎn)移輥“物-場模型”如圖4(b)所示。圖4中：F1為機(jī)械場；P1為氣動場；S1為轉(zhuǎn)移輥；S2為密封簽；S3為氣孔。

圖4 轉(zhuǎn)移輥“物-場模型”分析Figure 4 "Substance-field model" analysis of transfer roller

依據(jù)印刷輥“物-場模型”，要實現(xiàn)單張密封簽綿紙轉(zhuǎn)移，須保證轉(zhuǎn)移輥可以持續(xù)進(jìn)行吸氣和吹氣循環(huán)，因此擬采用多用性原理、逆向思維、周期性動作原理、有效連續(xù)性原理、中介物原理、氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理、多孔材料原理對轉(zhuǎn)移輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

在轉(zhuǎn)移輥表面接觸密封簽處開槽并打孔，安裝氣管并連接氣泵。當(dāng)密封簽印刷結(jié)束，叼牙打開時，轉(zhuǎn)移輥向內(nèi)吸氣，利用壓強(qiáng)差將密封簽吸附在轉(zhuǎn)移輥上。當(dāng)已涂膠的試卷袋傳送到轉(zhuǎn)移輥時，輥內(nèi)充氣，利用氣體壓力將密封簽吹送至試卷袋涂膠粘貼位置，完成密封簽粘貼。轉(zhuǎn)移輥如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)移輥Figure 5 Transfer roller

由于轉(zhuǎn)移輥是將印刷完成的密封簽從壓印叼牙輥筒轉(zhuǎn)移下來為密封簽粘貼做準(zhǔn)備的，其應(yīng)與壓印叼牙輥筒相切，為確保轉(zhuǎn)移和粘貼效果，轉(zhuǎn)移輥筒可設(shè)置于壓印叼牙輥筒正下方，且轉(zhuǎn)移輥與試卷袋涂膠處剛好呈線性接觸，在吹貼密封簽同時對密封簽有初步壓合作用。

3 密封簽定制印刷機(jī)構(gòu)建模與仿真

SolidWorks Motion是一款虛擬原型機(jī)仿真軟件[10]。由于密封簽綿紙質(zhì)地輕薄易碎，印刷中各輥筒及零部件工作時受力較小，故不進(jìn)行受力分析[11]，僅進(jìn)行運(yùn)動仿真分析[12]。

3.1 壓印叼牙輥筒仿真分析

通過SolidWorks對壓印叼牙輥進(jìn)行建模，并對壓印叼牙輥的工作狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，壓印叼牙輥工作時的叼牙運(yùn)動示意圖如圖6所示。

圖6 叼牙與凸輪工作原理Figure 6 Working principle of gripper and cam

打開Motion插件，向各部件添加約束條件，如凸輪機(jī)構(gòu)與壓印叼牙輥轉(zhuǎn)動方向相反，凸輪軸處添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，凸輪高點與滾珠軸承添加接觸約束等約束條件。進(jìn)行仿真分析時，設(shè)置壓印叼牙輥角速度為10 r/min(以20個/min密封簽工作循環(huán)進(jìn)行計算)，隨后開始計算運(yùn)動算例。分析測得壓印叼牙輥轉(zhuǎn)動時位移、速度情況，如圖7所示。

圖7 壓印叼牙輥仿真結(jié)果Figure 7 Simulation results of imprinting gripper roller

從圖7(a)中可看出，叼牙在凸輪機(jī)構(gòu)沒有接觸到滾珠軸承時，叼牙保持靜止沒有發(fā)生位移，此時壓印叼牙輥上沒有固定密封簽；在0.5 s時凸輪轉(zhuǎn)動接觸滾珠軸承，通過連接機(jī)構(gòu)頂起叼牙，密封簽一端進(jìn)入叼牙打開的縫隙內(nèi)，凸輪轉(zhuǎn)走后叼牙閉合咬緊綿紙。1 s時叼牙咬緊綿紙，壓印叼牙輥轉(zhuǎn)動進(jìn)行密封簽印刷；印刷結(jié)束的2.5 s時凸輪接觸滾珠軸承頂起叼牙，叼牙張開密封簽轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移輥筒上，3 s時凸輪轉(zhuǎn)走，在彈簧的拉力作用下叼牙閉合。根據(jù)仿真結(jié)果來看，壓印叼牙輥的運(yùn)行狀態(tài)可以滿足叼紙機(jī)構(gòu)設(shè)計要求，驗證了叼紙機(jī)構(gòu)的合理性和可行性。

3.2 印刷機(jī)構(gòu)仿真分析

在對壓印叼牙輥筒完成仿真分析后，對印刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體仿真分析。為防止零件在裝配和運(yùn)動中產(chǎn)生干涉[13]，從上墨輥開始進(jìn)行干涉檢查，檢查結(jié)束并合格后，以Motion插件對各輥筒施加旋轉(zhuǎn)力矩，設(shè)定參數(shù)后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，分析印刷輥筒的線性速度、線性位移和角速度變化情況，各輥筒情況見圖8。

圖8 密封簽印刷機(jī)構(gòu)裝配圖Figure 8 Assembly drawing of seal label printing mechanism

由于各輥筒間相互配合呈線性接觸，使得各輥筒的線速度一致，由公式w=v/t計算出各輥的角速度，然后對輥軸添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，旋轉(zhuǎn)速度為等速。根據(jù)運(yùn)動仿真分析結(jié)果得知：印刷輥作穩(wěn)定的圓周循環(huán)運(yùn)動，可以連續(xù)進(jìn)行密封簽印刷；印刷輥與壓印叼牙輥接觸時，線速度和角速度略有波動，整體仍保持勻速運(yùn)動。經(jīng)仿真分析驗證了印刷機(jī)構(gòu)可以穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行時沒有出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，在密封簽印刷封面具有較強(qiáng)的可行性。

4 密封簽印刷試驗

以模擬原型機(jī)為基礎(chǔ)對印刷機(jī)構(gòu)制作樣機(jī)，并在云南新華印刷五廠進(jìn)行密封簽定制印刷試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，并記錄試驗過程中存在的問題，以便修正設(shè)計方案。試驗時選用A4試卷袋470 mm×80 mm規(guī)格密封簽進(jìn)行印刷，印刷時以單張密封簽固定情況、圖文清晰度、印刷速度、密封速度為技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行效果評定。印刷機(jī)構(gòu)樣機(jī)如圖9所示。

圖9 密封簽印刷機(jī)構(gòu)實物圖Figure 9 Picture of seal label printing mechanism

通過印刷試驗，密封簽印刷機(jī)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期效果，能夠較好地滿足密封簽印刷需求。印刷時，試機(jī)速度可以達(dá)到20個/min，密封簽的印刷和密封質(zhì)量與手工密封相近，且密封速度高于手工密封速度；提速后的印刷機(jī)構(gòu)印刷速度可以達(dá)到30～40個/min，密封簽印刷和密封質(zhì)量穩(wěn)定性較好。由于轉(zhuǎn)移輥與壓印叼牙輥同速，密封速度與印刷速度相同。在試驗過程中，該印刷機(jī)構(gòu)存在叼牙叼不住綿紙的問題。將未叼住的密封簽與已完成印刷的密封簽比對后，發(fā)現(xiàn)2張密封簽綿紙的長度不一致，未叼住的密封簽綿紙略短，在生產(chǎn)過程中需確保密封簽綿紙的尺寸一致性。由于密封簽定制印刷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，可以同時進(jìn)行密封簽印刷與密封，所以大幅度提高了試卷袋密封效率和質(zhì)量。

5 結(jié)語

課題組基于TRIZ理論對密封簽定制印刷進(jìn)行研究，以印刷機(jī)構(gòu)基本功能為基礎(chǔ)，對關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使印刷機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行單張密封簽的印刷和貼封。通過SolisWorks軟件繪制密封簽印刷機(jī)構(gòu)三維模型并進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果，印刷機(jī)構(gòu)的工作速度范圍可控制在20～40個/min，密封簽印刷和貼封質(zhì)量可以滿足試卷袋密封要求。由于密封簽印版粘貼在印版輥筒表面，可按照生產(chǎn)需求隨時更換印版和密封簽綿紙，以便進(jìn)行其它規(guī)格密封簽的印刷，此印刷機(jī)構(gòu)具備較好的生產(chǎn)靈活性。試卷袋密封簽印刷和密封的機(jī)械化，不僅降低了工人的重復(fù)性勞動強(qiáng)度，減少了密封環(huán)節(jié)用工數(shù)量和入闈人數(shù)，還有利于提高生產(chǎn)效率和試卷保密性。密封簽定制印刷機(jī)構(gòu)的設(shè)計為試卷袋密封生產(chǎn)線設(shè)計提供了技術(shù)基礎(chǔ)，同時為其它仍采用手工密封試卷袋的試卷印制企業(yè)提供了一定的參考。