TRIZ 創(chuàng)新方法在電線鼓包檢測中的應(yīng)用

邱川展，廖思聰，薛志朋

（廣智集團廣州電纜廠有限公司，廣州 511480）

0 引言

在電線電纜的生產(chǎn)過程中，偶爾會出現(xiàn)由于生產(chǎn)工藝或是原材料質(zhì)量的影響下產(chǎn)生各種不良的現(xiàn)象，其中就有絕緣或者護套擠出時產(chǎn)生鼓包的情況。但由于電線電纜通過檢測裝置時的速度過低或產(chǎn)生的鼓包不明顯等現(xiàn)象的出現(xiàn)，會導(dǎo)致現(xiàn)有方案出現(xiàn)位移量小、不易捕獲、測量不準(zhǔn)確等問題，則現(xiàn)有的設(shè)備很難對此不良現(xiàn)象進行排查。而對不良品的檢測不到位，將導(dǎo)致不良品流出引起經(jīng)濟效益的損失，所以對該鼓包檢測裝置的改進刻不容緩。

針對此次改進，將通過轉(zhuǎn)變鼓包變化量為可測量的量，同時對指標(biāo)進行放大實現(xiàn)精準(zhǔn)捕捉和反饋的思路，來使此裝置能應(yīng)對各種鼓包情況。該“鼓包檢測裝置”為自主研發(fā)設(shè)備，市場上并無同類研究成果可參考。因此，本文只在原檢測裝置上做檢測精度改善研究。在初步的原因分析后得知有3 個問題點：彈簧重量、滑槽內(nèi)壁摩擦力以及電線鼓包沖擊量小導(dǎo)致裝置準(zhǔn)確率低。于是期望利用TRIZ創(chuàng)新方法對這3 個問題更深一步的解析，實現(xiàn)原裝置升級改造，并杜絕鼓包不良品流出，減少售后經(jīng)濟損失，提高品牌形象。

1 問題分析

本次問題主要針對電纜電線生產(chǎn)過程中檢驗鼓包不良品出現(xiàn)的裝置。

首先電線的生產(chǎn)工藝可簡要理解為銅導(dǎo)體拉絲→絕層膠料擠出→過冷卻水槽冷卻→工頻火花耐壓試驗→鼓包檢測→收卷成圈。而“鼓包”是指在進行絕緣或是護套擠出的過程中由于多種因素導(dǎo)致的表面局部鼓起的現(xiàn)象。又因生產(chǎn)速度達200 m／min，難以進行目測檢查“鼓包”問題，且無法識別、返工。其常見原因如下［1］：

（1）機頸或機頭的溫度不夠，構(gòu)成內(nèi)部部分冷膠發(fā)生；

（2）由于機身溫度或剪切力不夠而引起的部分塑化不好；

（3）當(dāng)過濾網(wǎng)的襯墊不到位，最終影響到交聯(lián)絕緣料的擠出壓力，也會發(fā)生生膠，使絕緣線芯外表出現(xiàn)凹凸的硬塊；

（4）擠出速度過快，螺桿轉(zhuǎn)速越快，螺筒內(nèi)交聯(lián)料剪切作用力越強烈，這樣使機身部分溫度升高，導(dǎo)致老膠現(xiàn)象發(fā)生；

（5）交聯(lián)絕緣料在機筒內(nèi)停留時間過長，有一部分絕緣料發(fā)生過早交聯(lián)，這樣線芯在出模時就構(gòu)成了外表高低不平；

（6）過濾網(wǎng)襯墊位移構(gòu)成分流板處的膠料壓力分布不均勻，構(gòu)成流道死角。

階段的鼓包檢測裝置如圖1 所示，其通過可動輪固定輪搭配使用，利用傳感器感應(yīng)電線直徑的變化來對鼓包現(xiàn)象進行檢測。詳細工作原理如下：

圖1 檢測裝置

（1）鐵架1 以螺絲螺母連接方式固定在地面，固定輪2、滑槽4 以螺絲螺母的連接方式固定在鐵架1 上；

（2）固定輪2 和可動輪大輪側(cè)3 夾緊電線，小輪側(cè)依靠自重壓在滑槽4 底部，滑槽4 限制可動輪小輪位置及活動方向；

（3）當(dāng)帶線材鼓包通過固定輪2 處，帶動可動輪3 向上移動，可動輪小輪位移帶動傳感器感應(yīng)塊6，檢測感應(yīng)塊6 的位移來反饋線材鼓包情況；

（4）滑塊上方有彈簧5，避免感應(yīng)塊直接沖擊滑槽頂端。

在線材通過固定輪和大輪之間時，由于線表上的起伏為動態(tài)過程，所能形成的位移量較小，導(dǎo)致對鼓包的識別較難捕捉。特別是當(dāng)鼓包的尺寸較小與運轉(zhuǎn)速度較慢時，該裝置的效果微乎及微。

現(xiàn)階段鼓包檢測裝置難以有效檢測效果，于是將針對原有的鼓包檢測裝置利用TRIZ創(chuàng)新方法進行分析改善。綜上所述，當(dāng)前電線鼓包檢測問題主要是捕捉鼓包形變，其識別還存在大量缺陷，于是將在此設(shè)備基礎(chǔ)上先擬定解決思路。

1.1 最終理想解IFR

TRIZ理論在解決問題之初，首先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中能夠始終沿著此目標(biāo)前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新涉及方法中缺乏目標(biāo)的弊端，提升了創(chuàng)新設(shè)計的效率［2］。

根據(jù)最終理想解IFR，得到明確要解決的問題：如何具體化線表鼓包變化量并捕捉；其次是對新技術(shù)系統(tǒng)的要求：使線表鼓包檢測裝置能檢測比電線基準(zhǔn)面高1 mm 的鼓包，對指標(biāo)進行放大，實現(xiàn)精準(zhǔn)捕捉和反饋；最后是其技術(shù)系統(tǒng)IFR：使線表鼓包段能自主修復(fù)，從而不需要檢測。

1.2 魚骨圖

如圖2 所示，在魚骨圖中得到了問題的來源為：傳感器低靈敏度、加工速度快、可動輪位移量。

圖2 魚骨圖

1.3 因果分析

因果鏈分析是全面識別工程系統(tǒng)缺點的分析工具。因果鏈分析，始于項目目標(biāo)決定的初始缺點，分析其影響因素，得出中間缺點，并進而繼續(xù)挖掘下一層級的影響因素，直到末端缺點。在因果分析中，從自然語言描述問題為開端，其次轉(zhuǎn)化為規(guī)范化描述［3］，最后得到結(jié)論，如圖3 所示。結(jié)論：傳感器輸入信號不足、可動輪位移不足和滑槽摩擦過度。

圖3 自然語言描述

1.4 功能分析與裁剪

功能分析是對技術(shù)系統(tǒng)的“功能”進行抽象的描述，并進行分類、整理、系統(tǒng)化的過程。其可對現(xiàn)有技術(shù)進行改進時方便理清技術(shù)系統(tǒng)的主要功能及其輔助功能，明確各組件的有用功能及功能等級、性能水平、以及有害功能，以便理解系統(tǒng)中組件間的相互作用，找出系統(tǒng)的問題所在，建立組件功能模型。

本次分析內(nèi)容為：組件分析、相互作用分析、功能分析［4］。

1.4.1 組件分析

根據(jù)檢測裝置的示意圖（圖1），可以把系統(tǒng)的組件分為6個部分：鐵架、固定輪、可動輪、滑槽、彈簧、傳感器感應(yīng)塊。

其次進行超系統(tǒng)組件分析，可以得到超系統(tǒng)組件與系統(tǒng)組件兩大類組件：（1）超系統(tǒng)組件包括電線鼓包、電線、牽引裝置、信號檢測與信號處理系統(tǒng)等；（2）系統(tǒng)組件包括鐵架、固定輪、可動輪、滑槽、彈簧、傳感器感應(yīng)塊等。

1.4.2 相互作用分析

將上述提到的超系統(tǒng)組件和系統(tǒng)組件進行相互作用的分析，可以得到以下的相互作用矩陣，其判斷依據(jù)為組件相互接觸，并得到兩者間的有用關(guān)系或有害關(guān)系［5］。如圖4 所示。

圖4 相互作用關(guān)系矩陣

1.4.3 功能分析

根據(jù)上述分析構(gòu)建功能模型：其中限制部分為有害的，例如滑槽對可動輪的限制部分改為有害的；發(fā)出箭頭的為功能載體，接收箭頭的為功能對象；功能載體對功能對象的作用使得某個參數(shù)被保持或者被改變，例如如果沒有鐵架對滑槽的支持，那么滑槽達不到固定作用。

通過組件以及相互作用分析，得到功能模型如下，通過功能分析認為存在的不足主要有以下3 點：彈簧重量、滑槽內(nèi)壁摩擦力以及電線鼓包沖擊量小為裝置準(zhǔn)確率低。

1.4.4 裁剪

基于以上分析決定對系統(tǒng)中的滑槽和彈簧進行裁剪，除去系統(tǒng)冗余，從而提高系統(tǒng)理想度，既消除了該部分生產(chǎn)的有害功能，又降低了成本，同時所執(zhí)行的有用功能仍然存在。于是進行如下裁剪［6］：（1）裁剪滑槽，根據(jù)裁剪規(guī)則C，利用鐵架直接固定并限位可動輪；（2）裁剪彈簧，根據(jù)裁剪規(guī)則C，嘗試?yán)没壑苯酉尬粋鞲衅鳌?/p>

2 解決問題

2.1 技術(shù)矛盾

（1）技術(shù)矛盾1

根據(jù)因果分析，滑槽的摩擦力過度會導(dǎo)致可動輪位移不足，如果減小滑槽的摩擦力，則可動輪小輪處所受合力，但是會導(dǎo)致滑槽中傳感器感應(yīng)塊和可動輪小輪處的穩(wěn)定性變差，于是通過查阿奇舒勒矛盾矩陣表可得：運用發(fā)明原理NO.35 物理／化學(xué)狀態(tài)變化、NO.10 預(yù)先作用、NO.21 緊急行動發(fā)明原理可以解決此技術(shù)矛盾。

（2）技術(shù)矛盾2

根據(jù)因果分析，可動輪位移不足的直接原因是受到的沖力不足，如果增大電線鼓包的沖量，則可動輪的位移充分，但是會導(dǎo)致滑槽底端和可動輪沖擊力變大，于是通過查阿奇舒勒矛盾矩陣表可得：運用發(fā)明原理NO.17 一維變多維、NO.10 預(yù)先作用、NO.4 非對稱分別制定3 種方案可以解決此技術(shù)矛盾。

于是將根據(jù)上述兩個矛盾結(jié)合40 個發(fā)明原理目錄，分別得到兩者的解決方案。

（3）技術(shù)矛盾1 解決方案

①NO.35 物理／化學(xué)狀態(tài)變化：通過改變物體的物理屬性即改變物體柔軟度，利用橡膠材質(zhì)替換滑槽頂端與底端的原有材質(zhì)，獲得柔性。

②NO.10 預(yù)先作用：在整個滑槽工作前預(yù)先加入潤滑油，降低感應(yīng)塊與頂端碰撞、可動輪小輪與底端碰撞所產(chǎn)生的沖擊。

③NO.21 緊急行動發(fā)明原理：在滑槽底端加一個彈簧組件，平時處于自然狀態(tài)即貼近可動輪小輪，可以減少接觸滑槽底端的時間（次數(shù)）。

（4）技術(shù)矛盾2 解決方案

①NO.17 一維變多維：可動輪小輪位移方向由垂直往返運動改為傾斜方向往返運動，增大可動輪的位移的同時減少下落時對滑槽底端的沖擊。

②NO.10 預(yù)先作用：可動輪小輪的位移方向由垂直往返運動改為水平往返運動，電線運動變?yōu)榇怪边\動，減少可動輪自重的影響。

③非對稱：將完全對稱圓的可動輪小輪改為上半圓的形狀。可以增加可動輪的位移，增加與滑槽底部的接觸面積以減少單位面積沖擊。

2.2 物理矛盾

（1）物理矛盾1

根據(jù)因果分析，可動輪位移不足的直接原因是滑槽摩擦力過度。如圖5 所示，通過進行空間分離，空間1 摩擦力大，空間2 摩擦力??；通過發(fā)明原理“NO.3 局部質(zhì)量”也可知，將物體均勻結(jié)構(gòu)變成不均勻結(jié)構(gòu)，使空間2 部分內(nèi)壁光滑，空間1 內(nèi)壁部分粗糙（空間2 表面拋光，空間1 表面滾花）。

圖5 物理矛盾1 策略

（2）物理矛盾2

根據(jù)因果分析，可動輪移不足的直接原因是可動輪重量過度。嘗試進行空間分離：可動輪小輪處質(zhì)量小，可動輪大輪處質(zhì)量大；通過發(fā)明原理“NO.3 局部質(zhì)量”也可知，可動輪由均勻結(jié)構(gòu)改為不均勻結(jié)構(gòu)，小輪處密度小、重量小，大輪處密度大、重量大。

（3）物理矛盾3

根據(jù)因果分析，感應(yīng)塊移不足的直接原因是感應(yīng)塊受到的阻力過大。嘗試進行條件分離：感應(yīng)塊感應(yīng)階段受的向下的阻力小，系統(tǒng)回復(fù)階段受到的向下的力大。通過發(fā)明原理“NO.5合并”也可知，將空間上相似或相關(guān)的物體進行組合，彈簧和滑槽都為限位用，可以使其組合在一起，感應(yīng)階段減少彈簧自重的影響，同時作緩沖及加速滑塊回彈。

（4）物理矛盾4

根據(jù)因果分析，可動輪位移不足的直接原因是電線鼓包沖量不足。嘗試進行空間分離：鼓包在豎直方向上帶來的沖量大，在橫向方向上帶來的沖量小。通過發(fā)明原理“NO.14 曲面化”也可知，將平面部分變?yōu)榍?。在與鼓包接觸的可動輪大輪表面改為內(nèi)陷型，更好地貼合電線，更易反饋出電線鼓包的形變。

綜上所述，根據(jù)物理矛盾解決了以下4 個問題：滑槽摩擦力問題；可動輪重量問題；感應(yīng)塊阻力的問題；鼓包沖量不足問題。

2.3 物場模型

從本質(zhì)上鼓包檢測儀檢測鼓包為檢測與測量問題，對應(yīng)到4 級標(biāo)準(zhǔn)解。于是構(gòu)建了5 個物場模型［7］，分別闡述如下。

2.3.1 物場模型1

可嘗試基于NO.47 標(biāo)準(zhǔn)解——可測量物－場復(fù)雜化模型：測量引入的附加物與原系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生變化，可以通過測量附加物的變化再進行轉(zhuǎn)換。

（1）引入體積

在感應(yīng)塊與可動輪小輪間加入一個壓板，可動輪受力時壓縮這個壓板，壓板壓縮軟性水囊，水體積變化引起液位上升，帶動漂浮的感應(yīng)塊位移。通過控制水管的粗細，可以改變測量量倍數(shù)。

（2）引入角速度

在可動輪小輪上加入一個齒條，與齒輪咬合?？蓜虞喪芰?，帶動齒條上移，齒輪旋轉(zhuǎn)將直線運動轉(zhuǎn)化成圓周運動，通過固定在齒輪的角速度傳感器檢測。

利用滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，固定絲套，可動輪位移帶動絲套位移，絲桿轉(zhuǎn)動，帶動上端齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪上附帶發(fā)射端，光電式傳感器發(fā)射端與接收端，通過控制反射擋板的距離或大小放大鼓包情況。

2.3.2 物場模型2

可嘗試基于NO.58 標(biāo)準(zhǔn)解——可測量的雙、多系統(tǒng)模型：應(yīng)用兩個或者更多的測量系統(tǒng)。

其思路為將系統(tǒng)設(shè)置為雙系統(tǒng)，相互校正［8］，方案如下。

（1）方案1：把a、b各加1 個擋板，光電式。如a端為光信號發(fā)射端，如果b端因鼓包間接導(dǎo)致?lián)醢逦灰疲瑹o法反射信號，則系統(tǒng)報警；同理，b端一樣。雙系統(tǒng)驗證，防止誤報。

（2）方案2：雙系統(tǒng)上的搖桿都可因各自可動輪波動而波動，信號發(fā)射端在搖桿，可調(diào)節(jié)雙系統(tǒng)距離或檢測點距離，改變角度進而改變檢測點偏離基準(zhǔn)點的程度來放大鼓包帶來的可動輪位移量。

2.3.3 物場模型3

可嘗試基于NO.59 標(biāo)準(zhǔn)解——不直接測量模型：通過測量一、二階導(dǎo)數(shù)，代替直接測量的參數(shù)測量。這里選擇二階導(dǎo)數(shù)加速度。其思路為：測量二階導(dǎo)數(shù)——加速度，或根據(jù)a＝f／m測量力，方案如下。

（1）方案1：直接將加速度感應(yīng)器裝在可動輪小輪處。

（2）方案2：由于線加速度計的原理是慣性原理，A（加速度）＝F（慣性力）／M（質(zhì)量），用電磁力去平衡這個慣性力F來測量，就可以得到F對應(yīng)于電流的關(guān)系［9］。

（3）方案3：將移動的可動輪小輪改成滑塊，滑塊上安裝壓力傳感器，其上有一個固定板，測試滑塊上下移動時壓力傳感器受到的壓力。

2.3.4 物場模型4

滑槽頂端對感應(yīng)塊的無直接作用，為不完整物場模型，對應(yīng)到1.1 子級標(biāo)準(zhǔn)解。

可嘗試基于NO.3 標(biāo)準(zhǔn)解——制造物－場：在S2 和S1 外部引入F1 磁場。

在感應(yīng)塊頂端增加一個電磁場，讓感應(yīng)塊在受到稍大的力時便可以向上運動，在接觸到頂端時觸及電磁場接觸式開關(guān)斷電。因自重下落，打開開關(guān)，電磁場恢復(fù)。

2.3.5 物場模型5

可動輪對感應(yīng)塊的力不足，為不足物場模型，對應(yīng)到2、3級標(biāo)準(zhǔn)解。

可嘗試基于NO.14 標(biāo)準(zhǔn)解——鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ停簩我晃飯瞿Ｐ娃D(zhuǎn)化為鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ?。在S2 和S1 間加入S3 杠桿［10］。

在感應(yīng)塊與可動輪小輪間加入一個杠桿，距離支點近端貼緊可動輪小輪處上端，距離支點遠端貼緊感應(yīng)塊底端，調(diào)整支點的位置獲得相應(yīng)的位移放大倍數(shù)。

2.4 進化法則

應(yīng)用協(xié)調(diào)性進化法則和形狀協(xié)調(diào)進化路線，實現(xiàn)以下5 個架構(gòu)的逐層進化，同時也制定了兩個進化方案。方案一，原先可動輪小輪處為實心剛性結(jié)構(gòu)，可進化為內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)［11］；方案二，進化為內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)。

最后從26 項方案中評分選定了5 項測量技術(shù)改進和5 項測量技術(shù)創(chuàng)新。

2.4.1 測量技術(shù)改進（圖6）

圖6 方案策略1

（1）方案2：取消彈簧，嘗試?yán)每蓜虞喼苯又蝹鞲衅鳎ㄝ敵鑫灰疲?/p>

（2）方案3：更換材質(zhì)，改變物體的柔性，將可動輪小輪處更換成橡膠材質(zhì)。

（3）方案4：潤滑，將整個滑槽預(yù)先加上潤滑油，減少接觸碰撞產(chǎn)生的沖擊。

（4）方案5：加裝彈簧，將滑槽頭端、底端各加一個彈簧組件，平時處于自然貼近可動輪小輪狀態(tài)，減少接觸滑槽頭端、底端的時間（次數(shù)）。

（5）方案7：使滑槽變?yōu)樗?，電線變?yōu)榇怪保箍蓜虞喰≥喬幬灰品较蛴缮舷逻\動改為水平運動，減少可動輪自重的影響。

2.4.2 測量技術(shù)創(chuàng)新（圖7）

圖7 方案策略2

（1）方案15：水位變化法，在可動輪和感應(yīng)塊中加入壓板和軟性水囊。

（2）方案16：加入齒條，可動輪小輪上加入齒條與齒輪嚙合，齒輪有速度傳感器。

（3）方案18：滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，固定絲套，可動輪位移帶動絲套位移，絲桿轉(zhuǎn)動，帶動上端齒輪轉(zhuǎn)動。

（4）方案20：光電式雙系統(tǒng)，雙系統(tǒng)相互驗證，防止誤報。

（5）方案21：雙系統(tǒng)連桿光電放大法，雙系統(tǒng)通過連桿連接，連桿依靠自重壓在可動輪上，有信號發(fā)射端。

3 結(jié)束語

本文將TRIZ創(chuàng)新體系貫徹到電纜電線生產(chǎn)中的工程技術(shù)問題上，通過對鼓包檢測裝置的重新設(shè)計，合理運用了多種方法融合后將矛盾點層層分析解刨，實現(xiàn)了將問題趨于理想解。同時也實踐與實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提升了公司的經(jīng)濟效益的同時也維持了公司的聲譽，從而也保證了顧客的產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過以上的方案實施，預(yù)期效益鼓包的廢線流出率下降為0.002%，極大減少了客戶投訴率。

隨著現(xiàn)代化制造的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)建造施工行業(yè)也應(yīng)與日俱新，引進先進創(chuàng)新的工具方法，將TRIZ創(chuàng)新思維運用到傳統(tǒng)建造業(yè)當(dāng)中，提升精細化管理水平，必將是現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展的核心要義。