基于TRIZ 理論圍框機(jī)鏟邊成型裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

郝雪君，鄧援超，辛軍煒

（430068 湖北省 武漢市 湖北工業(yè)大學(xué)）

0 引言

隨著品質(zhì)要求的日益嚴(yán)格，利用現(xiàn)有的圍框機(jī)制盒的品質(zhì)已很難滿足要求，這造成了生產(chǎn)中工作效率低下、廢品率高的問(wèn)題。其中造成該問(wèn)題的最突出原因是鏟邊成型后小面紙空邊現(xiàn)象。鏟邊成型裝置工作，將圖1（a）中的半成品條盒加工成圖1（b）所示的成品條盒。全文嘗試運(yùn)用TRIZ 理論為這個(gè)問(wèn)題尋求解決辦法。

圖1 鏟邊成型過(guò)程中條盒的狀態(tài)Fig.1 State of strip box in the process of edge forming

TRIZ 理論即發(fā)明問(wèn)題解決理論，該理論由蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒于1946 年創(chuàng)立。阿奇舒勒通過(guò)大量的專利分析，得出工程系統(tǒng)演變的客觀趨勢(shì)，通過(guò)這種趨勢(shì)提出發(fā)明問(wèn)題解決理論[1-4]。本文針對(duì)小面紙空邊這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)TRIZ 理論進(jìn)行描述分析，找到存在這個(gè)問(wèn)題的根本原因，運(yùn)用TRIZ 工具找到解決方案，對(duì)得到的方案進(jìn)行評(píng)估，最終解決問(wèn)題[5]。

1 鏟邊成型裝置介紹

條盒由圍框好的灰紙板和大小面紙黏貼而成，條盒材料示意圖如圖2 所示。

圖2 條盒材料示意圖Fig.2 Schematic diagram of strip box material

鏟邊成型工位是決定成型紙框品質(zhì)的重要工位，該工位主要功能是將半成品條盒中的大小面紙的上端進(jìn)行90°折邊、小面紙下端鏟平后，折入條盒內(nèi)壁貼牢。該裝置主要由上鏟刀、下鏟刀、吸風(fēng)壓板、下模組成。其中除小面紙一側(cè)為上下鏟刀和吸風(fēng)壓板，紙框其余三側(cè)均只有上鏟刀和吸風(fēng)壓板。鏟邊成型裝置示意圖如圖3 所示。

圖3 鏟邊成型裝置示意圖Fig.3 Schematic illustration of blade forming device

工作過(guò)程如下：（1）升降主軸將圍好的紙框下推至折邊工位的指定位置，吸風(fēng)壓板在驅(qū)動(dòng)氣缸②的作用下向半成品條盒運(yùn)動(dòng)，接觸條盒的表面，見圖4（a）；（2）吸風(fēng)壓板貼緊紙框，吸風(fēng)打開，同時(shí)上模吸風(fēng)關(guān)閉，紙框被固定在4 個(gè)吸風(fēng)壓板圍城的框內(nèi)，上模退走，見圖4（b）；（3）4 工位上鏟刀全部水平推出，使高于紙框的面紙形成90°折邊，方便黏貼，小面紙機(jī)頭下鏟刀推出鏟邊，見圖4（c）；（4）小面紙下鏟刀收回，見圖4（d）；（5）下模上升，將鏟好邊的小面紙折入紙框內(nèi)，完成包邊工作，見圖4（e）；（6）小面紙側(cè)驅(qū)動(dòng)氣缸②向前運(yùn)動(dòng)，吸風(fēng)板與下模產(chǎn)生一定的擠壓，形成小面紙保壓，使得小面紙與灰紙板完全貼合，見圖4（f）；（7）吸風(fēng)壓板吸風(fēng)關(guān)閉，壓板與上鏟刀退回至初始位置，見圖4（g）；（8）下模吸風(fēng)關(guān)閉，下模收回，條盒圍框成型，見圖4（h）。成型框運(yùn)離成型折邊工位的整個(gè)鏟邊成型工位動(dòng)作完成。

圖4 鏟邊成型工位工作流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of molding station work flow

2 問(wèn)題分析

2.1 問(wèn)題描述

在紙框完成圍框機(jī)中成型折邊工位所有工序后，現(xiàn)存在如下現(xiàn)象：成品條盒小面紙包邊處出現(xiàn)空邊，如圖5 所示。這個(gè)現(xiàn)象會(huì)使紙框品質(zhì)不達(dá)標(biāo)。首先確定現(xiàn)存在的問(wèn)題。鏟邊成型工位動(dòng)作完成后，部分條盒出現(xiàn)小面紙空邊現(xiàn)象，不符合成型紙盒生產(chǎn)的品質(zhì)要求[6]。

圖5 小面紙空邊現(xiàn)象示意圖Fig.5 Schematic illustration of empty edges of small paper

2.2 系統(tǒng)功能組件分析

在建立組件模型之前，首先需要確定技術(shù)系統(tǒng)，并根據(jù)改技術(shù)系統(tǒng)的定義，確定改技術(shù)系統(tǒng)的作用對(duì)象、技術(shù)系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件[7]。技術(shù)系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)紙框面紙折邊，因此系統(tǒng)的作用對(duì)象是貼上小面紙的半成品紙框，技術(shù)系統(tǒng)的組件為上模、下模、上鏟刀、下鏟刀、吸風(fēng)壓板、驅(qū)動(dòng)氣缸、升降主軸，技術(shù)系統(tǒng)的超系統(tǒng)為機(jī)架，電機(jī)、真空泵?；谝陨辖M件進(jìn)行組件功能模型分析，分析各組件間的作用，如圖6 所示。

圖6 組件功能模型Fig.6 Component function model diagram

2.3 因果鏈分析

因果鏈分析是在組建功能模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建因果鏈指出事件發(fā)生的原因和導(dǎo)致的結(jié)果，層層遞進(jìn)，最終得到問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因。對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析，得到因果鏈如圖7所示。

圖7 小面紙空邊現(xiàn)象因果鏈分析Fig.7 Causality chain analysis of empty edge of small surface paper

對(duì)小面紙空邊現(xiàn)象因果鏈分析得到的8 個(gè)原因進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。針對(duì)原因I，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)面紙的材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明面紙材料符合實(shí)際要求，故不再考慮；針對(duì)原因II，在加長(zhǎng)鏟刀停留時(shí)間后，對(duì)小面紙回彈現(xiàn)象沒有根本改善，不能作為根原因；針對(duì)原因IV 和原因V，經(jīng)過(guò)樣機(jī)運(yùn)行100 個(gè)物料進(jìn)行圍框，記錄出現(xiàn)物料偏移的情況，經(jīng)測(cè)試后確認(rèn)氣管不存在破損現(xiàn)象，真空泵吸力滿足正常工作需要，故不再考慮；針對(duì)原因VII 和原因VIII，通過(guò)觀察樣機(jī)運(yùn)行中的紙框松動(dòng)現(xiàn)象，最終選取增大吸盤盤徑，紙框松動(dòng)問(wèn)題得到解決。針對(duì)原因III 為樣機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的某種狀態(tài)，以及原因VI 下模精度低，在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法帶緊面紙，可以使用TRIZ 理論進(jìn)行進(jìn)一步研究。因此原因III 和原因VI 為該問(wèn)題的2 個(gè)根原因，轉(zhuǎn)換成關(guān)鍵問(wèn)題：①如何讓下鏟刀與小面紙有充分接觸面積；②如何提高下模精度。

3 基于TRIZ 理論對(duì)現(xiàn)有工程問(wèn)題求解

3.1 問(wèn)題①：針對(duì)如何讓下鏟刀與小面紙有充分接觸面積的問(wèn)題

3.1.1 通過(guò)物場(chǎng)模型及標(biāo)準(zhǔn)解解決問(wèn)題

針對(duì)問(wèn)題①，首先定義問(wèn)題的物場(chǎng)模型[8]。該物場(chǎng)模型的作用對(duì)象是下鏟刀，被作用對(duì)象是貼在灰紙板上的小面紙，其中下鏟刀對(duì)小面紙的作用力不足，它們之間的作用場(chǎng)是機(jī)械場(chǎng)。物場(chǎng)模型如圖8 所示。對(duì)作用力不足的模型，采用標(biāo)準(zhǔn)解S1.1.2 內(nèi)部合成物場(chǎng)模型來(lái)解決。得到解決方案①，在鏟刀前端增加一段略高于鏟刀最高平面的刮片，使下鏟刀工作的時(shí)候與小面紙的底端有更大接觸面積，使其更好地貼合在灰紙板底端。解決方案①如圖9 所示。

圖8 解決方案物場(chǎng)模型圖Fig.8 Physical field model diagram

圖9 解決方案①Fig.9 Solution ①

（1）確定物質(zhì)：S1-小面紙，S2-下鏟刀。

（2）確定場(chǎng)：F1-機(jī)械場(chǎng)。

解決方案物場(chǎng)模型如圖10 所示。由標(biāo)準(zhǔn)解S2.2.4 動(dòng)態(tài)性[9]得到解決方案②，即將下鏟刀后端平面改成為由兩滾筒組成的弧面，通過(guò)滾筒弧形表面在工作過(guò)程中反復(fù)壓實(shí)，達(dá)到預(yù)期的鏟邊效果。解決方案②如圖11 所示。

針對(duì)這一物場(chǎng)模型，還可以采用標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.2 雙物-場(chǎng)模型來(lái)解決。解決方案物場(chǎng)模型圖如圖12 所示。得到解決方案③，給原有的系統(tǒng)中增加一個(gè)氣動(dòng)場(chǎng)，在下鏟刀處增加一個(gè)噴氣裝置，提前給小面紙鏟邊處一個(gè)折彎的力，方便下鏟刀工作時(shí)，更容易令小面紙形成90°鏟邊。解決方案③如圖13 所示。

圖12 解決方案物場(chǎng)模型圖Fig.12 Physical field model diagram

圖13 解決方案③Fig.13 Solution ③

3.1.2 通過(guò)技術(shù)矛盾解決問(wèn)題

技術(shù)矛盾是指在改善一個(gè)參數(shù)的同時(shí)，隨之產(chǎn)生的其他的問(wèn)題[10]。針對(duì)問(wèn)題①，首先想到要解決小面紙空邊這個(gè)現(xiàn)象，就需要改善下鏟刀的形狀，使小面紙能更好地貼合在灰紙板下方，這樣就不會(huì)出現(xiàn)小面紙空邊現(xiàn)象。而改變鏟刀的形狀會(huì)使鏟刀的加工更復(fù)雜，因此惡化了制造難度。通過(guò)分析可知，待改善的參數(shù)是No.12——形狀，被惡化的參數(shù)是No.32——可制造性。根據(jù)所定義的工程參數(shù)查詢矛盾矩陣，得到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理[11]，如表1 所示。

表1 矛盾矩陣表Tab.1 Contradiction matrix

查表，運(yùn)用發(fā)明原理#1 分割原理得到解決方案④，即將下鏟刀設(shè)計(jì)成兩塊由銷柱連接的板，兩板的尾端用彈簧連接，鏟刀進(jìn)給時(shí)，紙框擠壓彈簧，彈簧給紙框一個(gè)向上的力，使小面紙更牢固地貼合在條盒下端。解決方案④如圖14 所示。

圖14 解決方案④Fig.14 Solution ④

但是，改善了設(shè)備的可操作性必然增加裝置的制造難度，會(huì)惡化可制造性。查表可知，待改善的參數(shù)是No.33——可操作性，被惡化的參數(shù)是No.32——裝置的可制造性[12]。根據(jù)所定義的工程參數(shù)查詢矛盾矩陣，得到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，如表2 所示。

表2 矛盾矩陣表Tab.2 Contradiction matrix

根據(jù)這對(duì)技術(shù)矛盾查詢矛盾矩陣得到的發(fā)明原理#5 組合原理，由該發(fā)明原理得到解決方案⑤，即將下鏟刀與吸風(fēng)壓板組合起來(lái)，鏟刀長(zhǎng)度不能影響下模順利進(jìn)入紙框進(jìn)行包邊。組合式下鏟刀示意圖如圖15（a）所示，鏟邊狀態(tài)示意圖如圖15（b）所示。

圖15 解決方案⑤Fig.15 Solution ⑤

3.2 問(wèn)題2：針對(duì)如何提高下模精度的問(wèn)題

3.2.1 物理矛盾解決問(wèn)題

物理矛盾是指同一參數(shù)具有相反的并且合乎情理的需求。具體可通過(guò)3 種方法解決：（1）分離矛盾需求；（2）滿足矛盾需求；（3）繞過(guò)矛盾需求，再利用分離原理嘗試解決，然后利用分離原理推薦的發(fā)明原理來(lái)構(gòu)建解決方案模型，最后轉(zhuǎn)換為實(shí)際方案[13]。具體流程如下：針對(duì)如何提高下模精度這個(gè)問(wèn)題，首先考慮到下模要略小于紙框，方便下模帶著小面紙順利進(jìn)入紙框，因此下膜需要小。但如果下模過(guò)小，下面進(jìn)入紙框時(shí)，無(wú)法順利進(jìn)入紙框，所以在進(jìn)入紙框時(shí)下模要小，方便模具順利進(jìn)入。但過(guò)小的紙框會(huì)使折邊效果差，造成紙框品質(zhì)不合格，這就形成了一對(duì)物理矛盾，即下模在剛進(jìn)入紙框時(shí)要小，因?yàn)榉奖氵M(jìn)入，但是在開始折邊時(shí)要大，因?yàn)橐剐∶婕埰秸刭N在紙框內(nèi)側(cè)。針對(duì)該物理矛盾適用“基于時(shí)間分離”來(lái)解決，選擇“時(shí)間分離”運(yùn)用發(fā)明原理11——事先防范原理，將下模進(jìn)行改進(jìn)，在進(jìn)入紙框前，彈簧為原長(zhǎng)狀態(tài)電磁鐵裝置處于失電狀態(tài)，小面紙調(diào)節(jié)吸風(fēng)板處于原始狀態(tài)，下模大小略小于紙框，當(dāng)下模頂端進(jìn)入紙框時(shí)，磁鐵裝置得電，彈簧處于伸長(zhǎng)的狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)小面紙邊的吸風(fēng)板，使小面紙被下模帶緊，平穩(wěn)折入紙框內(nèi)。解決方案⑥如圖16 所示。

圖16 解決方案⑥Fig.16 Solution ⑥

4 方案評(píng)估與實(shí)施

經(jīng)過(guò)以上的分析和求解得出如表3 所示的6個(gè)方案，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性以及有效性對(duì)所有方案進(jìn)行可用性評(píng)估[14]。其中經(jīng)濟(jì)性包括方案的復(fù)雜程度和對(duì)原設(shè)備的改動(dòng)大小，這兩點(diǎn)直接決定材料費(fèi)用以及人工成本。有效性包括方案解決問(wèn)題的實(shí)用性及穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)分析與評(píng)估，最終選擇方案①和方案⑥同時(shí)進(jìn)行實(shí)施，小面紙空邊的問(wèn)題被解決，圍框紙盒合格率達(dá)到99%，達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 方案匯總表Tab.3 Programme matrix

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)圍框機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的小面紙空邊問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)題描述和定義，再利用功能模型及因果鏈分析找到造成小面紙包邊后空邊現(xiàn)象的根本問(wèn)題，利用物場(chǎng)模型、技術(shù)矛盾、物理矛盾等工具將這些根本問(wèn)題轉(zhuǎn)化為TRIZ 問(wèn)題模型[15]。再通過(guò)TRIZ 理論工具對(duì)問(wèn)題模型進(jìn)行處理，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)解推薦的構(gòu)造物質(zhì)來(lái)彌補(bǔ)不足效應(yīng)，從而想到在下鏟刀上增加新的刮片來(lái)彌補(bǔ)鏟刀工作上的不足，通過(guò)發(fā)明原理11，從而想到對(duì)下模增加磁性調(diào)節(jié)裝置，再進(jìn)行評(píng)估與選擇。最后將這些方案模型根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)際解決方案。為后續(xù)工程人員解決實(shí)際問(wèn)題提供了一定的參考和借鑒。