TRIZ理論在包裝盒輸送折邊裝置優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

梁進偉 鄧援超 劉瑩穎 湯 宇

(湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

0 引言

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒等通過對大量專利進行提煉與總結(jié)后，形成的一套用于解決發(fā)明問題的方法[1]。將TRIZ理論應(yīng)用于實際問題時，首先利用功能分析和三軸分析，對問題進行初步分析，然后利用標準解、知識庫、創(chuàng)新原理和分離方法進一步解決問題，進而得到備選方案，最后通過評價各個方案，得到解決問題的概念方案[2-4]。近幾年TRIZ在創(chuàng)新設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用：朱輝[5]應(yīng)用TRIZ理論優(yōu)化了位置易固定、易定位、易維修的多軸擰緊機設(shè)計；趙明明[6]應(yīng)用TRIZ理論對普通農(nóng)用圓錐形噴頭加裝電機進行設(shè)計，解決了噴頭噴藥過程中的霧滴漂移問題；韓顏良[7]應(yīng)用TRIZ理論，對斗式提升機托架進行優(yōu)化設(shè)計，提出組合式焊接結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造簡單、加工工序少。本文將TRIZ應(yīng)用在包裝盒輸送折邊裝置的優(yōu)化設(shè)計中，對折邊過程中出現(xiàn)的空邊問題進行分析，應(yīng)用TRIZ理論工具和方法獲得了解決思路，提出了解決空邊問題的辦法，并將解決方案應(yīng)用于實際，取得了較好效果。

1 包裝盒成型機介紹

隨著人們生活水平的提高，市場對產(chǎn)品包裝的要求也不斷提高。其中，翻蓋式包裝盒以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、包裝精美等特點被廣泛應(yīng)用于化妝品、煙盒、酒盒的設(shè)計[8-9]。翻蓋式包裝盒主要由內(nèi)包裝盒和外皮殼組成，如圖1所示。

1-內(nèi)包裝盒 2-外皮殼圖1 翻蓋式包裝盒

目前，市場應(yīng)用的內(nèi)包裝盒主要通過手工制作，生產(chǎn)效率低，且工序繁瑣，產(chǎn)品精度差異大。針對現(xiàn)有內(nèi)包裝盒的制作缺陷，研制了內(nèi)包裝盒成型機。內(nèi)包裝盒成型機主要由過膠機、吸風(fēng)輸送機、輸送折邊裝置、成型框裝置、貼小面紙裝置、保壓裝置、鏟邊裝置、成品料輸出裝置等組成。該內(nèi)包裝盒成型工藝包括送大面紙過膠、貼灰紙板、貼磁片、輸送折邊成型、圍框、刷耳、貼小面紙、鏟邊，流程如圖2所示。

要實現(xiàn)內(nèi)包裝盒成型并保證其質(zhì)量，在輸送折邊時折邊效果良好且無空邊現(xiàn)象。如果折邊過程出現(xiàn)空邊，會導(dǎo)致鏟邊成型部分無法良好脫模，并影響內(nèi)包裝盒質(zhì)量。因此，折邊不出現(xiàn)空邊在整個內(nèi)包裝盒成型過程中尤為重要。輸送折邊裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 內(nèi)包裝盒成型工藝流程

1-輸送裝置 2-下壓裝置 3-折邊裝置圖3 輸送折邊裝置

折邊裝置是輸送折邊裝置的重要部分，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1-連桿1 2-連桿2 3-折邊板 4-連桿3 5-折邊氣缸 6-連桿支撐座 7-升降板 8-導(dǎo)柱 9-升降氣缸 10-升降支撐板 11-直線軸承圖4 折邊裝置

輸送折邊成型的工藝順序如圖5所示。帶有灰紙板的大面紙通過輸送裝置被傳輸?shù)秸圻吂の?如圖5a所示)后，下壓裝置的下壓如圖5b所示；接著升降氣缸上升，帶動折邊板，將帶有灰紙板的大面紙折成90度，同時保持伸出狀態(tài)，如圖5c所示；然后折邊氣缸推出驅(qū)動連桿和折邊板，將帶有灰紙板大面紙翻折成180度，如圖5d所示；最后，折邊氣缸回到原位后，升降氣缸回到原位，完成一次輸送折邊成型。

(a) 帶有灰紙板的大面紙輸送到折邊工位 (b) 下壓裝置下壓

(c) 帶有灰紙板的大面紙折90度 (d) 帶有灰紙板的大面紙翻折180度圖5 輸送折邊工藝示意圖

2 問題描述與分析

2.1問題描述

圖6 空邊現(xiàn)象

通過觀察折邊效果發(fā)現(xiàn)，帶有灰紙板的大面紙被輸送到折邊工位，由折邊裝置完成折邊后，折邊存在空邊現(xiàn)象。所謂空邊現(xiàn)象，是指大面紙灰紙板未嚴密貼合，出現(xiàn)“氣泡”現(xiàn)象(見圖6)，尤其是在面紙貼在灰紙板拐角處容易空邊。當帶有灰紙板的大面紙存在空邊時，不僅會導(dǎo)致后續(xù)鏟邊裝置無法正常脫模，而且會影響內(nèi)包裝盒的美觀和質(zhì)量。所以，空邊現(xiàn)象是內(nèi)包裝盒成型中需要解決的問題。

2.2 系統(tǒng)組件分析

在建立組件模型前，首先需要確定技術(shù)系統(tǒng)，并根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)定義確定其作用對象、系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件[10]。本課題技術(shù)系統(tǒng)的功能是帶有灰紙板的大面紙輸送折邊后無空邊。因此，本系統(tǒng)的作用對象是帶有灰紙板的大面紙，超系統(tǒng)組件有機架、真空泵，系統(tǒng)組件有輸送裝置、下壓裝置、連桿1、連桿2、折邊板、連桿3、折邊氣缸、連桿支撐座、升降板、導(dǎo)柱、升降氣缸、升降支撐板、直線軸承?；谝陨辖M件，進行組件間的作用分析，采用規(guī)范化功能描述方式建立組件功能模型，如圖7所示。

由圖7的組件功能模型可知，折邊板和下壓裝置對帶有灰紙板的大面紙的作用不足。

圖7 組件功能模型

2.3 因果鏈分析

因果鏈是通過分析問題成因，并對原因進行層層分析，構(gòu)建因果鏈，指出事件發(fā)生的原因和導(dǎo)致的結(jié)果[11]。針對問題描述，對當前系統(tǒng)進行因果鏈分析，得到因果鏈如圖8所示。

圖8 因果鏈分析

對以上因果鏈結(jié)果進行分析和試驗研究。針對01號和05號原因，對左、右從動輪的安裝進行校核，測量得到左、右從動輥中心線等高且平行，滿足安裝要求；針對02號和04號原因，由于折邊裝置中的折邊板需要上下移動，安裝擋邊和壓塊會對輸送折邊過程中折邊板的上下移動形成干涉，因此無法安裝擋板和壓塊；針對03號原因，通過更改伺服電機控制程序可以實現(xiàn)輸送帶的準停；針對06號原因，通過改變壓塊固定座的固定端跨度可以解決壓塊固定座的剛度不足問題；針對07號原因，對壓塊的表面粗糙度進行測量，發(fā)現(xiàn)壓塊表面滿足設(shè)計要求；針對09號原因，測量折邊板左、右兩端與輸送帶之間的距離，發(fā)現(xiàn)折邊板左、右兩端與輸送帶箱體之間的距離相等，滿足安裝要求；08、10號原因?qū)儆诂F(xiàn)有工作狀態(tài)，可以利用TRIZ理論作進一步研究。

3 解決方案

3.1 利用矛盾矩陣進行分析

針對10號原因——折邊板帶動大面紙下壓，無法將大面紙折成180度，可以理解為單位時間內(nèi)壓板豎直向下的位移大于水平向前的位移，折邊板接觸灰紙板后無法繼續(xù)向前運動，從而導(dǎo)致大面紙形成空邊。如果利用兩個氣缸分別實現(xiàn)水平向前和豎直向下運動，那么折邊裝置的可靠性得到增強，但是整個折邊裝置會有較大改動而使折邊裝置變得復(fù)雜。兩者間的矛盾形成一對技術(shù)矛盾，可以利用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾矩陣來解決[12]。綜上，對兩方面參數(shù)進行分析：需要改善的方面——折邊裝置可靠性增強，造成惡化的方面——折邊裝置變得復(fù)雜。定義矛盾：需要改善的參數(shù)——No.27可靠性，惡化的參數(shù)——No.36設(shè)備復(fù)雜性。

1-拉簧2-壓板1 3-圓柱銷 4-壓板2圖9 方案1

查閱矛盾矩陣得到參考原理，#1分割、#13反向作用、#35物理/化學(xué)參數(shù)變化；根據(jù)#1分割原理，得到解決方案1、解決方案2，解決方案1：將折邊板設(shè)計成可調(diào)節(jié)式，當壓板與灰紙板接觸后繼續(xù)向下運動時，壓板隨著圓柱銷轉(zhuǎn)動，折邊板可以繼續(xù)向前運動，如圖9所示。解決方案2：將折邊板設(shè)計成分割式，折邊板接觸灰紙板后彈簧壓縮折邊板在滾筒和彈簧的作用下繼續(xù)向前運動，如圖10所示。

針對08號原因——折邊板無法將大面紙折成90度，可以理解為在升降氣缸帶動折邊板向上運動的過程中，折邊板沒有將大面紙折成90度。解決的常規(guī)方法是在升降板上再增加鏟刀，讓升降氣缸升降時帶動鏟刀將大面紙折成90度，那么折邊裝置對大面紙的作用力增強，但是整個裝置變得更復(fù)雜。上述兩者間形成一對技術(shù)矛盾，對兩方面參數(shù)進行描述：需要改善的方面——折邊裝置對大面紙的作用力，惡化的方面——折邊裝置變得復(fù)雜。定義矛盾：需要改善的參數(shù)——No.13 力，惡化的參數(shù)——No.36設(shè)備復(fù)雜性。

1-滾筒支架 2-滾筒 3-壓板 4-彈簧圖10 方案2

查閱矛盾矩陣，得到可以參考的原理：#10預(yù)先作用原理、#19周期性原理、#36相變、#37熱膨脹。根據(jù)#10預(yù)先作用原理，得到解決方案3：輸送裝置上增加弧形擋邊，帶有灰紙板的大面紙運輸?shù)秸圻吂の坏倪^程中沿著弧形擋板運動，在弧形擋板的作用下將帶有灰紙板的大面紙折成90度，弧形擋板的結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 弧面擋邊結(jié)構(gòu)

圖12 折邊板運動曲線

3.2 應(yīng)用物理矛盾解決問題

針對10號原因——折邊板帶動大面紙下壓，無法將大面紙折成180度，折邊板下壓過程中的運動軌跡是一段凸型弧線(如圖12所示)。在接觸灰紙板前，希望折邊板翻折速度快，這樣可以減少折邊板翻折時間；而接觸灰紙板后希望翻折速度小，這樣單位時間內(nèi)的豎直向下位移小，避免了灰紙板影響折邊板的向前運動。這就要求折邊板翻折時的速度既大也小，這構(gòu)成了TRIZ理論中的物理矛盾，而解決物理矛盾的核心是實現(xiàn)矛盾雙方的分離[13]。

解決物理矛盾有基于空間分離、基于時間分離、基于條件分離、基于整體與部分分離的4個分離原理[14]，由基于條件的分離原理可以利用#1、#5、#6、#7、#8、#13、#14、#22、#24、#25、#27、#33、#35等13個創(chuàng)新原理來解決相關(guān)物理矛盾。利用#1分割原理得到啟發(fā)，將折邊板運動分割開，用兩個執(zhí)行機構(gòu)分別實現(xiàn)兩個方向上的運動，得到方案4：采用兩個氣缸分別實現(xiàn)水平向前和豎直向下運動，將豎直向下運動和水平運動分割開來，從而實現(xiàn)折邊過程，如圖13所示。

1-鏟邊氣缸 2鏟邊板 3-壓邊氣缸 4-壓邊板圖13 解決方案4

3.3 物場模型分析

針對08號原因——折邊板無法將大面紙折成90度，通過功能分析和因果鏈分析，可以理解為折邊板在升降氣缸的作用下向上運動，無法將帶有灰紙板的大面紙鏟90°，從而導(dǎo)致折邊時候容易出現(xiàn)空邊?？梢詫⒋丝醋髡圻叞鍖в谢壹埌宓拇竺婕埖淖饔昧Σ蛔?。根據(jù)物場模型解決問題的步驟，首先需要定義問題的物場模型。本物場模型的作用對象是折邊板，被作用對象是帶有灰紙板的大面紙，其中，折邊板對帶有灰紙板的大面紙的作用力不足。它們之間的作用場是機械場，建立物場模型如圖14所示， TRIZ理論中的標準解法針對作用力不足模型提供了多種解法[15]，采用S2.2.6構(gòu)造物質(zhì)方法(見圖15)得到解決方案5、解決方案6。解決方案5：在折邊板前端嵌入橡膠塊，通過橡膠塊與帶有灰紙板的大面紙擠壓，使折邊板在向上運動過程中將大面紙折成90度，折邊板優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖16所示。解決方案6：折邊板前端增加彈簧片，折邊板在上升過程中通過彈片擠壓將大面紙折成90度，如圖17所示。采用S2.1.1向鏈式物質(zhì)—場躍遷(見圖18)的方法得到解決方案7：折邊板下方增加一個推板，當折邊板到達工作位置后通過一個氣缸推動推板，將大面紙折成90度，如圖19所示。采用S2.1.2雙物—場模型的方法(如圖20)，得到解決方案8：采用位置控制，當折邊板上升到工作位置前旋轉(zhuǎn)板處于豎直狀態(tài)，如圖21所示，當折邊板運動到工作位置后旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)180，將大面折成90度，如圖22所示。

圖14 物場模型

圖15 構(gòu)造物質(zhì)模型

圖16 方案5

圖17 方案6

圖18 鏈式物質(zhì)—場躍遷模型

圖19 優(yōu)化前后壓板的結(jié)構(gòu)

圖20 雙物場模型

圖21 旋轉(zhuǎn)板處于豎直狀態(tài)

圖22 旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)180°

4 方案評價及選擇

針對上述的8個方案，利用TRIZ理論中的評價模型對實際項目進行考慮，分別從可行性、加工性、裝配性和成本4個維度出發(fā)：方案1僅需更改折邊板結(jié)構(gòu)和增加彈簧就可以實現(xiàn)180度折邊，折邊板的可加工性和可裝配性強；方案2是在折邊板上增加滾筒，對折邊板的改動較大，會大幅增加折邊板體積，從而導(dǎo)致整個折邊裝置體積變大，由于輸送折邊裝置的空間有限，故該方案難以實現(xiàn)；方案3需要在輸送帶上增加新裝置，然而輸送帶上的空間有限，無法再添加新裝置；方案4對現(xiàn)有裝置的更改較大，成本較高；方案5僅需要更改壓板結(jié)構(gòu)且加工簡單，修改量較少，可實施性強：方案6采用彈簧片，會刮傷輸送帶吸風(fēng)箱體，影響輸送帶使用：方案7需要重新增加推板和氣缸，由于輸送折邊裝置的空間較小，無法在安裝推出氣缸；方案8采用旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)，會增加新的動力裝置，成本有所提高。通過對比分析，選擇方案1與方案5來實施，在樣機測試過程中折邊過程未出現(xiàn)空邊，測試效果良好。

5 結(jié)語

通過對包裝盒折邊裝置進行問題描述和分析，并將實際問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，運用TRIZ理論方法和工具提出了解決大面紙折邊出現(xiàn)空邊的具體方案，并對方案進行分析和選擇，將最優(yōu)方案應(yīng)用于樣機測試，解決了大面紙折邊時出現(xiàn)空邊的問題，為以后紙盒成型機優(yōu)化提供了思路。