基于TRIZ 理論的自動添加書帖裝置的創(chuàng)新設計

葛正斌，何邦貴，張朝亮，夏家良

（1.650504 昆明市 云南省 昆明理工大學；2.650021 昆明市 云南省 云南印刷技術研究有限公司；3.650231 昆明市 云南省 云南九九彩印有限公司）

0 引言

我國大部分印刷企業(yè)的生產(chǎn)工藝還比較落后，與發(fā)達國家的先進企業(yè)相比還有很大差距，一部分企業(yè)雖然完成了工藝和設備的改進，但由于流程之間設備不連續(xù)等原因，生產(chǎn)效率依然低下[1]。雖然在傳統(tǒng)的書刊生產(chǎn)中，制版、印刷和裝訂三大環(huán)節(jié)各自都有顯著的技術進步，實現(xiàn)了較高的自動化，但三大環(huán)節(jié)目前依然獨立生產(chǎn)，尚未形成一體化[2]，仍存在大量的人工重復勞動。尤其是書刊裝訂環(huán)節(jié)，需要人工將書帖添加到裝訂生產(chǎn)線上進行書刊的成品裝訂。為減少添加書帖環(huán)節(jié)的人工數(shù)量，本文在分析配貼工藝流程的基礎上，運用TRIZ 創(chuàng)新理論，設計了一套可實現(xiàn)自動配頁功能的添加書帖裝置，以減少人為因素對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量的影響，進而提高書刊生產(chǎn)效率和質量水平。

1 配貼工藝流程分析

無線膠訂聯(lián)動機主要采用疊配的方式來配貼，即將各個書帖按照頁碼順序依次疊摞在一起，成為一個書芯[3]。圖1 所示為書帖配頁機的工作原理簡圖[4]。書帖按照頁碼順序依次堆放在儲頁臺上的每一個儲頁格中，當配頁機運轉時，先由儲頁格下的分貼機構將最下面一個書帖分離出來，然后由叼頁機構將書帖叼出按順序放到傳送鏈條上，傳送鏈條上的書帖由撥書棍推動，隨著傳送鏈條持續(xù)向前運動，并在每一個儲頁格下面不斷累積書帖直到收書臺，完成一本書芯的配貼。

圖1 書帖配頁機的工作原理簡圖Fig.1 Working principle diagram of book binding page machine

將書帖添加到對應儲頁格中的動作由人工來完成，分析人工添加書帖的整個過程，發(fā)現(xiàn)可以將人工添加書帖的動作分為以下幾個環(huán)節(jié)：識別、抓取、搬運、整理、堆放。操作工人通過觀察，找到需要的書帖，用手抓取一摞書帖，搬運到儲頁臺上并整理書帖，以提高書帖的松散度和整齊度，便于書帖分離，最后將書帖放入儲頁格中。

2 自動添加書帖裝置設計需求

基于書帖自身的特性，以及配貼工藝流程，機構設計時需考慮以下問題：（1）書帖本身比較柔軟，不利于配頁過程中對其進行抓?。唬?）當書帖堆碼到一定高度時，書帖兩側會出現(xiàn)高度差，影響書帖堆碼的穩(wěn)定性及堆碼高度；（3）書帖的規(guī)格主要有16 開和32 開兩種，所設計的機構要能夠適應不同大小的書帖；（4）書帖需要按照頁碼順序，添加到對應的儲頁格當中，不能出現(xiàn)添加錯誤的情況；（5）添加書帖時需按照規(guī)定方向，折痕一側向前，添加到儲頁格當中；（6）添加書帖過程中要保證儲頁格當中有一定的書帖余量，不能出現(xiàn)儲頁格為空的情況；（7）書帖表面不能沾染液體，紙張不能出現(xiàn)劃痕、撕裂等情況；（8）長時間與支撐面之間發(fā)生滑動摩擦會導致字跡模糊與紙面磨損的情況。

3 自動添加書帖裝置總體方案設計

現(xiàn)有的書帖存儲方式以縱橫交錯、層層疊加、緊密排列的方式堆碼成一個長方體，優(yōu)點是以這種方式堆碼，存放的穩(wěn)定性高，存儲量大，不易散落，但這種存儲方式給書帖的抓取過程帶來了很大的難度，要實現(xiàn)書帖的自動抓取基本不可能。添加書貼的方式是將書帖疊摞堆放在儲頁格里，書帖是由印刷后經(jīng)過折頁形成，有折痕的部分厚度會略高于無折痕的部分，由于幾百個書帖高度的累積，形成了較為明顯的高度差，且隨著書帖數(shù)量的增加，這種高度差越發(fā)明顯，書帖的堆疊也更加不穩(wěn)定，因此每個儲頁格存放的書帖數(shù)量受到限制。由于緩存量不夠，如果一個工人同時配好幾貼，就會出現(xiàn)顧此失彼的情況，這也導致需要多個配貼工人。為了解決書帖緩存量小的問題，可將書帖豎直放置（折痕朝上）在輸送鏈板上向前輸送，如圖2 所示。相較于水平放置，這種方式能夠增加書帖的存儲量。通過斜向上的弧形輸送機構可使書帖由原來的豎直排列的狀態(tài)變成階梯狀的平鋪狀態(tài)，然后將書帖連續(xù)、緩慢地添加到儲頁格中。

圖2 書帖運動過程示意圖Fig.2 Sketch map of book signature movement process

4 基于TRIZ 理論的書帖輸送機構創(chuàng)新設計

4.1 技術矛盾和創(chuàng)新原理

當技術系統(tǒng)的某一個參數(shù)得到改善的同時，導致另一個參數(shù)惡化，就產(chǎn)生了技術矛盾[5]。TRIZ 理論將這些因素總結成描述系統(tǒng)性能的39個通用參數(shù)，建立了阿奇舒勒矛盾矩陣表（參見表1），并提供了40 個解決問題的發(fā)明原理。如圖3 所示，把實際問題轉化為技術矛盾之后，查找矛盾矩陣，找到推薦的解決該技術矛盾的發(fā)明原理[6]，將這些發(fā)明原理應用到實際問題中，就比較容易找到解決該實際問題的可行性方案[7-9]。

圖3 技術矛盾的流程Fig.3 Process of technical contradiction

表1 阿奇舒勒矛盾矩陣表Tab.1 Altshuller contradiction matrix table

4.2 問題描述

根據(jù)前文確定的總體方案，書帖需要豎直放置在輸送鏈板上向前輸送，由于書帖是柔軟片狀，當豎直放置時，很容易側倒、散落，因此必須在原來的輸送鏈板上增加額外的機構來保證書帖平穩(wěn)地豎直放置在輸送鏈板上而不側倒。再加上書帖具有不同大小的尺寸規(guī)格，所以輸送通道的大小要能適應書帖尺寸的變化。書帖輸送機構不僅要防止書帖側倒散落，也要滿足能夠輸送不同尺寸規(guī)格的書帖，這必然會使系統(tǒng)變得復雜。

4.3 技術矛盾分析

（1）將實際問題描述轉化成39 個通用參數(shù)中的2 項[10]。

根據(jù)以上對問題的描述，不管是增加機構來保證書帖平穩(wěn)輸送，還是使機構具備輸送不同尺寸規(guī)格的書帖的功能，勢必使系統(tǒng)變得復雜。改善輸送機構的適用性及多用性的同時系統(tǒng)的復雜程度增加，機構的適用性及多用性與系統(tǒng)的復雜性之間形成了一對技術矛盾。

通用參數(shù)35 號適用性及多用性：指物體或系統(tǒng)積極響應外部變化的能力，或者在各種外部影響下，具備以多種方式發(fā)揮功能的可能性[11]。在此問題中，適用性及多用性的提高是改善的參數(shù)。

通用參數(shù)36 號系統(tǒng)的復雜性：指系統(tǒng)元素及其相互關系的數(shù)目及多樣性。如果用戶也是系統(tǒng)的一部分，將會增加系統(tǒng)的復雜性。人們掌握該系統(tǒng)的難易程度是其復雜性的一種度量[12]。在此問題中，系統(tǒng)的復雜性增加是惡化的參數(shù)。

（2）根據(jù)得到的工程參數(shù)，確定解決問題需要的發(fā)明原理

在表1 的矛盾矩陣表中，沿“改進參數(shù)”方向找到“35 適用性及多用性”這個參數(shù)的名稱，然后沿“惡化參數(shù)”方向找出“36 系統(tǒng)的復雜性”這個參數(shù)的名稱，35（適用性及多用性）所在行與36（系統(tǒng)的復雜性）所在列的交叉處，即為解決該問題的4個發(fā)明原理，分別為：15號動態(tài)特性，29 號氣壓和液壓結構，37 號熱膨脹，28 號機械系統(tǒng)替代。綜合分析以上4 個發(fā)明原理，解決該問題最有效的發(fā)明原理是15 號動態(tài)特性原理，其余3 個發(fā)明原理對該問題的徹底解決幫助不大。

4.3 問題解決

4.3.1 動態(tài)特性原理的具體方法

15 號動態(tài)特性原理的基本內(nèi)容為：①調整物體或環(huán)境的性能，使其在工作的各階段達到最優(yōu)狀態(tài)。②分割物體，使其各部分可以改變相對位置。③如果一個物體是靜止的，使之移動或可動[13]。

若書帖豎直放置時靜止不動，在原輸送鏈板上增加一個用來固定書帖使之不側倒散落的機構，就可以起到固定書帖的作用。但是，在添加書帖的過程當中，書帖必須在輸送鏈板上源源不斷的向前輸送，所以增加用來固定書帖的機構必須有一個在輸送方向上的移動（參見圖4）。為了適應不同尺寸規(guī)格的書帖，增加的機構還需有一個在垂直于輸送方向的移動。

圖4 書帖輸送及尺寸調整方向Fig.4 Direction of book signature transportation and size adjustment

4.3.2 基于動態(tài)特性原理（15）的卡爪的創(chuàng)新設計

在發(fā)明原理15 的啟發(fā)下，分割物體，使其各部分可以改變相對位置。在原有的輸送鏈板兩側設置一個側擋板，側擋板上安裝一個可以隨書帖一起運動的卡爪，可以防止書帖側倒，與輸送鏈板組合在一起，實現(xiàn)書帖平穩(wěn)向前輸送的功能。

卡爪的結構如圖5 所示。卡爪主要由擺桿、拉伸彈簧以及安裝板組成。安裝板固定在滾子鏈上，在鏈條的帶動下，可以隨著鏈條與輸送鏈板同步向前運動，使書帖保持動態(tài)穩(wěn)定。擺桿的主要作用是支撐書帖使其不側倒、散落，由于限位擋桿的作用，擺桿不能順時針轉動，可以推著書帖向前輸送。拉伸彈簧的主要作用是，當書帖受到外力，快速向前運動填滿空隙時，彈簧被拉長，擺桿逆時針轉動，使書帖順利通過，緊密排列在一起。

圖5 卡爪結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of jaw structure

4.3.3 基于動態(tài)特性原理（15）的可調節(jié)側擋板的創(chuàng)新設計

在發(fā)明原理15 的啟發(fā)下，如果一個物體是靜止的，使之移動或可動。在輸送鏈板的支架上，設置兩條垂直于輸送方向的可以滑動的導軌，將兩個側擋板安裝在導軌上，通過滾珠絲杠帶動側擋板向兩側或中心移動，帶有可移動卡爪的側擋板與導軌、輸送鏈板組合在一起，最終組合起來的整體機構既能保證書帖平穩(wěn)向前輸送，又能進行寬度調節(jié)來適應不同尺寸規(guī)格的書帖。

側擋板的結構如圖6 所示。支架兩端安裝兩根導軌，中間安裝一根雙向滾珠絲杠，兩個側擋板安裝在導軌上，通過滾珠絲杠的正反轉，帶動側擋板沿導軌相對或相向滑動，實現(xiàn)調節(jié)寬度的功能。

圖6 可調節(jié)側擋板結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of adjustable side baffle structure

5 自動添加書帖裝置的三維建模

5.1 輸送鏈板及底座三維建模

為增加配帖過程中書帖的緩存量，將書帖豎直放置在輸送鏈板上，由輸送鏈板將書帖輸送到前面的弧形輸送機構，輸送鏈板長度根據(jù)需要可以適當加長。輸送鏈板及機架的結構如圖7 所示。

圖7 輸送鏈板及底座結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of conveyor chain plate and base structure

兩條輸送鏈板安裝在機架上，在電機帶動下向前輸送書帖。輸送機構一側安裝氣缸推板，目的是將添加進去的書帖快速向前推送，使書帖緊密排列，并為下次添加書帖空出位置。在輸送鏈板兩側及中間設置支撐板，起到支撐書帖的作用。

5.2 卡爪鏈條三維建模

上述輸送機構存在的問題是，當書帖豎直放置時，易側倒、散落，為了使書帖平穩(wěn)輸送，設計一個用于支撐書帖的動態(tài)卡爪就顯得尤為重要。如圖8 所示，卡爪安裝在滾子鏈上，鏈條內(nèi)側安裝鏈條導軌，用于支撐和引導鏈條，在卡爪受到書帖擠壓時，支撐鏈條減少變形。兩條卡爪鏈條安裝在輸送鏈板兩側的側擋板上，在電機的帶動下，卡爪與輸送鏈條同步向前運動，使書帖保持動態(tài)平穩(wěn)狀態(tài)。

5.3 側擋板三維建模

如圖9 所示，側擋板通過支架安裝在導軌上，在滾珠絲杠的帶動下，沿著導軌滑動。側擋板中上方開一條縫隙，便于卡爪穿過縫隙，卡爪上的擺桿伸出側擋板，用來固定書帖。卡爪鏈條通過鏈輪軸安裝在支架上，鏈輪軸帶動卡爪鏈條與輸送鏈板同步向前運動。

圖9 側擋板結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of side baffle structure

5.4 弧形輸送機構三維建模

如圖10 所示，機架上安裝一個弧形支撐板，支撐板上安裝兩條輸送鏈和兩條窄輸送帶，用于輸送書帖。支撐板上方安裝壓緊皮帶以及輔助壓緊皮帶，為書帖提供一定的壓力，增大書帖與輸送鏈和輸送帶之間的摩擦力，并使書帖呈階梯狀緊密排列，避免書帖松散，保證書帖平穩(wěn)輸送。

圖10 弧形輸送機構結構示意圖Fig.10 Schematic diagram of arc conveyor mechanism

5.5 自動添加書帖裝置總體布局

自動添加書帖裝置總裝配三維實體圖如圖11 所示。本方案主要由氣缸推板、輸送鏈板、側擋板、卡爪和弧形輸送機構組成，各部分結構及安裝位置前文已詳細描述，此處不再贅述。

圖11 自動添加書帖裝置總裝配三維實體圖Fig.11 General assembly 3D solid diagram of automatically adding book-signature mechanism

添加書帖時的具體實施過程：將書帖豎直放置在輸送鏈板和側擋板形成的凹槽中，氣缸帶動推板推動書帖快速向前運動，此時書帖作用在兩側卡爪上的力迫使卡爪上的擺桿擺動，使書帖不受卡爪的限制向前運動，當書帖通過以后，卡爪上的擺桿受到彈簧的拉力，使書帖后方的卡爪彈出，恢復原位，并且由于限位擋桿的作用，擺桿只能單向擺動，書帖不能向后運動，卡爪固定住書帖，并和輸送鏈板一起帶著書帖緩慢向前運動。書帖運動到凹槽最前端時，與弧形輸送機構接觸，斜向上的輸送鏈使書帖由原來豎直緊密排列的狀態(tài)變成階梯狀的平鋪狀態(tài)，階梯狀平鋪的書帖由上方壓緊皮帶壓緊并由底下的輸送鏈和輸送帶向前輸送，最終緩慢連續(xù)添加到配頁機上的儲頁格中。

6 結語

本文在分析了配貼工藝流程的基礎上，確定了自動添加書帖裝置的總體方案，并對其中存在的關鍵問題，運用TRIZ 理論的技術矛盾分析，選擇15 號動態(tài)特性原理，創(chuàng)新設計了書帖輸送機構中的動態(tài)卡爪和可調節(jié)側擋板。書帖輸送機構與弧形輸送機構串聯(lián)、配合，完成了自動添加書帖裝置的創(chuàng)新設計，滿足了添加不同尺寸規(guī)格的書帖的設計需求。實現(xiàn)了自動配頁功能，減少了添加書帖過程中的的人工操作，減輕了工人的體力勞動，提高了書刊裝訂環(huán)節(jié)的自動化水平，進而減少了操作工人數(shù)量，減少了人工成本，具備一定的應用推廣價值和經(jīng)濟效益。