基于TRIZ的定量送粉器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳樂堯，黃麓升，程 功，張 波

（1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同中心，湘潭 411104；3.湖南省技術(shù)創(chuàng)新方法研究會(huì)，長沙 410205；4.湖南萌境智能三維技術(shù)有限公司，湘潭 411104）

0 引言

利用TRIZ 理論解決創(chuàng)新問題的經(jīng)典流程是先將具體創(chuàng)新問題抽象化，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題，利用TRIZ 理論工具得到標(biāo)準(zhǔn)方案，通過類比應(yīng)用得到創(chuàng)新方案.在界定清楚問題后，再用矛盾分析、功能分析、資源分析、因果分析等方法來剖析問題，采用發(fā)明原理、分離原理、標(biāo)準(zhǔn)解和科學(xué)效應(yīng)等工具解決問題，最后利用最終理想解和專利查新對(duì)解決方案進(jìn)行評(píng)估［1-5］.本文將利用TRIZ 理論工具分析解決定量送粉器計(jì)量不準(zhǔn)確的問題.

1 送粉器計(jì)量不準(zhǔn)確問題描述

采用尼龍粉末的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering-SLS），需要在每燒結(jié)一層后，定量送粉、鋪粉、再燒結(jié)下一層.尼龍粉末需要定量輸送到燒結(jié)區(qū)域，粉末過多容易形成浪費(fèi)；粉末過少會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)失敗.送粉器的功能是定量輸送粉末，是一種采用帶槽的送粉輥旋轉(zhuǎn)定量送粉的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，主要由固定框和送粉輥組成.固定框由兩塊長側(cè)梁和兩個(gè)端板構(gòu)成，兩塊長側(cè)梁組合形成長圓孔，孔內(nèi)套設(shè)有帶槽的送粉輥，送粉輥在固定框內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn).粉末保存在安裝于固定框上方的粉斗里，粉末從固定框上部的進(jìn)粉口進(jìn)入，與送粉輥的上部接觸，落入送粉輥的槽內(nèi)，送粉輥與固定框形成粉末存留區(qū).當(dāng)送粉輥順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，粉末存留區(qū)的槽會(huì)帶著粉末在固定框內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，一直到達(dá)固定框下部的出粉口，控制送粉輥的旋轉(zhuǎn)角度可計(jì)量出粉量.粉末在下落到粉末留存區(qū)前，采用吹氣擾動(dòng)保證粉末的流動(dòng)性.送粉輥與固定框之間有一定的間隙，采用上下兩塊橡膠板密封.橡膠板采用壓板及螺釘連接在固定框上下兩側(cè).送粉器在送粉時(shí)存在漏粉的現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)量的精度不能準(zhǔn)確控制.將橡膠板設(shè)計(jì)為可更換的易損件，通過用螺釘、壓板固定和涂膠密封等方法，使橡膠板的密封功能恢復(fù)正常，但是效果不理想.為此，需要徹底解決送粉器定量輸出粉末不準(zhǔn)確的問題，確保正常運(yùn)行.

圖1 送粉器結(jié)構(gòu)圖

2 送粉器系統(tǒng)問題分析

2.1 送粉器系統(tǒng)功能分析

送粉器的系統(tǒng)組件包括送粉輥、固定框、橡膠板、壓板、螺釘.超系統(tǒng)組件包括粉斗、高低壓空氣.系統(tǒng)作用對(duì)象是粉末.經(jīng)過分析，構(gòu)造其相互作用關(guān)系矩陣如表1 所示，有相互作用關(guān)系的用“＋”表示，否則用“－”表示.

表1 送粉器系統(tǒng)作用分析矩陣

根據(jù)表1 對(duì)送粉器系統(tǒng)的功能及其屬性進(jìn)行詳細(xì)分析，匯總?cè)绫? 所示.

表2 送粉器的功能分析表

images/BZ_42_1292_2286_2233_2470.png粉末粉末壓板橡膠板橡膠板橡膠板橡膠板螺釘螺釘粉斗粉斗高低壓空氣高低壓空氣接觸送粉輥接觸固定框壓緊橡膠板擠壓壓板密封高壓空氣密封送粉輥密封粉末緊固固定框緊固壓板連通固定框存儲(chǔ)粉末擠壓橡膠板吹松粉末√√√√ √√√√ √√√√√

系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件和被作用對(duì)象等之間的功能結(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖2 所示.

圖2 送粉器的功能結(jié)構(gòu)模型

通過以上功能分析，定量輸送粉末時(shí)，導(dǎo)致粉末泄漏因素主要有三個(gè)：

（1）粉末輸送過程中摩擦橡膠板，導(dǎo)致粉末泄漏；

（2）高低壓空氣擠壓橡膠板，導(dǎo)致粉末泄漏；

（3）送粉輥在旋轉(zhuǎn)過程中摩擦橡膠板，導(dǎo)致粉末泄漏.

2.2 送粉器系統(tǒng)因果軸分析

對(duì)橡膠板密封不足進(jìn)行因果軸分析，如圖3 所示，導(dǎo)致橡膠板密封不足的原因是橡膠板磨損過度和橡膠板變形過度.而導(dǎo)致橡膠板磨損過度的原因主要是送粉輥反復(fù)過度摩擦橡膠板、粉末過度摩擦橡膠板和橡膠板本身存在老化現(xiàn)象.導(dǎo)致橡膠板變形過度的原因一是高低壓空氣在吹松粉末時(shí)，會(huì)將壓力傳遞到橡膠板，導(dǎo)致變形；二是壓板固定橡膠板時(shí)，螺釘預(yù)緊力過大，使橡膠板壓縮過多，導(dǎo)致結(jié)合面變形.

圖3 橡膠板密封不足的因果軸分析

橡膠板密封不足將直接導(dǎo)致燒結(jié)時(shí)粉末數(shù)量不足，燒結(jié)過程將因缺少粉末而失敗，同時(shí)使客戶打印成本過度增加，造成浪費(fèi).

2.3 送粉器的系統(tǒng)資源

系統(tǒng)資源的類型有物質(zhì)資源、能量資源、信息資源等六類，為簡便，下面僅僅從系統(tǒng)軸的角度對(duì)送粉器進(jìn)行資源分析，結(jié)果如表3 所示，這些資源可為后續(xù)的資源分析提供參考.

表3 基于送粉器系統(tǒng)軸的資源分析列表

3 送粉器系統(tǒng)采用TRIZ工具解題及方案

3.1 采用系統(tǒng)裁剪工具

根據(jù)圖2 的功能模型，橡膠板伴有三個(gè)負(fù)作用：橡膠板和送粉輥之間的摩擦、高低壓空氣對(duì)橡膠板的擠壓、粉末對(duì)橡膠板的摩擦.這三個(gè)負(fù)作用都可能導(dǎo)致密封失效，從而產(chǎn)生粉末泄漏.可以考慮將橡膠板作為裁剪的首要選項(xiàng).裁剪后，橡膠板的密封功能可以通過縮小送粉輥與固定框的間隙來實(shí)現(xiàn).同時(shí)，固定橡膠板的壓板和螺釘可以一并裁剪，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化.送粉器系統(tǒng)裁剪后新的功能模型如圖4 所示.

圖4 裁剪分析后的系統(tǒng)功能模型

這樣得到創(chuàng)新方案一：裁剪橡膠板，其密封功能用縮小固定框與送粉輥的間隙替代.

3.2 采用矛盾矩陣工具

定義第一對(duì)技術(shù)矛盾.根據(jù)圖3 可見，引起橡膠板變形過度的原因之一是高低壓空氣壓力過度.需要解決的問題是如何減少橡膠板的變形.現(xiàn)有解決辦法是減小高低壓空氣的壓力，可以減少橡膠板的變形.存在的缺點(diǎn)是將使粉末的流動(dòng)性下降，導(dǎo)致送粉器無法送粉.因此，用39 個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的兩個(gè)就可以表示成：需要改善的特性參數(shù)“形狀”與系統(tǒng)惡化的特性參數(shù)“速度”之間的矛盾.

定義第二對(duì)技術(shù)矛盾.根據(jù)圖3 可見，引起橡膠板磨損過度的原因之一是送粉輥摩擦過度.需要解決的問題是如何減少送粉輥對(duì)橡膠板的摩擦.現(xiàn)有解決辦法是減小送粉輥與橡膠板的接觸面的摩擦系數(shù)，可減少對(duì)橡膠板的磨損.存在的缺點(diǎn)是將導(dǎo)致送粉輥的可制造性變差.因此，用39 個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的兩個(gè)就可以表示成：需要改善的特性參數(shù)“物質(zhì)損失”與系統(tǒng)惡化的特性參數(shù)“可制造性”之間的矛盾.

定義第三對(duì)技術(shù)矛盾.根據(jù)圖4 可見，裁剪橡膠板后，存在固定框與送粉輥之間對(duì)粉末密封不可靠的問題.現(xiàn)有解決辦法是減少固定框與送粉輥之間的間隙.存在的缺點(diǎn)是將導(dǎo)致送粉輥的磨損增加，耐磨能力不足.因此，用39 個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的兩個(gè)就可以表示成：需要改善的特性參數(shù)“可靠性”與系統(tǒng)惡化的特性參數(shù)“物質(zhì)損失”之間的矛盾.

查矛盾矩陣［1］，查出的發(fā)明原理如表4 所示.

表4 送粉器計(jì)量不準(zhǔn)問題矛盾矩陣求解發(fā)明原理

根據(jù)查到的發(fā)明原理，就可以針對(duì)其技術(shù)矛盾逐個(gè)尋求解決方案.

針對(duì)第一對(duì)技術(shù)矛盾，經(jīng)分析可得到如下四個(gè)方案：

根據(jù)“15-動(dòng)態(tài)特性原理”，得到創(chuàng)新方案二：考慮采用螺旋葉片等進(jìn)行機(jī)械攪動(dòng)粉末，使粉末流動(dòng)性增加.

根據(jù)“18-機(jī)械振動(dòng)原理”，得到創(chuàng)新方案三：增加機(jī)械振動(dòng)裝置，使粉末振松，增加流動(dòng)性.

根據(jù)“35-物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼?，得到方案四：改變橡膠板原料的配方，或重新選擇其他橡膠材料，提高其抗變形能力.

根據(jù)“34-拋棄或再生原理”，得到方案五：更換橡膠件，恢復(fù)其抗變形能力.

針對(duì)第二對(duì)技術(shù)矛盾，經(jīng)分析可得到如下三個(gè)方案：

根據(jù)“15-動(dòng)態(tài)特性原理”，得到方案六：改變橡膠板的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)橡膠板磨損后，可以自動(dòng)移動(dòng)，補(bǔ)償磨損量.

根據(jù)“33-均質(zhì)性原理”，得到方案七：將送粉輥的材料改變?yōu)橄鹉z材質(zhì)或尼龍材質(zhì)，使兩者材質(zhì)性能相近，提高耐磨性.

根據(jù)“34-拋棄或再生原理”，得到方案八：改變橡膠板的裝配結(jié)構(gòu)，使磨損后的橡膠板可以進(jìn)行快速更換或補(bǔ)償磨損的部分.

針對(duì)第三對(duì)技術(shù)矛盾，經(jīng)分析可得到如下兩個(gè)方案：

根據(jù)“10-預(yù)先作用原理”，得到方案九：通過預(yù)先對(duì)送粉輥的表面進(jìn)行硬度強(qiáng)化，提高其表面的耐磨性.

根據(jù)“35-物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼保玫椒桨甘和ㄟ^對(duì)送粉輥表面涂覆耐磨材料，改變其化學(xué)成分，提高其耐磨性.

3.3 采用資源分析工具

原有系統(tǒng)是采用吹氣方式使粉末增加流動(dòng)性，但是帶來的問題是吹氣的氣壓擠壓橡膠板，使橡膠板變形，導(dǎo)致粉末泄漏.參考表3，通過對(duì)系統(tǒng)的能量資源、時(shí)間資源等進(jìn)行深入分析，可以得到以下六個(gè)方案：

方案十一：采用機(jī)械螺旋葉片攪拌實(shí)現(xiàn)粉末流動(dòng)，避免吹氣導(dǎo)致的粉末泄漏.

方案十二：采用超聲波振動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)粉末振松，避免吹氣.

方案十三：改變吹氣的時(shí)機(jī)，送粉輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)吹氣，靜止時(shí)不吹氣.

方案十四：通過增加粉末流動(dòng)性，讓粉末自流動(dòng)，避免吹氣.

方案十五：減少送粉輥與固定框之間的間隙，達(dá)到自密封效果，降低吹氣壓力，減少泄漏.

方案十六：增加一套彈簧絲插入送粉輥的槽中，由送粉輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)彈簧絲機(jī)械擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)粉末流動(dòng)，避免吹氣.

3.4 采用物場模型與標(biāo)準(zhǔn)解工具

根據(jù)圖4 的分析，如果裁剪掉橡膠板，橡膠板密封粉末的功能將需要固定框與送粉輥來實(shí)現(xiàn).建立的物場模型如圖5 所示，其中S1表示送粉輥，S2表示固定框，F(xiàn) 表示氣動(dòng)場的密封性.由圖5 可知，物場模型中的元素齊全，但S2對(duì)S1產(chǎn)生的作用不足以達(dá)到氣動(dòng)場密封性的要求，因此，需要對(duì)模型所起的作用進(jìn)行加強(qiáng).可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解第2 類和第3 類的增強(qiáng)物場作用的方法［6］，經(jīng)過分析，有以下標(biāo)準(zhǔn)解可供參考.

圖5 問題的物場模型

（1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解S226，使用異構(gòu)物質(zhì)對(duì)S1與S2進(jìn)行修改.根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)的現(xiàn)有狀態(tài)，最簡單的方法是對(duì)固定框和送粉輥的配合性質(zhì)進(jìn)行修改，減小兩者的配合間隙，提高其密封性，還可以提高送粉輥的加工精度，提高固定框的剛性等，提高其精度的保持性，這是方案十七.

（2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解S221，用更加容易控制的場來代替原來不容易控制的場，建立如圖6 所示解決方案的物場模型.采用超聲振動(dòng)的聲學(xué)場代替原來的氣動(dòng)場.去掉了空氣壓力，使固定框與送粉輥之間的間隙能足夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)粉末的密封，同時(shí)，超聲振動(dòng)又具有提高粉末流動(dòng)性的作用，這是方案十八.

圖6 解決方案的物場模型

4 方案評(píng)價(jià)與最終解決方案

根據(jù)前面的分析，已經(jīng)得到十八個(gè)方案，分別進(jìn)行評(píng)價(jià)如表5 所示.

表5 擬采用方案的評(píng)價(jià)

根據(jù)上表的分析，結(jié)合實(shí)際情況，選取了方案1、9、10、13、14、15、17 等七個(gè)方案，重新進(jìn)行組合，得到了一個(gè)即降低成本又可以解決泄漏問題的方案.即裁剪掉橡膠板，減小送粉輥與固定框架之間的配合間隙，對(duì)送粉輥表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，提高其耐磨性，將固定框設(shè)計(jì)成一個(gè)組件，提高其剛性，保持固定框的精度，優(yōu)化吹氣的時(shí)間點(diǎn)，有需要時(shí)在粉末中添加助流劑等，徹底解決了送粉器計(jì)量不準(zhǔn)確的問題，并申請(qǐng)了國家專利［7］.該項(xiàng)技術(shù)已成功地應(yīng)用到了相關(guān)研發(fā)產(chǎn)品上.

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的送粉器新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7 所示.

圖7 送粉器創(chuàng)新設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)定量送粉器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，運(yùn)用TRIZ 理論中的功能分析、因果軸分析、矛盾分析、資源分析、物場分析等工具，對(duì)定量送粉器因漏粉導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確的問題進(jìn)行了深入研究，運(yùn)用TRIZ 理論的解題工具提出了18 種解決問題方案，開拓了解決問題的思路，其創(chuàng)新求解的過程對(duì)利用TRIZ 理論求解具有廣泛的借鑒意義.