基于TRIZ 理論的W 板自動(dòng)敷繩設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李歡歡，宋西寧，孫春萍，周荃

（261041 山東省 濰坊市 濰坊職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

W 板也叫波形板，多用做高速公路波形防撞欄、工廠防護(hù)欄等，生產(chǎn)完的波型板在運(yùn)輸過程中，若波形板之間沒有中介物將其間隔開，會(huì)對(duì)板子表面產(chǎn)生破壞。目前，在其生產(chǎn)過程中，最后工序是將表面處理好的 W 板碼垛到一起，W 板的碼垛一般是水平方向4 片為一排，垂直方向22 層為一垛[1]，以便打包后運(yùn)輸，如圖1 所示。目前主要是采用人工的方式將W 板之間進(jìn)行敷繩，以達(dá)到間隔板子并保護(hù)在運(yùn)輸過程中免受損壞的目的。人工敷繩的方式加大了工人的工作強(qiáng)度且工作效率低。但目前市面上沒有解決該問題的自動(dòng)化設(shè)備，如何解決W 板運(yùn)輸過程中的保護(hù)問題成為亟待解決的問題。

圖1 W 板敷繩后碼垛圖Fig.1 Stacking diagram after rope laying on W-plate

在U-TRIZ 解題流程中，技術(shù)系統(tǒng)分析環(huán)節(jié)被特別加強(qiáng)，SAFC 分析模型是實(shí)現(xiàn)迭代創(chuàng)新（產(chǎn)品改進(jìn)求解）和原始創(chuàng)新的重要工具。在SAFC 分析模型中，S1和S2分別代表一對(duì)相互作用的物質(zhì)，A1和A2分別對(duì)應(yīng)為S1和S2的屬性。習(xí)慣上，將物質(zhì)S1作為功能載體-發(fā)出動(dòng)作的主體，將物質(zhì)S2作為接受動(dòng)作的客體；S3是實(shí)現(xiàn)功能后延展產(chǎn)生的、具有屬性 A3的第三物質(zhì)；Fuh是物質(zhì)S1的屬性A1與物質(zhì)S2的屬性A2相互作用產(chǎn)生的、可能有利或有害的功能[2]。標(biāo)準(zhǔn)的SAFC 分析模型如圖2 所示。

圖2 SAFC 分析模型Fig.2 SAFC analysis model

1 基于TRIZ 理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 問題定義與分析

如何使W 板的表面在運(yùn)輸過程中不被破壞是最終要解決的問題。目前人工敷繩方式存在很多不足：工人工作強(qiáng)度大，碼垛速度不高。從W 板的運(yùn)輸角度出發(fā)，理想狀態(tài)是W 板不怕刮擦破壞，然而由于W 板本身的特性及W 板油漆的易刮擦特性，導(dǎo)致W 板在運(yùn)輸過程中不可能達(dá)到表面不被破壞。不論事前還是事中解決問題，現(xiàn)存的主要問題是增加了成本及系統(tǒng)的復(fù)雜性。那么次優(yōu)的最終理想解定義為，使板子之間存在間隙，靠間隙來保護(hù)板子的表面，在其他方式實(shí)現(xiàn)有困難或者暫時(shí)達(dá)不到的情況下，研制機(jī)械裝置代替人工，實(shí)現(xiàn)板子表面覆繩，達(dá)到保護(hù)板子表面的目的。

根據(jù)U-TRIZ 的SAFC 模型[3-4]，對(duì)W 板敷繩的過程進(jìn)行分析，如圖3 所示?？梢钥闯觯琖 板要想碼垛整齊并且有間隔，需要人和碼垛機(jī)的配合。碼垛機(jī)在W 板碼垛的過程中，人將草繩敷在板子之間達(dá)到保護(hù)板子的目的，這就需要人與碼垛機(jī)工作時(shí)間的一致性，若達(dá)不到一致，會(huì)使碼垛過程效率低下。若不敷繩，碼垛的效率提高了，但是W板之間沒有草繩間隔，板子表面會(huì)受到損傷。由此得到碼垛過程中存在的矛盾為碼垛效率與W 板強(qiáng)度之間的矛盾，以及手動(dòng)操作對(duì)W 板進(jìn)行敷繩自動(dòng)化程度低與制造成本、系統(tǒng)復(fù)雜性之間的矛盾。

圖3 W 板碼垛并敷繩的SAFC 模型Fig.3 SAFC model of W-plate stacking and rope laying

1.2 TRIZ 原理求解分析

將以上根據(jù)SAFC 模型分析的矛盾問題轉(zhuǎn)變?yōu)?8 項(xiàng)工程參數(shù)，即轉(zhuǎn)變?yōu)門RIZ 標(biāo)準(zhǔn)問題[5-6]。在既要“實(shí)現(xiàn)在W 板碼垛過程板之間產(chǎn)生間隔，又要避免生產(chǎn)成本的提高”的前提下，對(duì)以上發(fā)現(xiàn)的問題分析，找出必須消除的問題是由哪些沖突屬性引起的，把出現(xiàn)的問題分析變成為48 項(xiàng)工程參數(shù)中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)，然后根據(jù)矛盾矩陣，找到相應(yīng)的發(fā)明原理，提供解決問題的方法[7-10]。

實(shí)現(xiàn)W 板自動(dòng)敷繩，提高自動(dòng)化程度，相應(yīng)也提升了敷繩的生產(chǎn)率及可操作度，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性也被提高了，即惡化的參數(shù)為系統(tǒng)復(fù)雜性。在矛盾矩陣中找到惡化的參數(shù)，自動(dòng)化程度特征對(duì)應(yīng)的編號(hào)為 43，在改善的參數(shù)中找到可操作度、自動(dòng)化程度、生產(chǎn)率的對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為 34、43、44。對(duì)立的矛盾構(gòu)成的沖突矩陣如表1 所示。

表1 矛盾矩陣表Tab.1 Contradiction matrix

針對(duì)“實(shí)現(xiàn)對(duì)W 板的自動(dòng)化敷繩”、實(shí)現(xiàn)“W板敷繩操作容易”、“提高W 板敷繩的生產(chǎn)率”分別與“提高系統(tǒng)復(fù)雜性”形成的這3 對(duì)矛盾，通過對(duì)照矛盾矩陣表可以看出，查找第34、43、44行和第45 行，得到表中列舉出的W 板自動(dòng)敷繩設(shè)備的發(fā)明原理。對(duì)矩陣表中列舉的發(fā)明原理進(jìn)行分析篩選，采用編號(hào)為15、17、28 的發(fā)明原理，這3 條原理對(duì)問題的解決有啟發(fā)作用。

15 號(hào)動(dòng)態(tài)性原理是：（1）自動(dòng)調(diào)節(jié)物體，使其各動(dòng)作及各階段都是最佳工作狀態(tài)；（2）分割物體，使其各部分可以改變相對(duì)位置；（3）使靜止的物體可以移動(dòng)或具有柔性。根據(jù)動(dòng)態(tài)化原理的提示可以將整個(gè)系統(tǒng)劃分成幾部分，各部分之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)W 板敷繩的整個(gè)動(dòng)作。

17 號(hào)維數(shù)變化原理是：（1）如果物體作線性運(yùn)動(dòng)有困難，則使物體在二維度上移動(dòng)，在一個(gè)平面上的運(yùn)動(dòng)也可以過渡到三維空間；（2）單層排列的物體變?yōu)槎鄬优帕?；?）將物體傾斜或側(cè)向放置；（4）利用給定表面的反面；（5）利用投向相鄰面或反面的光流。根據(jù)維數(shù)變化原理的提示，要完成覆繩工作，將動(dòng)作分解為2 部分，實(shí)現(xiàn)繩在二維度上運(yùn)動(dòng)。

28 號(hào)替代機(jī)械系統(tǒng)是：（1）用視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、味覺系統(tǒng)或嗅覺系統(tǒng)替代機(jī)械系統(tǒng)；（2）使用與物體相互作用的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)；（3）用可變場(chǎng)替代恒定場(chǎng)，隨時(shí)間變化的可動(dòng)場(chǎng)替代固定場(chǎng)，隨機(jī)場(chǎng)替代恒定場(chǎng)；（4）把場(chǎng)與場(chǎng)作用粒子組合使用。根據(jù)替代機(jī)械系統(tǒng)的作用可運(yùn)用相關(guān)的傳感元件代替人眼判斷W 板碼垛完成與敷繩動(dòng)作的完成。

2 創(chuàng)新方案的設(shè)計(jì)

對(duì)需要解決的問題進(jìn)行矛盾分析得到相應(yīng)的發(fā)明原理，該發(fā)明原理只是一般解，還需要對(duì)該原理進(jìn)行發(fā)散聯(lián)想得到解決問題的具體實(shí)際方案。

在15 號(hào)動(dòng)態(tài)化原理和17 號(hào)維數(shù)變化原理的啟發(fā)下，將W 板敷繩的整個(gè)過程分成2 部分，繩子從輥?zhàn)由蠞L動(dòng)出來，然后繩子橫向覆在W 板上。兩個(gè)動(dòng)作應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行，兩動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)根據(jù)空間分離的原理，分別依靠不同的電機(jī)帶動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，此處設(shè)計(jì)兩個(gè)電機(jī)分別控制敷繩動(dòng)作及繩的縱向移動(dòng)。在28 號(hào)機(jī)械系統(tǒng)替代原理的啟發(fā)下，人工敷繩時(shí)，可通過人眼判斷在W 板碼垛完成時(shí)，再行敷繩動(dòng)作，機(jī)器設(shè)備自動(dòng)完成時(shí)，如何將兩個(gè)動(dòng)作連貫完成并且避免漏敷的情況，這里設(shè)計(jì)采用“傳感檢測(cè)元件”，時(shí)時(shí)檢測(cè)碼垛過程與敷繩動(dòng)作的連貫一致性。

通過上述基于TRIZ 理論的創(chuàng)新分析，最終確立如圖4 所示的W 板自動(dòng)敷繩設(shè)備的創(chuàng)新方案，其正視圖如圖5 所示，左視圖如圖6 所示。

圖4 W 板自動(dòng)敷繩設(shè)備的創(chuàng)新方案Fig.4 Innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

圖5 W 板自動(dòng)敷繩設(shè)備的創(chuàng)新方案的正視圖Fig.5 Front view of innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

圖6 W 板自動(dòng)敷繩設(shè)備的創(chuàng)新方案的左視圖Fig.6 Left view of innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

該裝置分別通過一個(gè)敷繩電動(dòng)機(jī)、一個(gè)縱向電機(jī)對(duì)設(shè)備提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，敷繩電動(dòng)機(jī)控制草繩從繩輥上放下的長度，縱向電機(jī)控制橫梁的縱向移動(dòng)。在縱向電機(jī)控制橫梁縱向移動(dòng)的過程中，敷繩電機(jī)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，控制草繩同步從繩輥上放下，實(shí)現(xiàn)對(duì)W 板的絕對(duì)包容，實(shí)現(xiàn)W 板碼垛過程中層與層之間的自動(dòng)化敷繩。

3 結(jié)論

分析W 板在人工敷繩過程中存在的問題，得到創(chuàng)新設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中的矛盾沖突，依據(jù)W 板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化敷繩問題，形成了操作容易和產(chǎn)出效率同設(shè)備復(fù)雜程度之間的矛盾。利用TRIZ 發(fā)明原理，獲得了解決問題的方向，最終實(shí)現(xiàn)了W 板的自動(dòng)化敷繩工作，解放了工人，有效地提升了作業(yè)速度，提高了生產(chǎn)效率。利用TRIZ 的矛盾沖突理論，在W 板敷繩設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中起到了啟發(fā)作用，有利于設(shè)計(jì)人員打開設(shè)計(jì)思路，獲得更好的設(shè)計(jì)方案。