基于TRIZ理論的觸屏玻璃運存裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

何濤, 龔寶春, 王成軍, 許博

(1.安徽理工大學(xué)安徽省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用與示范基地, 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院, 淮南 232001;3.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院, 淮南 232001)

隨著液晶電視技術(shù)、手機智能技術(shù)和信息化的發(fā)展,社會對各種類型和用途的平板顯示器等電子顯示設(shè)備的需求量不斷增加,企業(yè)對觸屏玻璃的產(chǎn)量要求也越來越高[1]。中國顯示產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年深耕,產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達全球首位,大型觸屏玻璃生產(chǎn)企業(yè)均已實現(xiàn)全流程的自動化作業(yè)[2],但中小型觸屏玻璃生產(chǎn)企業(yè)的自動化水平亟待提升,尤其是不同加工設(shè)備間的轉(zhuǎn)運存儲缺少高效的專用設(shè)備,部分企業(yè)還以人工運存為主,不僅效率低,且破損率高,制約了中小型觸屏玻璃生產(chǎn)線的自動化水平及成品率的提升[3-4]。

為解決玻璃運存技術(shù)難題,許多學(xué)者從生產(chǎn)、運輸和包裝等方向進行了研究。張世杰等[5]針對液晶顯示玻璃基板在生產(chǎn)過程中易破碎且良品率不足的問題,提出一種新的液晶顯示玻璃基板雙機器人搬運系統(tǒng)。倪龍珠等[6]為解決玻璃深加工產(chǎn)線中翻片設(shè)備缺點和不足,設(shè)計了一種12工位玻璃翻轉(zhuǎn)設(shè)備。王章蘋等[7]設(shè)計了一種蜂蜜玻璃包裝的緩沖結(jié)構(gòu),既發(fā)揮了瓦楞紙板的緩沖性能,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的保護功能,又能節(jié)約材料,降低生產(chǎn)成本和流通成本。

上述玻璃存儲裝置多為大型玻璃生產(chǎn)線配套裝置,但中小型玻璃生產(chǎn)線各加工設(shè)備間的轉(zhuǎn)運存儲的高效專用設(shè)備匱乏。

發(fā)明問題解決理論(theory of inventive problem solving,TRIZ)是一種創(chuàng)造性思維方法和發(fā)明問題的分析方法,主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[8-10]。為此,基于TRIZ方法對觸屏玻璃運存裝置結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新優(yōu)化。通過TRIZ理論的組件功能分析和因果分析明確觸屏玻璃運存效率不足的根本問題,結(jié)合TRIZ的技術(shù)矛盾方法、物理矛盾方法以及物-場模型方法,提出新型裝置的解決方案,進而開展關(guān)鍵部件傳送帶夾板的有限元校核分析及多目標優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)傳送帶夾板的輕量化設(shè)計,并搭建實物樣機,開展樣機性能試驗,為智能化和無人化的觸屏玻璃生產(chǎn)線產(chǎn)品開發(fā)及改造提供依據(jù)。

1 應(yīng)用TRIZ的問題分析

1.1 問題分析

目前中國運存設(shè)備主要采用人工存儲,少數(shù)采用機械化存儲。人工存儲觸屏玻璃存在次品率高、易傷人和效率低等問題,且人工作業(yè)方式不符合企業(yè)發(fā)展;機械化存儲采用的是由傳送裝置、搬運裝置和存儲裝置構(gòu)成的運存裝置,該裝置運存過程中存在易破損、設(shè)備昂貴、操作困難和效率低等問題。

1.2 九屏分析

當前的觸屏玻璃運存裝置的九屏分析如圖1所示,傳統(tǒng)的觸屏玻璃運存是由工人手動搬運,該生產(chǎn)方式不僅勞動強度大、效率低,而且易造成觸屏玻璃破損,不符合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。隨著科技的發(fā)展,研究提高操作的自動化與智能化程度已成為必然之勢,使用機械手搬運觸屏玻璃的方式開始逐步代替人工作業(yè)。

圖1 九屏分析圖Fig.1 Nine screen analysis diagram

1.3 組件分析

根據(jù)上述分析選擇觸屏玻璃運存裝置為技術(shù)系統(tǒng),機架、電機、傳送帶、帶輪、導(dǎo)向裝置、控制器、搬運裝置和存儲裝置為系統(tǒng)組件,地面和電源為超系統(tǒng)組件,觸屏玻璃為作用對象。分析裝置各組件之間的相互作用關(guān)系得到功能模型如圖2所示,由功能模型圖可知存在以下問題:①現(xiàn)用傳送帶是非觸屏玻璃專用,其結(jié)構(gòu)不合適,導(dǎo)致輸送觸屏玻璃的能力不足;②搬運裝置設(shè)計不當,導(dǎo)致吸附搬運過程中效率不足,且容易出現(xiàn)破損;③導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)不同尺寸觸屏玻璃,導(dǎo)向能力不足,不方便使用及維修;④料框自身設(shè)計限制,對觸屏玻璃存儲能力不足;⑤觸屏玻璃在輸送時對傳送帶有擠壓的影響。

圖2 功能模型圖Fig.2 Functional model diagram

1.4 因果分析

因果軸分析用于建立問題產(chǎn)生的結(jié)果與根本原因之間的邏輯鏈,尋找邏輯鏈中薄弱環(huán)節(jié),找出解決問題的切入點[11-12]。

通過圖3所示的因果分析,搬運裝置效率不足的根本原因在于:①傳輸帶摩擦不足,傳輸不穩(wěn)定;②導(dǎo)軌間距不可調(diào),玻璃易卡死;③螺釘夾緊適應(yīng)性差,操作繁瑣;④料框形狀不足,存在干涉,影響存儲效率;⑤氣動機械臂吸盤尺寸過度,影響隔板間距;⑥光線直射玻璃表面,因強反射清晰度不足。

圖3 因果軸分析圖Fig.3 Causal axis analysis diagram

上述因果軸分析得到的影響裝置效率不足的6條根本原因,其中②、⑤屬于實際生產(chǎn)調(diào)試選型錯誤,并非自身缺陷;⑥屬于環(huán)境變量,只需更改生產(chǎn)環(huán)境光源即可,這3個問題均屬于外部因素導(dǎo)致的問題,從技術(shù)進化的角度去分析,現(xiàn)有企業(yè)的技術(shù)人員可以解決,無需再運用TRIZ理論的其他方法去解決。其中①、③、④屬于裝置本身的缺陷,需對其重點分析以求解決問題。

2 應(yīng)用TRIZ理論的問題解決

2.1 技術(shù)矛盾法

通過上述的分析,導(dǎo)致現(xiàn)有裝置運存效率不足的因素中的①傳輸帶摩擦不足,傳輸不穩(wěn)定。若選擇更換摩擦系數(shù)大(粗糙)的傳送帶,將會導(dǎo)致裝置的可靠性低,且玻璃表面易產(chǎn)生磨痕,即產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。在39個通用工程參數(shù)中,改善的參數(shù)為No.13穩(wěn)定性,惡化的參數(shù)為No.30物體產(chǎn)生的有害因素。利用以上參數(shù)查尋阿奇舒勒矛盾矩陣并得到創(chuàng)新原理如表1所示。

表1 矛盾矩陣Table 1 Contradiction matrix

對上表中查詢到的創(chuàng)新原理(35、24、30、18)進行篩選,有效原理及改進方案如表2所示。

表2 有效原理及改進方案Table 2 Effective principle and improvement plan

考慮創(chuàng)新原理應(yīng)用于實際生產(chǎn)需要,結(jié)合35#物理或化學(xué)參數(shù)改變原理和24#中介物原理解決觸屏玻璃運存裝置的傳輸帶摩擦不足,傳輸不穩(wěn)定的問題。具體方案如下。

設(shè)計新型觸屏玻璃傳送機構(gòu)取代傳統(tǒng)傳送帶裝置,使觸屏玻璃可以順利傳送轉(zhuǎn)運。作業(yè)時前光電傳感器檢測到觸屏玻璃后,電機開始工作,傳送帶開始轉(zhuǎn)動,同時帶動擋快推動玻璃到達指定位置,光電傳感器檢測到觸屏玻璃脫離,電機暫停工作,傳送帶停止轉(zhuǎn)動。圖4為新型觸屏玻璃傳送機構(gòu)。

1為傳送帶;2為觸屏玻璃;3為支撐板;4為軸支座;5為六角軸;6為帶輪;7為機架;8為梯形槽;9為支撐條;10為擋塊;11為光電傳感器;12為傳送帶夾板;13為鎖緊塊;14為電機圖4 新型觸屏玻璃傳送機構(gòu)圖Fig.4 New touch screen glass transmission mechanism

2.2 物理矛盾法

用物理矛盾法解決技術(shù)矛盾法不能解決的料框形狀不足,存在干涉,影響存儲效率的問題。

首先找出物理矛盾參數(shù),為料框側(cè)邊。一方面要求去除料框側(cè)邊,方便觸屏玻璃放入存儲;另一方面保留料框側(cè)邊,以保證料框結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

然后應(yīng)用空間分離原理解決物理矛盾?？臻g1為料框的玻璃插入側(cè),無需側(cè)邊,以方便觸屏玻璃的放入;空間2為料框的背對側(cè),需要右側(cè)邊,以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?？臻g1和空間2不存在交叉。

綜合上述分析,結(jié)合空間分離原理,得出物理矛盾的解決方案如圖5所示,即將原料框插入玻璃側(cè)的橫向側(cè)邊移除,方便觸屏玻璃的放入;將原料框另一邊增加豎向側(cè)邊,提高料框整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖5 料框前后結(jié)構(gòu)Fig.5 Material frame before and after structure

2.3 物-場模型法

當螺釘夾緊適應(yīng)性差,操作煩瑣的問題用技術(shù)矛盾法和物理矛盾法不能解決時,考慮采用的物-場模型法。

原料框與升降裝置連接靠螺絲夾緊,操作煩瑣,會導(dǎo)致存儲裝置效率不足。故根據(jù)TRIZ理論的“有害效應(yīng)的完整場物-場模型”,采用解法原理的一般解法4:用另外一個場(磁場)F2來代替原有場(機械場)F1。物-場模型圖如圖6所示。采用新夾緊裝置(電磁鐵)產(chǎn)生的磁場替代原來夾緊螺絲的機械場,新型觸屏玻璃儲存機構(gòu)如圖7所示。

圖6 物-場模型分析Fig.6 Substance-field model analysis

D為夾板孔徑;L1為夾板長度;L2為夾板寬度圖7 新型觸屏玻璃儲存機構(gòu)圖Fig.7 New touch screen glass storage machine

3 傳送帶夾板靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 傳送帶夾板靜力學(xué)分析

傳送帶夾板是上述TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計中新型觸屏玻璃傳送機構(gòu)的關(guān)鍵部件,在工作過程中需要承受來自傳送帶產(chǎn)生的作用力和電機振動引起的相互擠壓,會導(dǎo)致其變形或應(yīng)力集中發(fā)生疲勞破壞,進而使得喪失固定傳送帶的能力,故需要進一步優(yōu)化設(shè)計。

利用SolidWorks建立的夾板模型如圖8所示,模型主要尺寸參數(shù)如表3所示。將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中,對材料屬性進行定義,各參數(shù)如表4所示,材料選用45#鋼,質(zhì)量為0.242 kg。

表3 傳送帶夾板模型尺寸參數(shù)Table 3 Model dimension parameters of conveyor belt jig

表4 傳送帶夾板材料特性Table 4 Material characteristics of conveyor belt clamps

圖8 傳送帶夾板模型圖Fig.8 Model drawing of conveyor belt fixture

利用ANSYS軟件,對傳送帶夾板施加固定約束,因工作狀態(tài)下觸屏玻璃運存裝置的傳送帶夾板受到來自傳送帶等其他部件的正壓力,故設(shè)置載荷大小為30 N,方向垂直于水平方向,仿真得到傳送帶夾板在壓力作用下的變形與應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 靜力學(xué)仿真分析結(jié)果Fig.9 Statics simulation analysis results

從圖9(a)可以看出,夾板的變形從左往右逐步增大,并在右側(cè)邊緣處產(chǎn)生最大變形,且最大變形量約為0.165 58 mm;從圖9(b)可以看出,最大應(yīng)力出現(xiàn)在孔徑右側(cè),最大應(yīng)變?yōu)?2.804 MPa,最大應(yīng)力遠低于材料的屈服強度,且往兩側(cè)應(yīng)變值逐漸減小。出現(xiàn)該現(xiàn)象是因為夾板孔徑右側(cè)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,而中心的變形量明顯小于右側(cè)的變形量,故夾板的右側(cè)邊緣處和中心區(qū)域可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來減小傳送帶夾板的變形量以提高裝置運行的穩(wěn)定性。

3.2 傳動帶夾板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于觸屏玻璃厚度薄,尺寸精度要求高,傳送帶夾板變形量需進一步降低,為此,借助Workbench開展傳送帶夾板尺寸的多目標優(yōu)化設(shè)計。

如表5所示,以傳送帶夾板的長度、寬度和孔徑3個參數(shù)作為設(shè)計變量,約束條件為應(yīng)力小于材料的最大屈服強度,目標是減小夾板的變形量及輕量化設(shè)計。研究分析3個參數(shù)與變形量和質(zhì)量之間的關(guān)系,通過多次優(yōu)化分析,得到最優(yōu)目標解[13]。

表5 設(shè)計變量的含義Table 5 Meaning of design variables

圖10(a)為傳送帶夾板長度和孔徑與形變量之間的關(guān)系,當傳送帶夾板長度增大時,變形量隨長度的增大而增大,當夾板長度L1為140 mm時,最大變形量達到0.251 mm;圖10(b)為傳送帶夾板長度和寬度與形變量之間的關(guān)系,當傳送帶夾板寬度增加時,最大變形量也隨之增大,當夾板寬度L2為45.3 mm時,最大變形量達到0.269 mm;圖10(c)為傳送帶夾板孔徑和寬度與變形量之間的關(guān)系,當夾板孔徑增大時,變形量隨孔徑的增大而減小,當夾板孔徑D為23.1 mm時,夾板的形變量為0.181 6 mm。由此可知傳送帶夾板的長度和寬度與形變量呈線性關(guān)系,傳送帶夾板孔徑與形變量成反比關(guān)系;可通過增大傳送帶夾板孔徑、減小夾板長度或?qū)挾葋斫档蛫A板變形量。

圖10 輸入?yún)?shù)與變形量關(guān)系Fig.10 Relation between input parameter and deformation

圖11(a)為傳送帶夾板長度和寬度與質(zhì)量的關(guān)系,當夾板長度為109 mm,寬度為36.5 mm時,夾板最小質(zhì)量為0.184 2 kg;圖11(b)為傳送帶夾板寬度和孔徑與質(zhì)量的關(guān)系,當夾板寬度為36.5 mm,孔徑為23.1 mm時,夾板最小質(zhì)量為0.199 8 kg;圖11(c)為傳送帶孔徑和長度與質(zhì)量的關(guān)系,當傳送帶夾板孔徑為23.1 mm,長度為109 mm時,夾板最小質(zhì)量為0.182 2 kg;故可通過減小夾板長度和寬度或增大孔徑來有效降低夾板質(zhì)量,實現(xiàn)夾板的輕量化。

圖11 輸入?yún)?shù)與質(zhì)量關(guān)系Fig.11 Relation between input parameters and mass

故在滿足傳送帶夾板屈服強度的情況下,為實現(xiàn)夾板的變形量減小及輕量化設(shè)計,采用多目標優(yōu)化方法,設(shè)置初始樣本數(shù)量為600,迭代20次,輸出最優(yōu)解組數(shù)為3組,優(yōu)化后得到三組解,如表6所示。

表6 優(yōu)化三組最優(yōu)解Table 6 Optimize three sets of optimal solutions

從表6中可以看出,在滿足傳送帶夾板屈服強度的前提下三組參數(shù)均可實現(xiàn)夾板結(jié)構(gòu)變形量減小和輕量化的目標,對比三組優(yōu)化結(jié)果選擇第一組作為最優(yōu)解,取整后夾板長度為109 mm、寬度為37 mm,夾板孔徑為23 mm。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對照如表7所示,優(yōu)化后夾板最大變形量減小為0.115 92 mm,質(zhì)量變?yōu)?.175 57 kg,比優(yōu)化前夾板變形量減小21.5%,質(zhì)量減小27.5%。且夾板的最大應(yīng)變符合要求,實現(xiàn)了變形量減小和輕量化設(shè)計目標。

表7 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)Table 7 Data before and after optimization

4 最終方案實施及驗證

運用TRIZ理論及有限元分析,得到最終方案如下:新型觸屏玻璃運存裝置分為傳送機構(gòu)和儲存機構(gòu)兩個部分,傳送機構(gòu)包括電機、傳送帶、傳送帶夾板和光電傳感器等,電機驅(qū)動傳送帶轉(zhuǎn)動,光電傳感器通過檢測觸屏玻璃板的到達啟動和停止電機。儲存機構(gòu)包括升降臺、料框、電磁鐵、傳感器、電機和控制器等,料框位于升降臺上,電磁鐵吸緊料框,電機驅(qū)動升降臺升降,傳感器檢測升降臺下極限位和上極限位,控制器調(diào)控升降臺的上升幅度,配合傳送機構(gòu)將觸屏玻璃轉(zhuǎn)運至料框隔板中,新型觸屏玻璃運存裝置結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 觸屏玻璃運存裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure drawing of touch screen glass storage device

最終搭建實物樣機并開展了工業(yè)性測試[14],如圖13所示,在連續(xù)運行1 h測試中,破損觸屏玻璃數(shù)量為4片,合格存儲觸屏玻璃720片,合格率為99.4%,存儲效率大為提高。

圖13 樣機工業(yè)性試驗圖Fig.13 Industrial test drawing of prototype

5 結(jié)論

(1)運用TRIZ理論開展了觸屏玻璃運存裝置的創(chuàng)新設(shè)計,結(jié)合九屏幕法、功能組件分析和因果軸分析,得出當前裝置效率不足的主要因素,并綜合運用技術(shù)矛盾、物理矛盾和物-場模型方法,設(shè)計出一種新型、安全、高效的觸屏玻璃運存裝置。

(2)運用ANSYS開展了新裝置關(guān)鍵傳送帶夾板部件的靜力學(xué)分析,并開展了其輕量化及多目標優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后傳送帶夾板變形量減小21.5%,質(zhì)量減小27.5%。

(3)工業(yè)性試驗表明,新型觸屏玻璃運存裝置運行穩(wěn)定、次品率低,存儲效率可達720片/h,為人工效率的2倍以上,且合格率相對人工提高2.2%,達到生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)要求。