基于FAST-TRIZ的柔性托盤拆模機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘" 要：基于模塊化設(shè)計理念，在分析托盤拆膜機(jī)功能需求的基礎(chǔ)上，利用功能分析系統(tǒng)技術(shù)法（FAST）將功能結(jié)構(gòu)化；結(jié)合發(fā)明問題解決理論（TRIZ），確定并解決結(jié)構(gòu)中的矛盾沖突，生成一種柔性托盤拆膜機(jī)創(chuàng)新設(shè)計方案，實現(xiàn)了拆膜與回收膜工序集中，適用于多種規(guī)格托盤集裝物品的自動化拆膜，提高物流作業(yè)效率，利于企業(yè)綠色發(fā)展。

" 關(guān)鍵詞：柔性托盤拆膜機(jī)；FAST；TRIZ理論

" 中圖分類號：TB472" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2025.07.011

Abstract： Based on the modular design concept， the functional requirements of pallet membrane removal machine were firstly analyzed， and the function is structured by using the Function Analysis System Technology（FAST）method. Combined with Theory of Inventive Problem Solving（TRIZ）， the conflicts in the structure are identified and resolved to generate an innovative design scheme for a flexible pallet membrane removal machine， which realizes the centralization of the membrane removing and recycling processes， and applies to the automated membrane removing of multiple specifications of pallets， conducive to the efficiency improvement of logistics operations and the green development of enterprises.

Key words： flexible pallet membrane removal machine; FAST; TRIZ theory

0" 引" 言

" 現(xiàn)代物流一端連著生產(chǎn)、一端連著消費(fèi)，是經(jīng)濟(jì)的“經(jīng)脈”。托盤作為現(xiàn)代物流活動中基礎(chǔ)且必不可少的單元化物流載具，裝載物品后會采用塑膜包裹，保護(hù)集裝物品同時便于運(yùn)輸。針對托盤物品的塑膜包裝技術(shù)及裝備已非常成熟，但對其逆過程——托盤拆膜及回收技術(shù)的相關(guān)研究較少。隨著“大循環(huán)”和“雙碳”戰(zhàn)略的實施，托盤拆膜、塑膜回收技術(shù)及裝備的研發(fā)對于綠色物流升級具有重要意義。

" 結(jié)合功能分析系統(tǒng)技術(shù)法（Function Analysis System Technique，F(xiàn)AST）與發(fā)明問題解決理論（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ），清晰定位柔性托盤拆膜機(jī)的功能與矛盾，并采用針對性的發(fā)明原理尋求解決方案，生成柔性托盤拆膜機(jī)的設(shè)計方案。

1" FAST-TRIZ創(chuàng)新設(shè)計方法

" FAST法是一種自頂而下的功能分析方法，基于需求，運(yùn)用系統(tǒng)思維，首先闡明系統(tǒng)總功能，再逐層分析子功能，分析確定各個功能的關(guān)系，建立系統(tǒng)功能分析圖，有利于全面了解功能主次及功能間的邏輯關(guān)系，尤其有助于概念設(shè)計形成，但對于解決功能實現(xiàn)過程中出現(xiàn)的矛盾問題并不適合[1-2]。

" TRIZ理論，即發(fā)明問題解決理論，是世界級公認(rèn)的實用創(chuàng)新方法學(xué)，可以解決工程技術(shù)問題中各種技術(shù)矛盾和物理矛盾。所謂技術(shù)矛盾，指在改善產(chǎn)品的某一特性或參數(shù)時，導(dǎo)致另一個特性或參數(shù)惡化，而物理矛盾則指在設(shè)計過程中對同一個參數(shù)提出相反的要求[3]。在每一個技術(shù)矛盾背后，都對應(yīng)有一個物理矛盾，故技術(shù)矛盾可被轉(zhuǎn)化為物理矛盾。在確定各功能間的矛盾類型后，即可利用TRIZ創(chuàng)新理論體系中的發(fā)明原理來獲取解決方案。

融合FAST法和TRIZ理論（見圖1）。FAST法給出了明確的開發(fā)目標(biāo)，選擇最重要的功能作為產(chǎn)品的基本功能，構(gòu)造關(guān)鍵路徑，進(jìn)行功能分解，明確矛盾所在的范圍，即完成關(guān)鍵路徑上功能產(chǎn)生的有害功能，再通過TRIZ理論解決前述矛盾，從而生成創(chuàng)新設(shè)計方案[4]。

FAST法與TRIZ理論集成進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計解決矛盾問題的流程（見圖2）[5-7]。首先對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行功能需求分析，明確主要功能、次要功能，建立產(chǎn)品功能樹，分析各功能間是否存在矛盾并確定矛盾類型，進(jìn)一步求得矛盾可能的解決方案，并對其進(jìn)行評估，可行或滿意則產(chǎn)出設(shè)計方案，不可行或不滿意則需重新確定矛盾類型與發(fā)明原理[8-9]。

2" 拆膜機(jī)功能系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 問題描述

目前托盤拆膜過程主要由人工或多臺設(shè)備協(xié)作完成，設(shè)備尺寸大；托盤拆膜和塑膜回收工序分離，作業(yè)流程繁瑣；無法滿足多種規(guī)格托盤的拆膜需求，柔性差。

針對目前存在的問題，分析柔性托盤拆膜機(jī)的功能需求主要為：（1）為實現(xiàn)工序集中，要求在一個工位上完成托盤拆膜與塑膜回收兩種工藝；（2）要求設(shè)備能滿足多種規(guī)格托盤的拆膜和塑膜回收，實現(xiàn)拆膜過程的柔性化；（3）設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，自動運(yùn)行，操作簡單、可靠。

2.2" FAST法創(chuàng)建拆膜機(jī)功能樹

" 由前文分析可知，自動拆膜和回收、安全性、易用性是拆膜機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵因素。選擇自動拆膜并回收作為柔性托盤拆膜機(jī)的基本功能，將設(shè)備自動運(yùn)行的安全性作為次要功能，將操作易用性作為另一個次要功能，將與關(guān)鍵功能同時發(fā)生或者用于抑制關(guān)鍵功能產(chǎn)生的副作用的附加功能列在關(guān)鍵功能下方，以此創(chuàng)建柔性托盤拆膜機(jī)功能樹，如圖3所示。

2.3" 矛盾類型及發(fā)明原理

" 通過對柔性托盤拆膜機(jī)FAST功能樹分析，得到如下矛盾沖突：（1）柔性拆膜-操作易用性。設(shè)備需要滿足多種規(guī)格托盤，同時要求設(shè)備操作簡單，而高柔性要求會使設(shè)備復(fù)雜性提高，構(gòu)成技術(shù)矛盾；（2）防傾倒-受力。托盤物品本身有一定高度，受到塑膜的包裹壓力而保持穩(wěn)定；托盤物品在割膜后，存在因不再受塑膜束縛而傾倒的風(fēng)險，構(gòu)成技術(shù)矛盾；（3）自動割膜-安全性。由于塑膜離托盤物品較近，在自動割膜時容易劃傷物品；此外割膜刀片本身比較鋒利，也存在安全隱患，構(gòu)成物理矛盾，可使用分離原理；（4）多功能-結(jié)構(gòu)緊湊。生產(chǎn)物流線要求設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，而多種功能整合則需要更多的空間，兩者構(gòu)成物理矛盾，可使用分離原理。

" 針對兩對技術(shù)矛盾，與TRIZ理論中39個標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)對應(yīng)，確定改善的參數(shù)與惡化的參數(shù)，查找矛盾矩陣，可得到對應(yīng)的發(fā)明原理；針對兩對物理矛盾，根據(jù)TRIZ理論的4條分離原理及分離原理與發(fā)明原理間的對應(yīng)關(guān)系，同樣得到對應(yīng)的發(fā)明原理[7]，如表1所示。

綜合柔性托盤拆膜機(jī)創(chuàng)新設(shè)計方向，從對應(yīng)發(fā)明原理中作如下選擇：

" 對于柔性拆膜-操作易用性這一對矛盾，采用15號動態(tài)特性原理：針對多種規(guī)格托盤，可使拆膜機(jī)的尺寸參數(shù)是能調(diào)整變化的，每一次調(diào)整對應(yīng)一種規(guī)格的托盤。

" 對于防傾倒-受力這一對矛盾，采用1號分割原理：將拆膜過程分解為若干子模塊來完成，如托盤壓緊模塊、拆膜模塊、回收模塊等。

對于自動割膜-安全性這一對矛盾，采用10號預(yù)先作用原理：在割膜前先使用機(jī)構(gòu)夾住托盤塑膜，使其脫離托盤物品一段距離，這樣刀片割膜就不會損傷托盤物品。

對于多功能-結(jié)構(gòu)緊湊這一對矛盾，采用5號組合原理、7號嵌套原理：將拆模過程由割膜、卷膜和回收功能組合，并將三組機(jī)構(gòu)嵌套設(shè)計，保證同一工位完成多種工藝動作。

3" 柔性托盤拆膜機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.1" 主要功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述分析，并結(jié)合具體的使用要求，采用模塊化設(shè)計方法，分別設(shè)計了托盤壓緊模塊、塑膜拆膜回收模塊等。

3.1.1" 托盤壓緊模塊。針對防傾倒-受力這一矛盾沖突，設(shè)計了一套獨(dú)立的托盤壓緊模塊（見圖4），主要包括連接法蘭、安裝板、壓緊氣缸、壓緊板。安裝板下表面沿圓周均勻布置13套壓緊氣缸，壓緊氣缸伸出桿末端安裝有壓緊板，同時安裝板通過連接法蘭固定。當(dāng)托盤輸送線輸送托盤物品到指定位置后，壓緊氣缸伸出，帶動壓緊板緊密貼合在托盤物品上表面將其壓緊，以使托盤物品在后續(xù)拆膜過程中穩(wěn)定牢靠。

3.1.2" 塑膜拆膜回收模塊。針對柔性拆膜-操作易用性這一矛盾沖突，設(shè)計了一套柔性驅(qū)動機(jī)構(gòu)（見圖5），包括回轉(zhuǎn)電機(jī)、安裝座、回轉(zhuǎn)支座、夾膜機(jī)構(gòu)和卷膜機(jī)構(gòu)。安裝座固定在機(jī)架上，其上表面安裝有回轉(zhuǎn)電機(jī)，并通過聯(lián)軸器、回轉(zhuǎn)軸連接著回轉(zhuǎn)支座，通過導(dǎo)軌滑塊安裝有夾膜機(jī)構(gòu)和卷膜機(jī)構(gòu)，兩者分別由伺服電機(jī)驅(qū)動，通過齒輪齒條副可在回轉(zhuǎn)支座上來回移動。根據(jù)托盤規(guī)格的大小，夾膜機(jī)構(gòu)和卷膜機(jī)構(gòu)通過伺服電機(jī)實時調(diào)整工作路徑，進(jìn)而實現(xiàn)多種規(guī)格托盤的拆膜。

針對自動割膜-安全性這一矛盾沖突，設(shè)計了夾膜機(jī)構(gòu)，包括夾膜氣缸和兩套夾膜氣爪。當(dāng)托盤壓緊模塊壓緊托盤物品后，夾膜機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動至指定位置，然后夾膜氣缸向下伸出，使夾膜氣爪的手指插入托盤側(cè)壁與塑膜的間隙內(nèi)，夾膜氣爪閉合夾住塑膜，伺服電機(jī)則驅(qū)動夾膜機(jī)構(gòu)向遠(yuǎn)離托盤方向移動，將塑膜拉出與托盤間隔一段距離，等待卷膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行割膜和卷膜。

針對多功能結(jié)構(gòu)緊湊這一矛盾沖突，設(shè)計了卷膜機(jī)構(gòu)，包括卷膜電機(jī)和卷膜棒，卷膜棒內(nèi)安裝有無桿氣缸、割膜刀片、刀片夾爪、電磁鐵、退膜桿、塑膜吸盤等。當(dāng)夾膜機(jī)構(gòu)將塑膜拉出后，電磁鐵通電吸住割膜刀片，刀片夾爪張開，無桿氣缸帶動割膜刀片向下移動將托盤塑膜割開。而后卷膜棒在卷膜電機(jī)驅(qū)動下自轉(zhuǎn)180°，使塑膜吸盤正對托盤塑膜，吸附住割開的塑膜，然后卷膜棒自轉(zhuǎn)并圍繞托盤中心公轉(zhuǎn)，將塑膜纏繞，最后卷膜機(jī)構(gòu)移動至塑膜回收箱上方，無桿氣缸帶動退膜桿向下移動，將纏繞的塑膜推落到塑膜回收箱內(nèi)。

3.2" 柔性托盤拆膜機(jī)總體方案及工藝過程

3.2.1" 總體方案。柔性托盤拆膜機(jī)的總體結(jié)構(gòu)（見圖6），主要包括機(jī)架、托盤輸送線、托盤壓緊模塊、塑膜拆膜回收模塊、塑膜回收箱。機(jī)架橫跨在托盤輸送線正上方，塑膜拆膜回收模塊安裝在機(jī)架上，其下部安裝托盤壓緊模塊，塑膜壓緊模塊的卷膜棒正下方放置有塑膜回收箱。

3.2.2" 工藝過程。柔性托盤拆膜機(jī)的工藝過程見圖7。托盤輸送線將未拆膜托盤輸送到位后，托盤壓緊模塊的壓緊氣缸伸出以壓住托盤物品上表面，然后夾膜機(jī)構(gòu)的夾膜氣缸向下伸出使夾膜氣爪夾住托盤塑膜并拉出一段距離，卷膜機(jī)構(gòu)的電磁鐵吸住割膜刀片，無桿氣缸帶動割膜刀片向下移動割開托盤塑膜，卷膜棒回轉(zhuǎn)180°切換至卷膜模式，由塑膜吸盤吸附住割開的塑膜，卷膜棒繞自身軸線旋轉(zhuǎn)同時圍繞托盤中心公轉(zhuǎn)，將割開的塑膜纏繞在卷膜棒上，最后無桿氣缸帶動退膜桿向下移動，將卷膜棒上纏繞的塑膜推落到塑膜回收箱內(nèi)，至此一個托盤的拆膜及塑膜回收完成。

4" 結(jié)束語

基于FAST法和TRIZ理論，通過對柔性托盤拆膜機(jī)進(jìn)行功能分析，提取拆膜過程的技術(shù)矛盾和物理矛盾，利用發(fā)明創(chuàng)新原理對拆膜機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，確定了設(shè)計方案。所述的柔性托盤拆膜機(jī)解決了拆膜與塑膜回收工序分離、托盤規(guī)格多樣化的適用性等問題，既簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時可實現(xiàn)托盤拆膜及塑膜回收的自動化運(yùn)行。

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收稿日期：2024-07-24

基金項目：2023年中國物流學(xué)會、中國物流與采購聯(lián)合會研究課題項目（2023CSLKT3-386）；重慶市社會科學(xué)規(guī)劃項目（2021PY47）；2024年全國高校、職業(yè)院校物流教改教研立項課題項目（JZW2024074）；重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目（KJQN202302104）；重慶市社會科學(xué)規(guī)劃項目（2023PY35）

作者簡介：劉晨敏（1989—），女，河南商丘人，重慶財經(jīng)學(xué)院，講師，碩士，研究方向：智能裝備與物流技術(shù)。

引文格式：劉晨敏. 基于FAST-TRIZ的柔性托盤拆膜機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 物流科技，2025，48（7）：43-46.