基于TRIZ理论的智能割胶刀设计

王驭陌 张燕

摘要：运用TRIZ 理论的冲突矩阵和创新原理，对传统割胶刀进行了改进。结果表明，该割胶刀实现了同时测量已割树皮厚度和树皮总厚度，大大减少了测量时间，并提高了测量的准确性。

关键词：TRIZ理论；容栅技术；树皮厚度；量化

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）12-3010-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.055

Design of Intelligent Tapping Knife Based on TRIZ Theory

WANG Yu-mo， ZHANG Yan

（College of Mechanical And Electrical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： The conflict matrix and innovation principles of TRIZ theory was used， the traditional tapping knife was improved and realized the visual experience. The results showed that the tapping knife could measure thinkness of the cut bark and the total bark at the same time， gkatly measrue time， and improve measrue realuce accuracy.

Key words： TRIZ theory； capacitive technology； bark thickness； quantify

天然橡胶是经济建设和国防工业的重要原料，是四大基础工业原料中惟一的可再生资源[1]。世界上部分或完全使用天然橡胶制成的物品已达7万余种，天然橡胶产业已成为许多热带国家和地区经济的主要组成部分[2]。目前，获取橡胶产量的惟一途径是割胶[3]，但是农垦老龄胶工面临退休，而年青人又由于经验不足无法进行割胶，且大多不愿从事这一工作，出现了胶工群体年龄断层现象[4]。割胶是一项需要较高技术的手工工作，胶工的割胶技术和割胶工具的自动化程度不仅会影响橡胶产量，还会影响整个生产周期的产量，甚至还会影响橡胶树的寿命。因此，胶工的割胶技术及割胶工具是橡胶生产的关键。在胶园生产中，由于割胶工具和割胶技术的不同，橡胶的产量相差悬殊。通常，技术一般的胶工要比技术娴熟的胶工少产20%～30%的橡胶[3]，并且伤树多、耗皮多、树皮再生速度慢。近几年最热门的气刺微割技术[5]也没有改进割胶工具，仍然使用传统割胶刀，橡胶生产劳动投入依旧很大[6]。本研究运用TRIZ理论的冲突矩阵和创新原理，对传统割胶刀进行了改进，实现了经验的可视化，以减少对胶工经验的依附度。

1 TRIZ理论简介及应用

1.1 TRIZ理论简介

按传统设计中的折中法，冲突并没有彻底解决，而是降低冲突的程度，即冲突双方取折中方案。而TRIZ理论认为，产品创新的标志是解决设计中的冲突，从而产生新的有竞争力的解。实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。TRIZ理论解决问题的主要依据是TRIZ矛盾矩阵表，实际应用的大体流程为：首先针对资源提出矛盾；再用通用工程参数将特定的矛盾准确地描述出来；随即应用39个技术参数将其转化为一般性质的问题；继而从表中的40个解中找到解决问题的一般方法；最后结合实际工程情况，形成特定的解决方法。

1.2 TRIZ理论应用

TRIZ理论中，由上述资源分析与描述可知，胶工的割胶技术对割胶效率及产量有很大的影响，因此导出并描述矛盾：

割胶经验既多又少，进一步分析，割胶经验将导致割胶的深度不同，而深度的不同又正是效率高低及是否伤树的关键，因此进一步导出矛盾：割胶既深又浅。针对此矛盾，运用物场模型分析如图1所示。

由图1可知，通过工具的改进可改善经验依附度。故设计方案将经验可视化，而经验的多少又可进一步转化为割胶的深度。与割胶效率相关的深度又分为两类，一类是树皮厚度，另一类是已经割去的树皮厚度。

利用通用工程参数描述冲突，考虑到归纳的多方面性及随机性，现将割胶过程遇到的问题从广义上进行归纳，转化为可行性解的工程参数如下：

1）改进的工程参数：运动物体的面积、应力或压力，结构的稳定性、可靠性，测试精度、适应性及多用性、自动化程度、生产率。

2）恶化的工程参数：运动物体的重量、运动物体作用的时间、物质损失。

除预操作和参数变化之外，其他均能对割胶中遇到的问题产生指导作用。现结合实际工程情况，将特定问题的解决思路及方法概述如下：

1）动态化原理。指使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化的性能。在割胶过程中，人的能量是产生误差的原因，但人又是优质的资源。因此，需要人来自适应，进行调整（图2）。

2）反馈原理。即引入反馈以改善过程或动作。结合动态化原理，在本设计中，产生反馈使人及时调整割胶的力度，故需要工具对某些参数进行量化。

3）合并原理。①在空间上将相似的物体连接在一起，使其完成并行的操作。②在时间上合并相似或相连的操作。综合两项内容，又由于树皮厚度会对需要割胶厚度产生指导作用，故可在测量已割去树皮厚度的同时，测量树皮总厚度，以节省时间。

4）局部质量原理。①将物体或环境的均匀结构变成不均匀结构。基于该原理，将割刀设计成不均匀的材质，在受力大的位置使用高质量的钢，受力较小的地方就使用普通钢，以节省成本。②使组成物体的不同部分完成不同的功能。基于该原理，可将割刀分为不同功能区，如将树皮总厚度和已割树皮厚度测量装置分开，或适当增加结构。

5）机械系统的替代原理。用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统。结合割胶实际，割胶过程中观察机械读数并不方便，可以考虑将之转化为提示音的方式。

6）周期性作用原理。用周期性运动或脉冲代替连续运动。结合替代原理，为引起胶工的注意，仅当超出割胶深度极限值时才发出报警音以代替连续的提示音。

7）紧急行为原理。以最快的速度完成有害的操作。割胶过程中，对树皮厚度的测量会伤树，因此设计成间隔性测量，时间设置为2 s。

2 智能割胶刀设计

2.1 结构设计及工作原理

结合上述解决思路及方法，最终设计出的智能割胶刀如下所示，图3为割胶刀整体正视图，图4为其俯视图。

本研究所设计的割胶刀是一种连有显示屏及报警发声装置的智能割胶刀，手柄前端固定有割胶刀体，割胶刀体的中前部设有凹槽。割胶刀体的上侧固定有测量仪，测量仪的中心部件为主控部件，内部设有主控单片机、弹簧、测尺。下方分别设有已割树皮厚度测量部件及树皮总厚度测量部件，已割树皮厚度测量部件包括已割树皮厚度测量杆、限位套；树皮总厚度测量部件包括树皮总厚度测量刀、限位套、挡块。主控部件上端设有显示屏，显示屏与主控部件用塑料构件连接。主控部件右侧安装有报警发声器。

使用前，用可拆卸固定装置将测量仪连接于刀体上，已割树皮厚度测量杆置于凹槽中，显示屏上的已割厚度栏示值应为零；使用时，正常割胶时使已割树皮厚度测量杆的横杆能够紧贴树皮即可，可连续行刀以缩短割胶时间。树皮总厚度测量部件会在行刀中以规定的时间间隔自动弹出测量刀，实时更新树皮的总厚度数据，使结果更为精确；已割树皮厚度测量部件会在行刀过程中及时得出已割树皮厚度，显示于显示屏上，并通过主控部件将树皮总厚度及已割树皮厚度数值通过算法分析器，与已建立的最优割皮厚度数学模型进行比较，从而得出此次行刀的深浅是否处于适当范围内并显示于显示屏上，若不是则自动予以报警，胶工仅通过报警音即可判断接下来所需使用的力度，这样可只割一刀并不需掌握如何连刀，节省了大量时间，且能割出高产且不伤树的产胶口。

2.2 主要零部件设计

2.2.1 树皮总厚度测量刀设计 橡胶树皮的厚度不仅能够预测林木生长、病虫危害和遗传变异，还能够预测橡胶的产胶量[8]。结合紧急行为原理，测量刀能够自动弹出和收回，另考虑到树皮厚度的轻微不均匀性，设置为每2 s自动测量一次，由主控部件实现，可手动关闭。

图5为树皮厚度测量刀侧视图，图6为树皮树皮厚度测量刀正视图。割胶时打开测量刀开关，按照提示调整割胶力度即可。每隔2 s插刀自动弹出插入树皮，插刀锋利可刺破树皮直到木质层，限位套则被树皮阻挡在外面。插入树皮过程中，限位套向后滑移并压缩弹簧，当刀片插入到木质层时，因木质层硬度较高而无法继续刺入而停止运动，弹簧停止压缩，插刀自动快速缩回，即自动测量出树皮厚度，并在显示屏上显示出来，同时数据传输至主控部件，与已割树皮厚度数值进行比较与处理。

2.2.2 割刀设计 图7为割刀正视图。在离其刀口1.5～2.0 cm处开了两条对称的凹槽，其目的是放入已割树皮厚度测量杆，并使其沿凹槽运动。前段刀身采用工具钢，而后端刀身采用普通钢，经ANSYS分析，满足要求。

2.2.3 已割树皮厚度检测部件设计 图8为已割树皮厚度检测部件正视图。正常割胶时，注意使测量杆的横杆能够紧贴树皮即可，通过测量杆的移动可测出已割树皮的厚度数值并及时传输到主控部件进行处理。测量杆设计成可拆卸的，可提高重复利用率。

2.2.4 测量部件设计 图9为测量部件侧视图，图10为测量部件正视图。在测量部件的背面装有照明灯，方便夜间操作。

3 测量机理及信号传递分析

3.1 测量机理

本设计所涉及的是长容栅位移传感器及其原理[9]。

3.2 电信号传递分析

为了实现测距，动栅与定栅必须满足以下要求：定栅节距为5.08 mm，动栅节距为0.635 mm，定栅节距是动栅节距的8倍，即每8条动栅对应1条定栅，但1条定栅节距内有一半是屏蔽板，则只有4条动栅与定栅耦合。同时接收板r也与5节定栅耦合，接收板长为25.4 mm。若由？棕=0.635 mm表示动栅节距，其中C1（x），C2（x）……C8（x）表示各组每块动栅与定栅间的电容，它们均是机械位移量x的函数。动栅上共有6组极板，各组工作情况相同，则取一组来进行分析。每组8块发射极板，各自收到从驱动电路送来的方波信号或基波正弦信号e1（t）、e2（t）…e8（t）为8路驱动信号，依次以45°相位差递增。此信号周期T=512 τ=2 816 μs。在1/8 T开始处有较宽的凸波，而后在1/2 T开始处又有较宽的凹波，因而在整个T周期内的基波是正弦信号。因此该信号可当作正弦波，得出：e1=E×sin（？棕t），e2=E×sin（？棕t+π/4）……。

计算得出交流电压源，由克希霍夫第一、第二定律写出等效电路中的电流和电压方程，得：

■1=■1+■1+■r+■r+■H+■H （1）

……

■8=■8+■8+■r+■r+■H+■H （2）

∑■■■i-■r■0=■r+■r+■H+■H （3）

■H=5■r （4）

式中，■1=■……■8=■

■r=■，■0=■，■H=a-jb，

其中，a=■，b=■，

RH为传感器的负载电阻。

由上述式（1）～式（4）最终化简得出：

？专（x）=arctan■ （5）

当0≤x≤？棕时，？专（x）=arctan■ （6）

同理亦可得出0≤x≤？棕，2？棕≤x≤3？棕……

因此，该函数近似符合线性关系，其关系如图11所示为测量移动距离x与相角之间的关系。

4 小结

本研究通过物场模型对问题进行描述，提出了将以往的经验转化为割胶深度并可视化；利用动态化及反馈原理确定了应通过割胶工具进行量化，并通过人的能量来自适应而减小误差，从而设计出树皮总厚度及已割树皮厚度测量部件；应用合并原理进行树皮总厚度及已割树皮厚度测量装置的合并设计，实现了在测已割树皮厚度的同时测量树皮总厚度，这样节省了时间。通过局部质量原理大大降低了成本，并综合应用机械系统的替代原理、周期性作用原理、紧急行为原理设计出了报警提示装置，方便了割胶操作。

以TRIZ理论冲突解决原理作为指导，设计出能够在割胶的同时自动测量出树皮总厚度和已割的树皮厚度的智能割胶刀。无割胶经验的人员使用该割胶刀能多产20%～30%的橡胶，且降低劳动强度，提高割胶收益，具有极大的市场应用前景，能为进一步研制高效割胶工具提供参考。

参考文献：

[1] 何焯亮，王 涛，成满平.可调节式橡胶树割胶机的设计[J].湖北农业科学，2014，53（17）：4195-4198.

[2] 祁栋灵，王秀全，张志扬，等.世界天然橡胶产业现状及科技对其推动力分析[J].热带农业科学，2013（1）：61-66.

[3] 闫喜强，廖宇兰.橡胶树割胶技术的探索[A].海南省机械工程学会.创新装备技术给力地方经济——第三届全国地方机械工程学会学术年会暨海峡两岸机械科技论坛论文集[C].海口：海南省机械工程学会，2013.

[4] 罗富晟，张德生.我国农垦胶工老龄化原因与影响[J].热带农业科技，2012（2）：42-45.

[5] 魏小弟.高产高效是割胶技术的永恒主题[J].中国热带农业，2009（6）：38-39.

[6] ABRAHAM P D，魏小弟.橡胶树的自动化采胶[J].热带作物译丛，1983（5）：13-17.

[7] 张简一，郭艳玲，杨树财，王义文.基于TRIZ理论的产品创新设计[J].机械设计，2009（2）：35-38.

[8] 王晓林，蔡可旺，姜立春.落叶松树皮厚度变化规律的研究[J].森林工程，2011（27）：8-11.

[9] 蔡 维，史留勇，张 燕，等.容栅技术的电子树皮测量仪的设计与精度分析[J].自动化仪表，2014（9）：87-90，94.