TRIZ理论在包装盒输送折边装置优化设计中的应用

2020-06-11梁进伟邓援超刘莹颖

科技创业月刊 2020年4期

梁进伟邓援超刘莹颖汤宇

(湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430068)

0 引言

TRIZ理论是由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒等通过对大量专利进行提炼与总结后，形成的一套用于解决发明问题的方法[1]。将TRIZ理论应用于实际问题时，首先利用功能分析和三轴分析，对问题进行初步分析，然后利用标准解、知识库、创新原理和分离方法进一步解决问题，进而得到备选方案，最后通过评价各个方案，得到解决问题的概念方案[2-4]。近几年TRIZ在创新设计中得到广泛应用：朱辉[5]应用TRIZ理论优化了位置易固定、易定位、易维修的多轴拧紧机设计；赵明明[6]应用TRIZ理论对普通农用圆锥形喷头加装电机进行设计，解决了喷头喷药过程中的雾滴漂移问题；韩颜良[7]应用TRIZ理论，对斗式提升机托架进行优化设计，提出组合式焊接结构，其构造简单、加工工序少。本文将TRIZ应用在包装盒输送折边装置的优化设计中，对折边过程中出现的空边问题进行分析，应用TRIZ理论工具和方法获得了解决思路，提出了解决空边问题的办法，并将解决方案应用于实际，取得了较好效果。

1 包装盒成型机介绍

随着人们生活水平的提高，市场对产品包装的要求也不断提高。其中，翻盖式包装盒以其结构复杂多变、包装精美等特点被广泛应用于化妆品、烟盒、酒盒的设计[8-9]。翻盖式包装盒主要由内包装盒和外皮壳组成，如图1所示。

1-内包装盒 2-外皮壳图1 翻盖式包装盒

目前，市场应用的内包装盒主要通过手工制作，生产效率低，且工序繁琐，产品精度差异大。针对现有内包装盒的制作缺陷，研制了内包装盒成型机。内包装盒成型机主要由过胶机、吸风输送机、输送折边装置、成型框装置、贴小面纸装置、保压装置、铲边装置、成品料输出装置等组成。该内包装盒成型工艺包括送大面纸过胶、贴灰纸板、贴磁片、输送折边成型、围框、刷耳、贴小面纸、铲边，流程如图2所示。

要实现内包装盒成型并保证其质量，在输送折边时折边效果良好且无空边现象。如果折边过程出现空边，会导致铲边成型部分无法良好脱模，并影响内包装盒质量。因此，折边不出现空边在整个内包装盒成型过程中尤为重要。输送折边装置的结构如图3所示。

图2 内包装盒成型工艺流程

1-输送装置 2-下压装置 3-折边装置图3 输送折边装置

折边装置是输送折边装置的重要部分，具体结构如图4所示。

1-连杆1 2-连杆2 3-折边板 4-连杆3 5-折边气缸 6-连杆支撑座 7-升降板 8-导柱 9-升降气缸 10-升降支撑板 11-直线轴承图4 折边装置

输送折边成型的工艺顺序如图5所示。带有灰纸板的大面纸通过输送装置被传输到折边工位(如图5a所示)后，下压装置的下压如图5b所示；接着升降气缸上升，带动折边板，将带有灰纸板的大面纸折成90度，同时保持伸出状态，如图5c所示；然后折边气缸推出驱动连杆和折边板，将带有灰纸板大面纸翻折成180度，如图5d所示；最后，折边气缸回到原位后，升降气缸回到原位，完成一次输送折边成型。

(a) 带有灰纸板的大面纸输送到折边工位 (b) 下压装置下压

2 问题描述与分析

2.1问题描述

图6 空边现象

通过观察折边效果发现，带有灰纸板的大面纸被输送到折边工位，由折边装置完成折边后，折边存在空边现象。所谓空边现象，是指大面纸灰纸板未严密贴合，出现“气泡”现象(见图6)，尤其是在面纸贴在灰纸板拐角处容易空边。当带有灰纸板的大面纸存在空边时，不仅会导致后续铲边装置无法正常脱模，而且会影响内包装盒的美观和质量。所以，空边现象是内包装盒成型中需要解决的问题。

2.2 系统组件分析

在建立组件模型前，首先需要确定技术系统，并根据技术系统定义确定其作用对象、系统组件和超系统组件[10]。本课题技术系统的功能是带有灰纸板的大面纸输送折边后无空边。因此，本系统的作用对象是带有灰纸板的大面纸，超系统组件有机架、真空泵，系统组件有输送装置、下压装置、连杆1、连杆2、折边板、连杆3、折边气缸、连杆支撑座、升降板、导柱、升降气缸、升降支撑板、直线轴承。基于以上组件，进行组件间的作用分析，采用规范化功能描述方式建立组件功能模型，如图7所示。

由图7的组件功能模型可知，折边板和下压装置对带有灰纸板的大面纸的作用不足。

图7 组件功能模型

2.3 因果链分析

因果链是通过分析问题成因，并对原因进行层层分析，构建因果链，指出事件发生的原因和导致的结果[11]。针对问题描述，对当前系统进行因果链分析，得到因果链如图8所示。

图8 因果链分析

对以上因果链结果进行分析和试验研究。针对01号和05号原因，对左、右从动轮的安装进行校核，测量得到左、右从动辊中心线等高且平行，满足安装要求；针对02号和04号原因，由于折边装置中的折边板需要上下移动，安装挡边和压块会对输送折边过程中折边板的上下移动形成干涉，因此无法安装挡板和压块；针对03号原因，通过更改伺服电机控制程序可以实现输送带的准停；针对06号原因，通过改变压块固定座的固定端跨度可以解决压块固定座的刚度不足问题；针对07号原因，对压块的表面粗糙度进行测量，发现压块表面满足设计要求；针对09号原因，测量折边板左、右两端与输送带之间的距离，发现折边板左、右两端与输送带箱体之间的距离相等，满足安装要求；08、10号原因属于现有工作状态，可以利用TRIZ理论作进一步研究。

3 解决方案

3.1 利用矛盾矩阵进行分析

针对10号原因——折边板带动大面纸下压，无法将大面纸折成180度，可以理解为单位时间内压板竖直向下的位移大于水平向前的位移，折边板接触灰纸板后无法继续向前运动，从而导致大面纸形成空边。如果利用两个气缸分别实现水平向前和竖直向下运动，那么折边装置的可靠性得到增强，但是整个折边装置会有较大改动而使折边装置变得复杂。两者间的矛盾形成一对技术矛盾，可以利用TRIZ理论中的技术矛盾矩阵来解决[12]。综上，对两方面参数进行分析：需要改善的方面——折边装置可靠性增强，造成恶化的方面——折边装置变得复杂。定义矛盾：需要改善的参数——No.27可靠性，恶化的参数——No.36设备复杂性。

1-拉簧2-压板1 3-圆柱销 4-压板2图9 方案1

查阅矛盾矩阵得到参考原理，#1分割、#13反向作用、#35物理/化学参数变化；根据#1分割原理，得到解决方案1、解决方案2，解决方案1：将折边板设计成可调节式，当压板与灰纸板接触后继续向下运动时，压板随着圆柱销转动，折边板可以继续向前运动，如图9所示。解决方案2：将折边板设计成分割式，折边板接触灰纸板后弹簧压缩折边板在滚筒和弹簧的作用下继续向前运动，如图10所示。

针对08号原因——折边板无法将大面纸折成90度，可以理解为在升降气缸带动折边板向上运动的过程中，折边板没有将大面纸折成90度。解决的常规方法是在升降板上再增加铲刀，让升降气缸升降时带动铲刀将大面纸折成90度，那么折边装置对大面纸的作用力增强，但是整个装置变得更复杂。上述两者间形成一对技术矛盾，对两方面参数进行描述：需要改善的方面——折边装置对大面纸的作用力，恶化的方面——折边装置变得复杂。定义矛盾：需要改善的参数——No.13 力，恶化的参数——No.36设备复杂性。

1-滚筒支架 2-滚筒 3-压板 4-弹簧图10 方案2

查阅矛盾矩阵，得到可以参考的原理：#10预先作用原理、#19周期性原理、#36相变、#37热膨胀。根据#10预先作用原理，得到解决方案3：输送装置上增加弧形挡边，带有灰纸板的大面纸运输到折边工位的过程中沿着弧形挡板运动，在弧形挡板的作用下将带有灰纸板的大面纸折成90度，弧形挡板的结构如图11所示。

图11 弧面挡边结构

图12 折边板运动曲线

3.2 应用物理矛盾解决问题

针对10号原因——折边板带动大面纸下压，无法将大面纸折成180度，折边板下压过程中的运动轨迹是一段凸型弧线(如图12所示)。在接触灰纸板前，希望折边板翻折速度快，这样可以减少折边板翻折时间；而接触灰纸板后希望翻折速度小，这样单位时间内的竖直向下位移小，避免了灰纸板影响折边板的向前运动。这就要求折边板翻折时的速度既大也小，这构成了TRIZ理论中的物理矛盾，而解决物理矛盾的核心是实现矛盾双方的分离[13]。

解决物理矛盾有基于空间分离、基于时间分离、基于条件分离、基于整体与部分分离的4个分离原理[14]，由基于条件的分离原理可以利用#1、#5、#6、#7、#8、#13、#14、#22、#24、#25、#27、#33、#35等13个创新原理来解决相关物理矛盾。利用#1分割原理得到启发，将折边板运动分割开，用两个执行机构分别实现两个方向上的运动，得到方案4：采用两个气缸分别实现水平向前和竖直向下运动，将竖直向下运动和水平运动分割开来，从而实现折边过程，如图13所示。

1-铲边气缸 2铲边板 3-压边气缸 4-压边板图13 解决方案4

3.3 物场模型分析

针对08号原因——折边板无法将大面纸折成90度，通过功能分析和因果链分析，可以理解为折边板在升降气缸的作用下向上运动，无法将带有灰纸板的大面纸铲90°，从而导致折边时候容易出现空边。可以将此看作折边板对带有灰纸板的大面纸的作用力不足。根据物场模型解决问题的步骤，首先需要定义问题的物场模型。本物场模型的作用对象是折边板，被作用对象是带有灰纸板的大面纸，其中，折边板对带有灰纸板的大面纸的作用力不足。它们之间的作用场是机械场，建立物场模型如图14所示， TRIZ理论中的标准解法针对作用力不足模型提供了多种解法[15]，采用S2.2.6构造物质方法(见图15)得到解决方案5、解决方案6。解决方案5：在折边板前端嵌入橡胶块，通过橡胶块与带有灰纸板的大面纸挤压，使折边板在向上运动过程中将大面纸折成90度，折边板优化前后的结构如图16所示。解决方案6：折边板前端增加弹簧片，折边板在上升过程中通过弹片挤压将大面纸折成90度，如图17所示。采用S2.1.1向链式物质—场跃迁(见图18)的方法得到解决方案7：折边板下方增加一个推板，当折边板到达工作位置后通过一个气缸推动推板，将大面纸折成90度，如图19所示。采用S2.1.2双物—场模型的方法(如图20)，得到解决方案8：采用位置控制，当折边板上升到工作位置前旋转板处于竖直状态，如图21所示，当折边板运动到工作位置后旋转板旋转180，将大面折成90度，如图22所示。

图14 物场模型

图15 构造物质模型

图16 方案5

图17 方案6

图18 链式物质—场跃迁模型

图19 优化前后压板的结构

图20 双物场模型

图21 旋转板处于竖直状态

图22 旋转板旋转180°

4 方案评价及选择

针对上述的8个方案，利用TRIZ理论中的评价模型对实际项目进行考虑，分别从可行性、加工性、装配性和成本4个维度出发：方案1仅需更改折边板结构和增加弹簧就可以实现180度折边，折边板的可加工性和可装配性强；方案2是在折边板上增加滚筒，对折边板的改动较大，会大幅增加折边板体积，从而导致整个折边装置体积变大，由于输送折边装置的空间有限，故该方案难以实现；方案3需要在输送带上增加新装置，然而输送带上的空间有限，无法再添加新装置；方案4对现有装置的更改较大，成本较高；方案5仅需要更改压板结构且加工简单，修改量较少，可实施性强：方案6采用弹簧片，会刮伤输送带吸风箱体，影响输送带使用：方案7需要重新增加推板和气缸，由于输送折边装置的空间较小，无法在安装推出气缸；方案8采用旋转板旋转，会增加新的动力装置，成本有所提高。通过对比分析，选择方案1与方案5来实施，在样机测试过程中折边过程未出现空边，测试效果良好。