基于TRIZ理论对发卡设备重张连张问题的创新研究

陈万昌，周剑波

（1.中山凯尔特机械设计有限公司，广东 中山528437；2.广东珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海519000）

发卡设备是一个统称，是以发送卡片类产品为主的一种设备或机构，是指具有卡片形状的比较薄的一类产品，如扑克牌、名片、纸张等。将N多张一堆卡片一张一张地发出来。

该技术系统目前有飞达式、真空吸盘式、振动式、往复分离式[1]、摩擦式等形式。摩擦式是目前是用途最广，使用最多的一种形式。大量使用于包装、印刷、装配产线等行业。

摩擦式发卡机构，由摩擦输送装置，输出装置，导板，调节器，反向摩擦轮以及控制系统组成。而其核心是摩擦输送装置与导板，通过调节导板与摩擦输送装置与导板之间的间隙，实现对卡片的单张发送。如图1所示。

虽说场景很多，但在行业内还是存在一些一直无法克服的重张和连张问题，而且一次出二张或多张或连续出二张或多张的情况经常发生，造成计数不准确，影响生产效率。

近年来，也有不同的厂家对该机构进行优化升级，以适应不同市场需求，但大多是常规设计[2]，鲜有基于TRIZ理论的创新方法在此领域应用。根据对TRIZ创新理论的学习，如今创新已经不再只是“灵感”进行发明创造的时期了，而是由理论体系和若干创新方法组成的一套完整的创新体系，而随着国家对科技创新以及方法创新的重视，该方法体系正被各领域的技术人员所接受。

本文所研究的发卡机发卡不稳定造成的重张连张问题也尝试从TRIZ理论导引[3]的角度来解决，借TRIZ的问题识别工具、问题解决工具等，设计出可以克服此问题的多种方案，为此技术系统的开发设计和创新提供新的思路和方向，对提高卡片类产品的点数和发卡效率具有重要意义。

1 发卡机的工作原理介绍

自动发卡技术系统是取代传统手工一次准确投送单张或多张卡片的一套机构，该机构的原理图1所示。

图1 摩擦式发卡机构

（1）摩擦皮带1通过皮带本身的摩擦力并且在卡片2自身重力下，经过导板5，将最下方的一张卡片2搓走，未被搓走的卡片由挡板3进行阻挡，调节器4可以调节导板5与摩擦皮带1之间的间隙，以保证单张卡片2能得以通过。卡片2被搓走后与O型输送带7进行接驳（1和7之间存在速度差，7的速度大于1的速度），把卡片送出设备，实现点数（单张输出）功能。

（2）导板5与摩擦皮带1之间的间隙是可以通过调节器4随时调节（此位很重要）。

（3）反向摩擦轮6的作用是旋转运动并与卡片2的运动方向相反，反向向卡片施力，以保证无过多卡片一次输出而造成重张和连张的问题。

2 工程问题分析

2.1 问题描述

目前在使用过程中，重张和连张率高，通过更换不同材料的调节器压头，效果好很多，很难调节，操作难度很高，要反复寻找平衡点。特别是在发超薄卡片时（0.06-0.2mm）经常发生，机率远高于厚卡片，最高约3%-20%的不良率，这是不能接受的。

目前主要是从改变导板的材料来解决问题，但效果不很理想，操作难度大，且重张连张也经常发生。

2.2 功能分析

功能分析是TRIZ重要的问题分析工具，可以从功能的角度找出技术系统中存在问题的组件。

当前的系统组件有导板、调节器、挡板、摩擦皮带、反向摩擦轮，作用对象为卡片，超系统组件为O型输送带，如图2所示。

图2 系统组件

通过组件模型分析可知，导板对卡片的压力不足，摩擦皮带对卡片的摩擦力的不足以及反向摩擦轮对卡片有起皱的过度功能都是造成重张和连张的原因。

2.3 因果分析

因果分析也是TRIZ识别技术系统缺点及问题分析的重要工具，通过因果的层层分析，梳理问题之间的逻辑关系，可以挖掘隐藏于问题背后的隐性问题，便于找到关键点，然后根据关键问题尝试寻找新的解决方案。

根据因果分析工具，绘制卡片重张连张问题的因果链，如图3所示。

根据图3可知，造成发卡重张连张的主要原因可以归纳如下：

图3 重张连张问题的因果链

（1）卡片与摩擦皮带之间压紧力过度，

（2）摩擦皮带的摩擦力不足，

（3）导板的材料弹性不足。

根据因果分析总结的主要原因，然过再通过下面的技术矛盾分析，寻找具有可操作性的解决方案。

3 问题求解

3.1 技术矛盾解决问题

技术矛盾是指改善一方面功能的同时，将恶化或削弱另一面的功能。由因果图可知，导板材料的柔性不足是问题原因之一，用技术矛盾的语言可以描述为：如果增加材料的柔性，那么磨损加快，但是会频繁更换导板，导致易用性差。将这对矛盾再根据TRIZ的39个工程参数进一步梳理，将材料的柔性抽象为适应性、通用性（35），将易用性差抽象为系统的复杂性（36）。根据矛盾矩阵关系图，查需要改善的参数（35），恶化的工程参数（36），得到对应用的发明原理矩阵解，分别为15、28、29、37，如图4所示。

图4 应用的发明原理矩阵解

根据现实情况分析，37、28不具备可行性，而15、29更加接近实际且易于实现。

根据NO.15动态化发明原理的启发，可以在卡片的下方设计一个振动机构，使用成叠的卡片不断进行松散，减少卡片之间的结合力，以减少重张的概率，如图5所示。

图5 设计振动器

根据NO.29用气动或液压结构发明原理的启发，可以在摩擦皮带上开孔，且在皮带下方设计真空机构，以增大最下方一张卡片与皮带之间的结合力，如图6所示。

图6 设计真空机构

综上所述，通过一对技术矛盾分析，应用TRIZ的工程参数和发明原理找到4种方案，有2种具有可行性的方案。同时根据因果分析也构建其他的技术矛盾，然后通过问题的抽象与矛盾参数对应，再查询矛盾矩阵解，得到更多的发明原理解决方案。

3.2 物理矛盾解决问题

物理矛盾是技术矛盾的进一步深化，它表述的是一个技术系统参数有正反两个方面的需求。比如，要求桌子既要大，又要小，大可以放更多的东西，小可以节省放置的空间。相对于技术矛盾，物理矛盾是一种更加尖锐的矛盾，在工程中往往不容易解决。

根据因果分析，卡片重张的主要原因是卡片之间的摩擦力过度，发卡时摩擦力大，容易造成连张；发卡时又要摩擦力小，皮带磨损少，但又容易造成重张，此时卡片间的摩擦力既要大又要小就构成了一对物理矛盾。由于卡片的发送与存放不在一个空间，所以可以根据物理矛盾空间分离原则进行空间分离，空间分离对应的发明原理有01分离、02抽取、03局部质量、04非对称、07嵌套、13逆向思维、17、多维化、24中介物、26复制、30柔性外壳或薄膜。

根据发明原理17-多维化的启示，让卡与皮带之间的关系由竖向改为横向，这样没有竖向重力层压作用，所有卡片受到的引力是一样的，卡片之间的摩擦力几乎是一样均匀的。

空间状态1结合力大，空间状态2结合力小，如图7所示。

图7 空间状态

由于发卡时间与放卡的时间不在同一时间进行，也可以尝试用物理矛盾的时间分离原则进行时间分离，时间分离对应发明原理有：9-预先反作用、10-预先作用、11-预先防范、15-动态化、16-部分超越、18-机械振动、19-周期性作用、20-有效作用的连续性、21-快速原理、29-气压与液压结构、34-抛弃与再生、37-热膨胀。

根据发明原理10-预先作用的启示，预先将成叠的卡片人工进行松散化或通过机械振动进行松散，卡片之间的结合力就会被打破，使其之间结合力均匀。

时间1结合力强，在正常状态下结合力强；时间2结合力小，在人为松散后结合力就变小或消失。如图8所示。

图8 时间结合力

综上所述，根据从实际问题出发，提炼技术系统的物理矛盾，根据物理矛盾的分离法则，可以快速地找到对应的发明原理，从而为我们创新活动提供更多更可行的方案。

4 结论

本研究借助TRIZ理论的功能分析、因果分析、技术矛盾、物理矛盾工具，分析研究了发卡技术系统的重张连张问题，通过功能分析和因果分析，逐步找到造成问题的各种原因，进而通过技术矛盾与物理矛盾的求解工具，解得4种可操作性的解决方案，分别为：（1）在卡片叠的后面加振动装，（2）在摩擦皮带上增加真空通孔，（3）把整个装置倒置90度，（4）在卡片上方加装增压装置，这4种方案具有可行性高、改造成本低等优点。

一般都是根据机械系统的功能结构与原理方案进行创新设计[4]，而本研究是用了TRIZ理论的一部分工具，如果进一步应用TRIZ理论的裁剪、知识库、理想解等工具还可提出更多新的创新方案，说明TRIZ理论在工业设计制造领域的创新问题中能帮助研发人员快速地拓展研究思路，提出创新方案，同时为其他行业产品的开发和产品的优化提供了新思路。