TRIZ理论在组合式注射教学机设计中的应用

李 霞,佟瑞栋,李依娜,叶 畅

(1.江苏省惠山中等专业学校 机电工程系,江苏 无锡 214153;2.朝阳市第六中学 物理组,辽宁 朝阳 122000;3.朝阳师范高等专科学校生化工程系,辽宁 朝阳 122000;4.江苏电子信息职业学院数字装备学院,江苏 淮安 223200)

0 引言

为了适应塑料工业高速发展的需要,许多职业学校都开设了模具设计与制造专业.塑料模具设计作为该专业的核心课程,是理论性和实践性紧密融合的一体化课程[1].为了完成该课程的实训教学,学校往往需要购置卧式、角式和立式三种类型的注射机,但这需要较多的设备购置资金和较大的实训场所.为了解决这一问题,本文运用TRIZ理论进行分析讨论,设计一种新型的组合式教学注射机.

1 TRIZ理论及物理矛盾解决方法

1.1 TRIZ理论

TRIZ理论在20世纪40年代末由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒提出,阿奇舒勒和他的团队研究分析了世界各国约250万件发明专利,认为创新绝不是灵感的突现和无规律的事件,其中应该蕴含着发明的基本法则和技术进化的规律,从而提炼和归纳出解决技术问题的基本原理和方法[2].

TRIZ理论包括了诸多内容,而且还在不断发展完善中.TRIZ理论认为技术系统中存在着物理矛盾、技术矛盾和管理矛盾,而管理矛盾通常可以转化成技术矛盾来解决,因此,TRIZ理论主要研究前两种矛盾,并提供相应的解决问题工具.

1.2 物理矛盾解决方法

本文要解决的主要问题涉及物理矛盾.所谓物理矛盾,就是在一个技术系统中存在对同一个参数提出相互排斥的需求的物理状态,即对技术系统或其子系统中的某一参数或属性提出了截然不同的需求[3].物理矛盾广泛存在于生产生活的各种系统中,例如,在实训室建设中为了更好地满足实训要求,我们希望购买类型更多的实训设备,但是这需要更多的经费投入和占用较大的实训场所;如果从节约经费和减小实训场地的角度出发,又不希望购买更多的实训设备,也就是说购买实训设备数量的多少受到特定条件的限制.

在TRIZ理论中,将物理学中常用的参数分为几何、材料及能量、功能3类进行表述,如表1所示[4].

表1 常见物理矛盾

TRIZ理论建议我们用4大分离原理(空间分离、时间分离、条件分离和系统级别分离)来解决物理矛盾:

技术系统的某个参数在一特定空间体现出来的特性和在另外一个空间体现出来的特性不同,则可以将矛盾双方在不同的空间上分离开来,以降低问题的解决难度,我们把这种方法称为空间分离.

技术系统的某个参数在一特定时间段表现出的特性和在另一时间段表现出的特性不同,将矛盾双方在不同的时间段分离开来,以降低问题的解决难度,我们把这种方法称为时间分离.

技术系统的某个参数在不同条件下表现为不同的特性,将矛盾双方在不同的条件下分离,以降低问题的解决难度,我们把这种方法称为条件分离.

技术系统对同一参数的不同要求,可以在不同的系统级别上实现,如矛盾双方在超系统、系统、子系统的层次只出现一方,而该方在其他层次不出现时,则可以让矛盾双方在不同层次分离,以降低问题的解决难度,我们把这种方法称为系统级别分离.

通过研究发现,分离原理与一些发明原理之间存在着一定的关系,利用这些发明原理可以为解决物理矛盾提供更广阔的思路,从而更好更快捷地获得问题的解决方案.40条发明原理是阿奇舒勒对大量高质量发明专利分析后归纳总结出来的共性规律.每一条分离原理可以对应多条发明原理,具体见表2[4],表中数字为发明原理的编号.

表2 分离原理与发明原理的关系

物理矛盾解决流程如图1所示.

2 注射机的分类和物理矛盾分析

2.1 注射机的分类

注射机是塑料注射成型所用的设备,按其结构特征分为3种类型,分别是卧式、角式和立式注射机,如图2所示.

卧式注射机的开合模系统和注射系统均沿水平方向布置.这类注射机的优点是机身较低,稳定性较好,维修方便,塑件顶出后可利用重力自动落下,便于全自动操作;其缺点是占地面积比较大,不便于模具安装和嵌件安放.

立式注射机的开合模系统和注射系统均沿垂直方向布置.这类注射机的优点是模具拆装方便,嵌件安放便利,占地面积小;其缺点是不便于加料,塑件顶出后需要人工或其他方法取出,不易实现全自动化操作,另外机身重心较高,机器的稳定性较差.

角式注射机的注射系统与开合模系统二者的轴线相互垂直.这类注射机综合了立式和卧式注射机的优点,主要用于成型自动脱卸螺纹塑件和成型中心部位不允许留有浇口痕迹的平面塑件[5].

2.2 物理矛盾分析

准确地寻找和定义物理矛盾是解决问题的基础.为了满足实训教学要求,一般需要购买3种类型的注射机,但是这需要较大的实训场地和更多的设备投资,而现有的实训场地不能满足这个要求.由此看出,实训系统对注射机的数量这个参数提出了截然相反的要求.这个矛盾在表1中体现为数量多与少(材料及能量类)的矛盾.

表3 定义物理矛盾的步骤

经过分析发现,实际教学中并不是同时操作3种类型的注射机,可以合理安排时间,按照顺序使用,这属于时间分离的问题.在表2中时间分离对应的发明原理共有12条,并不是所有的发明原理都有助于具体问题的解决.经过分析,认为其中的第15条“动态特性”原理可以帮助我们解决这个问题.

动态特性原理启示我们,“分割物体,使其各部分可以改变相对位置”,“如果一个物体整体是静止的,使之移动或可动”.于是设想将注射机各部分分割成模块,各模块连接成柔性的、可自适应的组合体,根据实训需要在不同时间段转换成卧式、角式或立式的注射机,从而减少占地面积.另外在注射机下面安装滚轮使之可以移动位置,调好位置后由滚轮上的自锁机构进行锁定,既具有灵活性又具有稳定性.

考虑到用于教学的注射机不需要很高的制造精度,于是在第26条“复制”发明原理启发下,尝试用结构简单、成本低廉的教学机取代结构复杂、价格昂贵的生产用注射机,这样可以大大降低制造成本.

3 组合式注射教学机结构组成和转换原理

3.1 结构组成和特点

如图3所示,组合式注射教学机包括料斗、支撑底座以及安装在支撑底座上的注塑系统和开合模系统.料斗安装在注塑系统顶部,注塑系统安装在支撑底座上,可在导轨上滑动,开合模系统铰接在支撑底座上,并可以自由旋转.注塑系统包括料筒、螺旋送料组件和加热组件,上部连接料斗.物料经料斗进入到料筒内加热,然后由螺旋送料组件驱动进入到开合模系统.开合模系统的主要作用是保证成型模具的可靠开合以及脱出塑件[6].

3.2 转换原理

组合式注射教学机包括卧式转换成立式、卧式转换成角式两种转换模式[7-8]..

(1)卧式向立式转换:首先将料斗放平,然后将整体机构旋转,底座竖立,通过支撑板支撑,即可实现卧式向立式转换.转换过程如图4所示.

(2)卧式向角式转换:首先将注射机转换成前卧式,然后将台座后退,开合模机构旋转,旋转到位,台座前移,即可实现卧式向角式转换过程.转换过程如图5所示.

4 结语

如果分别购买卧式、立式和角式三台注射机,共需要投资人民币25万元左右,现在自制的组合式注射教学机只需10万元/台左右,节约资金15万元,节约占地面积20 m2,降低了基建费用.另外,该机采用模块化设计,便于维修和更换;配备语音导航,在操作时有导航提示,提高了人机交互能力;注射系统和开合模系统与PLC控制器相连,通过PLC控制器可以自动控制注射系统和开合模系统工作.实践证明,该机便于学生掌握塑料注塑成型工艺的基本方法和了解典型注塑模具的基本结构,在淮安信息职业技术学院试用以来,取得了较好的教学效果.