基于TRIZ 理论的自动添加书帖装置的创新设计

葛正斌，何邦贵，张朝亮，夏家良

（1.650504 昆明市 云南省 昆明理工大学；2.650021 昆明市 云南省 云南印刷技术研究有限公司；3.650231 昆明市 云南省 云南九九彩印有限公司）

0 引言

我国大部分印刷企业的生产工艺还比较落后，与发达国家的先进企业相比还有很大差距，一部分企业虽然完成了工艺和设备的改进，但由于流程之间设备不连续等原因，生产效率依然低下[1]。虽然在传统的书刊生产中，制版、印刷和装订三大环节各自都有显著的技术进步，实现了较高的自动化，但三大环节目前依然独立生产，尚未形成一体化[2]，仍存在大量的人工重复劳动。尤其是书刊装订环节，需要人工将书帖添加到装订生产线上进行书刊的成品装订。为减少添加书帖环节的人工数量，本文在分析配贴工艺流程的基础上，运用TRIZ 创新理论，设计了一套可实现自动配页功能的添加书帖装置，以减少人为因素对生产效率和产品质量的影响，进而提高书刊生产效率和质量水平。

1 配贴工艺流程分析

无线胶订联动机主要采用叠配的方式来配贴，即将各个书帖按照页码顺序依次叠摞在一起，成为一个书芯[3]。图1 所示为书帖配页机的工作原理简图[4]。书帖按照页码顺序依次堆放在储页台上的每一个储页格中，当配页机运转时，先由储页格下的分贴机构将最下面一个书帖分离出来，然后由叼页机构将书帖叼出按顺序放到传送链条上，传送链条上的书帖由拨书棍推动，随着传送链条持续向前运动，并在每一个储页格下面不断累积书帖直到收书台，完成一本书芯的配贴。

图1 书帖配页机的工作原理简图Fig.1 Working principle diagram of book binding page machine

将书帖添加到对应储页格中的动作由人工来完成，分析人工添加书帖的整个过程，发现可以将人工添加书帖的动作分为以下几个环节：识别、抓取、搬运、整理、堆放。操作工人通过观察，找到需要的书帖，用手抓取一摞书帖，搬运到储页台上并整理书帖，以提高书帖的松散度和整齐度，便于书帖分离，最后将书帖放入储页格中。

2 自动添加书帖装置设计需求

基于书帖自身的特性，以及配贴工艺流程，机构设计时需考虑以下问题：（1）书帖本身比较柔软，不利于配页过程中对其进行抓取；（2）当书帖堆码到一定高度时，书帖两侧会出现高度差，影响书帖堆码的稳定性及堆码高度；（3）书帖的规格主要有16 开和32 开两种，所设计的机构要能够适应不同大小的书帖；（4）书帖需要按照页码顺序，添加到对应的储页格当中，不能出现添加错误的情况；（5）添加书帖时需按照规定方向，折痕一侧向前，添加到储页格当中；（6）添加书帖过程中要保证储页格当中有一定的书帖余量，不能出现储页格为空的情况；（7）书帖表面不能沾染液体，纸张不能出现划痕、撕裂等情况；（8）长时间与支撑面之间发生滑动摩擦会导致字迹模糊与纸面磨损的情况。

3 自动添加书帖装置总体方案设计

现有的书帖存储方式以纵横交错、层层叠加、紧密排列的方式堆码成一个长方体，优点是以这种方式堆码，存放的稳定性高，存储量大，不易散落，但这种存储方式给书帖的抓取过程带来了很大的难度，要实现书帖的自动抓取基本不可能。添加书贴的方式是将书帖叠摞堆放在储页格里，书帖是由印刷后经过折页形成，有折痕的部分厚度会略高于无折痕的部分，由于几百个书帖高度的累积，形成了较为明显的高度差，且随着书帖数量的增加，这种高度差越发明显，书帖的堆叠也更加不稳定，因此每个储页格存放的书帖数量受到限制。由于缓存量不够，如果一个工人同时配好几贴，就会出现顾此失彼的情况，这也导致需要多个配贴工人。为了解决书帖缓存量小的问题，可将书帖竖直放置（折痕朝上）在输送链板上向前输送，如图2 所示。相较于水平放置，这种方式能够增加书帖的存储量。通过斜向上的弧形输送机构可使书帖由原来的竖直排列的状态变成阶梯状的平铺状态，然后将书帖连续、缓慢地添加到储页格中。

图2 书帖运动过程示意图Fig.2 Sketch map of book signature movement process

4 基于TRIZ 理论的书帖输送机构创新设计

4.1 技术矛盾和创新原理

当技术系统的某一个参数得到改善的同时，导致另一个参数恶化，就产生了技术矛盾[5]。TRIZ 理论将这些因素总结成描述系统性能的39个通用参数，建立了阿奇舒勒矛盾矩阵表（参见表1），并提供了40 个解决问题的发明原理。如图3 所示，把实际问题转化为技术矛盾之后，查找矛盾矩阵，找到推荐的解决该技术矛盾的发明原理[6]，将这些发明原理应用到实际问题中，就比较容易找到解决该实际问题的可行性方案[7-9]。

图3 技术矛盾的流程Fig.3 Process of technical contradiction

表1 阿奇舒勒矛盾矩阵表Tab.1 Altshuller contradiction matrix table

4.2 问题描述

根据前文确定的总体方案，书帖需要竖直放置在输送链板上向前输送，由于书帖是柔软片状，当竖直放置时，很容易侧倒、散落，因此必须在原来的输送链板上增加额外的机构来保证书帖平稳地竖直放置在输送链板上而不侧倒。再加上书帖具有不同大小的尺寸规格，所以输送通道的大小要能适应书帖尺寸的变化。书帖输送机构不仅要防止书帖侧倒散落，也要满足能够输送不同尺寸规格的书帖，这必然会使系统变得复杂。

4.3 技术矛盾分析

（1）将实际问题描述转化成39 个通用参数中的2 项[10]。

根据以上对问题的描述，不管是增加机构来保证书帖平稳输送，还是使机构具备输送不同尺寸规格的书帖的功能，势必使系统变得复杂。改善输送机构的适用性及多用性的同时系统的复杂程度增加，机构的适用性及多用性与系统的复杂性之间形成了一对技术矛盾。

通用参数35 号适用性及多用性：指物体或系统积极响应外部变化的能力，或者在各种外部影响下，具备以多种方式发挥功能的可能性[11]。在此问题中，适用性及多用性的提高是改善的参数。

通用参数36 号系统的复杂性：指系统元素及其相互关系的数目及多样性。如果用户也是系统的一部分，将会增加系统的复杂性。人们掌握该系统的难易程度是其复杂性的一种度量[12]。在此问题中，系统的复杂性增加是恶化的参数。

（2）根据得到的工程参数，确定解决问题需要的发明原理

在表1 的矛盾矩阵表中，沿“改进参数”方向找到“35 适用性及多用性”这个参数的名称，然后沿“恶化参数”方向找出“36 系统的复杂性”这个参数的名称，35（适用性及多用性）所在行与36（系统的复杂性）所在列的交叉处，即为解决该问题的4个发明原理，分别为：15号动态特性，29 号气压和液压结构，37 号热膨胀，28 号机械系统替代。综合分析以上4 个发明原理，解决该问题最有效的发明原理是15 号动态特性原理，其余3 个发明原理对该问题的彻底解决帮助不大。

4.3 问题解决

4.3.1 动态特性原理的具体方法

15 号动态特性原理的基本内容为：①调整物体或环境的性能，使其在工作的各阶段达到最优状态。②分割物体，使其各部分可以改变相对位置。③如果一个物体是静止的，使之移动或可动[13]。

若书帖竖直放置时静止不动，在原输送链板上增加一个用来固定书帖使之不侧倒散落的机构，就可以起到固定书帖的作用。但是，在添加书帖的过程当中，书帖必须在输送链板上源源不断的向前输送，所以增加用来固定书帖的机构必须有一个在输送方向上的移动（参见图4）。为了适应不同尺寸规格的书帖，增加的机构还需有一个在垂直于输送方向的移动。

图4 书帖输送及尺寸调整方向Fig.4 Direction of book signature transportation and size adjustment

4.3.2 基于动态特性原理（15）的卡爪的创新设计

在发明原理15 的启发下，分割物体，使其各部分可以改变相对位置。在原有的输送链板两侧设置一个侧挡板，侧挡板上安装一个可以随书帖一起运动的卡爪，可以防止书帖侧倒，与输送链板组合在一起，实现书帖平稳向前输送的功能。

卡爪的结构如图5 所示。卡爪主要由摆杆、拉伸弹簧以及安装板组成。安装板固定在滚子链上，在链条的带动下，可以随着链条与输送链板同步向前运动，使书帖保持动态稳定。摆杆的主要作用是支撑书帖使其不侧倒、散落，由于限位挡杆的作用，摆杆不能顺时针转动，可以推着书帖向前输送。拉伸弹簧的主要作用是，当书帖受到外力，快速向前运动填满空隙时，弹簧被拉长，摆杆逆时针转动，使书帖顺利通过，紧密排列在一起。

图5 卡爪结构示意图Fig.5 Schematic diagram of jaw structure

4.3.3 基于动态特性原理（15）的可调节侧挡板的创新设计

在发明原理15 的启发下，如果一个物体是静止的，使之移动或可动。在输送链板的支架上，设置两条垂直于输送方向的可以滑动的导轨，将两个侧挡板安装在导轨上，通过滚珠丝杠带动侧挡板向两侧或中心移动，带有可移动卡爪的侧挡板与导轨、输送链板组合在一起，最终组合起来的整体机构既能保证书帖平稳向前输送，又能进行宽度调节来适应不同尺寸规格的书帖。

侧挡板的结构如图6 所示。支架两端安装两根导轨，中间安装一根双向滚珠丝杠，两个侧挡板安装在导轨上，通过滚珠丝杠的正反转，带动侧挡板沿导轨相对或相向滑动，实现调节宽度的功能。

图6 可调节侧挡板结构示意图Fig.6 Schematic diagram of adjustable side baffle structure

5 自动添加书帖装置的三维建模

5.1 输送链板及底座三维建模

为增加配帖过程中书帖的缓存量，将书帖竖直放置在输送链板上，由输送链板将书帖输送到前面的弧形输送机构，输送链板长度根据需要可以适当加长。输送链板及机架的结构如图7 所示。

图7 输送链板及底座结构示意图Fig.7 Schematic diagram of conveyor chain plate and base structure

两条输送链板安装在机架上，在电机带动下向前输送书帖。输送机构一侧安装气缸推板，目的是将添加进去的书帖快速向前推送，使书帖紧密排列，并为下次添加书帖空出位置。在输送链板两侧及中间设置支撑板，起到支撑书帖的作用。

5.2 卡爪链条三维建模

上述输送机构存在的问题是，当书帖竖直放置时，易侧倒、散落，为了使书帖平稳输送，设计一个用于支撑书帖的动态卡爪就显得尤为重要。如图8 所示，卡爪安装在滚子链上，链条内侧安装链条导轨，用于支撑和引导链条，在卡爪受到书帖挤压时，支撑链条减少变形。两条卡爪链条安装在输送链板两侧的侧挡板上，在电机的带动下，卡爪与输送链条同步向前运动，使书帖保持动态平稳状态。

5.3 侧挡板三维建模

如图9 所示，侧挡板通过支架安装在导轨上，在滚珠丝杠的带动下，沿着导轨滑动。侧挡板中上方开一条缝隙，便于卡爪穿过缝隙，卡爪上的摆杆伸出侧挡板，用来固定书帖。卡爪链条通过链轮轴安装在支架上，链轮轴带动卡爪链条与输送链板同步向前运动。

图9 侧挡板结构示意图Fig.9 Schematic diagram of side baffle structure

5.4 弧形输送机构三维建模

如图10 所示，机架上安装一个弧形支撑板，支撑板上安装两条输送链和两条窄输送带，用于输送书帖。支撑板上方安装压紧皮带以及辅助压紧皮带，为书帖提供一定的压力，增大书帖与输送链和输送带之间的摩擦力，并使书帖呈阶梯状紧密排列，避免书帖松散，保证书帖平稳输送。

图10 弧形输送机构结构示意图Fig.10 Schematic diagram of arc conveyor mechanism

5.5 自动添加书帖装置总体布局

自动添加书帖装置总装配三维实体图如图11 所示。本方案主要由气缸推板、输送链板、侧挡板、卡爪和弧形输送机构组成，各部分结构及安装位置前文已详细描述，此处不再赘述。

图11 自动添加书帖装置总装配三维实体图Fig.11 General assembly 3D solid diagram of automatically adding book-signature mechanism

添加书帖时的具体实施过程：将书帖竖直放置在输送链板和侧挡板形成的凹槽中，气缸带动推板推动书帖快速向前运动，此时书帖作用在两侧卡爪上的力迫使卡爪上的摆杆摆动，使书帖不受卡爪的限制向前运动，当书帖通过以后，卡爪上的摆杆受到弹簧的拉力，使书帖后方的卡爪弹出，恢复原位，并且由于限位挡杆的作用，摆杆只能单向摆动，书帖不能向后运动，卡爪固定住书帖，并和输送链板一起带着书帖缓慢向前运动。书帖运动到凹槽最前端时，与弧形输送机构接触，斜向上的输送链使书帖由原来竖直紧密排列的状态变成阶梯状的平铺状态，阶梯状平铺的书帖由上方压紧皮带压紧并由底下的输送链和输送带向前输送，最终缓慢连续添加到配页机上的储页格中。

6 结语

本文在分析了配贴工艺流程的基础上，确定了自动添加书帖装置的总体方案，并对其中存在的关键问题，运用TRIZ 理论的技术矛盾分析，选择15 号动态特性原理，创新设计了书帖输送机构中的动态卡爪和可调节侧挡板。书帖输送机构与弧形输送机构串联、配合，完成了自动添加书帖装置的创新设计，满足了添加不同尺寸规格的书帖的设计需求。实现了自动配页功能，减少了添加书帖过程中的的人工操作，减轻了工人的体力劳动，提高了书刊装订环节的自动化水平，进而减少了操作工人数量，减少了人工成本，具备一定的应用推广价值和经济效益。