基于TRIZ的集装箱液袋折叠机创新设计

杨亚龙 王继荣,3* 吕关振 李 军

（1.青岛大学 机电工程学院，青岛 266071；2.青岛大学 计算机科学技术学院，青岛 266071；3.威海创新研究院，威海 264200）

集装箱液体集装袋（以下简称集装箱液袋）是一种由软性材料制成的、内装液体货物的、使用6.1 m通用集装箱装运的密闭包装袋，主要用于各类散装非危险液体货物的集装化运输[1]。目前，集装箱液袋生产行业大多采用人工方式折叠打包，耗时耗力。现有的自动折叠机都只能应用在小尺寸物品上，如卫生纸、毛巾和衣服等。JENSEN-GROUP公司生产的Butterfly ThematicPro全自动毛巾折叠机和分拣机最具有代表性[2]。美国加州大学伯克利分校的Jeremy Maitin、Marco Cusumano-Towner研制的多功能机器人实现了毛巾自动拾取和折叠[3]。机器人通过视觉系统识别所需要的毛巾并对其进行分类，然后进行折叠。STEPHEN等人设计的机器人可以实现裤子和上衣的分拣并完成折叠[4]。日本Seven Dreamers研究了一款能够自动折叠衣服的机器人Laundroid，配套了识别软件、机器学习技术、机械臂技术，通过图像分析和机械折叠两个步骤，可以将衣物进行不同方式的折叠[5]。GOMESH等人研制的纸盒折叠机，在纸盒的4个角上分布着4个简易的机械手，用来折叠纸盒的4个角[6]。在现有折叠机的基础上实现集装箱液袋的折叠，并要求折叠机装置简单可靠，给机器设计带来了很大困难。本文液袋长为7 400 mm、宽为3 950 mm，材料采用4层0.125 mm的聚乙烯材料外加一层聚丙烯编织材料的外套。现有自动折叠机不能折叠这种尺寸大且材质柔软的液袋，因此基于发明问题解决理 论（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）对集装箱液袋折叠机进行创新设计，以实现液袋的自动化折叠。

1 TRIZ

TRIZ是前苏联学者ALTSHULLER及其研究团队研究了世界各地250万份高水平专利，综合多学科领域的创新原理和法则创造出来的综合理论体系[7]。发明问题的核心是发现冲突。通过对专利文献的分析，TRIZ提炼出最重要、最普遍适用的40条发明原理[8-9]。许多学者应用TRIZ解决工程实际问题，启发设计人员从不同角度思考和解决问题，发现和解决创新设计过程中的各类冲突[10]。

2 集装箱液袋生产工艺分析

集装箱液袋的主体材料通常是尼龙或高强度聚酯、丁腈橡胶聚酯纤维布料。双面涂层采用聚亚胺酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯和聚氯乙烯混合物等材料[11-12]。为了降低液袋的生产和清洗成本，一次性液袋问世[13]。这种集装箱液袋分为单层液袋和多层液袋[14]。本文研究的液袋为多层液袋，外袋由1层柔性PP材料制成，内袋由4层PE材料制成。多层集装箱液袋生产过程如图1所示。

图1 集装箱液袋生产工艺

缝合后长为7 400 mm、宽为3 950 mm的液袋经人工多次折叠后，成为长、宽、高分别小于1 130 mm、550 mm、450 mm的液袋，放入箱子密封存放。

3 集装箱液袋折叠机TRIZ分析

传统折叠机系统由送料装置、折痕夹紧装置、压实装置以及折叠装置组成[15]。待折叠物品经送料装置输送到指定位置，折痕夹紧装置完成对物品的夹紧和折痕的定位，由压实装置对折痕进行压实，折叠装置完成对物品的一次折叠。物品经第一次折叠后随输送带到达下一个折叠位置。

由集装箱液袋生产工艺可知，需要将长为7 400 mm、宽为3 950 mm的液袋折叠成为长、宽、高分别小于1 130 mm、550 mm、450 mm的液袋，最少需要进行11次折叠。采用传统折叠机的折叠方式仅改变机器的尺寸，会增加折叠机装置的复杂程度。运动物体的面积（液袋的面积）与装置的复杂性构成了一对矛盾矩阵，如表1所示。

表1 矛盾矩阵表

根据表1查找的发明原理，采用14曲线、曲面化原理对折叠机进行优化。该原理是利用曲线或曲面替代原有的线性征。液袋的尺寸长为7 400 mm，送料机构输送带的长度要略大于该长度，取输送带长度为7 500 mm，需要由3台并列的输送机完成液袋的输送，增加了折叠机装置的复杂性。根据曲线、曲面化原理将输送带的平面结构改为曲面结构，使用滚筒对液袋进行输送。将输送带改为滚筒后，确实可以优化装置的复杂性，但集装箱液袋上面设有阀门[16]，阀门的高度为122 mm。液袋不能附着在滚筒上，仍需采用输送带输送液袋。

采用13反向作用原理对现有折叠机进行改进设计。人工对液袋进行折叠时液袋不动，对长边折叠后再移动到短边的位置折叠短边。采用折叠机对液袋进行折叠时，为减少装置的复杂程度，设计一个集装箱液袋转向机构，如图2所示，使液袋长边与短边共用一个折叠机构进行折叠。

图2 液袋转向机构

液袋折叠机转向机构由8部分组成，用来将折叠完长边形成的折叠体旋转90°，然后折叠机构再对液袋的短边进行折叠。

当折叠机构完成液袋长边折叠后，折叠机构将折叠体翻转至托板8上[17]。托板8与托板气缸7的气缸杆固连，托板气缸7的缸体与托架6固连，托板气缸7带动托板8运动，实现液袋托放[18]。托架6通过轴与伺服电机减速机和伺服电机4相连，伺服电机及减速机固定在升降托板5上，升降托板5和升降气缸3的气缸杆固连，升降气缸的缸体同位移杆2固连，以升降气缸为动力实现升降板的上下移动。位移杆2和位移气缸1的气缸杆相连，位移气缸1固连在支架上，以位移气缸1为动力，位移杆为执行元件，可以使位移杆2左右移动。通过各部分的协调配合，实现液袋旋转90°的动作，从而使折叠机用一个折叠机构对液袋的长边与短边进行折叠，降低了折叠机装置的复杂程度。

采用1分割原理进一步优化折叠机系统。液袋折叠机的工作系统分为5个模块，分别为送料模块、液袋的折痕夹紧模块、压实模块、转向模块和折叠模块。液袋折叠工艺过程中，各个模块相互配合实现液袋的自动折叠，减少了系统中机构的冗余，从而降低了折叠机的复杂性。

4 集装箱液袋折叠机整体方案

折叠机整体工作原理，如图3所示。折叠机分为5个模块，分别为送料模块、折痕夹紧模块、压实模块、转向模块和折叠模块。

图3 折叠机整体工作原理图

送料模块由3台并列的输送机组成，完成液袋的输送。折痕夹紧模块采用气缸为动力源，实现夹紧板在折痕处的定位，完成对液袋折痕的定位和对液袋的夹紧工作。压实模块利用压实气缸4完成液袋折痕的压实工作。转向模块通过气缸与伺服电机之间的相互配合，完成折叠体旋转90°的动作。折叠模块由3自由度的连杆与末端执行器组成，完成液袋折叠工作。

折叠机工作时，将长为7 400 mm、宽为3 950 mm的集装箱液袋平放在输送带上，输送带开始运作，液袋向左移动。当位置传感器感应到液袋时，输送机停止工作，夹紧板开始下压夹紧液袋。夹紧板下压完毕，折叠机构夹爪夹住液袋的边缘向右运动，实现液袋折叠。折叠机构复位，压实机构压板开始下压1 100 mm，停歇保压0.5 s。压板和夹紧板复位，皮带向前运动，重复以上运动6次。转向机构开始向左运动400 mm，托架向下运动400 mm，折叠机构将折叠体翻转到托架上。折叠机构气缸6复位，伺服电机12逆时针旋转90°后，托架气缸14向右运动，折叠体滑落至输送带，折叠机构气缸和电机全部复位，折叠机构对折叠体短边折叠5次。

5 结语

应用TRIZ对集装箱液袋折叠机进行创新设计，根据矛盾矩阵和创新原理设计液袋折叠机的新方案。该方案将折叠机分成5个模块，通过各模块之间的协调配合，完成集装箱液袋的折叠工作。应用TRIZ设计的液袋折叠机在满足液袋的自动折叠的情况下，降低了装置的复杂性。后续将进一步研究液袋阀门安装位置不同对折叠效果的影响。