徐一鳴，鄧援超，徐楊，徐志強(qiáng)

（430068 湖北省 武漢市 湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

TRIZ 理論是根里奇.阿奇舒勒在1946 年創(chuàng)立的，他總結(jié)了20 多萬(wàn)份專利，提煉出這套發(fā)明問(wèn)題解決理論體系。TRIZ 理論主要包括40 條發(fā)明原理、功能分析、物場(chǎng)分析、矛盾矩陣表、76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和ARIZ（發(fā)明問(wèn)題解決算法）等[1-5]。TRIZ 理論在解決工程實(shí)際問(wèn)題中得到了廣泛應(yīng)用。吉利[6]等運(yùn)用TRIZ 理論對(duì)現(xiàn)有的托槽蓋板與彈性部件構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了自鎖托槽蓋板易脫落影響牙齒矯正效果與周期的問(wèn)題；曾宇露[7]等基于TRIZ 理論對(duì)如廁助力產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，顯著提高了其工作效率與穩(wěn)定性。單光[8]等基于TRIZ 理論設(shè)計(jì)了一種試卷袋密封折蓋裝置，提高了試卷封裝的效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；楊超[9]等利用TRIZ 理論對(duì)套袋機(jī)套袋裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了套袋裝置在套袋過(guò)程中薄膜內(nèi)袋容易產(chǎn)生折角的問(wèn)題。

本文基于TRIZ 理論，對(duì)去竹節(jié)機(jī)與去竹節(jié)的方式進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)設(shè)計(jì)。提高了去除竹節(jié)的質(zhì)量，節(jié)約了生產(chǎn)成本與時(shí)間，減輕了工人的工作負(fù)擔(dān)。

1 去竹節(jié)機(jī)背景介紹

竹子在日常生活中用途廣泛，在生產(chǎn)竹筷、竹片、竹鹽等行業(yè)，將竹段內(nèi)的竹節(jié)去除干凈是一道重要工序。目前，我國(guó)市面上雖然存在著各式各樣的去竹節(jié)機(jī)，但是由于竹子本身存在著粗細(xì)長(zhǎng)短的差異，而機(jī)器又無(wú)法根據(jù)這些差異在加工時(shí)進(jìn)行調(diào)整，所以去除竹節(jié)的效果不好。在某些地方，只能通過(guò)人工方式保證去除竹節(jié)的質(zhì)量，這樣既降低了加工效率，也使加工成本變高。

去竹節(jié)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。首先工人將刀頭安裝在刀具固定軸上，刀頭要根據(jù)加工竹筒內(nèi)徑的大小進(jìn)行更換；然后將未加工的竹段放置在固定槽內(nèi)，并且通過(guò)U 型固定塊將竹段夾緊，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑塊裝置使竹段向著刀具移動(dòng)。最后刀頭通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，將竹段內(nèi)的竹節(jié)去除。

圖1 去竹節(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of slub removing machine

2 問(wèn)題分析

2.1 描述問(wèn)題

這種去竹節(jié)機(jī)雖然不需要工人手動(dòng)去除竹節(jié)，節(jié)省了一定的加工時(shí)間與加工成本，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其去除竹節(jié)的效果不太理想，竹筒內(nèi)壁仍有一些殘留的竹節(jié)沒(méi)有去除干凈，有些達(dá)不到生產(chǎn)的要求，所以需要對(duì)去竹節(jié)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，解決竹節(jié)去除不干凈的問(wèn)題。

2.2 系統(tǒng)功能組件分析

本課題技術(shù)系統(tǒng)的功能是去除竹段內(nèi)的竹節(jié)，故技術(shù)系統(tǒng)的作用對(duì)象為竹節(jié)。系統(tǒng)組件包括氣缸、電機(jī)、絲桿、滑塊、支撐桿、U 型竹段固定塊、U 型固定槽、刀具、待加工的竹段，超系統(tǒng)組件為機(jī)架。根據(jù)以上建立的系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件、作用對(duì)象進(jìn)行組件之間的作用分析。采用規(guī)范化的描述方式建立的功能組件模型如圖2 所示。

圖2 組件功能模型圖Fig.2 Component function model diagram

2.3 因果分析

在TRIZ 理論中，因果分析是應(yīng)用十分廣泛的分析方法。通過(guò)因果分析可多角度發(fā)現(xiàn)造成問(wèn)題的原因，通過(guò)邏輯梳理可以尋找到最根本的原因，進(jìn)而得到解決問(wèn)題的思路和方法。對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行因果分析，得到的因果分析圖見(jiàn)圖3。

圖3 因果分析圖Fig.3 Causal analysis chart

對(duì)以上因果分析的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步討論。針對(duì)2 號(hào)原因，通過(guò)增加刀具的數(shù)量可以解決刀具在竹筒內(nèi)作用范圍小的問(wèn)題。針對(duì)4 號(hào)原因，若為單個(gè)刀具增加專用的反饋調(diào)節(jié)裝置無(wú)疑會(huì)很大程度地增加刀具的成本，并且也會(huì)使裝置整體變得更加復(fù)雜。針對(duì)5 號(hào)原因，通過(guò)增大刀具驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率可以有效解決刀具對(duì)竹節(jié)作用力度不足的問(wèn)題。針對(duì)6 號(hào)和7 號(hào)原因，竹節(jié)與竹筒內(nèi)壁連接太牢固，竹筒的內(nèi)徑不完全相同是竹子的自然屬性，不屬于本問(wèn)題研究的范疇，所以不進(jìn)行考慮。1 號(hào)原因和3 號(hào)原因可以通過(guò)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)解決竹節(jié)去除不干凈的問(wèn)題，是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵缺點(diǎn)。

3 問(wèn)題求解

通過(guò)以上對(duì)竹節(jié)去除不干凈問(wèn)題的因果分析和功能分析，找到了造成該問(wèn)題的2 個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)，下面將2 個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)分別轉(zhuǎn)化成2 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析。針對(duì)1 號(hào)原因通過(guò)分析得到的關(guān)鍵問(wèn)題①如何使刀具在工作時(shí)的回轉(zhuǎn)半徑與竹筒的內(nèi)徑近似相等。針對(duì)3 號(hào)原因通過(guò)分析得到的關(guān)鍵問(wèn)題②如何設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀裝置，使刀具可以根據(jù)竹筒內(nèi)徑的變化進(jìn)行調(diào)整。下面結(jié)合TRIZ 中的工具對(duì)2 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行求解。

3.1 利用矛盾解決問(wèn)題

針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題①，常規(guī)的解決方法是更換大直徑的刀具來(lái)增加刀具的作用范圍。但是大部分待加工竹筒的內(nèi)徑都不相同，當(dāng)遇到內(nèi)徑相差較大的竹筒時(shí)必須再次更換刀具才能繼續(xù)工作，這樣頻繁更換刀具的方式無(wú)疑會(huì)降低去竹節(jié)機(jī)的生產(chǎn)效率。因此可以將增大靜止物體的面積和降低去竹節(jié)機(jī)的生產(chǎn)率作為一對(duì)技術(shù)矛盾：

改善的參數(shù)為：靜止物體的面積-#6；

惡化的參數(shù)為：生產(chǎn)率-#39。

通過(guò)查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表發(fā)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理有7（嵌套）、10（預(yù)先作用）、15（動(dòng)態(tài)化）、17（維數(shù)變化）。其中利用#15-動(dòng)態(tài)特性原理，得到方案①。

方案①：對(duì)刀具去除竹節(jié)的工作方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，不僅局限于刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)與夾具加持竹段進(jìn)行直線移動(dòng)。通過(guò)將竹段的夾緊方式改為3個(gè)滾輪夾緊來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具動(dòng)態(tài)化的去除竹節(jié)。氣缸推動(dòng)上滾輪固定架和下滾輪固定架移動(dòng)，將中間的竹段夾緊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)絲桿滑塊裝置帶動(dòng)竹段和夾具移動(dòng)至刀具處。刀具開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)竹節(jié)進(jìn)行去除。同時(shí)，主動(dòng)滾輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)竹段圍繞刀具進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了刀具去除竹節(jié)的動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，提高了裝置的工作效率。方案①的工作示意圖如圖4 所示。

圖4 方案①工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of scheme ①

針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題②，常規(guī)的解決方法是設(shè)計(jì)一套去竹節(jié)機(jī)的自動(dòng)換刀裝置，使其在工作時(shí)可以根據(jù)竹筒內(nèi)徑的變化自動(dòng)換刀，優(yōu)化了刀具的適應(yīng)性。但是增加自動(dòng)換刀裝置必定會(huì)使去竹節(jié)機(jī)整體變得更加復(fù)雜，惡化了設(shè)備的復(fù)雜程度。因此可以將提高刀具的適應(yīng)性和增加設(shè)備的復(fù)雜性作為一對(duì)技術(shù)矛盾：

改善的參數(shù)為：適應(yīng)性及多用性-#35；

惡化的參數(shù)為：設(shè)備的復(fù)雜性-#36。

通過(guò)查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表發(fā)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理有15（動(dòng)態(tài)化）、28（機(jī)械系統(tǒng)的替代）、29（氣壓與液壓結(jié)構(gòu)）、37（熱膨脹）。其中利用#15-動(dòng)態(tài)特性原理，得到方案②。

方案②：對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高刀具的適應(yīng)性。在原有刀具的基礎(chǔ)上增加刀片、刀片安裝座、彈簧、支撐架等零件。其中刀片安裝座與刀頭及刀具主軸固定，3 個(gè)刀片與刀片安裝座鉸接。彈簧的一端固定在刀片安裝座的端面上，另一端固定在支撐架的端面上。支撐架與刀片上的滑槽之間為槽口連接，支撐架的中心開(kāi)孔，使其可以在刀具主軸上滑動(dòng)。當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入到竹段內(nèi)部時(shí)，3 個(gè)刀片可以根據(jù)竹段內(nèi)徑的不同，圍繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)不同的角度進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)由于支撐架與刀片之間為槽口連接，支撐架也會(huì)相應(yīng)地在刀具主軸上滑動(dòng)。支撐架位置的改變會(huì)使得彈簧的長(zhǎng)度發(fā)生變化而產(chǎn)生彈性勢(shì)能。彈簧產(chǎn)生的彈性勢(shì)能會(huì)使得3 個(gè)刀片緊貼在竹筒的內(nèi)壁上，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)刀具主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，3 個(gè)刀片也會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)了增加刀具適應(yīng)性的目的，提高了刀具清除竹節(jié)的效率。方案②刀具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 方案2 刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of tool structure in scheme ②

3.2 利用物場(chǎng)模型解決問(wèn)題

在TRIZ 理論中，最小的系統(tǒng)單元至少應(yīng)該由2 種物質(zhì)及2 種物質(zhì)間的場(chǎng)組成。物場(chǎng)分析法是TRIZ 理論中一個(gè)重要的描述問(wèn)題、分析問(wèn)題的工具。根據(jù)物場(chǎng)模型解決問(wèn)題的步驟，首先需要定義問(wèn)題的物場(chǎng)模型。

針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題②，先建立刀具在去除竹節(jié)時(shí)的物場(chǎng)模型。本物場(chǎng)模型中作用對(duì)象S2 為刀具，被作用對(duì)象S1 為竹節(jié)，作用對(duì)象S2 刀具對(duì)被作用對(duì)象S1 竹節(jié)為不足作用，S2 與S1 之間的場(chǎng)為機(jī)械場(chǎng)。建立的物場(chǎng)模型如圖6 所示。

圖6 物場(chǎng)模型圖Fig.6 Physical field model diagram

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解中的S2.1.2，即雙物—場(chǎng)模型（見(jiàn)圖7），通過(guò)增加第2 個(gè)場(chǎng)F2，來(lái)增強(qiáng)F1 的作用，得到了方案③。

圖7 雙物場(chǎng)模型Fig.7 Double field model

方案③：對(duì)刀具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加了電磁鐵裝置、彈簧、刀片。在刀頭進(jìn)入竹段前，彈簧為原長(zhǎng)狀態(tài)電磁鐵裝置處于失電狀態(tài)，刀片位于刀頭的凹槽內(nèi)。當(dāng)?shù)额^進(jìn)入到竹段內(nèi)部時(shí)，電磁鐵裝置得電使刀片伸出，彈簧處于伸長(zhǎng)的狀態(tài)。此時(shí)刀具主軸帶動(dòng)刀頭和彈出的刀片共同旋轉(zhuǎn)，將竹段內(nèi)壁的竹節(jié)去除干凈。去除完畢后，刀具主軸停止旋轉(zhuǎn)，電磁鐵失電，彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)，刀片在彈簧彈力的作用下回到刀頭的凹槽內(nèi)。方案③的示意圖如圖8 所示。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解中的S2.2.2 即物質(zhì)S2 的分裂（見(jiàn)圖9），通過(guò)將刀具分裂為3 個(gè)部分加強(qiáng)了刀具對(duì)竹節(jié)的去除效果，得到了方案④。

圖9 物質(zhì)S2 的分裂Fig.9 Splitting of substance S2

方案④：將刀具整體分裂為3 個(gè)部分并且增加了刀片限位塊、彈簧、刮刀片、刀片固定架。其中2 個(gè)刮刀片呈180°交錯(cuò)分布在刀具主軸上，且刮刀片的形狀為V 形。這樣的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在退刀時(shí)，刮刀片能夠反向?qū)χ窆?jié)進(jìn)行清除，提高了去除竹節(jié)的干凈程度。在刀具進(jìn)入竹段前，彈簧處于原長(zhǎng)狀態(tài)；當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入竹段時(shí)，刮刀片向下移。同時(shí)刮刀片下面的彈簧也會(huì)被壓縮，彈簧產(chǎn)生的彈力將刀片頂在竹段內(nèi)壁上。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，整個(gè)刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)竹段內(nèi)竹節(jié)的清除工作；去除完畢后，刀具主軸停止旋轉(zhuǎn)彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)。方案④示意圖如圖10 所示。

圖10 方案④示意圖Fig.10 Schematic diagram of scheme ④

3.3 利用技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化解決問(wèn)題

在TRIZ 理論中，一個(gè)產(chǎn)品或物體都可以看作是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化是指系統(tǒng)中的各項(xiàng)內(nèi)容由低級(jí)變?yōu)楦呒?jí)的過(guò)程。針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題2，根據(jù)動(dòng)態(tài)性法則對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，得到了方案⑤。

方案⑤：在現(xiàn)有刀頭的基礎(chǔ)上，對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了刀片、連桿、彈簧、伸縮桿。其中刀頭與刀具主軸通過(guò)伸縮桿連接，彈簧安裝在伸縮桿內(nèi)部，刀片安裝在兩根連桿上。在刀具進(jìn)入竹段前，彈簧處于原長(zhǎng)；當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入竹段后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀具主軸和刀頭先在竹節(jié)上鉆出一個(gè)小孔，同時(shí)彈簧受到壓縮，刀具主軸和伸縮桿向前移動(dòng)，兩邊的連桿向外擴(kuò)張，連桿上的刮刀片將剩余的竹節(jié)清除干凈；竹節(jié)清除完畢后，彈簧在彈力的作用下恢復(fù)原長(zhǎng)，兩邊的連桿向內(nèi)收縮。方案⑤示意圖如圖11 所示。

圖11 方案5 示意圖Fig.11 Schematic diagram of scheme 5

4 方案評(píng)價(jià)及選擇

針對(duì)上述5 個(gè)方案，依據(jù)TRIZ 理論中的評(píng)價(jià)模型并結(jié)合去竹節(jié)機(jī)的實(shí)際情況分別從可行性、可加工性、穩(wěn)定性、成本4 個(gè)方面進(jìn)行考慮：方案①通過(guò)改變竹段的夾持方式來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具動(dòng)態(tài)化的去除竹節(jié)，擴(kuò)大了刀具的工作范圍，但是其對(duì)去竹節(jié)機(jī)的結(jié)構(gòu)改變較大，成本較高；方案②通過(guò)改進(jìn)刀具的結(jié)構(gòu)提高了刀具的適應(yīng)性，并且其對(duì)裝置整體的結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，成本也較低；方案③通過(guò)在刀具內(nèi)部安裝電磁鐵裝置、彈簧、刀片等零件擴(kuò)大了刀具的工作范圍，但是其實(shí)現(xiàn)難度較大并且成本較高；方案④通過(guò)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)提高了刀具去除竹節(jié)的干凈程度，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，可行性高；方案⑤在原有刀頭的基礎(chǔ)上增加了刮刀片、連桿、伸縮桿等零件，提高了刀具的適應(yīng)性，但是在工作過(guò)程中連桿與竹筒內(nèi)壁可能會(huì)存在干涉，其可行性與穩(wěn)定性不高。綜合考慮以上分析，選擇方案2 與方案4 來(lái)實(shí)施，在樣機(jī)測(cè)試過(guò)程中去除竹節(jié)的干凈程度得到了明顯的提高，測(cè)試效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

基于TRIZ 理論，通過(guò)對(duì)去竹節(jié)機(jī)進(jìn)行因果分析和系統(tǒng)功能組件分析，找出了造成竹節(jié)去除不干凈的根本原因并建立了系統(tǒng)功能組件模型。通過(guò)運(yùn)用TRIZ 理論中的方法和工具得到了5 個(gè)解決方案，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)價(jià)選出了最優(yōu)的2 個(gè)方案。將其應(yīng)用于樣機(jī)測(cè)試解決了去竹節(jié)機(jī)竹節(jié)去除不干凈的問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)優(yōu)化自動(dòng)去竹節(jié)設(shè)備、提高去除竹節(jié)的效率提供了新的解決思路和方法。