何濤, 龔寶春, 王成軍, 許博

(1.安徽理工大學(xué)安徽省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用與示范基地, 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 淮南 232001;3.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院, 淮南 232001)

隨著液晶電視技術(shù)、手機(jī)智能技術(shù)和信息化的發(fā)展,社會(huì)對各種類型和用途的平板顯示器等電子顯示設(shè)備的需求量不斷增加,企業(yè)對觸屏玻璃的產(chǎn)量要求也越來越高[1]。中國顯示產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年深耕,產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)全球首位,大型觸屏玻璃生產(chǎn)企業(yè)均已實(shí)現(xiàn)全流程的自動(dòng)化作業(yè)[2],但中小型觸屏玻璃生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化水平亟待提升,尤其是不同加工設(shè)備間的轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)缺少高效的專用設(shè)備,部分企業(yè)還以人工運(yùn)存為主,不僅效率低,且破損率高,制約了中小型觸屏玻璃生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平及成品率的提升[3-4]。

為解決玻璃運(yùn)存技術(shù)難題,許多學(xué)者從生產(chǎn)、運(yùn)輸和包裝等方向進(jìn)行了研究。張世杰等[5]針對液晶顯示玻璃基板在生產(chǎn)過程中易破碎且良品率不足的問題,提出一種新的液晶顯示玻璃基板雙機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)。倪龍珠等[6]為解決玻璃深加工產(chǎn)線中翻片設(shè)備缺點(diǎn)和不足,設(shè)計(jì)了一種12工位玻璃翻轉(zhuǎn)設(shè)備。王章蘋等[7]設(shè)計(jì)了一種蜂蜜玻璃包裝的緩沖結(jié)構(gòu),既發(fā)揮了瓦楞紙板的緩沖性能,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的保護(hù)功能,又能節(jié)約材料,降低生產(chǎn)成本和流通成本。

上述玻璃存儲(chǔ)裝置多為大型玻璃生產(chǎn)線配套裝置,但中小型玻璃生產(chǎn)線各加工設(shè)備間的轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)的高效專用設(shè)備匱乏。

發(fā)明問題解決理論(theory of inventive problem solving,TRIZ)是一種創(chuàng)造性思維方法和發(fā)明問題的分析方法,主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[8-10]。為此,基于TRIZ方法對觸屏玻璃運(yùn)存裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化。通過TRIZ理論的組件功能分析和因果分析明確觸屏玻璃運(yùn)存效率不足的根本問題,結(jié)合TRIZ的技術(shù)矛盾方法、物理矛盾方法以及物-場模型方法,提出新型裝置的解決方案,進(jìn)而開展關(guān)鍵部件傳送帶夾板的有限元校核分析及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)傳送帶夾板的輕量化設(shè)計(jì),并搭建實(shí)物樣機(jī),開展樣機(jī)性能試驗(yàn),為智能化和無人化的觸屏玻璃生產(chǎn)線產(chǎn)品開發(fā)及改造提供依據(jù)。

1 應(yīng)用TRIZ的問題分析

1.1 問題分析

目前中國運(yùn)存設(shè)備主要采用人工存儲(chǔ),少數(shù)采用機(jī)械化存儲(chǔ)。人工存儲(chǔ)觸屏玻璃存在次品率高、易傷人和效率低等問題,且人工作業(yè)方式不符合企業(yè)發(fā)展;機(jī)械化存儲(chǔ)采用的是由傳送裝置、搬運(yùn)裝置和存儲(chǔ)裝置構(gòu)成的運(yùn)存裝置,該裝置運(yùn)存過程中存在易破損、設(shè)備昂貴、操作困難和效率低等問題。

1.2 九屏分析

當(dāng)前的觸屏玻璃運(yùn)存裝置的九屏分析如圖1所示,傳統(tǒng)的觸屏玻璃運(yùn)存是由工人手動(dòng)搬運(yùn),該生產(chǎn)方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,而且易造成觸屏玻璃破損,不符合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)。隨著科技的發(fā)展,研究提高操作的自動(dòng)化與智能化程度已成為必然之勢,使用機(jī)械手搬運(yùn)觸屏玻璃的方式開始逐步代替人工作業(yè)。

圖1 九屏分析圖Fig.1 Nine screen analysis diagram

1.3 組件分析

根據(jù)上述分析選擇觸屏玻璃運(yùn)存裝置為技術(shù)系統(tǒng),機(jī)架、電機(jī)、傳送帶、帶輪、導(dǎo)向裝置、控制器、搬運(yùn)裝置和存儲(chǔ)裝置為系統(tǒng)組件,地面和電源為超系統(tǒng)組件,觸屏玻璃為作用對象。分析裝置各組件之間的相互作用關(guān)系得到功能模型如圖2所示,由功能模型圖可知存在以下問題:①現(xiàn)用傳送帶是非觸屏玻璃專用,其結(jié)構(gòu)不合適,導(dǎo)致輸送觸屏玻璃的能力不足;②搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)不當(dāng),導(dǎo)致吸附搬運(yùn)過程中效率不足,且容易出現(xiàn)破損;③導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)不同尺寸觸屏玻璃,導(dǎo)向能力不足,不方便使用及維修;④料框自身設(shè)計(jì)限制,對觸屏玻璃存儲(chǔ)能力不足;⑤觸屏玻璃在輸送時(shí)對傳送帶有擠壓的影響。

圖2 功能模型圖Fig.2 Functional model diagram

1.4 因果分析

因果軸分析用于建立問題產(chǎn)生的結(jié)果與根本原因之間的邏輯鏈,尋找邏輯鏈中薄弱環(huán)節(jié),找出解決問題的切入點(diǎn)[11-12]。

通過圖3所示的因果分析,搬運(yùn)裝置效率不足的根本原因在于:①傳輸帶摩擦不足,傳輸不穩(wěn)定;②導(dǎo)軌間距不可調(diào),玻璃易卡死;③螺釘夾緊適應(yīng)性差,操作繁瑣;④料框形狀不足,存在干涉,影響存儲(chǔ)效率;⑤氣動(dòng)機(jī)械臂吸盤尺寸過度,影響隔板間距;⑥光線直射玻璃表面,因強(qiáng)反射清晰度不足。

圖3 因果軸分析圖Fig.3 Causal axis analysis diagram

上述因果軸分析得到的影響裝置效率不足的6條根本原因,其中②、⑤屬于實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試選型錯(cuò)誤,并非自身缺陷;⑥屬于環(huán)境變量,只需更改生產(chǎn)環(huán)境光源即可,這3個(gè)問題均屬于外部因素導(dǎo)致的問題,從技術(shù)進(jìn)化的角度去分析,現(xiàn)有企業(yè)的技術(shù)人員可以解決,無需再運(yùn)用TRIZ理論的其他方法去解決。其中①、③、④屬于裝置本身的缺陷,需對其重點(diǎn)分析以求解決問題。

2 應(yīng)用TRIZ理論的問題解決

2.1 技術(shù)矛盾法

通過上述的分析,導(dǎo)致現(xiàn)有裝置運(yùn)存效率不足的因素中的①傳輸帶摩擦不足,傳輸不穩(wěn)定。若選擇更換摩擦系數(shù)大(粗糙)的傳送帶,將會(huì)導(dǎo)致裝置的可靠性低,且玻璃表面易產(chǎn)生磨痕,即產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。在39個(gè)通用工程參數(shù)中,改善的參數(shù)為No.13穩(wěn)定性,惡化的參數(shù)為No.30物體產(chǎn)生的有害因素。利用以上參數(shù)查尋阿奇舒勒矛盾矩陣并得到創(chuàng)新原理如表1所示。

表1 矛盾矩陣Table 1 Contradiction matrix

對上表中查詢到的創(chuàng)新原理(35、24、30、18)進(jìn)行篩選,有效原理及改進(jìn)方案如表2所示。

表2 有效原理及改進(jìn)方案Table 2 Effective principle and improvement plan

考慮創(chuàng)新原理應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)需要,結(jié)合35#物理或化學(xué)參數(shù)改變原理和24#中介物原理解決觸屏玻璃運(yùn)存裝置的傳輸帶摩擦不足,傳輸不穩(wěn)定的問題。具體方案如下。

設(shè)計(jì)新型觸屏玻璃傳送機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)傳送帶裝置,使觸屏玻璃可以順利傳送轉(zhuǎn)運(yùn)。作業(yè)時(shí)前光電傳感器檢測到觸屏玻璃后,電機(jī)開始工作,傳送帶開始轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)擋快推動(dòng)玻璃到達(dá)指定位置,光電傳感器檢測到觸屏玻璃脫離,電機(jī)暫停工作,傳送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4為新型觸屏玻璃傳送機(jī)構(gòu)。

1為傳送帶;2為觸屏玻璃;3為支撐板;4為軸支座;5為六角軸;6為帶輪;7為機(jī)架;8為梯形槽;9為支撐條;10為擋塊;11為光電傳感器;12為傳送帶夾板;13為鎖緊塊;14為電機(jī)圖4 新型觸屏玻璃傳送機(jī)構(gòu)圖Fig.4 New touch screen glass transmission mechanism

2.2 物理矛盾法

用物理矛盾法解決技術(shù)矛盾法不能解決的料框形狀不足,存在干涉,影響存儲(chǔ)效率的問題。

首先找出物理矛盾參數(shù),為料框側(cè)邊。一方面要求去除料框側(cè)邊,方便觸屏玻璃放入存儲(chǔ);另一方面保留料框側(cè)邊,以保證料框結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

然后應(yīng)用空間分離原理解決物理矛盾?？臻g1為料框的玻璃插入側(cè),無需側(cè)邊,以方便觸屏玻璃的放入;空間2為料框的背對側(cè),需要右側(cè)邊,以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?？臻g1和空間2不存在交叉。

綜合上述分析,結(jié)合空間分離原理,得出物理矛盾的解決方案如圖5所示,即將原料框插入玻璃側(cè)的橫向側(cè)邊移除,方便觸屏玻璃的放入;將原料框另一邊增加豎向側(cè)邊,提高料框整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖5 料框前后結(jié)構(gòu)Fig.5 Material frame before and after structure

2.3 物-場模型法

當(dāng)螺釘夾緊適應(yīng)性差,操作煩瑣的問題用技術(shù)矛盾法和物理矛盾法不能解決時(shí),考慮采用的物-場模型法。

原料框與升降裝置連接靠螺絲夾緊,操作煩瑣,會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)裝置效率不足。故根據(jù)TRIZ理論的“有害效應(yīng)的完整場物-場模型”,采用解法原理的一般解法4:用另外一個(gè)場(磁場)F2來代替原有場(機(jī)械場)F1。物-場模型圖如圖6所示。采用新夾緊裝置(電磁鐵)產(chǎn)生的磁場替代原來夾緊螺絲的機(jī)械場,新型觸屏玻璃儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖6 物-場模型分析Fig.6 Substance-field model analysis

D為夾板孔徑;L1為夾板長度;L2為夾板寬度圖7 新型觸屏玻璃儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)圖Fig.7 New touch screen glass storage machine

3 傳送帶夾板靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 傳送帶夾板靜力學(xué)分析

傳送帶夾板是上述TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)中新型觸屏玻璃傳送機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件,在工作過程中需要承受來自傳送帶產(chǎn)生的作用力和電機(jī)振動(dòng)引起的相互擠壓,會(huì)導(dǎo)致其變形或應(yīng)力集中發(fā)生疲勞破壞,進(jìn)而使得喪失固定傳送帶的能力,故需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

利用SolidWorks建立的夾板模型如圖8所示,模型主要尺寸參數(shù)如表3所示。將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中,對材料屬性進(jìn)行定義,各參數(shù)如表4所示,材料選用45#鋼,質(zhì)量為0.242 kg。

表3 傳送帶夾板模型尺寸參數(shù)Table 3 Model dimension parameters of conveyor belt jig

表4 傳送帶夾板材料特性Table 4 Material characteristics of conveyor belt clamps

圖8 傳送帶夾板模型圖Fig.8 Model drawing of conveyor belt fixture

利用ANSYS軟件,對傳送帶夾板施加固定約束,因工作狀態(tài)下觸屏玻璃運(yùn)存裝置的傳送帶夾板受到來自傳送帶等其他部件的正壓力,故設(shè)置載荷大小為30 N,方向垂直于水平方向,仿真得到傳送帶夾板在壓力作用下的變形與應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 靜力學(xué)仿真分析結(jié)果Fig.9 Statics simulation analysis results

從圖9(a)可以看出,夾板的變形從左往右逐步增大,并在右側(cè)邊緣處產(chǎn)生最大變形,且最大變形量約為0.165 58 mm;從圖9(b)可以看出,最大應(yīng)力出現(xiàn)在孔徑右側(cè),最大應(yīng)變?yōu)?2.804 MPa,最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度,且往兩側(cè)應(yīng)變值逐漸減小。出現(xiàn)該現(xiàn)象是因?yàn)閵A板孔徑右側(cè)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,而中心的變形量明顯小于右側(cè)的變形量,故夾板的右側(cè)邊緣處和中心區(qū)域可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來減小傳送帶夾板的變形量以提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 傳動(dòng)帶夾板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于觸屏玻璃厚度薄,尺寸精度要求高,傳送帶夾板變形量需進(jìn)一步降低,為此,借助Workbench開展傳送帶夾板尺寸的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如表5所示,以傳送帶夾板的長度、寬度和孔徑3個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量,約束條件為應(yīng)力小于材料的最大屈服強(qiáng)度,目標(biāo)是減小夾板的變形量及輕量化設(shè)計(jì)。研究分析3個(gè)參數(shù)與變形量和質(zhì)量之間的關(guān)系,通過多次優(yōu)化分析,得到最優(yōu)目標(biāo)解[13]。

表5 設(shè)計(jì)變量的含義Table 5 Meaning of design variables

圖10(a)為傳送帶夾板長度和孔徑與形變量之間的關(guān)系,當(dāng)傳送帶夾板長度增大時(shí),變形量隨長度的增大而增大,當(dāng)夾板長度L1為140 mm時(shí),最大變形量達(dá)到0.251 mm;圖10(b)為傳送帶夾板長度和寬度與形變量之間的關(guān)系,當(dāng)傳送帶夾板寬度增加時(shí),最大變形量也隨之增大,當(dāng)夾板寬度L2為45.3 mm時(shí),最大變形量達(dá)到0.269 mm;圖10(c)為傳送帶夾板孔徑和寬度與變形量之間的關(guān)系,當(dāng)夾板孔徑增大時(shí),變形量隨孔徑的增大而減小,當(dāng)夾板孔徑D為23.1 mm時(shí),夾板的形變量為0.181 6 mm。由此可知傳送帶夾板的長度和寬度與形變量呈線性關(guān)系,傳送帶夾板孔徑與形變量成反比關(guān)系;可通過增大傳送帶夾板孔徑、減小夾板長度或?qū)挾葋斫档蛫A板變形量。

圖10 輸入?yún)?shù)與變形量關(guān)系Fig.10 Relation between input parameter and deformation

圖11(a)為傳送帶夾板長度和寬度與質(zhì)量的關(guān)系,當(dāng)夾板長度為109 mm,寬度為36.5 mm時(shí),夾板最小質(zhì)量為0.184 2 kg;圖11(b)為傳送帶夾板寬度和孔徑與質(zhì)量的關(guān)系,當(dāng)夾板寬度為36.5 mm,孔徑為23.1 mm時(shí),夾板最小質(zhì)量為0.199 8 kg;圖11(c)為傳送帶孔徑和長度與質(zhì)量的關(guān)系,當(dāng)傳送帶夾板孔徑為23.1 mm,長度為109 mm時(shí),夾板最小質(zhì)量為0.182 2 kg;故可通過減小夾板長度和寬度或增大孔徑來有效降低夾板質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)夾板的輕量化。

圖11 輸入?yún)?shù)與質(zhì)量關(guān)系Fig.11 Relation between input parameters and mass

故在滿足傳送帶夾板屈服強(qiáng)度的情況下,為實(shí)現(xiàn)夾板的變形量減小及輕量化設(shè)計(jì),采用多目標(biāo)優(yōu)化方法,設(shè)置初始樣本數(shù)量為600,迭代20次,輸出最優(yōu)解組數(shù)為3組,優(yōu)化后得到三組解,如表6所示。

表6 優(yōu)化三組最優(yōu)解Table 6 Optimize three sets of optimal solutions

從表6中可以看出,在滿足傳送帶夾板屈服強(qiáng)度的前提下三組參數(shù)均可實(shí)現(xiàn)夾板結(jié)構(gòu)變形量減小和輕量化的目標(biāo),對比三組優(yōu)化結(jié)果選擇第一組作為最優(yōu)解,取整后夾板長度為109 mm、寬度為37 mm,夾板孔徑為23 mm。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對照如表7所示,優(yōu)化后夾板最大變形量減小為0.115 92 mm,質(zhì)量變?yōu)?.175 57 kg,比優(yōu)化前夾板變形量減小21.5%,質(zhì)量減小27.5%。且夾板的最大應(yīng)變符合要求,實(shí)現(xiàn)了變形量減小和輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表7 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)Table 7 Data before and after optimization

4 最終方案實(shí)施及驗(yàn)證

運(yùn)用TRIZ理論及有限元分析,得到最終方案如下:新型觸屏玻璃運(yùn)存裝置分為傳送機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分,傳送機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、傳送帶、傳送帶夾板和光電傳感器等,電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng),光電傳感器通過檢測觸屏玻璃板的到達(dá)啟動(dòng)和停止電機(jī)。儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)包括升降臺、料框、電磁鐵、傳感器、電機(jī)和控制器等,料框位于升降臺上,電磁鐵吸緊料框,電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降臺升降,傳感器檢測升降臺下極限位和上極限位,控制器調(diào)控升降臺的上升幅度,配合傳送機(jī)構(gòu)將觸屏玻璃轉(zhuǎn)運(yùn)至料框隔板中,新型觸屏玻璃運(yùn)存裝置結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 觸屏玻璃運(yùn)存裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure drawing of touch screen glass storage device

最終搭建實(shí)物樣機(jī)并開展了工業(yè)性測試[14],如圖13所示,在連續(xù)運(yùn)行1 h測試中,破損觸屏玻璃數(shù)量為4片,合格存儲(chǔ)觸屏玻璃720片,合格率為99.4%,存儲(chǔ)效率大為提高。

圖13 樣機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)圖Fig.13 Industrial test drawing of prototype

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用TRIZ理論開展了觸屏玻璃運(yùn)存裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì),結(jié)合九屏幕法、功能組件分析和因果軸分析,得出當(dāng)前裝置效率不足的主要因素,并綜合運(yùn)用技術(shù)矛盾、物理矛盾和物-場模型方法,設(shè)計(jì)出一種新型、安全、高效的觸屏玻璃運(yùn)存裝置。

(2)運(yùn)用ANSYS開展了新裝置關(guān)鍵傳送帶夾板部件的靜力學(xué)分析,并開展了其輕量化及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后傳送帶夾板變形量減小21.5%,質(zhì)量減小27.5%。

(3)工業(yè)性試驗(yàn)表明,新型觸屏玻璃運(yùn)存裝置運(yùn)行穩(wěn)定、次品率低,存儲(chǔ)效率可達(dá)720片/h,為人工效率的2倍以上,且合格率相對人工提高2.2%,達(dá)到生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)要求。