基于TRIZ理论的高效封箱器机构设计

周 熠，赵 潇，潘梦晗

（湖北文理学院 机械工程学院，湖北 襄阳 441002）

随着我国物联网行业的快速兴起，电商行业和快递物流行业的发展越来越快。在发货时，电商商家为了保证商品在运输过程中的安全性和严密性，越来越趋向于用纸箱（盒）来包装商品。对于创业之初、资金短缺、人手不足的小型电商商家，高自动化封装设备成本高昂，实用性低，所以，他们在用纸箱（盒）包装商品时，需要使用胶带密封纸箱（盒）。但是，为了提高工作效率，加快发货速率，需要使用封箱器，以降低工作人员的劳动强度。因此，在电商、快递物流行业，胶带封箱器是最基本的工具之一[1-2]。

目前，在售的封箱器是由简单的支撑轴和切带器组成的，功能单一，封装时胶带粘贴不紧密，只能实现平面封装，不能进行纸箱（盒）边角封装，无法保证封装的密封性，不能保证快递运输的安全性和严密性，而且需要双手操作，封装效率低。为此，现在市场在售的手工封箱器并不能解决快递、物流小型包裹手工封装问题，不能满足市场需求[3-4]。本文从技术创新的角度出发，结合技术创新理论——TRIZ理论，针对在售的手工封箱器进行创新性改进设计，使封装器实现边角封装、紧密封装，提高封箱器的操作性、实用性，降低劳动强度，提高封装效率，实现一器多用[5-6]。

1 TRIZ理论解决发明问题的方法

发明问题解决理论的核心是技术进化原理，解决冲突是其进化的推动力，进化速度随技术系统一般矛盾的解决而降低，使其产生突变的唯一方式是解决阻碍其进化的深层次冲突[7-8]。采用TRIZ理论解决问题，首先将待解决的普通问题转换为TRIZ冲突，再根据TRIZ进化法则，根据手工封装从业人员对封箱器的使用功能需求和操作需求，定义设计问题中的矛盾冲突，再通过矛盾冲突矩阵、物—场模型、39个工程参数求出该TRIZ问题的普适解，再参考实际设计中出现的问题、实际使用功能需求、实际设计中出现的各种限制因素，得到实际中问题的特解，消除设计中的矛盾冲突，进而解决问题[9-10]。图1为解决一般发明问题的方法路径。

图1 TRIZ理论解决问题的路径

2 TRIZ在封箱器改造中的应用

2.1 传统改进设计

现有的封箱器改造方法大多是手工封装行业从业人员在已有的工作经验的基础上根据工作需求不断进行试验性改进设计的。虽然这种改进方法也能提高设备的工作性能，但通常在这些改进试验环节需要花费大量的时间，投入不必要的资金[11-12]。

2.2 采用TRIZ理论在设计中的优势

对采用传统方法改造封箱器和采用TRIZ理论方法改造封箱器进行比较，分析TRIZ理论在改造封箱器中的优势。

方案一：采用传统方法进行改进，基于一线操作人员的使用经验和使用需求提出的建议是，在封箱器上增加1个手柄解决操作问题；采用2个固定式压轮进行纸箱平面封装，以解决平面封装不紧密的问题；将简单的塑料棒支撑部位改为1个转动支撑轴支撑；边角封装问题无法解决，依旧采用手工封装。

方案二：针对以上问题，采用冲突矩阵原理改进，即采用2个可调式压轮机构，利用软轴连接杠杆机构和摆动滑块机构，通过手动杠杆机构主动端带动摆动滑块机构，从而控制压轮上下移动进行平面封装，以解决装满填充物的纸箱（盒）表面发生形变胶带粘贴不紧密的问题；将切带器垂直安装，通过杠杆机构控制压轮上升，从而解决切带问题；在支撑轴上采用磨砂设计，解决胶带自动从支撑轴上脱落的问题；在2个可调式压轮一端增加2个直角压板，以实现边角封装。

方案三：经过反复试验，将软轴改为连杆机构，在压轮、压板连接轴与摆动滑块机构连接部位增加了一个弹性复位转动调整装置。采用2个可调式压轮机构，通过连杆机构连接杠杆机构与摆动滑块机构，解决了杠杆机构与摆动滑块机构的摩擦磨损问题，降低了封箱器的维修成本，延长了使用寿命；采用弹簧复位转动调整装置、换向机构，通过弹簧复位转动调整机构控制压轮与直角压板快速换向，从而实现边角封装与平面封装的快速切换，大大提高了工作效率[13-14]。

2.3 基于TRIZ理论的创新设计

基于TRIZ理论对现有封箱器进行创新设计，TRIZ理论的创新设计问题解决工具如图2所示。在实际使用过程中发现问题，封箱器功能单一，胶卷支撑固定部位结构简单，是为了降低成本。但是，功能单一，胶卷转动不灵活的缺点不仅会降低封装效率，而且也不会有效降低劳动强度。

在TRIZ中建立冲突模型，需要保障和改造的参数是为了降低制造成本，实现紧密封装，边角封装，降低劳动强度，提高封装效率。在TRIZ中建立冲突模型寻找解决理论，选用1分割原理、5联合原理、6多功能原理、14曲面化原，具体如图3所示。曲面化原理是，通过连杆机构连接杠杆机构与摆动滑块机构，通过捏合杠杆机构主动端带动摆动滑块机构，从而控制压轮上下移动，使封箱器既可以压平已封装部位的胶带，又可以对待封装部位进行挤压，可以一器多用，实现快速封装。

图2 TRIZ理论的创新设计问题解决工具图

分割原理是，将平面封装与边角封装功能分隔开分别分析。联合原理是，将直角压板与可调式压轮连接在一起，实现边角封装与平面封装的快速切换，达到一器多用的目的。多功能原理是，采用弹簧复位转动调整机构、换向机构。通过弹簧复位转动调整机构控制压轮与直角压板快速换向，可实现边角封装与平面封装的快速切换，大大提高了商品封装的安全性、密封性和工作人员的工作效率。边角封装和平面封装如图4所示。

图3 基于TRIZ理论进行创新设计的高效封箱器结构简图

通过2种方法可以实现同样的改造设计效果，但传统的经验改造是从大多快递物流行业以及创业之初人手不足、资金短缺的小型电商商家封装操作中的使用需求和使用效果中来发现不足，并通过不断的尝试和讨论来不断改进封箱器功能。这种经验性、尝试性、探索性的改进只能在实际应用中通过不断使用改进后的封箱器，通过使用人员的意见来验证改进是否成功，是否能满足需求，会浪费大量的时间、精力、财力，而采用TRIZ理论进行创新性设计改进则能有效解决传统经验改进中的不足。结合TRIZ理论创新设计的高效封箱器运动分析如图5所示，力的传递分析如图6所示。在机构的运动中，A（手柄）为杠杆机构的主动端，其运动轨迹是以通过手动杠杆机构主动端带动摆动滑块机构从而控制压轮（直角压板）上下移动，这样压轮（直角压板）既可以对已封装部位胶带进行压平，同时也可以对待封装部位进行挤压，实现紧密封装；弹簧复位转动调整机构控制压轮与直角压板快速换向，实现平面封装与边角封装功能的快速切换，达到一器多用的目的。

图4 边角封装和平面封装功能

图5 运动轨迹图

图6 力的传递分析图

根据TRIZ理论中多种不同的解决问题的理论方法，得到多个解决问题的方案[15-16]。TRIZ理论比较不同的设计方案，根据多种不同的解决问题的理论方法改进设计的封箱器的质量、功能、使用寿命、成本等，找出一个最优的解决方案。根据TRIZ理论建立评价模型，通过方案评价比例计算找出最优方案。

从上述方面对比现有的解决方案，虽然传统方案一解决了操作不适的问题，但是，封箱后切带器切胶带不方便，同时，2个固定式压轮在封箱时无法解决装满填充物的纸箱（盒）表面发生形变胶带粘贴不紧密的问题，并且采用的转动支撑轴支撑胶卷，在使用封箱器封装时，当速度过快和时间过长时，容易导致胶卷自动从支撑轴上脱落。采用冲突矩阵原理改进的方案二，采用2个可调式压轮机构，通过软轴连接杠杆机构和摆动滑块机构，通过手动杠杆机构主动端带动摆动滑块机构从而控制压轮上下移动进行平面封装，解决了装满填充物的纸箱（盒）表面发生形变胶带粘贴不紧密的问题。将切带器垂直安装，通过杠杆机构控制压轮上升，解决了切带问题；在支撑轴上采用磨砂设计，解决了胶带自动从支撑轴上脱落的问题。另外，可在2个可调式压轮一端增加2个直角压板实现边角封装。但是，通过软轴连接摩擦大、磨损速度快，增加了封箱器的维修成本，缩短了使用寿命。2个压轮与压板相连接不能实现边角封装与平面封装的切换，封装效率低。为此，在TRIZ中建立冲突模型寻找解决理论，将软轴改为连杆机构，解决了杠杆机构与摆动滑块机构的摩擦磨损问题，降低了封箱器的维修成本，延长了使用寿命；采用弹簧复位转动调整装置，换向机构，通过弹簧复位转动调整机构控制压轮与直角压板快速换向，从而实现边角封装与平面封装的快速切换，提高工作效率。

根据上述分析，对每个方案改进设计后的封箱器的质量、功能、使用寿命、成本进行打分，并与方案评价权重比相乘，得到每个方案得分，方案得分情况如表1所示。由计算结果可知，方案三得分最高，将确定其为最终设计方案。

表1 方案评分表

3 总结

创新就是创造性地发现问题和创造性地解决问题，TRIZ理论为创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论和方法。基于TRIZ理论设计的高效封箱器价格低廉，使用方便，适用于单手操作；多功能，一器多用，实现了边角封装和平面的紧密封装；高效率，操作简单，解决了目前快递物流行业的封装问题，提高了工作效率。另外，本产品可在所有涉及到封装的行业推广，其运用价值大，市场需求很广，性能优良，功能齐全，性价比高，是很好的实用性工具。

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