基于TRIZ理论的袋奶下落整合装置

高国华，田钰瑄※，黄 娟，刘继超，李少华

（1.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124；2.北京三元食品股份有限公司，北京 100163；3.中国农业机械化科学研究院，北京 100083）

0 引言

目前中国的乳制品市场每年都以超过20%的增长速度在发展，乳制品厂家的竞争愈演愈烈，随之带动了相关的包装机械行业的发展[1,2]。随着消费者对袋装乳制品需求的增加，市场中每6袋1包装的袋装奶随处可见，但多由人工包装完成，工作繁重。因此，需利用机械装置进行袋奶整齐快速包装。

本文研究的袋奶下落整合装置为袋奶包装生产线的一部分，在袋奶完成灌装后进行3袋、2层整齐摆放，进而进行6袋奶1组自动化包装工序。但在现有袋奶下落整合装置中，袋奶下落摆放过程中存在不能整齐下落的问题。针对上述问题，本文采用创新方法理论（theory of inventive problem solving，TRIZ）对现有装置中关键机构进行优化创新，提出新方案，改进原有方案中存在的问题。

1 系统整体结构及存在问题

1.1 系统组成

现有袋奶下落整合装置如图1—2所示，主要由托板、活动推板、挡板、传送带、导轨、机架和滑块等组成，通过开合托板的移动和开合完成袋奶的依次叠放和输送任务。

图1 袋奶下落整合装置

图2 袋奶下落可开合托板

系统的工作流程为：可开合托板位于输送线上端，袋奶从后端放入挡板中，传送带带动袋奶向前输送；通过感应器识别，开合托板进行左、中、右运动，使袋奶依次落入开合托板上，最终实现3个整齐叠放，每6袋为1组；6袋完成下落后，开合托板打开，使6袋袋奶一同下落至输送线上。图3为袋奶下落后效果图。

图3 袋奶下落整合后理想效果图

1.2 主要作业结构及存在问题

在测试过程中发现，袋奶完成下落后，会出现摆放不整齐、部分袋奶堆积等现象，不能达到理想效果，如图4所示。

针对以上问题，基于袋奶在下落过程中出现问题的原因，利用TRIZ理论进行分析，寻找满足系统要求的优化结构。

图4 原方案袋奶下落整合后效果图

2 基于TRIZ的关键结构创新设计

2.1 关于TRIZ的介绍

TRIZ是拉丁语字首字母缩写，按字面意思翻译是“创新问题解决理论”，它是前苏联军方技术员阿奇舒勒（G.S.Ahshuller）及其同事在1946年最先提出的一种创新理论，该理论最初是在研究分析和整理了20多万份专利的基础上总结而来，现在国际上已经对超过250万项出色的专利进行过研究，并大大充实了TRIZ的理论和方法体系[3-7]。

剪裁是一种现代TRIZ理论中分析问题的工具，是指将一种或一个以上的系统组件去掉，而将其所执行的有用功能利用系统或超系统的剩余组件代替的方法。通常选择那些剪裁后对系统改善最大或是有缺点的组件[8-13]。技术矛盾是TRIZ中常见的一种问题模型，是指技术系统中2个参数之前存在着互相制约，简要地说，是在提高技术系统的某一个参数（特性、子系统）时，导致了另一个参数（特性、子系统）的恶化而产生的矛盾[14,15]。在对实际问题具体分析，考察问题的属性，探究问题的根源，明确属于技术矛盾问题模型后，可将具体问题用39个通用工程参数表示，查找矛盾矩阵，利用40个创新原理获得启发，找到解决实际问题的可行方案[16-21]。

本文利用TRIZ理论，通过剪裁和技术矛盾2种工具对现有问题进行分析解决，从中找到解决办法。如图5—6分别为剪裁和技术矛盾分析流程图[4]。

图5 TRIZ理论中剪裁流程

图6 TRIZ理论中技术矛盾流程图

2.2 问题识别

通过分析现有机构存在问题，以袋奶下落后出现摆放不整齐现象作为切入点，结合对已有方案的分析，利用TRIZ将原方案中系统结构做如下分析。对原方案中出现问题的关键结构进行分析，得到表1所示的系统组件分析。

表1 组件分析

图7是上述组件功能模型分析图，这里明确了在袋奶整合下落过程中各组件之间相互作用关系以及关键问题存在位置。

图7 功能模型分析

通过分析发现：①由于袋奶叠放摆放，上层袋奶下落过程中会因下层袋奶的接触而阻碍完成正常下落；②开合托板开合过程对袋奶形状有破坏作用，使袋奶不能整齐落入输送线中。

2.3 问题分析与解决

2.3.1 剪裁

在上述工程系统中，开合托板的开合作用给袋奶成型造成了破坏性作用，而且由于开合托板自身结构特点，在工作过程中稳定性不高，因此，需要通过剪裁方式把“开合托板”去掉，如图8所示。

开合托板对于袋奶具有支撑作用，同时开合托板的左、右、中依次运动使袋奶下落后依次排列。如果剪裁掉开合托板，需要找到其他系统组件或超系统组件完成开合托板的功能。

图8 去掉开合托板后的功能模型

通过再次分析功能模型发现：开合托板具有存放袋奶和实现袋奶依次叠放摆放2个功能。在系统组件中，输送线与开合托板对于袋奶有相同的存放功能，遵循剪裁规则C，利用输送线代替原有开合挡板完成支撑功能；对于实现袋奶依次叠放摆放的功能，可以利用引导挡板左、右、中移动完成。具体改善效果如图9所示。

图9 剪裁组建后效果图

剪裁后系统将原有挡板分为用皮带连接的2段，前段固定用于方便放入袋奶，后端通过感应袋奶实现左、右、中移动，通过传送带输送，使袋奶依次直接下落至输送线中，实现袋奶整合下落。

2.3.1 技术矛盾

在图7的功能模型分析中，同时存在2层袋奶之间的阻碍运动使袋奶下落不整齐，为此，通过技术矛盾方式寻找解决问题的方法。

1）定义技术矛盾。袋奶落入托板的整齐度与系统操作性之间存在矛盾，技术矛盾阐述如表2所示。

表2 苗钵整合机构的技术矛盾

2）技术矛盾的解决。通过技术矛盾分析，优化目标为使袋奶整齐落入托板，因此以袋奶可以整齐落入托板为需要改善的参数，通过增加隔板使袋奶整齐下落，但原有系统操作性变得复杂，因此系统可操作性是恶化的参数。对应39个通用工程参数表得到最接近的通用工程参数。“袋奶整齐落入托板”最接近于通用工程参数中的12“形状”。同样地，“系统可操作性”最接近于通用工程参数中的33“可操作性”。

在阿奇舒勒矛盾矩阵中定位改善和恶化通用工程参数交叉的单元，确定符合条件的发明原理依次为：32改变颜色；15动态特性；26复制。参考对发明原理的描述，根据所面临具体问题，找到具体解决方案。表3所示为所选3个发明原理的具体描述。

表3 发明原理内容详解

对以上3个发明原理进行分析，根据动态特性，提出如下解决方案：在传送带中袋奶下落出口处增加角度可调节斜板，通过传感器感应，在下层袋奶下落完成后增大倾角，给上层袋奶提供更大的力落入输送线上。

3）方案测试。针对上述优化方案，通过调整斜板倾角大小削弱上下层袋奶间的作用力，从而改善因袋奶间阻挡作用而引起的袋奶摆放不整齐现象。优化机构如图10所示。

图10 袋奶下落整合优化方案

经过实验测试，袋奶逐次下落过程效果如图11所示。实验表明：改进方案提高了原有系统运行的可靠性，解决了原有结构中袋奶下落后摆放不整齐现象。

图11 改进后袋奶下落效果图

3 结论

1）针对原有结构中存在的袋奶下落后出现不整齐摆放现象，运用TRIZ理论进行了系统分析，找到关键问题，通过剪裁和技术矛盾找寻到解决关键问题的方案，并在实际测试中检验了优化方案的可行性。

2）本优化方案从影响袋奶下落不整齐的两方面因素进行优化，结合TRIZ理论，最终得到的解决方案能够达到袋奶摆放的理想效果，通过剪裁开合托板，优化系统结构，提高了系统稳定性。