基于知识链衍变的成品洗衣片包装预准备设备创新研究

赵盛林

（广西科学技术情报研究所，广西 南宁530022）

0 引言

目前在洗衣片生产领域基本上是采用各洗衣片单元连成一条的大批量生产模式，包装之前需要进行定长裁断，而当前大多数企业仍然采用人工切断的方法，即使利用了手持式切断装置，但跟自动化设备相比其生产效率仍然非常不乐观，除此之外也难保证切断长度一致。现有的洗衣片卷绕装置存在切断时不能整齐的将制品切断，卷绕长度调节不方便，工人劳动强度过大、自动化程度不足等缺陷，而且能耗高，浪费能源，使用成本高。

为了解决上述问题，结合现有知识对设计需求进行创新求解，设计出一种能够用于成品洗衣片定长切割卷绕成捆的机构成为了重中之重。通过围绕知识创新的闭环结构建立用于机械创新设计的知识链衍变模型，对于洗衣片成品生产过程存在的问题和生产现状进行分析，提出设计需求，并利用知识链衍变模型进行拆分求解子项解决方案。利用组合法得到成品洗衣片分段卷绕—切断打包预准备生产的机械装置，用于解决洗衣片生产现况存在的诸多问题。

1 知识链与专利信息分析方法

1.1 知识链结构及运用方法

当今，知识信息得到了充足的发展，大量的知识储备对于知识创新尤其是机械创新设计提供了质的改变，而面对海量的知识，对于其进行有效地分析和利用成为了重中之重。

2001年，Holsapple.C.W学者研究并定义了知识链模型，如图1所示[1]。

图1 知识链原始模型

1.2 专利信息分析方法

专利信息分析，即对专利文件所披露的大量的离散的知识信息进行分析、增减、整合，从中利用统计学方面的方法和手段使这些知识的共态和异态得到把握和归纳，最终转化为创新力的体现以及对于实体的技术开发、产品设计等过程决策提供参考。专利信息分析方法分为定量分析与定性分析，一个是通过分析量的效应，一个是通过内容“质”的研究来反映技术的特征与发展应用。二者相辅相成，既有区别，又有统一。

2 知识链衍变创新设计模式

对原始知识链结构提炼出主要运行机制，即知识获得-知识选择-知识生成-知识内化-知识外化的基本过程，参考宋迪等关注于研究知识创新的二次知识链模型的启发，结合专利信息技术方法的定性分析，建立一种知识链衍生结构的机械创新设计模型，如图 2 所示[2]。

图2 机械创新设计知识链衍变结构

3 洗衣片包装预准备机构创新应用

3.1 问题分析

洗衣片作为新一代洗涤快消用品，其特点在于洗涤效果显著、环保性能优越等优点，成品如图3（1）所示，洗衣片本身属于高浓缩固体形态，质感较软，表面具有少许粘性，容易切割。它的生产过程可以概括为预混-静置-打料-制片-切片-包装，其中预混-静置-打料可以归结为原料预加工，而制片-切片-包装为洗衣片产成品的生产过程，如图3（2）所示为洗衣片的制片设备。

图3 洗衣片样例图

而在制片完成后要进行切辊，即对成辊的洗衣片进行等宽径向切割成若干个洗衣片辊，然后进行定长切片作业，即对在料盘上的洗衣片按合适的长度进行切断处理，以便其能够直接用于各种各样的打包机械上，实现纺织的半自动化或者全自动化生产。如图4所示。在生产后，投入包装的过程前，将洗衣片按指定的合适长度卷绕成捆，然后捆扎再继续打包出售。

图4 洗衣片产成品生产过程

目前洗衣片生产领域基本上是大批量生产，各洗衣片单元连成一条，打包出场之前的定长切片作业大多数都采用人工切断的方法，即操作工利用灵活的手持式切断装置，对洗衣片进行定长切割，切割后再进行手工缠绕成捆，这种方式仍然属于半自动化甚至是无自动化水平，其生产效率非常低下，而且也难保证切断长度一致和成捆后产品外形的统一性。

因此，市面上出现了一批专门用来解决洗衣片定长切割问题的自动化半自动设备，这类设备大致分为两种：一种是只解决定长切割问题，而对切割后的洗衣片不进行特制的卷绕作业，因此各洗衣片虽然长度和宽度均能够保持一致但是成捆的作业仍然需要人工或者转入下道工序，操作不快捷方便；另一种是具有卷绕功能，能够帮助定长切割后洗衣片成捆的设备，该设备对于定长切割后的洗衣片进行卷绕处理，使得洗衣片精准成捆，但是目前这类设备的卷绕原理是对每一个洗衣片单元之间设置一个独立的预紧装置，而该预紧装置悬挂在半空中，但是零部件较小，日常生产过程中，这些预紧装置不容易被发现，操作人员在检查发现松动时，手工调整松紧不方便，容易收到设备伤害，并且需要单独调整，效率过低。

故由上述可以得到解决问题的关键所在：（1）洗衣片切片作业的定长切割精准度；（2）洗衣片卷绕成捆应该具备整齐高效；（3）设备可操作性需要优良、应具备高可用性和易维修性。

3.2 知识收集和子项需求求解

针对技术问题应用知识链衍变创新设计模式理论方法进行求解，先对关键问题进行细化拆解处理，然后利用专利信息分析方法分析从现有的知识库中获取到的知识，筛选出对求解问题更有力的知识素材，通过类比设计等设计方法对知识进行处理，得到技术问题解决方案，最终通过组合法完成整体设备结构设计[3]。

（1）定长切断装置

常见的定长切断装置采用间歇输送装置并配合切割装置，由此可以进一步拆分为对输送装置、间歇装置、切割装置进行求解。

由知识获取和专利信息分析技术得到，输送装置具有多种多样，可以分为连续输送式、接力输送式、牵引输送式、挤压输送式、组合式等，如表1所示。

表1 输送装置概括

连续输送式，即是输送过程中输送单元相对于物料不发生相对位移，例如轨道小车、皮带输送机、链式输送等。

接力输送式，与连续输送相反，输送过程中输送单元相对于物料发生相对位移，多个输送单元接替完成物料输送，例如滚筒输送、滚珠网带链等。

牵引输送式，不仅仅依靠物料自身重力来为物料输送过程提供摩擦力，而是额外增加外力保证物料的输送，例如摩擦轮牵引。

挤压输送式，通过挤压力为物料提供输送力，常用于流体输送，例如齿轮式挤压、柱塞式挤压。

组合式，针对输送物料的特征，选中多种基本输送方式组合输送。

考虑到洗衣片的材质特性，选用接力输送式滚筒输送输送装置较为合适，能够有效输送洗衣片而又可以避免洗衣片对输送装置的粘连，确保后道工序有效开展。

间歇装置可以通过机械结构或者电器元件实现，常见的间歇机构有棘轮、槽轮、连杆机构、凸轮机构等，也可以通过变形实现间歇要求，通过电器元件控制机械装置间歇工作有利于安装设计和维修，具有更强的应用性。

通过不同的刀具设置组合关系可以分为单刀固定式、单刀活动式、多刀联排式，单刀固定式为刀具安装在固定工位，通过物料定长移动，控制定长切割，每次切割作业只单次切割，获得单个制品；单刀活动式为刀具安装在活动滑轨上，通过刀具移动对每批物料进行定长切割，每次切割作业分为移动和多次切割，获得多个制品；多刀联排式同样是对每批物料切割获得多个制品，相比于单刀活动式只需要单次切割即可，如图5所示。

图5 刀具设置结构

（2）卷绕成捆装置

为了实现对洗衣片进行整齐卷绕的功能需求，对该需求进行求解分析，卷绕动作与切割动作的先后关系，决定了机构的设计方向，如果卷绕动作位于切割动作之后，则需要对于切割后洗衣片的一端或者多端提供辅助力，帮助喂料卷绕，而卷绕动作位于切割动作之前，完全可以借助于输送装置对于洗衣片的输送运动进行喂料，故卷绕动作适宜于在切割动作前开展，因此切断装置选用单刀固定式较为合适。参考常见卷绕装置案例，可将卷绕功能需求进行动作拆分，一般性的卷绕动作路径为：获取物料-卷绕-输送物料-释放物料-返程。

由此可将该功能需求拆解为对获取装置、卷绕装置、输送装置求解。

获取装置可以分为夹取式、承托式、吸盘式，根据洗衣片材质较软特点，夹取式和吸盘式容易破坏洗衣片外观性状，对产品造成破坏，而承托式夹手本身对于洗衣片不施加多余力，故选用承托式的设计思路，设计为伸缩式夹手，以便能够通过气缸直线运动获取到洗衣片，随后可以选用电器元件控制获取装置旋转，进而实现对洗衣片的卷绕动作，如图6所示。

图6 获取-卷绕-输送装置

考虑到输送装置的目的是为了解决洗衣片从卷绕切断位置搬运到码垛位置，而由于获取卷绕装置对于洗衣片的获取动作在前，输送装置输送的直接对象实际上是获取装置，应保证输送时输送装置上标记点位置相对于获取装置静止不动，根据各输送装置特点，连续输送式输送装置满足功能需求，考虑到回程动作的便利和节能，以及结构的紧凑型，在满足输送功能和获取功能要求的情况下，将输送装置设计为转盘式，如图6所示。

3.3 成品洗衣片分段卷绕—切断打包预准备设备设计

通过对上述子解决方案进行组合式创新，最终得到针对成品洗衣片分段卷绕—切断打包预准备生产的机械装置，如图7所示。

图7 成品洗衣片分段卷绕—切断打包预准备设备

其工作原理为：工作之前操作人员需要检查各部件的连接情况以及装置的状态是否稳定可靠，以免工作时产生安全事故，人工将具有成品洗衣片的料盘辊安装到料盘支座上方，成品洗衣片的自由端经由传送支架后与夹持电磁铁平齐，伺服电机经由减速器通过同步带转动，主轴转位至卷绕爪与成品洗衣片平齐，推板气缸使卷绕爪位于成品洗衣片的一侧，此时装置完成生产准备工作。

启动后伺服电机驱动主轴转位，推板气缸活塞杆伸出，成品洗衣片嵌入卷绕爪的夹爪之间，托板托住成品洗衣片下侧，夹持电磁铁松开成品洗衣片，在夹持气缸推动下滑移块和夹持电磁铁运动到另一侧极限位置，卷绕电机工作进行卷绕达到指定圈数后切断刃气缸驱动切断刀刃向下切断成品洗衣片，伺服电机驱动主轴再次转位，待转位两次后工作人员将完成卷绕的成品洗衣片取下即可，同时将空置的卷绕爪与卷绕电机的输出轴连接，主轴继续转位重复上述工作过程。

本装置用于洗衣片生产打包分装阶段需要定长成捆卷绕的生产过程中，系统结构简单，使用部件多为标准件，同时卧式安装，操作空间大，适用于自动化设备领域，工作的可靠性高。结构布局充分利用了卧式布局的优点，成品洗衣片在传送支架上水平移动，只需将卷绕有成品洗衣片的料盘安装在料盘支座上，随后做好初始安装即可进行生产，卷绕过程设备自动完成，取料时需要一名工作人员参与，很大程度上改变了人员密集型参与生产的状态。

本装置可以根据需要的卷绕长度设定卷绕电机转动的圈数，同时卷绕的速度也可以调节，只需将卷绕电机换成伺服型号在配合相应的控制器即可[4-5]。

4 结论

（1）通过研究分析知识链模型和专利信息分析方法，进而围绕知识创新的闭环结构建立用于机械创新设计的知识链衍变模型，方便用于机械创新设计过程。

（2）对于洗衣片成品生产过程存在的问题和生产现状进行分析，提出设计需求，并利用知识链衍变模型进行拆分求解子项解决方案。

（3）利用组合法得到成品洗衣片分段卷绕—切断打包预准备生产的设备，解决了洗衣片生产现况存在的诸多问题，丰富了自动化设备知识库。