基于TRIZ理论的马桶检测装置设计研究

刘 静，张 万

（江西理工大学 机电工程学院，赣州 341000）

0 引言

TRIZ理论是由发明家根里奇.阿奇舒勒领导的研究机构在分析了世界近250万件高水平的发明专利基础上，综合多学科领域的原理和法则形成的一套体系化的实用的解决发明创造问题的理论和方法[1，2]。TRIZ理论是现今最为成熟，最为完善的创新方法之一[3]，其解决问题的模型如图1所示。

图1 TRIZ理论解决问题模型

TRIZ在技术领域已经帮助设计者们解决了许多问题：沈微应用TRIZ理论的技术矛盾分析，引入拙见方案，根据矛盾矩阵所提供的发明原理完成了宠物物流箱的创新设计[4]；严淑应用TRIZ理论[5]，通过功能分析及因果分析，找到三个问题的入手点，再运用技术矛盾、物理矛盾和物场模型三个工具分别对问题进行求解，得到理想的解决方案，最终解决了冷轧带钢表面清理后带钢边部留印问题；周升等针对包装盒成型过程中脱模困难的问题，应用TRIZ对系统进行功能组件分析和因果链分析，建立物—场模型，提出了解决方案并得到理想的验证[6]。文中将TRIZ理论应用在马桶投球检测中，对传统检测过程中的主要问题进行分析，通过TRIZ理论方法，利用矛盾矩阵表，找到推荐的发明原理。根据这些发明原理的提示，提出了具体的解决方案［7～9］。

1 马桶检测现状及问题分析

马桶是人类生活离不开的必须品，随着人类生活水平的提高，对智能马桶的需求越来越大，我国是全球最大的陶瓷卫浴产品市场之一，占全球陶瓷卫浴产值的37%以上。马桶的制造工艺如图2所示。

图2 马桶生产工艺流程

由上图可知马桶检测是马桶生产的一个很重要环节，对于检测工艺优化设计尤为重要。目前大部分马桶的检测是手动的，人为检测工序繁琐且容易出现差错。也有采用光电技术进行检测、统计，但会大大增加生产设备的投入成本，而且，由于测试球放入水中，冲出马桶后也会带有水，存在水影响设备的风险，相应生产设备在水环境下的使用、保养、维护都会造成不利影响。如果测试球不能逐个掉下来，还会出现一般的感应器检测不到的情况，可能造成感应失误。也有用秤来称量测试球的重量，通过重量来判断测试球的数量，但是由于测试球会带有水，称量会产生误差。

总之，传统的检测装置（如图3所示）面临几个常见问题：检测工序多，周期长；检测方式落后，精度低，人工检测容易出错；水资源浪费。

图3 目前的马桶冲水检测

2 马桶投球检测装置的创新设计

2.1 功能组件分析

功能分析可以从功能的角度来找到工程系统中的功能缺点，或者存在问题的组件。本文针对传统检测工艺系统分析，找到了适合的层级，得到了其工艺系统功能模型，如图5所示。通过功能分析发现，人工频繁投掷统计测试球的精力不足，水频繁冲洗使得测试球进入马桶，会造成水资源浪费和人力资源浪费。

马桶检测装置是多功能的综合体，该装置要满足自动输送、自动判断合格品、检测工序集成三个方面。在多功能组合设计过程中，难免会出现一方面得到优化改善的同时使得另一方面变坏的冲突现象，这种矛盾又称为技术矛盾，可根据矛盾矩阵矩阵表查找创新原理，并筛选最佳原理得到理想解。技术矛盾解决流程图如图4所示。在TRIZ理论中，分析问题的方法有很多，如功能分析、因果分析、物—场分析等[11，12]。针对目前马桶检测效率低的主要问题，我们选择因果分析，如图6所示。

图4 技术矛盾解题模式

图5 马桶冲水检测功能分析图

图6 “马桶检测效率低”因果分析

利用TRIZ理论的矛盾矩阵解决问题，需要思考矛盾的来源以确定技术参数，确定对应的技术矛盾[3]。拙见方案为发现矛盾提供了基础，它是在了解问题的过程中产生的，是直接判断的结果。具体思路如图7所示。

图7 马桶检测具体设计思路

2.2 基于拙见方案的冲突分析

企业对于马桶的检测工艺，主要是通过检测固体排污量的能力来检验是否合格[13]。卫浴行业巨头之一科勒的检测标准是：将100个测试球放入马桶，人为统计冲出来的测试球的数量。如果马桶冲水时，冲出的测试球的数量大于90%，则合格；少于90%则不合格。基于这些规定，以及在企业在实际生产中提出的问题，可以得到拙见方案：

1）物料输送方面：引入动力滚筒输送，一是滚筒成本低，二是马桶载荷较大，滚筒线能承受重载，且适合长距离的输送；

2）检测方式方面：引入行程可读的气缸来判定产品是否合格；

3）工序集成方面：将马桶投球、注水、冲水、数球这一系列工艺动作集成，引入串联式供料、分料检测系统。

然后对拙见方案进行利弊分析其结果如表1所示。

表1 拙见方案及利弊分析

为了利用矛盾矩阵，把上述结果与39个技术参数进行匹配，得出表2。

表2 参数匹配表

由表1和表2可以看出马桶检测装置在设计过程中的几种冲突：

1）马桶检测装置的自动化程度和控制和测量的复杂度；

2）采用行程可读气缸判定合格与否时的测量精度与系统的复杂性；

3）引进供料、量球、计球循环系统，会出现适应性、通用性与可维修性矛盾。

2.3 基于矛盾矩阵的设计方案

根据上文确定的技术参数，查阅阿奇舒勒矛盾矩阵表，得到表3。

表3 矛盾矩阵表

矛盾矩阵提出了为解决矛盾冲突建议的发明原理，根据检测装置的实际需要，依次筛选出1（分割原理）、6（多用性原理）、18（机械振动原理）、34（抛弃或再生原理）、35（物理或化学参数改变原理）系列发明原理来解决实际问题。马桶检测装置的设计运用的发明原理如表4所示[10]。

表4 马桶检测装置设计研究运用的发明原理

2.3.1 输送方式

1）机械振动原理。供球周转箱设计成带斜坡的滑槽，使球在自身重力作用下滑，并跟随电机振动实现供料。其结构图8所示。

图8 振动电机供球部分

2）物理或化学参数改变原理。改变物态。用气代替水冲球，抽真空方式送球。

2.3.2 检测方式

多用性原理。使得检测装置具备多项功能，即采用可读行程气缸内压板上下移动的距离来判断合格与否，气缸头部连接插板同时具备开关的作用，可以控制球进或者停止，其结构如图9所示。

图9 量球部分

2.3.3 工序集成

分割原理。将马桶检测系统分成容易组装和拆卸的部分，即投球部分、量球部分、送球部分、计球四个部分。

通过TRIZ理论的分析求解，综合运用到的发明原理，可设计出一种依托于输送线，采用振动电机供球，真空发生装置吸送球、计球、行程可读气缸量球的装置来满足自动化生产需求。其效果图如图10所示。

图10 马桶检测装置整体外观图

基于TRIZ理论设计的马桶自动投球检测装置既考虑到人工检测精度低、效率低，又考虑到水资源浪费的问题，同时装置的集成化节省检测工序所需的时间，提高了马桶的生产效率。该装置已在卫浴巨头科勒集团投产使用，效果反应良好。马桶气密性检测时间由108.6s下降到47.7s，出错率由5.9%下降到0.6%。如图11所示。此外，该装置已申请了2项发明专利，如表5所示。

图11 科勒现场马桶检测工序

表5 所获专利

3 方案评价

采用形态学矩阵对本次方案作初步评价，如表6所示：

表6 形态学矩阵

对上述形态学矩阵求解，可得到N种组合方案：N=5*4*3*3=120（种）

从中筛选出三种可行方案：1.A2+B1+C2+D2；2.A1+B2+C2+D3；3.A5+B3+C3+D3。

方案2中振动盘供料成本高，占地空间大，且调试不方便，方案3中称重中带有水分，不准确，且机械手送球成本高，调试不方便。最后根据实际使用环境、客户需求确定采用方案1。

4 结语

TRIZ理论可以揭示创新发明的内在规律和原理，利用新的创新模式解决设计中遇到的问题，缩短设计时间，主要结论如下[14]：

提出了基于TRIZ理论的矛盾解决原理的马桶检测装置设计的方法，建立了拙见方案及设计流程，为充分解决马桶检测效率低的问题提供了有效的方案[15]。

本次设计存在如下创新点：将物理检测的方法运用到马桶的质量检测上；测试球供料方式采用真空吸送方式，节省水资源同时避免水对设备的影响；能快速判断测试球是否合格，快速判断产品的质量，提高效率。

文中设计方案已在科勒集团落地生产，且已申请两项发明专利。该方案有效解决了现有工序多、水资源浪费、检测方式落后等造成的检测效率低问题。最终马桶气密性检测时间由108.6s下降到47.7s，出错率由5.9%下降到0.6%。