基于TRIZ理论的切丝料理杯结构优化与设计

张 健 郭先炳

（杭州九阳小家电有限公司 杭州 310018）

背景

随着人们生活水平的提高，对食材的要求越来越高，渐渐的开始觉得餐桌上的食材总是那么几样，没有什么变化。通过大规模的市场调研显示，现在餐桌上的痛点主要可以概括为以下几个方面:食材单一、做法单一、视觉冲击力差。通过调查发现，现在人们不仅需要食材能够做的好吃，还需要做的“好看”，所以这就需要做饭的人“换着花样”把食材做好、做“美”，尤其是逢年过节、家里来客人或者哄小孩吃饭，这是就需要你的做饭水平。此时的你就需要和别人不一样，如果你能够做出一个凉拌黄瓜，胡萝卜沙拉，丝有两米长，那么你做出来的不仅仅是一碗菜，更是一个艺术品。本文提出了一种既能切长丝又能切短丝的切丝料理杯，既能切长丝又能切短丝的切丝调理杯需要有两个进料口，为了保证能够放入食材，进料口的尺寸需要在国标允许范围内足够大。但是外观、成本等因素的影响，料理杯杯盖的直径受到了限制。本文设计了一种立式切连丝机器，基于TRIZ理论对进料口的结构进行了优化，设计了一种杯盖直径小，工作可靠的双进料口结构，为既能切长丝又能切短丝的的料理杯设计打好了基础。

1 结构介绍

如图1所示，切丝料理杯主要由主机组件、杯子组件、装料桶组件、切丝盘组件、进料口组件等部件组成。杯子组件可以放置于主机组件上，主机组件通过电机提供动力传递到料理杯内部的传动轴，在传动轴的上方安装有切丝盘，工作时用户通过进料口将食材投入到切丝盘上，切丝盘高速旋转切割食材，食材切割后掉入到装料桶中。

图1 料理杯结构示意图

如图2所示，切丝料理杯的切丝盘在高速旋转时，食材为静止状态。要想实现切出来的丝连续、不断，在切割过程中，食材应在刀盘的中心。切短丝时，食材与刀盘需要偏心放置。所以，切丝料理杯的进料盖需要有两个食材投入口，切长丝时由中间口投入，切短丝时由偏心口投入。

图2 切长、短丝原理

2 设计目标

设计一种家庭用，既能切长丝又能切短丝的切丝料理杯。受结构、外观的影响，切丝料理杯的重量不能超过2 kg，杯体直径不能超过Ø200 mm，高度不能超过500 mm。

3 主要问题

对食物加工机的切丝原理进行分析可知，切丝盘在切割食材时，要想切割成长丝，食材在切割时必须与刀盘中心对齐。要想切割成短丝，食材在切割时必须与刀盘中心没有任何交线。所以切丝盘进料盖上必须有两个进料口，分别位于进料盖的中心位置和偏心的位置。同时切丝料理杯在设计时必须满足如下的的限制条件：

1）安规要求：根据GB 4706.30-2008国家标准规定，切丝料理杯单个进料口的平均直径不能超过65 mm，进料口横截面的最大长度和最小长度均小于75 mm，进料口最上端距离刀片的高度大于100 mm。

2）工业造型要求：切丝料理杯的重量不能超过2 kg，杯体直径不能超过Ø200 mm，高度不能超过500 mm。

3）功能：根据产品定义要求，该机器应该具备切长丝和切短丝的功能。

4 系统分析

4.1 九屏幕分析

从时间、空间等多维度对多功能切丝料理杯进行全面系统的分析，不仅研究问题的现状，而且考虑与之相关的过去、未来，以及子系统、超系统等多方面的状况[1]。多功能切丝料理杯的九屏幕分析图如图3所示，多功能切丝料理杯未来向多功能、全自动、智能化方向发展，子系统进料口同样应该向多维化，自动化进料口方向发展[2]。

图3 九屏幕分析

4.2 生命曲线分析

利用生命曲线对切丝料理杯的性能参数、专利等级、专利数量、经济效益进行分析，如图4所示。通过研判可知，切丝料理杯目前处于成长期，技术快速发展，具有价值和潜力显现，此时应有大量的人力、物力、财力的投入，使其效率和性能得到提高[3]。

图4 生命曲线分析

4.3 资源分析

对切丝料理杯的可用资源进行分析。资源包括自然或环境资源、时间资源、空间资源、系统资源、信息资源、功能资源，具体分析如表1所示[4]。

表1 切丝料理杯资源分析

4.4 完备性法则

切丝料理杯由动力装置（串励电机）、传动装置（齿轮箱，传动轴）、执行装置（切丝料理杯）、控制装置（数控系统）等组成，系统完备性图如图5所示。对系统完备性图进行分析，发现执行装置进料口改进是切入点，可以像多维化进料口方向考虑[5]。

图5 完备性法则

4.5 功能分析

围绕系统的各部分名称、功能、作用，进行功能分析，找出有害作用、有用作用、不足作用，为研究指明方向。功能分析图如图6所示。通过功能分析图可知，有害作用为食材对刀片的磨损，支撑圆套对切丝传动轴的磨损，不足作用为进料口对食材的作用。为达到要求，必须实现进料口的转换，这进一步明确了研制的着手点[6]。

图6 功能分析

4.6 动态性和可控性进化法则

切丝料理杯系统动态性如图7所示。对切丝料理杯进行分析可知，食材只能竖直方向升降。由于食材只能在进料口上下移动，因此此时食材只能做1维运动。要满足长短丝的切换，食材在进料口至少需要2个维度的运动。增加维数势必会引入新的机构，同时对每个维度运动进行控制的程序也一定会变得更为复杂。图7所示的动态性分析也印证了上述推断[7]。

5 解决方案

5.1 物场分析——方案一

根据物场分析可知，本问题属于第三类模型：效应不足的完整模型。对此，采用一般解法5，即增加机械场，如图8所示。据此，获得方案一：在进料口下部设置滑动机构，实现进料口中间、侧面的任意切换[8]。

图8 切丝料理杯的物场分析及解决方案

5.2 技术矛盾——方案二

既要增加多用性，又要形状单一（保证杯盖体积不变），这就构成了适应性及多用性与形状之间的技术矛盾。根据分析可知，改善的参数是适应性及多用性，恶化的参数是形状。由矛盾矩阵表在40 个发明原理中进行查找，如表2所示[9,10]。

根据分割原理得到方案二如图9所示，将进料口分割维中间的大进料口和侧面的小进料口。

表2 矛盾矩阵表

图9 进料口分割模型

5.3 物理矛盾——方案三

既要求多个进料口保证食材能从中间和侧面进入，又要杯盖上只有一个入料口（杯盖面积小）

矛盾参数：进料口数量

要求1：多；

要求2：少。

解决方法：条件分离方法。

条件1：进料时进料口由两个；

条件2：杯盖上的进料口只有一个。

方案三：进料时进料口有两个，杯盖上的进料口只有一个（如图10所示）。

图10 上部两个进料口，下部一个进料口模型

5.4 方案整合及评价

方案二将进料口分割维两个部分，侧面进料口形状不规则，食材进入体积小，不可用；方案一可用，但是增加了进料口滑动的机械结构，结构复杂，损坏风险达；最终确定用方案三。

6 次级问题解决

采用方案三，在杯盖的底部对食材缺少一个方向的定位，所以食材在切割过程中易跑“偏”。两个进料口中间部分缺口，所以食材由中间进料口进入时易跑到侧面进料口中，食材由侧面进料口进入时易跑到中间进料口中。

6.1 因果链分析

对食材跑偏的问题进行因果链分析，如图11所示。分析后针对中间、侧面进料口没有定位，刀片对食材没有轴向定位，人握住食材易打滑，刀盘动平衡差，导料桶直径固定等几个关键问题进行研究[11]。

图11 因果链分析

表4 方案评分表

6.2 次级问题解决方案

如图12所示，刀片可以安装在切丝盘上，切长丝时，用户手持带齿的推料棒，对食材的上端进行轴向的定位。在刀盘的中心设置有锋利的定位轴，对食材的底部进行定位，食材的上、下部均进行了定位，切丝盘高速旋转时，食材可以保持静止状态保证切丝料理杯工作的可靠性。

图12 切长丝固定方式

在中间进料口设置有3爪扶正机构，如图13所示。扶正机构的材质为PP材料（弹性好），扶正机构采用弧形悬臂结构，弹性好，在扶正食材时，扶正结构的直径可以随着食材直径的变化而变化。扶正机构3个卡爪靠近侧壁进料口卡爪为反弧形结构，可以扶正侧面进料口进入的食材。扶正机构的靠近侧壁进料口的卡爪设置为勾形，当食材由侧面进料口进入挤压卡爪时，靠近侧壁进料口卡爪上的勾可以卡在另两个卡爪上进行止位。

图13 进料口扶正机构

7 实验验证

将切丝刀片固定在切丝切片盘上；将切丝切片打发桶放入到切丝料理杯中；将安装有刀片的切丝切片盘固定在传动轴上。将杯盖安装到切丝料理杯上并旋紧，将组装好的切丝料理杯发到主机上即可实现切丝功能。

切丝料理杯的中间、侧面进料口尺寸均为国标允许范围内的最大尺寸。进料盖的尺寸按照工业造型要求进行设计，杯体和进料盖的直径未超过Ø200 mm。切丝功能切出的长、短丝效果如图14所示。通过试验验证，两个进料口均能保证进料顺畅，中间进料口投入的食材可以实现切长丝的功能；侧面进料口投入食材可以实现切短丝的功能。在投入食材过程中，食材的上、下部均能进行定位，食材没有跑偏的现象。整个切丝料理杯能够满足功能、用户体验、测试寿命等性能，该料理杯已顺利上市。

图14 试验验证

8 结论

本文设计了一款既能切长丝又能切短丝的切丝料理杯。通过TRIZ理论对切丝料理杯的进料口进行了优化设计，通过九屏幕分析法对料理杯的超系统、系统、子系统进行了分析，得出进料盖应该向着多维化方向发展；通过生命曲线法则分析出料理杯处于成长期，应该要投入大量的人力、物力、财力；通过资源分析将料理杯整个系统的资源进行了归纳；通过完备性法则得出整个结构的优化需要从切丝装置入手；通过功能分析将各个配件之间的有害作用、有用作用、不足作用进行了总结。本文利用TRIZ理论的物场分析、技术矛盾、物理矛盾等方法提出了可移动进料口，大小进料口，基于空间分离的上部两个、下部一个进料口的方案，对方案整合及评价选出方案三。选择方案三后伴随着次级问题，本文通过因果链对食材跑偏的次级问题进行了解决，提出了增加扶正结构的方案。最后对优化设计后的切丝料理杯进行了试验验证，验证结果表明，切丝料理杯能够实现切长、短丝的功能，用户体验好，测试寿命合格。