運用TRIZ理論的蔬菜苗嫁接機設計

石 磊，雷良育，李 佳

(浙江農林大學工程學院，浙江臨安 311300)

嫁接技術是克服農作物、水果、蔬菜連茬病害和低溫障礙的最有效途徑，使其抗病能力增強，增產效果顯著，被廣泛應用于西瓜、黃瓜、甜瓜、茄子、西紅柿的栽培中。但人工嫁接速度慢、費工費、效率低等。嫁接機技術是集機械、自動控制與設施園藝于一體的高新技術。它可在極短的時間內將莖稈直徑僅為幾毫米的砧木、穗木切成合乎要求的切口，并將兩者的切口快速、準確地結合到一起，使嫁接速度大幅度提高。同時由于砧、穗木接合迅速，避免了切口長時間氧化和苗內液體的流失，從而又可大大提高蔬菜苗嫁接成活率。因此，自動嫁接技術被稱為嫁接育苗的革命性技術［3］。

本文所提及的嫁接機是在原中國農業大學研制的第一代嫁接機樣機基礎上進行改進的嫁接機。改進后的嫁接機利用貼接法針對黃瓜苗、絲瓜苗的穗木苗種和黒籽南瓜的砧木進行嫁接。因改進后的嫁接機還存在諸多的不足和缺陷，采用TRIZ理論指導本嫁接機的創新改進，解決系統設計和創造中的疑難問題，加快產品的創新速度。

1 TRIZ理論

TRIZ(系俄文字母對應的拉丁字母縮寫)意為解決發明創造問題的理論，起源于蘇聯，英譯為theory of inventive problem solving，英文縮寫為TIPS。它是由前蘇聯發明家阿奇舒勒在1946年創立，阿奇舒勒因此被尊稱為TRIZ理論之父［10］。TRIZ理論被西方國家稱為神奇的“點金術”。經過多年發展，TRIZ理論已經發展成為解決技術問題或發明問題的強有力的方法學理論，已解決了前蘇聯、美國、歐洲、日本等國家許多企業成千上萬個創新難題［1］。

1.1 沖突及其解決原理

阿奇舒勒將沖突分為管理沖突、技術沖突和物理沖突。

1)管理沖突。管理沖突是指這樣的一種場景:根據現場的情況，從內心認為需要做一些事情以獲得希望的結果或避免某些現象的發生，但卻不知如何去做，即沒有發現可以解決問題的任何方法。TRIZ沒有提供直接求解管理沖突的方法，即TRIZ主要考慮的是后兩類沖突:技術沖突和物理沖突。

2)技術沖突。現實中有許多這樣的例子:想吃一份好菜，但太貴;想穿一件時髦的衣服，但太過招搖;想坐車，但有人說應該步行，因為坐車會影響環境等。當人們試圖用某種方法去實現所需要的功能(有利效應)卻產生了另一方面的不足(產生了不利效應)時，TRIZ就稱之為出現了技術沖突。

3)物理沖突。物理沖突與技術沖突有著截然不同的定義。物理沖突只涉及系統中的一種性能指標，其矛盾在于:為了某種功能的實現，對某個性能指標提出完全相反的要求(或對該子系統或部件提出了相反的要求)［2］。

沖突解決流程見圖1。

圖1 沖突解決流程

1.2 物－場模型分析

TRIZ中所謂的物－場模型指的是構成功能各組件之間關系的模型，而物－場模型分析則是對技術系統內部各構成要素之間相互關系和相互作用進行分析的一種方法［5］。

阿奇舒勒通過對功能的組成特點進行研究，發現并總結了3條定律:① 所有的功能都可以分解為3個基本元素(S1，S2，F);② 一個存在的功能必定由這3個基本元素組成;③將相互作用的3個基本元素進行有機組合將形成一個功能［4］。舉例說明建立吸塵器清潔地毯的物－場模型。在本例中地毯是需要改變的對象(改變其清潔度)，所以地毯是工件(S1);吸塵器的吸頭直接作用于地毯，它是工具(S2);而其中的場則與所采用的效應有關，如果是靜電吸塵器，采用的是靜電場(F1)，如果是真空吸塵器，則是壓力場(F2)等［7］。

利用物場模型方法對技術系統分析后，可以將其歸納到不同的類別中。對于每種類別來說，它們都有自己特別的、規范的解題方法，即為標準解［8］。顯然標準解具有特定性、通用性和普遍性等特點，這些特點使得物場分析與標準解在解決實際問題時更具有廣泛性［6］。物場模型解題模式見圖2。

圖2 物場模型的解題模式

2 TRIZ理論在蔬菜苗嫁接機中的應用實例

2.1 嫁接機的主要機械機構及運作步驟

本嫁接機機械部分有3個關鍵部分，即砧、穗木苗切削機構，推夾機構和供苗臺機構(圖3)。推夾機構的整體設計是整個嫁接機最核心和最關鍵的部分，因為推夾機構的精度和質量直接影響嫁接的成敗。經過調試試驗證明:該機構可以基本保證嫁接所需的要求，但其穩定性一般，故障率偏高，所以推夾機構的優化是后續需要不斷探索和研究的主要內容。韓國同類型的產品，其嫁接的可靠性更高，故障率更低，實用性更強，最關鍵在于其推夾部分的設計更合理。

本嫁接所采用的是砧、穗木苗分切機構。這樣不僅減小了每個切削機構的切削阻力，而且可使砧、穗木分開調試，使得維護更方便，同時設計的合理性并沒有影響嫁接機的工作效率。

供苗臺機構的設計對于提高嫁接機工作效率起著至關重要的作用，不應該被忽視。原中國農業大學樣機采用的是兩側對稱供苗的方式。該方式保證了切削的位置，提高了砧、穗木嫁接的精度，最重要的是使得操作人員操作起來更方便。本嫁接機所采用的是單側(穗木)供苗機構，砧木部分沒有設置供苗機構。這樣就無法保證一個固定的切削位置，需要操作人員仔細觀察，因而對操作人員的要求比較高，可靠性較低，增加了勞動強度，并在一定程度上降低了安全性。

由于本嫁接機搬運機械手的回轉驅動采用的是雙氣缸上下串聯的結構，對加工精度和裝配精度要求很高，而實際上都無法達到所要求的精度。同時，氣缸旋轉時產生的沖擊力對機構造成的影響很大，無法保證嫁接所需的高精度，因此總體的穩定性和準確度不高。

本嫁接機完成嫁接涉及到砧木苗、穗木苗的夾推、搬運，以及夾子的推送，而嫁接機的機構總成又事關嫁接是否成功，所以可以利用TRIZ理論中的矛盾分析法和物－場解決原理來討論。

圖3 自主設計的蔬菜苗嫁接機

2.2 嫁接機嫁接過程中所涉及到的技術沖突

在本嫁接機的嫁接過程中涉及到的技術沖突主要有:砧木苗、穗木苗的供苗速度慢，嫁接效率低，需要依靠2個人在兩側供苗，若是增加供苗的人數，供苗速度加快，效率有所提升，但卻浪費了勞動力，耗費人力資源，增加了成本;搬運砧木和穗木苗的機械手臂是由氣缸驅動，在嫁接過程中噪聲大，而且精度不高，若是對氣缸進行改進，使其噪音減小，精度提升，則會使得操作繁冗，技術難度增加，成本增加;整個嫁接機的工作臺較小，效率不是很高，若是擴大工作臺的面積，雖會提高效率，但同時會帶來機器質量的增加，移動困難等問題。依照 TRIZ理論對39個工程參數描述如下:

希望改進的參數:靜止件的體積(NO.8);速度(NO.9);結構穩定性(NO.13);制造精度(NO.29);生產率(NO.39)。

以上5種參數的改善將導致如下4種參數的惡化:靜止件的質量(NO.2);物質的損失(NO.23);可制造性(NO.32);可操作性(NO.33)。

2.3 運用阿奇舒勒沖突矩陣選取合適的發明原理

嫁接機機構的技術沖突見表1，需要改進的參數為 8、9、13、29、39，帶來的惡化參數有 2、23、32、33。根據阿奇舒勒沖突矩陣所列舉的發明原理可選擇發明原理 14、28、40。

1)發明原理14。曲線、曲面畫法:在供苗時采用一個圓盤式的機構，在圓盤的邊緣可以夾持多支木苗，圓盤轉動，實現對木苗的步進輸送。這樣提高了生產率，減少了人力資源的浪費，使得結構更合理化。

2)發明原理28。機械系統的替代:這里主要是指用轉盤式的夾苗機構來替代人力的供給，這樣既減少了物質資源的浪費，又提高了生產效率。

3)發明原理40。復合材料:在增大工作臺體積的同時也增加了裝備的質量，使得移動較困難，換成復合材料后，既擴大了工作臺的面積，也提高了產量，而且還能使得整體裝備的質量不會有大的提升。

表1 沖突解決矩陣(部分矩陣)

將發明原理應用到本嫁接機工作臺表面，如圖4所示。

圖4 嫁接機工作臺表面簡圖

2.4 嫁接機系統內物－場分析模型

嫁接機整體嫁接的工作過程包括砧木、穗木苗的夾取、切削、搬運，進而通過推夾裝置推動苗夾進行嫁接。整個工作流程采用電機與氣缸共同作用完成嫁接，當苗夾實現對木苗的嫁接，還要通過氣缸使其松開，然后通過傳送帶滑下。在這個系統流程中，苗夾對順利推送起著關鍵性的作用。

嫁接機整體系統中必存在小問題引起的沖突，這就需要采用物－場分析模型來進行分析(圖5)。首先建立模型，其中:S1為夾苗推送裝置;S2為夾苗;F表示機械能。若S2夾苗在S1推送裝置中被卡住或是運行不平滑受阻，則會導致整個嫁接過程的停滯或失敗，所以有必要引進推桿導軌S3。

圖5 夾苗推送機構對夾苗的物－場分析模型

2.5 嫁接機機構整體的設計方案

嫁接機的整體結構包括電機、苗木搬運機械臂、切削機構、砧木苗盤夾持裝置、苗夾推送裝置以及苗夾，傳送帶等。圖6所示是用solidworks繪制的三維模型。

圖6 嫁接機整體機構三維模型

改進后的嫁接機較之前更加人性化，不僅提高了生產效率，減少了人力、物力資源的損失，而且在機器本身的美觀度上也得以大大改進(圖7)。總之，TRIZ理論在嫁接機的改進中得以充分應用，且效果良好。

圖7 改進嫁接機樣機

3 結束語

TRIZ理論包括發現設計中的問題、沖突及解決沖突的發明原理和物－場分析模型。在加速開發新型農林業新產品的過程中，TRIZ理論作為創新理論作出了突出貢獻。TRIZ理論將創新思想進行了科學的整理與提煉，為現代機械機構創新設計開創了一套可行、可靠的科技理論指導體系［9－12］。本文將沖突解決原理、阿奇舒勒矛盾矩陣模型以及發明原理等充分應用于嫁接機的設計創新改進中，并且分析了系統存在的中小問題，用物－場模型原理建立理論模型來解決實際問題。在具體問題的研究上，首先對技術沖突進行了確認，借鑒標準的工程參數選擇相對應的發明原理，在發明原理的基礎上確定嫁接機的改進設計方案，最終確定嫁接機構的總體結構，并且完整制造出新的樣機。TRIZ理論在本嫁接機中的實際運用證實了其在創新設計中的重要意義，也使得TRIZ理論與實踐相結合的思想觀念顯得尤為重要。

［1］沈萌紅.TRIZ理論及機械創新實踐［M］.北京:機械工業出版社，2012.

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