基于TRIZ理論的育苗容器自動裝盤裝置設(shè)計＊

沈嶸楓 ， 陳 鑫 ， 謝詩妍 ， 高 銳 ， 陳志強(qiáng)

（1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 3500012）

0 引言

容器育苗技術(shù)是將盛有養(yǎng)分豐富的泥炭、巖棉、沙礫等基質(zhì)和種子一同放置在一個帶孔的穴盤中，在穴盤中進(jìn)行育苗，相對傳統(tǒng)方式，該育苗方式可使種子在發(fā)育時獲得更好的營養(yǎng)和環(huán)境條件，這是一項新的育苗技術(shù)[1-2]。通過容器育苗技術(shù)培育出的幼苗成活率高、生長健壯、田間生長生育期短，該技術(shù)已普遍用于我國大多數(shù)作物[3]。傳統(tǒng)育苗容器制作需要大量的勞動力，屬于勞動密集型行業(yè)，雖然近年來取得較大的改進(jìn)，但是相對于其他行業(yè)還存在較大的發(fā)展空間。工廠化育苗必將取代傳統(tǒng)育苗方式，并且農(nóng)村勞動力成本的提高、勞動力的轉(zhuǎn)移問題等日益嚴(yán)重，迫切要求提高自動化水平。自動化的實現(xiàn)是將精確的各部件實現(xiàn)精確結(jié)合，在自動化發(fā)展過程中，蘇聯(lián)科學(xué)家提出的TRIZ理論（發(fā)明問題解決理論）產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，該理論強(qiáng)大作用在于它為人們創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法[4-6]。機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計是由簡到繁、由粗糙到精細(xì)，當(dāng)傳統(tǒng)方式方法無法滿足新環(huán)境需求時，歷史發(fā)展的強(qiáng)大動力就會推動人們進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新[7]。TRIZ理論的核心為“解決沖突”，但是要遵循不對系統(tǒng)中其它部件產(chǎn)生負(fù)面影響的前提下，提升目標(biāo)部件性能和結(jié)構(gòu)的原則[8-9]。可以將這一理論運(yùn)用至容器育苗自動裝盤裝置的設(shè)計中，避免在育苗容器自動裝盤的設(shè)計中發(fā)生物理沖突或技術(shù)沖突[10]。自動裝盤裝置是完成育苗容器成型機(jī)最后一道工序的承擔(dān)機(jī)構(gòu)，其設(shè)計思路為實現(xiàn)擺盤的前后向與左右向的運(yùn)動，采用裝盤機(jī)同步帶輪式的設(shè)計，機(jī)座設(shè)置滑軌采取絲杠傳動。

1 整體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計過程中問題解決原則

育苗容器自動化裝盤裝置的發(fā)明，關(guān)鍵步驟在于自動化步驟的實現(xiàn)，也就是解決目前存在的沖突，要想解決這一沖突，首先要弄清楚沖突的類型是物理沖突還是技術(shù)沖突。這兩類沖突需要不同的解決方式，可利用分離原理的方法去解決物理沖突，可通過沖突矩陣找到發(fā)明原理進(jìn)而去解決技術(shù)沖突，具體解決流程如圖1、圖2所示。

1.2 設(shè)計過程中問題解決措施

傳統(tǒng)育苗容器制作大多數(shù)工藝都是依靠人工，人工在流水線工作中要比機(jī)器的工作效率、工作質(zhì)量、工作能力等方面低。如果將機(jī)械手臂技術(shù)運(yùn)用至育苗容器制作中，必將提高整個過程的生產(chǎn)效率，但是該設(shè)備適用于流水線生產(chǎn)高精度設(shè)備，對于容器育苗而言太過復(fù)雜，且維護(hù)成本較高。因此，通過上述分析可知，育苗容器制作的工作效率與機(jī)械應(yīng)用的復(fù)雜性存在矛盾，也就是技術(shù)沖突。可將這兩者間矛盾通過TRIZ理論39項工程中其中兩項表示：

圖1 物理沖突解決流程圖

圖2 技術(shù)沖突解決流程圖

1)生產(chǎn)率(通用技術(shù)正向參數(shù))。將自動化育苗容器成型機(jī)設(shè)備運(yùn)用至育苗容器制作中，可以提高生產(chǎn)效率。

2)系統(tǒng)的復(fù)雜性(通用技術(shù)負(fù)向參數(shù))。在育苗容器自動裝盤裝置問題中，如果將機(jī)械手運(yùn)用到自動裝盤裝置中，那么將大大增加系統(tǒng)中部件的數(shù)量以及各部件之間的復(fù)雜程度，部件越復(fù)雜，各部件之間的聯(lián)系越復(fù)雜，則系統(tǒng)就越復(fù)雜。復(fù)雜的系統(tǒng)在維護(hù)和運(yùn)行中都需要花費巨大的費用，項目組希望得到的系統(tǒng)較為簡單，用越簡單的系統(tǒng)實現(xiàn)越多的功能。因此，將機(jī)械手臂運(yùn)用至自動裝盤系統(tǒng)中作為惡化的參數(shù)。依據(jù)上述得到的參數(shù)，通過查閱阿奇舒勒技術(shù)沖突矩陣，可以得到機(jī)械系統(tǒng)的替代原理。在TRIZ中，機(jī)械系統(tǒng)替代原理包括用一切非機(jī)械的作用，如電、磁、光、熱、聲、化學(xué)等對機(jī)械作用的替代[11]。根據(jù)這一替代原理，可以利用PLC控制一個可移動裝盤平臺，搭配一個夾持機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實現(xiàn)育苗容器的裝盤工作。

1.3 方案設(shè)計

該設(shè)備由PLC控制系統(tǒng)、夾持機(jī)構(gòu)、傳送帶、裝盤平臺、定位板、伺服電機(jī)、絲杠和擺盤等組成，如圖3所示，可以滿足直徑Φ36 mm ~100 mm、長度80 mm ~120 mm規(guī)格的裝盤要求，通過控制擺盤的前后向與左右向的運(yùn)動搭配夾持機(jī)構(gòu)的張合實現(xiàn)裝盤工作。上部為采用鋁型材支架和采用螺栓連接的裝盤平臺，其他零件也主要通過螺栓連接至框架上。下部為機(jī)座部分，機(jī)座由鋁型材、滑軌、矩形板等組成。矩形板表面設(shè)有滑軌，裝盤平臺通過滑槽與滑軌配合。考慮到擺盤的精準(zhǔn)定位問題，采用PLC技術(shù)控制電機(jī)有序的間歇轉(zhuǎn)動。為避免擺盤裝置在裝盤裝置上發(fā)生滑動、跑偏現(xiàn)象，在作業(yè)過程中應(yīng)用定位板，并在裝盤機(jī)側(cè)邊設(shè)置欄桿防止裝盤裝置滑出裝盤機(jī)。

圖3 裝盤裝置三維模型

2 設(shè)計要點

2.1 裝盤流程

輸送的育苗容器通過滑道囤積在夾持裝置的鋼線位置，夾具的中心位置正好與擺盤容器中心重合，氣缸活塞向下運(yùn)動時，夾具張開，夾具間的基質(zhì)單元在重力的作用下落入育苗容器內(nèi)，當(dāng)氣缸活塞向上運(yùn)動時，夾具沿著相反的軌跡回位，夾緊囤積在鋼線上的基質(zhì)，等待下一個容器抵達(dá)夾具中心時，夾具再進(jìn)行張開和閉合運(yùn)動，如此反復(fù)，育苗容器就有序的落入育苗擺盤中。而裝盤平臺采用PLC技術(shù)控制電機(jī)有序的間歇轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)擺盤在空間平面上的實時定位，育苗容器有序的落入育苗擺盤的容器。

2.2 運(yùn)動方式

裝盤裝置的傳動包含裝盤機(jī)皮帶的轉(zhuǎn)向運(yùn)動以及通過機(jī)座直線導(dǎo)軌實現(xiàn)的縱向運(yùn)動，由于在擺盤時裝盤裝置要實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位，故裝盤裝置的傳動精度要求較高。裝盤平臺如圖4所示，在裝盤平臺部分為了有效控制擺盤的運(yùn)動精度，采取同步帶輪運(yùn)輸，同步帶與帶輪通過齒狀嚙合，可以有效避免滑動的發(fā)生。機(jī)座上通過設(shè)置滑軌與裝盤機(jī)滑槽相配合，通過絲杠的傳動推動整個整盤機(jī)的前后運(yùn)動，絲杠的運(yùn)動精度較高可以有效地保證前后向的運(yùn)動精度，伺服電機(jī)每一次的間歇運(yùn)動帶動裝盤機(jī)前后運(yùn)動，從而擺盤前后向移動一個單位。裝盤平臺上的伺服電機(jī)輸出動力，通過聯(lián)軸器帶動主動桿運(yùn)動，其上的主同步帶輪通過傳動帶的運(yùn)動帶動從同步帶輪，為防止出現(xiàn)擺盤裝置跑偏的現(xiàn)象，可在傳送帶上安裝定位板，防止該現(xiàn)象的發(fā)生，通過人工將擺盤裝在傳送帶上。伺服電機(jī)的每一次間歇性運(yùn)動將帶動擺盤左右移動一個單位。

圖4 裝盤平臺圖

3 應(yīng)用情況及效益

3.1 間接經(jīng)濟(jì)效益

使用無紡布育苗容器自動裝盤裝置，工人只需放置擺盤和操作設(shè)備，通過夾持裝置和裝盤平臺的配合，實現(xiàn)育苗容器的自動化裝盤。采用自動裝盤，裝盤過程穩(wěn)定、快捷、減少人工勞動、降低安全隱患。育苗容器自動裝盤裝置投入使用，使裝盤工作效率大幅提升，完善了無紡布育苗容器制作流水線。采用自動化裝盤裝置，勞動強(qiáng)度降低。裝盤裝置的投入，使得產(chǎn)品質(zhì)量也有了顯著提高。

3.2 直接經(jīng)濟(jì)效益

育苗容器自動裝盤裝置在福建省三明市尤溪林業(yè)推廣中心投入生產(chǎn)后，裝盤工作可靠、快捷，效率大幅提升，直接提高了該推廣中心的經(jīng)濟(jì)效益，并隨著在制品的減少，釋放出更多資金用來擴(kuò)大發(fā)展。同時，育苗容器自動裝盤裝置也大大節(jié)省了人工成本，預(yù)計年節(jié)約人工成本約10萬元。

4 結(jié)論

文章根據(jù)裝盤裝置裝盤效率與設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性技術(shù)沖突，利用40條創(chuàng)新原理中的機(jī)械系統(tǒng)的替代原理，找到用PLC控制一個可移動裝盤平臺，搭配一個夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案。該裝盤裝置作為整套設(shè)備的生產(chǎn)過程中最后一個環(huán)節(jié)，通過裝盤平臺和絲杠的運(yùn)動可以控制擺盤的位置，讓制作好的育苗容器準(zhǔn)確落入擺盤容器中。該設(shè)備有效提升了裝盤工作效率，節(jié)省了勞動力使用成本。