基于TRIZ理論對發卡設備重張連張問題的創新研究

陳萬昌，周劍波

（1.中山凱爾特機械設計有限公司，廣東 中山528437；2.廣東珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519000）

發卡設備是一個統稱，是以發送卡片類產品為主的一種設備或機構，是指具有卡片形狀的比較薄的一類產品，如撲克牌、名片、紙張等。將N多張一堆卡片一張一張地發出來。

該技術系統目前有飛達式、真空吸盤式、振動式、往復分離式[1]、摩擦式等形式。摩擦式是目前是用途最廣，使用最多的一種形式。大量使用于包裝、印刷、裝配產線等行業。

摩擦式發卡機構，由摩擦輸送裝置，輸出裝置，導板，調節器，反向摩擦輪以及控制系統組成。而其核心是摩擦輸送裝置與導板，通過調節導板與摩擦輸送裝置與導板之間的間隙，實現對卡片的單張發送。如圖1所示。

雖說場景很多，但在行業內還是存在一些一直無法克服的重張和連張問題，而且一次出二張或多張或連續出二張或多張的情況經常發生，造成計數不準確，影響生產效率。

近年來，也有不同的廠家對該機構進行優化升級，以適應不同市場需求，但大多是常規設計[2]，鮮有基于TRIZ理論的創新方法在此領域應用。根據對TRIZ創新理論的學習，如今創新已經不再只是“靈感”進行發明創造的時期了，而是由理論體系和若干創新方法組成的一套完整的創新體系，而隨著國家對科技創新以及方法創新的重視，該方法體系正被各領域的技術人員所接受。

本文所研究的發卡機發卡不穩定造成的重張連張問題也嘗試從TRIZ理論導引[3]的角度來解決，借TRIZ的問題識別工具、問題解決工具等，設計出可以克服此問題的多種方案，為此技術系統的開發設計和創新提供新的思路和方向，對提高卡片類產品的點數和發卡效率具有重要意義。

1 發卡機的工作原理介紹

自動發卡技術系統是取代傳統手工一次準確投送單張或多張卡片的一套機構，該機構的原理圖1所示。

圖1 摩擦式發卡機構

（1）摩擦皮帶1通過皮帶本身的摩擦力并且在卡片2自身重力下，經過導板5，將最下方的一張卡片2搓走，未被搓走的卡片由擋板3進行阻擋，調節器4可以調節導板5與摩擦皮帶1之間的間隙，以保證單張卡片2能得以通過。卡片2被搓走后與O型輸送帶7進行接駁（1和7之間存在速度差，7的速度大于1的速度），把卡片送出設備，實現點數（單張輸出）功能。

（2）導板5與摩擦皮帶1之間的間隙是可以通過調節器4隨時調節（此位很重要）。

（3）反向摩擦輪6的作用是旋轉運動并與卡片2的運動方向相反，反向向卡片施力，以保證無過多卡片一次輸出而造成重張和連張的問題。

2 工程問題分析

2.1 問題描述

目前在使用過程中，重張和連張率高，通過更換不同材料的調節器壓頭，效果好很多，很難調節，操作難度很高，要反復尋找平衡點。特別是在發超薄卡片時（0.06-0.2mm）經常發生，機率遠高于厚卡片，最高約3%-20%的不良率，這是不能接受的。

目前主要是從改變導板的材料來解決問題，但效果不很理想，操作難度大，且重張連張也經常發生。

2.2 功能分析

功能分析是TRIZ重要的問題分析工具，可以從功能的角度找出技術系統中存在問題的組件。

當前的系統組件有導板、調節器、擋板、摩擦皮帶、反向摩擦輪，作用對象為卡片，超系統組件為O型輸送帶，如圖2所示。

圖2 系統組件

通過組件模型分析可知，導板對卡片的壓力不足，摩擦皮帶對卡片的摩擦力的不足以及反向摩擦輪對卡片有起皺的過度功能都是造成重張和連張的原因。

2.3 因果分析

因果分析也是TRIZ識別技術系統缺點及問題分析的重要工具，通過因果的層層分析，梳理問題之間的邏輯關系，可以挖掘隱藏于問題背后的隱性問題，便于找到關鍵點，然后根據關鍵問題嘗試尋找新的解決方案。

根據因果分析工具，繪制卡片重張連張問題的因果鏈，如圖3所示。

根據圖3可知，造成發卡重張連張的主要原因可以歸納如下：

圖3 重張連張問題的因果鏈

（1）卡片與摩擦皮帶之間壓緊力過度，

（2）摩擦皮帶的摩擦力不足，

（3）導板的材料彈性不足。

根據因果分析總結的主要原因，然過再通過下面的技術矛盾分析，尋找具有可操作性的解決方案。

3 問題求解

3.1 技術矛盾解決問題

技術矛盾是指改善一方面功能的同時，將惡化或削弱另一面的功能。由因果圖可知，導板材料的柔性不足是問題原因之一，用技術矛盾的語言可以描述為：如果增加材料的柔性，那么磨損加快，但是會頻繁更換導板，導致易用性差。將這對矛盾再根據TRIZ的39個工程參數進一步梳理，將材料的柔性抽象為適應性、通用性（35），將易用性差抽象為系統的復雜性（36）。根據矛盾矩陣關系圖，查需要改善的參數（35），惡化的工程參數（36），得到對應用的發明原理矩陣解，分別為15、28、29、37，如圖4所示。

圖4 應用的發明原理矩陣解

根據現實情況分析，37、28不具備可行性，而15、29更加接近實際且易于實現。

根據NO.15動態化發明原理的啟發，可以在卡片的下方設計一個振動機構，使用成疊的卡片不斷進行松散，減少卡片之間的結合力，以減少重張的概率，如圖5所示。

圖5 設計振動器

根據NO.29用氣動或液壓結構發明原理的啟發，可以在摩擦皮帶上開孔，且在皮帶下方設計真空機構，以增大最下方一張卡片與皮帶之間的結合力，如圖6所示。

圖6 設計真空機構

綜上所述，通過一對技術矛盾分析，應用TRIZ的工程參數和發明原理找到4種方案，有2種具有可行性的方案。同時根據因果分析也構建其他的技術矛盾，然后通過問題的抽象與矛盾參數對應，再查詢矛盾矩陣解，得到更多的發明原理解決方案。

3.2 物理矛盾解決問題

物理矛盾是技術矛盾的進一步深化，它表述的是一個技術系統參數有正反兩個方面的需求。比如，要求桌子既要大，又要小，大可以放更多的東西，小可以節省放置的空間。相對于技術矛盾，物理矛盾是一種更加尖銳的矛盾，在工程中往往不容易解決。

根據因果分析，卡片重張的主要原因是卡片之間的摩擦力過度，發卡時摩擦力大，容易造成連張；發卡時又要摩擦力小，皮帶磨損少，但又容易造成重張，此時卡片間的摩擦力既要大又要小就構成了一對物理矛盾。由于卡片的發送與存放不在一個空間，所以可以根據物理矛盾空間分離原則進行空間分離，空間分離對應的發明原理有01分離、02抽取、03局部質量、04非對稱、07嵌套、13逆向思維、17、多維化、24中介物、26復制、30柔性外殼或薄膜。

根據發明原理17-多維化的啟示，讓卡與皮帶之間的關系由豎向改為橫向，這樣沒有豎向重力層壓作用，所有卡片受到的引力是一樣的，卡片之間的摩擦力幾乎是一樣均勻的。

空間狀態1結合力大，空間狀態2結合力小，如圖7所示。

圖7 空間狀態

由于發卡時間與放卡的時間不在同一時間進行，也可以嘗試用物理矛盾的時間分離原則進行時間分離，時間分離對應發明原理有：9-預先反作用、10-預先作用、11-預先防范、15-動態化、16-部分超越、18-機械振動、19-周期性作用、20-有效作用的連續性、21-快速原理、29-氣壓與液壓結構、34-拋棄與再生、37-熱膨脹。

根據發明原理10-預先作用的啟示，預先將成疊的卡片人工進行松散化或通過機械振動進行松散，卡片之間的結合力就會被打破，使其之間結合力均勻。

時間1結合力強，在正常狀態下結合力強；時間2結合力小，在人為松散后結合力就變小或消失。如圖8所示。

圖8 時間結合力

綜上所述，根據從實際問題出發，提煉技術系統的物理矛盾，根據物理矛盾的分離法則，可以快速地找到對應的發明原理，從而為我們創新活動提供更多更可行的方案。

4 結論

本研究借助TRIZ理論的功能分析、因果分析、技術矛盾、物理矛盾工具，分析研究了發卡技術系統的重張連張問題，通過功能分析和因果分析，逐步找到造成問題的各種原因，進而通過技術矛盾與物理矛盾的求解工具，解得4種可操作性的解決方案，分別為：（1）在卡片疊的后面加振動裝，（2）在摩擦皮帶上增加真空通孔，（3）把整個裝置倒置90度，（4）在卡片上方加裝增壓裝置，這4種方案具有可行性高、改造成本低等優點。

一般都是根據機械系統的功能結構與原理方案進行創新設計[4]，而本研究是用了TRIZ理論的一部分工具，如果進一步應用TRIZ理論的裁剪、知識庫、理想解等工具還可提出更多新的創新方案，說明TRIZ理論在工業設計制造領域的創新問題中能幫助研發人員快速地拓展研究思路，提出創新方案，同時為其他行業產品的開發和產品的優化提供了新思路。