TRIZ理論在組合式注射教學機設計中的應用

李 霞,佟瑞棟,李依娜,葉 暢

(1.江蘇省惠山中等專業學校 機電工程系,江蘇 無錫 214153;2.朝陽市第六中學 物理組,遼寧 朝陽 122000;3.朝陽師范高等專科學校生化工程系,遼寧 朝陽 122000;4.江蘇電子信息職業學院數字裝備學院,江蘇 淮安 223200)

0 引言

為了適應塑料工業高速發展的需要,許多職業學校都開設了模具設計與制造專業.塑料模具設計作為該專業的核心課程,是理論性和實踐性緊密融合的一體化課程[1].為了完成該課程的實訓教學,學校往往需要購置臥式、角式和立式三種類型的注射機,但這需要較多的設備購置資金和較大的實訓場所.為了解決這一問題,本文運用TRIZ理論進行分析討論,設計一種新型的組合式教學注射機.

1 TRIZ理論及物理矛盾解決方法

1.1 TRIZ理論

TRIZ理論在20世紀40年代末由前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒提出,阿奇舒勒和他的團隊研究分析了世界各國約250萬件發明專利,認為創新絕不是靈感的突現和無規律的事件,其中應該蘊含著發明的基本法則和技術進化的規律,從而提煉和歸納出解決技術問題的基本原理和方法[2].

TRIZ理論包括了諸多內容,而且還在不斷發展完善中.TRIZ理論認為技術系統中存在著物理矛盾、技術矛盾和管理矛盾,而管理矛盾通?？梢赞D化成技術矛盾來解決,因此,TRIZ理論主要研究前兩種矛盾,并提供相應的解決問題工具.

1.2 物理矛盾解決方法

本文要解決的主要問題涉及物理矛盾.所謂物理矛盾,就是在一個技術系統中存在對同一個參數提出相互排斥的需求的物理狀態,即對技術系統或其子系統中的某一參數或屬性提出了截然不同的需求[3].物理矛盾廣泛存在于生產生活的各種系統中,例如,在實訓室建設中為了更好地滿足實訓要求,我們希望購買類型更多的實訓設備,但是這需要更多的經費投入和占用較大的實訓場所;如果從節約經費和減小實訓場地的角度出發,又不希望購買更多的實訓設備,也就是說購買實訓設備數量的多少受到特定條件的限制.

在TRIZ理論中,將物理學中常用的參數分為幾何、材料及能量、功能3類進行表述,如表1所示[4].

表1 常見物理矛盾

TRIZ理論建議我們用4大分離原理(空間分離、時間分離、條件分離和系統級別分離)來解決物理矛盾:

技術系統的某個參數在一特定空間體現出來的特性和在另外一個空間體現出來的特性不同,則可以將矛盾雙方在不同的空間上分離開來,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為空間分離.

技術系統的某個參數在一特定時間段表現出的特性和在另一時間段表現出的特性不同,將矛盾雙方在不同的時間段分離開來,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為時間分離.

技術系統的某個參數在不同條件下表現為不同的特性,將矛盾雙方在不同的條件下分離,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為條件分離.

技術系統對同一參數的不同要求,可以在不同的系統級別上實現,如矛盾雙方在超系統、系統、子系統的層次只出現一方,而該方在其他層次不出現時,則可以讓矛盾雙方在不同層次分離,以降低問題的解決難度,我們把這種方法稱為系統級別分離.

通過研究發現,分離原理與一些發明原理之間存在著一定的關系,利用這些發明原理可以為解決物理矛盾提供更廣闊的思路,從而更好更快捷地獲得問題的解決方案.40條發明原理是阿奇舒勒對大量高質量發明專利分析后歸納總結出來的共性規律.每一條分離原理可以對應多條發明原理,具體見表2[4],表中數字為發明原理的編號.

表2 分離原理與發明原理的關系

物理矛盾解決流程如圖1所示.

2 注射機的分類和物理矛盾分析

2.1 注射機的分類

注射機是塑料注射成型所用的設備,按其結構特征分為3種類型,分別是臥式、角式和立式注射機,如圖2所示.

臥式注射機的開合模系統和注射系統均沿水平方向布置.這類注射機的優點是機身較低,穩定性較好,維修方便,塑件頂出后可利用重力自動落下,便于全自動操作;其缺點是占地面積比較大,不便于模具安裝和嵌件安放.

立式注射機的開合模系統和注射系統均沿垂直方向布置.這類注射機的優點是模具拆裝方便,嵌件安放便利,占地面積小;其缺點是不便于加料,塑件頂出后需要人工或其他方法取出,不易實現全自動化操作,另外機身重心較高,機器的穩定性較差.

角式注射機的注射系統與開合模系統二者的軸線相互垂直.這類注射機綜合了立式和臥式注射機的優點,主要用于成型自動脫卸螺紋塑件和成型中心部位不允許留有澆口痕跡的平面塑件[5].

2.2 物理矛盾分析

準確地尋找和定義物理矛盾是解決問題的基礎.為了滿足實訓教學要求,一般需要購買3種類型的注射機,但是這需要較大的實訓場地和更多的設備投資,而現有的實訓場地不能滿足這個要求.由此看出,實訓系統對注射機的數量這個參數提出了截然相反的要求.這個矛盾在表1中體現為數量多與少(材料及能量類)的矛盾.

表3 定義物理矛盾的步驟

經過分析發現,實際教學中并不是同時操作3種類型的注射機,可以合理安排時間,按照順序使用,這屬于時間分離的問題.在表2中時間分離對應的發明原理共有12條,并不是所有的發明原理都有助于具體問題的解決.經過分析,認為其中的第15條“動態特性”原理可以幫助我們解決這個問題.

動態特性原理啟示我們,“分割物體,使其各部分可以改變相對位置”,“如果一個物體整體是靜止的,使之移動或可動”.于是設想將注射機各部分分割成模塊,各模塊連接成柔性的、可自適應的組合體,根據實訓需要在不同時間段轉換成臥式、角式或立式的注射機,從而減少占地面積.另外在注射機下面安裝滾輪使之可以移動位置,調好位置后由滾輪上的自鎖機構進行鎖定,既具有靈活性又具有穩定性.

考慮到用于教學的注射機不需要很高的制造精度,于是在第26條“復制”發明原理啟發下,嘗試用結構簡單、成本低廉的教學機取代結構復雜、價格昂貴的生產用注射機,這樣可以大大降低制造成本.

3 組合式注射教學機結構組成和轉換原理

3.1 結構組成和特點

如圖3所示,組合式注射教學機包括料斗、支撐底座以及安裝在支撐底座上的注塑系統和開合模系統.料斗安裝在注塑系統頂部,注塑系統安裝在支撐底座上,可在導軌上滑動,開合模系統鉸接在支撐底座上,并可以自由旋轉.注塑系統包括料筒、螺旋送料組件和加熱組件,上部連接料斗.物料經料斗進入到料筒內加熱,然后由螺旋送料組件驅動進入到開合模系統.開合模系統的主要作用是保證成型模具的可靠開合以及脫出塑件[6].

3.2 轉換原理

組合式注射教學機包括臥式轉換成立式、臥式轉換成角式兩種轉換模式[7-8]..

(1)臥式向立式轉換:首先將料斗放平,然后將整體機構旋轉,底座豎立,通過支撐板支撐,即可實現臥式向立式轉換.轉換過程如圖4所示.

(2)臥式向角式轉換:首先將注射機轉換成前臥式,然后將臺座后退,開合模機構旋轉,旋轉到位,臺座前移,即可實現臥式向角式轉換過程.轉換過程如圖5所示.

4 結語

如果分別購買臥式、立式和角式三臺注射機,共需要投資人民幣25萬元左右,現在自制的組合式注射教學機只需10萬元/臺左右,節約資金15萬元,節約占地面積20 m2,降低了基建費用.另外,該機采用模塊化設計,便于維修和更換;配備語音導航,在操作時有導航提示,提高了人機交互能力;注射系統和開合模系統與PLC控制器相連,通過PLC控制器可以自動控制注射系統和開合模系統工作.實踐證明,該機便于學生掌握塑料注塑成型工藝的基本方法和了解典型注塑模具的基本結構,在淮安信息職業技術學院試用以來,取得了較好的教學效果.