TRIZ 理論在去竹節機創新設計中的應用

徐一鳴，鄧援超，徐楊，徐志強

（430068 湖北省 武漢市 湖北工業大學 機械工程學院）

0 引言

TRIZ 理論是根里奇.阿奇舒勒在1946 年創立的，他總結了20 多萬份專利，提煉出這套發明問題解決理論體系。TRIZ 理論主要包括40 條發明原理、功能分析、物場分析、矛盾矩陣表、76 個標準解和ARIZ（發明問題解決算法）等[1-5]。TRIZ 理論在解決工程實際問題中得到了廣泛應用。吉利[6]等運用TRIZ 理論對現有的托槽蓋板與彈性部件構成的系統進行了優化改進設計，解決了自鎖托槽蓋板易脫落影響牙齒矯正效果與周期的問題；曾宇露[7]等基于TRIZ 理論對如廁助力產品的結構進行了創新設計，顯著提高了其工作效率與穩定性。單光[8]等基于TRIZ 理論設計了一種試卷袋密封折蓋裝置，提高了試卷封裝的效率，降低了工人的勞動強度；楊超[9]等利用TRIZ 理論對套袋機套袋裝置進行了創新設計，解決了套袋裝置在套袋過程中薄膜內袋容易產生折角的問題。

本文基于TRIZ 理論，對去竹節機與去竹節的方式進行了創新性改進設計。提高了去除竹節的質量，節約了生產成本與時間，減輕了工人的工作負擔。

1 去竹節機背景介紹

竹子在日常生活中用途廣泛，在生產竹筷、竹片、竹鹽等行業，將竹段內的竹節去除干凈是一道重要工序。目前，我國市面上雖然存在著各式各樣的去竹節機，但是由于竹子本身存在著粗細長短的差異，而機器又無法根據這些差異在加工時進行調整，所以去除竹節的效果不好。在某些地方，只能通過人工方式保證去除竹節的質量，這樣既降低了加工效率，也使加工成本變高。

去竹節機的結構示意圖如圖1 所示。首先工人將刀頭安裝在刀具固定軸上，刀頭要根據加工竹筒內徑的大小進行更換；然后將未加工的竹段放置在固定槽內，并且通過U 型固定塊將竹段夾緊，由電機驅動絲桿滑塊裝置使竹段向著刀具移動。最后刀頭通過電機的驅動進行轉動，將竹段內的竹節去除。

圖1 去竹節機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of slub removing machine

2 問題分析

2.1 描述問題

這種去竹節機雖然不需要工人手動去除竹節，節省了一定的加工時間與加工成本，但是在實際生產過程中，發現其去除竹節的效果不太理想，竹筒內壁仍有一些殘留的竹節沒有去除干凈，有些達不到生產的要求，所以需要對去竹節機進行優化改進，解決竹節去除不干凈的問題。

2.2 系統功能組件分析

本課題技術系統的功能是去除竹段內的竹節，故技術系統的作用對象為竹節。系統組件包括氣缸、電機、絲桿、滑塊、支撐桿、U 型竹段固定塊、U 型固定槽、刀具、待加工的竹段，超系統組件為機架。根據以上建立的系統組件、超系統組件、作用對象進行組件之間的作用分析。采用規范化的描述方式建立的功能組件模型如圖2 所示。

圖2 組件功能模型圖Fig.2 Component function model diagram

2.3 因果分析

在TRIZ 理論中，因果分析是應用十分廣泛的分析方法。通過因果分析可多角度發現造成問題的原因，通過邏輯梳理可以尋找到最根本的原因，進而得到解決問題的思路和方法。對當前系統進行因果分析，得到的因果分析圖見圖3。

圖3 因果分析圖Fig.3 Causal analysis chart

對以上因果分析的結果進行進一步討論。針對2 號原因，通過增加刀具的數量可以解決刀具在竹筒內作用范圍小的問題。針對4 號原因，若為單個刀具增加專用的反饋調節裝置無疑會很大程度地增加刀具的成本，并且也會使裝置整體變得更加復雜。針對5 號原因，通過增大刀具驅動電機的功率可以有效解決刀具對竹節作用力度不足的問題。針對6 號和7 號原因，竹節與竹筒內壁連接太牢固，竹筒的內徑不完全相同是竹子的自然屬性，不屬于本問題研究的范疇，所以不進行考慮。1 號原因和3 號原因可以通過改進機械結構來解決竹節去除不干凈的問題，是解決該問題的關鍵缺點。

3 問題求解

通過以上對竹節去除不干凈問題的因果分析和功能分析，找到了造成該問題的2 個關鍵缺點，下面將2 個關鍵缺點分別轉化成2 個關鍵問題進行分析。針對1 號原因通過分析得到的關鍵問題①如何使刀具在工作時的回轉半徑與竹筒的內徑近似相等。針對3 號原因通過分析得到的關鍵問題②如何設計自動換刀裝置，使刀具可以根據竹筒內徑的變化進行調整。下面結合TRIZ 中的工具對2 個關鍵問題進行求解。

3.1 利用矛盾解決問題

針對關鍵問題①，常規的解決方法是更換大直徑的刀具來增加刀具的作用范圍。但是大部分待加工竹筒的內徑都不相同，當遇到內徑相差較大的竹筒時必須再次更換刀具才能繼續工作，這樣頻繁更換刀具的方式無疑會降低去竹節機的生產效率。因此可以將增大靜止物體的面積和降低去竹節機的生產率作為一對技術矛盾：

改善的參數為：靜止物體的面積-#6；

惡化的參數為：生產率-#39。

通過查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表發現相對應的創新原理有7（嵌套）、10（預先作用）、15（動態化）、17（維數變化）。其中利用#15-動態特性原理，得到方案①。

方案①：對刀具去除竹節的工作方式進行動態化設計，不僅局限于刀具的轉動與夾具加持竹段進行直線移動。通過將竹段的夾緊方式改為3個滾輪夾緊來實現刀具動態化的去除竹節。氣缸推動上滾輪固定架和下滾輪固定架移動，將中間的竹段夾緊。電機驅動絲桿轉動，通過絲桿滑塊裝置帶動竹段和夾具移動至刀具處。刀具開始轉動，對竹節進行去除。同時，主動滾輪開始轉動，驅動竹段圍繞刀具進行轉動，從而實現了刀具去除竹節的動態化設計，提高了裝置的工作效率。方案①的工作示意圖如圖4 所示。

圖4 方案①工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of scheme ①

針對關鍵問題②，常規的解決方法是設計一套去竹節機的自動換刀裝置，使其在工作時可以根據竹筒內徑的變化自動換刀，優化了刀具的適應性。但是增加自動換刀裝置必定會使去竹節機整體變得更加復雜，惡化了設備的復雜程度。因此可以將提高刀具的適應性和增加設備的復雜性作為一對技術矛盾：

改善的參數為：適應性及多用性-#35；

惡化的參數為：設備的復雜性-#36。

通過查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表發現相對應的創新原理有15（動態化）、28（機械系統的替代）、29（氣壓與液壓結構）、37（熱膨脹）。其中利用#15-動態特性原理，得到方案②。

方案②：對刀具的結構進行改進，提高刀具的適應性。在原有刀具的基礎上增加刀片、刀片安裝座、彈簧、支撐架等零件。其中刀片安裝座與刀頭及刀具主軸固定，3 個刀片與刀片安裝座鉸接。彈簧的一端固定在刀片安裝座的端面上，另一端固定在支撐架的端面上。支撐架與刀片上的滑槽之間為槽口連接，支撐架的中心開孔，使其可以在刀具主軸上滑動。當刀具進入到竹段內部時，3 個刀片可以根據竹段內徑的不同，圍繞鉸接點旋轉不同的角度進行調整。同時由于支撐架與刀片之間為槽口連接，支撐架也會相應地在刀具主軸上滑動。支撐架位置的改變會使得彈簧的長度發生變化而產生彈性勢能。彈簧產生的彈性勢能會使得3 個刀片緊貼在竹筒的內壁上，當電機帶動刀具主軸進行旋轉時，3 個刀片也會進行旋轉。從而實現了增加刀具適應性的目的，提高了刀具清除竹節的效率。方案②刀具的結構示意圖如圖5 所示。

圖5 方案2 刀具結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of tool structure in scheme ②

3.2 利用物場模型解決問題

在TRIZ 理論中，最小的系統單元至少應該由2 種物質及2 種物質間的場組成。物場分析法是TRIZ 理論中一個重要的描述問題、分析問題的工具。根據物場模型解決問題的步驟，首先需要定義問題的物場模型。

針對關鍵問題②，先建立刀具在去除竹節時的物場模型。本物場模型中作用對象S2 為刀具，被作用對象S1 為竹節，作用對象S2 刀具對被作用對象S1 竹節為不足作用，S2 與S1 之間的場為機械場。建立的物場模型如圖6 所示。

圖6 物場模型圖Fig.6 Physical field model diagram

應用標準解中的S2.1.2，即雙物—場模型（見圖7），通過增加第2 個場F2，來增強F1 的作用，得到了方案③。

圖7 雙物場模型Fig.7 Double field model

方案③：對刀具的內部結構進行改進，增加了電磁鐵裝置、彈簧、刀片。在刀頭進入竹段前，彈簧為原長狀態電磁鐵裝置處于失電狀態，刀片位于刀頭的凹槽內。當刀頭進入到竹段內部時，電磁鐵裝置得電使刀片伸出，彈簧處于伸長的狀態。此時刀具主軸帶動刀頭和彈出的刀片共同旋轉，將竹段內壁的竹節去除干凈。去除完畢后，刀具主軸停止旋轉，電磁鐵失電，彈簧恢復原長，刀片在彈簧彈力的作用下回到刀頭的凹槽內。方案③的示意圖如圖8 所示。

應用標準解中的S2.2.2 即物質S2 的分裂（見圖9），通過將刀具分裂為3 個部分加強了刀具對竹節的去除效果，得到了方案④。

圖9 物質S2 的分裂Fig.9 Splitting of substance S2

方案④：將刀具整體分裂為3 個部分并且增加了刀片限位塊、彈簧、刮刀片、刀片固定架。其中2 個刮刀片呈180°交錯分布在刀具主軸上，且刮刀片的形狀為V 形。這樣的設計可以實現在退刀時，刮刀片能夠反向對竹節進行清除，提高了去除竹節的干凈程度。在刀具進入竹段前，彈簧處于原長狀態；當刀具進入竹段時，刮刀片向下移。同時刮刀片下面的彈簧也會被壓縮，彈簧產生的彈力將刀片頂在竹段內壁上。在電機的驅動下，整個刀具進行旋轉，完成對竹段內竹節的清除工作；去除完畢后，刀具主軸停止旋轉彈簧恢復原長。方案④示意圖如圖10 所示。

圖10 方案④示意圖Fig.10 Schematic diagram of scheme ④

3.3 利用技術系統的進化解決問題

在TRIZ 理論中，一個產品或物體都可以看作是一個技術系統。技術系統的進化是指系統中的各項內容由低級變為高級的過程。針對關鍵問題2，根據動態性法則對問題進行分析，得到了方案⑤。

方案⑤：在現有刀頭的基礎上，對刀具的結構進行了改進，增加了刀片、連桿、彈簧、伸縮桿。其中刀頭與刀具主軸通過伸縮桿連接，彈簧安裝在伸縮桿內部，刀片安裝在兩根連桿上。在刀具進入竹段前，彈簧處于原長；當刀具進入竹段后，電機驅動刀具主軸和刀頭先在竹節上鉆出一個小孔，同時彈簧受到壓縮，刀具主軸和伸縮桿向前移動，兩邊的連桿向外擴張，連桿上的刮刀片將剩余的竹節清除干凈；竹節清除完畢后，彈簧在彈力的作用下恢復原長，兩邊的連桿向內收縮。方案⑤示意圖如圖11 所示。

圖11 方案5 示意圖Fig.11 Schematic diagram of scheme 5

4 方案評價及選擇

針對上述5 個方案，依據TRIZ 理論中的評價模型并結合去竹節機的實際情況分別從可行性、可加工性、穩定性、成本4 個方面進行考慮：方案①通過改變竹段的夾持方式來實現刀具動態化的去除竹節，擴大了刀具的工作范圍，但是其對去竹節機的結構改變較大，成本較高；方案②通過改進刀具的結構提高了刀具的適應性，并且其對裝置整體的結構改動較小，成本也較低；方案③通過在刀具內部安裝電磁鐵裝置、彈簧、刀片等零件擴大了刀具的工作范圍，但是其實現難度較大并且成本較高；方案④通過對刀具結構進行改進提高了刀具去除竹節的干凈程度，并且其結構簡單，成本較低，可行性高；方案⑤在原有刀頭的基礎上增加了刮刀片、連桿、伸縮桿等零件，提高了刀具的適應性，但是在工作過程中連桿與竹筒內壁可能會存在干涉，其可行性與穩定性不高。綜合考慮以上分析，選擇方案2 與方案4 來實施，在樣機測試過程中去除竹節的干凈程度得到了明顯的提高，測試效果良好。

5 結語

基于TRIZ 理論，通過對去竹節機進行因果分析和系統功能組件分析，找出了造成竹節去除不干凈的根本原因并建立了系統功能組件模型。通過運用TRIZ 理論中的方法和工具得到了5 個解決方案，并結合實際情況進行評價選出了最優的2 個方案。將其應用于樣機測試解決了去竹節機竹節去除不干凈的問題，同時也對優化自動去竹節設備、提高去除竹節的效率提供了新的解決思路和方法。