基于TRIZ 理论的W 板自动敷绳设备的创新设计

李欢欢，宋西宁，孙春萍，周荃

（261041 山东省 潍坊市 潍坊职业学院 机电工程学院）

0 引言

W 板也叫波形板，多用做高速公路波形防撞栏、工厂防护栏等，生产完的波型板在运输过程中，若波形板之间没有中介物将其间隔开，会对板子表面产生破坏。目前，在其生产过程中，最后工序是将表面处理好的 W 板码垛到一起，W 板的码垛一般是水平方向4 片为一排，垂直方向22 层为一垛[1]，以便打包后运输，如图1 所示。目前主要是采用人工的方式将W 板之间进行敷绳，以达到间隔板子并保护在运输过程中免受损坏的目的。人工敷绳的方式加大了工人的工作强度且工作效率低。但目前市面上没有解决该问题的自动化设备，如何解决W 板运输过程中的保护问题成为亟待解决的问题。

图1 W 板敷绳后码垛图Fig.1 Stacking diagram after rope laying on W-plate

在U-TRIZ 解题流程中，技术系统分析环节被特别加强，SAFC 分析模型是实现迭代创新（产品改进求解）和原始创新的重要工具。在SAFC 分析模型中，S1和S2分别代表一对相互作用的物质，A1和A2分别对应为S1和S2的属性。习惯上，将物质S1作为功能载体-发出动作的主体，将物质S2作为接受动作的客体；S3是实现功能后延展产生的、具有属性 A3的第三物质；Fuh是物质S1的属性A1与物质S2的属性A2相互作用产生的、可能有利或有害的功能[2]。标准的SAFC 分析模型如图2 所示。

图2 SAFC 分析模型Fig.2 SAFC analysis model

1 基于TRIZ 理论的创新设计

1.1 问题定义与分析

如何使W 板的表面在运输过程中不被破坏是最终要解决的问题。目前人工敷绳方式存在很多不足：工人工作强度大，码垛速度不高。从W 板的运输角度出发，理想状态是W 板不怕刮擦破坏，然而由于W 板本身的特性及W 板油漆的易刮擦特性，导致W 板在运输过程中不可能达到表面不被破坏。不论事前还是事中解决问题，现存的主要问题是增加了成本及系统的复杂性。那么次优的最终理想解定义为，使板子之间存在间隙，靠间隙来保护板子的表面，在其他方式实现有困难或者暂时达不到的情况下，研制机械装置代替人工，实现板子表面覆绳，达到保护板子表面的目的。

根据U-TRIZ 的SAFC 模型[3-4]，对W 板敷绳的过程进行分析，如图3 所示。可以看出，W 板要想码垛整齐并且有间隔，需要人和码垛机的配合。码垛机在W 板码垛的过程中，人将草绳敷在板子之间达到保护板子的目的，这就需要人与码垛机工作时间的一致性，若达不到一致，会使码垛过程效率低下。若不敷绳，码垛的效率提高了，但是W板之间没有草绳间隔，板子表面会受到损伤。由此得到码垛过程中存在的矛盾为码垛效率与W 板强度之间的矛盾，以及手动操作对W 板进行敷绳自动化程度低与制造成本、系统复杂性之间的矛盾。

图3 W 板码垛并敷绳的SAFC 模型Fig.3 SAFC model of W-plate stacking and rope laying

1.2 TRIZ 原理求解分析

将以上根据SAFC 模型分析的矛盾问题转变为48 项工程参数，即转变为TRIZ 标准问题[5-6]。在既要“实现在W 板码垛过程板之间产生间隔，又要避免生产成本的提高”的前提下，对以上发现的问题分析，找出必须消除的问题是由哪些冲突属性引起的，把出现的问题分析变成为48 项工程参数中的对应项，然后根据矛盾矩阵，找到相应的发明原理，提供解决问题的方法[7-10]。

实现W 板自动敷绳，提高自动化程度，相应也提升了敷绳的生产率及可操作度，同时整个系统的复杂性也被提高了，即恶化的参数为系统复杂性。在矛盾矩阵中找到恶化的参数，自动化程度特征对应的编号为 43，在改善的参数中找到可操作度、自动化程度、生产率的对应编号分别为 34、43、44。对立的矛盾构成的冲突矩阵如表1 所示。

表1 矛盾矩阵表Tab.1 Contradiction matrix

针对“实现对W 板的自动化敷绳”、实现“W板敷绳操作容易”、“提高W 板敷绳的生产率”分别与“提高系统复杂性”形成的这3 对矛盾，通过对照矛盾矩阵表可以看出，查找第34、43、44行和第45 行，得到表中列举出的W 板自动敷绳设备的发明原理。对矩阵表中列举的发明原理进行分析筛选，采用编号为15、17、28 的发明原理，这3 条原理对问题的解决有启发作用。

15 号动态性原理是：（1）自动调节物体，使其各动作及各阶段都是最佳工作状态；（2）分割物体，使其各部分可以改变相对位置；（3）使静止的物体可以移动或具有柔性。根据动态化原理的提示可以将整个系统划分成几部分，各部分之间产生相对运动实现W 板敷绳的整个动作。

17 号维数变化原理是：（1）如果物体作线性运动有困难，则使物体在二维度上移动，在一个平面上的运动也可以过渡到三维空间；（2）单层排列的物体变为多层排列；（3）将物体倾斜或侧向放置；（4）利用给定表面的反面；（5）利用投向相邻面或反面的光流。根据维数变化原理的提示，要完成覆绳工作，将动作分解为2 部分，实现绳在二维度上运动。

28 号替代机械系统是：（1）用视觉系统、听觉系统、味觉系统或嗅觉系统替代机械系统；（2）使用与物体相互作用的电场、磁场、电磁场；（3）用可变场替代恒定场，随时间变化的可动场替代固定场，随机场替代恒定场；（4）把场与场作用粒子组合使用。根据替代机械系统的作用可运用相关的传感元件代替人眼判断W 板码垛完成与敷绳动作的完成。

2 创新方案的设计

对需要解决的问题进行矛盾分析得到相应的发明原理，该发明原理只是一般解，还需要对该原理进行发散联想得到解决问题的具体实际方案。

在15 号动态化原理和17 号维数变化原理的启发下，将W 板敷绳的整个过程分成2 部分，绳子从辊子上滚动出来，然后绳子横向覆在W 板上。两个动作应该同时进行，两动作的实现，同时根据空间分离的原理，分别依靠不同的电机带动主轴实现动作，此处设计两个电机分别控制敷绳动作及绳的纵向移动。在28 号机械系统替代原理的启发下，人工敷绳时，可通过人眼判断在W 板码垛完成时，再行敷绳动作，机器设备自动完成时，如何将两个动作连贯完成并且避免漏敷的情况，这里设计采用“传感检测元件”，时时检测码垛过程与敷绳动作的连贯一致性。

通过上述基于TRIZ 理论的创新分析，最终确立如图4 所示的W 板自动敷绳设备的创新方案，其正视图如图5 所示，左视图如图6 所示。

图4 W 板自动敷绳设备的创新方案Fig.4 Innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

图5 W 板自动敷绳设备的创新方案的正视图Fig.5 Front view of innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

图6 W 板自动敷绳设备的创新方案的左视图Fig.6 Left view of innovative scheme of W-plate automatic rope laying equipment

该装置分别通过一个敷绳电动机、一个纵向电机对设备提供动力驱动，敷绳电动机控制草绳从绳辊上放下的长度，纵向电机控制横梁的纵向移动。在纵向电机控制横梁纵向移动的过程中，敷绳电机同时进行运转，控制草绳同步从绳辊上放下，实现对W 板的绝对包容，实现W 板码垛过程中层与层之间的自动化敷绳。

3 结论

分析W 板在人工敷绳过程中存在的问题，得到创新设备在设计过程中的矛盾冲突，依据W 板实现自动化敷绳问题，形成了操作容易和产出效率同设备复杂程度之间的矛盾。利用TRIZ 发明原理，获得了解决问题的方向，最终实现了W 板的自动化敷绳工作，解放了工人，有效地提升了作业速度，提高了生产效率。利用TRIZ 的矛盾冲突理论，在W 板敷绳设备的设计过程中起到了启发作用，有利于设计人员打开设计思路，获得更好的设计方案。