TRIZ 理论在去竹节机创新设计中的应用

徐一鸣，邓援超，徐杨，徐志强

（430068 湖北省 武汉市 湖北工业大学 机械工程学院）

0 引言

TRIZ 理论是根里奇.阿奇舒勒在1946 年创立的，他总结了20 多万份专利，提炼出这套发明问题解决理论体系。TRIZ 理论主要包括40 条发明原理、功能分析、物场分析、矛盾矩阵表、76 个标准解和ARIZ（发明问题解决算法）等[1-5]。TRIZ 理论在解决工程实际问题中得到了广泛应用。吉利[6]等运用TRIZ 理论对现有的托槽盖板与弹性部件构成的系统进行了优化改进设计，解决了自锁托槽盖板易脱落影响牙齿矫正效果与周期的问题；曾宇露[7]等基于TRIZ 理论对如厕助力产品的结构进行了创新设计，显著提高了其工作效率与稳定性。单光[8]等基于TRIZ 理论设计了一种试卷袋密封折盖装置，提高了试卷封装的效率，降低了工人的劳动强度；杨超[9]等利用TRIZ 理论对套袋机套袋装置进行了创新设计，解决了套袋装置在套袋过程中薄膜内袋容易产生折角的问题。

本文基于TRIZ 理论，对去竹节机与去竹节的方式进行了创新性改进设计。提高了去除竹节的质量，节约了生产成本与时间，减轻了工人的工作负担。

1 去竹节机背景介绍

竹子在日常生活中用途广泛，在生产竹筷、竹片、竹盐等行业，将竹段内的竹节去除干净是一道重要工序。目前，我国市面上虽然存在着各式各样的去竹节机，但是由于竹子本身存在着粗细长短的差异，而机器又无法根据这些差异在加工时进行调整，所以去除竹节的效果不好。在某些地方，只能通过人工方式保证去除竹节的质量，这样既降低了加工效率，也使加工成本变高。

去竹节机的结构示意图如图1 所示。首先工人将刀头安装在刀具固定轴上，刀头要根据加工竹筒内径的大小进行更换；然后将未加工的竹段放置在固定槽内，并且通过U 型固定块将竹段夹紧，由电机驱动丝杆滑块装置使竹段向着刀具移动。最后刀头通过电机的驱动进行转动，将竹段内的竹节去除。

图1 去竹节机结构示意图Fig.1 Structural diagram of slub removing machine

2 问题分析

2.1 描述问题

这种去竹节机虽然不需要工人手动去除竹节，节省了一定的加工时间与加工成本，但是在实际生产过程中，发现其去除竹节的效果不太理想，竹筒内壁仍有一些残留的竹节没有去除干净，有些达不到生产的要求，所以需要对去竹节机进行优化改进，解决竹节去除不干净的问题。

2.2 系统功能组件分析

本课题技术系统的功能是去除竹段内的竹节，故技术系统的作用对象为竹节。系统组件包括气缸、电机、丝杆、滑块、支撑杆、U 型竹段固定块、U 型固定槽、刀具、待加工的竹段，超系统组件为机架。根据以上建立的系统组件、超系统组件、作用对象进行组件之间的作用分析。采用规范化的描述方式建立的功能组件模型如图2 所示。

图2 组件功能模型图Fig.2 Component function model diagram

2.3 因果分析

在TRIZ 理论中，因果分析是应用十分广泛的分析方法。通过因果分析可多角度发现造成问题的原因，通过逻辑梳理可以寻找到最根本的原因，进而得到解决问题的思路和方法。对当前系统进行因果分析，得到的因果分析图见图3。

图3 因果分析图Fig.3 Causal analysis chart

对以上因果分析的结果进行进一步讨论。针对2 号原因，通过增加刀具的数量可以解决刀具在竹筒内作用范围小的问题。针对4 号原因，若为单个刀具增加专用的反馈调节装置无疑会很大程度地增加刀具的成本，并且也会使装置整体变得更加复杂。针对5 号原因，通过增大刀具驱动电机的功率可以有效解决刀具对竹节作用力度不足的问题。针对6 号和7 号原因，竹节与竹筒内壁连接太牢固，竹筒的内径不完全相同是竹子的自然属性，不属于本问题研究的范畴，所以不进行考虑。1 号原因和3 号原因可以通过改进机械结构来解决竹节去除不干净的问题，是解决该问题的关键缺点。

3 问题求解

通过以上对竹节去除不干净问题的因果分析和功能分析，找到了造成该问题的2 个关键缺点，下面将2 个关键缺点分别转化成2 个关键问题进行分析。针对1 号原因通过分析得到的关键问题①如何使刀具在工作时的回转半径与竹筒的内径近似相等。针对3 号原因通过分析得到的关键问题②如何设计自动换刀装置，使刀具可以根据竹筒内径的变化进行调整。下面结合TRIZ 中的工具对2 个关键问题进行求解。

3.1 利用矛盾解决问题

针对关键问题①，常规的解决方法是更换大直径的刀具来增加刀具的作用范围。但是大部分待加工竹筒的内径都不相同，当遇到内径相差较大的竹筒时必须再次更换刀具才能继续工作，这样频繁更换刀具的方式无疑会降低去竹节机的生产效率。因此可以将增大静止物体的面积和降低去竹节机的生产率作为一对技术矛盾：

改善的参数为：静止物体的面积-#6；

恶化的参数为：生产率-#39。

通过查询阿奇舒勒矛盾矩阵表发现相对应的创新原理有7（嵌套）、10（预先作用）、15（动态化）、17（维数变化）。其中利用#15-动态特性原理，得到方案①。

方案①：对刀具去除竹节的工作方式进行动态化设计，不仅局限于刀具的转动与夹具加持竹段进行直线移动。通过将竹段的夹紧方式改为3个滚轮夹紧来实现刀具动态化的去除竹节。气缸推动上滚轮固定架和下滚轮固定架移动，将中间的竹段夹紧。电机驱动丝杆转动，通过丝杆滑块装置带动竹段和夹具移动至刀具处。刀具开始转动，对竹节进行去除。同时，主动滚轮开始转动，驱动竹段围绕刀具进行转动，从而实现了刀具去除竹节的动态化设计，提高了装置的工作效率。方案①的工作示意图如图4 所示。

图4 方案①工作示意图Fig.4 Schematic diagram of scheme ①

针对关键问题②，常规的解决方法是设计一套去竹节机的自动换刀装置，使其在工作时可以根据竹筒内径的变化自动换刀，优化了刀具的适应性。但是增加自动换刀装置必定会使去竹节机整体变得更加复杂，恶化了设备的复杂程度。因此可以将提高刀具的适应性和增加设备的复杂性作为一对技术矛盾：

改善的参数为：适应性及多用性-#35；

恶化的参数为：设备的复杂性-#36。

通过查询阿奇舒勒矛盾矩阵表发现相对应的创新原理有15（动态化）、28（机械系统的替代）、29（气压与液压结构）、37（热膨胀）。其中利用#15-动态特性原理，得到方案②。

方案②：对刀具的结构进行改进，提高刀具的适应性。在原有刀具的基础上增加刀片、刀片安装座、弹簧、支撑架等零件。其中刀片安装座与刀头及刀具主轴固定，3 个刀片与刀片安装座铰接。弹簧的一端固定在刀片安装座的端面上，另一端固定在支撑架的端面上。支撑架与刀片上的滑槽之间为槽口连接，支撑架的中心开孔，使其可以在刀具主轴上滑动。当刀具进入到竹段内部时，3 个刀片可以根据竹段内径的不同，围绕铰接点旋转不同的角度进行调整。同时由于支撑架与刀片之间为槽口连接，支撑架也会相应地在刀具主轴上滑动。支撑架位置的改变会使得弹簧的长度发生变化而产生弹性势能。弹簧产生的弹性势能会使得3 个刀片紧贴在竹筒的内壁上，当电机带动刀具主轴进行旋转时，3 个刀片也会进行旋转。从而实现了增加刀具适应性的目的，提高了刀具清除竹节的效率。方案②刀具的结构示意图如图5 所示。

图5 方案2 刀具结构示意图Fig.5 Schematic diagram of tool structure in scheme ②

3.2 利用物场模型解决问题

在TRIZ 理论中，最小的系统单元至少应该由2 种物质及2 种物质间的场组成。物场分析法是TRIZ 理论中一个重要的描述问题、分析问题的工具。根据物场模型解决问题的步骤，首先需要定义问题的物场模型。

针对关键问题②，先建立刀具在去除竹节时的物场模型。本物场模型中作用对象S2 为刀具，被作用对象S1 为竹节，作用对象S2 刀具对被作用对象S1 竹节为不足作用，S2 与S1 之间的场为机械场。建立的物场模型如图6 所示。

图6 物场模型图Fig.6 Physical field model diagram

应用标准解中的S2.1.2，即双物—场模型（见图7），通过增加第2 个场F2，来增强F1 的作用，得到了方案③。

图7 双物场模型Fig.7 Double field model

方案③：对刀具的内部结构进行改进，增加了电磁铁装置、弹簧、刀片。在刀头进入竹段前，弹簧为原长状态电磁铁装置处于失电状态，刀片位于刀头的凹槽内。当刀头进入到竹段内部时，电磁铁装置得电使刀片伸出，弹簧处于伸长的状态。此时刀具主轴带动刀头和弹出的刀片共同旋转，将竹段内壁的竹节去除干净。去除完毕后，刀具主轴停止旋转，电磁铁失电，弹簧恢复原长，刀片在弹簧弹力的作用下回到刀头的凹槽内。方案③的示意图如图8 所示。

应用标准解中的S2.2.2 即物质S2 的分裂（见图9），通过将刀具分裂为3 个部分加强了刀具对竹节的去除效果，得到了方案④。

图9 物质S2 的分裂Fig.9 Splitting of substance S2

方案④：将刀具整体分裂为3 个部分并且增加了刀片限位块、弹簧、刮刀片、刀片固定架。其中2 个刮刀片呈180°交错分布在刀具主轴上，且刮刀片的形状为V 形。这样的设计可以实现在退刀时，刮刀片能够反向对竹节进行清除，提高了去除竹节的干净程度。在刀具进入竹段前，弹簧处于原长状态；当刀具进入竹段时，刮刀片向下移。同时刮刀片下面的弹簧也会被压缩，弹簧产生的弹力将刀片顶在竹段内壁上。在电机的驱动下，整个刀具进行旋转，完成对竹段内竹节的清除工作；去除完毕后，刀具主轴停止旋转弹簧恢复原长。方案④示意图如图10 所示。

图10 方案④示意图Fig.10 Schematic diagram of scheme ④

3.3 利用技术系统的进化解决问题

在TRIZ 理论中，一个产品或物体都可以看作是一个技术系统。技术系统的进化是指系统中的各项内容由低级变为高级的过程。针对关键问题2，根据动态性法则对问题进行分析，得到了方案⑤。

方案⑤：在现有刀头的基础上，对刀具的结构进行了改进，增加了刀片、连杆、弹簧、伸缩杆。其中刀头与刀具主轴通过伸缩杆连接，弹簧安装在伸缩杆内部，刀片安装在两根连杆上。在刀具进入竹段前，弹簧处于原长；当刀具进入竹段后，电机驱动刀具主轴和刀头先在竹节上钻出一个小孔，同时弹簧受到压缩，刀具主轴和伸缩杆向前移动，两边的连杆向外扩张，连杆上的刮刀片将剩余的竹节清除干净；竹节清除完毕后，弹簧在弹力的作用下恢复原长，两边的连杆向内收缩。方案⑤示意图如图11 所示。

图11 方案5 示意图Fig.11 Schematic diagram of scheme 5

4 方案评价及选择

针对上述5 个方案，依据TRIZ 理论中的评价模型并结合去竹节机的实际情况分别从可行性、可加工性、稳定性、成本4 个方面进行考虑：方案①通过改变竹段的夹持方式来实现刀具动态化的去除竹节，扩大了刀具的工作范围，但是其对去竹节机的结构改变较大，成本较高；方案②通过改进刀具的结构提高了刀具的适应性，并且其对装置整体的结构改动较小，成本也较低；方案③通过在刀具内部安装电磁铁装置、弹簧、刀片等零件扩大了刀具的工作范围，但是其实现难度较大并且成本较高；方案④通过对刀具结构进行改进提高了刀具去除竹节的干净程度，并且其结构简单，成本较低，可行性高；方案⑤在原有刀头的基础上增加了刮刀片、连杆、伸缩杆等零件，提高了刀具的适应性，但是在工作过程中连杆与竹筒内壁可能会存在干涉，其可行性与稳定性不高。综合考虑以上分析，选择方案2 与方案4 来实施，在样机测试过程中去除竹节的干净程度得到了明显的提高，测试效果良好。

5 结语

基于TRIZ 理论，通过对去竹节机进行因果分析和系统功能组件分析，找出了造成竹节去除不干净的根本原因并建立了系统功能组件模型。通过运用TRIZ 理论中的方法和工具得到了5 个解决方案，并结合实际情况进行评价选出了最优的2 个方案。将其应用于样机测试解决了去竹节机竹节去除不干净的问题，同时也对优化自动去竹节设备、提高去除竹节的效率提供了新的解决思路和方法。