基于TRIZ理論的高效封箱器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

周 熠，趙 瀟，潘夢(mèng)晗

（湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽 441002）

隨著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速興起，電商行業(yè)和快遞物流行業(yè)的發(fā)展越來越快。在發(fā)貨時(shí)，電商商家為了保證商品在運(yùn)輸過程中的安全性和嚴(yán)密性，越來越趨向于用紙箱（盒）來包裝商品。對(duì)于創(chuàng)業(yè)之初、資金短缺、人手不足的小型電商商家，高自動(dòng)化封裝設(shè)備成本高昂，實(shí)用性低，所以，他們?cè)谟眉埾洌ê校┌b商品時(shí)，需要使用膠帶密封紙箱（盒）。但是，為了提高工作效率，加快發(fā)貨速率，需要使用封箱器，以降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，在電商、快遞物流行業(yè)，膠帶封箱器是最基本的工具之一[1-2]。

目前，在售的封箱器是由簡(jiǎn)單的支撐軸和切帶器組成的，功能單一，封裝時(shí)膠帶粘貼不緊密，只能實(shí)現(xiàn)平面封裝，不能進(jìn)行紙箱（盒）邊角封裝，無法保證封裝的密封性，不能保證快遞運(yùn)輸?shù)陌踩院蛧?yán)密性，而且需要雙手操作，封裝效率低。為此，現(xiàn)在市場(chǎng)在售的手工封箱器并不能解決快遞、物流小型包裹手工封裝問題，不能滿足市場(chǎng)需求[3-4]。本文從技術(shù)創(chuàng)新的角度出發(fā)，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新理論——TRIZ理論，針對(duì)在售的手工封箱器進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)設(shè)計(jì)，使封裝器實(shí)現(xiàn)邊角封裝、緊密封裝，提高封箱器的操作性、實(shí)用性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高封裝效率，實(shí)現(xiàn)一器多用[5-6]。

1 TRIZ理論解決發(fā)明問題的方法

發(fā)明問題解決理論的核心是技術(shù)進(jìn)化原理，解決沖突是其進(jìn)化的推動(dòng)力，進(jìn)化速度隨技術(shù)系統(tǒng)一般矛盾的解決而降低，使其產(chǎn)生突變的唯一方式是解決阻礙其進(jìn)化的深層次沖突[7-8]。采用TRIZ理論解決問題，首先將待解決的普通問題轉(zhuǎn)換為TRIZ沖突，再根據(jù)TRIZ進(jìn)化法則，根據(jù)手工封裝從業(yè)人員對(duì)封箱器的使用功能需求和操作需求，定義設(shè)計(jì)問題中的矛盾沖突，再通過矛盾沖突矩陣、物—場(chǎng)模型、39個(gè)工程參數(shù)求出該TRIZ問題的普適解，再參考實(shí)際設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題、實(shí)際使用功能需求、實(shí)際設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種限制因素，得到實(shí)際中問題的特解，消除設(shè)計(jì)中的矛盾沖突，進(jìn)而解決問題[9-10]。圖1為解決一般發(fā)明問題的方法路徑。

圖1 TRIZ理論解決問題的路徑

2 TRIZ在封箱器改造中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的封箱器改造方法大多是手工封裝行業(yè)從業(yè)人員在已有的工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上根據(jù)工作需求不斷進(jìn)行試驗(yàn)性改進(jìn)設(shè)計(jì)的。雖然這種改進(jìn)方法也能提高設(shè)備的工作性能，但通常在這些改進(jìn)試驗(yàn)環(huán)節(jié)需要花費(fèi)大量的時(shí)間，投入不必要的資金[11-12]。

2.2 采用TRIZ理論在設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

對(duì)采用傳統(tǒng)方法改造封箱器和采用TRIZ理論方法改造封箱器進(jìn)行比較，分析TRIZ理論在改造封箱器中的優(yōu)勢(shì)。

方案一：采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)，基于一線操作人員的使用經(jīng)驗(yàn)和使用需求提出的建議是，在封箱器上增加1個(gè)手柄解決操作問題；采用2個(gè)固定式壓輪進(jìn)行紙箱平面封裝，以解決平面封裝不緊密的問題；將簡(jiǎn)單的塑料棒支撐部位改為1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)支撐軸支撐；邊角封裝問題無法解決，依舊采用手工封裝。

方案二：針對(duì)以上問題，采用沖突矩陣原理改進(jìn)，即采用2個(gè)可調(diào)式壓輪機(jī)構(gòu)，利用軟軸連接杠桿機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，通過手動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)端帶動(dòng)擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，從而控制壓輪上下移動(dòng)進(jìn)行平面封裝，以解決裝滿填充物的紙箱（盒）表面發(fā)生形變膠帶粘貼不緊密的問題；將切帶器垂直安裝，通過杠桿機(jī)構(gòu)控制壓輪上升，從而解決切帶問題；在支撐軸上采用磨砂設(shè)計(jì)，解決膠帶自動(dòng)從支撐軸上脫落的問題；在2個(gè)可調(diào)式壓輪一端增加2個(gè)直角壓板，以實(shí)現(xiàn)邊角封裝。

方案三：經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，將軟軸改為連桿機(jī)構(gòu)，在壓輪、壓板連接軸與擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)連接部位增加了一個(gè)彈性復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整裝置。采用2個(gè)可調(diào)式壓輪機(jī)構(gòu)，通過連桿機(jī)構(gòu)連接杠桿機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，解決了杠桿機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)的摩擦磨損問題，降低了封箱器的維修成本，延長(zhǎng)了使用壽命；采用彈簧復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整裝置、換向機(jī)構(gòu)，通過彈簧復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)控制壓輪與直角壓板快速換向，從而實(shí)現(xiàn)邊角封裝與平面封裝的快速切換，大大提高了工作效率[13-14]。

2.3 基于TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于TRIZ理論對(duì)現(xiàn)有封箱器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題解決工具如圖2所示。在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)問題，封箱器功能單一，膠卷支撐固定部位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是為了降低成本。但是，功能單一，膠卷轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活的缺點(diǎn)不僅會(huì)降低封裝效率，而且也不會(huì)有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

在TRIZ中建立沖突模型，需要保障和改造的參數(shù)是為了降低制造成本，實(shí)現(xiàn)緊密封裝，邊角封裝，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高封裝效率。在TRIZ中建立沖突模型尋找解決理論，選用1分割原理、5聯(lián)合原理、6多功能原理、14曲面化原，具體如圖3所示。曲面化原理是，通過連桿機(jī)構(gòu)連接杠桿機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，通過捏合杠桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)端帶動(dòng)擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，從而控制壓輪上下移動(dòng)，使封箱器既可以壓平已封裝部位的膠帶，又可以對(duì)待封裝部位進(jìn)行擠壓，可以一器多用，實(shí)現(xiàn)快速封裝。

圖2 TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題解決工具圖

分割原理是，將平面封裝與邊角封裝功能分隔開分別分析。聯(lián)合原理是，將直角壓板與可調(diào)式壓輪連接在一起，實(shí)現(xiàn)邊角封裝與平面封裝的快速切換，達(dá)到一器多用的目的。多功能原理是，采用彈簧復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)。通過彈簧復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)控制壓輪與直角壓板快速換向，可實(shí)現(xiàn)邊角封裝與平面封裝的快速切換，大大提高了商品封裝的安全性、密封性和工作人員的工作效率。邊角封裝和平面封裝如圖4所示。

圖3 基于TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的高效封箱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

通過2種方法可以實(shí)現(xiàn)同樣的改造設(shè)計(jì)效果，但傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)改造是從大多快遞物流行業(yè)以及創(chuàng)業(yè)之初人手不足、資金短缺的小型電商商家封裝操作中的使用需求和使用效果中來發(fā)現(xiàn)不足，并通過不斷的嘗試和討論來不斷改進(jìn)封箱器功能。這種經(jīng)驗(yàn)性、嘗試性、探索性的改進(jìn)只能在實(shí)際應(yīng)用中通過不斷使用改進(jìn)后的封箱器，通過使用人員的意見來驗(yàn)證改進(jìn)是否成功，是否能滿足需求，會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間、精力、財(cái)力，而采用TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)改進(jìn)則能有效解決傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)中的不足。結(jié)合TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)的高效封箱器運(yùn)動(dòng)分析如圖5所示，力的傳遞分析如圖6所示。在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中，A（手柄）為杠桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)端，其運(yùn)動(dòng)軌跡是以通過手動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)端帶動(dòng)擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)從而控制壓輪（直角壓板）上下移動(dòng)，這樣壓輪（直角壓板）既可以對(duì)已封裝部位膠帶進(jìn)行壓平，同時(shí)也可以對(duì)待封裝部位進(jìn)行擠壓，實(shí)現(xiàn)緊密封裝；彈簧復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)控制壓輪與直角壓板快速換向，實(shí)現(xiàn)平面封裝與邊角封裝功能的快速切換，達(dá)到一器多用的目的。

圖4 邊角封裝和平面封裝功能

圖5 運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖6 力的傳遞分析圖

根據(jù)TRIZ理論中多種不同的解決問題的理論方法，得到多個(gè)解決問題的方案[15-16]。TRIZ理論比較不同的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)多種不同的解決問題的理論方法改進(jìn)設(shè)計(jì)的封箱器的質(zhì)量、功能、使用壽命、成本等，找出一個(gè)最優(yōu)的解決方案。根據(jù)TRIZ理論建立評(píng)價(jià)模型，通過方案評(píng)價(jià)比例計(jì)算找出最優(yōu)方案。

從上述方面對(duì)比現(xiàn)有的解決方案，雖然傳統(tǒng)方案一解決了操作不適的問題，但是，封箱后切帶器切膠帶不方便，同時(shí)，2個(gè)固定式壓輪在封箱時(shí)無法解決裝滿填充物的紙箱（盒）表面發(fā)生形變膠帶粘貼不緊密的問題，并且采用的轉(zhuǎn)動(dòng)支撐軸支撐膠卷，在使用封箱器封裝時(shí)，當(dāng)速度過快和時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，容易導(dǎo)致膠卷自動(dòng)從支撐軸上脫落。采用沖突矩陣原理改進(jìn)的方案二，采用2個(gè)可調(diào)式壓輪機(jī)構(gòu)，通過軟軸連接杠桿機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，通過手動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)端帶動(dòng)擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)從而控制壓輪上下移動(dòng)進(jìn)行平面封裝，解決了裝滿填充物的紙箱（盒）表面發(fā)生形變膠帶粘貼不緊密的問題。將切帶器垂直安裝，通過杠桿機(jī)構(gòu)控制壓輪上升，解決了切帶問題；在支撐軸上采用磨砂設(shè)計(jì)，解決了膠帶自動(dòng)從支撐軸上脫落的問題。另外，可在2個(gè)可調(diào)式壓輪一端增加2個(gè)直角壓板實(shí)現(xiàn)邊角封裝。但是，通過軟軸連接摩擦大、磨損速度快，增加了封箱器的維修成本，縮短了使用壽命。2個(gè)壓輪與壓板相連接不能實(shí)現(xiàn)邊角封裝與平面封裝的切換，封裝效率低。為此，在TRIZ中建立沖突模型尋找解決理論，將軟軸改為連桿機(jī)構(gòu)，解決了杠桿機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)的摩擦磨損問題，降低了封箱器的維修成本，延長(zhǎng)了使用壽命；采用彈簧復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整裝置，換向機(jī)構(gòu)，通過彈簧復(fù)位轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)控制壓輪與直角壓板快速換向，從而實(shí)現(xiàn)邊角封裝與平面封裝的快速切換，提高工作效率。

根據(jù)上述分析，對(duì)每個(gè)方案改進(jìn)設(shè)計(jì)后的封箱器的質(zhì)量、功能、使用壽命、成本進(jìn)行打分，并與方案評(píng)價(jià)權(quán)重比相乘，得到每個(gè)方案得分，方案得分情況如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知，方案三得分最高，將確定其為最終設(shè)計(jì)方案。

表1 方案評(píng)分表

3 總結(jié)

創(chuàng)新就是創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和創(chuàng)造性地解決問題，TRIZ理論為創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供了系統(tǒng)的理論和方法。基于TRIZ理論設(shè)計(jì)的高效封箱器價(jià)格低廉，使用方便，適用于單手操作；多功能，一器多用，實(shí)現(xiàn)了邊角封裝和平面的緊密封裝；高效率，操作簡(jiǎn)單，解決了目前快遞物流行業(yè)的封裝問題，提高了工作效率。另外，本產(chǎn)品可在所有涉及到封裝的行業(yè)推廣，其運(yùn)用價(jià)值大，市場(chǎng)需求很廣，性能優(yōu)良，功能齊全，性價(jià)比高，是很好的實(shí)用性工具。

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