基于TRIZ理論的馬桶檢測裝置設(shè)計(jì)研究

劉 靜，張 萬

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

TRIZ理論是由發(fā)明家根里奇.阿奇舒勒領(lǐng)導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)在分析了世界近250萬件高水平的發(fā)明專利基礎(chǔ)上，綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則形成的一套體系化的實(shí)用的解決發(fā)明創(chuàng)造問題的理論和方法[1，2]。TRIZ理論是現(xiàn)今最為成熟，最為完善的創(chuàng)新方法之一[3]，其解決問題的模型如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題模型

TRIZ在技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)幫助設(shè)計(jì)者們解決了許多問題：沈微應(yīng)用TRIZ理論的技術(shù)矛盾分析，引入拙見方案，根據(jù)矛盾矩陣所提供的發(fā)明原理完成了寵物物流箱的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[4]；嚴(yán)淑應(yīng)用TRIZ理論[5]，通過功能分析及因果分析，找到三個(gè)問題的入手點(diǎn)，再運(yùn)用技術(shù)矛盾、物理矛盾和物場模型三個(gè)工具分別對問題進(jìn)行求解，得到理想的解決方案，最終解決了冷軋帶鋼表面清理后帶鋼邊部留印問題；周升等針對包裝盒成型過程中脫模困難的問題，應(yīng)用TRIZ對系統(tǒng)進(jìn)行功能組件分析和因果鏈分析，建立物—場模型，提出了解決方案并得到理想的驗(yàn)證[6]。文中將TRIZ理論應(yīng)用在馬桶投球檢測中，對傳統(tǒng)檢測過程中的主要問題進(jìn)行分析，通過TRIZ理論方法，利用矛盾矩陣表，找到推薦的發(fā)明原理。根據(jù)這些發(fā)明原理的提示，提出了具體的解決方案［7～9］。

1 馬桶檢測現(xiàn)狀及問題分析

馬桶是人類生活離不開的必須品，隨著人類生活水平的提高，對智能馬桶的需求越來越大，我國是全球最大的陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品市場之一，占全球陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)值的37%以上。馬桶的制造工藝如圖2所示。

圖2 馬桶生產(chǎn)工藝流程

由上圖可知馬桶檢測是馬桶生產(chǎn)的一個(gè)很重要環(huán)節(jié)，對于檢測工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。目前大部分馬桶的檢測是手動(dòng)的，人為檢測工序繁瑣且容易出現(xiàn)差錯(cuò)。也有采用光電技術(shù)進(jìn)行檢測、統(tǒng)計(jì)，但會(huì)大大增加生產(chǎn)設(shè)備的投入成本，而且，由于測試球放入水中，沖出馬桶后也會(huì)帶有水，存在水影響設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備在水環(huán)境下的使用、保養(yǎng)、維護(hù)都會(huì)造成不利影響。如果測試球不能逐個(gè)掉下來，還會(huì)出現(xiàn)一般的感應(yīng)器檢測不到的情況，可能造成感應(yīng)失誤。也有用秤來稱量測試球的重量，通過重量來判斷測試球的數(shù)量，但是由于測試球會(huì)帶有水，稱量會(huì)產(chǎn)生誤差。

總之，傳統(tǒng)的檢測裝置（如圖3所示）面臨幾個(gè)常見問題：檢測工序多，周期長；檢測方式落后，精度低，人工檢測容易出錯(cuò)；水資源浪費(fèi)。

圖3 目前的馬桶沖水檢測

2 馬桶投球檢測裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 功能組件分析

功能分析可以從功能的角度來找到工程系統(tǒng)中的功能缺點(diǎn)，或者存在問題的組件。本文針對傳統(tǒng)檢測工藝系統(tǒng)分析，找到了適合的層級，得到了其工藝系統(tǒng)功能模型，如圖5所示。通過功能分析發(fā)現(xiàn)，人工頻繁投擲統(tǒng)計(jì)測試球的精力不足，水頻繁沖洗使得測試球進(jìn)入馬桶，會(huì)造成水資源浪費(fèi)和人力資源浪費(fèi)。

馬桶檢測裝置是多功能的綜合體，該裝置要滿足自動(dòng)輸送、自動(dòng)判斷合格品、檢測工序集成三個(gè)方面。在多功能組合設(shè)計(jì)過程中，難免會(huì)出現(xiàn)一方面得到優(yōu)化改善的同時(shí)使得另一方面變壞的沖突現(xiàn)象，這種矛盾又稱為技術(shù)矛盾，可根據(jù)矛盾矩陣矩陣表查找創(chuàng)新原理，并篩選最佳原理得到理想解。技術(shù)矛盾解決流程圖如圖4所示。在TRIZ理論中，分析問題的方法有很多，如功能分析、因果分析、物—場分析等[11，12]。針對目前馬桶檢測效率低的主要問題，我們選擇因果分析，如圖6所示。

圖4 技術(shù)矛盾解題模式

圖5 馬桶沖水檢測功能分析圖

圖6 “馬桶檢測效率低”因果分析

利用TRIZ理論的矛盾矩陣解決問題，需要思考矛盾的來源以確定技術(shù)參數(shù)，確定對應(yīng)的技術(shù)矛盾[3]。拙見方案為發(fā)現(xiàn)矛盾提供了基礎(chǔ)，它是在了解問題的過程中產(chǎn)生的，是直接判斷的結(jié)果。具體思路如圖7所示。

圖7 馬桶檢測具體設(shè)計(jì)思路

2.2 基于拙見方案的沖突分析

企業(yè)對于馬桶的檢測工藝，主要是通過檢測固體排污量的能力來檢驗(yàn)是否合格[13]。衛(wèi)浴行業(yè)巨頭之一科勒的檢測標(biāo)準(zhǔn)是：將100個(gè)測試球放入馬桶，人為統(tǒng)計(jì)沖出來的測試球的數(shù)量。如果馬桶沖水時(shí)，沖出的測試球的數(shù)量大于90%，則合格；少于90%則不合格。基于這些規(guī)定，以及在企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中提出的問題，可以得到拙見方案：

1）物料輸送方面：引入動(dòng)力滾筒輸送，一是滾筒成本低，二是馬桶載荷較大，滾筒線能承受重載，且適合長距離的輸送；

2）檢測方式方面：引入行程可讀的氣缸來判定產(chǎn)品是否合格；

3）工序集成方面：將馬桶投球、注水、沖水、數(shù)球這一系列工藝動(dòng)作集成，引入串聯(lián)式供料、分料檢測系統(tǒng)。

然后對拙見方案進(jìn)行利弊分析其結(jié)果如表1所示。

表1 拙見方案及利弊分析

為了利用矛盾矩陣，把上述結(jié)果與39個(gè)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行匹配，得出表2。

表2 參數(shù)匹配表

由表1和表2可以看出馬桶檢測裝置在設(shè)計(jì)過程中的幾種沖突：

1）馬桶檢測裝置的自動(dòng)化程度和控制和測量的復(fù)雜度；

2）采用行程可讀氣缸判定合格與否時(shí)的測量精度與系統(tǒng)的復(fù)雜性；

3）引進(jìn)供料、量球、計(jì)球循環(huán)系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)性、通用性與可維修性矛盾。

2.3 基于矛盾矩陣的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上文確定的技術(shù)參數(shù)，查閱阿奇舒勒矛盾矩陣表，得到表3。

表3 矛盾矩陣表

矛盾矩陣提出了為解決矛盾沖突建議的發(fā)明原理，根據(jù)檢測裝置的實(shí)際需要，依次篩選出1（分割原理）、6（多用性原理）、18（機(jī)械振動(dòng)原理）、34（拋棄或再生原理）、35（物理或化學(xué)參數(shù)改變原理）系列發(fā)明原理來解決實(shí)際問題。馬桶檢測裝置的設(shè)計(jì)運(yùn)用的發(fā)明原理如表4所示[10]。

表4 馬桶檢測裝置設(shè)計(jì)研究運(yùn)用的發(fā)明原理

2.3.1 輸送方式

1）機(jī)械振動(dòng)原理。供球周轉(zhuǎn)箱設(shè)計(jì)成帶斜坡的滑槽，使球在自身重力作用下滑，并跟隨電機(jī)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)供料。其結(jié)構(gòu)圖8所示。

圖8 振動(dòng)電機(jī)供球部分

2）物理或化學(xué)參數(shù)改變原理。改變物態(tài)。用氣代替水沖球，抽真空方式送球。

2.3.2 檢測方式

多用性原理。使得檢測裝置具備多項(xiàng)功能，即采用可讀行程氣缸內(nèi)壓板上下移動(dòng)的距離來判斷合格與否，氣缸頭部連接插板同時(shí)具備開關(guān)的作用，可以控制球進(jìn)或者停止，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 量球部分

2.3.3 工序集成

分割原理。將馬桶檢測系統(tǒng)分成容易組裝和拆卸的部分，即投球部分、量球部分、送球部分、計(jì)球四個(gè)部分。

通過TRIZ理論的分析求解，綜合運(yùn)用到的發(fā)明原理，可設(shè)計(jì)出一種依托于輸送線，采用振動(dòng)電機(jī)供球，真空發(fā)生裝置吸送球、計(jì)球、行程可讀氣缸量球的裝置來滿足自動(dòng)化生產(chǎn)需求。其效果圖如圖10所示。

圖10 馬桶檢測裝置整體外觀圖

基于TRIZ理論設(shè)計(jì)的馬桶自動(dòng)投球檢測裝置既考慮到人工檢測精度低、效率低，又考慮到水資源浪費(fèi)的問題，同時(shí)裝置的集成化節(jié)省檢測工序所需的時(shí)間，提高了馬桶的生產(chǎn)效率。該裝置已在衛(wèi)浴巨頭科勒集團(tuán)投產(chǎn)使用，效果反應(yīng)良好。馬桶氣密性檢測時(shí)間由108.6s下降到47.7s，出錯(cuò)率由5.9%下降到0.6%。如圖11所示。此外，該裝置已申請了2項(xiàng)發(fā)明專利，如表5所示。

圖11 科勒現(xiàn)場馬桶檢測工序

表5 所獲專利

3 方案評價(jià)

采用形態(tài)學(xué)矩陣對本次方案作初步評價(jià)，如表6所示：

表6 形態(tài)學(xué)矩陣

對上述形態(tài)學(xué)矩陣求解，可得到N種組合方案：N=5*4*3*3=120（種）

從中篩選出三種可行方案：1.A2+B1+C2+D2；2.A1+B2+C2+D3；3.A5+B3+C3+D3。

方案2中振動(dòng)盤供料成本高，占地空間大，且調(diào)試不方便，方案3中稱重中帶有水分，不準(zhǔn)確，且機(jī)械手送球成本高，調(diào)試不方便。最后根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境、客戶需求確定采用方案1。

4 結(jié)語

TRIZ理論可以揭示創(chuàng)新發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，利用新的創(chuàng)新模式解決設(shè)計(jì)中遇到的問題，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，主要結(jié)論如下[14]：

提出了基于TRIZ理論的矛盾解決原理的馬桶檢測裝置設(shè)計(jì)的方法，建立了拙見方案及設(shè)計(jì)流程，為充分解決馬桶檢測效率低的問題提供了有效的方案[15]。

本次設(shè)計(jì)存在如下創(chuàng)新點(diǎn)：將物理檢測的方法運(yùn)用到馬桶的質(zhì)量檢測上；測試球供料方式采用真空吸送方式，節(jié)省水資源同時(shí)避免水對設(shè)備的影響；能快速判斷測試球是否合格，快速判斷產(chǎn)品的質(zhì)量，提高效率。

文中設(shè)計(jì)方案已在科勒集團(tuán)落地生產(chǎn)，且已申請兩項(xiàng)發(fā)明專利。該方案有效解決了現(xiàn)有工序多、水資源浪費(fèi)、檢測方式落后等造成的檢測效率低問題。最終馬桶氣密性檢測時(shí)間由108.6s下降到47.7s，出錯(cuò)率由5.9%下降到0.6%。