基于TRIZ理論的模切壓力試驗平臺設計與分析

馬延強，肖軍杰,1c,1d，郭順生，齊元勝，邵麗蓉，程前

基于TRIZ理論的模切壓力試驗平臺設計與分析

馬延強1a,1b，肖軍杰1a,1b,1c,1d，郭順生1a,2，齊元勝1a,1b，邵麗蓉1a,1b，程前1a,1b

（1.北京印刷學院 a.機電工程學院 b.智能制造實驗室 c.數字化印刷裝備北京市重點實驗室 d.印刷裝備北京市高等學校工程研究中心，北京 102600；2.武漢理工大學機電工程學院，武漢 430070）

利用發明問題解決理論（TRIZ）設計一種試驗平臺，來解決模切機上的模切壓力難以直接檢測的問題。首先文中引入光纖Bragg光柵傳感器來檢測模切壓力，針對光纖Bragg光柵傳感器自身特點，結合TRIZ理論中的因果鏈分析與完備性法則，形成直接檢測模切壓力的初步設計方案。其次利用矛盾解決原理提高初步設計方案中的穩定性、測量精度和抗變形性，并通過物質–場模型分析法對初步設計方案中的底座結構進一步優化，得到試驗平臺的總體設計方案。最后對試驗平臺的關鍵零件進行靜力學分析和模態分析。關鍵零件——頂板的最大應力和最大變形量分別為77.063 MPa、0.525 24 mm，表明強度和剛度均滿足要求，并且不會發生共振現象，驗證了基于TRIZ理論設計的試驗平臺可以滿足光纖Bragg光柵傳感器的工作要求。利用TRIZ理論來指導模切壓力試驗平臺的創新設計，為精確測量模切機的模切壓力提供了新方法。

模切機；檢測平臺；TRIZ理論；靜力學分析；模態分析

模切機作為印刷包裝行業內一種十分重要的設備[1]，主要進行印后劃線、模切加工等印后工序，在包裝印刷領域起著重要作用。模切過程中，模切機的模切壓力是一個很難確定但非常重要的動態參數，是影響整個模切機性能的重要指標。由于模切機的結構、空間等多方面限制，常見的壓力傳感器無法安裝，使得模切材料壓痕處的壓力難以直接檢測，導致無法精確反映和控制被壓材料壓痕處的壓力大小和分布狀態?，F有的模切壓力檢測方法已進入瓶頸階段，難以取得實質性的理論創新和技術突破，因此，亟需一種檢測精度高、效率高、響應迅速的模切壓力檢測試驗平臺，精準測量模切機壓痕處的實際受力，從而滿足模切技術新的發展要求。

國內外關于模切壓力檢測研究目前仍處于理論、試驗和仿真階段。焦琳青等[2]將微膠囊感壓傳感技術引入到模切壓力的測試中，并提出了2種模切壓力測試方法與5種測試數據分析處理方法。薛超志等[3]將試驗與理論相結合，對模切壓力的產生機理和影響因素進行了研究與分析，建立了模切壓力測試平臺。王強[4]利用墻板變形量間接測量模切壓力，設計了在線模切壓力測試系統。Martin等[5]提出了平壓平模切機隨模切過程逐步施壓方法，提高了平壓平模切機切割模的壽命。Panu等[6]研究了模切材料對模切壓力的影響，為模切壓力的測量提供了參考。

針對模切機模切壓力難以直接檢測的難題，文中擬提出通過光纖Bragg光柵傳感器檢測模切壓力，并利用應變片式壓力傳感器進行標定。通過位于試驗平臺下方的千斤頂來產生模切壓力，在SolidWorks軟件中設計基于TRIZ理論的光纖Bragg光柵傳感器模切壓力檢測試驗平臺，并對試驗平臺的關鍵零件利用Ansys Workbench軟件進行靜力學分析與模態分析，驗證了設計方案的合理性。

1 分析問題和初步設計方案

發明問題解決理論（TRIZ）來源于阿奇舒勒對250萬份專利的總結和分析，TRIZ理論能夠使設計者清晰地分析問題，并快速找到問題的本質或沖突[7]。TRIZ作為有效的創新理論和方法，被廣泛應用在工程領域內[8]。

1.1 光纖Bragg光柵工作原理

光纖Bragg光柵是一種具有波長調制作用的光纖無源器件，具有精度高、體積小、易安裝、抗干擾能力強、不易受環境制約等諸多優勢[9]。光纖Bragg光柵本質相當于一個窄帶濾波器，當寬帶光在光纖中傳輸時，大部分頻段的光將會透射過去，而只有滿足Bragg光柵中心波長條件的波段才會被反射回來，其余的寬帶光繼續透射穿過光柵[10]。光纖Bragg光柵原理[11]見圖1。圖1中為光譜強度；bi為光纖Bragg光柵反射光的中心波長，=1, 2, …,。當光纖Bragg光柵的受力狀態變化時，反射光的中心波長將發生變化，通過檢測中心波長的漂移量可得到被測物理量的值。

圖1 光纖Bragg光柵結構及工作原理

1.2 問題描述

針對模切機模切壓力難以直接檢測的難題，文中擬提出基于光纖Bragg光柵工作原理檢測模切壓力的方法，即通過檢測Bragg波長的移動量來實現模切壓力的檢測。由于光纖Bragg光柵傳感器的芯層對折射率和光柵周期變化非常敏感，這就對試驗平臺的穩定性、測量精度和抗變形性提出了較高要求，因此在設計試驗平臺時，要確保光纖Bragg光柵傳感器對模切壓力測量的精確性。

1.3 因果鏈分析

因果鏈分析法通過構建研究對象的因果鏈，指出事件發生的原因和導致的結果。因果鏈分析法作為現代TRIZ理論中分析問題的一個重要工具，它能夠找到隱藏在工程系統中更深層次的原因，挖掘隱藏在初始缺點背后的更多缺點，建立初始起點與各個底層缺點之間的邏輯關系，為解決問題提供更加深入的分析，并找到更多解決問題的突破口。對試驗平臺進行因果鏈分析，得到因果鏈分析圖見圖2。

根據圖2可知，模切材料是放置在平臺上，沒有固定連接，因此可以將光纖Bragg光柵傳感器放置在模切材料與平臺之間，光纖Bragg光柵傳感器能夠直接與模切材料接觸，進而直接測量模切材料上的壓力分布情況。

1.4 完備性法則

完備性法則可描述為系統為實現功能，必需具備保障最低工作能力的基本組成要素和基本聯系。為實現產品的某一功能，一個完備技術系統的基本要素通常包括：控制裝置、動力裝置、傳動裝置和執行裝置。利用完備性法則對模切壓力檢測試驗平臺的構成要素進行分析。首先，從能量傳遞的角度展示試驗平臺中各個子系統之間的關系；技術系統從能量源處獲得能量，將能量轉換并作用到對象上。如果缺少其中任何一部分，則系統將不能成為一個完備的技術系統，若其中任何一個部分失效，則整個技術系統都將無法工作。分析結果見圖3。

圖2 因果鏈分析

圖3 技術系統完備性

1.5 初步設計方案

針對模切機模切壓力難以直接檢測的難題，利用因果鏈分析、系統完備性法則，并結合應變片式壓力傳感器的外形結構和光纖Bragg光柵傳感器自身結構的要求，得到初步設計方案，見圖4。

1.螺紋孔；2.頂板；3.活動板1；4.應變片式壓力傳感器（用于標定）；5.角鐵；6.活動板2；7.底板；8.千斤頂；9.光纖Bragg光柵傳感器；10.模切材料。

2 運用TRIZ理論工具解決問題

運用TRIZ理論工具中的“矛盾解決原理”和“物質–場模型”對試驗平臺的初步設計方案進行優化，從而滿足實際需求。

2.1 基于“矛盾解決原理”的方案優化

“矛盾解決原理”是TRIZ理論中的常用方法，矛盾主要有技術矛盾和物理矛盾。技術矛盾是指當在系統中改善一個特性或者參數時，將導致另一個特性或者參數發生惡化，物理矛盾是指系統中的單個特性或者參數存在矛盾。解決技術矛盾的基本目標在于：改善系統的某一個特性或者參數，至少要保證與其相關的其他特性或者參數不會發生惡化。

2.1.1 技術矛盾矩陣分析

測量精度是衡量試驗平臺性能優劣的重要指標，而要提高試驗平臺的測量精度，就需對試驗平臺系統本身的結構和動力源提出高要求。這將增加試驗平臺的復雜程度，使其可維修性下降；這便導致測量精度分別與系統的復雜性、可維修性構成了技術矛盾，測量精度是預改善的參數，系統的復雜性和可維修性是被惡化的參數，其構成的矛盾矩陣見表1。

試驗平臺要精確模擬模切機的真實工作環境，那么試驗平臺的穩定性尤為重要。為提高試驗平臺的穩定性，采用提高試驗平臺結構剛度和材料強度的方法，將會導致試驗平臺局部產生應力集中，這樣就出現了提高試驗平臺的穩定性與試驗平臺局部應力集中的這一組矛盾。穩定性是預改善參數，應力集中即作用于對象的有害因素，即是被惡化的參數，構成的矛盾矩陣見表1。表1中數字為39個通用工程參數序號或40個發明原理編號[12]。

表1 技術矛盾矩陣分析

Tab.1 Matrix analysis of technical contradiction

2.1.2 發明原理的遴選

通過對試驗平臺設計需求分析，有3種可應用的發明原理，分別為第1條“分割原理”、第13條“反向作用”和第35條“物理/化學參數變化”。

2.1.3 方案的改進

為提高試驗平臺的測量精度，將初步設計方案中的角鐵替換為支撐光桿。利用“分割原理”對試驗平臺支撐光桿的連接部分進行分離，不再使用焊接固定的方式。利用“反向作用”和“物理參數變化”延長支撐光桿端部的螺紋長度，通過螺母連接和階梯軸共同實現支撐光桿的固定。結合對試驗平臺穩定性和測量精度的要求，對試驗平臺結構模型做進一步優化。

2.2 基于“物質–場模型”的底座結構優化

物質–場模型分析法指從物質與場的角度出發，用來分析和構造最小技術系統的理論與方法[13-14]。根據底座的平面結構，當與底板接觸的地面不平整時，就會造成試驗平臺傾斜，導致試驗平臺偏心，產生很大的非對稱沖擊載荷，影響試驗結果，并且底板在搬運過程中不易移動，因此，根據TRIZ理論中有害效應的完整物質–場模型，應用一般解法3，可通過引入一個機械場（文中指地腳）F2來解決上述問題。

在底板與地面之間加入地腳，地腳與底板通過螺栓螺母連接，地腳與地面直接接觸，底板與地面之間形成高度間隙，則會提高搬運試驗平臺的方便程度。建立底座部分與地面接觸的物質–場模型，見圖5。

圖5 加入機械場F2消除有害效應的物質–場模型

2.3 總體設計方案

根據初步設計方案，利用“矛盾分析原理”方法得到的可能解，并結合物質–場模型分析結果，對初步設計方案中不同模塊的結構進行優化設計，進而滿足光纖Bragg光柵傳感器對模切壓力檢測試驗平臺的設計要求，并在SolidWorks軟件中建立試驗平臺的三維模型，見圖6。

1.L形固定塊；2.頂板；3.頂板連接螺母；4.活動板1；5.活動板2；6.直線軸承；7.支撐光桿；8.底板連接螺母；9.鋼條；10.地腳；11.底板；12.千斤頂；13.應變片式壓力傳感器（用于標定）；14.光纖Bragg光柵傳感器；15.模切材料。

為增加試驗平臺的功能，并考慮到模切板的幅面大小有所不同，因此在頂板設置了多組通孔，以實現不同幅面模切板的固定。為提高底板的剛度，在千斤頂與底板之間加入3根較高強度和剛度的鋼條，使得千斤頂的反作用力能夠均勻分布到底板上，防止應力集中?；顒影搴椭喂鈼U之間通過直線軸承連接，減小摩擦對試驗平臺測量精度的影響。

圖6中，模切材料放置在光纖Bragg光柵傳感器的上表面，且位于頂板的下方，光纖Bragg光柵傳感器放置在活動板1的上表面，而活動板1整體置于應變片式壓力傳感器上，應變片式壓力傳感器通過活動板2連接在千斤頂上。模切板通過L形固定塊連接在頂板上，千斤頂為試驗平臺的動力裝置，采用應變片式壓力傳感器標定光纖Bragg光柵傳感器的模切壓力。

3 理論計算與仿真

3.1 模切壓力計算方法

模切壓力是通過模切板上的鋼刀和鋼線來傳遞和實現，即將模切壓力轉換為鋼刀和鋼線的線壓[15]。模切壓力的大小可以根據切口、壓線的總長計算出來，見式（1）。

(1)

在忽略直線軸承與支撐光桿的摩擦力時，模切板所受的模切壓力為千斤頂輸出的力，即應變片式壓力傳感器所標定的力，也是光纖Bragg光柵傳感器所測量的力，這就實現了利用應變片式壓力傳感器標定光纖Bragg光柵傳感器所測量模切板上的模切壓力。

3.2 頂板靜力學分析

利用Ansys Workbench軟件對試驗平臺模型進行有限元分析。試驗平臺工作時，模切板的壓力直接作用在頂板下平面。為安裝L形固定塊，頂板上開了多組通孔，對頂板強度有著很大的削弱作用；同時支撐光桿也通過螺母連接在頂板上。由于頂板在整個系統中是連接各主要零部件的關鍵零件，其受力情況及其使用頻率在整個試驗平臺中最為復雜，因此，對關鍵零件即頂板進行靜力學分析和模態分析。

由于頂板下方的活動板1只有在千斤頂的作用下才能接觸到模切板的鋼刀，并產生模切壓力，而接觸后的受力特性仍屬于靜力學范疇，因此對頂板作靜力學分析。在SolidWorks中建立600 mm×500 mm× 15 mm的頂板模型，導入Ansys Workbench軟件中，選擇靜力學分析模塊Static Structural。頂板材料選用Q235B鋼，其材料性能參數[16]見表2。

表2 Q235B鋼性能參數

Tab.2 Property parameters of Q235B steel

對頂板模型進行離散化處理，采用全局網格控制進行網格劃分，網格劃分完成后共計79 414個單元、132 277個節點。根據實際工況，對頂板的上平面螺母連接處施加固定約束，并在頂板的上、下2個平面分別施加模切板和支撐光桿沿試驗平臺軸方向的載荷，大小均為20 kN。計算總變形和等效應力，得到的結果見圖7。

從圖7a的等效應力云圖能夠看出，頂板最大應力為77.063 MPa，發生在螺栓孔處；其余部位的應力較低，普遍在50 MPa以下，且頂板的最大應力遠小于材料的屈服應力（235 MPa），頂板承受的壓應力處于彈性變形區間。

從圖7b的變形云圖可以看出，頂板中間的區域會產生較大變形，且最大變形量為0.525 24 mm，遠遠小于材料屈服強度極限對應的變形量（16.785 71 mm），可以滿足試驗要求。

圖7 頂板靜力學分析結果

綜上，頂板的靜力學分析結果表明，Q235B的力學性能參數滿足試驗平臺的工作要求。

3.3 頂板模態分析

為進一步對頂板進行深入分析和研究，還需進行模態分析[17]。模態分析主要是求出零件的固有頻率，使工作頻率盡量避開固有頻率，防止發生共振，影響試驗結果。給頂板添加固定約束，采用自由模態進行分析。頂板的振動過程為無阻尼自由振動，其動力微分方程為：

(2)

式中：為頂板的質量；為頂板的剛度；為頂板的位移矢量。

由于頂板的無阻尼自由振動為簡諧振動，則式（2）轉變為：

(3)

在Ansys Workbench軟件中選擇Modal模塊進行模態分析，模態分析過程與靜力學分析過程相似，設置與頂板靜力學分析同樣的材料屬性和網格劃分等。在進行模態分析時，對頂板施加固定約束，模態提取方法采用軟件默認的模態分析模塊。由于低階固有頻率對試驗平臺的影響較大，因此模態分析得到的頂板前6階固有頻率見表3。

通過分析表3可知，隨著階數的增加固有頻率也不斷增加；階數為1時，對應的頻率為208.28 Hz。由于千斤頂是通過人工加載，產生的激勵頻率遠小于1階對應的固有頻率（208.28 Hz），因此在模切壓力試驗的過程中，頂板不會發生共振，試驗平臺不會存在共振的問題而影響試驗結果。

表3 頂板前6階固有頻率

Tab.3 The first 6 natural frequencies of roof

4 結語

運用TRIZ理論中的因果鏈分析、完備性法則進行分析，找到試驗平臺設計時需要注意的問題；結合應變片式壓力傳感器的外形結構和光纖Bragg光柵傳感器自身結構的要求，利用SolidWorks軟件創造性的提出了基于TRIZ理論的光纖Bragg光柵傳感器模切壓力檢測試驗平臺的初步設計方案。

基于TRIZ沖突矩陣39個工程參數之間的關聯表，在40個發明原理表中選出主要的參考發明原理，結合物質–場模型，對初步設計方案進一步優化，并在SolidWorks軟件中建立了試驗平臺的總體設計方案。

利用Ansys Workbench軟件對關鍵零件即頂板進行靜力學分析和模態分析。分析結果表明，頂板的強度和剛度均滿足使用要求，不會發生共振，驗證了基于TRIZ理論設計的試驗平臺可以滿足光纖Bragg光柵傳感器的工作要求，為相關研究人員解決模切機壓力檢測問題提供參考和支撐。

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Design and Analysis of Die-cutting Pressure Test Platform Based on TRIZ Theory

MA Yan-qiang1a,1b, XIAO Jun-jie1a,1b,1c,1d, GUO Shun-sheng1a,2, QI Yuan-sheng1a,1b,SHAO Li-rong1a,1b, CHENG Qian1a,1b

(1. a. School of Mechanical and Electrical Engineering b. Intelligent Manufacturing Laboratory c. Beijing Key Laboratory of Digital Printing Equipment d. Engineering Research Center of Printing Equipment of Beijing Universities, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to design a test platform based on TRIZ theory to solve the problem that it is hard to directly detect the die-cutting pressure on the die-cutting machine. Firstly, the fiber Bragg grating sensor was introduced to detect the die-cutting pressure. According to the characteristics of the fiber Bragg grating sensor, and combined with the Cause Effect Chain Analysis and completeness rule in TRIZ theory, a preliminary design scheme for directly detecting the die-cutting pressure was formed. Secondly, the stability, measurement accuracy and deformation resistance in the preliminary design scheme were improved with the principle of conflict resolution. The base structure in the preliminary scheme was further optimized by the material-field model analysis method. And the overall design scheme of the test platform was obtained. Finally, the static analysis and modal analysis of the key part of the test platform were carried out. The maximum stress and maximum deformation of key part, the top plate, were 77.063 MPa and 0.525 24 mm respectively, indicating that both strength and stiffness met the requirements, and resonance would not occur. It was verified that the test platform designed based on TRIZ theory could meet the working requirements of fiber Bragg grating sensor. The innovative design of the die-cutting pressure test platform guided by TRIZ theory provides a new method for accurately measuring the die-cutting pressure of die-cutting machine.

die-cutting machine; testing platform; TRIZ theory; static analysis; modal analysis

TH122；TS803.6

A

1001-3563(2022)13-0165-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.021

2021?09?16

國家重點研發計劃（2019YFB1707202）；北京市教委科技計劃（KM201710015001，KZ201510015017）；北京印刷學院機械工程學科建設一般項目（21090122004）

馬延強（1998—），男，北京印刷學院碩士生，主攻數字化設計與智能制造。

肖軍杰（1979—），男，博士，北京印刷學院副教授，主要研究方向為數字化設計與智能制造。

責任編輯：曾鈺嬋