基于TRIZ理論的螺絲刀創新設計

楊晨，張秀芬,,，張樹有，張利春

(1.內蒙古工業大學機械工程學院，內蒙古呼和浩特 010051；2.浙江大學流體動力及機電系統國家重點實驗室，浙江杭州 310027；3.康力電梯股份有限公司，江蘇蘇州 215213)

0 前言

拆卸是實現退役機電產品有效回收再利用的關鍵步驟，利用自動化拆卸設備可以提升拆卸效率。其中，螺紋緊固件在機電產品中占比很大，其快速拆卸已受到廣泛關注。螺紋緊固件的拆卸工具一般有外六角扳手、內六角扳手、十字螺絲刀以及一字螺絲刀等。不同的螺紋聯接形式一般要采用不同的拆卸工具進行拆卸。例如，十字槽和一字槽的螺釘分別選用十字和一字的螺絲刀進行拆卸。在自動化拆卸過程中，需要在拆卸前先判斷待拆卸螺釘的開槽形狀，以選擇合適的螺絲刀進行拆卸。拆卸過程繁瑣、工具更換頻繁，影響自動化拆卸效率。

已有學者針對螺絲刀的設計開展了系列研究。朱虹斐設計了一種全尺寸螺絲刀，將柔性密封層和調節粉末配合作用代替原有的金屬刀頭，并且在刀桿內安裝了一個控制器來控制活塞以抽空調節粉末間的空氣，實現真空。調節粉末可形成所需要的螺絲刀的形狀。該設計滿足了不同螺絲刀類型的需求，但是控制繁瑣、密封要求高，存在制造困難和成本高等缺陷。徐梓涵等采用嵌套的方式，將不同尺寸、類型相同的螺絲刀組合在一起，通過外部的按壓力切換不同尺寸的螺絲刀，但是無法拆卸不同開槽形狀的螺釘，如果待拆卸螺釘位于深孔內，嵌套的冗雜外部結構會使拆卸無法實現，并且嵌套的螺絲刀層數越多，制造和安裝就會變得越困難。

TRIZ理論在產品創新設計中具有顯著的優勢，已成功應用到了往復式線切割機床儲絲筒創新設計、鼠標再制造拆卸裝置設計、行李箱創新設計以及拋掛裝置優化設計等。

由于傳統的螺絲刀刀頭花紋形狀不同，在拆卸不同的螺釘時需要不同型號的螺絲刀，尤其在自動化拆卸中需頻繁更換螺絲刀，增加了拆卸時間，降低了拆卸效率。為此，本文作者應用TRIZ理論中的分離原理以及物-場模型，解決需要提前識別螺釘開槽形狀和更換螺絲刀的矛盾，設計一種適合于自動化拆卸設備的螺絲刀。

1 存在問題

目前，因螺釘開槽形狀不同，需使用不同花紋的螺絲刀進行拆卸。在機電產品的螺釘拆卸過程中，十字或一字螺釘并存于任何拆卸時間線內。例如，對圖1所示的時間線1，需要的螺釘拆卸工具依次是十字螺絲刀、一字螺絲刀、十字螺絲刀......一字螺絲刀、一字螺絲刀等，但對單一的螺釘而言，拆卸的工具只需要十字螺絲刀或者一字螺絲刀。

圖1 螺釘拆卸時間線

螺釘的拆卸是依靠刀頭花紋的形狀和螺釘槽的形狀進行嵌合，通過外部沿刀桿軸向的力和扭矩共同作用完成。力是為了抵消在扭矩的作用下產生的垂直于刀桿軸線的分力，避免螺絲刀和螺釘分離，一般不大，可忽略不計；扭矩是依靠刀頭面和螺釘槽面的擠壓施壓，以保證刀頭面和螺釘槽面一直有良好的接觸，具體如圖2所示。由于十字螺釘和一字螺釘的受力形式相同，文中僅給出一字螺釘受力的局部放大圖。

圖2 十字和一字螺釘拆卸方式以及受力方式

新型螺絲刀是一種可以拆卸十字或者一字螺釘的工具。對同一螺絲刀在不同的工作情況下，提出了需要面對不同螺釘開槽形狀而改變花紋的要求。根據TRIZ理論和已有螺絲刀的結構特征，上述新型螺絲刀的設計以及現有的設計存在著物理矛盾，即同一系統同一參數內的矛盾。

2 基于物理矛盾的新型螺絲刀設計

新型螺絲刀應具備使螺絲刀的花紋在面對不同開槽形狀的螺釘時自動匹配，實現一種工具可同時拆卸十字和一字螺釘的功能。

由于矛盾雙方在拆卸一個螺釘的這個時間段內只會出現一方，這符合時間分離的要求，所以采用時間分離原理解決該物理矛盾。在時間分離原理中，有12個發明原理可以解決與時間分離有關的物理矛盾，經過分析比較，采用發明原理15——動態化原理。動態化原理包含3個含義：(1)通過調整物體或外部環境的特性，使它在各個工作階段都能呈現出最佳的特征；(2)將物體分成互相可以相對移動的幾部分；(3)將物體原來不動的部分變成可以動的，增加其運動性或柔性。

具體設計步驟如下：

(1)將原來無法運動的螺絲刀刀桿工作部分，即刀頭，從原來的刀桿中分離出來，使它可動；

(2)按照和不同螺釘相嵌合的要求，把分離出來的刀頭部分按照十字和一字花紋的拆卸需求分離成幾個部分；

(3)把分離出來的新十字刀桿和新一字刀桿嵌套于開槽刀桿，新十字刀桿和新一字刀桿可以在新刀桿內部沿軸向自由移動，使其面對不同的拆卸需求時，都能夠呈現出最佳特征。

得到的新型螺絲刀設計初始方案如圖3所示。圖3(a)為分離狀態，這些分離出來的新刀桿就是十字和一字螺絲刀的不同特征。在新一字刀桿和新十字刀桿頂端處保留有凸臺的設計以防止它們從新刀桿內滑落。配合方式如圖3(b)所示。根據新一字刀桿或者新十字刀桿的相互配合作用，可以實現不同螺絲刀的形狀，如圖3(c)、3(d)所示。

圖3 新型螺絲刀設計初始方案

上述設計可以讓螺絲刀匹配不同開槽形狀的螺釘，但是仍然沒有解決如何實現螺絲刀自動根據待拆卸螺釘的形狀做出改變這一矛盾。

3 基于物-場模型的新型螺絲刀優化

物-場模型適用于解決關鍵子系統中的矛盾問題,常見的物-場模型如表1所示。其中，有害效應的完整模型需要消除；不完整模型、效應不足的完整模型需要重點解決。在分析出當前模型屬于以上3種需要解決的非正常模型中的哪一個問題模型后，再使用TRIZ理論給出的解決方法完善這個模型。

表1 常見的物-場模型

對上述設計的新型螺絲刀進行物-場模型分析，結果如圖4所示。由于新一字刀桿和新十字刀桿具備了運動性，它們在新刀桿內沿軸向具有較高的靈活性，導致新的螺絲刀無法像原來一樣只依靠外部給予一個沿刀桿軸向的力和一個扭矩就能夠工作，而是缺少一個新的場使螺絲刀完成螺釘拆卸任務。因此，這是一個不完整模型，缺少一個場。

圖4 新型螺絲刀初始方案的物-場模型

對于3種非正常模型，TRIZ理論給出了6種一般解法和76種標準解法。實際應用中，常采用6種一般解法來處理不完整模型、效應不足的完整模型以及有害效應的完整模型。本文作者采用一般解法1中的補齊所缺失的元素、增加場或工具以及系統地研究各種能量場這3種解決方式。由于圖4的模型中缺少場，需要加入一個合適的場來完善這個不完整的物-場模型，并且盡量使加入的這個場為物-場模型完善的最優解。

扭矩是由新一字刀桿和新十字刀桿與新刀桿空槽之間擠壓產生的，新增的場只要能夠傳遞沿刀桿軸向的力，就可以使新型螺絲刀完成拆卸任務。

當新一字刀桿和新十字刀桿收回到新刀桿內部時，會分別占據原有的新刀桿內部的空間。因此，以這個新刀桿內部的完整空間為研究對象，假設這個完整空間內部用來收納新一字刀桿或新十字刀桿收回部分的空間是有限的，且占據的空間大小相同，只是當新一字刀桿或新十字刀桿分別收回時，這部分空間在原有的完整空間內部改變了位置。以往的剛性物質不具備這種靈活性，所以采用柔性物質去占據這部分空間，并且留有一部分剩余空間，使這部分剩余空間的大小僅能容納新一字刀桿或新十字刀桿收回的部分，不能同時容納它們共同收回的部分。這個柔性物質可以采用液體膠囊，液體具有不可壓縮的性質。這樣就可以使每拆卸一種螺釘時，只有新一字刀桿或新十字刀桿中的一種在工作，以保證螺絲刀拆卸不同花紋的螺釘都可以工作。同時，由于收回的新一字刀桿或新十字刀桿部分占據了原來新刀桿內部的剩余空間，導致這個被填充滿的空間可以給正在工作的新一字刀桿或新十字刀桿一個沿刀桿軸向的力，使螺絲刀可以完成拆卸任務。完善后的物-場模型如圖5所示。

圖5 新型螺絲刀的物-場模型 圖6 設計得到的自動化拆卸螺絲刀

優化后的新型螺絲刀如圖6所示。將液體膠囊放置在頂筒內，通過螺紋配合安裝在刀桿上方。頂筒內為空腔結構，可以通過螺紋配合和調整螺母來改變頂筒內剩余空間的大小。

其工作過程如下：

假設當前拆卸任務同時包含十字槽和一字槽螺釘且它們輪替存在，先拆卸十字螺釘：螺絲刀沿著平面移動到合適的定位位置下降，刀頭與螺釘帽相接觸;隨著沿刀桿軸向力的作用，刀頭繼續下降，螺釘帽未開槽的部分會對螺絲刀的新一字刀桿產生壓力，迫使它收回新刀桿中。收回刀桿內部的新一字刀桿部分占據了原來在新刀桿中的剩余空間，由于液體膠囊的存在，空間不可被壓縮，新十字刀桿無法收回，并且嵌入在了螺釘帽開槽的部分,此時，十字螺絲刀形成。一字螺絲刀的工作方式和十字螺絲刀一致，二者可以隨時交替進行工作，以滿足不同的拆卸需求。

4 結論

為克服同一類型傳統螺絲刀無法對一字和十字螺釘共同拆卸的不足，基于TRIZ理論設計了一種新型螺絲刀，具體結論如下：

(1)通過分析已有螺絲刀拆卸原理和結構特征，基于時間分離原理，設計了一款新型螺絲刀，并對它進行物-場分析。通過加入液體膠囊對該設計進行了優化，實現了十字和一字螺絲刀互鎖的功能。基于TRIZ的螺絲刀設計可為同類產品的設計提供參考。

(2)所設計的自動化拆卸螺絲刀結構簡單、制造成本低、通用性強，可以廣泛地應用于自動化拆卸中，從而節省拆卸時間，提升拆卸效率。