基于TRIZ的集裝箱液袋折疊機創新設計

楊亞龍 王繼榮,3* 呂關振 李 軍

（1.青島大學 機電工程學院，青島 266071；2.青島大學 計算機科學技術學院，青島 266071；3.威海創新研究院，威海 264200）

集裝箱液體集裝袋（以下簡稱集裝箱液袋）是一種由軟性材料制成的、內裝液體貨物的、使用6.1 m通用集裝箱裝運的密閉包裝袋，主要用于各類散裝非危險液體貨物的集裝化運輸[1]。目前，集裝箱液袋生產行業大多采用人工方式折疊打包，耗時耗力。現有的自動折疊機都只能應用在小尺寸物品上，如衛生紙、毛巾和衣服等。JENSEN-GROUP公司生產的Butterfly ThematicPro全自動毛巾折疊機和分揀機最具有代表性[2]。美國加州大學伯克利分校的Jeremy Maitin、Marco Cusumano-Towner研制的多功能機器人實現了毛巾自動拾取和折疊[3]。機器人通過視覺系統識別所需要的毛巾并對其進行分類，然后進行折疊。STEPHEN等人設計的機器人可以實現褲子和上衣的分揀并完成折疊[4]。日本Seven Dreamers研究了一款能夠自動折疊衣服的機器人Laundroid，配套了識別軟件、機器學習技術、機械臂技術，通過圖像分析和機械折疊兩個步驟，可以將衣物進行不同方式的折疊[5]。GOMESH等人研制的紙盒折疊機，在紙盒的4個角上分布著4個簡易的機械手，用來折疊紙盒的4個角[6]。在現有折疊機的基礎上實現集裝箱液袋的折疊，并要求折疊機裝置簡單可靠，給機器設計帶來了很大困難。本文液袋長為7 400 mm、寬為3 950 mm，材料采用4層0.125 mm的聚乙烯材料外加一層聚丙烯編織材料的外套。現有自動折疊機不能折疊這種尺寸大且材質柔軟的液袋，因此基于發明問題解決理 論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）對集裝箱液袋折疊機進行創新設計，以實現液袋的自動化折疊。

1 TRIZ

TRIZ是前蘇聯學者ALTSHULLER及其研究團隊研究了世界各地250萬份高水平專利，綜合多學科領域的創新原理和法則創造出來的綜合理論體系[7]。發明問題的核心是發現沖突。通過對專利文獻的分析，TRIZ提煉出最重要、最普遍適用的40條發明原理[8-9]。許多學者應用TRIZ解決工程實際問題，啟發設計人員從不同角度思考和解決問題，發現和解決創新設計過程中的各類沖突[10]。

2 集裝箱液袋生產工藝分析

集裝箱液袋的主體材料通常是尼龍或高強度聚酯、丁腈橡膠聚酯纖維布料。雙面涂層采用聚亞胺酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯和聚氯乙烯混合物等材料[11-12]。為了降低液袋的生產和清洗成本，一次性液袋問世[13]。這種集裝箱液袋分為單層液袋和多層液袋[14]。本文研究的液袋為多層液袋，外袋由1層柔性PP材料制成，內袋由4層PE材料制成。多層集裝箱液袋生產過程如圖1所示。

圖1 集裝箱液袋生產工藝

縫合后長為7 400 mm、寬為3 950 mm的液袋經人工多次折疊后，成為長、寬、高分別小于1 130 mm、550 mm、450 mm的液袋，放入箱子密封存放。

3 集裝箱液袋折疊機TRIZ分析

傳統折疊機系統由送料裝置、折痕夾緊裝置、壓實裝置以及折疊裝置組成[15]。待折疊物品經送料裝置輸送到指定位置，折痕夾緊裝置完成對物品的夾緊和折痕的定位，由壓實裝置對折痕進行壓實，折疊裝置完成對物品的一次折疊。物品經第一次折疊后隨輸送帶到達下一個折疊位置。

由集裝箱液袋生產工藝可知，需要將長為7 400 mm、寬為3 950 mm的液袋折疊成為長、寬、高分別小于1 130 mm、550 mm、450 mm的液袋，最少需要進行11次折疊。采用傳統折疊機的折疊方式僅改變機器的尺寸，會增加折疊機裝置的復雜程度。運動物體的面積（液袋的面積）與裝置的復雜性構成了一對矛盾矩陣，如表1所示。

表1 矛盾矩陣表

根據表1查找的發明原理，采用14曲線、曲面化原理對折疊機進行優化。該原理是利用曲線或曲面替代原有的線性征。液袋的尺寸長為7 400 mm，送料機構輸送帶的長度要略大于該長度，取輸送帶長度為7 500 mm，需要由3臺并列的輸送機完成液袋的輸送，增加了折疊機裝置的復雜性。根據曲線、曲面化原理將輸送帶的平面結構改為曲面結構，使用滾筒對液袋進行輸送。將輸送帶改為滾筒后，確實可以優化裝置的復雜性，但集裝箱液袋上面設有閥門[16]，閥門的高度為122 mm。液袋不能附著在滾筒上，仍需采用輸送帶輸送液袋。

采用13反向作用原理對現有折疊機進行改進設計。人工對液袋進行折疊時液袋不動，對長邊折疊后再移動到短邊的位置折疊短邊。采用折疊機對液袋進行折疊時，為減少裝置的復雜程度，設計一個集裝箱液袋轉向機構，如圖2所示，使液袋長邊與短邊共用一個折疊機構進行折疊。

圖2 液袋轉向機構

液袋折疊機轉向機構由8部分組成，用來將折疊完長邊形成的折疊體旋轉90°，然后折疊機構再對液袋的短邊進行折疊。

當折疊機構完成液袋長邊折疊后，折疊機構將折疊體翻轉至托板8上[17]。托板8與托板氣缸7的氣缸桿固連，托板氣缸7的缸體與托架6固連，托板氣缸7帶動托板8運動，實現液袋托放[18]。托架6通過軸與伺服電機減速機和伺服電機4相連，伺服電機及減速機固定在升降托板5上，升降托板5和升降氣缸3的氣缸桿固連，升降氣缸的缸體同位移桿2固連，以升降氣缸為動力實現升降板的上下移動。位移桿2和位移氣缸1的氣缸桿相連，位移氣缸1固連在支架上，以位移氣缸1為動力，位移桿為執行元件，可以使位移桿2左右移動。通過各部分的協調配合，實現液袋旋轉90°的動作，從而使折疊機用一個折疊機構對液袋的長邊與短邊進行折疊，降低了折疊機裝置的復雜程度。

采用1分割原理進一步優化折疊機系統。液袋折疊機的工作系統分為5個模塊，分別為送料模塊、液袋的折痕夾緊模塊、壓實模塊、轉向模塊和折疊模塊。液袋折疊工藝過程中，各個模塊相互配合實現液袋的自動折疊，減少了系統中機構的冗余，從而降低了折疊機的復雜性。

4 集裝箱液袋折疊機整體方案

折疊機整體工作原理，如圖3所示。折疊機分為5個模塊，分別為送料模塊、折痕夾緊模塊、壓實模塊、轉向模塊和折疊模塊。

圖3 折疊機整體工作原理圖

送料模塊由3臺并列的輸送機組成，完成液袋的輸送。折痕夾緊模塊采用氣缸為動力源，實現夾緊板在折痕處的定位，完成對液袋折痕的定位和對液袋的夾緊工作。壓實模塊利用壓實氣缸4完成液袋折痕的壓實工作。轉向模塊通過氣缸與伺服電機之間的相互配合，完成折疊體旋轉90°的動作。折疊模塊由3自由度的連桿與末端執行器組成，完成液袋折疊工作。

折疊機工作時，將長為7 400 mm、寬為3 950 mm的集裝箱液袋平放在輸送帶上，輸送帶開始運作，液袋向左移動。當位置傳感器感應到液袋時，輸送機停止工作，夾緊板開始下壓夾緊液袋。夾緊板下壓完畢，折疊機構夾爪夾住液袋的邊緣向右運動，實現液袋折疊。折疊機構復位，壓實機構壓板開始下壓1 100 mm，停歇保壓0.5 s。壓板和夾緊板復位，皮帶向前運動，重復以上運動6次。轉向機構開始向左運動400 mm，托架向下運動400 mm，折疊機構將折疊體翻轉到托架上。折疊機構氣缸6復位，伺服電機12逆時針旋轉90°后，托架氣缸14向右運動，折疊體滑落至輸送帶，折疊機構氣缸和電機全部復位，折疊機構對折疊體短邊折疊5次。

5 結語

應用TRIZ對集裝箱液袋折疊機進行創新設計，根據矛盾矩陣和創新原理設計液袋折疊機的新方案。該方案將折疊機分成5個模塊，通過各模塊之間的協調配合，完成集裝箱液袋的折疊工作。應用TRIZ設計的液袋折疊機在滿足液袋的自動折疊的情況下，降低了裝置的復雜性。后續將進一步研究液袋閥門安裝位置不同對折疊效果的影響。