基于TRIZ的西林瓶自動軋蓋機快換式軋刀設計*

武 濤

(江蘇財經職業技術學院 智能制造綜合實訓中心，江蘇 淮安 223003)

0 引言

西林瓶軋蓋機是抗生素玻璃瓶類粉針劑等的主要生產設備之一,其生產率的高低、性能的好壞、運行成本的高低對制藥企業的經濟效益具有很重要的作用。目前,生產軋蓋機的廠家有南京固延制藥設備有限公司、湖南千山公司、楚天制藥機械有限公司等,已開發出多頭旋轉式三刀軋蓋機,可實現24頭軋蓋,速度能夠達到700瓶/min。但多頭旋轉式三刀軋蓋機的效率低,無法與現有洗瓶、干燥機一對一聯動,僅限于生產規模較小的企業。多頭旋轉式三刀軋蓋機的軋蓋頭由于結構復雜,造成軋蓋頭之間節距增大,因此不僅速度受到局限,而且迫不得已在灌裝與軋蓋之間增加了變節距裝置,其結果是使結構復雜化,由此而產生的故障點也相應增加。相對來說,單刀軋蓋機軋蓋結構簡單,節距縮小一倍,效率有明顯提高,但因其傳動結構原理存在著一些先天不足,使軋蓋的適應性受到了一定局限。

國內外的專家學者針對軋蓋機展開了系列研究:高春剛[1]對高速軋蓋機的研發思路和特點進行了探討;盧國洪等[2]針對軋蓋工序中出現口服液包裝瓶爆瓶、裂瓶等現象,對軋蓋機的托瓶部件進行了改良設計;秦保振等[3]對口服液灌軋機的現狀及發展趨勢進行了探討;徐年富等[4]介紹了一種軋蓋機頂瓶裝置,能夠保障瓶子的安全和軋蓋安全可靠;上官同英等[5]對軋蓋機的偏心機構進行了優化設計,能夠保證軋蓋準確、安全;趙林林等[6]分析了軋蓋機的結構和西林瓶尺寸參數,對軋蓋機的主體結構進行了優化設計,從而提高了設備的通用性。

上述研究為西林瓶軋蓋機技術的發展提供了有益的啟示,因此,本文基于TRIZ指導西林瓶自動軋蓋機快換式軋刀設計,該軋刀可根據西林瓶蓋直徑變化快速更換刀片來應對不同直徑西林瓶瓶口的封裝,能夠實現一機多用,提高設備通用性,降低生產成本。

1 TRIZ理論介紹

TRIZ意譯為發明問題的解決理論,是研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則。

應用TRIZ理論解決問題時,一是分析一個實際問題并加以定義;二是將所需要解決的問題歸納為類似TRIZ標準問題模型;三是應用TRIZ標準解決辦法,找到解決方案模型;四是將模型應用到具體實際問題中,確定解決問題的最終辦法。TRIZ的問題模型包括技術矛盾、物理矛盾、物場模型、HOWTO模型,對應的TRIZ工具包括矛盾矩陣、分離原理、知識庫與效應庫和標準解系統[7]。利用TRIZ理論能夠對機械裝置進行改進創新設計,如陳紀旸等[8]利用TRIZ理論對筒紗自動縫紉包裝系統進行設計;桓源等[9]利用TRIZ理論對蘋果分揀套袋裝置進行了創新設計;劉希光等[10]利用TRIZ理論對機械式打瓜排種器進行了創新設計,這些對我們開展西林瓶自動軋蓋機快換式軋刀裝置研究提供了參考。

應用TRIZ創新理論進行西林瓶自動軋蓋機快換式軋刀裝置的創新設計,能夠減少傳統試錯法所耗費的時間、精力,最大程度地提高設計效率和安全性。本文使用發明原理首先來分析快換軋刀的實現方法,選擇合理的方案,然后對合理方案設計建模,比較各個方案,選擇最優解。

2 西林瓶自動軋蓋機軋蓋裝置整體結構及存在問題

2.1 系統的組成

現有的西林瓶單刀自動軋蓋機軋蓋裝置如圖1所示。該裝置由主軸座1、主軸2、頂瓶凸輪3、頂瓶機構4、下托盤5、螺套6、固定套7、隔套8、軋刀9、上托盤10、齒輪11、轉瓶座12、轉瓶軸13、軋蓋頭14等組成。自動軋蓋機的工作流程為:進瓶轉盤將西林瓶輸送到撥瓶工位,撥瓶工位連續運轉,頂瓶凸輪將西林瓶頂起并上升到軋蓋高度位置,軋蓋頭卡緊西林瓶,同時邊頂起邊轉動,軋刀則逐漸擠壓西林瓶鋁蓋,從而實現軋蓋動作。軋蓋裝置能夠通過西林瓶的自轉和公轉、刀盤的跟進實現鋁蓋包封在瓶口上。

1-主軸座;2-主軸;3-頂瓶凸輪;4-頂瓶機構;5-下托盤;6-螺套;7-固定套;8-隔套;9-軋刀;10-上托盤;11-齒輪;12-轉瓶座;13-轉瓶軸;14-軋蓋頭;15-西林瓶

2.2 存在的問題

圖1軋蓋機中的軋刀存在難于更換、調整的問題,一旦西林瓶蓋的直徑發生較大變化,軋刀就需要更換,更換過程中因軋刀是閉合圓環,同時又處于中間位置,其上方零件需要全部拆下才能讓軋刀脫開主軸,過程非常麻煩。如果需要頻繁更換軋刀,對整條生產線換型會造成嚴重的影響,大大降低了企業的生產效率,影響了企業的生產效益。

針對目前的生產現狀,特提出下列主要待解決的問題:

(1) 為提高西林瓶自動軋蓋機設備的柔性,要求該設備能夠適應多種規格尺寸的西林瓶。

(2) 在保證實現設備自動化軋蓋的基礎上,該設備結構盡量簡單、容易操作,實現高效率使用。

(3) 為提高西林瓶自動軋蓋機的生產效率,盡量減少零部件的拆裝。

3 西林瓶自動軋蓋機軋刀裝置的創新設計

3.1 分析問題得到技術特征參數

根據2.2節中提出的問題,分析第1個問題,要求西林瓶自動軋蓋機設備滿足多種規格尺寸的西林瓶,通過查詢TRIZ表得到技術特征參數35適應性和38自動化程度構成一對矛盾。分析第2個問題,在保證實現設備自動化軋蓋的基礎上結構盡量簡單、容易操作,通過查詢TRIZ表得到技術特征參數38自動化程度和33可操作性構成一對矛盾。分析第3個問題,為提高西林瓶自動軋蓋機的生產效率,減少零件的拆裝,通過查詢TRIZ表得到技術特征參數36裝置的復雜性和39生產率構成一對矛盾。

3.2 建立矛盾沖突矩陣并確定發明原理

針對3.1得到的技術特征參數,對矛盾對進行分析,得到矛盾沖突矩陣,如表1、表2所示。

表1 矛盾沖突矩陣1

表2 矛盾沖突矩陣2

根據西林瓶軋蓋機軋蓋的要求,結合表1、表2的發明創新原理,可以得出其中發明創新原理1(分割)和24(借助中介物)具備較強的可行性。因此得出西林瓶自動軋蓋機軋刀裝置的創新方向及具體應用,如表3所示。

表3 西林瓶軋蓋機軋蓋裝置發明原理、創新方向及具體應用

3.3 設計西林瓶自動軋蓋機的快換軋刀

設計的西林瓶自動軋蓋機的快換軋刀如圖2所示,是由基座、3個分離的120°軋刀片、定位環、凹球面環、凸球面螺母組裝而成的圓環形狀軋刀。

圖2 快換軋刀結構

圖3為西林瓶自動軋蓋機的快速換刀裝配示意圖,基座1安裝在軋蓋機主軸裝置6上;3只軋刀片2通過基座上的環面和錐面及定位環3上的內錐面與基座卡合固定,此固定方式確保3只刀片邊緣形成完整圓形刀口。

1-基座;2-軋刀片;3-定位環;4-凹球面環;5-凸球面螺母;6-主軸裝置

如圖3所示,軋刀片2的邊緣設置有整圓形刀口,軋刀片2的兩端分別設置凸梯形面和凹梯形面(詳見圖2中的A向和B向視圖),3個軋刀片之間的連接處通過凸梯型面和凹梯形面的嚙合定位固定,當軋刀在工作時,梯形面嚙合可傳遞每個軋刀片的受力,保證軋刀片之間不會產生錯位;凹球面環4放置在定位環3上,基座的靠頂部位置螺紋連接有凸球面螺母5,通過凸球面螺母5擰緊而壓緊定位環3。

凹球面環與凸球面螺母之間為球面連接結構,為防止擰緊螺紋時由于螺紋的加工精度和擰緊時的受力不均等導致下方定位環受力不均,在凹球面環與凸球面螺母之間設置球面連接,通過球面的旋轉和凹球面環的平移修正螺母與定位環軸線有輕微夾角的問題。可通過松開凸球面螺母,快速更換不同直徑的軋刀片。

4 結語

本文基于發明問題解決理論TRIZ設計并實現了西林瓶自動軋蓋機快換式軋刀裝置的設計。采用由分割成3個120°刀片及輔助零件組裝而成的圓環形狀軋刀和對軋蓋頭實現升降電機自動調整,能夠省去繁瑣的人工調節。該裝置解決了“自動化程度與多用性、適應性”、“自動化程度與可操作性”、“生產率與裝置的復雜性”等技術矛盾,解決了軋蓋機的軋刀存在難于更換、調整的難題,提高了生產效率,對不同直徑、規格尺寸的西林瓶都有很好的適應性。