基于TRIZ理论的卡式瓶分选机优化设计
张国宏1田晓军2
（1.河北省激光研究所，石家庄 050081；2.河北能源工程设计有限公司，石家庄 050011）摘要：简要介绍了TRIZ 理论及其基本原理，分析了卡式瓶分选机存在的问题，利用TRIZ冲突解决原理对旋转检测装置进行了创新设计，新装置具有冲击小，噪声低，运行平稳的特点，提高了卡式瓶分选机生产率和可靠性。
关键词： Triz 卡式瓶激光扫描分选
中途分类号：文献标识码: 文章编号:
Optimization Design of Cartridge Separator Based on TRIZ Theory
ZHANG Guo-Hong1 TIAN Xiao-Jun2
(https://www.doczj.com/doc/9a9420223.html,ser research institute of Hebei,Shijiazhuang Hebei 050081,China；
2. Hebei Energy Engineering Co., Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050011,China)
Abstract：The theory of TRIZ is introduced briefly and its basic principle, analyzes the existing bottle sorting machine problem, using TRIZ conflict resolving theories of innovation design of the rotation detecting device, the new device with the impact of small, low noise, the characteristics of stable operation, improve the bottle sorting machine productivity and reliability.
Key words: Triz Cartridge Laser scanning Sorting
0 引言
卡式瓶是近年来在药品包装市场新出现的玻璃瓶，是没有底的管制抗生素瓶，卡式瓶置入可重复使用的卡式注射架中使用。与传统注射剂包装相比，具有注射更安全、使用更方便、更加有利于保护环境及应用范围更加广泛的特点。
卡式瓶瓶身内、外径尺寸是衡量卡式瓶质量的重要参数，瓶身外径要与自动灌装流水线上模具匹配以满足自动化生产的需要，同时瓶身内壁与胶塞之间要保证良好配合，既要达到二者间良好的相对滑动性能，又必须保证长期的密封性能，从而确保内装药品的安全。随着卡式瓶生产技术的不断提高和配套产品技术的不断完善，其优势越来越明显，而其自身的质量问题也日益受到关注。
1 TRIZ 理论简介
TRIZ 理论是由前苏联G．S．Altshuller及其团队在分析研究世界各国250万件高水平发明专利，综合多个学科领域原理、法则的基础上提出的创新方法理论体系，主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则,是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统。利用该理论可使创新成为具有预见性的过程,可提高创新的成功率和缩短解决问题的周期，目前已成为产品设计中解决技术创新问题最有力的工具。
TRIZ是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系,其主要内容包括[ 1 ]: 技术系统进化法则、技术冲突解决原理、物理冲突解决原理、发明问题标准解法、发明问题解决算法ARIZ、科学效应和现象等。
TRIZ 理论广泛应用在机械产品创新设计上，其存在的物理冲突、技术冲突，使得设计过程成为一个具有创新性特征的问题解决过程，而创新设计从最通俗的意义上讲就是创造性地发现问题并解决问题的过程，TRIZ 理论的强大作用正在于它为此提供了系统的理论和方法工具。
2 TRIZ理论的技术冲突和解决方法
TRIZ 中的冲突矩阵给出了解决各类问题需要借助的科学原理，并指明了解决问题对策的探索方向[2]。TRIZ 解决创新问题的核心之一是发现并研究“技术冲突”，并寻找解决该“技术冲突”的方法。所谓“技术冲突”，是两个性能参数之间的矛盾，是指在同一系统中一个作用同时导致有用和有害两种结果，也可以指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏。
Altshuller认为，技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突，其常出现的三种情况为：
（1）在一个子系统中引入一种有用功能，导致另一个子系统产生一种有害功能或加强了已存在的一种有害功能。
（2）消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变坏。
（3）有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统或系统变得太复杂。
为了把实际工程设计中的冲突转化为一般的或标准的技术冲突，Altshuller 提出了基于39 个通用工程参数，任何一个技术冲突都可以用其中的一对参数来描述，并提出技术冲突的创新解——40 条发明原理，TRIZ 理论将39个通用工程参数与40 条发明原理建立了对应关系，建立了冲突矩阵。当面对实际问题时，找出系统的冲突参数，在冲突矩阵中找到它们的交叉点，就能得到解决问题的推荐发明原理。矩阵冲突表如表1所示，冲突参数在表中
表1 冲突矩阵
Tab.1 Conflict Matrix
3 卡式瓶分选机现状
随着卡式瓶市场需求的上升，卡式瓶产量日渐增多，生产过程中的质量保证由人工来完成，外径使用卡板判断好坏，内径则基本采用抽检方式，检验精度低，产品合格率差，易误判漏判造成损失。大量的卡式瓶要在极短的时间内正确分选处理，需要高度自动化的分选设备来完成。
我所适时开展了卡式瓶分选机的研制工作，一台样机已应用于华北制药集团玻璃分厂。该设备是综合利用激光扫描原理和CCD 成像技术，利用旋转检测的方法实现卡式瓶瓶身内、外径尺寸的检测。在接收到数据后，工控机依据预设的参数自动将卡式瓶分选到多个不同的档次。
为了使卡式瓶旋转以获得瓶身内、外径的周向尺寸，现有机械设计上采用多组带有V 形豁槽的旋转轮并同步旋转，同时完成卡式瓶的输送和旋转动作，探测器放置于其中一个工位上完成检测。由于卡式瓶的外形短小、质量轻，在运行过程中卡式瓶从豁槽出来时刻容易跳起，现有方案是在旋转轮上方增设限位轮，通过与限位轮的碰撞抑制卡式瓶跳起的幅度，可适当提高旋转轮转速，在一定程度上提高了生产率，但是这种碰撞需要一定的时间才能稳定下来，导致检测时间缩短，增加了检测的难度。此方案不能从根本上解决卡式瓶运动状态不稳定的问题，且多组旋转轮结构复杂，稳定相差，因此需要对现有的卡式瓶分选机的旋转检测机构进行改进设计，以实现自动、高效、精确地分选。
图1 现有解决方案
Fig.1 Schematic Diagram of The Existing Solution
4 卡式瓶分选机的优化设计
为了获取TRIZ理论的创新解，在对实际问题进行分析的基础上，确定出技术冲突，并用39个通用工程参数中的两个来描述该冲突，由冲突矩阵确定可用的发明原理，由发明原理提供的思路与线索，并结合问题的实际确定原理解。
首先从39个通用工程参数中选择能代表技术冲突的一对特性参数。
4.1 希望改进的特性：
（1）自动化程度（No.38）：系统或物体在无人操作的情况下完成任务的能力；
（2）生产率（No.39）：单位时间内所完成的功能或操作数；
4.2 恶化的性能参数：
（1）适应性及多用性（No.35）：物体或系统响应外部变化或应用于不同条件下的能力；
（2）监控与测试的困难程度（No.37）：检测控制的难易程度；
4.3 设计中的技术冲突：
（1）如果提高生产率，自动化程度必然要高，系统专一性要突出，装置的适应性及多用性就会降低。
（2）如果提高装置的适应性和多用性，则增加系统的复杂性，增加制造成本，并导致监控与测试的难度增加。
4.4 确定矩阵元素：
（1）性能改善的参数：生产率（No.39）,提高装置的工作效率。
（2）性能恶化的参数：监控与测试的困难程度（No.37），新的改进可能使检测难度加大。
将上述两个通用的工程参数No.39 和No.37 代入冲突矩阵中，可以得到如下四条推荐的发明原理，分别为：No.35参数变化原理， No.18振动原理， No.27低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体， No.2分离原理。对四条发明原理进行分析，No.18振动原理是使物体处于振动状态，卡式瓶需要的是稳定的旋转状态，明显与理想状态不符。卡式瓶处于旋转状态，与旋转轮摩擦小，不属于No.27原理描述的范围。对No.2和No.35两条发明原理进行深入的分析如下：
方案1：利用分离原理，考虑仅在检测时需要旋转，因此将旋转功能与输送功能分开，所有工位均完成输送功能，其间一工位作为检测工位，该工位增设旋转对轮以完成旋转功能，提高了稳定性及生产率；
方案2：利用参数变化原理，改变物体的柔性，在旋转轮上加装聚四氟缓冲保护套，减小了冲击，解决了检测难度的问题。
方案3：综合运用以上两个方案，如此可以保证卡式瓶稳定的旋转和输送，生产率和检测难度两大性能参数均得到改善。
图2 最终解决方案
Fig.2 Schematic Diagram of The Final Solution
4.5 方案的评估：
分别按照上述三种方案要求，针对装置的复杂度、稳定性、生产率、检测难度等指标分
表2实验结果
Tab.1 Experimental Result
优化后的旋转检测机构，具有冲击小，噪声低，运行平稳的特点，通过表2实验结果的
对比可以看出，方案3很好的解决了生产率与检测难度之间的矛盾，且在多项指标上均得到
了改善，使装置整体更好的满足了人性化设计要求。
5 结束语
TRIZ是一种基于知识的、面向人的系统化分析方法, 对机械产品创新设计具有重要的指
引作用，它能给出解决问题的普适解,能够解决机械创新设计中遇到的各种问题。TRIZ 冲突
解决原理提供了一系列解决技术冲突的创新原理和方法，为卡式瓶分选机旋转检测机构的创
新设计指明了方向。通过对卡式瓶分选机存在问题的深入分析，抽象出其技术冲突，基于TRIZ
技术冲突解决矩阵，综合应用创新原理，构思出卡式瓶分选机自动、高效、精确运行的解决
方案，为设计提供了重要的思路。
实践证明，研究和应用TRIZ 理论对我国机械产品的创新设计具有重要的理论和现实意
义。
作者简介：张国宏，(1975- )，男，高级工程师，河北省二级创新工程师，主要从事光电测控产品的研发工作。
联系方式：河北省石家庄市友谊南大街46号，河北省激光研究所，张国宏，邮编：050081,联系电话：139********，0311-********（办），0311-********（传真）
邮箱：zgh1995@https://www.doczj.com/doc/9a9420223.html,。
2012年度河北省创新方法应用示范项目
项目名称：卡式瓶分选机应用
项目编号：（2012054834）
授权发明专利（ZL 2010 1 0563301.7）一项。
参考文献：
[1] 檀润华,张瑞红,汪屏等.产品设计中的冲突确定方法及解决过程[J].机械设计
计.2003,20(10):4-7.
［2］邓杰.基于TRIZ 的机械产品创新设计［D］.青岛：青岛大学，2008.