基于TRIZ理論的育苗容器自動裝盤裝置設計＊

沈嶸楓 ， 陳 鑫 ， 謝詩妍 ， 高 銳 ， 陳志強

（1.福建農林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002；2.福建省林業科學研究院，福建 福州 3500012）

0 引言

容器育苗技術是將盛有養分豐富的泥炭、巖棉、沙礫等基質和種子一同放置在一個帶孔的穴盤中，在穴盤中進行育苗，相對傳統方式，該育苗方式可使種子在發育時獲得更好的營養和環境條件，這是一項新的育苗技術[1-2]。通過容器育苗技術培育出的幼苗成活率高、生長健壯、田間生長生育期短，該技術已普遍用于我國大多數作物[3]。傳統育苗容器制作需要大量的勞動力，屬于勞動密集型行業，雖然近年來取得較大的改進，但是相對于其他行業還存在較大的發展空間。工廠化育苗必將取代傳統育苗方式，并且農村勞動力成本的提高、勞動力的轉移問題等日益嚴重，迫切要求提高自動化水平。自動化的實現是將精確的各部件實現精確結合，在自動化發展過程中，蘇聯科學家提出的TRIZ理論（發明問題解決理論）產生了深遠影響，該理論強大作用在于它為人們創造性地發現問題和解決問題提供了系統的理論和方法[4-6]。機械機構設計是由簡到繁、由粗糙到精細，當傳統方式方法無法滿足新環境需求時，歷史發展的強大動力就會推動人們進行發明創新[7]。TRIZ理論的核心為“解決沖突”，但是要遵循不對系統中其它部件產生負面影響的前提下，提升目標部件性能和結構的原則[8-9]?？梢詫⑦@一理論運用至容器育苗自動裝盤裝置的設計中，避免在育苗容器自動裝盤的設計中發生物理沖突或技術沖突[10]。自動裝盤裝置是完成育苗容器成型機最后一道工序的承擔機構，其設計思路為實現擺盤的前后向與左右向的運動，采用裝盤機同步帶輪式的設計，機座設置滑軌采取絲杠傳動。

1 整體方案設計

1.1 設計過程中問題解決原則

育苗容器自動化裝盤裝置的發明，關鍵步驟在于自動化步驟的實現，也就是解決目前存在的沖突，要想解決這一沖突，首先要弄清楚沖突的類型是物理沖突還是技術沖突。這兩類沖突需要不同的解決方式，可利用分離原理的方法去解決物理沖突，可通過沖突矩陣找到發明原理進而去解決技術沖突，具體解決流程如圖1、圖2所示。

1.2 設計過程中問題解決措施

傳統育苗容器制作大多數工藝都是依靠人工，人工在流水線工作中要比機器的工作效率、工作質量、工作能力等方面低。如果將機械手臂技術運用至育苗容器制作中，必將提高整個過程的生產效率，但是該設備適用于流水線生產高精度設備，對于容器育苗而言太過復雜，且維護成本較高。因此，通過上述分析可知，育苗容器制作的工作效率與機械應用的復雜性存在矛盾，也就是技術沖突?？蓪⑦@兩者間矛盾通過TRIZ理論39項工程中其中兩項表示：

圖1 物理沖突解決流程圖

圖2 技術沖突解決流程圖

1)生產率(通用技術正向參數)。將自動化育苗容器成型機設備運用至育苗容器制作中，可以提高生產效率。

2)系統的復雜性(通用技術負向參數)。在育苗容器自動裝盤裝置問題中，如果將機械手運用到自動裝盤裝置中，那么將大大增加系統中部件的數量以及各部件之間的復雜程度，部件越復雜，各部件之間的聯系越復雜，則系統就越復雜。復雜的系統在維護和運行中都需要花費巨大的費用，項目組希望得到的系統較為簡單，用越簡單的系統實現越多的功能。因此，將機械手臂運用至自動裝盤系統中作為惡化的參數。依據上述得到的參數，通過查閱阿奇舒勒技術沖突矩陣，可以得到機械系統的替代原理。在TRIZ中，機械系統替代原理包括用一切非機械的作用，如電、磁、光、熱、聲、化學等對機械作用的替代[11]。根據這一替代原理，可以利用PLC控制一個可移動裝盤平臺，搭配一個夾持機構，進而實現育苗容器的裝盤工作。

1.3 方案設計

該設備由PLC控制系統、夾持機構、傳送帶、裝盤平臺、定位板、伺服電機、絲杠和擺盤等組成，如圖3所示，可以滿足直徑Φ36 mm ~100 mm、長度80 mm ~120 mm規格的裝盤要求，通過控制擺盤的前后向與左右向的運動搭配夾持機構的張合實現裝盤工作。上部為采用鋁型材支架和采用螺栓連接的裝盤平臺，其他零件也主要通過螺栓連接至框架上。下部為機座部分，機座由鋁型材、滑軌、矩形板等組成。矩形板表面設有滑軌，裝盤平臺通過滑槽與滑軌配合?？紤]到擺盤的精準定位問題，采用PLC技術控制電機有序的間歇轉動。為避免擺盤裝置在裝盤裝置上發生滑動、跑偏現象，在作業過程中應用定位板，并在裝盤機側邊設置欄桿防止裝盤裝置滑出裝盤機。

圖3 裝盤裝置三維模型

2 設計要點

2.1 裝盤流程

輸送的育苗容器通過滑道囤積在夾持裝置的鋼線位置，夾具的中心位置正好與擺盤容器中心重合，氣缸活塞向下運動時，夾具張開，夾具間的基質單元在重力的作用下落入育苗容器內，當氣缸活塞向上運動時，夾具沿著相反的軌跡回位，夾緊囤積在鋼線上的基質，等待下一個容器抵達夾具中心時，夾具再進行張開和閉合運動，如此反復，育苗容器就有序的落入育苗擺盤中。而裝盤平臺采用PLC技術控制電機有序的間歇轉動，可以實現擺盤在空間平面上的實時定位，育苗容器有序的落入育苗擺盤的容器。

2.2 運動方式

裝盤裝置的傳動包含裝盤機皮帶的轉向運動以及通過機座直線導軌實現的縱向運動，由于在擺盤時裝盤裝置要實現較為準確的定位，故裝盤裝置的傳動精度要求較高。裝盤平臺如圖4所示，在裝盤平臺部分為了有效控制擺盤的運動精度，采取同步帶輪運輸，同步帶與帶輪通過齒狀嚙合，可以有效避免滑動的發生。機座上通過設置滑軌與裝盤機滑槽相配合，通過絲杠的傳動推動整個整盤機的前后運動，絲杠的運動精度較高可以有效地保證前后向的運動精度，伺服電機每一次的間歇運動帶動裝盤機前后運動，從而擺盤前后向移動一個單位。裝盤平臺上的伺服電機輸出動力，通過聯軸器帶動主動桿運動，其上的主同步帶輪通過傳動帶的運動帶動從同步帶輪，為防止出現擺盤裝置跑偏的現象，可在傳送帶上安裝定位板，防止該現象的發生，通過人工將擺盤裝在傳送帶上。伺服電機的每一次間歇性運動將帶動擺盤左右移動一個單位。

圖4 裝盤平臺圖

3 應用情況及效益

3.1 間接經濟效益

使用無紡布育苗容器自動裝盤裝置，工人只需放置擺盤和操作設備，通過夾持裝置和裝盤平臺的配合，實現育苗容器的自動化裝盤。采用自動裝盤，裝盤過程穩定、快捷、減少人工勞動、降低安全隱患。育苗容器自動裝盤裝置投入使用，使裝盤工作效率大幅提升，完善了無紡布育苗容器制作流水線。采用自動化裝盤裝置，勞動強度降低。裝盤裝置的投入，使得產品質量也有了顯著提高。

3.2 直接經濟效益

育苗容器自動裝盤裝置在福建省三明市尤溪林業推廣中心投入生產后，裝盤工作可靠、快捷，效率大幅提升，直接提高了該推廣中心的經濟效益，并隨著在制品的減少，釋放出更多資金用來擴大發展。同時，育苗容器自動裝盤裝置也大大節省了人工成本，預計年節約人工成本約10萬元。

4 結論

文章根據裝盤裝置裝盤效率與設備結構的復雜性技術沖突，利用40條創新原理中的機械系統的替代原理，找到用PLC控制一個可移動裝盤平臺，搭配一個夾持機構的設計方案。該裝盤裝置作為整套設備的生產過程中最后一個環節，通過裝盤平臺和絲杠的運動可以控制擺盤的位置，讓制作好的育苗容器準確落入擺盤容器中。該設備有效提升了裝盤工作效率，節省了勞動力使用成本。