武 濤

(江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造綜合實訓(xùn)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(chǎn)設(shè)備之一,其生產(chǎn)率的高低、性能的好壞、運行成本的高低對制藥企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有很重要的作用。目前,生產(chǎn)軋蓋機的廠家有南京固延制藥設(shè)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(fā)出多頭旋轉(zhuǎn)式三刀軋蓋機,可實現(xiàn)24頭軋蓋,速度能夠達(dá)到700瓶/min。但多頭旋轉(zhuǎn)式三刀軋蓋機的效率低,無法與現(xiàn)有洗瓶、干燥機一對一聯(lián)動,僅限于生產(chǎn)規(guī)模較小的企業(yè)。多頭旋轉(zhuǎn)式三刀軋蓋機的軋蓋頭由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造成軋蓋頭之間節(jié)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(jié)距裝置,其結(jié)果是使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,由此而產(chǎn)生的故障點也相應(yīng)增加。相對來說,單刀軋蓋機軋蓋結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)距縮小一倍,效率有明顯提高,但因其傳動結(jié)構(gòu)原理存在著一些先天不足,使軋蓋的適應(yīng)性受到了一定局限。

國內(nèi)外的專家學(xué)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(fā)思路和特點進(jìn)行了探討;盧國洪等[2]針對軋蓋工序中出現(xiàn)口服液包裝瓶爆瓶、裂瓶等現(xiàn)象,對軋蓋機的托瓶部件進(jìn)行了改良設(shè)計;秦保振等[3]對口服液灌軋機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)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(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,能夠保證軋蓋準(zhǔn)確、安全;趙林林等[6]分析了軋蓋機的結(jié)構(gòu)和西林瓶尺寸參數(shù),對軋蓋機的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,從而提高了設(shè)備的通用性。

上述研究為西林瓶軋蓋機技術(shù)的發(fā)展提供了有益的啟示,因此,本文基于TRIZ指導(dǎo)西林瓶自動軋蓋機快換式軋刀設(shè)計,該軋刀可根據(jù)西林瓶蓋直徑變化快速更換刀片來應(yīng)對不同直徑西林瓶瓶口的封裝,能夠?qū)崿F(xiàn)一機多用,提高設(shè)備通用性,降低生產(chǎn)成本。

1 TRIZ理論介紹

TRIZ意譯為發(fā)明問題的解決理論,是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則。

應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)問題模型;三是應(yīng)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解決辦法,找到解決方案模型;四是將模型應(yīng)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(shù)矛盾、物理矛盾、物場模型、HOWTO模型,對應(yīng)的TRIZ工具包括矛盾矩陣、分離原理、知識庫與效應(yīng)庫和標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)[7]。利用TRIZ理論能夠?qū)C械裝置進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計,如陳紀(jì)旸等[8]利用TRIZ理論對筒紗自動縫紉包裝系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計;桓源等[9]利用TRIZ理論對蘋果分揀套袋裝置進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計;劉希光等[10]利用TRIZ理論對機械式打瓜排種器進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)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(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論進(jìn)行西林瓶自動軋蓋機快換式軋刀裝置的創(chuàng)新設(shè)計,能夠減少傳統(tǒng)試錯法所耗費的時間、精力,最大程度地提高設(shè)計效率和安全性。本文使用發(fā)明原理首先來分析快換軋刀的實現(xiàn)方法,選擇合理的方案,然后對合理方案設(shè)計建模,比較各個方案,選擇最優(yōu)解。

2 西林瓶自動軋蓋機軋蓋裝置整體結(jié)構(gòu)及存在問題

2.1 系統(tǒng)的組成

現(xiàn)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(gòu)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(zhuǎn)瓶座12、轉(zhuǎn)瓶軸13、軋蓋頭14等組成。自動軋蓋機的工作流程為:進(jìn)瓶轉(zhuǎn)盤將西林瓶輸送到撥瓶工位,撥瓶工位連續(xù)運轉(zhuǎn),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(zhuǎn)動,軋刀則逐漸擠壓西林瓶鋁蓋,從而實現(xiàn)軋蓋動作。軋蓋裝置能夠通過西林瓶的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)、刀盤的跟進(jìn)實現(xiàn)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(gòu);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(zhuǎn)瓶座;13-轉(zhuǎn)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(diào)整的問題,一旦西林瓶蓋的直徑發(fā)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(huán),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(chǎn)線換型會造成嚴(yán)重的影響,大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率,影響了企業(yè)的生產(chǎn)效益。

針對目前的生產(chǎn)現(xiàn)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(shè)備的柔性,要求該設(shè)備能夠適應(yīng)多種規(guī)格尺寸的西林瓶。

(2) 在保證實現(xiàn)設(shè)備自動化軋蓋的基礎(chǔ)上,該設(shè)備結(jié)構(gòu)盡量簡單、容易操作,實現(xiàn)高效率使用。

(3) 為提高西林瓶自動軋蓋機的生產(chǎn)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(chuàng)新設(shè)計

3.1 分析問題得到技術(shù)特征參數(shù)

根據(jù)2.2節(jié)中提出的問題,分析第1個問題,要求西林瓶自動軋蓋機設(shè)備滿足多種規(guī)格尺寸的西林瓶,通過查詢TRIZ表得到技術(shù)特征參數(shù)35適應(yīng)性和38自動化程度構(gòu)成一對矛盾。分析第2個問題,在保證實現(xiàn)設(shè)備自動化軋蓋的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)盡量簡單、容易操作,通過查詢TRIZ表得到技術(shù)特征參數(shù)38自動化程度和33可操作性構(gòu)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(chǎn)效率,減少零件的拆裝,通過查詢TRIZ表得到技術(shù)特征參數(shù)36裝置的復(fù)雜性和39生產(chǎn)率構(gòu)成一對矛盾。

3.2 建立矛盾沖突矩陣并確定發(fā)明原理

針對3.1得到的技術(shù)特征參數(shù),對矛盾對進(jìn)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(jù)西林瓶軋蓋機軋蓋的要求,結(jié)合表1、表2的發(fā)明創(chuàng)新原理,可以得出其中發(fā)明創(chuàng)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(chuàng)新方向及具體應(yīng)用,如表3所示。

表3 西林瓶軋蓋機軋蓋裝置發(fā)明原理、創(chuàng)新方向及具體應(yīng)用

3.3 設(shè)計西林瓶自動軋蓋機的快換軋刀

設(shè)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(huán)、凹球面環(huán)、凸球面螺母組裝而成的圓環(huán)形狀軋刀。

圖2 快換軋刀結(jié)構(gòu)

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(huán)面和錐面及定位環(huán)3上的內(nèi)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(huán);4-凹球面環(huán);5-凸球面螺母;6-主軸裝置

如圖3所示,軋刀片2的邊緣設(shè)置有整圓形刀口,軋刀片2的兩端分別設(shè)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(dāng)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(chǎn)生錯位;凹球面環(huán)4放置在定位環(huán)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(huán)3。

凹球面環(huán)與凸球面螺母之間為球面連接結(jié)構(gòu),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(dǎo)致下方定位環(huán)受力不均,在凹球面環(huán)與凸球面螺母之間設(shè)置球面連接,通過球面的旋轉(zhuǎn)和凹球面環(huán)的平移修正螺母與定位環(huán)軸線有輕微夾角的問題?？赏ㄟ^松開凸球面螺母,快速更換不同直徑的軋刀片。

4 結(jié)語

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