武 涛
(江苏财经职业技术学院 智能制造综合实训中心，江苏 淮安 223003)
西林瓶轧盖机是抗生素玻璃瓶类粉针剂等的主要生产设备之一,其生产率的高低、性能的好坏、运行成本的高低对制药企业的经济效益具有很重要的作用。目前,生产轧盖机的厂家有南京固延制药设备有限公司、湖南千山公司、楚天制药机械有限公司等,已开发出多头旋转式三刀轧盖机,可实现24头轧盖,速度能够达到700瓶/min。但多头旋转式三刀轧盖机的效率低,无法与现有洗瓶、干燥机一对一联动,仅限于生产规模较小的企业。多头旋转式三刀轧盖机的轧盖头由于结构复杂,造成轧盖头之间节距增大,因此不仅速度受到局限,而且迫不得已在灌装与轧盖之间增加了变节距装置,其结果是使结构复杂化,由此而产生的故障点也相应增加。相对来说,单刀轧盖机轧盖结构简单,节距缩小一倍,效率有明显提高,但因其传动结构原理存在着一些先天不足,使轧盖的适应性受到了一定局限。
国内外的专家学者针对轧盖机展开了系列研究:高春刚[1]对高速轧盖机的研发思路和特点进行了探讨;卢国洪等[2]针对轧盖工序中出现口服液包装瓶爆瓶、裂瓶等现象,对轧盖机的托瓶部件进行了改良设计;秦保振等[3]对口服液灌轧机的现状及发展趋势进行了探讨;徐年富等[4]介绍了一种轧盖机顶瓶装置,能够保障瓶子的安全和轧盖安全可靠;上官同英等[5]对轧盖机的偏心机构进行了优化设计,能够保证轧盖准确、安全;赵林林等[6]分析了轧盖机的结构和西林瓶尺寸参数,对轧盖机的主体结构进行了优化设计,从而提高了设备的通用性。
上述研究为西林瓶轧盖机技术的发展提供了有益的启示,因此,本文基于TRIZ指导西林瓶自动轧盖机快换式轧刀设计,该轧刀可根据西林瓶盖直径变化快速更换刀片来应对不同直径西林瓶瓶口的封装,能够实现一机多用,提高设备通用性,降低生产成本。
TRIZ意译为发明问题的解决理论,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。
应用TRIZ理论解决问题时,一是分析一个实际问题并加以定义;二是将所需要解决的问题归纳为类似TRIZ标准问题模型;三是应用TRIZ标准解决办法,找到解决方案模型;四是将模型应用到具体实际问题中,确定解决问题的最终办法。TRIZ的问题模型包括技术矛盾、物理矛盾、物场模型、HOWTO模型,对应的TRIZ工具包括矛盾矩阵、分离原理、知识库与效应库和标准解系统[7]。利用TRIZ理论能够对机械装置进行改进创新设计,如陈纪旸等[8]利用TRIZ理论对筒纱自动缝纫包装系统进行设计;桓源等[9]利用TRIZ理论对苹果分拣套袋装置进行了创新设计;刘希光等[10]利用TRIZ理论对机械式打瓜排种器进行了创新设计,这些对我们开展西林瓶自动轧盖机快换式轧刀装置研究提供了参考。
应用TRIZ创新理论进行西林瓶自动轧盖机快换式轧刀装置的创新设计,能够减少传统试错法所耗费的时间、精力,最大程度地提高设计效率和安全性。本文使用发明原理首先来分析快换轧刀的实现方法,选择合理的方案,然后对合理方案设计建模,比较各个方案,选择最优解。
2.1 系统的组成
现有的西林瓶单刀自动轧盖机轧盖装置如图1所示。该装置由主轴座1、主轴2、顶瓶凸轮3、顶瓶机构4、下托盘5、螺套6、固定套7、隔套8、轧刀9、上托盘10、齿轮11、转瓶座12、转瓶轴13、轧盖头14等组成。自动轧盖机的工作流程为:进瓶转盘将西林瓶输送到拨瓶工位,拨瓶工位连续运转,顶瓶凸轮将西林瓶顶起并上升到轧盖高度位置,轧盖头卡紧西林瓶,同时边顶起边转动,轧刀则逐渐挤压西林瓶铝盖,从而实现轧盖动作。轧盖装置能够通过西林瓶的自转和公转、刀盘的跟进实现铝盖包封在瓶口上。
1-主轴座;2-主轴;3-顶瓶凸轮;4-顶瓶机构;5-下托盘;6-螺套;7-固定套;8-隔套;9-轧刀;10-上托盘;11-齿轮;12-转瓶座;13-转瓶轴;14-轧盖头;15-西林瓶
2.2 存在的问题
图1轧盖机中的轧刀存在难于更换、调整的问题,一旦西林瓶盖的直径发生较大变化,轧刀就需要更换,更换过程中因轧刀是闭合圆环,同时又处于中间位置,其上方零件需要全部拆下才能让轧刀脱开主轴,过程非常麻烦。如果需要频繁更换轧刀,对整条生产线换型会造成严重的影响,大大降低了企业的生产效率,影响了企业的生产效益。
针对目前的生产现状,特提出下列主要待解决的问题:
(1) 为提高西林瓶自动轧盖机设备的柔性,要求该设备能够适应多种规格尺寸的西林瓶。
(2) 在保证实现设备自动化轧盖的基础上,该设备结构尽量简单、容易操作,实现高效率使用。
(3) 为提高西林瓶自动轧盖机的生产效率,尽量减少零部件的拆装。
3.1 分析问题得到技术特征参数
根据2.2节中提出的问题,分析第1个问题,要求西林瓶自动轧盖机设备满足多种规格尺寸的西林瓶,通过查询TRIZ表得到技术特征参数35适应性和38自动化程度构成一对矛盾。分析第2个问题,在保证实现设备自动化轧盖的基础上结构尽量简单、容易操作,通过查询TRIZ表得到技术特征参数38自动化程度和33可操作性构成一对矛盾。分析第3个问题,为提高西林瓶自动轧盖机的生产效率,减少零件的拆装,通过查询TRIZ表得到技术特征参数36装置的复杂性和39生产率构成一对矛盾。
3.2 建立矛盾冲突矩阵并确定发明原理
针对3.1得到的技术特征参数,对矛盾对进行分析,得到矛盾冲突矩阵,如表1、表2所示。
表1 矛盾冲突矩阵1
表2 矛盾冲突矩阵2
根据西林瓶轧盖机轧盖的要求,结合表1、表2的发明创新原理,可以得出其中发明创新原理1(分割)和24(借助中介物)具备较强的可行性。因此得出西林瓶自动轧盖机轧刀装置的创新方向及具体应用,如表3所示。
表3 西林瓶轧盖机轧盖装置发明原理、创新方向及具体应用
3.3 设计西林瓶自动轧盖机的快换轧刀
设计的西林瓶自动轧盖机的快换轧刀如图2所示,是由基座、3个分离的120°轧刀片、定位环、凹球面环、凸球面螺母组装而成的圆环形状轧刀。
图2 快换轧刀结构
图3为西林瓶自动轧盖机的快速换刀装配示意图,基座1安装在轧盖机主轴装置6上;3只轧刀片2通过基座上的环面和锥面及定位环3上的内锥面与基座卡合固定,此固定方式确保3只刀片边缘形成完整圆形刀口。
1-基座;2-轧刀片;3-定位环;4-凹球面环;5-凸球面螺母;6-主轴装置
如图3所示,轧刀片2的边缘设置有整圆形刀口,轧刀片2的两端分别设置凸梯形面和凹梯形面(详见图2中的A向和B向视图),3个轧刀片之间的连接处通过凸梯型面和凹梯形面的啮合定位固定,当轧刀在工作时,梯形面啮合可传递每个轧刀片的受力,保证轧刀片之间不会产生错位;凹球面环4放置在定位环3上,基座的靠顶部位置螺纹连接有凸球面螺母5,通过凸球面螺母5拧紧而压紧定位环3。
凹球面环与凸球面螺母之间为球面连接结构,为防止拧紧螺纹时由于螺纹的加工精度和拧紧时的受力不均等导致下方定位环受力不均,在凹球面环与凸球面螺母之间设置球面连接,通过球面的旋转和凹球面环的平移修正螺母与定位环轴线有轻微夹角的问题。可通过松开凸球面螺母,快速更换不同直径的轧刀片。
本文基于发明问题解决理论TRIZ设计并实现了西林瓶自动轧盖机快换式轧刀装置的设计。采用由分割成3个120°刀片及辅助零件组装而成的圆环形状轧刀和对轧盖头实现升降电机自动调整,能够省去繁琐的人工调节。该装置解决了“自动化程度与多用性、适应性”、“自动化程度与可操作性”、“生产率与装置的复杂性”等技术矛盾,解决了轧盖机的轧刀存在难于更换、调整的难题,提高了生产效率,对不同直径、规格尺寸的西林瓶都有很好的适应性。
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