基于TRIZ技术进化分析点胶机的演进

作者：吕桂志 任工昌 丁涛

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... TRIZ(theory of inventive problem solving)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．TRIZ的基本原理是技术系统的进化遵循客观的法则群．在TRIZ中，凡是具有某种功能的事物都可称为技术系统．TRIZ主要用39个标准参数，40条发明原理、冲突矩阵和76个标准解等一整套的理论来解决各工程领域的创新问题．TRIZ的核心内容之一就是技术进化，它可以根据技术系统的进化规律预测未来发展趋势，帮助企业开发富有竞争力的新产品． 流体点胶是以一种受控的方式对流体进行精确分配的过程．它在食品加工、生物制剂操作和微电子封装等各个行业中发挥着重要的作用，在各种用途中，微电子封装对点胶的性能要求尤为苛刻．微机电系统技术、加工工艺等正在快速发展，但封装的发展却相对滞后，成为微机电系统市场化和产品化的瓶颈．为了适应现代封装技术的要求，点胶装置在近年来得到飞速发展．研究和总结点胶机的进化历程，对预测点胶机的未来发展方向、适应现代封装要求具有重要的作用。 1 技术进化理论 TRIZ认为，产品及其技术的发展总是遵循一定的客观规律，而且同一条规律往往在不同产品领域被反复应用．TRIZ的核心是技术系统进化原理，它可以依据产品中技术系统的进化规律定性预测未来产品的发展趋势，从而帮助企业开发出具有竞争力的新产品． 1．1进化模式 TRIZ预测技术发展趋势的工具有8条进化模式，以及每个进化模式下相对应的一些进化路线．其8条进化模式为： (1)技术系统都要经历出生、成长、成熟、退出的生命周期． (2)增加理想化水平． (3)子系统的不均衡发展导致冲突． (4)增加动态性和可控性． (5)增加系统的复杂性，通过集成使系统简单． (6)零部件的匹配与不匹配． (7)从宏观向微观传递，增加场的应用，得到更好的性能和控制． (8)通过增加自动化水平减少人的介入． 这8个模式为适合表达技术进化的通用模式，可以应用于任意存在的技术系统中． 1．2产品的子系统 产品的技术系统还应该依靠彼此关系的重要性和位置分层次的分析．图1表示了产品技术系统中各个子系统之间的关系． 能量系统和材料系统以及产品的工作对象直接决定了产品的基本技术系统．而操作系统通过多种不同的传动系统最后作用在不同的执行系统上．控制系统对技术系统中其他的元素也有影响．不同的能量资源需要依靠不同的技术系统来传递．原料的进化，包括对象材料的发展，也会影响到技术系统． 1．3子系统的技术系统进化模式 以进化模式为行、其子系统为列构建表格1，可以在其交叉点处探讨产品各个系统的进化模式，从而找出其进化路线，预测产品的开发方向。 2依据进化路线分析点胶机的演化 2．1减少人的参与的进化路线 TRIZ学者总结出的减少人的参与的进化路线为：人→人+工具→人+动力工具→人+半自动工具→人+自动工具→全自动工具。 相对应的点胶机的进化如图2所示．减少人的参与在点胶装置演化中主要表现在能量资源、操作系统和控制系统等子系统中．在沿着减少人参与的进化路线中，点胶所需要的能量由人体的化学能逐渐演变为电能。 起初，根据粘接对象的要求，在使用胶水时利用的是人体化学能；随着动力工具的出现，电能介入点胶生产，人体化学能的使用减少；至自动点胶机出现以后，电能已基本上取代了人体的化学能来进行生产。 直接利用胶水瓶进行粘接时，需要将胶水根据需要从胶水瓶里挤压出来，粘接用胶的操作，要根据人的经验习惯通过挤压的力度和时间决定，点胶的操作和控制都需要人的参与来实现；相对于直接使用胶水瓶，机械式胶枪更加便于控制每次粘接所需要的胶量和点胶位置，却仍需手动操作控制点胶量；动力胶枪在提高点胶出胶精度的同时，减少了人手的操作；自动化点胶机可以通过编程或导入CAD图形等操作来控制点胶位置和点胶量，使人的直接参与从点胶工作中逐渐减少．依照TRIZ中提供的减少人参与的进化路线，点胶机的进化应该向全自动工具发展． 2．2可控性 TRIZ中产品沿可控性的进化路线为：直接控制→中介控制→添加反馈→智能反馈． 控制系统的进化同时还影响到技术系统中的操作系统、传动系统和执行系统．评价点胶质量主要是准确性与一致性指标．点胶装置中控制系统的进化，即是操作系统通过控制点胶机的传动系统到达执行系统来提高点胶出胶量及点胶位置的准确性和一致性． 起初，粘接时使用的胶量和点胶位置都需要直接进行控制，所使用的胶量和点胶位置的准确性、一致性都很难把握．为了有效地控制所需胶量，增加了中介控制，使用胶枪或者控制器来控制点胶量．目前，随着封装技术向微细化发展，点胶位置难以用人手控制来保证其准确性和在相同产品封装时的一致性．开始使用计算机技术，采用摄像装置添加反馈，通过人机对话的方式，来实现对点胶位置及点胶模式的控制，并对点胶量进行监控． 点胶机的控制目前已达到了具有反馈控制的阶段，应该向智能反馈控制的方向开发． 2．3线型结构的几何进化 线型结构几何进化的目的是为了增加系统的动态性，其进化路线：点→线→平面曲线→轴对称→三维曲线． 影响点胶装置线性结构的几何进化路线的子系统主要是其执行系统，目前的自动化点胶机执行系统工作形式为点到点，或是直线、平面曲线的喷涂．依照此进化路线，应该向轴对称或三维曲线的方向开发，这当然也必将涉及控制系统和传动系统等的进化． 2．4相似物体由单一到双向再到多样的进化路线 进化路线为：单系统→双系统→三系统→多系统→集成的多系统．点胶装置工作系统沿此路线进化的模式如图3所示。 此进化路线在点胶机进化中也可以影响到传动系统、执行系统和控制系统等．现以点胶机执行系统中的点胶头演化为例予以说明． 最先使用的点胶机只采用一个点胶头进行点胶，产品通过点胶机的工作台时，单个点胶头根据要求完成点胶．双头点胶机可以提高生产效率，确保所需点胶的两个点滴胶量一致．多头点胶机可以同时点涂多组产品，极大地提高生产效率． 按照此进化路线，点胶机的工作系统应向集成的多系统方向发展． 2．5 由单一到双向再到多样：增加区别化 进化路线为：相似部件→不同特征的部件→相反部件→不同部件．此进化路线同样也会影响到材料资源、控制系统、传动系统、执行系统以及产品对象等其他子系统．点胶技术可分为多种，如图4所示．时间／压力型点胶技术采用脉动的空气压力和针管来实现点胶，但是脉动压缩空气会加热胶体并改变其黏度和胶体的大小．随针筒内胶量的改变，点出的胶体大小也会随着变化．阿基米德计量管点胶是将胶体放置在计量管内点出，控制胶量的精确度较高，但点出的胶量也和胶体的黏度相关，且结构复杂．活塞式点胶采用类似活塞——气缸的机构来点胶．这种方式点出胶量一致性较好，但是利用机械运动来点胶，点胶速度不会很快，点胶量大小不好调节，且需要专门设计的点胶头，维护性较差．插针涂胶和印刷点胶、流体喷射点胶等属于专用工具点胶．专用工具注重点胶的效率，追求一次点完所有的胶点，但是灵活性要差很多． 按照这条路线，可以使点胶机集成不同特征的部件向相反部件的方向发展，也可以将不同特征的部件进化成不同的部件，根据封装产品、使用胶类的不同，在各种具体点胶情况下进行使用． 2．6 自由度 自由度的进化可以提高产母的动态性．自由度进化路线为：单自由度系统→双自由度系统→三自由度系统→四，五，六自由度系统．点胶机执行系统自由度的增加也必将引起其操作系统、传动系统和控制系统部分零部件的改变． 从点对点的点胶，到可以做直线、圆弧等的涂胶工作，直至现在可以根据识别导人的CAD平面图形进行涂胶，点胶机工作系统的自由度逐渐增加．多自由度方向也是点胶机发展的方向之一。 3 结束语 产品内部各个系统是相互关联的，其中每个系统的进化都要影响到其他相关系统零部件或者整体的改变．产品若沿着进化路线进行开发，要求子系统或子系统零部件的改变会影响其他性能的实现；或者沿着不同的进化路线进行开发，要求同一子系统或子系统零部件改变不同，则产生冲突，冲突的解决可以通过分析依靠TRIZ理论中的冲突矩阵，寻找发明原理解来完成． 产品的现代设计是制造业的灵魂，只有设计出高性能的产品才能在激烈的国际市场竞争中立于不败之地．本文通过对点胶机的发展状况分析，利用TRIZ理论的进化路线，归纳总结了点胶机的发展进化路线，分析得出：增加点胶系统的动态性、可控性，协调其子系统不均衡发展导致的冲突，向超系统传递，将是未来点胶装置发展的方向．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/30/2008)