石 磊，雷良育，李 佳

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

嫁接技術(shù)是克服農(nóng)作物、水果、蔬菜連茬病害和低溫障礙的最有效途徑，使其抗病能力增強(qiáng)，增產(chǎn)效果顯著，被廣泛應(yīng)用于西瓜、黃瓜、甜瓜、茄子、西紅柿的栽培中。但人工嫁接速度慢、費(fèi)工費(fèi)、效率低等。嫁接機(jī)技術(shù)是集機(jī)械、自動(dòng)控制與設(shè)施園藝于一體的高新技術(shù)。它可在極短的時(shí)間內(nèi)將莖稈直徑僅為幾毫米的砧木、穗木切成合乎要求的切口，并將兩者的切口快速、準(zhǔn)確地結(jié)合到一起，使嫁接速度大幅度提高。同時(shí)由于砧、穗木接合迅速，避免了切口長(zhǎng)時(shí)間氧化和苗內(nèi)液體的流失，從而又可大大提高蔬菜苗嫁接成活率。因此，自動(dòng)嫁接技術(shù)被稱(chēng)為嫁接育苗的革命性技術(shù)［3］。

本文所提及的嫁接機(jī)是在原中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的第一代嫁接機(jī)樣機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的嫁接機(jī)。改進(jìn)后的嫁接機(jī)利用貼接法針對(duì)黃瓜苗、絲瓜苗的穗木苗種和黒籽南瓜的砧木進(jìn)行嫁接。因改進(jìn)后的嫁接機(jī)還存在諸多的不足和缺陷，采用TRIZ理論指導(dǎo)本嫁接機(jī)的創(chuàng)新改進(jìn)，解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)造中的疑難問(wèn)題，加快產(chǎn)品的創(chuàng)新速度。

1 TRIZ理論

TRIZ(系俄文字母對(duì)應(yīng)的拉丁字母縮寫(xiě))意為解決發(fā)明創(chuàng)造問(wèn)題的理論，起源于蘇聯(lián)，英譯為theory of inventive problem solving，英文縮寫(xiě)為T(mén)IPS。它是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立，阿奇舒勒因此被尊稱(chēng)為T(mén)RIZ理論之父［10］。TRIZ理論被西方國(guó)家稱(chēng)為神奇的“點(diǎn)金術(shù)”。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)發(fā)展成為解決技術(shù)問(wèn)題或發(fā)明問(wèn)題的強(qiáng)有力的方法學(xué)理論，已解決了前蘇聯(lián)、美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家許多企業(yè)成千上萬(wàn)個(gè)創(chuàng)新難題［1］。

1.1 沖突及其解決原理

阿奇舒勒將沖突分為管理沖突、技術(shù)沖突和物理沖突。

1)管理沖突。管理沖突是指這樣的一種場(chǎng)景:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，從內(nèi)心認(rèn)為需要做一些事情以獲得希望的結(jié)果或避免某些現(xiàn)象的發(fā)生，但卻不知如何去做，即沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可以解決問(wèn)題的任何方法。TRIZ沒(méi)有提供直接求解管理沖突的方法，即TRIZ主要考慮的是后兩類(lèi)沖突:技術(shù)沖突和物理沖突。

2)技術(shù)沖突?，F(xiàn)實(shí)中有許多這樣的例子:想吃一份好菜，但太貴;想穿一件時(shí)髦的衣服，但太過(guò)招搖;想坐車(chē)，但有人說(shuō)應(yīng)該步行，因?yàn)樽?chē)會(huì)影響環(huán)境等。當(dāng)人們?cè)噲D用某種方法去實(shí)現(xiàn)所需要的功能(有利效應(yīng))卻產(chǎn)生了另一方面的不足(產(chǎn)生了不利效應(yīng))時(shí)，TRIZ就稱(chēng)之為出現(xiàn)了技術(shù)沖突。

3)物理沖突。物理沖突與技術(shù)沖突有著截然不同的定義。物理沖突只涉及系統(tǒng)中的一種性能指標(biāo)，其矛盾在于:為了某種功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)某個(gè)性能指標(biāo)提出完全相反的要求(或?qū)υ撟酉到y(tǒng)或部件提出了相反的要求)［2］。

沖突解決流程見(jiàn)圖1。

圖1 沖突解決流程

1.2 物－場(chǎng)模型分析

TRIZ中所謂的物－場(chǎng)模型指的是構(gòu)成功能各組件之間關(guān)系的模型，而物－場(chǎng)模型分析則是對(duì)技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素之間相互關(guān)系和相互作用進(jìn)行分析的一種方法［5］。

阿奇舒勒通過(guò)對(duì)功能的組成特點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了3條定律:① 所有的功能都可以分解為3個(gè)基本元素(S1，S2，F(xiàn));② 一個(gè)存在的功能必定由這3個(gè)基本元素組成;③將相互作用的3個(gè)基本元素進(jìn)行有機(jī)組合將形成一個(gè)功能［4］。舉例說(shuō)明建立吸塵器清潔地毯的物－場(chǎng)模型。在本例中地毯是需要改變的對(duì)象(改變其清潔度)，所以地毯是工件(S1);吸塵器的吸頭直接作用于地毯，它是工具(S2);而其中的場(chǎng)則與所采用的效應(yīng)有關(guān)，如果是靜電吸塵器，采用的是靜電場(chǎng)(F1)，如果是真空吸塵器，則是壓力場(chǎng)(F2)等［7］。

利用物場(chǎng)模型方法對(duì)技術(shù)系統(tǒng)分析后，可以將其歸納到不同的類(lèi)別中。對(duì)于每種類(lèi)別來(lái)說(shuō)，它們都有自己特別的、規(guī)范的解題方法，即為標(biāo)準(zhǔn)解［8］。顯然標(biāo)準(zhǔn)解具有特定性、通用性和普遍性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得物場(chǎng)分析與標(biāo)準(zhǔn)解在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)更具有廣泛性［6］。物場(chǎng)模型解題模式見(jiàn)圖2。

圖2 物場(chǎng)模型的解題模式

2 TRIZ理論在蔬菜苗嫁接機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 嫁接機(jī)的主要機(jī)械機(jī)構(gòu)及運(yùn)作步驟

本嫁接機(jī)機(jī)械部分有3個(gè)關(guān)鍵部分，即砧、穗木苗切削機(jī)構(gòu)，推夾機(jī)構(gòu)和供苗臺(tái)機(jī)構(gòu)(圖3)。推夾機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)是整個(gè)嫁接機(jī)最核心和最關(guān)鍵的部分，因?yàn)橥茒A機(jī)構(gòu)的精度和質(zhì)量直接影響嫁接的成敗。經(jīng)過(guò)調(diào)試試驗(yàn)證明:該機(jī)構(gòu)可以基本保證嫁接所需的要求，但其穩(wěn)定性一般，故障率偏高，所以推夾機(jī)構(gòu)的優(yōu)化是后續(xù)需要不斷探索和研究的主要內(nèi)容。韓國(guó)同類(lèi)型的產(chǎn)品，其嫁接的可靠性更高，故障率更低，實(shí)用性更強(qiáng)，最關(guān)鍵在于其推夾部分的設(shè)計(jì)更合理。

本嫁接所采用的是砧、穗木苗分切機(jī)構(gòu)。這樣不僅減小了每個(gè)切削機(jī)構(gòu)的切削阻力，而且可使砧、穗木分開(kāi)調(diào)試，使得維護(hù)更方便，同時(shí)設(shè)計(jì)的合理性并沒(méi)有影響嫁接機(jī)的工作效率。

供苗臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于提高嫁接機(jī)工作效率起著至關(guān)重要的作用，不應(yīng)該被忽視。原中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)樣機(jī)采用的是兩側(cè)對(duì)稱(chēng)供苗的方式。該方式保證了切削的位置，提高了砧、穗木嫁接的精度，最重要的是使得操作人員操作起來(lái)更方便。本嫁接機(jī)所采用的是單側(cè)(穗木)供苗機(jī)構(gòu)，砧木部分沒(méi)有設(shè)置供苗機(jī)構(gòu)。這樣就無(wú)法保證一個(gè)固定的切削位置，需要操作人員仔細(xì)觀察，因而對(duì)操作人員的要求比較高，可靠性較低，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，并在一定程度上降低了安全性。

由于本嫁接機(jī)搬運(yùn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)采用的是雙氣缸上下串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，對(duì)加工精度和裝配精度要求很高，而實(shí)際上都無(wú)法達(dá)到所要求的精度。同時(shí)，氣缸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力對(duì)機(jī)構(gòu)造成的影響很大，無(wú)法保證嫁接所需的高精度，因此總體的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度不高。

本嫁接機(jī)完成嫁接涉及到砧木苗、穗木苗的夾推、搬運(yùn)，以及夾子的推送，而嫁接機(jī)的機(jī)構(gòu)總成又事關(guān)嫁接是否成功，所以可以利用TRIZ理論中的矛盾分析法和物－場(chǎng)解決原理來(lái)討論。

圖3 自主設(shè)計(jì)的蔬菜苗嫁接機(jī)

2.2 嫁接機(jī)嫁接過(guò)程中所涉及到的技術(shù)沖突

在本嫁接機(jī)的嫁接過(guò)程中涉及到的技術(shù)沖突主要有:砧木苗、穗木苗的供苗速度慢，嫁接效率低，需要依靠2個(gè)人在兩側(cè)供苗，若是增加供苗的人數(shù)，供苗速度加快，效率有所提升，但卻浪費(fèi)了勞動(dòng)力，耗費(fèi)人力資源，增加了成本;搬運(yùn)砧木和穗木苗的機(jī)械手臂是由氣缸驅(qū)動(dòng)，在嫁接過(guò)程中噪聲大，而且精度不高，若是對(duì)氣缸進(jìn)行改進(jìn)，使其噪音減小，精度提升，則會(huì)使得操作繁冗，技術(shù)難度增加，成本增加;整個(gè)嫁接機(jī)的工作臺(tái)較小，效率不是很高，若是擴(kuò)大工作臺(tái)的面積，雖會(huì)提高效率，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)機(jī)器質(zhì)量的增加，移動(dòng)困難等問(wèn)題。依照 TRIZ理論對(duì)39個(gè)工程參數(shù)描述如下:

希望改進(jìn)的參數(shù):靜止件的體積(NO.8);速度(NO.9);結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(NO.13);制造精度(NO.29);生產(chǎn)率(NO.39)。

以上5種參數(shù)的改善將導(dǎo)致如下4種參數(shù)的惡化:靜止件的質(zhì)量(NO.2);物質(zhì)的損失(NO.23);可制造性(NO.32);可操作性(NO.33)。

2.3 運(yùn)用阿奇舒勒沖突矩陣選取合適的發(fā)明原理

嫁接機(jī)機(jī)構(gòu)的技術(shù)沖突見(jiàn)表1，需要改進(jìn)的參數(shù)為 8、9、13、29、39，帶來(lái)的惡化參數(shù)有 2、23、32、33。根據(jù)阿奇舒勒沖突矩陣所列舉的發(fā)明原理可選擇發(fā)明原理 14、28、40。

1)發(fā)明原理14。曲線(xiàn)、曲面畫(huà)法:在供苗時(shí)采用一個(gè)圓盤(pán)式的機(jī)構(gòu)，在圓盤(pán)的邊緣可以?shī)A持多支木苗，圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)木苗的步進(jìn)輸送。這樣提高了生產(chǎn)率，減少了人力資源的浪費(fèi)，使得結(jié)構(gòu)更合理化。

2)發(fā)明原理28。機(jī)械系統(tǒng)的替代:這里主要是指用轉(zhuǎn)盤(pán)式的夾苗機(jī)構(gòu)來(lái)替代人力的供給，這樣既減少了物質(zhì)資源的浪費(fèi)，又提高了生產(chǎn)效率。

3)發(fā)明原理40。復(fù)合材料:在增大工作臺(tái)體積的同時(shí)也增加了裝備的質(zhì)量，使得移動(dòng)較困難，換成復(fù)合材料后，既擴(kuò)大了工作臺(tái)的面積，也提高了產(chǎn)量，而且還能使得整體裝備的質(zhì)量不會(huì)有大的提升。

表1 沖突解決矩陣(部分矩陣)

將發(fā)明原理應(yīng)用到本嫁接機(jī)工作臺(tái)表面，如圖4所示。

圖4 嫁接機(jī)工作臺(tái)表面簡(jiǎn)圖

2.4 嫁接機(jī)系統(tǒng)內(nèi)物－場(chǎng)分析模型

嫁接機(jī)整體嫁接的工作過(guò)程包括砧木、穗木苗的夾取、切削、搬運(yùn)，進(jìn)而通過(guò)推夾裝置推動(dòng)苗夾進(jìn)行嫁接。整個(gè)工作流程采用電機(jī)與氣缸共同作用完成嫁接，當(dāng)苗夾實(shí)現(xiàn)對(duì)木苗的嫁接，還要通過(guò)氣缸使其松開(kāi)，然后通過(guò)傳送帶滑下。在這個(gè)系統(tǒng)流程中，苗夾對(duì)順利推送起著關(guān)鍵性的作用。

嫁接機(jī)整體系統(tǒng)中必存在小問(wèn)題引起的沖突，這就需要采用物－場(chǎng)分析模型來(lái)進(jìn)行分析(圖5)。首先建立模型，其中:S1為夾苗推送裝置;S2為夾苗;F表示機(jī)械能。若S2夾苗在S1推送裝置中被卡住或是運(yùn)行不平滑受阻，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)嫁接過(guò)程的停滯或失敗，所以有必要引進(jìn)推桿導(dǎo)軌S3。

圖5 夾苗推送機(jī)構(gòu)對(duì)夾苗的物－場(chǎng)分析模型

2.5 嫁接機(jī)機(jī)構(gòu)整體的設(shè)計(jì)方案

嫁接機(jī)的整體結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、苗木搬運(yùn)機(jī)械臂、切削機(jī)構(gòu)、砧木苗盤(pán)夾持裝置、苗夾推送裝置以及苗夾，傳送帶等。圖6所示是用solidworks繪制的三維模型。

圖6 嫁接機(jī)整體機(jī)構(gòu)三維模型

改進(jìn)后的嫁接機(jī)較之前更加人性化，不僅提高了生產(chǎn)效率，減少了人力、物力資源的損失，而且在機(jī)器本身的美觀度上也得以大大改進(jìn)(圖7)?？傊琓RIZ理論在嫁接機(jī)的改進(jìn)中得以充分應(yīng)用，且效果良好。

圖7 改進(jìn)嫁接機(jī)樣機(jī)

3 結(jié)束語(yǔ)

TRIZ理論包括發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題、沖突及解決沖突的發(fā)明原理和物－場(chǎng)分析模型。在加速開(kāi)發(fā)新型農(nóng)林業(yè)新產(chǎn)品的過(guò)程中，TRIZ理論作為創(chuàng)新理論作出了突出貢獻(xiàn)。TRIZ理論將創(chuàng)新思想進(jìn)行了科學(xué)的整理與提煉，為現(xiàn)代機(jī)械機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)創(chuàng)了一套可行、可靠的科技理論指導(dǎo)體系［9－12］。本文將沖突解決原理、阿奇舒勒矛盾矩陣模型以及發(fā)明原理等充分應(yīng)用于嫁接機(jī)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新改進(jìn)中，并且分析了系統(tǒng)存在的中小問(wèn)題，用物－場(chǎng)模型原理建立理論模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。在具體問(wèn)題的研究上，首先對(duì)技術(shù)沖突進(jìn)行了確認(rèn)，借鑒標(biāo)準(zhǔn)的工程參數(shù)選擇相對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，在發(fā)明原理的基礎(chǔ)上確定嫁接機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最終確定嫁接機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)，并且完整制造出新的樣機(jī)。TRIZ理論在本嫁接機(jī)中的實(shí)際運(yùn)用證實(shí)了其在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的重要意義，也使得TRIZ理論與實(shí)踐相結(jié)合的思想觀念顯得尤為重要。

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