馬延強(qiáng)，肖軍杰,1c,1d，郭順生，齊元勝，邵麗蓉，程前

基于TRIZ理論的模切壓力試驗平臺設(shè)計與分析

馬延強(qiáng)1a,1b，肖軍杰1a,1b,1c,1d，郭順生1a,2，齊元勝1a,1b，邵麗蓉1a,1b，程前1a,1b

（1.北京印刷學(xué)院 a.機(jī)電工程學(xué)院 b.智能制造實(shí)驗室 c.數(shù)字化印刷裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗室 d.印刷裝備北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 102600；2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070）

利用發(fā)明問題解決理論（TRIZ）設(shè)計一種試驗平臺，來解決模切機(jī)上的模切壓力難以直接檢測的問題。首先文中引入光纖Bragg光柵傳感器來檢測模切壓力，針對光纖Bragg光柵傳感器自身特點(diǎn)，結(jié)合TRIZ理論中的因果鏈分析與完備性法則，形成直接檢測模切壓力的初步設(shè)計方案。其次利用矛盾解決原理提高初步設(shè)計方案中的穩(wěn)定性、測量精度和抗變形性，并通過物質(zhì)–場模型分析法對初步設(shè)計方案中的底座結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，得到試驗平臺的總體設(shè)計方案。最后對試驗平臺的關(guān)鍵零件進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。關(guān)鍵零件——頂板的最大應(yīng)力和最大變形量分別為77.063 MPa、0.525 24 mm，表明強(qiáng)度和剛度均滿足要求，并且不會發(fā)生共振現(xiàn)象，驗證了基于TRIZ理論設(shè)計的試驗平臺可以滿足光纖Bragg光柵傳感器的工作要求。利用TRIZ理論來指導(dǎo)模切壓力試驗平臺的創(chuàng)新設(shè)計，為精確測量模切機(jī)的模切壓力提供了新方法。

模切機(jī)；檢測平臺；TRIZ理論；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

模切機(jī)作為印刷包裝行業(yè)內(nèi)一種十分重要的設(shè)備[1]，主要進(jìn)行印后劃線、模切加工等印后工序，在包裝印刷領(lǐng)域起著重要作用。模切過程中，模切機(jī)的模切壓力是一個很難確定但非常重要的動態(tài)參數(shù)，是影響整個模切機(jī)性能的重要指標(biāo)。由于模切機(jī)的結(jié)構(gòu)、空間等多方面限制，常見的壓力傳感器無法安裝，使得模切材料壓痕處的壓力難以直接檢測，導(dǎo)致無法精確反映和控制被壓材料壓痕處的壓力大小和分布狀態(tài)?，F(xiàn)有的模切壓力檢測方法已進(jìn)入瓶頸階段，難以取得實(shí)質(zhì)性的理論創(chuàng)新和技術(shù)突破，因此，亟需一種檢測精度高、效率高、響應(yīng)迅速的模切壓力檢測試驗平臺，精準(zhǔn)測量模切機(jī)壓痕處的實(shí)際受力，從而滿足模切技術(shù)新的發(fā)展要求。

國內(nèi)外關(guān)于模切壓力檢測研究目前仍處于理論、試驗和仿真階段。焦琳青等[2]將微膠囊感壓傳感技術(shù)引入到模切壓力的測試中，并提出了2種模切壓力測試方法與5種測試數(shù)據(jù)分析處理方法。薛超志等[3]將試驗與理論相結(jié)合，對模切壓力的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素進(jìn)行了研究與分析，建立了模切壓力測試平臺。王強(qiáng)[4]利用墻板變形量間接測量模切壓力，設(shè)計了在線模切壓力測試系統(tǒng)。Martin等[5]提出了平壓平模切機(jī)隨模切過程逐步施壓方法，提高了平壓平模切機(jī)切割模的壽命。Panu等[6]研究了模切材料對模切壓力的影響，為模切壓力的測量提供了參考。

針對模切機(jī)模切壓力難以直接檢測的難題，文中擬提出通過光纖Bragg光柵傳感器檢測模切壓力，并利用應(yīng)變片式壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。通過位于試驗平臺下方的千斤頂來產(chǎn)生模切壓力，在SolidWorks軟件中設(shè)計基于TRIZ理論的光纖Bragg光柵傳感器模切壓力檢測試驗平臺，并對試驗平臺的關(guān)鍵零件利用Ansys Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，驗證了設(shè)計方案的合理性。

1 分析問題和初步設(shè)計方案

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）來源于阿奇舒勒對250萬份專利的總結(jié)和分析，TRIZ理論能夠使設(shè)計者清晰地分析問題，并快速找到問題的本質(zhì)或沖突[7]。TRIZ作為有效的創(chuàng)新理論和方法，被廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域內(nèi)[8]。

1.1 光纖Bragg光柵工作原理

光纖Bragg光柵是一種具有波長調(diào)制作用的光纖無源器件，具有精度高、體積小、易安裝、抗干擾能力強(qiáng)、不易受環(huán)境制約等諸多優(yōu)勢[9]。光纖Bragg光柵本質(zhì)相當(dāng)于一個窄帶濾波器，當(dāng)寬帶光在光纖中傳輸時，大部分頻段的光將會透射過去，而只有滿足Bragg光柵中心波長條件的波段才會被反射回來，其余的寬帶光繼續(xù)透射穿過光柵[10]。光纖Bragg光柵原理[11]見圖1。圖1中為光譜強(qiáng)度；bi為光纖Bragg光柵反射光的中心波長，=1, 2, …,。當(dāng)光纖Bragg光柵的受力狀態(tài)變化時，反射光的中心波長將發(fā)生變化，通過檢測中心波長的漂移量可得到被測物理量的值。

圖1 光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)及工作原理

1.2 問題描述

針對模切機(jī)模切壓力難以直接檢測的難題，文中擬提出基于光纖Bragg光柵工作原理檢測模切壓力的方法，即通過檢測Bragg波長的移動量來實(shí)現(xiàn)模切壓力的檢測。由于光纖Bragg光柵傳感器的芯層對折射率和光柵周期變化非常敏感，這就對試驗平臺的穩(wěn)定性、測量精度和抗變形性提出了較高要求，因此在設(shè)計試驗平臺時，要確保光纖Bragg光柵傳感器對模切壓力測量的精確性。

1.3 因果鏈分析

因果鏈分析法通過構(gòu)建研究對象的因果鏈，指出事件發(fā)生的原因和導(dǎo)致的結(jié)果。因果鏈分析法作為現(xiàn)代TRIZ理論中分析問題的一個重要工具，它能夠找到隱藏在工程系統(tǒng)中更深層次的原因，挖掘隱藏在初始缺點(diǎn)背后的更多缺點(diǎn)，建立初始起點(diǎn)與各個底層缺點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，為解決問題提供更加深入的分析，并找到更多解決問題的突破口。對試驗平臺進(jìn)行因果鏈分析，得到因果鏈分析圖見圖2。

根據(jù)圖2可知，模切材料是放置在平臺上，沒有固定連接，因此可以將光纖Bragg光柵傳感器放置在模切材料與平臺之間，光纖Bragg光柵傳感器能夠直接與模切材料接觸，進(jìn)而直接測量模切材料上的壓力分布情況。

1.4 完備性法則

完備性法則可描述為系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)功能，必需具備保障最低工作能力的基本組成要素和基本聯(lián)系。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的某一功能，一個完備技術(shù)系統(tǒng)的基本要素通常包括：控制裝置、動力裝置、傳動裝置和執(zhí)行裝置。利用完備性法則對模切壓力檢測試驗平臺的構(gòu)成要素進(jìn)行分析。首先，從能量傳遞的角度展示試驗平臺中各個子系統(tǒng)之間的關(guān)系；技術(shù)系統(tǒng)從能量源處獲得能量，將能量轉(zhuǎn)換并作用到對象上。如果缺少其中任何一部分，則系統(tǒng)將不能成為一個完備的技術(shù)系統(tǒng)，若其中任何一個部分失效，則整個技術(shù)系統(tǒng)都將無法工作。分析結(jié)果見圖3。

圖2 因果鏈分析

圖3 技術(shù)系統(tǒng)完備性

1.5 初步設(shè)計方案

針對模切機(jī)模切壓力難以直接檢測的難題，利用因果鏈分析、系統(tǒng)完備性法則，并結(jié)合應(yīng)變片式壓力傳感器的外形結(jié)構(gòu)和光纖Bragg光柵傳感器自身結(jié)構(gòu)的要求，得到初步設(shè)計方案，見圖4。

1.螺紋孔；2.頂板；3.活動板1；4.應(yīng)變片式壓力傳感器（用于標(biāo)定）；5.角鐵；6.活動板2；7.底板；8.千斤頂；9.光纖Bragg光柵傳感器；10.模切材料。

2 運(yùn)用TRIZ理論工具解決問題

運(yùn)用TRIZ理論工具中的“矛盾解決原理”和“物質(zhì)–場模型”對試驗平臺的初步設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，從而滿足實(shí)際需求。

2.1 基于“矛盾解決原理”的方案優(yōu)化

“矛盾解決原理”是TRIZ理論中的常用方法，矛盾主要有技術(shù)矛盾和物理矛盾。技術(shù)矛盾是指當(dāng)在系統(tǒng)中改善一個特性或者參數(shù)時，將導(dǎo)致另一個特性或者參數(shù)發(fā)生惡化，物理矛盾是指系統(tǒng)中的單個特性或者參數(shù)存在矛盾。解決技術(shù)矛盾的基本目標(biāo)在于：改善系統(tǒng)的某一個特性或者參數(shù)，至少要保證與其相關(guān)的其他特性或者參數(shù)不會發(fā)生惡化。

2.1.1 技術(shù)矛盾矩陣分析

測量精度是衡量試驗平臺性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而要提高試驗平臺的測量精度，就需對試驗平臺系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和動力源提出高要求。這將增加試驗平臺的復(fù)雜程度，使其可維修性下降；這便導(dǎo)致測量精度分別與系統(tǒng)的復(fù)雜性、可維修性構(gòu)成了技術(shù)矛盾，測量精度是預(yù)改善的參數(shù)，系統(tǒng)的復(fù)雜性和可維修性是被惡化的參數(shù)，其構(gòu)成的矛盾矩陣見表1。

試驗平臺要精確模擬模切機(jī)的真實(shí)工作環(huán)境，那么試驗平臺的穩(wěn)定性尤為重要。為提高試驗平臺的穩(wěn)定性，采用提高試驗平臺結(jié)構(gòu)剛度和材料強(qiáng)度的方法，將會導(dǎo)致試驗平臺局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，這樣就出現(xiàn)了提高試驗平臺的穩(wěn)定性與試驗平臺局部應(yīng)力集中的這一組矛盾。穩(wěn)定性是預(yù)改善參數(shù)，應(yīng)力集中即作用于對象的有害因素，即是被惡化的參數(shù)，構(gòu)成的矛盾矩陣見表1。表1中數(shù)字為39個通用工程參數(shù)序號或40個發(fā)明原理編號[12]。

表1 技術(shù)矛盾矩陣分析

Tab.1 Matrix analysis of technical contradiction

2.1.2 發(fā)明原理的遴選

通過對試驗平臺設(shè)計需求分析，有3種可應(yīng)用的發(fā)明原理，分別為第1條“分割原理”、第13條“反向作用”和第35條“物理/化學(xué)參數(shù)變化”。

2.1.3 方案的改進(jìn)

為提高試驗平臺的測量精度，將初步設(shè)計方案中的角鐵替換為支撐光桿。利用“分割原理”對試驗平臺支撐光桿的連接部分進(jìn)行分離，不再使用焊接固定的方式。利用“反向作用”和“物理參數(shù)變化”延長支撐光桿端部的螺紋長度，通過螺母連接和階梯軸共同實(shí)現(xiàn)支撐光桿的固定。結(jié)合對試驗平臺穩(wěn)定性和測量精度的要求，對試驗平臺結(jié)構(gòu)模型做進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 基于“物質(zhì)–場模型”的底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

物質(zhì)–場模型分析法指從物質(zhì)與場的角度出發(fā)，用來分析和構(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論與方法[13-14]。根據(jù)底座的平面結(jié)構(gòu)，當(dāng)與底板接觸的地面不平整時，就會造成試驗平臺傾斜，導(dǎo)致試驗平臺偏心，產(chǎn)生很大的非對稱沖擊載荷，影響試驗結(jié)果，并且底板在搬運(yùn)過程中不易移動，因此，根據(jù)TRIZ理論中有害效應(yīng)的完整物質(zhì)–場模型，應(yīng)用一般解法3，可通過引入一個機(jī)械場（文中指地腳）F2來解決上述問題。

在底板與地面之間加入地腳，地腳與底板通過螺栓螺母連接，地腳與地面直接接觸，底板與地面之間形成高度間隙，則會提高搬運(yùn)試驗平臺的方便程度。建立底座部分與地面接觸的物質(zhì)–場模型，見圖5。

圖5 加入機(jī)械場F2消除有害效應(yīng)的物質(zhì)–場模型

2.3 總體設(shè)計方案

根據(jù)初步設(shè)計方案，利用“矛盾分析原理”方法得到的可能解，并結(jié)合物質(zhì)–場模型分析結(jié)果，對初步設(shè)計方案中不同模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而滿足光纖Bragg光柵傳感器對模切壓力檢測試驗平臺的設(shè)計要求，并在SolidWorks軟件中建立試驗平臺的三維模型，見圖6。

1.L形固定塊；2.頂板；3.頂板連接螺母；4.活動板1；5.活動板2；6.直線軸承；7.支撐光桿；8.底板連接螺母；9.鋼條；10.地腳；11.底板；12.千斤頂；13.應(yīng)變片式壓力傳感器（用于標(biāo)定）；14.光纖Bragg光柵傳感器；15.模切材料。

為增加試驗平臺的功能，并考慮到模切板的幅面大小有所不同，因此在頂板設(shè)置了多組通孔，以實(shí)現(xiàn)不同幅面模切板的固定。為提高底板的剛度，在千斤頂與底板之間加入3根較高強(qiáng)度和剛度的鋼條，使得千斤頂?shù)姆醋饔昧δ軌蚓鶆蚍植嫉降装迳?，防止?yīng)力集中?；顒影搴椭喂鈼U之間通過直線軸承連接，減小摩擦對試驗平臺測量精度的影響。

圖6中，模切材料放置在光纖Bragg光柵傳感器的上表面，且位于頂板的下方，光纖Bragg光柵傳感器放置在活動板1的上表面，而活動板1整體置于應(yīng)變片式壓力傳感器上，應(yīng)變片式壓力傳感器通過活動板2連接在千斤頂上。模切板通過L形固定塊連接在頂板上，千斤頂為試驗平臺的動力裝置，采用應(yīng)變片式壓力傳感器標(biāo)定光纖Bragg光柵傳感器的模切壓力。

3 理論計算與仿真

3.1 模切壓力計算方法

模切壓力是通過模切板上的鋼刀和鋼線來傳遞和實(shí)現(xiàn)，即將模切壓力轉(zhuǎn)換為鋼刀和鋼線的線壓[15]。模切壓力的大小可以根據(jù)切口、壓線的總長計算出來，見式（1）。

(1)

在忽略直線軸承與支撐光桿的摩擦力時，模切板所受的模切壓力為千斤頂輸出的力，即應(yīng)變片式壓力傳感器所標(biāo)定的力，也是光纖Bragg光柵傳感器所測量的力，這就實(shí)現(xiàn)了利用應(yīng)變片式壓力傳感器標(biāo)定光纖Bragg光柵傳感器所測量模切板上的模切壓力。

3.2 頂板靜力學(xué)分析

利用Ansys Workbench軟件對試驗平臺模型進(jìn)行有限元分析。試驗平臺工作時，模切板的壓力直接作用在頂板下平面。為安裝L形固定塊，頂板上開了多組通孔，對頂板強(qiáng)度有著很大的削弱作用；同時支撐光桿也通過螺母連接在頂板上。由于頂板在整個系統(tǒng)中是連接各主要零部件的關(guān)鍵零件，其受力情況及其使用頻率在整個試驗平臺中最為復(fù)雜，因此，對關(guān)鍵零件即頂板進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。

由于頂板下方的活動板1只有在千斤頂?shù)淖饔孟虏拍芙佑|到模切板的鋼刀，并產(chǎn)生模切壓力，而接觸后的受力特性仍屬于靜力學(xué)范疇，因此對頂板作靜力學(xué)分析。在SolidWorks中建立600 mm×500 mm× 15 mm的頂板模型，導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中，選擇靜力學(xué)分析模塊Static Structural。頂板材料選用Q235B鋼，其材料性能參數(shù)[16]見表2。

表2 Q235B鋼性能參數(shù)

Tab.2 Property parameters of Q235B steel

對頂板模型進(jìn)行離散化處理，采用全局網(wǎng)格控制進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后共計79 414個單元、132 277個節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工況，對頂板的上平面螺母連接處施加固定約束，并在頂板的上、下2個平面分別施加模切板和支撐光桿沿試驗平臺軸方向的載荷，大小均為20 kN。計算總變形和等效應(yīng)力，得到的結(jié)果見圖7。

從圖7a的等效應(yīng)力云圖能夠看出，頂板最大應(yīng)力為77.063 MPa，發(fā)生在螺栓孔處；其余部位的應(yīng)力較低，普遍在50 MPa以下，且頂板的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力（235 MPa），頂板承受的壓應(yīng)力處于彈性變形區(qū)間。

從圖7b的變形云圖可以看出，頂板中間的區(qū)域會產(chǎn)生較大變形，且最大變形量為0.525 24 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度極限對應(yīng)的變形量（16.785 71 mm），可以滿足試驗要求。

圖7 頂板靜力學(xué)分析結(jié)果

綜上，頂板的靜力學(xué)分析結(jié)果表明，Q235B的力學(xué)性能參數(shù)滿足試驗平臺的工作要求。

3.3 頂板模態(tài)分析

為進(jìn)一步對頂板進(jìn)行深入分析和研究，還需進(jìn)行模態(tài)分析[17]。模態(tài)分析主要是求出零件的固有頻率，使工作頻率盡量避開固有頻率，防止發(fā)生共振，影響試驗結(jié)果。給頂板添加固定約束，采用自由模態(tài)進(jìn)行分析。頂板的振動過程為無阻尼自由振動，其動力微分方程為：

(2)

式中：為頂板的質(zhì)量；為頂板的剛度；為頂板的位移矢量。

由于頂板的無阻尼自由振動為簡諧振動，則式（2）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

(3)

在Ansys Workbench軟件中選擇Modal模塊進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析過程與靜力學(xué)分析過程相似，設(shè)置與頂板靜力學(xué)分析同樣的材料屬性和網(wǎng)格劃分等。在進(jìn)行模態(tài)分析時，對頂板施加固定約束，模態(tài)提取方法采用軟件默認(rèn)的模態(tài)分析模塊。由于低階固有頻率對試驗平臺的影響較大，因此模態(tài)分析得到的頂板前6階固有頻率見表3。

通過分析表3可知，隨著階數(shù)的增加固有頻率也不斷增加；階數(shù)為1時，對應(yīng)的頻率為208.28 Hz。由于千斤頂是通過人工加載，產(chǎn)生的激勵頻率遠(yuǎn)小于1階對應(yīng)的固有頻率（208.28 Hz），因此在模切壓力試驗的過程中，頂板不會發(fā)生共振，試驗平臺不會存在共振的問題而影響試驗結(jié)果。

表3 頂板前6階固有頻率

Tab.3 The first 6 natural frequencies of roof

4 結(jié)語

運(yùn)用TRIZ理論中的因果鏈分析、完備性法則進(jìn)行分析，找到試驗平臺設(shè)計時需要注意的問題；結(jié)合應(yīng)變片式壓力傳感器的外形結(jié)構(gòu)和光纖Bragg光柵傳感器自身結(jié)構(gòu)的要求，利用SolidWorks軟件創(chuàng)造性的提出了基于TRIZ理論的光纖Bragg光柵傳感器模切壓力檢測試驗平臺的初步設(shè)計方案。

基于TRIZ沖突矩陣39個工程參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)表，在40個發(fā)明原理表中選出主要的參考發(fā)明原理，結(jié)合物質(zhì)–場模型，對初步設(shè)計方案進(jìn)一步優(yōu)化，并在SolidWorks軟件中建立了試驗平臺的總體設(shè)計方案。

利用Ansys Workbench軟件對關(guān)鍵零件即頂板進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。分析結(jié)果表明，頂板的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，不會發(fā)生共振，驗證了基于TRIZ理論設(shè)計的試驗平臺可以滿足光纖Bragg光柵傳感器的工作要求，為相關(guān)研究人員解決模切機(jī)壓力檢測問題提供參考和支撐。

[1] 胡智. 模切機(jī)專利技術(shù)綜述[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2016, 35(11): 1-3.

HU Zhi. Summary of Patent Technology of Die Cutting Machine[J]. Technological Development of Enterprise, 2016, 35(11): 1-3.

[2] 焦琳青, 王儀明, 武淑琴, 等. 基于微膠囊感壓傳感原理的模切壓力測試方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計, 2019, 36(5): 100-104.

JIAO Lin-qing, WANG Yi-ming, WU Shu-qin, et al. Die-Cutting Pressure Test Based on Micro-Capsule Pressure Sensing[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(5): 100-104.

[3] 薛超志, 齊元勝, 王曉華, 等. 模切壓力機(jī)理分析與實(shí)驗研究[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報, 2011, 19(2): 39-42.

XUE Chao-zhi, QI Yuan-sheng, WANG Xiao-hua, et al. The Mechanism Analysis and Experiment Research about Die-Cutting Pressure[J]. Journal of Beijing Institute of Graphic Communication, 2011, 19(2): 39-42.

[4] 王強(qiáng). 平壓平模切機(jī)工作壓力在線檢測系統(tǒng)研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2009: 5-10.

WANG Qiang. Research of the Real Time Pressure Online Test System of the Vertical Platen Die-Cutting Machine[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2009: 5-10.

[5] MARTIN K, PAUL W. The Die-Cutting Revolution[J]. International Paper Board Industry, 2011, 54(1): 50-53.

[6] TANNINEN P, LEMINEN V, LINDELL H, et al. Adjusting the Die Cutting Process and Tools for Biopolymer Dispersion Coated Paperboards[J]. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 2015, 30(2): 336-343.

[7] CEMPEL C. Application of TRIZ Approach to Machine Vibration Condition Monitoring Problems[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2013, 41(1/2): 328-334.

[8] 劉晨敏. 基于TRIZ理論的紙盒包裝機(jī)成型機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析[J]. 包裝工程, 2020, 41(9): 193-198.

LIU Chen-min. Design and Analysis of the Shaping Machinery for Carton Forming Machine Based on TRIZ Theory[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(9): 193-198.

[9] 馬加驍, 王永洪, 張明義, 等. 基于光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的不同樁徑靜壓樁貫入特性研究[J]. 中國激光, 2020, 47(5): 429-438.

MA Jia-xiao, WANG Yong-hong, ZHANG Ming-yi, et al. Penetration Characteristics of Jacked Piles with Different Pile Diameters Based on Fiber Bragg Grating Sensing Technology[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(5): 429-438.

[10] 韓旭, 郭樹城, 韓愛福, 等. 基于光纖Bragg光柵傳感器的車輛載重動態(tài)檢測系統(tǒng)的初步開發(fā)[J]. 通訊世界, 2016(24): 269-270.

HAN Xu, GUO Shu-cheng, HAN Ai-fu, et al. Preliminary Development of Vehicle Load Dynamic Detection System Based on Fiber Bragg Grating Sensor[J]. Telecom World, 2016(24): 269-270.

[11] 樊慶賡. 基于光纖光柵的壓力傳感特性研究[D]. 西安: 西安石油大學(xué), 2020: 5-10.

FAN Qing-geng. Research on Pressure Sensing Characteristics Based on Fiber Bragg Grating[D]. Xi'an: Xi'an Shiyou University, 2020: 5-10.

[12] 李正峰, 王吳光, 陳玉海. 基于TRIZ理論的錘式破碎機(jī)新型錘頭研究[J]. 礦山機(jī)械, 2015, 43(12): 87-91.

LI Zheng-feng, WANG Wu-guang, CHEN Yu-hai. Study on New-Type Hammerhead of Hammer Crusher Based on TRIZ Theory[J]. Mining & Processing Equipment, 2015, 43(12): 87-91.

[13] 王成軍, 張玉平, 沈豫浙. 基于TRIZ理論的拋掛裝置優(yōu)化設(shè)計[J]. 機(jī)電工程, 2020, 37(9): 1115-1120.

WANG Cheng-jun, ZHANG Yu-ping, SHEN Yu-zhe. Optimization Design of Throwing Device Based on TRIZ Theory[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2020, 37(9): 1115-1120.

[14] 朱槐春, 鄧援超, 徐一鳴, 等. 基于TRIZ理論的高速套袋機(jī)移外袋裝置的應(yīng)用[J]. 包裝工程, 2020, 41(21): 190-195.

ZHU Huai-chun, DENG Yuan-chao, XU Yi-ming, et al. Application of High-Speed Bag-Packing Machine Removal Bag Device Based on TRIZ Theory[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(21): 190-195.

[15] 段純. 如何更準(zhǔn)確地確定新產(chǎn)品的模切壓力[J]. 印刷世界, 2008(1): 43-44.

DUAN Chun. How to Determine the Die-Cutting Pressure of New Products more Accurately[J]. Print World, 2008(1): 43-44.

[16] 方昆凡. 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計手冊–機(jī)械工程材料單行本[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2020: 62-63.

FANG Kun-fan. Handbook of Modern Mechanical Design-Mechanical Engineering Materials: Single Book Sub-Title: Mechanical Engineering Materials[M]. 2nd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2020: 62-63.

[17] 李春泉, 邵永安, 趙帥峰, 等. 線纜剪切裝置的動力學(xué)仿真分析及試驗研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2017(10): 191-194.

LI Chun-quan, SHAO Yong-an, ZHAO Shuai-feng, et al. Dynamic Simulation Analysis and Experimental Study of the Cable Cutting Device[J]. Machinery Design & Manufacture, 2017(10): 191-194.

Design and Analysis of Die-cutting Pressure Test Platform Based on TRIZ Theory

MA Yan-qiang1a,1b, XIAO Jun-jie1a,1b,1c,1d, GUO Shun-sheng1a,2, QI Yuan-sheng1a,1b,SHAO Li-rong1a,1b, CHENG Qian1a,1b

(1. a. School of Mechanical and Electrical Engineering b. Intelligent Manufacturing Laboratory c. Beijing Key Laboratory of Digital Printing Equipment d. Engineering Research Center of Printing Equipment of Beijing Universities, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to design a test platform based on TRIZ theory to solve the problem that it is hard to directly detect the die-cutting pressure on the die-cutting machine. Firstly, the fiber Bragg grating sensor was introduced to detect the die-cutting pressure. According to the characteristics of the fiber Bragg grating sensor, and combined with the Cause Effect Chain Analysis and completeness rule in TRIZ theory, a preliminary design scheme for directly detecting the die-cutting pressure was formed. Secondly, the stability, measurement accuracy and deformation resistance in the preliminary design scheme were improved with the principle of conflict resolution. The base structure in the preliminary scheme was further optimized by the material-field model analysis method. And the overall design scheme of the test platform was obtained. Finally, the static analysis and modal analysis of the key part of the test platform were carried out. The maximum stress and maximum deformation of key part, the top plate, were 77.063 MPa and 0.525 24 mm respectively, indicating that both strength and stiffness met the requirements, and resonance would not occur. It was verified that the test platform designed based on TRIZ theory could meet the working requirements of fiber Bragg grating sensor. The innovative design of the die-cutting pressure test platform guided by TRIZ theory provides a new method for accurately measuring the die-cutting pressure of die-cutting machine.

die-cutting machine; testing platform; TRIZ theory; static analysis; modal analysis

TH122；TS803.6

A

1001-3563(2022)13-0165-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.021

2021?09?16

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2019YFB1707202）；北京市教委科技計劃（KM201710015001，KZ201510015017）；北京印刷學(xué)院機(jī)械工程學(xué)科建設(shè)一般項目（21090122004）

馬延強(qiáng)（1998—），男，北京印刷學(xué)院碩士生，主攻數(shù)字化設(shè)計與智能制造。

肖軍杰（1979—），男，博士，北京印刷學(xué)院副教授，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與智能制造。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋