基于TRIZ的试卷袋密封签定制印刷机构设计

马 涛， 张朝亮， 王 超*， 李 倩， 郭力铭， 单 光

(1.云南出版印刷集团有限责任公司， 云南 昆明 650200；2.云南印刷技术研究有限公司， 云南 昆明 650231； 3.曲靖卷烟厂， 云南 曲靖 655000)

由于试卷的特殊性，对试卷印后加工设备研究开发较少。目前，试卷装袋密封主要以手工分装试卷、涂胶、密封的方式进行。由于参与试卷装袋密封人员数量多，为确保试卷保密性，必须组织参与生产人员入闱，待相关考试结束并公布成绩后，方可取消入闱。长时间的入闱管理不利于人员的管理和身心健康，且人员和设备闲置也导致不必要的经济损失[1-4]。近年， “定制”[5]的生产和销售理念应用越发广泛，各行业都在发展符合自身产品特点的定制服务，通过“定制”解决“大生产”和“分众化”的矛盾冲突[6]。种类多、需求小且规格不统一的密封签为试卷印制企业带来了较大的生产压力，传统拼版印刷再分切的方式不仅需要大量人工，密封签生产周期还长，一定程度上不利于保持试卷的时效性和保密性。课题组以现有密封签生产技术为基础，采用TRIZ理论[7]对密封签印刷机构进行功能分析，运用SolidWorks[8]软件及Motion插件进行三维建模和运动学分析，对印刷机构进行创新设计。

1 密封签定制印刷要求

各中小型考试场数较各大型考试多，使得密封签规格变化频繁，且需求量少。目前，密封签生产主要是依据密封袋规格和数量进行批量印制，其过程为：拼版、平张胶印、裁切。传统工艺虽然可以一次性生产大批量同规格密封签，满足大型国家级或其他考试的试卷密封需求，但其有生产工序冗繁、人工需求大、生产效率低、质量稳定性差等工艺特性，不适合生产小批量多规格的密封签，尤其是采用拼版方式生产的密封签。

基于此现状，亟需一种可以进行不同规格小批量密封签定制印刷的生产设备，以提高密封签生产效率和自动化水平，降低用工需求，减少人员接触。需针对传统密封签生产工艺中的印刷和密封环节进行创新研究，在满足密封签定制印刷和密封需求的同时简化印刷机构。

2 基于TRIZ的印刷机构设计过程

2.1 问题解决流程

采用TRIZ理论解决设计问题，其基本流程如图1所示。

图1 TRIZ理论解决问题的基本流程Figure 1 Basic process of problem solving by TRIZ theory

运用TRIZ理论解决问题的基本思路是将待解决的问题转化成典型问题，找出问题的主要矛盾，再针对性使用TRIZ工具得出解决特定问题的方案，最后根据实际情况得到最终解决方案[9]。

2.2 密封签印刷机构功能研究

2.2.1辊筒功能研究

印刷功能是印刷机构的基础功能，为了保证定制印刷的灵活性，可采用生产所需规格的单张密封签绵纸供料的方式进行供料。在定制印刷中，参与密封签印刷的辊需要具备纸张固定和松脱功能，为保证单张密封签绵纸能被固定进行印刷，从机械作用形式上分析，夹紧动作较为简单有效，因此可在纸张一端添加一个机械力场以固定纸张。该机械力场可以为机械锁紧、气涨锁紧、吸附固定等固定方式，其中机械锁紧结构操作简单，锁紧形式多样，应用较为广泛；气涨锁紧结构较复杂，多用于卷筒类产品固定；吸附固定结构多用于有一定自重的产品转移和输送，适用于常压状态下使用。因此，机械锁紧结构的优势更为突出。

要实现单张密封签绵纸固定和松脱，需要控制密封签的固定和松脱时间，单一的机械力场并不具备纸张固定和松脱双重功能，需采用复合场实现辊筒固定和松脱纸张的双重功能。普通场如图2(a)所示，“物-场模型”完整，但仅靠机械锁紧装置固定纸张难以实现密封签印刷后松脱，属于效应不足的场。而增强后的固定装置印刷辊“物-场模型”如图2(b)所示。图2中：F1，F2为机械场；S1为固定装置；S2为单张密封签绵纸；S3为凸轮机构。

图2 印刷辊“物-场模型”分析Figure 2 "Substance-field model" analysis of printing roller

依据印刷辊“物-场模型”，要实现单张密封签绵纸印刷的固定和松脱，必须保证印刷过程中纸张固定和松脱可循环进行。为解决实现多功能而带来的附加问题，在40种发明原理中进行筛选，拟采用6多用性原理、13逆向思维、19周期性动作原理和20有效连续性原理对印刷辊结构进行设计。

结合胶印各辊工作关系，选择压印辊作为单张密封签绵纸印刷时的固定辊，压印辊采用凸轮结构控制叼纸牙开合，在弹簧的作用下使叼牙装置可以固定和松脱单张密封签绵纸。压印叼牙辊筒工作时，凸轮与压印叼牙辊筒反向旋转，当凸轮与压印叼牙辊筒旋转到固定位置，凸轮顶点顶住滚珠轴承并保持旋转，叼牙打开，绵纸进入叼牙口，凸轮转走时，叼牙在弹簧拉力作用下闭合，绵纸跟随压印辊筒旋转在橡胶辊压印下完成印刷，印刷完成后凸轮顶点再次触动滚珠轴承，叼牙口打开密封签松脱。压印叼牙辊筒结构如图3所示。

图3 压印叼牙辊筒示意图Figure 3 Schematic diagram of imprinting gripper roller

2.2.2密封签转移功能研究

单张密封签完成印刷后需要被转移至粘贴工位，准备密封签的粘贴。单张密封签转移可通过推动力或摩擦力形成的力场进行输送。鉴于密封签绵纸纸张定量低、厚度薄的特点，摩擦力场的作业方式不适合密封签输送。推动力场采用的板齿状结构虽然可以实现密封签输送，但输送速度过快依然不能很好地实现密封签平稳输送。同时，推动力或摩擦力多为带式输送，需要较大的操作空间，且功能单一，不利于提高密封签密封效率。考虑到密封签转移装置具备转移和贴封的双重功能，所以采用辊筒装置进行密封签转移较为合理，辊筒转移装置可以与印刷机构一体安装，辊筒与压印叼牙辊筒垂直相切，可以实现密封签转移和贴封，缩短工序流程。

辊筒转移装置必须有高效、快速的转移和贴封功能。因转移后的密封签不能够平整地贴在试卷袋密封处，所以单一的输送力场不能够很好地进行密封签转移和贴封。为达到密封签快速转移和平整贴封，拟对辊筒添加气动力场，以复合场的形式，实现密封签平整贴封。普通场如图4(a)所示，“物-场模型”完整，但机械场的效力不足以满足密封签贴封需求，增强后的转移辊“物-场模型”如图4(b)所示。图4中：F1为机械场；P1为气动场；S1为转移辊；S2为密封签；S3为气孔。

图4 转移辊“物-场模型”分析Figure 4 "Substance-field model" analysis of transfer roller

依据印刷辊“物-场模型”，要实现单张密封签绵纸转移，须保证转移辊可以持续进行吸气和吹气循环，因此拟采用多用性原理、逆向思维、周期性动作原理、有效连续性原理、中介物原理、气压和液压结构原理、多孔材料原理对转移辊结构进行设计。

在转移辊表面接触密封签处开槽并打孔，安装气管并连接气泵。当密封签印刷结束，叼牙打开时，转移辊向内吸气，利用压强差将密封签吸附在转移辊上。当已涂胶的试卷袋传送到转移辊时，辊内充气，利用气体压力将密封签吹送至试卷袋涂胶粘贴位置，完成密封签粘贴。转移辊如图5所示。

图5 转移辊Figure 5 Transfer roller

由于转移辊是将印刷完成的密封签从压印叼牙辊筒转移下来为密封签粘贴做准备的，其应与压印叼牙辊筒相切，为确保转移和粘贴效果，转移辊筒可设置于压印叼牙辊筒正下方，且转移辊与试卷袋涂胶处刚好呈线性接触，在吹贴密封签同时对密封签有初步压合作用。

3 密封签定制印刷机构建模与仿真

SolidWorks Motion是一款虚拟原型机仿真软件[10]。由于密封签绵纸质地轻薄易碎，印刷中各辊筒及零部件工作时受力较小，故不进行受力分析[11]，仅进行运动仿真分析[12]。

3.1 压印叼牙辊筒仿真分析

通过SolidWorks对压印叼牙辊进行建模，并对压印叼牙辊的工作状态进行运动学仿真，压印叼牙辊工作时的叼牙运动示意图如图6所示。

图6 叼牙与凸轮工作原理Figure 6 Working principle of gripper and cam

打开Motion插件，向各部件添加约束条件，如凸轮机构与压印叼牙辊转动方向相反，凸轮轴处添加旋转马达，凸轮高点与滚珠轴承添加接触约束等约束条件。进行仿真分析时，设置压印叼牙辊角速度为10 r/min(以20个/min密封签工作循环进行计算)，随后开始计算运动算例。分析测得压印叼牙辊转动时位移、速度情况，如图7所示。

图7 压印叼牙辊仿真结果Figure 7 Simulation results of imprinting gripper roller

从图7(a)中可看出，叼牙在凸轮机构没有接触到滚珠轴承时，叼牙保持静止没有发生位移，此时压印叼牙辊上没有固定密封签；在0.5 s时凸轮转动接触滚珠轴承，通过连接机构顶起叼牙，密封签一端进入叼牙打开的缝隙内，凸轮转走后叼牙闭合咬紧绵纸。1 s时叼牙咬紧绵纸，压印叼牙辊转动进行密封签印刷；印刷结束的2.5 s时凸轮接触滚珠轴承顶起叼牙，叼牙张开密封签转移到转移辊筒上，3 s时凸轮转走，在弹簧的拉力作用下叼牙闭合。根据仿真结果来看，压印叼牙辊的运行状态可以满足叼纸机构设计要求，验证了叼纸机构的合理性和可行性。

3.2 印刷机构仿真分析

在对压印叼牙辊筒完成仿真分析后，对印刷机构进行整体仿真分析。为防止零件在装配和运动中产生干涉[13]，从上墨辊开始进行干涉检查，检查结束并合格后，以Motion插件对各辊筒施加旋转力矩，设定参数后进行运动学仿真，分析印刷辊筒的线性速度、线性位移和角速度变化情况，各辊筒情况见图8。

图8 密封签印刷机构装配图Figure 8 Assembly drawing of seal label printing mechanism

由于各辊筒间相互配合呈线性接触，使得各辊筒的线速度一致，由公式w=v/t计算出各辊的角速度，然后对辊轴添加旋转马达，旋转速度为等速。根据运动仿真分析结果得知：印刷辊作稳定的圆周循环运动，可以连续进行密封签印刷；印刷辊与压印叼牙辊接触时，线速度和角速度略有波动，整体仍保持匀速运动。经仿真分析验证了印刷机构可以稳定运行，运行时没有出现严重误差，在密封签印刷封面具有较强的可行性。

4 密封签印刷试验

以模拟原型机为基础对印刷机构制作样机，并在云南新华印刷五厂进行密封签定制印刷试验，对试验结果进行验证，并记录试验过程中存在的问题，以便修正设计方案。试验时选用A4试卷袋470 mm×80 mm规格密封签进行印刷，印刷时以单张密封签固定情况、图文清晰度、印刷速度、密封速度为技术指标，进行效果评定。印刷机构样机如图9所示。

图9 密封签印刷机构实物图Figure 9 Picture of seal label printing mechanism

通过印刷试验，密封签印刷机构达到了预期效果，能够较好地满足密封签印刷需求。印刷时，试机速度可以达到20个/min，密封签的印刷和密封质量与手工密封相近，且密封速度高于手工密封速度；提速后的印刷机构印刷速度可以达到30～40个/min，密封签印刷和密封质量稳定性较好。由于转移辊与压印叼牙辊同速，密封速度与印刷速度相同。在试验过程中，该印刷机构存在叼牙叼不住绵纸的问题。将未叼住的密封签与已完成印刷的密封签比对后，发现2张密封签绵纸的长度不一致，未叼住的密封签绵纸略短，在生产过程中需确保密封签绵纸的尺寸一致性。由于密封签定制印刷机构结构简单且紧凑，可以同时进行密封签印刷与密封，所以大幅度提高了试卷袋密封效率和质量。

5 结语

课题组基于TRIZ理论对密封签定制印刷进行研究，以印刷机构基本功能为基础，对关键机构进行设计，使印刷机构可以进行单张密封签的印刷和贴封。通过SolisWorks软件绘制密封签印刷机构三维模型并进行运动仿真分析，根据分析结果，印刷机构的工作速度范围可控制在20～40个/min，密封签印刷和贴封质量可以满足试卷袋密封要求。由于密封签印版粘贴在印版辊筒表面，可按照生产需求随时更换印版和密封签绵纸，以便进行其它规格密封签的印刷，此印刷机构具备较好的生产灵活性。试卷袋密封签印刷和密封的机械化，不仅降低了工人的重复性劳动强度，减少了密封环节用工数量和入闱人数，还有利于提高生产效率和试卷保密性。密封签定制印刷机构的设计为试卷袋密封生产线设计提供了技术基础，同时为其它仍采用手工密封试卷袋的试卷印制企业提供了一定的参考。