Главная    Работа    От сертифицированных специалистов     Задача об устройстве для автоматической подачи листов бумаги в сканер

Размещено на сайте 30.04.2008.

Задача об устройстве для автоматической подачи листов бумаги в сканер

Игорь Георгиевич Девойно



Задача решена по заказу одной из частных компаний, занимающейся проектированием и изготовлением нестандартного оборудования. Найденное решение использовано в устройстве, внедренном в одном из подразделений МВД России.

Необходимо изготовить устройство для автоматической подачи листов бумаги в сканер. Вращающийся резиновый валик должен подавать листы бумаги в приемное устройство сканера. Листы бумаги могут быть неровными в продольном и поперечном направлении (то есть бумага могла быть когда-то скомкана, перегнута и т.д.) и поэтому торец листа бумаги не всегда попадает точно в приемное устройство сканера и не захватывается им.

Для того чтобы распрямить изогнутую часть листа бумаги над стопкой бумаги устанавливают пластину с отверстиями, из которых отсасывают воздух. Бумага присасывается к пластине и распрямляется.

При сильном отсосе воздуха бумага хорошо выравнивается, сильно прижимаясь к пластине, но при этом вращение валика не может сдвинуть бумагу к сканеру. Если же уменьшить отсос воздуха, то бумага легко перемещается валиком, но при этом не распрямляется достаточно хорошо, чтобы в любом случае быть надежно захваченной приемным устройством сканера.

Как быть?

1.     Модель задачи

Концентрируемся на той части технической системы, в которой существует проблема. В нашем случае это узел выравнивания бумаги.

1.1. Техническое противоречие:

Техническая система для выравнивания бумаги.

Включает в себя мятую бумагу, пластину, сопла с воздухом.

ТП 1.

Сильный всасывающий поток воздуха хорошо притягивает лист бумаги к пластине,  которая его выравнивает, но из-за сильного прижатия к пластине не может быть сдвинута к приемному устройству сканера.

ТП 2.

Слабый всасывающий поток воздуха слабо притягивает лист бумаги к пластине,  и не  выравнивает ее, но при этом бумага может быть  сдвинута к приемному устройству сканера.

1.2. Конфликтующая пара:

Сдвоенный инструмент – поток воздуха и пластина

Изделие – бумага

1.3. Схема конфликта:

Пояснения к схемам конфликта.

Взаимодействия, показанные на схеме, являются частями причинно-следственных цепочек.

ТП 1. Сильный поток воздуха вызывает сильное разрежение над листом бумаги, поэтому он хорошо и сильно притягивает бумагу к пластине. За счет этого пластина хорошо выравнивает ее. Но силы трения между листом бумаги и пластиной препятствуют перемещению листа бумаги к приемному устройству сканера.

ТП 2. Слабый поток воздуха вызывает небольшое разрежение над листом бумаги, поэтому он недостаточно сильно притягивает бумагу к пластине. За счет этого пластина плохо выравнивает бумагу. Но силы трения между листом бумаги и пластиной слабы и не препятствуют перемещению листа бумаги к приемному устройству сканера (то есть взаимодействие «препятствуют перемещению» на схеме ТП 2 отсутствует).

1.4. Выбор противоречия:

Главным производственным процессом в нашем узле является выравнивание бумаги. Поэтому для решения сразу было выбрано ТП 1.

ТП 1.

Сильный всасывающий поток воздуха хорошо притягивает лист бумаги к пластине,  которая его выравнивает, но бумага из-за сильного прижатия к пластине не может быть сдвинута к приемному устройству сканера.

1.5. Усиление противоречия:

Очень сильный всасывающий поток воздуха хорошо притягивает лист бумаги к пластине,  которая его идеально выравнивает, но при этом бумага из-за сильного прижатия к пластине не может быть сдвинута к приемному устройству сканера.

1.6. Формулировка задачи:

Есть очень сильный всасывающий поток воздуха, пластина и лист бумаги.

Очень сильный всасывающий поток воздуха хорошо притягивает лист бумаги к пластине,  которая его идеально выравнивает, но при этом бумага из-за сильного прижатия к пластине не может быть сдвинута к приемному устройству сканера.

Необходимо найти Х-элемент, который обеспечивал бы свободное перемещение листа бумаги в момент входа бумаги в приемное устройство сканера, сохраняя способность сильно притягивать лист бумаги к пластине.

Пояснение к формулировке задачи. Нужно обеспечить постоянное сильное притяжение бумаги к пластине во время перемещения бумаги, чтобы она (а точнее край листа, которые подается в сканер) были выровнены. При этом  «притяжение» во время перемещения убирать нельзя, так как бумага опять вернет свою искривленную форму и не попадет точно в щель приемного устройства сканера. Это же сильное «притяжение» мешает перемещать бумагу к приемному устройству сканера, так как бумага притянута пластине и  силы трения препятствуют перемещению...

.

2. Локализация конфликта

2.1. Оперативная зона:

Выравнивание листа бумаги происходит на поверхности пластины. И трение, мешающее перемещению листа бумаги, происходит именно здесь.

Поэтому оперативная зона – зона контакта бумаги и пластины.

1.2. Оперативное время:

До того момента, пока торец бумаги не подошел к приемному устройству сканера искривленность листа бумаги не имеет значения. И лишь в момент входа листа бумаги в приемное устройство сканера лист нужно выровнять, чтобы захватывающее устройство сканера надежно захватило его.

Поэтому оперативное время – момент входа бумаги в приемное устройство сканера.

2.3. Ресурсы:

вещественные ресурсы: - бумага, пластина, воздух,

энергетические ресурсы: - энергия потока воздуха

3. Формулирование противоречий

3.1 ИКР 1.

Икс-элемент абсолютно не усложняя системы и не вызывая вредных явлений, обеспечивает свободное перемещение листа бумаги в момент входа бумаги в приемное устройство сканера в зоне ее контакта с пластиной, сохраняя способность сильно притягивать лист бумаги к пластине.

3.2 Усиленный ИКР 1

ВПР (бумага, пластина, воздух, энергия потока воздуха), абсолютно не усложняя системы и не вызывая вредных явлений, обеспечивает свободное перемещение листа бумаги в момент входа бумаги в приемное устройство сканера в зоне ее контакта с пластиной, сохраняя способность сильно притягивать лист бумаги к пластине.

3.3 ФП на макроуровне

Для ресурса – воздух

Воздух в зоне контакта в момент входа бумаги в приемное устройство сканера должна быть «разреженным» чтобы обеспечить выравнивание листа бумаги около пластины и должен быть «с нормальным давлением», чтобы обеспечить возможность перемещения бумаги.

Для ресурса – поверхность пластины

Поверхность пластины в зоне контакта в момент входа бумаги в приемное устройство сканера должна быть монолитной,  чтобы обеспечить выравнивание листа бумаги около пластины и должна быть подвижной, чтобы обеспечить возможность перемещения бумаги.

3.4 ФП на микроуровне

Для ресурса – воздух

Воздух в зоне контакта в момент входа бумаги в приемное устройство сканера должен содержать «мало частиц» чтобы обеспечить выравнивание листа бумаги около пластины и должен содержать «много частиц», чтобы обеспечить возможность перемещения бумаги.

Для ресурса – поверхность пластины

Поверхность пластины в зоне контакта в момент входа бумаги в приемное устройство сканера должна состоять из связанных частиц,  чтобы обеспечить выравнивание листа бумаги около пластины и должна состоять из несвязанных частиц, чтобы обеспечить возможность перемещения бумаги.

3.5 ИКР 2

Для ресурса – воздух

Воздух в зоне контакта в момент входа бумаги в приемное устройство сканера должен содержать «мало частиц» и «много частиц».

Для ресурса – поверхность пластины

Поверхность пластины в зоне контакта в момент входа бумаги в приемное устройство сканера должна состоять из связанных частиц и несвязанных частиц.

4. Мобилизация и применение ВПР

 

4.1 ММЧ

 Для ресурса воздух.

Вариант 1:

Во время движения листа бумаги между листом бумаги и пластиной много человечков (бумага не притягивается), но в момент приближения края листа бумаги к приемному устройству – человечков становится мало (бумага выравнивается) и бумага нормально захватывается приемным устройством сканера.

Идея решения вполне хорошая, то есть нужно присасывать бумагу только на краткий промежуток времени, когда она подходит к сканеру. Бумага выравнивается. И в этот момент давление должно снизиться, чтобы она переместилась в приемное устройство сканера, но еще не успела вернуться в «смятое» состояние. Недостаток решения: нужно отслеживать положение кромки листа бумаги, что может привести к усложнению конструкции.

Можно попытаться «дожать» идею до работоспособного уровня. Вариантом решения может быть периодическое действие: бумага присасывается на кратковременные промежутки времени – в это время она не перемещается горизонтально. Затем она освобождается, перемещается на небольшое расстояние влево. И после этого опять присасывается. Вероятно, можно подобрать частоту колебания давления и его амплитуду, при которых бумага будет и достаточно выравниваться, и иметь возможность перемещаться. Для оценки работоспособности решения и поиска оптимальных параметров колебания давления воздуха требуется проведение экспериментов.

Вариант 2.

Между листом бумаги и пластиной мало человечков (одно половинка противоречия), но они толстые (а значит их вроде бы много – вторая половинка противоречия). Толстые человечки позволяют бумаге притягиваться, но не позволяют ей прилипать к поверхности.

Конкретное решение не просматривается, но какие-то смутные идеи начинают появляться.

Для ресурса – поверхность пластины

Маленькие человечки соединены в конгломераты. Эти конгломераты не могут выскочить из массива пластины, но могут частично перемещаться.

Это приводит к идее вращающихся роликов или шариков на поверхности пластины. То есть  жесткие участки пластины (ролики или шарики) обеспечивают выравнивание листа бумаги при прижатии его к пластине. При перемещении бумаги эти ролики или шарики будут проворачиваться, обеспечивая перемещение бумаги.

Идея выглядит вполне достаточно работоспособной. Единственное, что не нравится – это стоимость изготовления такой пластины: нужны достаточно точные детали...

Если же уменьшать размер конгломератов до уровня молекул, то общая идея насчет измененного поверхностного слоя пластины просматривается (типа магнитной жидкости), но конкретного решения не видно.

4.2 Шаг назад от ИКР

Лист бумаги не совсем прижимается пластине. Непонятно.

4.3 Смесь ресурсных веществ

Смесь бумаги и воздуха: что-то пористое? Неясно.

Смесь пластины и воздуха: пластина не сплошная, с каким-то рельефом, который снижает трение? Чтобы это могло быть?

4.4 Ресурсные вещества + пустота

По идее в задаче пластина и так дырявая. Сделать больше отверстий?

А вот смесь воздуха с пустотой – в этом есть некоторая оригинальность. Воздух – это уже почти пустота. Смесь воздуха с пустотой – это что – какие-то вихри? То есть в воздухе должны быть участки с различным разрежением.

Вообще-то разрежение (технический вакуум), которым присасывается бумага к пластине, и есть эта пустота внутри воздуха, но наверно это все это нужно структурировать как-то в пространстве и/или во времени.

Занятно, нужно подумать в этом направлении. Но идеи пока не видно.

4.5 Производные от ресурсных веществ + пустота

Неясно

4.6 Электрическое поле

Если зарядить поверхность пластины и листа бумаги зарядом одного знака, то они будут отталкиваться, но при этом за счет  отсоса воздуха бумага будет притягиваться к пластине. То есть отталкивание уравновешивается притягиванием. Получается хорошо. Бумага будет выравниваться, но не касаться пластины. И поэтому трения не будет и ее можно перемещать без проблем.

Идея - приятная, но что касается практичности, то она кажется не очень надежной, так как работа такой системы сильно зависит от влажности воздуха и бумаги. И хватит ли электростатических сил, чтобы обеспечивать выравнивание листов бумаги. Неплохо бы поэкспериментировать.

4.7 Поле + добавка вещества

Что должна делать добавка? Что-то вроде магнитных частиц. К примеру, бумага с магнитными частицами. Она может «примагничиваться» к пластине (если ее сделать магнитной), чтобы выпрямить бумагу. А поток воздуха из сопел будет создавать воздушную подушку для легкого перемещения. Такая идея выглядит вполне работоспособной. Но при этом нужно решить проблему как добавлять, а потом возможно и избавляться от магнитных частиц в бумаге...

5. Применение информфонда 

5.1 ИКР2 + ресурсы

5.2 ИКР2 - нестандартные задачи

5.3 Приемы разрешения ФП

 

Прием разрешение ФП

Идея решения

1

Разделение противоречивых свойств в пространстве.

По ресурсу - воздух

Идеи не видно

По ресурсу - поверхность пластины.

Часть пластины – твердая – обеспечивает распрямление бумаги, а часть - состоит из подвижных частиц. Это похоже на идею, полученную на шаге 4.1 – пластина с роликами или шариками.

2

Разделение противоречивых свойств во времени.

По ресурсу - воздух

Описано на шаге 4.1 (Вариант 1)

По ресурсу - поверхность пластины.

Идеи не видно

3

Системный переход 1а:

объединение однородных или неоднородных систем в надсистему.

По ресурсу - воздух

Идеи решения не видно

По ресурсу - поверхность пластины.

Идеи не видно

4

Системный переход 1б: 

от системы к антисистеме или сочетанию системы с антисистемой.

По ресурсу - воздух

Часть сопел вдувает воздух в зазор между бумагой и пластиной, а часть – отсасывает оттуда воздух. Что-то вроде воздушной подушки получается.

Вполне интересная идея. Только нужно найти баланс между всасыванием и выдуванием воздуха.

По ресурсу - поверхность пластины.

Антипластина? Идей не видно...

5

Системный переход 1в: 

вся система наделяется свойством С, а ее части - свойством анти-С.

По ресурсу - воздух

На каждом отдельном участке контакта листа с пластиной имеет место разрежение, а в целом разрежения нет. Неясно.

По ресурсу - поверхность пластины.

Все частицы – несвязанные, но пластина – жесткая. Практических идей не видно.

6

Системный переход 2:

переход к системе, работающей на микроуровне.

По ресурсу - воздух

Микроуровень.

Наверно поля. Электрическое поле уже было упомянуто в разделе 4.6.

Что бы еще употребить...

По ресурсу - поверхность пластины.

Микроуровень - также дробление. Дробление пластины – ворсинки?

Может быть, пластина должна быть покрыта упругими ворсинками, наклоненными к приемному устройству сканера?

Интересно, но нужно додумывать

Сегментация?  И опять насчет идеи с роликами... Если измельчить ролики до размера молекул, то получаются идеи:

  • Что-то вроде смазки – только неясно как это практически реализовать
  • Какая-то прослойка из воздушных молекул, которая есть между бумагой и пластиной – опять-таки не очень ясно...

7

Фазовый переход 1: 

замена фазового состояния части системы или внешней среды.

По ресурсу - воздух

Идеи решения не видно

По ресурсу - поверхность пластины.

Работоспособных решений не видно

8

Фазовый переход 2:

"двойственное" фазовое состояние одной части системы (переход этой части из одного состояния в другое в зависимости от условий работы)

По ресурсу - воздух

Идеи решения не видно

По ресурсу - поверхность пластины.

Работоспособных решений не видно

9

Фазовый переход 3:

использование явлений, сопутствующих фазовому переходу.

По ресурсу - воздух

Идеи решения не видно

По ресурсу - поверхность пластины.

Работоспособных решений не видно

10

Фазовый переход 4: 

замена однофазового вещества двухфазовым.

По ресурсу - воздух

Идеи решения не видно

По ресурсу - поверхность пластины.

Работоспособных решений не видно

11

Физико-химический переход: 

возникновение - исчезновение вещества за счет разложения - соединения, ионизации - рекомбинации.

По ресурсу - воздух

Идеи решения не видно

По ресурсу - поверхность пластины.

Работоспособных решений не видно

5.4 Указатель эффектов

Указатель физических эффектов позволил найти решение, близкое к решению, найденному в п. 4 раздела 5.3:

Закон Бернулли

Постоянство полного давления в установившемся ламинарном потоке

Поток воздуха вдувается в промежуток между пластиной и листом бумаги.

За счет эффекта Бернулли статическое давление в зазоре между листом бумаги и пластиной снижается и лист бумаги «притягивается» к пластине. При этом он не «прилипает» к пластине, так как между листом бумаги и пластиной существует воздушная подушка из струи воздуха и  лист бумаги перемещается в горизонтальном направлении без всяких проблем.

  • Эффект Бернулли фактически идеально разрешает сформулированное физическое противоречие:
    • давление между пластиной и листом бумаги должно быть низким – статическое давление в струе воздуха снижается
    • это же давление должно быть «нормальным» - статическое  + динамическое давление получается «нормальным»

Именно это решение было принято и одобрено заказчиком консультации. Оно было внедрено в разработанную конструкцию.

Большую роль сыграло следующее:

  • решение сразу выглядело абсолютно работоспособным
  • его экспериментальная проверка и внедрение в готовую конструкцию заняла 1 день (переделка пластины и замена направления движения потока воздуха)

Остальные решения, полученные в ходе анализа (колебания давления воздуха, ролики или шарики на поверхности пластины, ворсинки на поверхности пластины, отсос и всасывание), остались в «копилке» задач-аналогов...

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.


Главная    Работа    От сертифицированных специалистов     Задача об устройстве для автоматической подачи листов бумаги в сканер