基于TRIZ理論的高速機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩設(shè)計(jì)

摘 要：在高速機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)領(lǐng)域，國(guó)外和臺(tái)灣一直走在前列，并在大陸申請(qǐng)了相關(guān)的專利。為提高機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩的運(yùn)行速度而又不侵權(quán)，故利用TRIZ進(jìn)行解題，在TRIZ工具的應(yīng)用過(guò)程中，得到了理想的結(jié)果。更重要的是本文探索了TRIZ理論在提高機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩運(yùn)行速度方面的應(yīng)用，豐富了機(jī)床防護(hù)罩速度提升的方法，為大陸機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩行業(yè)集體邁向高端，挑戰(zhàn)國(guó)外和臺(tái)灣同行做出相應(yīng)的思考。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；高速機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩；技術(shù)矛盾；物理矛盾

引言

機(jī)床號(hào)稱工業(yè)之母，目前的數(shù)控機(jī)床技術(shù)逐步向精密、高效、柔性、集成的方向發(fā)展。而機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩作為機(jī)床的關(guān)鍵附件，主要目的在防護(hù)加工時(shí)所產(chǎn)生之切屑掉入機(jī)械內(nèi)部和加工所用切屑液噴濺或滲入機(jī)械內(nèi)部，而造成導(dǎo)軌、電機(jī)、光柵尺、感應(yīng)器、絲杠等精密組件的損壞。目前國(guó)內(nèi)中低檔數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌防護(hù)市場(chǎng)，基本由國(guó)內(nèi)產(chǎn)品占領(lǐng)，而高檔機(jī)床的導(dǎo)軌防護(hù)罩，一直依賴進(jìn)口。

發(fā)明問(wèn)題解決原理（TRIZ）已經(jīng)成為目前技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本文針對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)軌防護(hù)罩存在的問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論對(duì)其進(jìn)行分析，建立其矛盾，并結(jié)合TRIZ矛盾矩陣對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新求解。更重要的是本文探索了TRIZ理論在提高機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩運(yùn)行速度方面的應(yīng)用，豐富了機(jī)床防護(hù)罩速度提升的方法，為大陸機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩行業(yè)集體邁向高端，挑戰(zhàn)國(guó)外和臺(tái)灣同行做出相應(yīng)的思考。

1 初始問(wèn)題描述

1.1 工作原理

現(xiàn)有防護(hù)罩本身由相似的幾個(gè)單元嵌套而成，單元由立板、防護(hù)板、減震墊、刮屑條、滾輪所組成。護(hù)罩一端連接工作臺(tái)，一端連接機(jī)床導(dǎo)軌尾部，工作臺(tái)移動(dòng)帶動(dòng)護(hù)罩進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，拉伸壓縮比可達(dá)5：1。在機(jī)床工作臺(tái)的帶動(dòng)下上一單元的刮屑條和下一單元立板接觸以后可以進(jìn)行拉伸，一節(jié)拖拽一節(jié)實(shí)現(xiàn)最大拉伸量。當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)，這一單元的立板和下一單元的減震墊接觸以后進(jìn)行壓縮。一節(jié)壓縮一節(jié)實(shí)現(xiàn)最小壓縮量。

1.2 主要問(wèn)題

護(hù)罩采用機(jī)械式拖拽和壓縮，其運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力來(lái)源于工作臺(tái)。當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)行速度低于30m/min時(shí)，護(hù)罩運(yùn)行良好，但當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)行速度高于30m/min時(shí)，由于受到較大的沖擊，護(hù)罩的刮屑條和立板相互拉裂，脫節(jié)損壞。

1.3 限制條件：

國(guó)外的產(chǎn)品可以模仿，但不能全抄，否則屬于侵權(quán)行為；而如果防護(hù)罩造價(jià)高于現(xiàn)價(jià)的30%，雖然還低于國(guó)外進(jìn)口護(hù)罩的價(jià)格，但競(jìng)爭(zhēng)力缺失；為能得到可行方案，還要考慮現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力。基于以上三條，提出限制條件。

①規(guī)避國(guó)外產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)；

②成本增加不能超過(guò)30%；

③防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)不能變復(fù)雜。

2 目前解決方案、存在問(wèn)題

目前臺(tái)灣引興公司的高速導(dǎo)軌防護(hù)罩在國(guó)內(nèi)占據(jù)70%以上的份額，但是該技術(shù)（內(nèi)置鉸鏈機(jī)構(gòu)）已經(jīng)在大陸申請(qǐng)專利。

大陸很多廠商都模仿其鉸鏈結(jié)構(gòu)，然而采用其技術(shù)制作的高速導(dǎo)軌防護(hù)罩成本比現(xiàn)有上升50%以上。

3 TRIZ解題流程

3.1 系統(tǒng)分析

3.1.1 九屏圖分析

利用九屏圖分析問(wèn)題，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，可以利用子系統(tǒng)的未來(lái)資源，利用高性能塑料剛替代現(xiàn)有鋼板，輕量化設(shè)計(jì)，防護(hù)罩輕則沖擊力會(huì)變小，可以適應(yīng)更高速度。也可以進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，利用柔性但耐沖擊的材料，彌補(bǔ)現(xiàn)有的柔性風(fēng)琴護(hù)罩沒(méi)法防止高速?zèng)_擊鐵屑的缺點(diǎn)。還可以利用當(dāng)前系統(tǒng)的未來(lái)資源，預(yù)測(cè)出未來(lái)機(jī)床和護(hù)罩的發(fā)展方向。

3.1.2因果鏈分析

圖5為造成護(hù)罩脫節(jié)損壞的因果鏈，從圖中可以明顯得出，造成護(hù)罩脫節(jié)損壞的主要原因是：靜動(dòng)護(hù)板接觸時(shí)沖擊力較大。

通過(guò)因果鏈分析，造成護(hù)罩脫節(jié)損壞的關(guān)鍵是靜動(dòng)護(hù)板接觸時(shí)沖擊力較大，而沖擊力較大的原因又有三個(gè)：當(dāng)聚焦到靜動(dòng)護(hù)板接觸時(shí)間過(guò)短，可以想辦法延長(zhǎng)其接觸時(shí)間，例如接觸部位增加海綿（見(jiàn)圖6）；聚焦到靜動(dòng)板相對(duì)速度較高，可以使靜止護(hù)板動(dòng)起來(lái)（原理見(jiàn)圖7），相對(duì)速度高往下到一單元運(yùn)動(dòng)，一單元靜止，可以使單元同時(shí)動(dòng)作（鉸鏈機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3）；聚焦到接觸面積小，可以使接觸面積變大（見(jiàn)圖8）。

3.1.3功能分析

圖9為現(xiàn)有導(dǎo)軌防護(hù)罩功能結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以明顯看出，運(yùn)動(dòng)單元的刮屑條拖拽靜止單元的立板，問(wèn)題發(fā)生于此處。而滾輪對(duì)導(dǎo)軌的磨損在此解題中不作為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

由于系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、各部件已經(jīng)精簡(jiǎn)，此處不進(jìn)行裁剪，功能結(jié)構(gòu)圖為了更好地了解問(wèn)題發(fā)生部位和時(shí)間點(diǎn)。

3.2資源分析

把物質(zhì)資源，能量資源，信息資源，空間資源，時(shí)間資源，功能資源和九屏圖對(duì)應(yīng)，充分找出可利用的資源，以便于后期TRIZ工具的時(shí)候運(yùn)用。見(jiàn)表1

3.3 TRIZ工具

3.3.1 技術(shù)矛盾

根據(jù)因果鏈分析，找出相應(yīng)的技術(shù)矛盾，此處聚焦于拖拉結(jié)構(gòu)不可靠上。

①定義技術(shù)矛盾：

TC1：如果對(duì)護(hù)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，不采用拖拉結(jié)構(gòu)，那么護(hù)罩高速運(yùn)行的可靠性增強(qiáng)，但是護(hù)罩系統(tǒng)也就變得復(fù)雜。

TC2：如果不對(duì)護(hù)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，采用拖拉結(jié)構(gòu)，那么護(hù)罩系統(tǒng)不會(huì)變得復(fù)雜，但是護(hù)罩高速運(yùn)行的可靠性下降。

②查詢矛盾矩陣，得出發(fā)明原理：

改善參數(shù)：可靠性（27）；

惡化參數(shù)：系統(tǒng)的復(fù)雜性（36）；

矛盾矩陣表：反向作用原理（13）、物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)恚?5）、分割原理（1）。

③根據(jù)發(fā)明原理得出解決方案：

根據(jù)反向作用原理（13）中讓物體或環(huán)境可動(dòng)部分不動(dòng)，不動(dòng)部分可動(dòng)的提示，得出解決方案，內(nèi)置彈簧的護(hù)罩，見(jiàn)圖10。此護(hù)罩內(nèi)置彈簧（已申請(qǐng)專利），解決了高速下的沖擊問(wèn)題，改變了伸縮式防護(hù)罩的工作方式，理論上可以滿足所有速度的機(jī)床。相比鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)罩，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本有效較低。

3.3.2 物理矛盾

根據(jù)技術(shù)矛盾，提取出相應(yīng)的物理矛盾。

①定義物理矛盾：

導(dǎo)軌防護(hù)罩的速度要低，滿足可靠性要求；防護(hù)罩的速度要高，滿足機(jī)床運(yùn)行要求。

速度既要快，又要慢。

②確定物理矛盾分離法：

撞擊部位需要速度慢以保證可靠性，其余部分需要速度快以滿足機(jī)床高速運(yùn)行要求，采用空間分析。

撞擊時(shí)需要速度慢，以保證可靠性，非撞擊時(shí)需要速度快以適應(yīng)機(jī)床高速運(yùn)行要求，采用時(shí)間分離。

③選擇對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理。

④根據(jù)發(fā)明原理的啟示得出解決方案

參照空間分離原理中對(duì)應(yīng)的第3號(hào)發(fā)明原理局部質(zhì)量法，采用局部質(zhì)量加強(qiáng)，對(duì)容易出問(wèn)題的部位進(jìn)行加固。得出方案：立板加強(qiáng)筋護(hù)罩（已申請(qǐng)專利），見(jiàn)圖11；

參照時(shí)間分離原理中對(duì)應(yīng)的第11號(hào)發(fā)明原理預(yù)置防范法，結(jié)合資源分析中的超系統(tǒng)資源工作臺(tái)，得出創(chuàng)新方案：程序控制。在不需要更改護(hù)罩的情況下設(shè)置程序，使工作臺(tái)間歇運(yùn)動(dòng)，了解單元的長(zhǎng)度，讓工作臺(tái)移動(dòng)一開(kāi)始速度較快，當(dāng)二者快接觸上的時(shí)候放慢速度，依次類推（此方案已應(yīng)用于重型機(jī)床上）。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)TRIZ的解題，本項(xiàng)目取得了二十多個(gè)創(chuàng)新方案，出于對(duì)專有技術(shù)保密等因素，只選取部分公開(kāi)專利進(jìn)行發(fā)表示例，而在高速導(dǎo)軌防護(hù)罩的設(shè)計(jì)上，從此多了很多的思路，不再局限于國(guó)外以及臺(tái)灣先進(jìn)的技術(shù)。與此同時(shí)，對(duì)于機(jī)床導(dǎo)軌的防護(hù)，充分挖掘了相關(guān)技術(shù)，對(duì)自身進(jìn)行了專利戰(zhàn)略部署。在高速導(dǎo)軌防護(hù)罩領(lǐng)域內(nèi)，占據(jù)了一席之地。

TRIZ理論的矛盾解決方法是指導(dǎo)機(jī)械創(chuàng)新的有效工具，它能幫助設(shè)計(jì)人員迅速發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)題并提供解決相應(yīng)問(wèn)題的創(chuàng)新原理。該過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法，當(dāng)設(shè)計(jì)人員掌握該方法后，就會(huì)加快產(chǎn)品創(chuàng)新的速度，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)的質(zhì)量，對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的解決有十分重要的指導(dǎo)意義。

責(zé)編/劉紅偉

參考文獻(xiàn)

[1]張簡(jiǎn)一，郭艷玲，楊樹(shù)財(cái)，等.基于TRIZ理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2009， 26（2）：35-38.

[2]冷崇杰，項(xiàng)輝宇，閆曉玲.基于TRIZ理論的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化， 2010， 32（8）：27-30.

[3] 徐起賀，吳昌林.基于TRIZ理論的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)床與液壓， 2004， 18（7）：32-33.

[4]王慶華.高速導(dǎo)軌防護(hù)罩之研究與發(fā)展[C]//數(shù)控機(jī)床主要功能部件創(chuàng)新發(fā)展國(guó)際論壇論文集（二）. 2004.

[5]程焰.機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩的設(shè)計(jì)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2008， 24（6）：52-52.

[6]韓博.現(xiàn)代TRIZ理論中因果鏈分析應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與品牌，2016， 03：47-49.

[7]韓博. TRIZ理論中技術(shù)矛盾的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與品牌，2014， 08：61-64.

[8]韓博. TRIZ理論中資源分析的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與品牌，2015， 07：73-75.