基于功能建模的多邊折彎機規(guī)避與創(chuàng)新設計

梁 鎧，楊 杰，龍曉斌，梁雪梅，陸 佳，劉 雄

（1. 廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006；2. 廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室，廣東 廣州 510006；3. 奧美森智能裝備股份有限公司，廣東 中山 528455；4. 廣東省生產力促進中心，廣東 廣州 510070）

產品創(chuàng)新設計除了從無到有的新產品開發(fā)模式外[1-2]，一個更常用的模式就是對現(xiàn)有產品進行改進與優(yōu)化，但市場中的競爭對手往往做好了充分的專利布局，大大增加了創(chuàng)新的難度。面對客戶需求的不斷變化，金屬制品的形狀日益復雜。傳統(tǒng)壓力式、模具成型的折彎機已遇到瓶頸，一種多邊折彎機得到了越來越普遍的應用。該多邊折彎機針對待加工鈑金件進行一次定位后，通過控制一副通用的萬能模具進行復雜的復合運動，從而得到各種特殊形狀的鈑金件。而控制萬能模具進行復合運動的折彎機構，則是整個多邊折彎機核心技術所在。

面對激烈的市場競爭，眾多企業(yè)紛紛加大了專利布局的力度和強度，創(chuàng)新方案侵權的風險顯著增加。常規(guī)專利規(guī)避的方法對個體工程經驗依賴度較高，規(guī)避的效果和效率存在較大的隨機性和不確定性[3]。本文將發(fā)明問題解決理論TRIZ與已有專利規(guī)避方法相結合[4-5]，力求能夠為專利規(guī)避提供規(guī)范化、系統(tǒng)性的設計思路，在實現(xiàn)產品快速迭代創(chuàng)新的同時，可以顯著降低專利侵權的風險，并以多邊折彎機為例進行了分析與驗證。

1 面向專利規(guī)避的產品創(chuàng)新流程

TRIZ本身就是通過對數百萬份專利進行分析、提煉及總結后形成的一種系統(tǒng)創(chuàng)新理論[6-9]，其創(chuàng)新流程的邏輯性和創(chuàng)新工具的實用性已被不同行業(yè)領域的工程實踐所充分證明。該理論認為產品本質上都是由一些組件構成的技術系統(tǒng)，每個組件都有其功能，整個技術系統(tǒng)也有其功能。從客戶需求角度而言，需要的并非這些組件乃至整個技術系統(tǒng)，而是它們能夠實現(xiàn)的功能。

1.1 基于TRIZ的專利規(guī)避流程

圖1為基于TRIZ的專利規(guī)避流程，傳統(tǒng)的TRIZ應用流程通常將功能建模、矛盾、物場等工具并行求解，而本文則先通過檢索與分析確定目標專利，在此基礎上識別出技術特征對應組件，結合組件間相互作用，進行產品功能建模。通過裁剪策略對功能建模得到的模型進行修剪，得到侵權風險較小的裁剪模型或方案，再從可行性、可制造性、低成本、快速響應等多方綜合訴求的角度，識別方案存在的次生問題，并將其轉換成TRIZ標準問題，采用TRIZ求解工具對方案進行優(yōu)化，進一步降低侵權風險并能應用于實際生產。

1.2 目標專利識別

圖2為目標專利識別流程。對于有價值的產品，設計者往往申請了實現(xiàn)相同功能的為數眾多的專利，因而規(guī)避專利侵權風險的關鍵前提就在于找出該類產品的一系列相關專利，并識別出高風險的目標專利。

圖1 基于TRIZ的專利規(guī)避流程Fig.1 TRIZ-based patent evasion process

1.3 產品功能建模

圖3為產品功能建模流程，該流程將功能建模分成3個模塊：基于技術特征提取的組件識別、基于組件識別的產品功能建模、基于功能建模的裁剪策略。

(1) 基于技術特征提取的組件識別。專利文獻當中的核心就是權利要求，它規(guī)定了專利權的保護范圍[10-11]。為了避開現(xiàn)有專利技術的保護范圍，需對產品專利文獻進行分析，分解其專利權利要求，從中提取產品技術特征[12-13]。針對專利規(guī)避的產品功能建模，其難度較大的主要原因在于為了擴大專利權保護范圍對必要技術特征的描述并非全部表示為明確的組件，有些是以較為抽象的功能予以表述，這將不可避免地增加功能建模中組件識別的難度。而一旦識別有誤，產品的創(chuàng)新性與新穎性必然受到較大影響，因而將抽象的功能描述轉換為相對清晰具體的組件就顯得尤為關鍵。

圖2 目標專利識別流程Fig.2 Identification process of target patents.

(2) 基于組件識別的產品功能建模。在前述分析的基礎上，通過組件列表識別出組件層級，進一步判斷組件間功能(即組件的某個參數被另一個組件保持或改變)及其類型，最后將組件通過功能表示的圖形符號連接起來，即完成了功能建模。

(3) 基于功能建模的裁剪策略。裁剪是TRIZ理論中的進行專利規(guī)避的首選工具[14-16]，它是在產品功能模型的基礎上，對于價值低和侵權風險高的組件進行修剪，將其承載的功能重新分配到系統(tǒng)或超系統(tǒng)中其他組件，在不降低技術系統(tǒng)功能的前提下，降低專利侵權風險。

2 多邊折彎機功能建模

2.1 確定多邊折彎機目標專利

多邊折彎機主要定位用于進行鈑金的折彎加工，通過項目需求提取出關鍵詞“多邊” “折彎”及“鈑金”。通過對關鍵詞進行拓展，如“折彎”從詞義上可拓展成“彎折” “彎曲”等，從功能上可拓展成“翻邊”“彎邊” “折邊” “折緣”等，從專業(yè)上可拓展成“柔性加工” “數控加工”和“柔性制造”等，根據檢索系統(tǒng)檢索規(guī)則完善檢索式，通過結合ICP檢索方法對產品專利進行檢索，并剔除與產品研發(fā)需求相關性低的專利，表1為專利檢索結果。依據專利說明書的描述，結合各指標權重比，確定專利WO/2018/000677[17]為目標專利。

2.2 基于技術特征提取的組件識別

由于專利權利要求中組件“水平驅動結構”和“豎直驅動結構”不明確，只知兩者功能是控制C型折彎刀運動，為了后續(xù)步驟正常進行，因此需進行組件識別。針對前者，將其功能按照能量傳遞過程依次分解為驅動、放大、傳導和執(zhí)行，再將分功能對應到相應組件，圖4為水平驅動結構組件識別。同理得到豎直驅動結構組件識別，如圖5所示。

通過基于技術特征提取的組件識別過程將識別得到的不明確的組件與易識別組件進行組合，通過將專利技術特征與組件對應，結合組件分析確定組件層級，得到基于技術特征的組件識別，如表2所示。根據專利實施方案，經過組件分析確定系統(tǒng)作用對象為金屬板料。

2.3 基于組件識別的多邊折彎機功能建模

結合專利權利要求和專利說明書中對其組件相互作用關系的描述，識別兩兩組件之間功能的有無及功能的類型，將有功能的組件通過箭頭的連接，由功能載體指向功能對象，從而構建得到圖6的多邊折彎機功能建模。

2.4 基于多邊折彎機功能建模的裁剪策略

專利侵權的一個主要判斷標準即是否使用了專利文獻中所描述的實現(xiàn)整個技術系統(tǒng)功能的n個組件，如果使用少于n個組件或用新的組件及其結構形式實現(xiàn)相同的功能，就有可能規(guī)避侵權風險。

2.4.1 基于低價值組件裁剪的規(guī)避設計

低價值組件包括兩類：一類是實現(xiàn)功能的價值不高但不會產生有害功能；另外一類是實現(xiàn)功能價值不高且伴隨有害功能。結合多邊折彎機功能建模可看出加強連接板屬于后者，而通過組件價值分析知組件銷軸、連接板、轉軸、連桿3屬于前者，依據裁剪規(guī)則A，將系統(tǒng)低價值組件進行裁剪。由于曲軸對正常工作的條件要求過高。根據裁剪規(guī)則D，裁剪組件曲軸，其功能轉移到組件連桿上，得到方案Ⅰ為基于曲柄?連桿結構的規(guī)避方案。

圖3 產品功能建模流程Fig.3 Process of product functional modeling

表1 專利檢索結果Table 1 Results of patent search

圖4 水平驅動結構組件識別Fig.4 Component identification of horizontal drive structure

圖5 豎直驅動結構組件識別Fig.5 Component identification of vertical drive structure

2.4.2 基于高風險組件裁剪的規(guī)避設計

由前述所知，多邊折彎機關鍵技術在于折彎刀的復合運動控制，因此對于多邊折彎機而言侵權風險較高的組件主要來源于驅動源和中間傳導結構對應的組件。

(1) 通過引入新組件氣缸或液壓缸，用氣缸或液壓缸直接控制C型折彎刀運動，得到方案Ⅱ為基于氣/液壓控制的規(guī)避方案。

(2) 通過引進新組件絲桿，由伺服電機控制絲桿進給和轉向來控制C型折彎刀運動，得到方案Ⅲ為基于絲桿螺母副結構的規(guī)避方案。

表3為規(guī)避方案匯總表，將方案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ通過圖表形式展示出來，并對比各方案的工作原理及特點，為后續(xù)方案評價和組合奠定基礎。

表2 基于技術特征的組件識別Table 2 Component identification based on technical features

圖6 多邊折彎機功能建模Fig.6 Functional modeling of multilateral bending machine

2.5 次生問題的求解

2.5.1 基于技術沖突的絲桿螺母副結構創(chuàng)新設計

技術沖突即技術矛盾[18]，當優(yōu)化了技術系統(tǒng)某個參數的同時會導致另外一個參數惡化。將問題轉換成TRIZ標準問題，描述成為了改善折彎的精度，需將增大絲桿直徑。對應到TRIZ的39個工程參數，即改善了制造精度，惡化了物質的量，結合矛盾矩陣表，獲取相應發(fā)明原理。根據發(fā)明原理No.3局部質量、No.24借助中介物、No.1分割的啟發(fā)，得到方案Ⅳ為基于絲桿螺母副結構創(chuàng)新設計。

2.5.2 基于物理矛盾的楔形塊結構創(chuàng)新設計

物理矛盾[18]指的是對一個對象的某一參數具有互斥的不同需求，解決物理矛盾的核心思想[19]是實現(xiàn)矛盾雙方的分離，通常用到的4大分離法則分別為空間分離、時間分離、條件分離和整體與部分分離。將問題轉換成標準問題后，描述成在控制C型折彎刀運動時，豎直或水平方向的速度總會有相反的要求，故構建出一組物理矛盾，由于該矛盾發(fā)生于空間，因此對矛盾進行空間分離。通過分離法則與發(fā)明原理的對應關系，通過發(fā)明原理No.1分割和No.4增加不對稱啟發(fā)，得到方案Ⅴ為基于分割和不對稱原理的楔形塊結構創(chuàng)新方案，通過發(fā)明原理No.1分割和No.24借助中介物的啟發(fā)，得到方案Ⅵ為基于分割和中介物原理的楔形塊結構創(chuàng)新方案，其中楔形塊的控制如圖7所示。

表3 規(guī)避方案匯總表Table 3 Summary of circumvention schemes

表4為創(chuàng)新方案匯總表，將方案Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ，通過圖表形式展示出來，并對比各方案的工作原理及特點，為后續(xù)方案評價和組合奠定基礎。

3 方案評價

3.1 方案組合

將一組方案匯總表中的方案結構進行分析和對比，優(yōu)選曲柄?連桿結構控制豎直方向運動，優(yōu)選楔形塊結構控制水平方向運動并將兩者組合得到圖8的組合方案。

3.2 侵權評價

專利方案的技術特征由表2知有5項。而組合方案沒有加強連接板，僅有4項技術特征，即組合優(yōu)化方案不存在全面覆蓋的問題。由于水平控制模塊與豎直驅動控制模塊具有明顯區(qū)別，因此不存在等同問題。根據專利侵權判定原則和方法[20-23]，判定組合方案不侵權。

圖7 楔形塊的控制方式Fig.7 Control mode of wedge block

4 結論

本文研究了基于功能建模的多邊折彎機創(chuàng)新與規(guī)避設計，通過總結優(yōu)化現(xiàn)有規(guī)避方法，得到基于TRIZ的創(chuàng)新規(guī)避方法，并對其圍繞功能建模及應用的關鍵問題進行了研究和分析。該方法在多邊折彎機的規(guī)避設計中得到了驗證，經系統(tǒng)分析得到了較多創(chuàng)新方案，優(yōu)化組合后的方案不僅充分降低專利侵權的風險，而且滿足了產品快速創(chuàng)新且能夠應用于實際生產的需求。該方法對于不同行業(yè)領域產品的規(guī)避創(chuàng)新都具有積極的借鑒意義和實用價值。

表4 創(chuàng)新方案匯總表Table 4 Summary of innovation schemes

圖8 組合方案Fig.8 Combination scheme