面向加工中心換刀手技術問題的TRIZ專利規(guī)避設計

黃海洋，左 斌

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

換刀手是加工中心的重要組成部分，其作用是實現(xiàn)主軸刀具與刀庫刀具的快速自動更換。目前，單臂雙爪式換刀手是應用最為廣泛的換刀手，在自動換刀過程中，單臂雙爪式換刀手要完成抓刀、拔刀、交換刀具位置、插刀和復位等動作，但在使用中發(fā)現(xiàn)，換刀過程中普遍存在著刀具夾持不穩(wěn)、定位不準、掉刀及無法換刀等現(xiàn)象[1-4]。因此，本研究通過TRIZ專利規(guī)避創(chuàng)新設計，提出了解決換刀手技術問題的新方案，以期解決單臂雙爪式換刀手存在的上述問題。

1 問題分析

1.1 系統(tǒng)分析

單臂雙爪式換刀手結構原理圖如圖1所示。換刀手換刀時，手臂由待機位置繞轉軸旋轉至換刀位置；換刀手抓刀時，錐銷插入刀柄的凹槽中，兩手爪上的鎖緊銷分別被主軸和刀庫上的擋塊壓下，使活動銷能夠在刀具的擠壓下向內(nèi)側移動并在彈簧的作用下頂住刀具；換刀手拔刀時，鎖緊銷與擋塊脫離接觸，鎖緊銷被彈簧彈起，鎖緊銷頂住活動銷使其不能后退，實現(xiàn)對刀具的鎖緊，接著換刀手回轉180°交換刀具位置；插刀時，換刀手上升，鎖緊銷分別被主軸和刀庫上的擋塊壓下，使活動銷能夠在刀具的擠壓下向內(nèi)側移動并實現(xiàn)松刀。刀具松開后，換刀手復位至待機位置。

從換刀手的功能方面考慮，利用TRIZ中的系統(tǒng)分析方法[5-7]識別換刀手的系統(tǒng)、超系統(tǒng)和子系統(tǒng)，對換刀手組件進行分析，如表1所示。其中，系統(tǒng)和超系統(tǒng)是影響換刀手功能效果的主要因素，分析系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件之間的相互作用，形成換刀手組件相互關系矩陣，如表2所示。其中，“+”表明組件之間存在相互作用關系，“-”表明不存在相互作用關系。通過相互關系矩陣可以全面了解系統(tǒng)的組成、功能，以及各組件之間的相互關系，為本研究進一步分析換刀手組件提供基礎。

表1 換刀手組件分析

表2 換刀手組件相互關系矩陣

1.2 因果鏈分析

本研究通過組件分析、相互關系矩陣分析，并結合因果鏈分析，對造成刀具夾持不穩(wěn)、定位不準、掉刀及無法換刀等換刀故障的原因進行深入解析。因果鏈分析如圖2所示。通過因果鏈對造成換刀故障的原因進行逐級分析，可將造成刀具夾持不穩(wěn)、定位不準、掉刀及無法換刀等換刀故障的主要原因概括如下：

1) 換刀手夾持刀具不穩(wěn)及掉刀的原因。換刀手對刀具的穩(wěn)定夾持需要錐銷、手爪、活動銷組件和鎖緊銷組件相互配合達到卡緊、鎖定。若錐銷被磨損或斷裂，則錐銷無法插入刀柄凹槽中完成定位；若活動銷組件和鎖緊銷組件中的彈簧、銷軸等由于斷裂、老化、雜質(zhì)卡阻等原因無法正常工作時，則換刀手會出現(xiàn)夾持刀具不穩(wěn)，甚至掉刀的現(xiàn)象。

2) 換刀手定位不準的原因。當手爪或手臂產(chǎn)生變形時，換刀點將產(chǎn)生偏差，造成換刀手定位不準。此外，轉軸與手臂的連接處松動、偏移或轉軸的驅動機構產(chǎn)生較大的運動誤差，也會造成換刀手定位不準。

3) 換刀手無法換刀的原因。若活動銷彈簧預緊力過度或活動銷機械卡阻，則在松刀時活動銷無法正常后退，造成刀具卡死無法換刀；若鎖緊銷彈簧預緊力過度或鎖緊銷機械卡阻，鎖緊銷無法被正常按下，活動銷始終處于鎖緊位置，則也會造成刀具卡死無法換刀。

結合實際工況，將上述原因進行簡化，得到造成換刀手故障的根本原因：①由于沖擊力的存在，造成銷軸變形卡阻、彈簧斷裂、手爪或手臂變形、轉軸與手臂的連接處松動。②由于磨損及雜質(zhì)的存在，造成銷軸運動卡阻。③由于材料老化，造成銷軸斷裂、彈簧彈力不足。對于上述換刀手故障的根本原因，可以通過專利規(guī)避設計進行解決。

2 專利檢索

針對換刀手故障的主要原因，利用專利信息在本領域及先進領域內(nèi)尋找解決方案[8-9]。專利檢索采用了關鍵詞結合IPC分類號的方式，換刀手專利檢索要素如表3所示。本研究初步檢索得到專利文件788件，經(jīng)過篩選得到與解決換刀手現(xiàn)存問題最相關的有效專利16件，如表4所示。

表3 換刀手專利檢索要素

表4 解決換刀手現(xiàn)存問題最相關的有效專利

3 專利規(guī)避設計

3.1 技術進化分析

以換刀手中的執(zhí)行裝置手爪為關注對象，通過分析上述16件專利的區(qū)別技術特征，構建換刀手系統(tǒng)技術進化樹[10]，技術進化樹模型如圖3所示。

由圖3可知，動態(tài)化路線、系統(tǒng)裁剪路線和系統(tǒng)擴展——裁剪路線是換刀手技術發(fā)展的重要方向，因此可選取能夠解決現(xiàn)有技術問題的專利CN201110297219.9作為被規(guī)避專利。

3.2 專利組件分析及功能模型的建立

專利CN201110297219.9公開的換刀手初始方案結構原理圖如圖4所示。原理圖包括換刀臂、夾持座、活塞、壓縮彈簧和鋼球等部件。其中換刀臂上設置有進氣孔，進氣孔一端與高壓氣泵相連，另一端延伸至活塞的底部。夾持座上有若干個鋼球活動腔，每個鋼球活動腔均含有一個鋼球，鋼球可在鋼球活動腔內(nèi)左右移動，鋼球的直徑大于夾持座上鋼球活動腔所在的側壁厚度，因此鋼球的左右球面可突出于上述側壁的兩側。活塞可上下移動，在未通高壓氣體時，活塞在壓縮彈簧的彈力作用下位于最下端，活塞的上端可推動鋼球沿鋼球活動腔移動。

由圖4可知，未換刀時，進氣孔不通氣，活塞在壓縮彈簧的彈力作用下位于最下端；換刀時，刀具進入夾持座的內(nèi)腔，高壓氣體經(jīng)進氣孔進入活塞底部，并推動活塞克服壓縮彈簧的彈力向上運動，活塞向上運動時，推動鋼球向夾持座內(nèi)腔方向移動，最終使鋼球夾持住刀具。

根據(jù)本研究對專利CN201110297219.9公開的技術方案中的組件分析，建立其初始方案功能模型如圖5所示。由圖5可知，高壓氣體推動活塞，活塞克服壓縮彈簧的彈力推動鋼球向夾持座內(nèi)腔方向運動，鋼球向內(nèi)運動后實現(xiàn)對刀具的夾持。該專利的技術方案可以解決抓刀和松刀過程中產(chǎn)生的撞擊問題。同時，可以防止刀具和換刀手的磨損、變形、損毀及噪聲的產(chǎn)生。此外，刀具由若干個鋼球執(zhí)行抓刀動作，各個鋼球間相互獨立動作，個別鋼球出現(xiàn)故障不會造成整個換刀手無法正常工作，設備安全運行系數(shù)高。

該專利所公開的技術方案能夠解決現(xiàn)有換刀手銷軸機械卡阻和手爪變形造成的換刀故障，但由于已被申請專利，且對現(xiàn)有技術問題未能完全解決，因此為了更加完善地解決現(xiàn)有技術問題，可以利用TRIZ中的功能裁剪方法對該專利做進一步專利規(guī)避設計。

3.3 專利規(guī)避設計方案

1）方案一：根據(jù)TRIZ進化樹理論中的物體分割進化路線，在物體層次上，系統(tǒng)組件由分子層次(如氣體、液體等)分割至場層次(如電場、磁場等)，因此可將功能模型中的高壓氣體按照物體分割進化路線分割為電磁場，由電磁場替代高壓氣體完成對活塞的推動功能，方案一功能裁剪及功能模型如圖6所示。

方案一結構原理圖如圖7所示。由于本方案的系統(tǒng)中已不存在高壓氣體，無須密封，因此初始方案中的密封圈也可裁剪掉。電磁場可由電磁鐵提供，電磁鐵以環(huán)形的方式固定在活塞的上方。由圖7可知，未換刀時，電磁鐵不通電不產(chǎn)生磁場，活塞在壓縮彈簧的彈力作用下位于最下端；換刀時，刀具進入夾持座的內(nèi)腔，電磁鐵通電產(chǎn)生磁場并推動活塞克服壓縮彈簧的彈力向上運動，活塞向上運動時，推動鋼球向夾持座內(nèi)腔方向移動，最終使鋼球夾持住刀具。

方案一不僅解決了專利CN201110297219.9已解決的技術問題，還避免了由于彈簧老化、斷裂等原因造成的無法鎖緊刀具及掉刀現(xiàn)象的發(fā)生。

2）方案二：在專利CN201110297219.9及方案一中，鋼球為鐵磁性材料，其與電磁場可直接相互作用。根據(jù)功能裁剪規(guī)則，如果能從系統(tǒng)或超系統(tǒng)中找到另一個組件執(zhí)行有用功能，那么功能載體是可以被裁剪掉的，因此可在方案一的基礎上，采用功能裁剪的方法做進一步裁剪?？梢詫⒒钊芭c活塞相互作用的壓縮彈簧裁剪掉，電磁鐵產(chǎn)生的磁場直接推動鋼球運動并完成夾持刀具的功能。方案二功能裁剪及功能模型如圖8所示。方案二結構原理圖如圖9所示。為了實現(xiàn)電磁場對鋼球的作用，電磁鐵以環(huán)形的方式固定在鋼球的周圍。鋼球的形狀改為扁長的橢圓形，且鋼球由永磁材料制成，鋼球的極性左右設置。當電磁鐵通電時，電磁鐵產(chǎn)生的磁極方向與鋼球的磁極相反，未換刀時，電磁鐵不通電不產(chǎn)生磁場，鋼球處于自由移動的狀態(tài)，不提供夾持力；換刀時，刀具進入夾持座的內(nèi)腔，電磁鐵通電產(chǎn)生與鋼球極性相反的磁場，該磁場推動鋼球向夾持座內(nèi)腔方向移動，最終使鋼球夾持住刀具。

3）方案三：根據(jù)功能裁剪規(guī)則，如果能從系統(tǒng)或超系統(tǒng)中找到另一個組件執(zhí)行有用功能，那么功能載體是可以被裁剪掉的。若鋼球能被高壓氣體直接推動，那么可以將活塞裁剪掉，與活塞相互作用的壓縮彈簧也可裁剪掉，由此形成方案三。方案三功能裁剪及功能模型如圖10所示。

方案三結構原理圖如圖11所示。由于方案三的系統(tǒng)中已不存在活塞，因此活塞與夾持座、換刀臂之間的密封圈也可裁剪掉。由圖11可知，未換刀時進氣孔不通氣，鋼球處于自由移動的狀態(tài)，不能提供夾持力；換刀時，刀具進入夾持座的內(nèi)腔，高壓氣體經(jīng)進氣孔進入儲氣腔，并推動鋼球向夾持座內(nèi)腔方向移動，最終使鋼球夾持住刀具。相較于專利CN201110297219.9，方案三由于裁剪了彈簧和活塞，在解決了現(xiàn)有問題的基礎上，結構更簡單，故障率更低，實用性更強。

4 專利侵權判定

根據(jù)專利相關規(guī)定，新方案是否構成專利侵權，需要通過“全面覆蓋原則”“等同原則”和“禁止反悔原則”等原則來判定。其中最常用的是“全面覆蓋原則”和“等同原則”。上述原則的適用與侵權判定方法如表5所示。

由表5可知，可采取兩種專利規(guī)避設計方法，使得新的技術方案不侵權：①對原始專利中的某一項或多項技術特征進行替換，且替換的新技術特征與被替換的技術特征存在實質(zhì)性區(qū)別。②對原始專利中的技術特征進行裁剪，使新的技術特征不能全面覆蓋原始技術特征。根據(jù)專利侵權判定原則和方法，將方案一、二、三的技術特征與被規(guī)避專利CN201110297219.9的獨立權利中的技術特征相比較，得到設計方案侵權判定結果如表6所示。

表5 原則的適用與侵權判定方法

表6 設計方案侵權判定結果

由表6可知，專利CN201110297219.9的必要技術特征包括換刀臂、夾持座、活塞、壓縮彈簧、鋼球和高壓氣體6項。方案一的技術構成中不包含高壓氣體，未全覆蓋專利CN201110297219.9的全部必要技術特征。方案一新增的技術特征電磁鐵與被裁剪掉的高壓氣體的結構、功能、原理完全不相同，即不存在等同性替換問題。因此，根據(jù)“全面覆蓋原則”和“等同原則”侵權判定方法，方案一未侵犯專利CN201110297219.9的專利權。同理，方案二、三也未覆蓋專利CN201110297219.9的全部必要技術特征，也不存在等同性替換問題，方案二、三也均未侵犯專利CN201110297219.9的專利權。

5 結論

本研究對換刀手存在的問題進行了分析，并結合問題的原因檢索、分析了相關專利。利用TRIZ理論中的技術進化理論和功能裁剪方法進行了專利規(guī)避設計，最后對規(guī)避方案進行了侵權判定分析。由于篇幅所限，文中僅涉及了專利規(guī)避設計方法中的功能裁剪策略，其他專利規(guī)避策略和方法的應用還要通過相關案例進一步研究和驗證。本研究方法具有較強的實用性，可為企業(yè)及研究機構利用專利信息規(guī)避侵權風險、打破專利壁壘、培育高價值專利提供參考。