基于TRIZ理論的高速機床導軌防護罩設計

摘 要：在高速機床導軌防護領域，國外和臺灣一直走在前列，并在大陸申請了相關的專利。為提高機床導軌防護罩的運行速度而又不侵權，故利用TRIZ進行解題，在TRIZ工具的應用過程中，得到了理想的結果。更重要的是本文探索了TRIZ理論在提高機床導軌防護罩運行速度方面的應用，豐富了機床防護罩速度提升的方法，為大陸機床導軌防護罩行業集體邁向高端，挑戰國外和臺灣同行做出相應的思考。

關鍵詞：TRIZ理論；高速機床導軌防護罩；技術矛盾；物理矛盾

引言

機床號稱工業之母，目前的數控機床技術逐步向精密、高效、柔性、集成的方向發展。而機床導軌防護罩作為機床的關鍵附件，主要目的在防護加工時所產生之切屑掉入機械內部和加工所用切屑液噴濺或滲入機械內部，而造成導軌、電機、光柵尺、感應器、絲杠等精密組件的損壞。目前國內中低檔數控機床的導軌防護市場，基本由國內產品占領，而高檔機床的導軌防護罩，一直依賴進口。

發明問題解決原理（TRIZ）已經成為目前技術創新領域的研究熱點，本文針對現有導軌防護罩存在的問題，運用TRIZ理論對其進行分析，建立其矛盾，并結合TRIZ矛盾矩陣對其進行創新求解。更重要的是本文探索了TRIZ理論在提高機床導軌防護罩運行速度方面的應用，豐富了機床防護罩速度提升的方法，為大陸機床導軌防護罩行業集體邁向高端，挑戰國外和臺灣同行做出相應的思考。

1 初始問題描述

1.1 工作原理

現有防護罩本身由相似的幾個單元嵌套而成，單元由立板、防護板、減震墊、刮屑條、滾輪所組成。護罩一端連接工作臺，一端連接機床導軌尾部，工作臺移動帶動護罩進行運動，拉伸壓縮比可達5：1。在機床工作臺的帶動下上一單元的刮屑條和下一單元立板接觸以后可以進行拉伸，一節拖拽一節實現最大拉伸量。當機床工作臺反向運動，這一單元的立板和下一單元的減震墊接觸以后進行壓縮。一節壓縮一節實現最小壓縮量。

1.2 主要問題

護罩采用機械式拖拽和壓縮，其運行過程中的動力來源于工作臺。當工作臺運行速度低于30m/min時，護罩運行良好，但當工作臺運行速度高于30m/min時，由于受到較大的沖擊，護罩的刮屑條和立板相互拉裂，脫節損壞。

1.3 限制條件：

國外的產品可以模仿，但不能全抄，否則屬于侵權行為；而如果防護罩造價高于現價的30%，雖然還低于國外進口護罩的價格，但競爭力缺失；為能得到可行方案，還要考慮現有生產設備的生產能力。基于以上三條，提出限制條件。

①規避國外產品設計的結構；

②成本增加不能超過30%；

③防護罩的結構不能變復雜。

2 目前解決方案、存在問題

目前臺灣引興公司的高速導軌防護罩在國內占據70%以上的份額，但是該技術（內置鉸鏈機構）已經在大陸申請專利。

大陸很多廠商都模仿其鉸鏈結構，然而采用其技術制作的高速導軌防護罩成本比現有上升50%以上。

3 TRIZ解題流程

3.1 系統分析

3.1.1 九屏圖分析

利用九屏圖分析問題，結果如圖4所示。

由圖4可知，可以利用子系統的未來資源，利用高性能塑料剛替代現有鋼板，輕量化設計，防護罩輕則沖擊力會變小，可以適應更高速度。也可以進行柔性設計，利用柔性但耐沖擊的材料，彌補現有的柔性風琴護罩沒法防止高速沖擊鐵屑的缺點。還可以利用當前系統的未來資源，預測出未來機床和護罩的發展方向。

3.1.2因果鏈分析

圖5為造成護罩脫節損壞的因果鏈，從圖中可以明顯得出，造成護罩脫節損壞的主要原因是：靜動護板接觸時沖擊力較大。

通過因果鏈分析，造成護罩脫節損壞的關鍵是靜動護板接觸時沖擊力較大，而沖擊力較大的原因又有三個：當聚焦到靜動護板接觸時間過短，可以想辦法延長其接觸時間，例如接觸部位增加海綿（見圖6）；聚焦到靜動板相對速度較高，可以使靜止護板動起來（原理見圖7），相對速度高往下到一單元運動，一單元靜止，可以使單元同時動作（鉸鏈機構見圖3）；聚焦到接觸面積小，可以使接觸面積變大（見圖8）。

3.1.3功能分析

圖9為現有導軌防護罩功能結構圖，從圖中可以明顯看出，運動單元的刮屑條拖拽靜止單元的立板，問題發生于此處。而滾輪對導軌的磨損在此解題中不作為重點關注的問題。

由于系統比較簡單、各部件已經精簡，此處不進行裁剪，功能結構圖為了更好地了解問題發生部位和時間點。

3.2資源分析

把物質資源，能量資源，信息資源，空間資源，時間資源，功能資源和九屏圖對應，充分找出可利用的資源，以便于后期TRIZ工具的時候運用。見表1

3.3 TRIZ工具

3.3.1 技術矛盾

根據因果鏈分析，找出相應的技術矛盾，此處聚焦于拖拉結構不可靠上。

①定義技術矛盾：

TC1：如果對護罩結構進行修改，不采用拖拉結構，那么護罩高速運行的可靠性增強，但是護罩系統也就變得復雜。

TC2：如果不對護罩結構進行修改，采用拖拉結構，那么護罩系統不會變得復雜，但是護罩高速運行的可靠性下降。

②查詢矛盾矩陣，得出發明原理：

改善參數：可靠性（27）；

惡化參數：系統的復雜性（36）；

矛盾矩陣表：反向作用原理（13）、物理或化學參數改變原理（35）、分割原理（1）。

③根據發明原理得出解決方案：

根據反向作用原理（13）中讓物體或環境可動部分不動，不動部分可動的提示，得出解決方案，內置彈簧的護罩，見圖10。此護罩內置彈簧（已申請專利），解決了高速下的沖擊問題，改變了伸縮式防護罩的工作方式，理論上可以滿足所有速度的機床。相比鉸鏈式護罩，結構簡單，成本有效較低。

3.3.2 物理矛盾

根據技術矛盾，提取出相應的物理矛盾。

①定義物理矛盾：

導軌防護罩的速度要低，滿足可靠性要求；防護罩的速度要高，滿足機床運行要求。

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床高速運行要求，采用空間分析。

撞擊時需要速度慢，以保證可靠性，非撞擊時需要速度快以適應機床高速運行要求，采用時間分離。

③選擇對應的發明原理。

④根據發明原理的啟示得出解決方案

參照空間分離原理中對應的第3號發明原理局部質量法，采用局部質量加強，對容易出問題的部位進行加固。得出方案：立板加強筋護罩（已申請專利），見圖11；

參照時間分離原理中對應的第11號發明原理預置防范法，結合資源分析中的超系統資源工作臺，得出創新方案：程序控制。在不需要更改護罩的情況下設置程序，使工作臺間歇運動，了解單元的長度，讓工作臺移動一開始速度較快，當二者快接觸上的時候放慢速度，依次類推（此方案已應用于重型機床上）。

4.結語

通過TRIZ的解題，本項目取得了二十多個創新方案，出于對專有技術保密等因素，只選取部分公開專利進行發表示例，而在高速導軌防護罩的設計上，從此多了很多的思路，不再局限于國外以及臺灣先進的技術。與此同時，對于機床導軌的防護，充分挖掘了相關技術，對自身進行了專利戰略部署。在高速導軌防護罩領域內，占據了一席之地。

TRIZ理論的矛盾解決方法是指導機械創新的有效工具，它能幫助設計人員迅速發現主要問題并提供解決相應問題的創新原理。該過程采用標準化的方法，當設計人員掌握該方法后，就會加快產品創新的速度，提高創新設計的質量，對工程實際問題的解決有十分重要的指導意義。

責編/劉紅偉

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