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基于TRIZ理論的高速機床導軌防護罩設(shè)計

2017-01-17 17:08李建光韓博
科技創(chuàng)新與品牌 2016年12期
關(guān)鍵詞:TRIZ理論

李建光++韓博

摘要:在高速機床導軌防護領(lǐng)域,國外和臺灣一直走在前列,其在大陸申請了相關(guān)的專利。為提高機床導軌防護罩的運行速度而又不侵權(quán),故利用TRIZ進行解題,在TRIZ工具的應(yīng)用過程中,得到了理想的結(jié)果。更重要的是本文探索了TRIZ理論在提高機床導軌防護罩運行速度方面的應(yīng)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(yè)集體邁向高端,挑戰(zhàn)國外和臺灣同行做出相應(yīng)的思考。

關(guān)鍵詞:TRIZ理論;高速機床導軌防護罩;技術(shù)矛盾;物理矛盾

機床號稱工業(yè)之母,目前的數(shù)控機床技術(shù)逐步向精密、高效、柔性、集成的方向發(fā)展。而機床導軌防護罩作為機床的關(guān)鍵附件,主要目的在防護加工時所產(chǎn)生的切屑掉入機械內(nèi)部和加工所用切屑液噴濺或滲入機械內(nèi)部,而造成導軌、電機、光柵尺、感應(yīng)器、絲杠等精密組件的損壞。目前國內(nèi)中低檔數(shù)控機床的導軌防護市場,基本由國內(nèi)產(chǎn)品占領(lǐng),而高檔機床的導軌防護罩,一直依賴于進口。

發(fā)明問題解決原理(TRIZ)已經(jīng)成為目前技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的研究熱點,本文針對現(xiàn)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(jié)合TRIZ矛盾矩陣對其進行創(chuàng)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(yīng)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(yè)集體邁向高端,挑戰(zhàn)國外和臺灣同行做出相應(yīng)的思考。

1 初始問題描述

1.1工作原理

現(xiàn)有防護罩本身由相似的幾個單元,立板、防護板、減震墊、刮屑條、滾輪所組成的單元嵌套而成。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(jié)拖拽一節(jié)實現(xiàn)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(jié)壓縮一節(jié)實現(xiàn)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(jié)損壞。

1.3 限制條件:

國外的產(chǎn)品可以模仿,但不能全抄,否則屬于侵權(quán)行為;而如果防護罩造價高于現(xiàn)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(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)避國外產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu); ②成本增加不能超過30%;③防護罩的結(jié)構(gòu)不能變的復雜。

2 目前解決方案及存在問題

目前臺灣引興公司的高速導軌防護罩在國內(nèi)占據(jù)70%以上的市場份額,但是該技術(shù)(內(nèi)置鉸鏈機構(gòu))已經(jīng)在大陸申請專利。

大陸很多廠商都模仿其鉸鏈結(jié)構(gòu),然而采用其技術(shù)制作的高速導軌防護罩成本比現(xiàn)有成本上升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)的未來資源,利用高性能塑料剛替代現(xiàn)有鋼板,輕量化設(shè)計,防護罩輕則沖擊力會變小,可以適應(yīng)更高速度。也可以進行柔性設(shè)計,利用柔性但耐沖擊的材料,彌補現(xiàn)有的柔性風琴護罩無法防止高速沖擊鐵屑的缺點。還可以利用當前系統(tǒng)的未來資源,預(yù)測出未來機床和護罩的發(fā)展方向。

3.1.2因果鏈分析

圖5為造成護罩脫節(jié)損壞的因果鏈,從圖中可以明顯得出,造成護罩脫節(jié)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(jié)損壞的關(guān)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(gòu)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(xiàn)有導軌防護罩功能結(jié)構(gòu)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(fā)生于此處。而滾輪對導軌的磨損在此解題中不作為重點關(guān)注的問題。

由于系統(tǒng)比較簡單、各部件已經(jīng)精簡,此處不進行裁剪,功能結(jié)構(gòu)圖為了更好地得到問題發(fā)生部位和時間點。

3.2資源分析

把物質(zhì)資源、能量資源、信息資源、空間資源、時間資源、功能資源和九屏圖對應(yīng),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(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:

分析1:如果對護罩結(jié)構(gòu)進行修改,不采用拖拉結(jié)構(gòu),那么護罩高速運行的可靠性增強,但是護罩系統(tǒng)也就變得復雜。

分析2:如果不對護罩結(jié)構(gòu)進行修改,采用拖拉結(jié)構(gòu),那么護罩系統(tǒng)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(fā)明原理:

改善參數(shù):可靠性(27);

惡化參數(shù):系統(tǒng)的復雜性(36);

矛盾矩陣表:反向作用原理(13)、物理或化學參數(shù)改變原理(35)、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)境可動部分不動,不動部分可動的提示,得出解決方案,內(nèi)置彈簧的護罩,見圖10。此護罩內(nèi)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(jié)構(gòu)簡單,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(yīng)機床高速運行要求,采用時間分離。

③選擇對應(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應(yīng)的第3號發(fā)明原理局部質(zhì)量法,采用局部質(zhì)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(yīng)的第11號發(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,得出創(chuàng)新方案,程序控制。在不需要更改護罩的情況下設(shè)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慢放速度,依次類推(此方案已應(yīng)用于重型機床上)。

4 結(jié)語

通過TRIZ的解題,本項目取得了二十多個創(chuàng)新方案,出于對專有技術(shù)保密等因素,只選取部分公開專利進行發(fā)表示例。而在高速導軌防護罩的設(shè)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(shù)。與此同時,對于機床導軌的防護,充分挖掘了相關(guān)技術(shù),對自身進行了專利戰(zhàn)略部署。在高速導軌防護罩領(lǐng)域內(nèi),占據(jù)了一席之地。

TRIZ的矛盾解決方法是指導機械創(chuàng)新的有效工具,它能幫助設(shè)計人員迅速發(fā)現(xiàn)主要問題并提供解決相應(yīng)問題的創(chuàng)新原理,該過程采用標準化的方法,當設(shè)計人員掌握該方法后,就會加快產(chǎn)品創(chuàng)新的速度,提高創(chuàng)新設(shè)計的質(zhì)量。也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

參考文獻

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