基于TRIZ理论的高速机床导轨防护罩设计

摘 要：在高速机床导轨防护领域，国外和台湾一直走在前列，并在大陆申请了相关的专利。为提高机床导轨防护罩的运行速度而又不侵权，故利用TRIZ进行解题，在TRIZ工具的应用过程中，得到了理想的结果。更重要的是本文探索了TRIZ理论在提高机床导轨防护罩运行速度方面的应用，丰富了机床防护罩速度提升的方法，为大陆机床导轨防护罩行业集体迈向高端，挑战国外和台湾同行做出相应的思考。

关键词：TRIZ理论；高速机床导轨防护罩；技术矛盾；物理矛盾

引言

机床号称工业之母，目前的数控机床技术逐步向精密、高效、柔性、集成的方向发展。而机床导轨防护罩作为机床的关键附件，主要目的在防护加工时所产生之切屑掉入机械内部和加工所用切屑液喷溅或渗入机械内部，而造成导轨、电机、光栅尺、感应器、丝杠等精密组件的损坏。目前国内中低档数控机床的导轨防护市场，基本由国内产品占领，而高档机床的导轨防护罩，一直依赖进口。

发明问题解决原理（TRIZ）已经成为目前技术创新领域的研究热点，本文针对现有导轨防护罩存在的问题，运用TRIZ理论对其进行分析，建立其矛盾，并结合TRIZ矛盾矩阵对其进行创新求解。更重要的是本文探索了TRIZ理论在提高机床导轨防护罩运行速度方面的应用，丰富了机床防护罩速度提升的方法，为大陆机床导轨防护罩行业集体迈向高端，挑战国外和台湾同行做出相应的思考。

1 初始问题描述

1.1 工作原理

现有防护罩本身由相似的几个单元嵌套而成，单元由立板、防护板、减震垫、刮屑条、滚轮所组成。护罩一端连接工作台，一端连接机床导轨尾部，工作台移动带动护罩进行运动，拉伸压缩比可达5：1。在机床工作台的带动下上一单元的刮屑条和下一单元立板接触以后可以进行拉伸，一节拖拽一节实现最大拉伸量。当机床工作台反向运动，这一单元的立板和下一单元的减震垫接触以后进行压缩。一节压缩一节实现最小压缩量。

1.2 主要问题

护罩采用机械式拖拽和压缩，其运行过程中的动力来源于工作台。当工作台运行速度低于30m/min时，护罩运行良好，但当工作台运行速度高于30m/min时，由于受到较大的冲击，护罩的刮屑条和立板相互拉裂，脱节损坏。

1.3 限制条件：

国外的产品可以模仿，但不能全抄，否则属于侵权行为；而如果防护罩造价高于现价的30%，虽然还低于国外进口护罩的价格，但竞争力缺失；为能得到可行方案，还要考虑现有生产设备的生产能力。基于以上三条，提出限制条件。

①规避国外产品设计的结构；

②成本增加不能超过30%；

③防护罩的结构不能变复杂。

2 目前解决方案、存在问题

目前台湾引兴公司的高速导轨防护罩在国内占据70%以上的份额，但是该技术（内置铰链机构）已经在大陆申请专利。

大陆很多厂商都模仿其铰链结构，然而采用其技术制作的高速导轨防护罩成本比现有上升50%以上。

3 TRIZ解题流程

3.1 系统分析

3.1.1 九屏图分析

利用九屏图分析问题，结果如图4所示。

由图4可知，可以利用子系统的未来资源，利用高性能塑料刚替代现有钢板，轻量化设计，防护罩轻则冲击力会变小，可以适应更高速度。也可以进行柔性设计，利用柔性但耐冲击的材料，弥补现有的柔性风琴护罩没法防止高速冲击铁屑的缺点。还可以利用当前系统的未来资源，预测出未来机床和护罩的发展方向。

3.1.2因果链分析

图5为造成护罩脱节损坏的因果链，从图中可以明显得出，造成护罩脱节损坏的主要原因是：静动护板接触时冲击力较大。

通过因果链分析，造成护罩脱节损坏的关键是静动护板接触时冲击力较大，而冲击力较大的原因又有三个：当聚焦到静动护板接触时间过短，可以想办法延长其接触时间，例如接触部位增加海绵（见图6）；聚焦到静动板相对速度较高，可以使静止护板动起来（原理见图7），相对速度高往下到一单元运动，一单元静止，可以使单元同时动作（铰链机构见图3）；聚焦到接触面积小，可以使接触面积变大（见图8）。

3.1.3功能分析

图9为现有导轨防护罩功能结构图，从图中可以明显看出，运动单元的刮屑条拖拽静止单元的立板，问题发生于此处。而滚轮对导轨的磨损在此解题中不作为重点关注的问题。

由于系统比较简单、各部件已经精简，此处不进行裁剪，功能结构图为了更好地了解问题发生部位和时间点。

3.2资源分析

把物质资源，能量资源，信息资源，空间资源，时间资源，功能资源和九屏图对应，充分找出可利用的资源，以便于后期TRIZ工具的时候运用。见表1

3.3 TRIZ工具

3.3.1 技术矛盾

根据因果链分析，找出相应的技术矛盾，此处聚焦于拖拉结构不可靠上。

①定义技术矛盾：

TC1：如果对护罩结构进行修改，不采用拖拉结构，那么护罩高速运行的可靠性增强，但是护罩系统也就变得复杂。

TC2：如果不对护罩结构进行修改，采用拖拉结构，那么护罩系统不会变得复杂，但是护罩高速运行的可靠性下降。

②查询矛盾矩阵，得出发明原理：

改善参数：可靠性（27）；

恶化参数：系统的复杂性（36）；

矛盾矩阵表：反向作用原理（13）、物理或化学参数改变原理（35）、分割原理（1）。

③根据发明原理得出解决方案：

根据反向作用原理（13）中让物体或环境可动部分不动，不动部分可动的提示，得出解决方案，内置弹簧的护罩，见图10。此护罩内置弹簧（已申请专利），解决了高速下的冲击问题，改变了伸缩式防护罩的工作方式，理论上可以满足所有速度的机床。相比铰链式护罩，结构简单，成本有效较低。

3.3.2 物理矛盾

根据技术矛盾，提取出相应的物理矛盾。

①定义物理矛盾：

导轨防护罩的速度要低，满足可靠性要求；防护罩的速度要高，满足机床运行要求。

速度既要快，又要慢。

②确定物理矛盾分离法：

撞击部位需要速度慢以保证可靠性，其余部分需要速度快以满足机床高速运行要求，采用空间分析。

撞击时需要速度慢，以保证可靠性，非撞击时需要速度快以适应机床高速运行要求，采用时间分离。

③选择对应的发明原理。

④根据发明原理的启示得出解决方案

参照空间分离原理中对应的第3号发明原理局部质量法，采用局部质量加强，对容易出问题的部位进行加固。得出方案：立板加强筋护罩（已申请专利），见图11；

参照时间分离原理中对应的第11号发明原理预置防范法，结合资源分析中的超系统资源工作台，得出创新方案：程序控制。在不需要更改护罩的情况下设置程序，使工作台间歇运动，了解单元的长度，让工作台移动一开始速度较快，当二者快接触上的时候放慢速度，依次类推（此方案已应用于重型机床上）。

4.结语

通过TRIZ的解题，本项目取得了二十多个创新方案，出于对专有技术保密等因素，只选取部分公开专利进行发表示例，而在高速导轨防护罩的设计上，从此多了很多的思路，不再局限于国外以及台湾先进的技术。与此同时，对于机床导轨的防护，充分挖掘了相关技术，对自身进行了专利战略部署。在高速导轨防护罩领域内，占据了一席之地。

TRIZ理论的矛盾解决方法是指导机械创新的有效工具，它能帮助设计人员迅速发现主要问题并提供解决相应问题的创新原理。该过程采用标准化的方法，当设计人员掌握该方法后，就会加快产品创新的速度，提高创新设计的质量，对工程实际问题的解决有十分重要的指导意义。

责编/刘红伟

参考文献

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