紡織領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐
——簇絨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例

沈瓊，廖偉，張兆鈴

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

引言

2021 年?yáng)|華大學(xué)70 周年校慶會(huì)議中，俞建勇院士提出了以新工科和未來(lái)技術(shù)學(xué)院建設(shè)為抓手，加強(qiáng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型等各類人才培養(yǎng)，并以需求為導(dǎo)向，以實(shí)踐能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，以產(chǎn)學(xué)研協(xié)同賦能為途徑，探索紡織特色大學(xué)的卓越工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式。本研究在此背景下，進(jìn)行簇絨機(jī)紡織設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 研究背景與目的

全球紡織機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造主要集中在歐美日等地區(qū)，德國(guó)的紡織機(jī)械制造商特呂茨勒、日本山崎馬扎克、瑞士立達(dá)等較為知名。特呂茨勒品牌的紡織設(shè)備多采用高純度的科技色彩，造型上使用大量梯度線并配合使用短弧線，塑造出簡(jiǎn)約有力量的裝備風(fēng)格，體現(xiàn)出德國(guó)設(shè)計(jì)慣有的嚴(yán)謹(jǐn)和精致的特質(zhì)[1]。馬扎克公司專注于紡織機(jī)械的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，以彰顯其紡織設(shè)備的高端品質(zhì)[2]。瑞士立達(dá)采用了低純度的綠色，緩解了操作工人的視覺(jué)疲勞，并對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如固線器、柜內(nèi)儲(chǔ)藏盒等，提高了空間使用率[3]。日本村田機(jī)械則以生產(chǎn)小型輕量化簇絨設(shè)備著稱，性價(jià)比高，生產(chǎn)加工工藝優(yōu)良，其導(dǎo)紗系統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)由多根結(jié)構(gòu)鋼以鳥居型形式連接而成，配備的可移動(dòng)導(dǎo)紗扶梯占地空間小，操作區(qū)域人性化設(shè)計(jì)品質(zhì)較高。但進(jìn)出紗量與速率偏低，性能不及我國(guó)本土W 公司的簇絨機(jī)。W 公司是我國(guó)本土紡織機(jī)械公司，多年來(lái)從事簇絨地毯設(shè)備的制造、改造和出口等業(yè)務(wù)內(nèi)容。

在《紡織工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，提出了制造業(yè)的發(fā)展需加強(qiáng)科技創(chuàng)新與品牌建設(shè)，是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所在。簇絨機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新及升級(jí)旨在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低成本、提高生產(chǎn)率，從而推動(dòng)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。隨著國(guó)際市場(chǎng)上簇絨機(jī)銷售競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，W 公司逐漸意識(shí)到簇絨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性，提升機(jī)器性能和機(jī)器美學(xué)來(lái)加強(qiáng)企業(yè)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種方式，根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，即在均勻分布的材料空間中能夠?qū)ふ易顑?yōu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案[5]。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，采用拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算方式進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化和工業(yè)設(shè)備零件優(yōu)化的設(shè)計(jì)與日俱增，一方面其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料與造型達(dá)到相互平衡，另一方面形體內(nèi)部的連通度提升，其孔洞內(nèi)部也會(huì)減少過(guò)多材料的堆砌現(xiàn)象。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法在W 公司的簇絨機(jī)導(dǎo)紗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，同樣具有應(yīng)用潛力。因此，為了解決W 公司多色提花高低圈簇絨機(jī)的減重降噪問(wèn)題、以及提升設(shè)備外觀造型審美性，而采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)、形狀文法等理論方法，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。并進(jìn)一步協(xié)調(diào)簇絨機(jī)造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，使工程分析與造型推演相互約束，提升簇絨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的品質(zhì)。

2 簇絨機(jī)設(shè)計(jì)調(diào)研及配置布局優(yōu)化

為了獲取簇絨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的人機(jī)尺寸依據(jù)，而進(jìn)行了跨越三省四市的實(shí)地調(diào)研，對(duì)使用W 公司多色提花高低圈簇絨機(jī)的相關(guān)企業(yè)的操作員工及工程師進(jìn)行了訪談?wù){(diào)研。其次，為了實(shí)現(xiàn)工廠管理者提出的簇絨機(jī)的減重降噪設(shè)計(jì)要求，對(duì)簇絨機(jī)頂部的導(dǎo)紗系統(tǒng)的布局進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.1 操作員工調(diào)研

2022 年3 月至7 月期間，實(shí)地走訪了江西省新余市、江蘇省無(wú)錫市、常州市、浙江省嘉善市4 個(gè)城市的地毯制造企業(yè)，深入了解簇絨機(jī)的生產(chǎn)運(yùn)作方式，完成了針對(duì)操作員工及工程師的訪談?wù){(diào)研。并根據(jù)其年齡性別分布確定簇絨機(jī)的用戶類型，同時(shí)觀測(cè)他們的作業(yè)方式及習(xí)慣，記錄其操作行為及不同用戶群體的差異，為人體靜動(dòng)態(tài)尺寸圖繪制提供依據(jù)。其次，考察了簇絨機(jī)各部件的材料屬性，完成了整體布局的測(cè)繪，并收集工程師及工廠負(fù)責(zé)人關(guān)于簇絨機(jī)高度受限的原因分析，共同探討了緩解簇絨機(jī)震動(dòng)大、噪音強(qiáng)的解決方案。

2.2 總體布置圖繪制

通過(guò)對(duì)W 公司品牌下的三臺(tái)機(jī)型進(jìn)行解構(gòu)與分析，將視覺(jué)上較為復(fù)雜的構(gòu)造整理出直觀幾何特征的部件形狀參數(shù)信息。W公司品牌的代表性簇絨機(jī)包含有COLORDOT 與BOLT 兩個(gè)系列，其中COLORDOT 為體量較大的多色提花高低圈簇絨機(jī)，而BOLTFRS 為滿幅多圈高單紗簇絨機(jī)，與前者相比它只有單邊導(dǎo)紗裝置，整體規(guī)格較小。本課題主要針對(duì)W 公司的COLORDOT進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為全面分析其機(jī)型在功能布局上的差異，故選取W 品牌下兩大系列中三臺(tái)簇絨機(jī)進(jìn)行總布置圖的繪制。

為了分析簇絨機(jī)樣本的構(gòu)造，結(jié)合實(shí)地測(cè)繪結(jié)果，繪制出研究對(duì)象的機(jī)型工程圖，包含正側(cè)視圖與正前視圖。為盡可能清晰的展現(xiàn)簇絨機(jī)的基本構(gòu)成，在繪制簇絨機(jī)各部件的相互結(jié)構(gòu)關(guān)系中，采用了汽車設(shè)計(jì)中常用的PackageDrawing（總體布置設(shè)計(jì)圖）規(guī)范繪圖，來(lái)盡可能清晰的展現(xiàn)簇絨機(jī)的基本構(gòu)成。Package設(shè)計(jì)更多偏重于尺寸和形狀的設(shè)計(jì)，它是造型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，Package 的確定也意味著設(shè)備類型、功能、荷載的確定性，設(shè)計(jì)師可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相對(duì)自由的創(chuàng)作，但其功能布局是明確的。因此，在本階段使用PackageDrawing 設(shè)計(jì)規(guī)范繪圖可以輔助設(shè)計(jì)師理解產(chǎn)品的構(gòu)造，對(duì)于進(jìn)行簇絨機(jī)的設(shè)計(jì)工作時(shí)能降低錯(cuò)誤率，更便于運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)來(lái)設(shè)定簇絨機(jī)各組成部分的最佳空間布局尺度。

2.3 簇絨機(jī)配置布局優(yōu)化

現(xiàn)有簇絨機(jī)的機(jī)架部分加上導(dǎo)紗裝置的高度合計(jì)為334.85 cm，而部分廠房限高為4 m，因此降低簇絨機(jī)的高度是最為有效地解決方式。從簇絨機(jī)的正視圖觀察，導(dǎo)紗裝置的導(dǎo)紗單元個(gè)數(shù)與空間排列方式無(wú)法進(jìn)行空間壓縮，唯有將導(dǎo)紗平面的傾斜角度做出調(diào)整。在實(shí)地觀測(cè)操作工人的作業(yè)方式后，得知操作工人需要通過(guò)一側(cè)的移動(dòng)導(dǎo)紗樓梯完成不同高度的導(dǎo)紗單元的安裝與調(diào)試，因此人機(jī)工程的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，對(duì)樓梯和導(dǎo)紗裝置的傾斜度進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)。

3 簇絨機(jī)設(shè)計(jì)定位與策略

根據(jù)W 公司簇絨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，在風(fēng)格意象、輪廓形態(tài)、布局規(guī)劃、材質(zhì)使用四個(gè)方面制定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定位與策略。

3.1 風(fēng)格意象的確定

根據(jù)W 公司品牌定位，重點(diǎn)打造簇絨機(jī)系列的“硬朗、穩(wěn)重、安全”的風(fēng)格意象，并且后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的篩選及評(píng)估以此為標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 導(dǎo)紗裝置遮罩的輪廓形態(tài)的確定

簇絨機(jī)導(dǎo)紗裝置應(yīng)與W 公司簇絨機(jī)整體的外觀造型保持協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，因此導(dǎo)紗裝置的輪廓形態(tài)特征線應(yīng)取之于簇絨機(jī)整體的形態(tài)特征，增強(qiáng)統(tǒng)一的機(jī)械美學(xué)感受。

3.3 布局規(guī)劃應(yīng)滿足施工裝配要求

簇絨機(jī)內(nèi)外結(jié)構(gòu)的布局規(guī)劃應(yīng)綜合考慮廠房的限高、占地面積、管線安裝的合理性、維修人員調(diào)試的舒適性等，并將造型設(shè)計(jì)的推演過(guò)程控制在工程可實(shí)施的范疇內(nèi)。

3.4 材質(zhì)使用的確定

現(xiàn)有導(dǎo)紗桁架主要采用45 號(hào)鋼材，機(jī)架部分則以鑄鐵件為主，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)力分析中，需要依據(jù)不同構(gòu)件的材料強(qiáng)度特性完成與之相關(guān)的分析研究。

4 簇絨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐

基于簇絨機(jī)的設(shè)計(jì)定位與策略，展開了簇絨機(jī)的機(jī)架本體、導(dǎo)紗系統(tǒng)、基布架遮罩和涂裝4 個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 簇絨機(jī)機(jī)架本體設(shè)計(jì)

簇絨機(jī)主要由機(jī)架本體、基布架、導(dǎo)紗系統(tǒng)、移動(dòng)導(dǎo)紗樓梯四個(gè)相互非接觸的部分構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)簇絨機(jī)的減重降噪目的，機(jī)架本體的頂部高度需要調(diào)整，較原來(lái)下降31 cm，操作平面離地高度下降至101 cm。機(jī)架本體的艙口門框翻砂鑄造件可采用了更為簡(jiǎn)約的造型特征線來(lái)塑形。此外底部支撐腳架的線條可采用折線配合小范圍倒R 角的形式，表現(xiàn)出靈動(dòng)而不失穩(wěn)重的風(fēng)格。出毯導(dǎo)輥的遮罩也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，中央部分采用沖壓形成的負(fù)形空間可巧妙地將W 公司的LOGO 印刷于此，展現(xiàn)簇絨機(jī)的整體品牌形象和特質(zhì)。

4.2 導(dǎo)紗系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)本課題的現(xiàn)有技術(shù)條件、簇絨機(jī)幾何特征、工程屬性選取了主要用于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計(jì)工具AMEBA。其次，依據(jù)實(shí)地調(diào)研及企業(yè)提供的簇絨機(jī)導(dǎo)紗系統(tǒng)的尺寸、材料、形狀等數(shù)據(jù)、部件的搭建關(guān)系等求得的參數(shù)，并以Grasshopper 參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建了用于拓?fù)鋬?yōu)化的運(yùn)算器，對(duì)導(dǎo)紗系統(tǒng)的導(dǎo)紗裝置遮罩進(jìn)行二維拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)算。并且優(yōu)化了該部件的造型，同時(shí)在滿足裝配需求的前提下刪減了多余的材料使用。再次，利用AMEBA3D 電池組對(duì)一體化導(dǎo)紗橫梁進(jìn)行運(yùn)算，得到了造型有機(jī)且符合受力條件的橫梁有限元模型。最后，探討了拓?fù)鋬?yōu)化生成的網(wǎng)格模型的焊接修補(bǔ)、去除非流形邊以及平滑重構(gòu)等解決方案，得到了質(zhì)量較高的一體化導(dǎo)紗橫梁的四邊形網(wǎng)格模型，并轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的NURBS 模型，見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)紗裝置橫梁的網(wǎng)格模型后處理效果Fig.1 Post-processingeffectofmeshmodelofbeamofyarnguidedevice

4.3 基布架遮罩設(shè)計(jì)

現(xiàn)有簇絨機(jī)的基布架由各種器件組合搭建而成，大面積的機(jī)器部件常年暴露在外，操作的安全性很難保障，也容易造成零部件的損壞和遺失。因此需要對(duì)基布架的遮罩進(jìn)行合理的包裹設(shè)計(jì)，以提升生產(chǎn)操作的安全性和簇絨機(jī)設(shè)備的統(tǒng)一性。根據(jù)W 公司的品牌定位和造型語(yǔ)意，采用鈑金折彎工藝來(lái)加強(qiáng)其外形上的層次感，在電機(jī)部位設(shè)置了散熱槽，同時(shí)強(qiáng)化了這部分的機(jī)械美學(xué)，見(jiàn)圖2。

圖2 基布架遮罩設(shè)計(jì)方案Fig.2 Designschemeofclothframemask

4.4 涂裝優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)W 公司品牌定位和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，選取了品牌色對(duì)簇絨機(jī)進(jìn)行了涂裝優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升其整體的色彩識(shí)別效果。簇絨機(jī)的正面采用非襯線體的企業(yè)英文字樣的縱向印刷，強(qiáng)化品牌的識(shí)別效果。并根據(jù)工程師及專家團(tuán)隊(duì)的建議對(duì)方案進(jìn)行細(xì)化與完善，見(jiàn)圖3。

圖3 簇絨機(jī)涂裝優(yōu)化設(shè)計(jì)效果Fig.3 Optimizationdesigneffectof tuftingmachinecoating

5 結(jié)論

中國(guó)紡機(jī)裝備工業(yè)協(xié)會(huì)主席祝憲民認(rèn)為“創(chuàng)新、節(jié)約、高效”的紡機(jī)研發(fā)是一項(xiàng)重大課題，簇絨機(jī)制造企業(yè)隨著行業(yè)發(fā)展及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，日益重視品牌的視覺(jué)化設(shè)計(jì)和設(shè)備造型的差異化設(shè)計(jì)。本研究以W 公司的簇絨機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，從簇絨機(jī)現(xiàn)有痛點(diǎn)及企業(yè)的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，通過(guò)簇絨機(jī)的機(jī)架本體、導(dǎo)紗系統(tǒng)、基布架遮罩和涂裝4 個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決廠房限高、設(shè)備重心過(guò)高而導(dǎo)致的震動(dòng)問(wèn)題。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也將適用于W 公司其他系列產(chǎn)品，品牌的識(shí)別度和輕量化將有效提升。本研究以產(chǎn)學(xué)研協(xié)同賦能為途徑，探索了紡織領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐的新方法和新思路，為工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新人才提供具有挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新機(jī)遇和平臺(tái)。