基于概念設(shè)計的全自動疊長絲襪機的開發(fā)

楊鳴亮，蔣俊俊,田文奇

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州　311112；2.西子奧的斯電梯有限公司，杭州　310019)

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，第16卷第2期，2015年6月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.2,Jun.2015

基于概念設(shè)計的全自動疊長絲襪機的開發(fā)

楊鳴亮1，蔣俊俊2,田文奇1

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州311112；2.西子奧的斯電梯有限公司，杭州310019)

摘要：結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計方法，進行了全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計。概念設(shè)計依次完成市場需求調(diào)研、設(shè)計目標(biāo)確定、功能原理求解、功能原理評價工作，最后給出了一種全新的全自動疊長絲襪機概念設(shè)計總體方案，即基于自動化控制、自動化輸送、氣吸力疊襪，實現(xiàn)長絲襪的全自動折疊包裝，可極大提高絲襪折疊效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計；全自動疊長絲襪機；創(chuàng)新設(shè)計

0引言

當(dāng)前，國內(nèi)外機械系統(tǒng)概念設(shè)計方法有很多種，而且多數(shù)集中在某些通用設(shè)備上，關(guān)于紡織行業(yè)機械設(shè)備的概念設(shè)計才剛剛起步[1]。目前長絲襪的折疊包裝仍然普遍通過人工完成，已經(jīng)紡織好的長絲襪通常繞在內(nèi)襯紙板上，長絲襪本身是柔性，隨著內(nèi)襯紙板的折疊而折疊。對長絲襪產(chǎn)品采用手工進行折疊，勞動強度大、效率低、質(zhì)量差，因此迫切需要一種高效率、低成本、自動化的長絲襪折疊機。概念設(shè)計是產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵階段，同時也是一種滿足可比性、可行性、科學(xué)性原則和指標(biāo)的動態(tài)性方法，適合于全自動疊長絲襪機的設(shè)計過程。本文給出了一種全新的全自動疊長絲襪機概念設(shè)計總體方案，即基于自動化控制、自動化輸送、氣吸力疊襪，實現(xiàn)長絲襪的全自動折疊包裝，可極大提高絲襪折疊效率和質(zhì)量。

1概念設(shè)計

在機械設(shè)計“明確任務(wù)”、“概念設(shè)計”、“技術(shù)設(shè)計”和“施工設(shè)計”四個階段中，概念設(shè)計階段是最能發(fā)揮創(chuàng)造力的階段。概念設(shè)計主要包括產(chǎn)品規(guī)劃與功能設(shè)計。

1.1　定義

概念設(shè)計這一名詞的提出，可以追溯到Palh & Beitz于1984年的《Engineering Design》一書。書中將概念設(shè)計定義為：“在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案，這一部分設(shè)計工作叫做概念設(shè)計[2]?！睋Q句話說，概念設(shè)計是根據(jù)之前設(shè)計階段已經(jīng)明確的設(shè)計任務(wù)，進行產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解以及功能和子功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計；進行滿足功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理求解和進行實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理載體方案的構(gòu)思和系統(tǒng)化設(shè)計。

1.2　特點

概念設(shè)計的過程是一個發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計的過程，是一個求解實現(xiàn)功能、滿足各種技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)、可能存在的各種方案并最終確定綜合最優(yōu)方案的過程。概念設(shè)計具有如下特性[3]：

(1)創(chuàng)新性：創(chuàng)新是概念設(shè)計的靈魂。只有創(chuàng)新才有可能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良、價格低廉的富有競爭力的機械產(chǎn)品。這里的創(chuàng)新可以是多層次的，如從結(jié)構(gòu)修改、結(jié)構(gòu)替換的低層次創(chuàng)新工作到工作原理更換、功能修改和增加等一系列高層次的創(chuàng)新活動、都屬于概念設(shè)計的范疇。在眾多設(shè)計路徑所產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果中，將產(chǎn)生一組可行的“新”方案。

(2)多樣性：概念設(shè)計的多樣性主要體現(xiàn)在其設(shè)計路徑的多樣化和設(shè)計結(jié)果的多樣化。不同的功能定義、功能分解和工作原理等，會產(chǎn)生完全不同的設(shè)計思路和設(shè)計方法，從而在功能載體的設(shè)計上產(chǎn)生完全不同的解決方案，如機械式手表和石英手表就是兩種完全不同的設(shè)計結(jié)果。

(3)層次性：概念設(shè)計的層次性體現(xiàn)在兩方面。一方面，概念設(shè)計分別作用于功能層和載體結(jié)構(gòu)層，并完成由功能層向結(jié)構(gòu)層的映射。如功能定義、功能分解作用于功能層上，而結(jié)構(gòu)修改、結(jié)構(gòu)變異則作用于結(jié)構(gòu)層，由映射關(guān)系將兩層連接起來。另一方面，在功能層和結(jié)構(gòu)層中也有自身的層次關(guān)系。例如功能分解就是將功能從一個層次向下一層次推進。功能的層次性也就決定了結(jié)構(gòu)的層次性，不同層次的功能對應(yīng)不同層次的結(jié)構(gòu)。例如結(jié)構(gòu)“自行車”的功能是代步，而自行車的子功能之一“控制行進方向”則由子結(jié)構(gòu)“車把”完成。

1.3　主要內(nèi)容

從已有的各種設(shè)計步驟論述文獻中可以總結(jié)出，概念設(shè)計應(yīng)包括產(chǎn)品規(guī)劃、功能設(shè)計和定性設(shè)計等方面。

概念設(shè)計應(yīng)包括以下主要內(nèi)容：功能創(chuàng)新、功能分析和功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計、工作原理解的搜索和確定、功能載體方案構(gòu)思和決策。

2概念設(shè)計在開發(fā)中的應(yīng)用

結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計方法，完成對全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計。概念設(shè)計將依次完成市場需求調(diào)研、設(shè)計目標(biāo)確定、功能原理求解、功能原理評價及概念設(shè)計草圖等工作。在設(shè)計伊始階段，項目組首先完成了甘特圖，見圖1，用可視化原理對項目各階段進行展開及跟蹤。

圖1　項目甘特圖

2.1　市場需求調(diào)研

首先對絲襪的特征參數(shù)進行確定。根據(jù)《中國成年人人體尺寸(GB10000-88)》數(shù)據(jù)推算，中國成年女性的長絲襪長度尺寸一般在700-800mm之間，而通過對市場上的絲襪產(chǎn)品進行測量，寬度尺寸一般在80mm左右，厚度在0.2mm左右。另一方面，經(jīng)過調(diào)查得知一般超市最小號購物袋和女士挎包大都可以容納下A5紙張尺寸面積(148×210mm)的薄剛性物體。

2.2　設(shè)計目標(biāo)確定

全自動疊長絲襪機主功能是完成長絲襪的折疊，分析該功能，可以明確功能作用的結(jié)果是對長絲襪包絡(luò)尺寸的改變。包絡(luò)尺寸需要在A5紙張尺寸范圍內(nèi)，由此可以僅改變絲襪長度方向的尺寸，而不必改變寬度方向的尺寸。厚度方向的尺寸改變則與長度方向尺寸的改變負(fù)相關(guān)。將市場調(diào)研所得到的數(shù)據(jù)，列在一起進行對比，在此基礎(chǔ)上進行定量分析，從而得到設(shè)計目標(biāo)。

表1　市場調(diào)研數(shù)據(jù)表

由表1可以看出，全自動疊長絲襪機的主功能，就是經(jīng)過“折疊”將絲襪長度變成原來1/4，而厚度變成原來4倍的過程，此即全自動疊長絲襪機概念設(shè)計目標(biāo)的概括。

2.3　流程功能分解

所有產(chǎn)品的存在都有一個目的指向，即產(chǎn)品的背后都有功能存在。實現(xiàn)一定功能是產(chǎn)品設(shè)計的原動力，它在設(shè)計過程中起到十分重要的作用。向上是設(shè)計者意圖的體現(xiàn)，向下映射為設(shè)計對象。它是一個比較主觀的概念，雖然與產(chǎn)品的用途、能力、性能等概念有關(guān)聯(lián)，但又不盡相同[4]。

美國通用電氣公司工程師Miles 首先提出功能(Function)的概念，并把它作為價值工程研究的核心問題。他認(rèn)為，顧客要購買的是產(chǎn)品的功能而不是產(chǎn)品本身，功能體現(xiàn)了顧客的某種需要。由此可見，客觀地對產(chǎn)品功能進行反映，并合理地分解為簡單的子功能即是對滿足客戶需求的一種保證[5]。

確定完概念設(shè)計目標(biāo)后，接下來討論全自動疊長絲襪機的子功能，即結(jié)合目標(biāo)生產(chǎn)工序?qū)χ鞴δ苓M行分解，見圖2。

圖2　全自動疊長絲襪機子功能分解

圖2中，位于機器兩端的是輸入與輸出的產(chǎn)品，完成輸入、輸出產(chǎn)品狀態(tài)改變的就是機器的主功能。為了實現(xiàn)疊襪，需要配合上取襪、傳送等輔助功能。這樣，主功能就分解為取襪、傳送、疊襪等子功能。這里需要注意的是，不同的工藝實現(xiàn)方式，分解得到的子功能也不相同，所以必須結(jié)合實際的生產(chǎn)工藝來確定子功能的分解。

2.4　功能原理分析

功能原理分析是集中體現(xiàn)創(chuàng)新的環(huán)節(jié)，在這一工作階段盡量運用一些創(chuàng)新技法來得到盡可能多、并且新穎的功能原理，如頭腦風(fēng)暴、奧斯本核檢表法等。本次概念設(shè)計使用了3人小組來進行頭腦風(fēng)暴，得到了如表2的功能原理表。

表2　子功能原理表

從表2中可以看出，同一子功能可以通過不同的物理原理來實現(xiàn)。例如，取襪可以通過摩擦力原理，使用類似于間歇上紙機構(gòu)來實現(xiàn)；或者使用負(fù)壓單元，通過氣吸力來實現(xiàn)；也可以通過靜電發(fā)生器，使用靜電對襪子材料的靜電力來實現(xiàn)；還可以通過粘性化學(xué)材料的分子張力來實現(xiàn)。不同子功能按順序交叉組合，就可以組合形成相當(dāng)可觀的主功能實現(xiàn)方式，即大量的功能原理解。

2.5　功能原理評價

得到了大量的功能原理解后，就需要從經(jīng)濟性、可靠性、可實現(xiàn)性等方面對各個子功能進行一一評價，從而收斂為少數(shù)幾個、或者一個較優(yōu)的功能原理解。經(jīng)過功能原理評價，表3中保留了較優(yōu)的子功能原理組合。例如，取襪過程，運用摩擦力原理的類上紙機構(gòu)，因為方案比較成熟，經(jīng)濟性較好，且各運動部件都為旋轉(zhuǎn)，沖擊較小，可靠性較好。而氣吸力取襪機構(gòu)相對復(fù)雜，靜電取襪靜電力較弱可靠性較差，粘附力取襪容易受到灰塵、濕度等干擾而失效，可靠性較差。因此，將取原理1集合作為全自動疊長絲襪機概念設(shè)計的子功能原理集合。

表3　功能原理評價表

3全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計總體方案

得到經(jīng)過評價的較優(yōu)功能原理后，就可以將子功能原理映射回子功能上，從而得到全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計總體方案。從創(chuàng)新原理來看，本次全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計屬于移植綜合創(chuàng)新。圖3就是全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計總體方案，首先，利用摩擦力將已經(jīng)熨燙整齊的成品絲襪移置到傳送帶上；隨后，傳送帶通過摩擦力將絲襪向前推進；到了折疊位置后，通過氣吸力完成依次牽引折疊；然后，重復(fù)傳送和氣吸動作直至絲襪達到目標(biāo)長度。各子功能通過一個控制器來實現(xiàn)同步控制協(xié)調(diào)。

圖3　全自動疊長絲襪機概念設(shè)計總體方案圖

結(jié)合以上分析，根據(jù)概念設(shè)計總體方案，就可以繪制出全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計草圖，如圖4所示。下面是圖4中重要機構(gòu)的運動功能說明。

1-周轉(zhuǎn)輪；2-負(fù)壓單元；3-摩擦上料機構(gòu)4-傳送帶；5-物料定位機構(gòu)圖4　全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計草圖

(1)圖4中2為負(fù)壓單元，當(dāng)襪子在傳送帶上達到5物料定位機構(gòu)時，襪子暫停且物料定位機構(gòu)壓在襪子的1/2位置，此時負(fù)壓單元剛好運動到襪子需提起的一頭。隨后負(fù)壓單元向傳送帶方向運動靠近襪子，襪子被氣吸力提起。由于負(fù)壓單元安裝在1周轉(zhuǎn)輪上，周轉(zhuǎn)輪帶動負(fù)壓單元運動的同時，負(fù)壓單元帶動襪子翻轉(zhuǎn)。襪子的1/2處又被物料定位機構(gòu)壓住，當(dāng)負(fù)壓單元帶動襪子對折后繼續(xù)運動，則負(fù)壓單元與襪子分離。

(2)圖4中3為間歇上料機構(gòu)，即利用摩擦力進行上襪。該結(jié)構(gòu)與其他例如上紙機構(gòu)類似。

(3)圖4中4為間歇傳送帶，在上襪時速度V傳送帶=V上襪。而當(dāng)襪子運送到5物料定位機構(gòu)位置時，實現(xiàn)暫停，從而在5物料定位機構(gòu)的限位下實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)對折。

(4)圖4中5為物料定位機構(gòu)，該機構(gòu)在襪子的1/2位置進行壓緊定位。物料定位機構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，在需要定位襪子時移到傳送帶上，襪子對折完成后，就退出傳送帶外面，從而襪子能繼續(xù)沿傳送帶前進。

4結(jié)語

本文在分析長絲襪機折疊需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計方法，提出了一種全新的全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計總體方案。利用甘特圖對項目的整個推進過程進行跟蹤，通過市場需求調(diào)研將市場信息轉(zhuǎn)換為設(shè)計目標(biāo)。利用流程圖對機器總功能進行分解，利用頭腦風(fēng)暴等創(chuàng)新技法求得子功能原理解，并從經(jīng)濟性、可行性和可靠性等角度對功能原理進行評價，將較優(yōu)的功能原理映射回子功能，繪制全自動疊長絲襪機的概念設(shè)計草圖。對各功能單元進行功能說明，提出全自動疊長絲襪機總體方案。該總體方案預(yù)期可極大提高絲襪折疊效率和質(zhì)量，同時對于機電類創(chuàng)新性產(chǎn)品概念設(shè)計也具有重要借鑒意義。

參考文獻：

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Development on the Automatic Long Silk Stockings Folding Machine

Based on Conceptual Design

YANG Ming-liang1, JIANG Jun-jun2, Tian Wen-qi1

(1.Zhejiang Institute of Communications, Hangzhou 311112, China；

2.Xizi Otis elevator co., LTD, Hangzhou 310019, China)

Abstract：The paper describes conceptual design process of the automatic long silk stockings folding machine, using the method of innovative design. Conceptual design completes market demand research, design aim, principle of function principle solution, function evaluation. Finally, it presents a new overall plan of conceptual design for the automatic long silk stockings folding machine. Based on automatic control, automatic transmission, and air suction folding socks, the?silk stocking is full-automatically folded, which will significantly improve the efficiency and quality with respect to the folding of the silk stocking.

Key words:conceptual design；automatic long silk stockings folding machine；innovative design

文章編號：1671-234X(2015)02-0025-05

中圖分類號:TH122-

文獻標(biāo)識碼：A-doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.02.006

作者簡介：楊鳴亮(1982—)，男，浙江德清人，工程師，碩士研究生，E-mail：yangml@zjvtit.edu.cn。

收稿日期：2015-05-05