沈瓊，廖偉，張兆鈴

（東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

引言

2021 年東華大學(xué)70 周年校慶會議中，俞建勇院士提出了以新工科和未來技術(shù)學(xué)院建設(shè)為抓手，加強創(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，以實踐能力培養(yǎng)為重點，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)行簇絨機紡織設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計研究。

1 研究背景與目的

全球紡織機械的設(shè)計與制造主要集中在歐美日等地區(qū)，德國的紡織機械制造商特呂茨勒、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，塑造出簡約有力量的裝備風(fēng)格，體現(xiàn)出德國設(shè)計慣有的嚴(yán)謹(jǐn)和精致的特質(zhì)[1]。馬扎克公司專注于紡織機械的細(xì)節(jié)設(shè)計上，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疲勞，并對設(shè)備結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，例如固線器、柜內(nèi)儲藏盒等，提高了空間使用率[3]。日本村田機械則以生產(chǎn)小型輕量化簇絨設(shè)備著稱，性價比高，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，配備的可移動導(dǎo)紗扶梯占地空間小，操作區(qū)域人性化設(shè)計品質(zhì)較高。但進(jìn)出紗量與速率偏低，性能不及我國本土W 公司的簇絨機。W 公司是我國本土紡織機械公司，多年來從事簇絨地毯設(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)展需加強科技創(chuàng)新與品牌建設(shè)，是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的兩個關(guān)鍵點所在。簇絨機的技術(shù)創(chuàng)新及升級旨在實現(xiàn)節(jié)能減排、降低成本、提高生產(chǎn)率，從而推動企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。隨著國際市場上簇絨機銷售競爭的白熱化，W 公司逐漸意識到簇絨機優(yōu)化設(shè)計的重要性，提升機器性能和機器美學(xué)來加強企業(yè)在國內(nèi)外市場中的競爭優(yōu)勢。

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)計方案[5]。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，采用拓?fù)鋬?yōu)化計算方式進(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)部也會減少過多材料的堆砌現(xiàn)象。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法在W 公司的簇絨機導(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的減重降噪問題、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。并進(jìn)一步協(xié)調(diào)簇絨機造型設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的關(guān)系，使工程分析與造型推演相互約束，提升簇絨機優(yōu)化設(shè)計的品質(zhì)。

2 簇絨機設(shè)計調(diào)研及配置布局優(yōu)化

為了獲取簇絨機優(yōu)化設(shè)計的人機尺寸依據(jù)，而進(jìn)行了跨越三省四市的實地調(diào)研，對使用W 公司多色提花高低圈簇絨機的相關(guān)企業(yè)的操作員工及工程師進(jìn)行了訪談?wù){(diào)研。其次，為了實現(xiàn)工廠管理者提出的簇絨機的減重降噪設(shè)計要求，對簇絨機頂部的導(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，實地走訪了江西省新余市、江蘇省無錫市、常州市、浙江省嘉善市4 個城市的地毯制造企業(yè)，深入了解簇絨機的生產(chǎn)運作方式，完成了針對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的用戶類型，同時觀測他們的作業(yè)方式及習(xí)慣，記錄其操作行為及不同用戶群體的差異，為人體靜動態(tài)尺寸圖繪制提供依據(jù)。其次，考察了簇絨機各部件的材料屬性，完成了整體布局的測繪，并收集工程師及工廠負(fù)責(zé)人關(guān)于簇絨機高度受限的原因分析，共同探討了緩解簇絨機震動大、噪音強的解決方案。

2.2 總體布置圖繪制

通過對W 公司品牌下的三臺機型進(jìn)行解構(gòu)與分析，將視覺上較為復(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包含有COLORDOT 與BOLT 兩個系列，其中COLORDOT 為體量較大的多色提花高低圈簇絨機，而BOLTFRS 為滿幅多圈高單紗簇絨機，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W 公司的COLORDOT進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為全面分析其機型在功能布局上的差異，故選取W 品牌下兩大系列中三臺簇絨機進(jìn)行總布置圖的繪制。

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

2.3 簇絨機配置布局優(yōu)化

現(xiàn)有簇絨機的機架部分加上導(dǎo)紗裝置的高度合計為334.85 cm，而部分廠房限高為4 m，因此降低簇絨機的高度是最為有效地解決方式。從簇絨機的正視圖觀察，導(dǎo)紗裝置的導(dǎo)紗單元個數(shù)與空間排列方式無法進(jìn)行空間壓縮，唯有將導(dǎo)紗平面的傾斜角度做出調(diào)整。在實地觀測操作工人的作業(yè)方式后，得知操作工人需要通過一側(cè)的移動導(dǎo)紗樓梯完成不同高度的導(dǎo)紗單元的安裝與調(diào)試，因此人機工程的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，對樓梯和導(dǎo)紗裝置的傾斜度進(jìn)行調(diào)整設(shè)計。

3 簇絨機設(shè)計定位與策略

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

3.1 風(fēng)格意象的確定

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

3.2 導(dǎo)紗裝置遮罩的輪廓形態(tài)的確定

簇絨機導(dǎo)紗裝置應(yīng)與W 公司簇絨機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)取之于簇絨機整體的形態(tài)特征，增強統(tǒng)一的機械美學(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)計的推演過程控制在工程可實施的范疇內(nèi)。

3.4 材質(zhì)使用的確定

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

4 簇絨機優(yōu)化設(shè)計實踐

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

4.1 簇絨機機架本體設(shè)計

簇絨機主要由機架本體、基布架、導(dǎo)紗系統(tǒng)、移動導(dǎo)紗樓梯四個相互非接觸的部分構(gòu)成。為了實現(xiàn)簇絨機的減重降噪目的，機架本體的頂部高度需要調(diào)整，較原來下降31 cm，操作平面離地高度下降至101 cm。機架本體的艙口門框翻砂鑄造件可采用了更為簡約的造型特征線來塑形。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，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

首先，根據(jù)本課題的現(xiàn)有技術(shù)條件、簇絨機幾何特征、工程屬性選取了主要用于拓?fù)鋬?yōu)化的輔助設(shè)計工具AMEBA。其次，依據(jù)實地調(diào)研及企業(yè)提供的簇絨機導(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)計平臺搭建了用于拓?fù)鋬?yōu)化的運算器，對導(dǎo)紗系統(tǒng)的導(dǎo)紗裝置遮罩進(jìn)行二維拓?fù)鋬?yōu)化運算。并且優(yōu)化了該部件的造型，同時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 電池組對一體化導(dǎo)紗橫梁進(jìn)行運算，得到了造型有機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、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

現(xiàn)有簇絨機的基布架由各種器件組合搭建而成，大面積的機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。因此需要對基布架的遮罩進(jìn)行合理的包裹設(shè)計，以提升生產(chǎn)操作的安全性和簇絨機設(shè)備的統(tǒng)一性。根據(jù)W 公司的品牌定位和造型語意，采用鈑金折彎工藝來加強其外形上的層次感，在電機部位設(shè)置了散熱槽，同時強化了這部分的機械美學(xué)，見圖2。

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

4.4 涂裝優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)W 公司品牌定位和視覺識別系統(tǒng)，選取了品牌色對簇絨機進(jìn)行了涂裝優(yōu)化設(shè)計，提升其整體的色彩識別效果。簇絨機的正面采用非襯線體的企業(yè)英文字樣的縱向印刷，強化品牌的識別效果。并根據(jù)工程師及專家團隊的建議對方案進(jìn)行細(xì)化與完善，見圖3。

圖3 簇絨機涂裝優(yōu)化設(shè)計效果Fig.3 Optimizationdesigneffectof tuftingmachinecoating

5 結(jié)論

中國紡機裝備工業(yè)協(xié)會主席祝憲民認(rèn)為“創(chuàng)新、節(jié)約、高效”的紡機研發(fā)是一項重大課題，簇絨機制造企業(yè)隨著行業(yè)發(fā)展及市場競爭，日益重視品牌的視覺化設(shè)計和設(shè)備造型的差異化設(shè)計。本研究以W 公司的簇絨機優(yōu)化設(shè)計為例，從簇絨機現(xiàn)有痛點及企業(yè)的設(shè)計需求出發(fā)，通過簇絨機的機架本體、導(dǎo)紗系統(tǒng)、基布架遮罩和涂裝4 個方面的優(yōu)化設(shè)計，解決廠房限高、設(shè)備重心過高而導(dǎo)致的震動問題。該優(yōu)化設(shè)計方法也將適用于W 公司其他系列產(chǎn)品，品牌的識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)計實踐的新方法和新思路，為工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新人才提供具有挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新機遇和平臺。