基于概念设计的全自动叠长丝袜机的开发

杨鸣亮，蒋俊俊,田文奇

(1.浙江交通职业技术学院，杭州　311112；2.西子奥的斯电梯有限公司，杭州　310019)

浙江交通职业技术学院学报，第16卷第2期，2015年6月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.2,Jun.2015

基于概念设计的全自动叠长丝袜机的开发

杨鸣亮1，蒋俊俊2,田文奇1

(1.浙江交通职业技术学院，杭州311112；2.西子奥的斯电梯有限公司，杭州310019)

摘要：结合创新设计方法，进行了全自动叠长丝袜机的概念设计。概念设计依次完成市场需求调研、设计目标确定、功能原理求解、功能原理评价工作，最后给出了一种全新的全自动叠长丝袜机概念设计总体方案，即基于自动化控制、自动化输送、气吸力叠袜，实现长丝袜的全自动折叠包装，可极大提高丝袜折叠效率和质量。

关键词：概念设计；全自动叠长丝袜机；创新设计

0引言

当前，国内外机械系统概念设计方法有很多种，而且多数集中在某些通用设备上，关于纺织行业机械设备的概念设计才刚刚起步[1]。目前长丝袜的折叠包装仍然普遍通过人工完成，已经纺织好的长丝袜通常绕在内衬纸板上，长丝袜本身是柔性，随着内衬纸板的折叠而折叠。对长丝袜产品采用手工进行折叠，劳动强度大、效率低、质量差，因此迫切需要一种高效率、低成本、自动化的长丝袜折叠机。概念设计是产品创新的关键阶段，同时也是一种满足可比性、可行性、科学性原则和指标的动态性方法，适合于全自动叠长丝袜机的设计过程。本文给出了一种全新的全自动叠长丝袜机概念设计总体方案，即基于自动化控制、自动化输送、气吸力叠袜，实现长丝袜的全自动折叠包装，可极大提高丝袜折叠效率和质量。

1概念设计

在机械设计“明确任务”、“概念设计”、“技术设计”和“施工设计”四个阶段中，概念设计阶段是最能发挥创造力的阶段。概念设计主要包括产品规划与功能设计。

1.1　定义

概念设计这一名词的提出，可以追溯到Palh & Beitz于1984年的《Engineering Design》一书。书中将概念设计定义为：“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计[2]。”换句话说，概念设计是根据之前设计阶段已经明确的设计任务，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。

1.2　特点

概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能、满足各种技术和经济指标、可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。概念设计具有如下特性[3]：

(1)创新性：创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等一系列高层次的创新活动、都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一组可行的“新”方案。

(2)多样性：概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案，如机械式手表和石英手表就是两种完全不同的设计结果。

(3)层次性：概念设计的层次性体现在两方面。一方面，概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上，而结构修改、结构变异则作用于结构层，由映射关系将两层连接起来。另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性，不同层次的功能对应不同层次的结构。例如结构“自行车”的功能是代步，而自行车的子功能之一“控制行进方向”则由子结构“车把”完成。

1.3　主要内容

从已有的各种设计步骤论述文献中可以总结出，概念设计应包括产品规划、功能设计和定性设计等方面。

概念设计应包括以下主要内容：功能创新、功能分析和功能结构图设计、工作原理解的搜索和确定、功能载体方案构思和决策。

2概念设计在开发中的应用

结合创新设计方法，完成对全自动叠长丝袜机的概念设计。概念设计将依次完成市场需求调研、设计目标确定、功能原理求解、功能原理评价及概念设计草图等工作。在设计伊始阶段，项目组首先完成了甘特图，见图1，用可视化原理对项目各阶段进行展开及跟踪。

图1　项目甘特图

2.1　市场需求调研

首先对丝袜的特征参数进行确定。根据《中国成年人人体尺寸(GB10000-88)》数据推算，中国成年女性的长丝袜长度尺寸一般在700-800mm之间，而通过对市场上的丝袜产品进行测量，宽度尺寸一般在80mm左右，厚度在0.2mm左右。另一方面，经过调查得知一般超市最小号购物袋和女士挎包大都可以容纳下A5纸张尺寸面积(148×210mm)的薄刚性物体。

2.2　设计目标确定

全自动叠长丝袜机主功能是完成长丝袜的折叠，分析该功能，可以明确功能作用的结果是对长丝袜包络尺寸的改变。包络尺寸需要在A5纸张尺寸范围内，由此可以仅改变丝袜长度方向的尺寸，而不必改变宽度方向的尺寸。厚度方向的尺寸改变则与长度方向尺寸的改变负相关。将市场调研所得到的数据，列在一起进行对比，在此基础上进行定量分析，从而得到设计目标。

表1　市场调研数据表

由表1可以看出，全自动叠长丝袜机的主功能，就是经过“折叠”将丝袜长度变成原来1/4，而厚度变成原来4倍的过程，此即全自动叠长丝袜机概念设计目标的概括。

2.3　流程功能分解

所有产品的存在都有一个目的指向，即产品的背后都有功能存在。实现一定功能是产品设计的原动力，它在设计过程中起到十分重要的作用。向上是设计者意图的体现，向下映射为设计对象。它是一个比较主观的概念，虽然与产品的用途、能力、性能等概念有关联，但又不尽相同[4]。

美国通用电气公司工程师Miles 首先提出功能(Function)的概念，并把它作为价值工程研究的核心问题。他认为，顾客要购买的是产品的功能而不是产品本身，功能体现了顾客的某种需要。由此可见，客观地对产品功能进行反映，并合理地分解为简单的子功能即是对满足客户需求的一种保证[5]。

确定完概念设计目标后，接下来讨论全自动叠长丝袜机的子功能，即结合目标生产工序对主功能进行分解，见图2。

图2　全自动叠长丝袜机子功能分解

图2中，位于机器两端的是输入与输出的产品，完成输入、输出产品状态改变的就是机器的主功能。为了实现叠袜，需要配合上取袜、传送等辅助功能。这样，主功能就分解为取袜、传送、叠袜等子功能。这里需要注意的是，不同的工艺实现方式，分解得到的子功能也不相同，所以必须结合实际的生产工艺来确定子功能的分解。

2.4　功能原理分析

功能原理分析是集中体现创新的环节，在这一工作阶段尽量运用一些创新技法来得到尽可能多、并且新颖的功能原理，如头脑风暴、奥斯本核检表法等。本次概念设计使用了3人小组来进行头脑风暴，得到了如表2的功能原理表。

表2　子功能原理表

从表2中可以看出，同一子功能可以通过不同的物理原理来实现。例如，取袜可以通过摩擦力原理，使用类似于间歇上纸机构来实现；或者使用负压单元，通过气吸力来实现；也可以通过静电发生器，使用静电对袜子材料的静电力来实现；还可以通过粘性化学材料的分子张力来实现。不同子功能按顺序交叉组合，就可以组合形成相当可观的主功能实现方式，即大量的功能原理解。

2.5　功能原理评价

得到了大量的功能原理解后，就需要从经济性、可靠性、可实现性等方面对各个子功能进行一一评价，从而收敛为少数几个、或者一个较优的功能原理解。经过功能原理评价，表3中保留了较优的子功能原理组合。例如，取袜过程，运用摩擦力原理的类上纸机构，因为方案比较成熟，经济性较好，且各运动部件都为旋转，冲击较小，可靠性较好。而气吸力取袜机构相对复杂，静电取袜静电力较弱可靠性较差，粘附力取袜容易受到灰尘、湿度等干扰而失效，可靠性较差。因此，将取原理1集合作为全自动叠长丝袜机概念设计的子功能原理集合。

表3　功能原理评价表

3全自动叠长丝袜机的概念设计总体方案

得到经过评价的较优功能原理后，就可以将子功能原理映射回子功能上，从而得到全自动叠长丝袜机的概念设计总体方案。从创新原理来看，本次全自动叠长丝袜机的概念设计属于移植综合创新。图3就是全自动叠长丝袜机的概念设计总体方案，首先，利用摩擦力将已经熨烫整齐的成品丝袜移置到传送带上；随后，传送带通过摩擦力将丝袜向前推进；到了折叠位置后，通过气吸力完成依次牵引折叠；然后，重复传送和气吸动作直至丝袜达到目标长度。各子功能通过一个控制器来实现同步控制协调。

图3　全自动叠长丝袜机概念设计总体方案图

结合以上分析，根据概念设计总体方案，就可以绘制出全自动叠长丝袜机的概念设计草图，如图4所示。下面是图4中重要机构的运动功能说明。

1-周转轮；2-负压单元；3-摩擦上料机构4-传送带；5-物料定位机构图4　全自动叠长丝袜机的概念设计草图

(1)图4中2为负压单元，当袜子在传送带上达到5物料定位机构时，袜子暂停且物料定位机构压在袜子的1/2位置，此时负压单元刚好运动到袜子需提起的一头。随后负压单元向传送带方向运动靠近袜子，袜子被气吸力提起。由于负压单元安装在1周转轮上，周转轮带动负压单元运动的同时，负压单元带动袜子翻转。袜子的1/2处又被物料定位机构压住，当负压单元带动袜子对折后继续运动，则负压单元与袜子分离。

(2)图4中3为间歇上料机构，即利用摩擦力进行上袜。该结构与其他例如上纸机构类似。

(3)图4中4为间歇传送带，在上袜时速度V传送带=V上袜。而当袜子运送到5物料定位机构位置时，实现暂停，从而在5物料定位机构的限位下实现翻转对折。

(4)图4中5为物料定位机构，该机构在袜子的1/2位置进行压紧定位。物料定位机构将回转运动变为直线运动，在需要定位袜子时移到传送带上，袜子对折完成后，就退出传送带外面，从而袜子能继续沿传送带前进。

4结语

本文在分析长丝袜机折叠需求的基础上，结合创新设计方法，提出了一种全新的全自动叠长丝袜机的概念设计总体方案。利用甘特图对项目的整个推进过程进行跟踪，通过市场需求调研将市场信息转换为设计目标。利用流程图对机器总功能进行分解，利用头脑风暴等创新技法求得子功能原理解，并从经济性、可行性和可靠性等角度对功能原理进行评价，将较优的功能原理映射回子功能，绘制全自动叠长丝袜机的概念设计草图。对各功能单元进行功能说明，提出全自动叠长丝袜机总体方案。该总体方案预期可极大提高丝袜折叠效率和质量，同时对于机电类创新性产品概念设计也具有重要借鉴意义。

参考文献：

[1]赵琳,贺华波,邓益民．机械系统接口功能原模型及其概念设计应用[J]．机械制造,2015,53(2):73-76

[2]Pahl G, Beitz W．Engineering Design．London: The Design Council,1984

[3]邹慧君,汪利,王石刚,郭为忠．机械产品概念设计及其方法综述[J]．机械设计与研究,1998,(02):9-12

[4]邓家缇,韩晓建,曾硝等．产品概念设计：理论、方法与技术[M]．北京:机械工业出版社,2008.

[5]杨艳华,朱祖平,姚立纲．机械产品概念设计推理技术研究[J]．现代制造工程,2010,(2):4-8

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

文章编号：1671-234X(2015)02-0025-05

中图分类号:TH122-

文献标识码：A-doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.02.006

作者简介：杨鸣亮(1982—)，男，浙江德清人，工程师，硕士研究生，E-mail：yangml@zjvtit.edu.cn。

收稿日期：2015-05-05