纺织领域创新设计实践——簇绒机优化设计为例

沈琼，廖伟，张兆铃

（东华大学机械工程学院，上海 201620)

引言

2021 年东华大学70 周年校庆会议中，俞建勇院士提出了以新工科和未来技术学院建设为抓手，加强创新型、应用型、技能型等各类人才培养，并以需求为导向，以实践能力培养为重点，以产学研协同赋能为途径，探索纺织特色大学的卓越工程创新人才的培养模式。本研究在此背景下，进行簇绒机纺织设备的优化设计研究。

1 研究背景与目的

全球纺织机械的设计与制造主要集中在欧美日等地区，德国的纺织机械制造商特吕茨勒、日本山崎马扎克、瑞士立达等较为知名。特吕茨勒品牌的纺织设备多采用高纯度的科技色彩，造型上使用大量梯度线并配合使用短弧线，塑造出简约有力量的装备风格，体现出德国设计惯有的严谨和精致的特质[1]。马扎克公司专注于纺织机械的细节设计上，以彰显其纺织设备的高端品质[2]。瑞士立达采用了低纯度的绿色，缓解了操作工人的视觉疲劳，并对设备结构的布局进行了优化设计，例如固线器、柜内储藏盒等，提高了空间使用率[3]。日本村田机械则以生产小型轻量化簇绒设备著称，性价比高，生产加工工艺优良，其导纱系统的桁架结构由多根结构钢以鸟居型形式连接而成，配备的可移动导纱扶梯占地空间小，操作区域人性化设计品质较高。但进出纱量与速率偏低，性能不及我国本土W 公司的簇绒机。W 公司是我国本土纺织机械公司，多年来从事簇绒地毯设备的制造、改造和出口等业务内容。

在《纺织工业“十二五”发展规划》中，提出了制造业的发展需加强科技创新与品牌建设，是企业转型升级的两个关键点所在。簇绒机的技术创新及升级旨在实现节能减排、降低成本、提高生产率，从而推动企业的可持续发展[4]。随着国际市场上簇绒机销售竞争的白热化，W 公司逐渐意识到簇绒机优化设计的重要性，提升机器性能和机器美学来加强企业在国内外市场中的竞争优势。

拓扑优化是结构优化的一种方式，根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，即在均匀分布的材料空间中能够寻找最优结构的设计方案[5]。随着3D 打印技术的发展，采用拓扑优化计算方式进行产品优化和工业设备零件优化的设计与日俱增，一方面其内部结构、材料与造型达到相互平衡，另一方面形体内部的连通度提升，其孔洞内部也会减少过多材料的堆砌现象。拓扑优化设计方法在W 公司的簇绒机导纱系统的结构优化中，同样具有应用潜力。因此，为了解决W 公司多色提花高低圈簇绒机的减重降噪问题、以及提升设备外观造型审美性，而采用拓扑优化技术、形状文法等理论方法，进行系统的优化设计。并进一步协调簇绒机造型设计与结构设计之间的关系，使工程分析与造型推演相互约束，提升簇绒机优化设计的品质。

2 簇绒机设计调研及配置布局优化

为了获取簇绒机优化设计的人机尺寸依据，而进行了跨越三省四市的实地调研，对使用W 公司多色提花高低圈簇绒机的相关企业的操作员工及工程师进行了访谈调研。其次，为了实现工厂管理者提出的簇绒机的减重降噪设计要求，对簇绒机顶部的导纱系统的布局进行优化调整。

2.1 操作员工调研

2022 年3 月至7 月期间，实地走访了江西省新余市、江苏省无锡市、常州市、浙江省嘉善市4 个城市的地毯制造企业，深入了解簇绒机的生产运作方式，完成了针对操作员工及工程师的访谈调研。并根据其年龄性别分布确定簇绒机的用户类型，同时观测他们的作业方式及习惯，记录其操作行为及不同用户群体的差异，为人体静动态尺寸图绘制提供依据。其次，考察了簇绒机各部件的材料属性，完成了整体布局的测绘，并收集工程师及工厂负责人关于簇绒机高度受限的原因分析，共同探讨了缓解簇绒机震动大、噪音强的解决方案。

2.2 总体布置图绘制

通过对W 公司品牌下的三台机型进行解构与分析，将视觉上较为复杂的构造整理出直观几何特征的部件形状参数信息。W公司品牌的代表性簇绒机包含有COLORDOT 与BOLT 两个系列，其中COLORDOT 为体量较大的多色提花高低圈簇绒机，而BOLTFRS 为满幅多圈高单纱簇绒机，与前者相比它只有单边导纱装置，整体规格较小。本课题主要针对W 公司的COLORDOT进行优化设计，为全面分析其机型在功能布局上的差异，故选取W 品牌下两大系列中三台簇绒机进行总布置图的绘制。

为了分析簇绒机样本的构造，结合实地测绘结果，绘制出研究对象的机型工程图，包含正侧视图与正前视图。为尽可能清晰的展现簇绒机的基本构成，在绘制簇绒机各部件的相互结构关系中，采用了汽车设计中常用的PackageDrawing（总体布置设计图）规范绘图，来尽可能清晰的展现簇绒机的基本构成。Package设计更多偏重于尺寸和形状的设计，它是造型设计的基础，Package 的确定也意味着设备类型、功能、荷载的确定性，设计师可以在此基础上进行相对自由的创作，但其功能布局是明确的。因此，在本阶段使用PackageDrawing 设计规范绘图可以辅助设计师理解产品的构造，对于进行簇绒机的设计工作时能降低错误率，更便于运用人机工程学来设定簇绒机各组成部分的最佳空间布局尺度。

2.3 簇绒机配置布局优化

现有簇绒机的机架部分加上导纱装置的高度合计为334.85 cm，而部分厂房限高为4 m，因此降低簇绒机的高度是最为有效地解决方式。从簇绒机的正视图观察，导纱装置的导纱单元个数与空间排列方式无法进行空间压缩，唯有将导纱平面的倾斜角度做出调整。在实地观测操作工人的作业方式后，得知操作工人需要通过一侧的移动导纱楼梯完成不同高度的导纱单元的安装与调试，因此人机工程的标准尺寸，对楼梯和导纱装置的倾斜度进行调整设计。

3 簇绒机设计定位与策略

根据W 公司簇绒机优化设计的目标，在风格意象、轮廓形态、布局规划、材质使用四个方面制定了系统的设计定位与策略。

3.1 风格意象的确定

根据W 公司品牌定位，重点打造簇绒机系列的“硬朗、稳重、安全”的风格意象，并且后续的优化设计方案的筛选及评估以此为标准。

3.2 导纱装置遮罩的轮廓形态的确定

簇绒机导纱装置应与W 公司簇绒机整体的外观造型保持协调和统一，因此导纱装置的轮廓形态特征线应取之于簇绒机整体的形态特征，增强统一的机械美学感受。

3.3 布局规划应满足施工装配要求

簇绒机内外结构的布局规划应综合考虑厂房的限高、占地面积、管线安装的合理性、维修人员调试的舒适性等，并将造型设计的推演过程控制在工程可实施的范畴内。

3.4 材质使用的确定

现有导纱桁架主要采用45 号钢材，机架部分则以铸铁件为主，在优化设计的应力分析中，需要依据不同构件的材料强度特性完成与之相关的分析研究。

4 簇绒机优化设计实践

基于簇绒机的设计定位与策略，展开了簇绒机的机架本体、导纱系统、基布架遮罩和涂装4 个方面的优化设计。

4.1 簇绒机机架本体设计

簇绒机主要由机架本体、基布架、导纱系统、移动导纱楼梯四个相互非接触的部分构成。为了实现簇绒机的减重降噪目的，机架本体的顶部高度需要调整，较原来下降31 cm，操作平面离地高度下降至101 cm。机架本体的舱口门框翻砂铸造件可采用了更为简约的造型特征线来塑形。此外底部支撑脚架的线条可采用折线配合小范围倒R 角的形式，表现出灵动而不失稳重的风格。出毯导辊的遮罩也进行了优化设计，中央部分采用冲压形成的负形空间可巧妙地将W 公司的LOGO 印刷于此，展现簇绒机的整体品牌形象和特质。

4.2 导纱系统优化设计

首先，根据本课题的现有技术条件、簇绒机几何特征、工程属性选取了主要用于拓扑优化的辅助设计工具AMEBA。其次，依据实地调研及企业提供的簇绒机导纱系统的尺寸、材料、形状等数据、部件的搭建关系等求得的参数，并以Grasshopper 参数化设计平台搭建了用于拓扑优化的运算器，对导纱系统的导纱装置遮罩进行二维拓扑优化运算。并且优化了该部件的造型，同时在满足装配需求的前提下删减了多余的材料使用。再次，利用AMEBA3D 电池组对一体化导纱横梁进行运算，得到了造型有机且符合受力条件的横梁有限元模型。最后，探讨了拓扑优化生成的网格模型的焊接修补、去除非流形边以及平滑重构等解决方案，得到了质量较高的一体化导纱横梁的四边形网格模型，并转化为高质量的NURBS 模型，见图1。

图1 导纱装置横梁的网格模型后处理效果Fig.1 Post-processingeffectofmeshmodelofbeamofyarnguidedevice

4.3 基布架遮罩设计

现有簇绒机的基布架由各种器件组合搭建而成，大面积的机器部件常年暴露在外，操作的安全性很难保障，也容易造成零部件的损坏和遗失。因此需要对基布架的遮罩进行合理的包裹设计，以提升生产操作的安全性和簇绒机设备的统一性。根据W 公司的品牌定位和造型语意，采用钣金折弯工艺来加强其外形上的层次感，在电机部位设置了散热槽，同时强化了这部分的机械美学，见图2。

图2 基布架遮罩设计方案Fig.2 Designschemeofclothframemask

4.4 涂装优化设计

根据W 公司品牌定位和视觉识别系统，选取了品牌色对簇绒机进行了涂装优化设计，提升其整体的色彩识别效果。簇绒机的正面采用非衬线体的企业英文字样的纵向印刷，强化品牌的识别效果。并根据工程师及专家团队的建议对方案进行细化与完善，见图3。

图3 簇绒机涂装优化设计效果Fig.3 Optimizationdesigneffectof tuftingmachinecoating

5 结论

中国纺机装备工业协会主席祝宪民认为“创新、节约、高效”的纺机研发是一项重大课题，簇绒机制造企业随着行业发展及市场竞争，日益重视品牌的视觉化设计和设备造型的差异化设计。本研究以W 公司的簇绒机优化设计为例，从簇绒机现有痛点及企业的设计需求出发，通过簇绒机的机架本体、导纱系统、基布架遮罩和涂装4 个方面的优化设计，解决厂房限高、设备重心过高而导致的震动问题。该优化设计方法也将适用于W 公司其他系列产品，品牌的识别度和轻量化将有效提升。本研究以产学研协同赋能为途径，探索了纺织领域创新设计实践的新方法和新思路，为工业设计创新人才提供具有挑战性的创新机遇和平台。