基于TRIZ理論的雙軸向經(jīng)編機鋪緯系統(tǒng)研究

白　穎，李成良

(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州　213164；2.江蘇潤源控股集團有限公司，江蘇常州　213022；3.河海大學機電工程學院，江蘇常州　213002)

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基于TRIZ理論的雙軸向經(jīng)編機鋪緯系統(tǒng)研究

白穎1，李成良2,3

(1.常州機電職業(yè)技術(shù)學院，江蘇常州213164；2.江蘇潤源控股集團有限公司，江蘇常州213022；3.河海大學機電工程學院，江蘇常州213002)

摘要：分析了雙軸向鋪緯系統(tǒng)的功能需求，針對鋪緯系統(tǒng)初始設(shè)計存在的問題，采用TRIZ理論對雙軸向經(jīng)編機鋪緯系統(tǒng)進行設(shè)計。首先針對橫移質(zhì)量與鋪緯速度的矛盾關(guān)系確定了技術(shù)參數(shù)，其次分別利用TRIZ理論中的分割原理和拋棄與再生原理，設(shè)計兩種方案，最后應(yīng)用工程實踐進行方案驗證。驗證結(jié)果表明：根據(jù)分割原理得到的設(shè)計方案在對機器的整體機構(gòu)未做較大改動的同時，能大幅提升鋪緯系統(tǒng)的運行速度，進而提高生產(chǎn)率。該系統(tǒng)已應(yīng)用于某紡織企業(yè)的實際生產(chǎn)過程。

關(guān)鍵詞：TRIZ；經(jīng)編機；鋪緯系統(tǒng)

0引言

將一組或多組平行伸直的增強紗線在織物的縱向、橫向襯入織物的軸向類經(jīng)編機為雙軸向經(jīng)編機[1]。雙軸向經(jīng)編機主要由鋪緯系統(tǒng)和編織系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，鋪緯系統(tǒng)主要包括鋪緯裝置、輸送裝置以及張力補償裝置[2]。鋪緯系統(tǒng)的主要作用是將紗線按照功能要求鋪設(shè)到織物中，鋪緯系統(tǒng)的鋪緯質(zhì)量直接影響織物的各項性能。因此，開展針對雙軸向經(jīng)編機鋪緯系統(tǒng)的研究對提高織物表面質(zhì)量以及提高我國針織工業(yè)整體技術(shù)水平具有積極的推進作用。

1TRIZ理論以及鋪緯系統(tǒng)的功能需求分析

1.1TRIZ理論

TRIZ是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒提出的一種解決發(fā)明問題的方法。TRIZ理論核心包括八大技術(shù)系統(tǒng)進化路徑、最終理想解IFR(ideal final result)、40個發(fā)明原理、39個通用工程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾和分離原理、物-場模型分析、標準解法、發(fā)明問題標準算法(ARIZ)、科學效應(yīng)庫9個部分[3-4]。TRIZ理論解決問題的中心思想是做到保留原系統(tǒng)的優(yōu)點，消除原系統(tǒng)的缺陷和不足，沒有使系統(tǒng)變得更復雜，沒有引入新的缺陷[5]。

圖1是TRIZ的解題流程，在項目篩選階段，使用樹形圖、記分卡或畫帕累托圖等方法篩選出要研究的具體項目，然后用項目的IFR方法描述項目的最終理想解[6]，之后通過因果分析、資源分析、矛盾分析等分析方法盡可能多地找出項目的問題所在，應(yīng)用矛盾矩陣、分離原理、5Why分析法等工具獲得解決問題的初步思路，之后利用20/80法則[7]進行篩選確定設(shè)計方案。

圖1　TRIZ解題流程

1.2鋪緯系統(tǒng)的功能需求分析

通過對雙軸向鋪緯系統(tǒng)工作原理與鋪緯過程的分析可知，在設(shè)計雙軸向鋪緯系統(tǒng)時應(yīng)關(guān)注以下幾點：

a)保證在編織系統(tǒng)高效成圈情況時的勻速送紗。由于要保證編織系統(tǒng)的高效成圈，所以鋪緯機構(gòu)的送紗速度一定與編織系統(tǒng)的成圈速度相匹配。

b)高效準確地實現(xiàn)掛紗、鋪紗。需要設(shè)計一個合理的機構(gòu)(鋪緯小車)來穩(wěn)定掛紗(不漏紗、不斷紗)。

c)保證掛紗時，紗線張力變動幅度很小。由于紗線具有彈性，所以在掛紗過程中，紗線的張力會不斷變化，張力過大會導致斷紗，張力過小會使得布面松弛，沒有平整感且浪費紗線。因此需要設(shè)計一套張力補償裝置來控制紗線張力的變化，確保紗線張力變動幅度很小。

2鋪緯系統(tǒng)的初始設(shè)計以及存在的問題

雙軸向經(jīng)編機鋪緯系統(tǒng)的初始設(shè)計[8]思路是由小車實現(xiàn)所有的掛紗運動，傳送裝置只負責將掛好的紗線送入成圈系統(tǒng)。圖2所示為鋪緯系統(tǒng)的初始設(shè)計三維裝配圖。該套鋪緯系統(tǒng)的鋪緯小車安裝在左右橫移導軌上，左右橫移導軌整體安裝在前后橫移導軌上，兩個方向的運動都由伺服電機帶動同步帶的方式運動。

圖2　鋪緯系統(tǒng)的初始設(shè)計三維裝配圖

該設(shè)計的優(yōu)點在于該鋪緯系統(tǒng)的傳送部分與鋪緯配合方式很簡單，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計較為容易。但是小車的運動軌跡與運動控制較為復雜，小車要同時做X軸與Y軸兩個方向的聯(lián)動，并且在移動過程中，需不停的做加速到勻速到減速再到反向加速的速度循環(huán)。

該套鋪緯系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)了以下幾種情況：

第一，由于鏈傳動的多邊形效應(yīng)(即鏈輪每轉(zhuǎn)過一個齒，鏈速就從大到小，再從小到大變化一次，同時伴隨著鏈條忽上忽下顫抖，且由于接觸部分是多邊形而引起的鏈傳動的運動不均勻性稱為鏈傳動的多邊形效應(yīng)。)和鏈條特殊的伸縮效應(yīng)，導致調(diào)整好的銅針塊間距會隨著工作時間的累積變化，導致撞針，降低開機率。減小鏈傳動多邊形效應(yīng)的方法有增加齒數(shù)、減小齒距和降低速度等幾種方式，其中在齒數(shù)與齒距的設(shè)計上考慮到鏈傳動的受力與裝配要求采用齒距為12.7mm，齒數(shù)為30齒的08A四排鏈結(jié)構(gòu)，為了保證較高開機率，還同時采取增加檢測反饋裝置，隨時檢測銅針塊的位置并做出調(diào)整，保證在每次穿紗時導紗針能從兩針中心穿過。但由于電器檢測反饋和做出相應(yīng)動作需要時間，所以同樣要求降低小車的移動速度。這樣就降低了機器的生產(chǎn)率。

第二，鏈傳動在運動過程中，平面有微小的抖動(同樣由多邊形效應(yīng)導致)，使得紗線在銅針上有竄動，導致布面效果不平整；采取的解決方式是將銅針塊的銅針方向由豎直向上改為傾斜，改動后，紗線會沿著傾斜的銅針下滑至一個平面，保證布面在一個平面內(nèi)。

第三，由于左右橫移整體由前后橫移電機帶動，左右橫移機構(gòu)由直線導軌、掛紗小車、直線導軌支撐機架幾部分構(gòu)成，總質(zhì)量大約為150kg，導致前后橫移很難實現(xiàn)高速鋪緯，并且在前后橫移時會造成較大的硬性沖擊。針對該問題，本文將應(yīng)用TRIZ理論中的矛盾分析法設(shè)計方案，最終解決問題。

3利用TRIZ理論的鋪緯系統(tǒng)設(shè)計

TRIZ理論解決問題的方法包括最終理想解、矛盾沖突分析法、5Why分析法、九屏幕分析法等，本文應(yīng)用矛盾分析法[9]來解決橫移質(zhì)量與鋪緯速度之間的矛盾沖突，解決過程如下：

a)確定技術(shù)沖突，并用39個通用工程參數(shù)中的兩個來描述該沖突；

b)利用沖突矩陣確定可用的發(fā)明原理；

c)由發(fā)明原理提供的思路和線索，結(jié)合實際確定原理解。

3.1技術(shù)參數(shù)的選擇與發(fā)明原理的確定

針對橫移質(zhì)量與鋪緯速度的矛盾關(guān)系，本文通過查閱TRIZ理論中總結(jié)出的39個通用工程參數(shù)表[10](表略)找出兩個技術(shù)參數(shù)組合是：a)裝置的復雜性【36】(注：此處的標號“【36】”代表在通用參數(shù)表中的代號為36，本文下同)與自動化程度【38】；b)速度【9】與裝置的復雜性【36】。

通過查閱TRIZ理論中的矛盾矩陣表[11](表略)，由第一組矩陣元素，裝置的復雜性【36】與自動化程度【38】確定出來的發(fā)明原理是：分割原理【1】、動態(tài)特性【15】、借助中介物【24】。

由第二組矩陣元素，速度【9】與裝置的復雜性【36】確定出來的發(fā)明原理是：增加不對稱性【4】、預(yù)先作用【10】、機械系統(tǒng)替代【28】、拋棄或再生原理【34】。根據(jù)所選定的技術(shù)參數(shù)和發(fā)明原理就可以對鋪緯系統(tǒng)機構(gòu)進行TRIZ創(chuàng)新設(shè)計。

3.2利用發(fā)明原理找到的創(chuàng)新解

通過對以上發(fā)明原理的分析與篩選，本文從【1】分割原理、【34】拋棄與再生原理兩個發(fā)明原理上獲得兩種方案。

【1】分割原理得到的方案：通過對分割原理的解讀，以虛擬的方式或真實的方式將一個系統(tǒng)分成多個部分，以便分解(分開、分隔、抽取)或合并(結(jié)合、集成、聯(lián)合)一種有益的或有害的系統(tǒng)屬性，在本文中，屬于分解有害屬性，即分解質(zhì)量，從鋪緯系統(tǒng)的功能需求可知，該機構(gòu)雖要求具有精確的運動控制，但在強度與剛度上無特殊要求，所以根據(jù)分割原理，本文將整體橫移機構(gòu)分成兩個部分，單獨設(shè)計一個質(zhì)量輕便的耙針機構(gòu)來代替前后橫移機構(gòu)，這樣就使橫移部分的質(zhì)量大大降低，進而提高了運動精度和速度。

機構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)：圖3為耙針機構(gòu)的三維裝配圖，在這個機構(gòu)中，耙針座為運動執(zhí)行部件，伺服電機為動力源，同步帶為傳送部件，在伺服電機上安裝編碼器作為反饋部件，加上電器控制就構(gòu)成了一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，控制精度高，運動精準，反饋速度快，可實現(xiàn)高速精確的掛紗運動。圖4為耙針細節(jié)圖，該圖中的耙針具有一定的傾斜角度，耙針的所有直角邊均要求倒圓角，保證紗線可以從耙針順利滑落到銅針塊上。

【34】拋棄或再生原理得到的方案：通過對拋棄或再生原理的解讀，拋棄是從系統(tǒng)中去除某事物，再生是將某事物恢復到系統(tǒng)中以進行再利用。根據(jù)該原理的提示，本文的出發(fā)點是拋棄現(xiàn)有的鋪緯方式，找到一種新的鋪緯方式進行替代。

圖3　耙針機構(gòu)的三維裝配圖

圖4　耙針三維圖

機構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)：原有的鋪緯系統(tǒng)是平鋪式的，平鋪式的最大缺點就是需要跨門幅將紗線掛在緯紗鉤上，并且只能掛好一邊才能掛另外一邊，該鋪緯方式的大部分時間用于跨門幅運動，導致時間上的浪費，彌補方式就是加快鋪緯運行速度，但是加速對整個鋪緯機構(gòu)的要求都提高，鋪緯機構(gòu)的設(shè)計難度也增大。旋轉(zhuǎn)式鋪緯將電機的轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)化為鋪緯速度，極大程度地縮減了鋪緯時間，完全擺脫了鋪緯速度的限制，裝配圖如圖5所示。

圖5　旋轉(zhuǎn)式鋪緯裝配圖

由圖5中可看出，主電機通過鏈傳動帶動整個機構(gòu)轉(zhuǎn)動，紗線從紗筒送出，經(jīng)過設(shè)計好的路徑穿入緯紗架，緯紗架有八個爪子，也可以更多，以八個為例，分別編號1、2、3、4、5、6、7、8，1與5同時掛紗，2與6同時掛紗，3與7同時掛紗，4與8同時掛紗，然后循環(huán)。所有緯紗架爪子上的紗線都掛在送紗彈簧上，由送紗彈簧將紗線送出掛入傳送系統(tǒng)。該套系統(tǒng)的優(yōu)點是由電機旋轉(zhuǎn)運動直接鋪緯，而且是雙邊同時掛紗，鋪緯速度可以達到很大提升，在電器配合上要求也不高，很容易達到工作要求，但該套系統(tǒng)的缺點是鋪緯方向固定，并且不能鋪設(shè)與經(jīng)線垂直的緯紗，不適用于有經(jīng)緯線垂直要求的經(jīng)編織物。目前該套系統(tǒng)在紗線銜接上還存在問題，由于是靠螺旋彈簧將紗線送入到傳送鏈，會出現(xiàn)紗線在螺旋彈簧內(nèi)打滑的情況，該情況將導致鋪緯不均勻或是漏紗，導致布面不均勻或出現(xiàn)孔洞，使得布面質(zhì)量大大下降。

4結(jié)語

根據(jù)矛盾矩陣法所得到的兩個創(chuàng)新解，各有利弊。根據(jù)拋棄與再生原理所得到的方案從根本上擺脫了鋪緯速度的局限性，但是該方案在滿足鋪緯速度的同時又引入了新的缺陷，并且要推翻現(xiàn)有的鋪緯系統(tǒng)重做，對機器的其他部分改動很大。根據(jù)分割原理得到的方案雖然沒有從根本上擺脫速度的局限性，但是從速度與質(zhì)量的矛盾出發(fā)，該方案在對機器的整體機構(gòu)未做較大改動的同時，大幅度的提升了鋪緯系統(tǒng)的運行速度，進而提高生產(chǎn)率。所以最終確定采用第一個方案，該系統(tǒng)已在某紡織企業(yè)得到應(yīng)用，改動前，該企業(yè)的RSM3/1(215英寸)-E6的正常工作轉(zhuǎn)速在800轉(zhuǎn)左右，開機率在90%左右，改動后，該機型的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速提升至1000轉(zhuǎn)左右，開機率也能保證在95%以上，機器的織物質(zhì)量也有很大的提升。

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(責任編輯：許惠兒)

Study on Weft Laying System of Biaxial Warp Knitting Machine Based on TRIZ Theory

BAIYing1,LIChengliang2,3

(1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China; 2.Jiangsu Runyuan Holding Group Co., Ltd., Changzhou 213022, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou 213022,China)

Abstract：This paper analyzes functional requirements of biaxial weft laying system and designs weft laying system of biaxial warp knitting machine with TRIZ theory in allusion to existing problems of initial design of weft laying system. It first determines technical parameters for the contradictory relation between transverse mass and weft laying speed, then designs two schemes respectively with segmentation principle and rejecting and regenerating principle in TRIZ theory and finally verifies these schemes with engineering practice. The verification result shows that the design scheme obtained according to segmentation principle can greatly improve the operating speed of weft laying system and then increase production rate when the overall structure of machine is not greatly changed. The system has been applied to practical production process of a textile enterprise.

Key words：TRIZ; warp knitting machine; weft laying system

收稿日期：2015-08-28

基金項目：國家自然基金面上項目(51175146)；江蘇省 “青藍工程”中青年骨干教師項目(JSQL2014)

作者簡介：白穎(1975-)，女，江蘇常州人，碩士，講師，主要從事機電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計研究。

中圖分類號：TH122

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X(2016)04-0008-04