基于TRIZ方法的縫紉機(jī)正倒縫切換裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

萬延見，饒賓期，盧錫龍

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018)

基于TRIZ方法的縫紉機(jī)正倒縫切換裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

萬延見，饒賓期，盧錫龍

(中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018)

TRIZ理論是專門用于解決發(fā)明創(chuàng)造問題的方法體系，包含小人法、沖突矩陣、物場模型等多個(gè)創(chuàng)新問題解決方法及工具。文章針對已有常用縫紉機(jī)正倒縫切換裝置在應(yīng)用中出現(xiàn)的噪聲較大的問題，利用TRIZ及知識庫進(jìn)行創(chuàng)造性地思考和解決，并按著提出的工程問題創(chuàng)新思考的流程逐步實(shí)施，最終設(shè)計(jì)出粘貼墊片與纏繞電磁線圈兩套改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。研究的結(jié)果既驗(yàn)證了TRIZ方法解決工程創(chuàng)新問題的有效性和實(shí)用性，也可為進(jìn)一步的裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)和加工提供方案支持。

改進(jìn)設(shè)計(jì)；TRIZ；噪聲

0 引言

縫紉機(jī)自發(fā)明之初至今已有近230年的歷史，先后經(jīng)歷了多次縫紉機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和更新?lián)Q代，足以見證技術(shù)的發(fā)展和歷史的進(jìn)步[1]。工業(yè)縫紉機(jī)是在傳統(tǒng)家用縫紉機(jī)基礎(chǔ)上，為了更好地適應(yīng)于縫紉工廠或其他工業(yè)部門中的大批量生產(chǎn)需求，而開發(fā)出來的自動(dòng)化/半自動(dòng)化的，能快速縫制工件的縫紉機(jī)[2]。工業(yè)縫紉機(jī)主要包括平縫機(jī)、包縫機(jī)、鏈縫機(jī)、繃縫機(jī)以及特種機(jī)等多個(gè)機(jī)種，具有高效率、專用化、經(jīng)久耐用、性能穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、操作簡單等多方面特點(diǎn)[3]。正倒縫切換裝置是工業(yè)縫紉機(jī)中重要的部件之一，可以實(shí)現(xiàn)正縫與倒縫狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)切換。

正倒縫切換裝置主要由擺動(dòng)座、倒送料連桿、送料調(diào)節(jié)器、螺柱、復(fù)位彈簧五部分組成，通過外加磁力與復(fù)位彈簧復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式，螺柱與送料調(diào)節(jié)器間的限位控制及倒送料連桿運(yùn)動(dòng)傳遞，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)座的位置角度的調(diào)節(jié)和切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正倒縫狀態(tài)切換[4]。然而，由于螺柱頭部與送料調(diào)節(jié)器尾部的凸輪輪廓之間是一種剛性連接，正倒縫切換磁力通常也較大且施力迅速，故在切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的撞擊聲，這會(huì)給使用者帶來很大的不適感，亟待改進(jìn)。

但從工業(yè)縫紉機(jī)及正倒縫切換裝置的進(jìn)化S曲線來看，目前都已發(fā)展至成熟期。因此，為了開發(fā)出能有效適應(yīng)于未來市場的，極具競爭力和適應(yīng)性的創(chuàng)新產(chǎn)品，已越來越成為各大縫紉機(jī)制造廠商迫切需要解決的技術(shù)難題之一。因此，極有必要尋求一種創(chuàng)造性的思考方法，引導(dǎo)/輔助/激勵(lì)設(shè)計(jì)者進(jìn)行創(chuàng)造性的思考，解決縫紉機(jī)正倒縫切換裝置產(chǎn)生噪聲的問題，并開發(fā)出相應(yīng)的創(chuàng)新產(chǎn)品，本文正是基于此而進(jìn)行的研究。

1 TRIZ方法解決問題的流程

TRIZ中文名為發(fā)明問題解決理論，源自于前蘇聯(lián)，由大發(fā)明家Altshuller于1946年創(chuàng)立。經(jīng)過近70年國內(nèi)外研究學(xué)者的不懈努力和理論的不斷擴(kuò)充、衍變，目前TRIZ理論已發(fā)展成為一套系統(tǒng)化的、有步驟可循的、實(shí)用的解決發(fā)明創(chuàng)造問題的方法理論應(yīng)用體系[5]。

TRIZ理論主要包括S曲線、進(jìn)化法則、沖突矩陣、發(fā)明原理、物場模型、ARIZ等多個(gè)問題分析工具及解決方法，解決問題的一般過程為先將具體的工程問題轉(zhuǎn)化為規(guī)范的TRIZ問題，然后再利用TRIZ問題求解工具求解，以得到TRIZ體系框架下的概念解，最后再結(jié)合具體問題及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比思考，從而得到相應(yīng)的能解決具體問題的工程解[6]。

基于對TRIZ問題分析工具及解決方法的應(yīng)用，結(jié)合解決問題的一般過程，本文提出了如圖1所示的基于TRIZ方法的工程問題創(chuàng)新思考流程，包含確定問題、分析問題、解決問題、評價(jià)方案四個(gè)思維操作單元，對應(yīng)著小人法、沖突矩陣、物場模型等多個(gè)TRIZ工具及方法的策略化集成應(yīng)用[7-8]。

圖1 TRIZ創(chuàng)新應(yīng)用的流程

2 基于TRIZ縫紉機(jī)正倒縫切換裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

目前，市面上的工業(yè)縫紉機(jī)有很多，本文則選取正倒縫切換裝置產(chǎn)生噪聲較為嚴(yán)重的平縫機(jī)作為基礎(chǔ)產(chǎn)品，進(jìn)行后續(xù)的創(chuàng)新分析[9-10]。

2.1 確定問題

2.1.1 問題情境分析

如前所述，縫紉機(jī)正倒縫切換裝置主要由擺動(dòng)座、倒送料連桿、送料調(diào)節(jié)器、螺柱、復(fù)位彈簧五部分組成(圖2)。而發(fā)生噪聲的區(qū)域主要在送料調(diào)節(jié)器與螺柱的硬連接部位，如圖3所示。噪聲產(chǎn)生的原因主要通過兩個(gè)方面產(chǎn)生：一是在磁力對擺動(dòng)座施加驅(qū)動(dòng)力的作用時(shí)，擺動(dòng)座立即發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鉸鏈連桿運(yùn)動(dòng)的傳遞作用，帶動(dòng)送料調(diào)節(jié)器立即發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)送料調(diào)節(jié)器前端凹槽與螺柱頂端之間的接觸點(diǎn)立即發(fā)生改變，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓及滑動(dòng)，產(chǎn)生噪聲；二是當(dāng)磁力取消時(shí)，由于復(fù)位彈簧的拉力作用，拉動(dòng)倒送料連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)擺動(dòng)座轉(zhuǎn)動(dòng)以及送料調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)送料調(diào)節(jié)器前端凹槽與螺柱頂端之間的接觸點(diǎn)又發(fā)生改變，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓及滑動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。

圖2 縫紉機(jī)正倒縫切換裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3 送料調(diào)節(jié)器與螺柱接觸部位及形式

2.1.2 描述最小問題

正倒縫切換技術(shù)系統(tǒng)包括：擺動(dòng)座、倒送料連桿、送料調(diào)節(jié)器、螺柱、復(fù)位彈簧、電磁鐵。在此，可將技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)存在的問題轉(zhuǎn)化為如下所述的兩個(gè)技術(shù)沖突，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成最小化問題加以求解。

技術(shù)沖突1:若在正倒縫切換時(shí)，送料調(diào)節(jié)器與螺柱不產(chǎn)生接觸，則不會(huì)發(fā)出尖銳的撞擊聲，零件也不容易變形，調(diào)節(jié)精度更不會(huì)受影響，但需要額外增加輔助性的結(jié)構(gòu)和操作，會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

技術(shù)沖突2：若在正倒縫切換時(shí)，送料調(diào)節(jié)器與螺柱產(chǎn)生接觸，則不需要額外增加輔助性的結(jié)構(gòu)和操作，且不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但會(huì)發(fā)出尖銳的撞擊聲，零件容易變形，調(diào)節(jié)精度也會(huì)受到影響。

最小問題：要在對系統(tǒng)做最小改進(jìn)的前提下，防止送料調(diào)節(jié)器與螺柱接觸，防止其間產(chǎn)生撞擊變形。

2.1.3 確定沖突對

作用對象：螺柱，控制精度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的范圍及精度。

工具：螺柱前端與送料調(diào)節(jié)器接觸的部分，會(huì)與送料調(diào)節(jié)器產(chǎn)生撞擊擠壓，損壞送料調(diào)節(jié)器。

如圖4所示為送料調(diào)節(jié)器與螺柱不接觸狀態(tài)下的技術(shù)沖突示意，在這種情況下，不會(huì)發(fā)出尖銳的撞擊聲，零件也不容易變形，調(diào)節(jié)精度更不會(huì)受影響，但要實(shí)現(xiàn)兩者間不接觸，則會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖5為送料調(diào)節(jié)器與螺柱接觸狀態(tài)下的技術(shù)沖突示意，在這種情況下，可避免增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但會(huì)發(fā)出尖銳的撞擊聲，零件容易變形，調(diào)節(jié)精度也會(huì)受到影響。

圖4 技術(shù)沖突1

圖5 技術(shù)沖突2

2.1.4 激化沖突

選取技術(shù)沖突2進(jìn)行激化沖突分析。即：從正倒縫切換開始，一直到切換結(jié)束，送料調(diào)節(jié)器與螺柱之間不產(chǎn)生任何接觸，也不采取任何輔助結(jié)構(gòu)和操作；不對送料調(diào)節(jié)器與螺柱造成任何撞擊變形，調(diào)節(jié)精度更不會(huì)受影響。

2.1.5 建立問題模型

尋求一個(gè)X元素，不增加系統(tǒng)復(fù)雜性，保證送料調(diào)節(jié)器與螺柱正常工作，使送料調(diào)節(jié)器與螺柱不產(chǎn)生任何接觸，更不對送料調(diào)節(jié)器與螺柱造成任何損害。

2.1.6 問題初步解決

通過分析，可以發(fā)現(xiàn)該問題對應(yīng)的是物場模型問題中的有害作用問題(有用功能作用的同時(shí)產(chǎn)生附帶噪聲)?？筛鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)解引入物質(zhì)S3來消除有害作用，進(jìn)而得到解決方案1。即在送料調(diào)節(jié)器和螺柱之間增加一耐磨、可更換的緩沖墊，且在正常工作過程中，送料調(diào)節(jié)器和螺柱之間一直存在一定的擠壓力，以保證調(diào)節(jié)的精度。

也可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解引入一個(gè)場F2來抵消系統(tǒng)中的有害作用，進(jìn)而得到解決方案2。F2可以是機(jī)械場、熱場、化學(xué)場、電場、磁場等。既可設(shè)法使送料調(diào)節(jié)器和螺柱帶有磁性，且二者相接觸的區(qū)域帶有相同的磁極，通過磁力排斥作用形成一個(gè)保護(hù)區(qū)域，避免送料調(diào)節(jié)器與螺柱受到撞擊、損害。

2.2 分析問題

2.2.1 確定操作區(qū)域

主要操作區(qū)域在于圖中的虛線部分，即送料調(diào)節(jié)器與螺柱相接觸的區(qū)域。

圖6 主要操作區(qū)域示意

2.2.2 確定操作時(shí)間

T1：正倒縫切換時(shí)，送料調(diào)節(jié)器在倒送料連桿運(yùn)動(dòng)的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)自身凹槽相對于螺柱頂端產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)。

T2：正倒縫切換的間隙。

2.2.3 確定物場資源

系統(tǒng)內(nèi)資源：送料調(diào)節(jié)器和螺柱皆具有導(dǎo)電性，皆易被磁化，皆具備一定的剛性。

外界環(huán)境物場資源：風(fēng)、室溫、重力。

超系統(tǒng)資源：動(dòng)力源(倒縫時(shí)電磁鐵的拉力、復(fù)位彈簧的彈力及電機(jī)發(fā)出動(dòng)力)、振動(dòng)(機(jī)器工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng))、熱(機(jī)器工作發(fā)熱)。

2.2.4 確定IFR1

IFR1：現(xiàn)實(shí)中的方案只能盡可能的向最終理想解靠近，因此，需要尋找一個(gè)X元素，不增加系統(tǒng)復(fù)雜性，保證送料調(diào)節(jié)器與螺柱正常工作，使送料調(diào)節(jié)器與螺柱不產(chǎn)生任何接觸，更不對送料調(diào)節(jié)器與螺柱造成任何損害。

強(qiáng)化IFR1：操作時(shí)間內(nèi)、操作區(qū)內(nèi)送料調(diào)節(jié)器或螺柱，不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，保證螺柱能精準(zhǔn)控制送料調(diào)節(jié)器的運(yùn)動(dòng)，并使送料調(diào)節(jié)器和螺柱不產(chǎn)生任何接觸，更不對二者造成任何損害。

2.2.5 沖突極端描述

宏觀描述：操作時(shí)間內(nèi)、操作區(qū)內(nèi)送料調(diào)節(jié)器或螺柱可與某物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，以保證螺柱能精準(zhǔn)控制送料調(diào)節(jié)器的運(yùn)動(dòng)，使送料調(diào)節(jié)器和螺柱不產(chǎn)生任何接觸，更不對二者造成任何損害。

微觀描述：操作時(shí)間內(nèi)、操作區(qū)內(nèi)送料調(diào)節(jié)器或螺柱的顆粒相互阻攔，使送料調(diào)節(jié)器和螺柱不產(chǎn)生任何接觸，不對二者造成任何損害，顆粒又不相互阻攔，以保證螺柱能精準(zhǔn)控制送料調(diào)節(jié)器的運(yùn)動(dòng)。

2.2.6 確定IFR2

操作時(shí)間內(nèi)、操作區(qū)內(nèi)物質(zhì)顆粒自我阻攔，使送料調(diào)節(jié)器和螺柱不產(chǎn)生任何接觸，不對二者造成任何損害，顆粒又不相互阻攔，同時(shí)物質(zhì)顆粒又自動(dòng)消失，以保證螺柱能精準(zhǔn)控制送料調(diào)節(jié)器的運(yùn)動(dòng)。

2.2.7 問題初步解決2

如前所述，引入第三種物質(zhì)S3與另一個(gè)場F2來消除系統(tǒng)中的有害作用，進(jìn)而得到解決方案。

2.3 解決問題

2.3.1 建立小人模型

小人模型(圖7)中的X組件能“阻攔”住送料調(diào)節(jié)器和螺柱的接觸，且能保證螺柱能精準(zhǔn)控制送料調(diào)節(jié)器的運(yùn)動(dòng)。這種物質(zhì)很像兩個(gè)相互排斥的磁力場，這是解決問題的一個(gè)思路。

圖7 送料調(diào)節(jié)器與螺柱作用小人模型

2.3.2 運(yùn)用物場資源

技術(shù)方案1：運(yùn)用送料調(diào)節(jié)器與螺柱導(dǎo)電性、易磁化及剛性特性，在送料調(diào)節(jié)器與螺柱之間增加一耐磨、易更換的緩沖墊。

技術(shù)方案2：運(yùn)用送料調(diào)節(jié)器與螺柱導(dǎo)電性、易磁化及剛性特性，使送料調(diào)節(jié)器與螺柱帶有相同磁性，以在虛空區(qū)域形成相互排斥的磁力場空間。

2.3.3 運(yùn)用知識庫

通過前面幾步的分析，已得到初步的解決方案?？梢赃\(yùn)用類似的問題解決方案，將方案進(jìn)一步明確。即可在河北工業(yè)大學(xué)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)公共服務(wù)平臺上進(jìn)行知識云查找，可以檢索到“反共振”、“離心流化”等效應(yīng)知識，“橡膠緩沖體式永久磁鐵型電磁制動(dòng)器”、“常用緩沖鹽片劑及其制作方法”等專利知識。在這些知識激勵(lì)下，結(jié)合前期得到的方案，可以將方案進(jìn)一步明確為采用粘貼緩沖墊實(shí)現(xiàn)緩沖力和磨損，以及采用纏繞電磁線圈的方式來實(shí)現(xiàn)送料調(diào)節(jié)器和螺柱帶有磁性，并不影響其正常的調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

2.3.4 類比思考求解

方案1需要先將緩沖墊分別固定到送料調(diào)節(jié)器和螺柱上?？蓪蓚€(gè)緩沖墊外表面設(shè)計(jì)成可相互配合的特殊形狀，這樣易于安裝和控制。即如圖8所示，將緩沖墊做成陰陽兩片，分別粘附于送料調(diào)節(jié)器與螺柱相接觸的表面。且在正常工作狀態(tài)下，復(fù)位彈簧一直有一定的拉力，以使送料調(diào)節(jié)器與螺柱之間無論在正倒縫切換時(shí)及切換間隙，皆處于擠壓狀態(tài)，如此可以很好控制調(diào)節(jié)的精度。且由于緩沖墊的存在，可以減緩送料調(diào)節(jié)器與螺柱相互擠壓所產(chǎn)生的撞擊和磨損。

圖8 粘貼墊片示意

方案2則需要先在送料調(diào)節(jié)器和螺柱表面纏繞電磁線圈。即如圖9所示，在送料調(diào)節(jié)器與螺柱纏繞上電磁線圈，致使在通電狀態(tài)下，二者相接觸區(qū)域以相同磁極相對放置。這樣在正倒縫切換時(shí)，電磁線圈處于通電狀態(tài)，送料調(diào)節(jié)器與螺柱分別帶有各自的磁性，由于同性磁極間的相互排斥作用，使得送料調(diào)節(jié)器與螺柱在能保證正常工作運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，不產(chǎn)生過多接觸或過重接觸。

圖9 磁性作用示意

2.4 評價(jià)方案

2.4.1 方案衍生思考

得到的解決方案在應(yīng)用過程中，也存在一定的問題。方案1中，由于螺柱帶有螺紋，故粘附在螺柱表面的緩沖墊不易太厚，否則會(huì)影響旋合。方案2采取纏繞電磁線圈的形式，則在通電存在磁性環(huán)境下，由于擺動(dòng)座、倒送料連桿、復(fù)位彈簧及設(shè)備中其他零部件，大多都是鐵質(zhì)材料做成的，故可被磁鐵吸引受力，甚至可以被磁化，故會(huì)對機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和精準(zhǔn)控制產(chǎn)生一定的影響。

2.4.2 方案評價(jià)優(yōu)選

在此由于僅生成了兩個(gè)技術(shù)方案，且皆較具有實(shí)用價(jià)值和創(chuàng)新性，故可將兩個(gè)技術(shù)方案均作為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的方案。因此，在此不涉及到方案評價(jià)優(yōu)選的操作。

3 結(jié)束語

TRIZ方法是目前國內(nèi)外產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的創(chuàng)新方法之一，旨在有效解決設(shè)計(jì)過程中遇到的設(shè)計(jì)沖突和方案難以獲取等問題。本文利用這一創(chuàng)造性的思維方法，結(jié)合已有縫紉機(jī)正倒縫切換中存在的現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行創(chuàng)造性的解決，并進(jìn)一步對方案進(jìn)行完善性思考，最終設(shè)計(jì)出兩款較具創(chuàng)新性、實(shí)用性的技術(shù)創(chuàng)新方案。

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[2] 張巒國,楊喜軍,雷淮剛.工業(yè)縫紉機(jī)系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)[J].設(shè)計(jì)分析,2008(4):22-24,48.

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ImprovedDesignoftheSewingShiftDevicefortheForwardandReverseStatesBasedonTRIZ

WAN Yan-jian,RAO Bin-qi, LU Xi-long

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

TRIZ is a specialized method theory for solving the invention problem. It integrates multiple methods and tools for innovative thinking, such as Smart Little People, Conflict Matrix, Substance-field Model, et al. As to the problems of larger noise which appearing in the common using of the sewing shift device for the forward and reverse states, this paper used TRIZ and knowledge base to think and solve creatively. And the four key procedures were put into effect step by step according to the process putting forward in this paper. Finally, generating two improved solutions of pasting the gaskets and winding Electromagnetic coils. The result may verify the validity and practicability of TRIZ to solve the engineering innovation problems. And it also can provide the solution support for the further detail design and production of the device.

improved design;TRIZ;noise

TH122;TG506

A

1001-2265(2017)12-0143-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.036

2017-02-19；

2017-02-22

科技部創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)(2016IM020100)；杭州市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(Z17JC076)；金華市科技計(jì)劃項(xiàng)目工業(yè)類重點(diǎn)項(xiàng)目(2015-1-022)

萬延見(1986—)，男，河南固始人，中國計(jì)量大學(xué)碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及方法、污泥深度脫水工藝及裝備，(E-mail)wan-yan-jian@163.com。

(編輯李秀敏)