基于TRIZ方法的缝纫机正倒缝切换装置创新设计*

万延见，饶宾期，卢锡龙

(中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018)

基于TRIZ方法的缝纫机正倒缝切换装置创新设计*

万延见，饶宾期，卢锡龙

(中国计量大学 机电工程学院，杭州 310018)

TRIZ理论是专门用于解决发明创造问题的方法体系，包含小人法、冲突矩阵、物场模型等多个创新问题解决方法及工具。文章针对已有常用缝纫机正倒缝切换装置在应用中出现的噪声较大的问题，利用TRIZ及知识库进行创造性地思考和解决，并按着提出的工程问题创新思考的流程逐步实施，最终设计出粘贴垫片与缠绕电磁线圈两套改进设计方案。研究的结果既验证了TRIZ方法解决工程创新问题的有效性和实用性，也可为进一步的装置详细设计和加工提供方案支持。

改进设计；TRIZ；噪声

0 引言

缝纫机自发明之初至今已有近230年的历史，先后经历了多次缝纫机结构改进和更新换代，足以见证技术的发展和历史的进步[1]。工业缝纫机是在传统家用缝纫机基础上，为了更好地适应于缝纫工厂或其他工业部门中的大批量生产需求，而开发出来的自动化/半自动化的，能快速缝制工件的缝纫机[2]。工业缝纫机主要包括平缝机、包缝机、链缝机、绷缝机以及特种机等多个机种，具有高效率、专用化、经久耐用、性能稳定、自动化程度高、操作简单等多方面特点[3]。正倒缝切换装置是工业缝纫机中重要的部件之一，可以实现正缝与倒缝状态的快速转切换。

正倒缝切换装置主要由摆动座、倒送料连杆、送料调节器、螺柱、复位弹簧五部分组成，通过外加磁力与复位弹簧复合驱动方式，螺柱与送料调节器间的限位控制及倒送料连杆运动传递，实现摆动座的位置角度的调节和切换，进而实现正倒缝状态切换[4]。然而，由于螺柱头部与送料调节器尾部的凸轮轮廓之间是一种刚性连接，正倒缝切换磁力通常也较大且施力迅速，故在切换时会出现较大的撞击声，这会给使用者带来很大的不适感，亟待改进。

但从工业缝纫机及正倒缝切换装置的进化S曲线来看，目前都已发展至成熟期。因此，为了开发出能有效适应于未来市场的，极具竞争力和适应性的创新产品，已越来越成为各大缝纫机制造厂商迫切需要解决的技术难题之一。因此，极有必要寻求一种创造性的思考方法，引导/辅助/激励设计者进行创造性的思考，解决缝纫机正倒缝切换装置产生噪声的问题，并开发出相应的创新产品，本文正是基于此而进行的研究。

1 TRIZ方法解决问题的流程

TRIZ中文名为发明问题解决理论，源自于前苏联，由大发明家Altshuller于1946年创立。经过近70年国内外研究学者的不懈努力和理论的不断扩充、衍变，目前TRIZ理论已发展成为一套系统化的、有步骤可循的、实用的解决发明创造问题的方法理论应用体系[5]。

TRIZ理论主要包括S曲线、进化法则、冲突矩阵、发明原理、物场模型、ARIZ等多个问题分析工具及解决方法，解决问题的一般过程为先将具体的工程问题转化为规范的TRIZ问题，然后再利用TRIZ问题求解工具求解，以得到TRIZ体系框架下的概念解，最后再结合具体问题及工程经验进行类比思考，从而得到相应的能解决具体问题的工程解[6]。

基于对TRIZ问题分析工具及解决方法的应用，结合解决问题的一般过程，本文提出了如图1所示的基于TRIZ方法的工程问题创新思考流程，包含确定问题、分析问题、解决问题、评价方案四个思维操作单元，对应着小人法、冲突矩阵、物场模型等多个TRIZ工具及方法的策略化集成应用[7-8]。

图1 TRIZ创新应用的流程

2 基于TRIZ缝纫机正倒缝切换装置创新设计

目前，市面上的工业缝纫机有很多，本文则选取正倒缝切换装置产生噪声较为严重的平缝机作为基础产品，进行后续的创新分析[9-10]。

2.1 确定问题

2.1.1 问题情境分析

如前所述，缝纫机正倒缝切换装置主要由摆动座、倒送料连杆、送料调节器、螺柱、复位弹簧五部分组成(图2)。而发生噪声的区域主要在送料调节器与螺柱的硬连接部位，如图3所示。噪声产生的原因主要通过两个方面产生：一是在磁力对摆动座施加驱动力的作用时，摆动座立即发生转动，通过铰链连杆运动的传递作用，带动送料调节器立即发生转动，从而带动送料调节器前端凹槽与螺柱顶端之间的接触点立即发生改变，并产生强烈的挤压及滑动，产生噪声；二是当磁力取消时，由于复位弹簧的拉力作用，拉动倒送料连杆转动，从而带动摆动座转动以及送料调节器转动，从而带动送料调节器前端凹槽与螺柱顶端之间的接触点又发生改变，也会产生强烈的挤压及滑动，产生噪声。

图2 缝纫机正倒缝切换装置结构示意

图3 送料调节器与螺柱接触部位及形式

2.1.2 描述最小问题

正倒缝切换技术系统包括：摆动座、倒送料连杆、送料调节器、螺柱、复位弹簧、电磁铁。在此，可将技术系统内存在的问题转化为如下所述的两个技术冲突，进而转化成最小化问题加以求解。

技术冲突1:若在正倒缝切换时，送料调节器与螺柱不产生接触，则不会发出尖锐的撞击声，零件也不容易变形，调节精度更不会受影响，但需要额外增加辅助性的结构和操作，会增加系统的复杂性。

技术冲突2：若在正倒缝切换时，送料调节器与螺柱产生接触，则不需要额外增加辅助性的结构和操作，且不会增加系统的复杂性，但会发出尖锐的撞击声，零件容易变形，调节精度也会受到影响。

最小问题：要在对系统做最小改进的前提下，防止送料调节器与螺柱接触，防止其间产生撞击变形。

2.1.3 确定冲突对

作用对象：螺柱，控制精度调节器调节的范围及精度。

工具：螺柱前端与送料调节器接触的部分，会与送料调节器产生撞击挤压，损坏送料调节器。

如图4所示为送料调节器与螺柱不接触状态下的技术冲突示意，在这种情况下，不会发出尖锐的撞击声，零件也不容易变形，调节精度更不会受影响，但要实现两者间不接触，则会增加系统的复杂性。

图5为送料调节器与螺柱接触状态下的技术冲突示意，在这种情况下，可避免增加系统的复杂性，但会发出尖锐的撞击声，零件容易变形，调节精度也会受到影响。

图4 技术冲突1

图5 技术冲突2

2.1.4 激化冲突

选取技术冲突2进行激化冲突分析。即：从正倒缝切换开始，一直到切换结束，送料调节器与螺柱之间不产生任何接触，也不采取任何辅助结构和操作；不对送料调节器与螺柱造成任何撞击变形，调节精度更不会受影响。

2.1.5 建立问题模型

寻求一个X元素，不增加系统复杂性，保证送料调节器与螺柱正常工作，使送料调节器与螺柱不产生任何接触，更不对送料调节器与螺柱造成任何损害。

2.1.6 问题初步解决

通过分析，可以发现该问题对应的是物场模型问题中的有害作用问题(有用功能作用的同时产生附带噪声)。可根据标准解引入物质S3来消除有害作用，进而得到解决方案1。即在送料调节器和螺柱之间增加一耐磨、可更换的缓冲垫，且在正常工作过程中，送料调节器和螺柱之间一直存在一定的挤压力，以保证调节的精度。

也可根据标准解引入一个场F2来抵消系统中的有害作用，进而得到解决方案2。F2可以是机械场、热场、化学场、电场、磁场等。既可设法使送料调节器和螺柱带有磁性，且二者相接触的区域带有相同的磁极，通过磁力排斥作用形成一个保护区域，避免送料调节器与螺柱受到撞击、损害。

2.2 分析问题

2.2.1 确定操作区域

主要操作区域在于图中的虚线部分，即送料调节器与螺柱相接触的区域。

图6 主要操作区域示意

2.2.2 确定操作时间

T1：正倒缝切换时，送料调节器在倒送料连杆运动的作用下产生转动，从而带动自身凹槽相对于螺柱顶端产生滑动时。

T2：正倒缝切换的间隙。

2.2.3 确定物场资源

系统内资源：送料调节器和螺柱皆具有导电性，皆易被磁化，皆具备一定的刚性。

外界环境物场资源：风、室温、重力。

超系统资源：动力源(倒缝时电磁铁的拉力、复位弹簧的弹力及电机发出动力)、振动(机器工作过程中产生的振动)、热(机器工作发热)。

2.2.4 确定IFR1

IFR1：现实中的方案只能尽可能的向最终理想解靠近，因此，需要寻找一个X元素，不增加系统复杂性，保证送料调节器与螺柱正常工作，使送料调节器与螺柱不产生任何接触，更不对送料调节器与螺柱造成任何损害。

强化IFR1：操作时间内、操作区内送料调节器或螺柱，不增加系统的复杂性，保证螺柱能精准控制送料调节器的运动，并使送料调节器和螺柱不产生任何接触，更不对二者造成任何损害。

2.2.5 冲突极端描述

宏观描述：操作时间内、操作区内送料调节器或螺柱可与某物质发生反应，以保证螺柱能精准控制送料调节器的运动，使送料调节器和螺柱不产生任何接触，更不对二者造成任何损害。

微观描述：操作时间内、操作区内送料调节器或螺柱的颗粒相互阻拦，使送料调节器和螺柱不产生任何接触，不对二者造成任何损害，颗粒又不相互阻拦，以保证螺柱能精准控制送料调节器的运动。

2.2.6 确定IFR2

操作时间内、操作区内物质颗粒自我阻拦，使送料调节器和螺柱不产生任何接触，不对二者造成任何损害，颗粒又不相互阻拦，同时物质颗粒又自动消失，以保证螺柱能精准控制送料调节器的运动。

2.2.7 问题初步解决2

如前所述，引入第三种物质S3与另一个场F2来消除系统中的有害作用，进而得到解决方案。

2.3 解决问题

2.3.1 建立小人模型

小人模型(图7)中的X组件能“阻拦”住送料调节器和螺柱的接触，且能保证螺柱能精准控制送料调节器的运动。这种物质很像两个相互排斥的磁力场，这是解决问题的一个思路。

图7 送料调节器与螺柱作用小人模型

2.3.2 运用物场资源

技术方案1：运用送料调节器与螺柱导电性、易磁化及刚性特性，在送料调节器与螺柱之间增加一耐磨、易更换的缓冲垫。

技术方案2：运用送料调节器与螺柱导电性、易磁化及刚性特性，使送料调节器与螺柱带有相同磁性，以在虚空区域形成相互排斥的磁力场空间。

2.3.3 运用知识库

通过前面几步的分析，已得到初步的解决方案。可以运用类似的问题解决方案，将方案进一步明确。即可在河北工业大学构建的计算机辅助创新设计公共服务平台上进行知识云查找，可以检索到“反共振”、“离心流化”等效应知识，“橡胶缓冲体式永久磁铁型电磁制动器”、“常用缓冲盐片剂及其制作方法”等专利知识。在这些知识激励下，结合前期得到的方案，可以将方案进一步明确为采用粘贴缓冲垫实现缓冲力和磨损，以及采用缠绕电磁线圈的方式来实现送料调节器和螺柱带有磁性，并不影响其正常的调节运动。

2.3.4 类比思考求解

方案1需要先将缓冲垫分别固定到送料调节器和螺柱上。可将两个缓冲垫外表面设计成可相互配合的特殊形状，这样易于安装和控制。即如图8所示，将缓冲垫做成阴阳两片，分别粘附于送料调节器与螺柱相接触的表面。且在正常工作状态下，复位弹簧一直有一定的拉力，以使送料调节器与螺柱之间无论在正倒缝切换时及切换间隙，皆处于挤压状态，如此可以很好控制调节的精度。且由于缓冲垫的存在，可以减缓送料调节器与螺柱相互挤压所产生的撞击和磨损。

图8 粘贴垫片示意

方案2则需要先在送料调节器和螺柱表面缠绕电磁线圈。即如图9所示，在送料调节器与螺柱缠绕上电磁线圈，致使在通电状态下，二者相接触区域以相同磁极相对放置。这样在正倒缝切换时，电磁线圈处于通电状态，送料调节器与螺柱分别带有各自的磁性，由于同性磁极间的相互排斥作用，使得送料调节器与螺柱在能保证正常工作运动的同时，不产生过多接触或过重接触。

图9 磁性作用示意

2.4 评价方案

2.4.1 方案衍生思考

得到的解决方案在应用过程中，也存在一定的问题。方案1中，由于螺柱带有螺纹，故粘附在螺柱表面的缓冲垫不易太厚，否则会影响旋合。方案2采取缠绕电磁线圈的形式，则在通电存在磁性环境下，由于摆动座、倒送料连杆、复位弹簧及设备中其他零部件，大多都是铁质材料做成的，故可被磁铁吸引受力，甚至可以被磁化，故会对机器的正常运转和精准控制产生一定的影响。

2.4.2 方案评价优选

在此由于仅生成了两个技术方案，且皆较具有实用价值和创新性，故可将两个技术方案均作为后续详细设计的方案。因此，在此不涉及到方案评价优选的操作。

3 结束语

TRIZ方法是目前国内外产品创新设计中应用最为广泛的创新方法之一，旨在有效解决设计过程中遇到的设计冲突和方案难以获取等问题。本文利用这一创造性的思维方法，结合已有缝纫机正倒缝切换中存在的现实问题进行创造性的解决，并进一步对方案进行完善性思考，最终设计出两款较具创新性、实用性的技术创新方案。

[1] 张伟.缝纫机见证历史[J].学理论,2008(23):48-48.

[2] 张峦国,杨喜军,雷淮刚.工业缝纫机系统的仿真与试验[J].设计分析,2008(4):22-24,48.

[3] 毕东贞.基于物联网的工业缝纫机系统的设计与实现[D].青岛:青岛大学,2012.

[4] 林培嘉.缝纫机用的正倒缝切换装置及其缝距调整机构[P].中国专利：CN203080256U,2013-07-24.

[5] 刘志峰,胡迪,高洋,等.基于TRIZ的可拆卸联接改进设计[J].机械工程学报,2012,48(11): 65-71.

[6] 檀润华,张瑞红,刘芳,等.基于TRIZ的二级类比概念设计研究[J].计算机集成制造系统,2006,12(3):328-333,351.

[7] 檀润华.发明问题解决理论[M].北京：科学出版社，2004.

[8] 李彦,李文强.创新设计方法[M].北京:科学出版社,2013.

[9] 陈卫宁.高速工业平缝机运动性能改进及动态特性优化[D].西安:西安理工大学,2010.

[10] 王文博.平缝机使用维修技术[J].北京:金盾出版社,2013.

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

科技部创新方法工作专项(2016IM020100)；杭州市哲学社会科学规划项目(Z17JC076)；金华市科技计划项目工业类重点项目(2015-1-022)

万延见(1986—)，男，河南固始人，中国计量大学硕士生导师，博士，研究方向为产品创新设计理论及方法、污泥深度脱水工艺及装备，(E-mail)wan-yan-jian@163.com。

(编辑李秀敏)