功能裁剪（精选九篇）
功能裁剪 篇1
技术系统的进化是以提高其理想度为基础的,产品创新设计的最终目标也是提高其理想度以适应人类需求的不断提高。功能裁剪是TRIZ理论中的一种分析问题和技术系统改进的方法,通过对技术系统功能模型的建立和分析,去除存在问题的功能元件,进行裁剪,删除该功能,进而实现产品的系统改进。经过裁剪后的技术系统,其结构更加简化,生产成本更低,而性能保持不变或更好,使产品更趋于理想解[1]。功能裁剪是一种提高产品理想度,实现产品创新设计的有效方法。本文在讨论了TRIZ理论功能裁剪方法的基础上,依据功能裁剪方法流程进行了注射模斜导柱侧向抽芯机构的创新设计。
1 功能分析
产品设计的过程是一个复杂的过程,总体来说可以包括需求分析、概念设计、技术设计和详细设计等四个阶段。产品的设计过程也是实现一系列功能的过程,需求分析阶段以满足用户的需求功能为目标;概念设计阶段将需求功能转化为功能结构;技术设计和详细设计阶段实现了功能机构向物理结构的转变,最终实现产品的功能。整个产品的设计过程是一个面向功能的设计过程。
功能分析是对系统进行功能分解,确定系统的有用功能、不充分功能、过剩功能和有害功能,以帮助设计者更加透彻的了解系统中各个元件之间的相互联系和相互作用,进而找到系统存在的问题。以现有产品为基础,通过功能分析,建立产品的功能模型,可以为产品的创新设计提供有力的保障。
功能模型是对系统功能的一种描述,其建立过程如下[1]:
第1步:确定系统的元件、制品和与系统相关的超系统;
第2步:确定元件、制品和超系统之间的作用关系并功能性语言表述;
第3步:确定功能的类型;
第4步:用各种功能符号表达元件、制品和超系统以及功能类型并连接绘制系统功能模型。
第5步:通过分析,确定系统存在的问题。
系统功能模型的元件、制品、超系统和功能类型的表达如图1所示[2]。在系统功能建模过程中,对于简单的系统可以根据常识或经验确定各功能元件、制品和超系统;对于复杂系统,可以应用TRIZ理论的多屏幕法、金鱼法和反向鱼骨图等方法建立系统的功能模型。
2 功能裁剪
裁剪是解决由功能分析发现的系统存在的问题的有效方法,也是一种对系统改进创新的方法。通过对系统存在的不足作用、过剩作用和有害作用功能的裁剪,以减少或消除系统的缺点,改善了整个功能模型,提高系统的理想度。经过裁剪将存在问题的功能元件删除后,原来该元件所提供的功能可以通过TRIZ理论提供的方法实现,主要有以下几种方法[3]。
1)依据TRIZ创新原理的多用性原理,原来元件实现的功能由其他元件或超系统实现;
2)依据TRIZ创新原理的自服务原理,原来元件实现的功能由受作用元件自己来实现;
3)如果功能不是必要,则删除原来元件实现的功能和原来元件实现功能的作用物;
4)应用TRIZ理论解决物理矛盾的分离方法来解决既需要功能又不需要此功能的物理矛盾问题。
应用功能裁剪的方法进行产品的创新设计主要是针对现有产品,裁剪问题功能元件,对于产生的新问题,可以应用TRIZ理论的发明原理、效应知识库、标准解等工具来解决。其主要步骤如下[4]:
第1步:确定研究对象;
第2步:对研究对象系统进行功能分析,建立功能模型;
第3步:确定功能模型中存在的有害功能、过剩功能和不足功能,进行功能裁剪;
第4步:分析裁剪后出现的问题,应用TRIZ理论的解决发明问题的工具来解决问题;
第5步:裁剪后系统功能建模;
第6步:产生新的创新设计方案。
3 案例分析
为了成型塑件上的侧向孔或侧向凹槽,注射模结构中常采用斜导柱式的侧向分型与抽芯机构[5]。其结构包括了侧向成型元件、运动元件、传动元件、锁紧元件和限位元件,如图2所示。开模过程中,模具沿分型面开模,动模向后移动,在斜导柱的驱动下,侧滑块带动侧型芯完成侧抽芯,同时侧滑块由弹簧拉杆限位机构限位,以保证合模过程的准确复位;合模时,斜导柱插入斜导孔驱动侧滑块带动侧型芯复位,楔紧块起到锁紧侧滑块的作用,整个机构要求动作准确、可靠。
图1为某企业产品端盖的注射模斜导柱侧向分型与抽芯机构,该机构具有侧抽芯力较大、生产率高、容易实现自动化生产等优点,但在使用过程中也存在着模具结构相对复杂、斜导柱容易变形、维修不方便和维修成本高等问题,不能满足企业生产需求,与理想解存在着一定的差距,需要进行创新设计。
1.圆柱销2.侧型芯3.斜导柱4.侧滑块5.楔紧块6.档块7.弹簧8.垫圈9.螺母10.拉杆
3.1 斜导柱侧抽芯机构功能分析
现有斜导柱侧抽芯机构采用的是机动侧向分型与抽芯机构,开模时,依靠注射机的开模力作为动力,通过斜导柱将力作用于侧向成型零件使其侧抽芯,合模时由靠它使侧向成型零件复位。对现有机构进行结构和动作原来分析,建立产品的功能模型并确定问题。
首先,确定与斜导柱侧抽芯机构有输入和输出关系的各超系统:定模板、动模板和注射机;其次,确定系统的制品是塑件;然后,确定各功能元件及其作用,类型并绘制斜导柱侧抽芯机构的功能模型,如图3所示。
该功能模型用图形的方式表达了斜导柱侧抽芯机构的制品、元件和超系统以及它们之间的相互关系。通过对这些关系的分析,从斜导柱侧抽芯机构侧抽芯系统功能的角度,可以发现现有机构存在的问题,如斜导柱长时间使用会产生变形,对侧滑块形成了有用不足的作用;弹簧长时间使用,动力不足同样对侧滑块的限位是一种有用不足的作用,完善这些功能是进行产品创新设计的出发点。
3.2 斜导柱侧抽芯机构功能裁剪
通过上面的分析,按TRIZ理论功能裁剪的原理,将有问题的功能元件,也就是斜导柱和弹簧拉杆限位机构中的弹簧裁剪掉,弹簧拉杆限位机构中的弹簧被裁剪掉以后,限位机构不能实现限位功能,因此可以考虑将整个弹簧拉杆限位机构裁剪掉。经过上述裁剪,其结果产生了两个新的问题:采用什么样的驱动方式;采用什么样的限位方式。
对于采用什么样的驱动方式问题,可以应用T R I Z中的效应来提供解决问题的思路。通过对效应知识库中的“移动固体物质”功能进行查询,可以得到与此问题相关的效应,如热膨胀、惯性、阿基米德原理、弹簧变形和磁致收缩等。结合实际情况、为了使驱动系统结构简单、操作方便、成本降低,可选用弹簧变形效应,使侧滑块在弹簧恢复力的作用下产生运动,以实现侧向抽芯。
对于采用什么样的限位方式问题,TRIZ功能裁剪将问题元件裁剪后,原来该元件所提供的功能失去了其功能的提供者,TRIZ理论提供的解决此问题的方法是:被删除元件所实现的功能由其他元件或受作用元件自己来实现,此方法与40条创新原理中的多用性原理和自服务原理相对应。
依据TRIZ理论解决裁剪后功能缺失问题的方法,原斜导柱的功能是开模时驱动侧滑块进行侧抽芯,合模时驱动侧滑块复位,现在将斜导柱裁剪掉,可用弹簧的弹性变形来实现开模侧抽芯功能,合模复位功能由楔紧块来实现,使原楔紧块由不动变成可动;原弹簧拉杆机构被裁剪掉以后,其功能可由限位螺钉实现,以保证开模后侧滑块的定位。将可动的楔紧块和限位螺钉结合起来,对斜导柱侧抽芯机构进行改进创新,改进后侧抽芯机构的功能模型如图4所示。
3.3 最终创新设计方案
通过TRIZ功能裁剪对斜导柱侧抽芯机构进行创新,设计了楔滑块侧抽芯机构,如图5所示。该机构主要包括了楔滑块、导滑槽、限位螺钉、弹簧、侧滑块和侧型芯等元件。注射成型完成后,模具沿分型面开模,侧滑块5在弹簧恢复力作用下向上运动实现侧抽芯,抽芯完成后,由限位螺钉实现定位。合模过程中,在合模力作用下,定模板推动楔滑块1向右运动,迫使侧滑块5向下运动复位。该机构动作准确、可靠、满足企业需求。
1.楔滑块2.导滑块3.限位螺钉4.弹簧5.侧滑块6.侧型芯
4 结束语
将改进前后的侧抽芯机构系统进行对比,如图6所示,可以发现改进后的结构比改进前的结构元件数量减少了40%,作用不足功能被全部消除,元件间相互作用数减少了将近31%,有用功能数增加了15%,有用功能数与元件数之比增加了约41%,系统结构得到了较大的简化,系统的理想度明显提高。
以对系统的功能分析为基础,运用TRIZ理论的裁剪方法,是提高技术系统理想度的有效途径。从系统性能的角度来看,采用TRIZ理论中的功能裁剪方法进行注射模侧抽芯机构的创新设计,用楔滑块侧抽芯机构代替斜导柱侧抽机构的注射模,其结构紧凑,加工简便、动作可靠、维修方便,元件一旦磨损后,可以通过限位螺钉的调节进行磨损后的修正,降低了注射模模具的成本。
参考文献
[1]檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法[M].北京:高等教育出版社,2010.
[2]江屏,罗平亚,孙建广,檀润华.基于功能裁剪的专利规避设计[J].机械工程学报,2012,48(11):46-54.
[3]JANTSCHGIJ,FRESNERJ.Linking TRI Z&sustainability(training and consulting models)[C/CD]//The Fourth European TRIZ Symposium,June30-July1,2005,Frankfurt/Main,2005.
[4]高常青,杨波,吕冰,赵方.基于功能分析的技术系统裁剪方法[J].机械设计,2011,28(4):92-96.
浩辰建筑合并轴网和轴线裁剪功能 篇2
一、轴网合并(ZWHB)
有时候一些轴网用不到，这个时候就需要用到这个功能将多组轴网的轴线，按指定的一个到四个边界延伸，合并为一组轴线，同时将其中重合的轴线清理。目前本命令不对非正交的轴网和多个非正交排列的轴网进行处理，操作步骤如下：
点取菜单命令后，命令行提示：
请选择需要合并对齐的轴线<退出>: 这里请圈选多个轴网里面的轴线，对同一个轴网内的轴线没有合并必要;
请选择需要合并对齐的轴线<退出>: 接着选取或者回车结束选择;
请选择对齐边界<退出>: 在图上显示出四条对齐边界，点取需要对齐的边界，命令开始合并轴线;
请选择对齐边界<退出>: 接着继续点取其他对齐边界;
请选择对齐边界<退出>: 回车结束合并
二、轴线裁剪(ZXCJ)
轴线裁剪命令可根据设定的多边形与直线范围，裁剪多边形内的轴线或者直线某一侧的轴线，操作步骤如下：
单击【轴线裁剪】菜单命令后，命令交互如下：
矩形的第一个角点或 [多边形裁剪(P)/轴线取齐(F)]<退出>:F 键入F 显示
轴线取齐功能的命令交互如下：
请输入裁剪线的起点或选择一裁剪线<退出>: 点取取齐的裁剪线起点
请输入裁剪线的终点<退出>: 点取取齐的裁剪线终点
请输入一点以确定裁剪的是哪一边<退出>: 单击轴线被裁剪的一侧结
束裁剪
矩形的第一个角点或 [多边形裁剪(P)/轴线取齐(F)]<退出>:P 键入P 显示多边形裁剪功能的命令交互如下：
1、如果给出第一个角点，则系统默认为矩形剪裁，命令行继续提示：
另一个角点<退出>: 选取另一角点后程序即按矩形区域剪裁轴线，
2、如果键入P，则系统进入多边形剪裁，命令行提示：
多边形的第一点<退出>: 选取多边形第一点。
多边形的下一点或 [回退(U)]<退出>: 选取第二点及下一点。
……
多边形的下一点或 [回退(U)]<封闭>: 选取下一点或回车，命令自动封闭该多边形结束裁剪。
功能裁剪 篇3
目前,在我国机械生产企业里,针对现有专利壁垒[1,2],如何选择创新方法路径,使创新设计成果在专利制度约束下更加有效显得尤为重要。
专利规避设计是一项源于美国的合法竞争行为[3],是以法律侵权判断原则为约束,通过对专利权利要求书中的必要技术特征进行删减或替代等操作,发掘出与原专利权利要求不同设计方案的过程。通过专利规避设计使得企业可以在不侵犯他人专利权的前提下,重新改进技术方案,从而获得与现有专利保护范围不 同的新技 术[4]。黄文仪[5]采用组件回避设计方法、等价交换方式与创新思维结合进行专利规避设计;罗炳荣[6]通过实例的对比与验证提出了应用于专利规避设计的元件失踪法及负数归一法;林明宪[7]提出将元件权重评析法应用于专利分析,结合专利策略,采用公理设计的独立原理来进行规避结果检验的设计流程。随着TRIZ理论的发展,将TRIZ理论与专利规避设计相结合,可为创新设计理论提供新的发展方向,江屏等[8]提出通过功能裁剪方法构建规避对象的功能模型,根据组件规避原则建立新产品的裁剪变体并确定问题。Li等[9]提出基于权利要求分解的技术特征进行裁剪的规避方法, 证明功能剪裁作为TRIZ的一种创新设计方法, 可提高产品理想度以实现产品创新设计[10]。
但是将功能裁剪应用于专利规避设计的现有研究中尚存在如下问题:一是未基于机械产品专利撰写的法律语言特点正确提取专利权利范围信息,并将权利范围信息转变成可进行下一步功能裁剪的基础;二是仅依据专利侵权原则阐释了功能裁剪与组件规避原则的一致性,未确立面向不同原则的功能裁剪具体路径并将其应用于专利规避设计流程。
因此,本文为解决上述问题,提出建立基于机械专利三大层次、五大属性的专利权利信息抽取过程图以及基于功能模型的专利权利范围图;进一步建立面向不同专利侵权原则的功能裁剪路径;然后依据专利制度约束特点对裁剪路径优先权及裁剪范围进行研究,最后将功能裁剪路径应用于专利规避设计流程,并用管道机器人的专利规避设计进行了验证。
1基于制度约束的专利功能模型建立
1.1功能模型与专利信息提取制度约束
功能模型是功能分析的结果,通常以现有产品系统为基础,分析系统中各个元件之间的作用关系,确定系统的有用功能、不充分功能、过剩和有害功能,进而建立产品的功能模型图,如图1所示,功能模型图能直观反映各元件要素之间的作用关系及连接关系,是进行功能裁剪形成裁剪变体的基础。以产品系统为基础建立的功能模型缺乏对专利权利要求书的分析,无法确定保护产品系统的专利权利范围,容易使后续的创新研究成果因侵权而失效。故以功能模型图去提取专利权利范围信息,将专利的权利保护范围直观反应在功能模型图上,能够将法律语言表达的技术信息转变成可以用TRIZ等创新方法进一步设计的技术信息,同时确保后期的裁剪能面向专利规避实现不侵权设计,确保功能裁剪更有针对性。
受专利法律制度约束,一份专利文件权利保护范围最大的独立权利要求包含着解决主要问题的所有必要技术特征,对独立权利要求信息的完整提取,是构建专利权利范围图的基础。
基于专利文件权利要求的撰写特点,通常要描述三大层次和五大属性的问题,三大层次包括组件(system assembly,SA)、零件(system component,SC)和部件(system part,SP)。组件为完成某个功能多个零件组成的一个集合;零件就是将机械产品拆卸到最分散的程度时候仍然保持自身完整的最小机械构成,相当于元件;部件就是零件身上还需要继续进行定义的技术特征,如通孔、 燕尾槽、滑道这些都是虚体部件,如图2所示,其中虚线框中的部件SP是传统的功能分析忽略的结构要素,比如来复枪中的膛线能确保射击的准确性,是专利具备创造性的授权基础,但在功能模型中却不体现。五大属性包括名称、连接关系、位置、材料和结构特征。五大部件在三大层次上侧重点各不相同,提取权利信息时有所区别。
1.2基于功能模型的专利权利信息提取过程
首先,抽取专利的三大层次和五大属性信息, 并建立与功能树之间的一一对应关系,如图3所示。在分功能对应的组件层抽取组件名称及连接关系,在功能元对应的零件层抽取名称、结构特征、材料及连接关系,在部件层抽取名称、结构和位置特征。
其次,建立针对目标专利的功能结构图,提取针对专利权利范围的完整信息,如图4所示,其中组件SA用方虚线框表示,每个组件SA内又包含相应的零件SC,零件上需要进一步界定的技术特征用部件SP表示,专利所有必要技术特征在圆形虚线框内,框外超系统(super systems,SS)资源与专利技术特征整体有一个作用关系,最终专利系统对作用物(target)实现所解决的技术问题。
2面向专利规避的功能裁剪路径
2.1专利规避原则与功能裁剪
基于侵权判断原则的专利规避设计通常遵循以下三点原则:1删减必要特征,避免侵犯全面覆盖原则;2对构成要件进行实质性替换改变, 避免侵犯等同原则;3综合分析权利要求书及说明书内容和审查档案,合理利用禁止反悔原则和捐献原则[11,12]。但是适用上述原则进行的规避设计,多依赖于经验,缺乏系统化的方法进行指导。 TRIZ理论中的功能剪裁是一种对现有专利方法进行删减替换操作的创新方法,为专利规避设计提供了规范化的路径。
功能裁剪作为TRIZ理论[13,14]中的问题分析工具,通过对产品功能模型的分析,对存在问题的功能元件进行删减,在某些情况下允许在删减系统某些部件的前提下,为解决系统存在问题添加新部件以完成产品系统的改进设计,即其实现的是一个修剪和整理的过程[15]。在功能模型上针对具体的功能元件进行删除、替换等修剪工作,形成问题模型,再用TRIZ方法对修剪后的功能模型进行弥补,使得技术系统结构得到优化。裁剪的过程与专利规避原则具有同样的作用,将其结合对产品功能和结构进行重新架构,可以获得具有操作意义的创新设计路径。
2.2功能裁剪路径
在专利规避原则约束下进行功能裁剪,建立面向不同专利规避原则的规避路径,首先要提取问题功能元或者兴趣功能元,建立最小的功能单元模型,如图5表示,执行元件对目标元件既存在有用作用,又存在问题作用,问题作用包含有害作用、过剩作用和不足作用。
针对一个功能单元的功能模型进 行裁剪操作,在不同的侵权原则约束下形成不同的规避路径,为确定问题模型提供不同的设计路径。
对全面覆盖原则的 规避路径,如表1所示。 对等同原则的规避路径,如表2所示。根据捐献原则及禁止反悔原则规避的路径如表3所示。
通过将功能裁剪方法与专利侵权判断原则相结合,为专利规避设计提供了具体的方法路径,减少了创新设计的盲目性,应用于设计流程中可提供多种问题模式,求解问题并组合方案可获得既不侵权,又有较高专利性的新解。
2.3面向专利规避的问题功能元识别及裁剪路径选择
面向专利规避的裁剪,其前提是对系统各元件进行功能分析,主要是找出问题功能元,即系统中的有害或不足作用,对其进行改善,其主要步骤如下:
(1)确定专利系统所提供的主功能;
(2)研究组成元件对系统的贡献;
(3)分析系统中的有用及有害关系;
(4)确定冲突、不足作用、过剩作用 及有害作用;
(5)分析问题功能元,对其进行改善,可运用上节基于专利规避原则的规避路径进行设计。
在对问题功能元进行改善时按照以下顺序, 若方案可行 则形成新 方案,不可行则 选择下一 路径:
(1)先删除问题功能组件,即采用路径A;
(2)删除功能构件,其功能由受作用元件自己实现,即采用路径B1;
(3)删除功能构件,其功能由系统内其他元件实现,即依次尝试采用路径B2、E2、F;
(4)删除功能构件,其功能由超系统实现,即依次尝试采用路径G、H、C、D1、D2、E1。
3应用功能裁剪路径的专利规避流程
应用功能裁剪路径进行专利规避设计,重点在于对专利功能模型中的问题功能元选择不同的专利裁剪路径,进行剪裁操作,形成裁剪变体,运用TRIZ理论中的 冲突矩阵 (40条发明创 造原理、39个技术特征)、物质-场分析等内容作为创新工具[16],对裁剪变体进行创新设计,从而获得最优解的新产品设计模型。这种专利规避设计模式具有直观、形象、科学的特点。如图6所示,其设计流程大致可以分为4个阶段:
阶段一,确定规避对象。目的是选取原型专利,作为分析对象,并基于功能模型建立专利权利范围图。
阶段二,确定规避路径,发现问题。选取将功能裁剪与专利规避原则相结合的规避路径,转换并发现新问题。
阶段三,解决规避问题。根据不同的规避路径所得出的问题,选取不同的TRIZ方法解决问题,最后转成具体的技术方案。
阶段四,方案的侵权判定。用专利侵权法律原则以及专利侵权判断流程验证设计方案的可 行性。
3.1确定规避对象
根据产品开发的目的,确定专利检索主体及专利数据库,对选定专利数据库进行检索操作,比较常用的是运用关键词或者IPC分类表构筑布尔逻辑检索式进行检索,并依据检索结果进行筛选,选出符合设计意图的专利,确定进行规避操作的专利原形,并在充分挖掘原有专利权利要求信息的基础 上,对规避对 象建立专 利权利信 息提取图。
3.2选择专利规避路径,确定规避主体
基于专利权利信息提取图建立功能结构图, 形成功能裁剪模型。通过分析模型,确定功能模型中存在的有害功能、过剩功能和不足功能等问题功能元,基于裁剪优先权确定用于功能裁剪的功能组件,然后选取具体的专利规避路径进行裁剪操作,形成功能裁剪变体。判定裁剪变体所对应的新功能模型,若其符合设计要求,则直接转化为产品概念;反之可将转化的新问题作为技术创新设计的突破口,进行下一步规避设计。
3.3解决规避问题
通过上面的步骤实现了对现有专利技术的功能重组,找出专利规避的技术方向,同时将其转化为TRIZ中的标准问题,应用TRIZ作为解决问题和创新设计的有效工具,利用冲突分析或物质 -场分析,通过冲突解决原理和标准解,并结合该技术的具体领域进行技术设计确定领域解[17],如图7所示。
3.4方案的侵权判定
对创新解进行侵权判定,确认专利规避设计是否成功。法律侵权判断原则优先适用全面覆盖原则,即技术方案涵盖了原专利权利要求所记载的全部技术特征即为侵权;如未涵盖全部技术特征,则适用等同原则,判断两者的区别技术特征是否在特征、功能和效果三方面实质相等同。若特征实质等同,则适用禁止反悔原则和捐献原则,判断是否该等同技术特征已经贡献给社会公众,成为现有技术。具体的侵权判断流程如图8所示。
4案例分析
各种机械管道在我们生活中随处可见,但是随着管道使用时间增长或使用过程受到流体中所含杂质的腐蚀作用,可能导致管道状况恶化,为了确保安全,管道检测显得尤为重要。为适应管道复杂的环境条件,管道机器人的研究为检测工作提供了新的技术手段[18,19]。
4.1确定规避对象
以“管道机器人”和“内径测量”为关键词,在SooPAT专利数据库中进行专利检索,截止2014年11月20日,检索出国内有权专利5项。通过对其摘要进行逐一阅读并分析,筛选出北京石油化工学院CN201320586988的专利 (基于位移 传感器的管道内径测量装置)作为规避目标专利。
在专利CN201320586988中,此装置 (图9, 图10)主要由主动 行走机构 (1)、辅助行走 机构 (2)、传感器机构(3)、灯光视觉机构(4)、传动机构 (5)以及电气控制柜组成,其特征在于:主动行走机构(1)和辅助行走机构(2)设置行走轮对机器人中心进行定位,传动机构控制主动行走机构(1)及辅助行走机构(2)设置的支撑臂同步打开和收缩, 激光位移传感器(19)测量管道内壁径向相对位移、里程轮(33)记录行走里程、压力传感器测量管壁与行走轮间压力,灯光视觉机构(4)观察管道内部环境。分析专利权利信息,建立原专利主要权利信息的抽取图,如图11所示。
4.2选择规避路径
基于原专利权利信息建立系统功能模型,我们可以建立如图12所示的功能结构模型。分析模型,系统的辅助行走功能存在有害作用,该装置的辅助行走机构主要作用为完成支撑臂同步打开和收缩,辅助行走 机构 (2)由调整板 (18)、碟簧 (33)、里程轮(34)、行走轮轴座(16)、压力传感器 (32)组成。选取功能单元辅助行走机构进行裁剪,辅助行走机构的原理如图13所示。
对其进行功能分析后发现,由于传感器对功能的实现有延迟,且作用精度无法保证,故而对其进行裁剪,删减执行元件调整板、碟簧、行走轮轴座压力传感器。删减后辅助行走功能无法实现,分析问题后选用D2规避路径,引入新执行元件作用, 重新实现相应功能。在对新执行元件进行设计时,需解决以下两种冲突:
其一,设计中遇到的技术冲突。为提高管径的适用范围,须增大轮腿的长度,结果是滑块(弹簧)的行程变大,导致驱动不足或打滑,原专利中运用传感器反馈解决冲突,但精度及反应速度无法保证。
其二,设计中遇到的物理冲突。为保证直道时机器人与管道同轴移动,驱动轮转速须相同,但是,为使机器人被动通过弯道,驱动轮转速又须不同。
4.3基于TRIZ的规避设计
为解决设计中遇到的技术冲突,首先从39个标准工程参数(NO.1~NO.39)中选择确定技术冲突的一对特征参数,它们分别是:
(1)质量提高的参数,即物体产生的有害因素 (NO.31);
(2)带来负面影响的参数,即运动物体的长度 (NO.3)。
由冲突矩阵的第31行及第29列确定可用发明原理:动态化 (NO.15);未达到或超过的作用 (NO.16);维数变化 (NO.17);变有害为 有益 (NO.22)。
下面选取NO.15及NO.17两条原理进行设计。
动态化即可增加一个调节电机,把弹簧右端的固定支撑变成可控的移动支撑,在每一个阶段自动调整右端支撑的位置来保证弹簧力,以解决驱动不足或打滑的现象。但是,该方法并没有改变弹簧在轴向的变化量(为了保证弯道的可控性, 机器人的轴向尺寸不能太大),而且又增加了一个驱动使系统变得复杂,故非最优方案。
维数变化(多层排列代替单层排列)即可把弹簧直接对轮腿径向变化尺寸的调节改为弹簧先对角度的调节再通过角度的变化转化为径向尺寸的变化。
综合分析两种方法,为节约成本,简化操作, 本文最终确定的方案原理如图14所示。
为解决设计中遇到的物理冲突,选取时间分离原理,即将冲突双方在不同时间段分离:直道时驱动轮转速相同;弯道时,驱动轮转速不同。基于此方法利用棘轮机构将其在时间上进行分离,从而解决了该冲突。形成方案为:当机器人在直管道中行走时,由电机同时控制三个驱动轮使其转速相同,保证机器人能够与管道同轴移动;当需要通过弯道时,由于驱动轮转速不同,故使该控制电机停止工作,利用棘轮特性同时在另一个电机的推(拉)动作用下,保证该机体顺利通过弯道。具体结构如图15所示。
运用TRIZ解决了上述冲突,主要规避过程如图16所示,本设计弥补裁剪后的影响,形成创造性比较高的新方案,且此方案结构简单,功能作用精度较高,有较好的实际应用价值。
基于TRIZ对裁剪变体进行规避设计,使得原专利中因压力传感器侦测和反馈带来的响应时间延迟及精度问题得到充分弥补,并且由于辅助行走机构由主动反馈方式改为被动响应,减少了响应时间,使得行走动作更为连续有效,而核心行走方式的转变使得裁剪后方案明显有 别于原方案,在原专利的基础上形成了具有自主知识产权的基于被动自适应的管道检测机器人,创新方案的功能结构模型如图17所示。
4.4方案的侵权判定
将该方案新的功能结构与已有专利功能结构图对比,新方案对原专利核心技术辅助行走机构反馈机制进行了重新设计,裁剪了原专利存在的问题作用,形成了新的设计方案,依据专利侵权判断流程图进行判定,已成功规避了原专利的保护范围,形成可申请新专利的创新成果。
5结语
童装裁剪视频教程 篇4
童装裁剪视频教程名称：童装裁剪视频教程分类：服装裁剪主讲：
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裁剪
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童装面料和款式要求比成人更严格：面料和辅料越来越强调天然、环保，针对儿童皮肤和身体特点，多采用纯棉、涤棉、天然彩棉、毛、皮毛一体等无害面料;款式上则追求时尚，亮片、刺绣、喇叭型裤腿、荷叶边等流行元素在童装设计上均有所体现。成人化体现在纯色、深色服装有所增多，款式追随成人服装的流行趋势，或时尚成熟或简洁大方，体现“贵族式休闲”。另外，很多服装是成人衣服的缩版，如果放大到成人尺寸，二三十岁的青年人完全可以穿着。高档化主要体现在名牌童装占据市场大量份额，知名品牌在各个城市随处可见，消费者在选购童装时也越来越注重名牌。
服装裁剪生产能力研究 篇5
我国三十多年的市场经济改革, 带来了经济的高速增长。服装行业也在稳定快速地发展。同时也面临着生产成本上升, 人工成本上升, 消费能力下降, 利润空间被压缩和订单外流的困难。在我国服装行业日趋成熟的今天, 必须一边发展国内的自有品牌, 打入国际市场, 一边贸易加工, 获取微薄利润的同时发展新技术, 争取早日由劳动力成本优势转向技术优势。
服装生产行业的核心竞争力是控制成本, 想要有效地控制成本就必须提高服装生产各个环节的效率。在服装生产过程中, 裁剪工程的效率还决定着用料的消耗, 影响企业的经济效益。因此, 如何提高裁剪工程的生产效率对整个服装生产环节具有至关重要的作用。
1 研究现状
在以往的研究中, 很多学者从不同方面对服装裁剪生产能力做了大量的研究, 开发出了很多能够提高服装裁剪生产能力的系统, 并得出了很多结论, 具有良好的参考作用。
针对裁剪面料, 东华大学的张椰子等人分析了针织服装的脱散性、卷边性、易钩丝、起毛起球和工艺回缩性等缺点, 探索了将其不良性能合理利用并转化成优良特性的途径, 并结合现代针织服装合适的工艺流程, 介绍了适合针织面料的裁剪手段。得出在裁剪针织物时应注意不能拉伸, 采用松弛状态裁剪, 或更多地采用在针织机上织成成型衣片后再进行缝制, 尽量减少裁剪, 并且由于其脱散性, 已裁剪好的衣片不宜过于频繁地搬移等结论[1]。
在裁剪方法上, 江南大学的薛迎春等人的研究是基于服装CAD的全自动智能裁剪床, 认为优化排样是服装CAD系统中的核心部分, 一个好的排样方案可以节省原料, 降低成本。他们阐述了进化算法———遗传算法、粒子群算法 (PSO) 以及具有量子行为粒子群算法 (QP-SO) 的基本思想, 设计了基十进化算法的求矩形包络的方法, 仿真实验结果表明用量子行为粒子群算法在求不规则零件的矩形包络上, 具有较好的效果, 提高了服装的生产能力[2]。
在裁剪设备上, 浙江理工大学现代纺织装备技术教育部工程研究中心的史伟民、汪嵩杰和顾叶琴研究了一种基于运动控制卡的服装裁剪机运动控制系统。该系统针对多层服装裁剪机裁剪的特点, 提出了直接转向切割和抬刀转向切割相结合的切割方式。介绍了整个运动系统的结构功能, 阐述了转向切割运动的理论算法, 并给出了转向切割的实现代码和整个运动系统的控制流程。样机试验结果表明, 该运动控制系统达到了设计精度和速度要求[3]。
在裁剪路径上, 天津工业大学的张鸿志, 际华三五零二职业装有限公司的张凤林、仇满亮进行了服装裁剪路径优化与仿真系统的开发研究。他们为提高服装自动裁剪系统的裁剪效率、减少错误而进行了开发。分析了当前服装自动裁剪系统使用中存在的问题, 设计了样片的数据结构、针对样片的排序问题设计了优化算法, 并说明了对称片起刀点的设置方法。系统经试用, 达到了减少空行程、提高裁剪效率、降低成本的目的[4]。
2 服装裁剪工程
2.1 服装裁剪工程概述
服装裁剪工程是发展投入生产的第一个环节。其任务就是把整匹服装材料按要求切割成不同形状的裁片, 供缝制工程缝制成衣。
在服装生产过程中, 服装裁片质量直接影响到服装产品的质量。如果裁剪质量不高, 不能使衣片准确地裁成样板形状, 就会给缝制加工造成很多困难, 甚至达不到设计要求。情节严重时会影响整批服装。另外, 裁剪工程还决定着用料的消耗, 如果裁剪方案设计不当, 就会提高产品的成本, 影响企业的经济效益[5]。因此, 裁剪工程是服装生产过程中的关键, 要有合理的时间安排, 才能提高生产效率。
2.2 服装裁剪工程的主要内容
服装企业裁剪部门的工序和专业化程度因裁剪产品的数量而异, 但主要工序是基本相同的, 分为以下几个内容。
2.2.1 制作和复制排料图
排料的主要目的在于节省用料, 绘制排料图就是将排好的纸样勾画在纸张上的操作。然后将画好的排料图放在铺好的面料上, 以完成裁剪。每一次裁剪需要一张排料图, 同一服装材料要分床裁时, 需要复制排料图, 以满足多次裁剪对同一排料图的需求。
2.2.2 铺料
根据裁剪分配方案所规定的铺料长度和铺料层数, 将面料一层层铺放在裁床上, 称为铺料。铺料方式有单面单向、单面双向和双面双向三种。
铺料应该要做到:铺料长度和铺料层数要正确;铺料要求面料的两端布头垂直;布边对齐, 铺料方式按工艺要求执行;布边平整, 尽量做到无张力铺料;考虑到各层面料不对齐的误差, 铺料长度和宽度留出裁剪余量是必要的;注意疵点面料的剔除;注意对格, 对条的工艺;铺料厚度不能超过裁剪设备最大裁剪高度;铺料结束后要及时填写铺料明细表。
2.2.3 裁剪
根据排板上纸样形状, 用裁剪机沿纸样形状把整床面料裁剪成生产所需要的裁片。服装裁剪的方法有很多种, 按机械化程度分有全自动裁剪、半自动裁剪和手工裁剪, 按维度分可分为平面裁剪和立体裁剪, 此外还有基于此的一些裁剪手段。对于不同的面料, 不同需求类型的服装所采用的方法不同, 在成衣工业化生产中, 一般使用电动裁剪刀进行裁剪。
裁剪基本要求:掌握正确的开裁顺序, 先横断后直断, 先外口后里口, 先零小料后整大料, 逐段开刀逐段取料;掌握正确的拐角方法, 凡衣片拐角处, 应以角的两边不同进刀裁剪;左手压扶材料, 用力均匀柔和, 不可倾斜, 右手推刀轻松自如, 快慢有序;保持裁刀垂直, 以免各衣层产生误差;保持裁刀锋利以保证裁片边缘光洁顺直;打刀口定位时剪口不得超过3mm, 且清晰持久;钻孔的位置要准, 孔要小而直, 不准错位;裁剪时要注意裁刀温度不宜过高。
2.2.4 打号验片
不同布匹之间会有色差, 为了保证同件服装的裁片来自同一层布, 同一件服装各部分的裁片必须从同一层面料裁出。这就需要在不同布匹上打号, 以避免色差。打号的过程中必须检查有没有漏裁, 裁错的情况出现, 如果有, 就要用同一匹布进行补裁。
2.2.5 分类捆扎
为了保证服装加工质量, 避免混乱和搭配出错, 便于按一定工序进行操作和搬运, 有必要将裁片进行分类捆扎, 一般是将要进行缝合的部件进行捆扎, 每一扎裁片数量的多少, 要根据工厂的规定或产品系类而定。
裁片分类要求:同件服装的各部分裁片必须来自同一布层;每一扎裁片只可以有一个尺码;每一扎裁片的数量要与工票所对应。
分类捆扎步骤:将一叠叠的裁片按序排列在裁床上, 并将裁片分成数量适中的一扎扎;每一扎裁片中的每一裁片按顺序进行编号;将工票 (印有颜色, 款式编号, 尺码, 数量和床次详细资料) 附于每扎裁片上;分类后的裁片用绳线或布条捆扎, 以便搬运。
通过上述工序处理对裁片进行检查合格后, 才能将符合要求的裁片交付给缝纫车间进行缝制加工。
3 作业时间的测定
作业时间的测定是在标准作业状态下, 确定作业活动所需时间。即实测一名训练有素的操作者, 在标准状态下, 以正常速度完成某一指定工作所需要的时间。
测作业工时需要的条件有如下几个方面。
操作者。作业人员都是经过良好训练的熟练操作工。
正常速度。指平均速度, 正常速度是指操作者没有过度疲劳, 容易持续下去, 但需努力才能达到。
标准状态。指标准作业方法、标准作业环境、标准设备、标准程序、标准动作和机器的标准转速等。
标准作业时间是指从事某项特定作业的熟练操作者在正常的作业环境下, 用规定的作业方法和设备, 在持续工作而不感到疲劳的状况下, 完成规定的作业数量和质量所需要的时间。简言之, 就是在一定条件下, 完成一定质量和数量的工作所必须的时间。
测标准时间需要的条件是:
作业人员都是经过良好训练的熟练操作工;
必须是正常速度;
所有物品都是良品。
在以上条件下, 用秒表测出从第一道工序到最后一道工序所需要的时间, 反复测量取平均值。
标准作业时间由直接作业时间、作业宽裕时间和作业损失时间构成。标准时间=直接作业时间+宽裕时间。直接作业时间=观测时间×评定系数, 对裁剪工程来说, 直接作业时间就是从准备工作开始到将裁好的裁片分类包扎的全部作业时间。宽裕时间表示因各种原因发生延迟的补偿时间。宽裕时间中惯常宽限, 个人需要宽限 (男性为5%, 女性为7%) 即上洗手间或饮水等需要时间, 基本疲倦宽限 (男女同为4%) , 还有附加变数, 如更换布匹, 裁剪机出现故障等所需时间。影响宽裕时间的因素主要有:作业内容;操作工人所担任的工序数目;产品的规格;操作工人的技能水平;批量的大小。
影响宽裕时间的因素有很多, 因此, 制定标准比较困难。所以一般情况下, 用所测得的平均值除以85%即得到标准工时。
4 结语
服装裁剪工程是服装正式投入生产的第一环节, 对服装的缝制以及后加工过程有很大的影响。因此, 必需进行服装裁剪环节生产能力的研究, 以确保服装裁剪的时间, 从而确保服装裁剪的质量。服装行业必须提高服装生产各个环节的效率, 加强服装生产能力研究, 这对服装企业安排生产计划、提高生产效率和节约生产成本都有非常重要的现实意义。
摘要：对目前关于服装裁剪生产能力的研究进行了简述, 并分析了服装裁剪工程的主要内容和作业时间测定的方法。该方法可用于服装企业研究服装的裁剪作业时间, 合理安排生产计划。
关键词：裁剪工程,生产能力,作业时间
参考文献
[1]丁希凡.针织面料性能对服装款式和装饰工艺设计的影响[J].江苏纺织, 2003, (11) :59-60.
[2]薛迎春.基于服装CAD的全自动智能裁剪床的研究[D].江南大学, 2007.
[3]史伟民, 汪嵩杰, 顾叶琴.多层服装裁剪机运动控制系统研究[J].机床与液压, 2009, 37 (8) :331-334.
[4]张鸿志, 张凤林, 仇满亮.服装裁剪路径优化与仿真系统的开发研究[J].Value Engineering.2010, (5) :117-118.
[5]张文斌.成衣工艺学 (第三版) [M].北京:中国纺织出版社, 2008.
NURBS裁剪曲面绘制方法 篇6
由于非均匀有理B样条(non-uniform rational B-Spline,NURBS)曲面能够表示几乎所有的曲面,特别是它能精确地表示二次曲线和曲面,越来越多的CAD/CAM系统、虚拟现实系统都以NURBS曲面为其标准表示形式。但由于目前计算机显卡还不直接支持NURBS曲面的绘制,所以需要在CPU里将NURBS曲面转换成一些GPU支持的多边形,通常NURBS曲面转换为四边形或三角形(镶嵌)。为了能逼真的反映NURBS曲面的原貌,这些四边形或三角形都会要求比较小,因此会产生大量的四边形或三角形及其相关的数据。而且由于NURBS曲面表达式复杂(见公式1,2),计算量会比较大,因此会耗费CPU许多时间,很难应用到实时场景。随着可编程显卡的发展,含有几十个至几百个流处理器的显卡越来越普及,它们具有非常好的并行计算能力,所以将许多以前由CPU实现的工作交由GPU处理变成了可能。郭建华,鞠鲁粤利用Open GL提供的方法,把裁剪面看成是被裁剪曲面参数域的一个子域[1]。方顾,李际军等人首先在NURBS曲面的参数域中定义曲面的裁剪曲线,然后自上而下地分析曲面参数域中的每一条U(或V)向线段,通过这些线段与裁剪曲线的相交关系来判定曲面的裁剪域,从而实现NURBS曲面的裁剪[2]。Dongsoo Han利用GPU中几何着器实现NURBS曲面的镶嵌和绘制,但在他的报告中只涉及到了基本曲面的绘制[3]。Michael Guthe等人把NURBS曲面先用一系列Bézier面片逼近,但这些Bézier面片的次数有差异,需要将这些Bézier面片都用双三次Bézier曲面逼近,再由GPU的顶点着色器递归细分到合适的精度,然后由像素点着色器根据纹理实现裁剪[4,5],他们这种由不同次数的Bézier面片用固定次数的Bézier曲面逼近的方法,当次数相差比较大时,逼近带来的误差也会比较大。该文采用一种新的方法,根据NURBS曲面在u和v参数域方向上的偏导数把曲面划分成一些小的区域,然后把这些区域用双三次Bézier曲面逼近,再将这些双三次Bézier曲面传送到GPU,由GPU几何着色器并行完成面片镶嵌,像素着色器实现裁剪纹理,生成被裁剪后的NURBS曲面。
2 由CPU和GPU协调工作的NURBS裁剪曲面绘制过程
2.1 算法概述
本NURBS裁剪曲面绘制由GPU执行2遍完成。第1遍由裁剪曲线生成裁剪纹理,第2遍把要被裁剪的NURBS曲面依据纹理绘制出裁剪后的三角形网络,如图1所示。首先,从CPU将封闭的裁剪曲线参数传递给GPU,在能保证足够精度的情况下由几何着色器把裁剪曲面取样生成一些三角形;然后由像素着色器将这些三角形生成一个适当大小的纹理。CPU把NURBS曲面按参数的偏导数划分为一些四边形面片(详见2.2),接着再用双三次Bézier曲面逼近这些四边形面片,然后CPU将逼近后双三次Bézier曲面参数值传递给GPU。几何着色器将面片根据细节层次值进行细分镶嵌,组合出一些逼近Bézier面片的三角形图元,并将这些三角形图元传递给像素着色器。最后在执行裁剪时,像素着色器根据相应纹理的值绘制,如果纹理值为1就显示该像素点,如果为0则不显示该像素点(见2.4)。
2.2 NURBS曲面的动态面片化
NURBS曲面的有理分式表示如公式(1):
式中,Qi,j为控制顶点,形成NURBS曲面的控制网格。wi,j为权与因子,分别与控制顶点Qi,j对应。基函数Bi,m(u)和Bj,n(v)是B样条基函数,分别由节点矢量U=(u0,u1,…,um+p+1)和V=(v0,v1,…,vn+q+1)按公式2递推定义。
根据NURBS曲面的弯曲程度把NURBS曲面变换成一些四边形。通过求曲线关于u,v参量的导数,就可以求得出
令(1)式右端分子为N,分母为D,则s关于u的一阶导数为:
s关于v的一阶导数同理可以求出。
2.2.1 面片化方法
如图2所示NURBS曲面的一个子四边形区域(边界线为u1,u2,v1,v2)。求su(u1,v1)和su(u2,v1)的值,它们分别代表曲面在参数(u1,v1)和(u2,v1)处u方向的偏导数,可以求出这两个偏导数矢量之间的夹角,可以这样认为,这个角度越小,曲面就越光滑,如图3所示。再求su(u1,v2)和su(u2,v2)的值,代表参数(u1,v2)和(u2,v2)处u方向的偏导数,再求出这两偏导数矢量的夹角。同样可以求出sv(u1,v1)和sv(u1,v2),sv(u2,v1)和sv(u2,v2)以及这两对矢量之间的夹角。如果这四个夹角中有一个大于某个设定的值(此值越小后面绘制出来结果越准确,但计算量会增大),就在u和v的中点把此四边形分为四个四边形。再把这四个新得到的小四边形按前面的方法做同样的处理,直到所有四边形顶点偏导数矢量之间的夹角都小于规定的值为止。为了避免曲面中间有尖峰,在求u或v方向的偏导数夹角时不仅仅求端点的偏导数,同也在端点之间另求几个点的值,如果任意两个点的偏导数之间的夹角大于设定的值都要把四边形细分。
2.2.2 面片的存储结构
因为实行的是一分四,所以采用四叉树来存储面片集合。图3所示的曲面面片化后的层次如图3所示。用方格表示的是还要继续分割的面,这个面被分为四个更小的子面。用圆圈表示的是已经不需要再进一步分割的面片,在每个面片中在记录的内容依次是s(u1,v1),s(u2,v1),s(u1,v2),s(u2,v2),su(u1,v1),su(u2,v1),su(u1,v2),su(u2,v2),sv(u1,v1),sv(u2,v1),sv(u1,v2),sv(u2,v2),s(u1+(u2-u1)3,v1+(v2-v1)/3),s(u1+(u2-u1)/3,v1+2(v2-v1)/3),s(u1+2(u2-u1)/3,v1+(v2-v1)/3),s(u1+2(u2-u1)/3,v1+2(v2-v1)/3)。这些值用来把四边形面片用双三次Bézier曲面逼近时使用,详情参考2.3。
2.3 面片双三次Bézier曲面逼近
双三次Bézier曲面参数方程为:
其中:[U]=[u3 u2 u 1][W]=[v 3 v2 v 1]T
所以曲面关于u和v的偏导数分别用公式(10)(11)求出。
为了找到图3所示每个四边形面片的双三次的Bézier逼近曲面,由前面的内容可知,我们每个四边形面片保存的信息包括4个顶点,4个顶点在u,v方向的偏导数共8个值,另外还保存了四边形中间的4个偏导数,合计在每个四边形面片共有16个数值可供使用。通过4个顶点可求出P0,0,P0,3,P3,0,P3,34个顶点,保证逼近曲面的C1连续性可以用u方向的偏导列出4个方程,v方向的偏导也可以列出4个方程。另外保存的4个中间曲面上的值也可以列出4个方程,共12个线性方程求出面中另外12个顶点的值。
2.4 裁剪纹理
裁剪曲线的数据从CPU传送到GPU后,根据显示窗口的大小生成一个全部数据都为1的纹理,然后把属于裁剪区内的位置的数据改写为0.每一个裁剪都将根据曲线生成一些三角形片,所有三角形内的纹理数据都改写为0,当所有三角形都处理完后裁剪区域的纹理都变为0了,在第2遍绘制图形时,每个像素点根据纹理的值进行处理,如果为1就显示出来,为0就不显示。裁剪纹理如图3所示,灰色部分为1,白色区域为0。
3 实验结果
实验软硬件环境:显卡:NVidia GeForce 8800GT,内存:2G,操作系统:Windows XP,开发工具:Visual Studio 2005 Professional,编程语言:C/C++,Cg 2.0(beta),主要编程库:Win32 API,OpenGL/GLU。如图4所示,(a)是没有被裁剪的NURBS曲面(b)是被一条NURBS曲线裁剪后的曲面(c)是被两条NURBS曲线裁剪后的曲面。
4 结束语
该文提供了一种采用CPU和GPU协同绘制NURBS裁剪曲面的方法,CPU根据NURBS曲面的光滑程度动态地划分成一些四边形区域,并把这些四边形的区域用满足C1连续性的Bézier曲面逼近,然后利用几何着色器可以批量处理几何图形的特性及强大的并行计算能力绘制这些Bézier曲面。这种方法可以广泛应用于CAD/CAM、虚拟现实、游戏等领域。这种绘制方法具备以下四个方面的优点:⑴动态面片化算法可以减少CPU的计算量,提高逼近的精度;⑵从CPU传送到GPU的数据大幅度降低,数据总线带宽不会再是系统瓶颈,便于获得高质量的曲线和曲面的显示效果;⑶由于显卡具有许多流处理器,曲面镶嵌和绘制可以进行并行处理;⑷细节层次是由GPU实现,不再影响CPU的负载。不过,几何着色器也存在以下局限性:⑴输出的图元数目受到限制,所以目前还是需要CPU实现小部分几何计算的功能,需要CPU将复杂的曲面进行粗分为一些曲面后再传送到GPU;⑵几何着色器代码长度及循环迭代受限,在超出限制时要想办法精炼代码。
摘要：根据NURBS曲面在u,v参数域的偏导数动态地把NURBS曲面细分成一些四边形区域,然后用双三次Bézier曲面实现这些四边形的C1连续的逼近。完成裁剪曲面绘制这个过程需要由GPU(Graphic Processing Unit)执行两遍。第一遍先由几何着色器实现裁剪曲面的三角化,再由像素着色器生成裁剪纹理。在此基础上执行第二遍,由几何着色器实现双三次Bézier面片的镶嵌,然后由像素着色器根据裁剪纹理绘制出裁剪后的NURBS曲面。采用GPU实现NURBS裁剪曲面的绘制,把大部分的计算从CPU迁移到了GPU。
关键词：动态细分,几何着色器,像素着色器,NRUBS裁剪曲面,GPU
参考文献
[1]郭建华,鞠鲁粤.用Open GL和MFC实现NURBS曲面的绘制及裁剪[J].上海大学学报:自然科学版,2004,10(4):367-370.
[2]方顾,李际军.用于非均匀有理B样条曲面裁剪的扫描线算法[J].计算机集成制造系统,2007,13(10):2060-2063.
[3]Han Dongsoo.Tessellating and Rendering Bezier/B-Spline/NURBS Curves and Surfaces using Geometry Shader in GPU[EB/OL].http://www.seas.upenn.edu/～cis665/projects/CIS%20665%20GPU%20Project%20Final%20Report%20-%20Dongsoo%20Han.pdf
[4]Michael Guthe,ákos Balázs,Reinhard Klein.GPU-based Trimming and Tessellation of NURBS and T-Spline Surfaces[J].ACM Transac tions on Graphics,2005.24(3):1016-1023.
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中职服装立体裁剪课程教学的探究 篇7
服装设计在欧美、日本等发达国家很早就已经开始发展了,因此,他们对这方面人才的培养方面起步也比较早,很早就将培养既具有较高艺术鉴赏能力和时尚敏感度,又有娴熟的立体裁剪工艺技能作为服装设计人才培养的目标,因此,其立体裁剪课程在院校内的发展有一定的历史积累。并且发达国家具有先进的设备、一流的技术、充足的材料,这也为其发展打下了坚实的物质基础。反观我国,我国的服装设计学起步比较晚,立体裁剪课程的使用也比较晚,虽然近年来通过不断努力取得了一定的发展,但是还是相对比较落后。立体裁剪课程在许多中职院校的服装设计专业都有设置,其作为各纺织院校服装设计专业的专业必修课程,教师在教学方法和教学模式上还存在着一些问题。立体裁剪只是教给学生裁剪的技巧,并没有从根本上解决服装设计的创新原理和方法,我国的立体裁剪教学都是使用传统的教学模式,但是,随着社会经济的发展,其已经不能适应现代人对服装的要求了,传统的教学模式也阻碍了新式教学模式的发展。
二、立体裁剪课程的教学目标研究
要将传统立体裁剪课程教育模式的弊端彻底的消除,就必须在课程的建设目标与人才发展目标相结合的基础上,制定出新的科学合理的教学目标,全方位、多角度地对课程进行改革和建设。
(一)注重与其他相关专业课程的融合
将形态认知、形态理解、形态构成、形态创意等其他设计类专业的基础课程与服装设计专业课程进行科学合理的融合,使其课程体系更加完整,更有利于学生的全面发展。
(二)教学与实践相结合
打破常规的课堂教学模式,带领学生走进实验室,通过自己动手实践,更好地理解、认识、学习知识。
(三)培养学生自主创新能力、促使学生发散思维的形成
激发学生的学习兴趣,引导学生自主学习,最大限度地将学生的潜能激发出来,改变封闭式的教学氛围,让学生变被动为主动,在开放式的课堂氛围中,充分发挥自己的创造力。
(四)重视教学方法中的能力培养
改变传统的、单一得教学模式,将互动式教学、工作室自主创新设计教学、引进企业合作项目教学等方式引入教学中,增加课堂活力。
三、立体裁剪课程教学内容研究
(一)课程内容体系结构
在教学过程中进行课程内容体系结构安排的时候,一定要按照企业工作的具体安排,将企业立体裁剪工作任务转化为四大目标,并且将其作为课程教学的主要内容,不断地随着企业的发展及时做出调整,使教学内容随时为学生进入岗位作准备。
(二)教学内容组织与安排方式
立体裁剪课程的教学内容主要包括观察制作立体裁剪的思考方式、服装设计的轮廓、立体裁剪的基本方法等几个方面,教师在教学的时候一定要合理地将这几方面的内容进行安排,使其符合学生对知识的认知过程,使学生在学习的过程中不但学会应该具备的基础知识,还能够增强学生的时尚感、敏锐力,提升学生的结构设计应变能力。
(三)教学方法与教学手段
1. 案例分析法。
教师在讲课的过程中可以将一些国际大师设计的优秀作品、企业设计的好产品引入其中,让学生分析其设计的优缺点,学习其优秀的地方,开阔学生的视野,在潜移默化中提升学生的立体裁剪能力。例如,在讲解课程的时候,教师可带领学生进行时装周的观摩,通过观看时装周中比较优秀的作品,与学生进行讨论,它的创新点在哪里,好在哪里,在这个过程中,学生的积极性都比较高,也打开了学生的思维。
2. 示范演示法。
在行动导向的教学过程中,教师可以一边给学生讲解、一边为学生做示范,让学生通过直观的观察,对其有一个更好的认知。
3. 实景教学法。
教师可以利用实践课的时间,带领学生进入企业制作间,通过企业服装设计人员对学生进行细节的讲解,让学生更好地学习解决问题的能力。例如,笔者所在的学校与企业签订合同,老师可以在与企业协商好的情况下,进入企业制作间。笔者就经常带着学生进行观摩,在这个过程中,他们更好地学会了布料的选择和裁剪的手法。
总而言之,在中等职业院校服装设计教学中,服装立体裁剪对于学生服装设计岗位职责能力的培养方面起着至关重要的作用。教师从课程标准的初次制订、试行、修改到最终的确认都必须经过反复的推敲、研究,直至制订出最佳的方案。在教学过程中,老师必须做好教研工作,及时解决教学中出现的问题,从而形成一套符合学校、学生自身特点的课程教学方案,使课堂教学能够高效开展。
参考文献
[1]文峰.立体裁剪中材料的应用研究[J].哈尔滨职业技术学院学报,2012(6).
在整合中预设 于裁剪中择法 篇8
一、整合目标, 突出重点, 全面把握
教学目标的整合就是寻找相邻、相关, 甚至相距很远的目标之间交叉、渗透、融合的点, 从而形成浓缩的教学目标。就课程标准要求而言, 就是对情感态度价值观、能力与方法、知识这三维在教学过程中进行整体优化。教学目标的明确与整合, 是教师用最经济的时间、精力和物力引导学生取得良好学习效果的依据, 是实现课堂教学的有效性的保证。没有明确的教学目标, 不能有效地整合目标, 它仿如南辕北辙, “此数者愈善, 而离楚愈远耳”。那么, 如何进行目标的整合呢?
例如:五年级上册的教学目标之一:“知道我国是有几千年历史的文明古国, 感受中华民族对世界文明的重大贡献, 萌发民族自豪感和自信心。”教师在解读文本的时候, 由浅入深, 既要注意如何将主题中的“文明的曙光”、“伟大的发明”、“杰出的智者”教学目标整合, 又要注意与后面的两个主题“可爱的祖国”与“我们同有一个家”三维目标的整合。就“文明的曙光”侧重扣住“文明”二字, 通过古老的神话引导学生感受中国的历史悠久;“伟大的发明”扣住四大发明:纸、印刷术、指南针、火药, 其“伟大”的实质, 感受中国是文明古国同时, 感受中华民族对世界文明的重大贡献;“杰出的智者”重点对孔子、孙武等历史人物的深入了解, 感悟“智”的表现, 再通过操作实践, 感受自己的家族发展与变化, 从而发自内心为生活在这样的国家自豪。在“可爱的祖国”中, 透过辽阔的疆土、海域及其与邻国的比较, 进一步引发民族的自豪感和自信心。
二、钻研教材, 文本对话, 精心预设
著名作家茹志娟说:“书, 光看是不行的, 看个故事情节等于囫囵吞枣, 应该精读。然而还不够, 进而要‘煮’。‘煮’是何等的烂熟、透彻, 不是一遍两遍可成的。”从茹志娟的话, 我不禁想到了“煮课文”。所谓的“煮课文”就是钻研教材, 深入地与文本对话, 细细品味画面与文字所要表达的思想感情、所要达成的教育目标。就像制作羊肉汤一样, 熬出骨髓感受美味。“煮”好一个主题活动课, 无疑就是和一位有道高人在沟通, 入乎其内, 和其心心相映、息息相关, 同呼吸、共命运, 成为知己。更重要的是在“煮课文”中浅出, 滤去一些不必要的环节, 找到较好的教学突破, 才能对学生循循善诱, 才能吸引学生, 符合学生学习的规律。如何“煮”文本呢?那就是不但要深入教材, 成为文本的知音, 而且要跳出教材, 研究学生, 设计教法, 成为学生的知音。例如:《品德与社会课程标准》指出“知道我国的地理位置﹑领土面积﹑海陆疆域﹑行政区划, 台湾是我国不可分割的一部分, 祖国的领土神圣不可侵犯。”这个目标侧重在主题单元“可爱的祖国”体现。那么如何把握每一教学点, 让学生学会看地图的同时, 达到这个教学目标, 培养学生的民族自豪感?例如, “绕着边境走一圈”, 如何引导学生“走”, 就是教学关键。教师必须深入钻研教材制定出活动过程。因此, 根据教材特点与教学目标, 课前布置“漫游中华”为主题的探索小组, 让学生依据自己的兴趣与爱好, 选择其中一组进行收集资料。1、逆时针方向查找我国的陆上邻国的位置、面积、气候、人口、民族文化、风土人情、语言、宗教、食品、服饰, 等等。2、以顺时针方向查找与我国的隔海相望的国家的位置、面积、气候、人口、民族文化、风土人情、语言、宗教、食品、服饰, 等等。3、可以2—3个人选择一个邻国, 进行分工合作收集资料。这样, 课堂上技能充分运用学生的资源, 学生的动手操作能力相应得到提高。“三维目标”就能在课堂活动中顺利实现。
三、合理裁剪, 择要而教, 一举多得
教学有度就必须做到给自己一把剪刀, 对教学内容进行裁剪取舍。也就是说, 教师在钻研教材时站在学生的角度, 对单元训练主线、文本内容、文本主旨、主旨构成的脉络、突出的重点、表达的方法做到一目了然, 择要而教, 精心预设, 一举多得, 使之驾驭课堂胸有成竹, 处理生成与预设得心应手。例如, 《沿着江河走下来》这一主题单元, 共有9个课时。但黄河是华夏文明的摇篮, 是养育中华民族的母亲河, 她有着灿烂的历史与悠久的文化, 什么都讲, 根本不可能。因此, 我们只能根据教材与课程标准所确立的目标, 选择以下活动引导学生探究:黄河的发源地、流程情况;黄河是中华文明的摇篮;黄河凝聚的民族精神;变“害河”为“利河”;拯救母亲河。从牵一发而动全身的活动对黄河的地域、文化、历史、名人、精神有所了解。
四、运用方法, 引导预习, 力求有效
中国有句古话曰:预则立, 不预则废。如果把这个“预”“活用”到教学环节中的课前预习上, 也能使教学的整个过程和教学效果“立”起来。因此, 《品德与社会》课的引导学生预习, 让学生“立”起来, 就是让那个学生在“知识与能力”方面有一个充分感悟的过程, 从而融合情感、态度、价值观。具体操作就是:以整体预习为辅, 部分预习为主。整体预习, 就是让学生根据自己的知识水平, 对所要学的单元主题内容在看图解读文字、图文结合中对主题单元的内容有一个初步了解, 说说自己知道的、感兴趣的或不理解的。除此之外, 进行部分预习。部分预习是教师针对不同篇目, 提出不同的预习要求, 引导学生采用不同的预习方法, 师生共同寻找预习的作用, 使课前预习成为不成文的“盟约”。教师提出的预习, 根据教学活动的需要, 可以是操作实践的, 可以是思考问题的, 可以是调查报告的, 可以是观察画面的, 可以是查找资料的, 可以是以组合的分工与合作的……
例如, 《可爱的祖国》中的“我们生息的国土”第一课时活动, 根据教材特点及教学目标, 预习的题目就可以读地图为主, 让学生根据自己的兴趣与爱好, 有选择有侧重地读地图及地球仪, 从而了解祖国的位置、国土面积和海域;了解祖国的大陆邻国和隔海相望的国家;行政区划及北京;祖国的地势、地形特点;再查找资料了解全国的人口及资源分布。有了课前的预习, 我们听到的是流畅的、响亮的、充满自信的交流;有了学生的课前研读, 教师收集资料不再有孤军奋战的感觉, 可以看到他们参与到课堂讨论中的兴奋;有了课前的预习, 教师的看法和作者的观点不再“权威”;可以看到更多思考的表情, 听到少闻的质疑的声音。
皮革裁剪头设计及动力学分析 篇9
随着皮革行业的不断发展和机械制品的不断研发, 目前国内多数皮革加工企业已经采用激光切割、电动裁剪等机械设备进行皮革裁剪, 这在一定程度上提高了皮革的利用率, 降低了企业的用工成本[1]。激光切割加工效率较高, 但由于皮革的热缩性等原因, 激光切割也有其不足之处[2]。电动裁剪操作简单, 原料利用率高, 但电机驱动式裁剪在高速切割时, 加速度会产生突变, 高速振动的刀片也会发生弹性变形, 这些都会影响切割精度;另外切割时机构振动噪声也较大, 这就要求在一定的切割精度和较高速度下, 保证机器振动较小, 因而对机构的设计要求较高[3,4]。相对国外较成熟的电动皮革裁剪技术, 国内的电动裁剪技术尚处于起步发展阶段, 且存在系统功能比较单一, 以及振动噪声大、切割精度差等缺陷, 还需不断完善。
为了克服现有的电动皮革裁剪切割头的震动噪声大、切割精度差和切割效率低等不足, 本研究提出一种皮革裁剪头的设计方案, 通过对其进行动力学分析, 找出影响其振动噪声、切割速度、切割精度的因素, 提出相应的改进措施。
1 模型方案设计
本研究所要叙述的是一种刀具裁剪式的电动卧式皮革裁剪头的方案设计。皮革裁剪的过程由刀具的上下运动和机构的水平进给完成, 动力源由直流电机提供, 通过机构的连接和运动的转换将动力传递给刀头。模型的设计方案如图1所示。
模型由座架、传动机构、驱动控制和刀头4部分组成, 其中座架部分由基座1、固定外套2、轴承外套3等组成, 起支撑和保护作用。模型的传动机构由联轴器4、偏心轴5、轴承6、伸缩杆7组成, 水平放置联轴器的一端与偏心轴的中间轴连接, 偏心轴的另一端通过附加轴承与伸缩杆的上端连接, 伸缩杆的中部可上下滑动地套装在固定外套内, 伸缩杆的下端安装刀头8。驱动控制部分由水平方向布置的直流电机9和三坐标控制器 (模型中未显示) 两部分组成:直流电机提供动力源;三坐标控制器与固定外套连接, 其X-Y轴控制刀头平面的运动, 完成图形轨迹的跟踪, Z轴控制刀头的抬起与落下;刀头部分由刀片和固定器组成。
该方案的优点主要表现在:结构紧凑、动力传递平稳、振动噪声小、切割精度高。
2 动力学分析
2.1 运动分析
电机的转动通过偏心轴转成伸缩杆的简谐运动, 偏心轴每转一圈刀头上下往复运动一个周期, 相应的运动关系式如下:
式中:T—振动周期;n—电机转速;A—振幅, mm;e—偏心, mm;d—切割厚度, mm;F—惯性力。
刀头部分的振动方程为:
式中:β—阻尼系数。
由上式可知:阻尼越小, 刀头振幅A越大[5]。此外刀头的振幅A与振动频率f也有关, 越接近固有频率, 振幅就越大, 为此需要注意避免共振情况的出现。
模型的回转系统由偏心轴、伸缩杆和刀片3部分组成, 当电机转速n=5 000时, 刀片的速度分析和加速度分析如图2所示[6]。
由图2可知, 电机转速很高时, 刀片的速度曲线和加速度曲线都出现尖点, 即产生了突变, 这会影响到切割精度。为此若要满足较高的切割精度则必须控制速度的上限;当然也可尝试其他补偿措施, 如可采取在伸缩杆两端安装弹簧, 起到缓冲减振的作用。
由于高速切割时机构振动噪声较大, 而惯性力是系统产生振动和噪声的重要源头, 故需提高动平衡性, 减少惯性力。
2.2 系统产生不平衡的原因分析
偏心轴-伸缩杆-刀头回转系统产生不平衡的原因主要有[7,8]:
(1) 刀头部分。结构的非对称性设计, 加工过程中材质不均, 安装时多个零件组合的累积误差产生径向偏移, 以非垂直角度切入工件时将产生刀片不均匀磨损、主轴偏斜。
(2) 伸缩杆部分。因刚性不足发生弯曲, 结构的非对称性, 两端受力不均。
(3) 偏心轴部分。考虑到上、下运动的位移, 偏心轴的偏心距应控制在一定的范围, 超出范围的偏心距将产生动不平衡。
(4) 零件装配。伸缩杆—刀具径向装夹误差, 伸缩杆-轴端垫圈磨损偏移, 偏心轴与伸缩杆连接不稳定性。
(5) 耦合不平衡。当回转系统的主惯性轴与其重心的轴线交叉时会出现耦合不平衡。
不平衡的存在会导致切割时振动的加剧。振动严重时则会限制切割速度的提高, 降低其生产效率;同时也会影响切割头的切割精度, 从而导致切割面上下尺寸出现偏差。
2.3 降低系统不平衡的措施
(1) 在设计过程中消除不平衡因素。偏心轴的动平衡要求可在设计时充分考虑[9,10]。偏心轴的设计如图3所示。
偏心轴设计时需满足公式:
计算如下:
化简整理可得:
式中:m—A与B的质量之和;r—半径, mm;e—偏心距, mm;m′—C′的质量;r′—C′的中线到轴线的距离r=6.5-X/2;ρ—材料的密度, kg/m3。
在刀头部分的设计中, 通过优化刀柄结构, 减少刀头部分的质量, 可明显减少刀头部分的不平衡量, 提高切割机高速切削时的动平衡性。
(2) 定期维护。高速切削的刀片会因发生弹性变形而加剧磨损, 垫圈、轴承等联接器件长时间运动后也会发生磨损等疲劳破坏, 定期维护、更换零件可避免因磨损而额外增加的惯性力。
2.4 受力分析
裁刀在切割皮料时, 会受到皮料非常复杂的挤压, 由于裁刀外形细长而单薄会发生变形, 研究者需对裁刀进行实时纠偏[11], 从而保证刀面与皮料垂直的状态。
裁刀所受切割力F随切割角γ的增加而增大, 两者间存在如下关系[12]:
式中:P—皮革撕裂强力。
伸缩杆与刀头部分的受力简图如图4所示[13]。其满足公式:
式中:F′—伸缩杆上端受到的力, Fm—伸缩杆产生的惯性力, Fx—切割时刀片受到的横向力, Fy—切割时刀片受到的纵向力, Fn1 (Fn2) —伸缩杆受到上 (下) 端垫圈的支撑力, Ff1 (Ff2) —伸缩杆受到上 (下) 端垫圈的滑动摩擦力。
图4中, 实线箭头表示伸缩杆向下运动时的受力情况, 虚线箭头表示伸缩杆向上运动时的受力情况。
在对伸缩杆进行有限元分析后, 可得到如图5所示的变形图和如图6所示的应力图[14,15]。
伸缩杆作为关键的传动机构, 其受力情况需要进行分析:
由图5可知, 当刀头受到150 N的水平作用力时, 伸缩杆的扰度最大值为18.255 mm, 可见伸缩杆在运动过程中存在一定程度的变形, 且水平受力越大伸缩杆弯曲越严重, 这会增加固定外套的受力, 加剧垫圈磨损, 产生动不平衡, 而非垂直角度的切割也会影响切割精度。
由图6可知, 伸缩杆所受最大应力为约1 200 N/mm2, 最大应力出现在伸缩杆的上端两平面间部分和伸缩杆的中端部分, 因此应根据实际需要尽可能缩短伸缩杆的长度, 且伸缩杆在加工时应避免出现切痕, 以提高其应力。
3 模型存在的问题及改进措施
通过其进行的动力学分析可知, 该模型尚存在的问题及改进措施如下:
(1) 伸缩杆与垫片的摩擦既影响到伸缩杆的运动速度, 又会加剧垫片的磨损, 故需考虑如何选择合适的材料制作垫片, 亦可寻找新的机构来实现这一运动。可采用圆型直线导轨代替伸缩杆与垫片, 这既可达到横向固定的目的, 又可减少纵向的摩擦, 但相对而言造价要高一些。
(2) 偏心轴所受到的力会因所切材料材质的不同而不同, 故需考虑如何满足不同情况下系统的动平衡要求。可采取附加配重的方式, 但需要提前计算出刀头在不同受力情况下, 所需附加配重的多少。
(3) 模型中采用了轴承联接, 高速运转的情况下轴承的润滑是必不可少的。模型设计中未给出轴承的润滑装置, 可在轴端安装密封垫圈和轴向固定装置, 在轴承位置开设油槽, 但应做好防漏油措施。
4 结束语
针对皮革裁剪的问题, 笔者提供了一种模型设计方案, 并对所述方案进行了动力学分析, 通过分析得到了影响其振动噪声、切割速度的因素;针对不平衡问题提出了相应的改进措施, 模拟了伸缩杆受力情况下的变形情况;对模型设计中存在的问题进行了总结, 提出了改进方案。该设计方案的提出, 可改进现有电动皮革裁剪头的部分缺陷, 提高裁剪质量, 提高材料利用率, 改善工人劳动条件, 增加企业收入, 因此具有一定的工程价值和理论指导意义。
但针对有些问题现阶段尚无法提出较好的解决方案, 如对影响切割精度因素的具体分析、对运动轨迹的控制等问题, 这还需以后更深层次的研究。
摘要：皮革裁剪是皮革加工流程中一道关键工序, 在诸多皮革裁剪中, 电动式皮革裁剪以方便、高效等特性提高了皮革裁剪的效率, 但电动式裁剪亦存在噪声大、切割精度低等缺点。针对电动式皮革裁剪存在的振动噪声大、切割精度低等问题, 通过提供一种电动式皮革裁剪头的设计方案, 分析了影响其振动噪声、切割速度、切割精度的因素;对设计模型进行了运动学仿真, 分析了刀头部分的运动状况、产生动不平衡的原因及改进方法;使用ANSYS软件, 对伸缩杆进行了受力分析, 得到了伸缩杆的受力情况。研究结果表明, 电动工皮革裁剪产生的振动噪声与惯性力有关, 而惯性力的产生源于动不平衡性, 此外伸缩杆的受力变形会影响切割精度。