張新娜,王 棟

（中國計量大學(xué),杭州 310018）

基于公理化設(shè)計的在線檢重分選系統(tǒng)設(shè)計

張新娜,王 棟

（中國計量大學(xué),杭州 310018）

基于公理設(shè)計理論對在線檢重與分選系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，探討了功能要求分析、功能分解和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計，并得出了遵循獨立性公理和設(shè)計一致性要求的詳細(xì)設(shè)計方案，提升了設(shè)備研制的可行性。

公理化設(shè)計；設(shè)計矩陣； 檢重分選系統(tǒng)

1 引言

在線檢重分選裝置簡稱為分選秤，是食品加工和制藥企業(yè)提高質(zhì)量管理和控制水平的有效手段。為了在培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)應(yīng)用實踐能力的同時，提高其現(xiàn)代質(zhì)量工程的意識，我校在建設(shè)包裝生產(chǎn)實訓(xùn)系統(tǒng)時，配置了一套盒裝產(chǎn)品在線檢重分選系統(tǒng)。本文討論的是如何應(yīng)用基于公理化設(shè)計理論，簡捷、有序地進(jìn)行系統(tǒng)功能要求分析、方案設(shè)計。

2 方案設(shè)計

公理化設(shè)計理論美國Suh教授提出的系統(tǒng)化設(shè)計理論，其目的是幫助設(shè)計者以清晰、簡單的標(biāo)準(zhǔn)化綜合分析方式獲得比較好的設(shè)計方案。與之相對應(yīng)的主要設(shè)計活動包括功能分解、確定設(shè)計參數(shù)和工藝變量等。

2.1 功能要求分析與結(jié)構(gòu)分解

首先確定檢重分選實訓(xùn)設(shè)備的基本功能要求。檢重分選設(shè)備是處于裝盒機(jī)和中包機(jī)之間的包裝輔助設(shè)備，其主要任務(wù)是按照質(zhì)量要求對盒裝產(chǎn)品的重量進(jìn)行檢測，以保證進(jìn)入后續(xù)包裝環(huán)節(jié)的產(chǎn)品的質(zhì)量合格。設(shè)備工作流程：先把待檢重產(chǎn)品整理到料倉，再按一定間隔依次傳送到在線檢重裝置上進(jìn)行重量檢測，并把產(chǎn)品重量測量值與標(biāo)稱重量進(jìn)行比較，以判定產(chǎn)品重量是否合格；如果藥盒重量不合格則剔除出傳送隊列，如果產(chǎn)品重量合格，則向中包機(jī)繼續(xù)傳送。

公理設(shè)計采用自上而下的分解方法，從產(chǎn)品總體功能要求出發(fā)，以之字型對應(yīng)變換方式，逐級分解細(xì)化，得到系統(tǒng)組成等級結(jié)構(gòu)。按照檢重分選設(shè)備生產(chǎn)功能要求進(jìn)行分解，可得到三個一級功能項：FR1供料、FR2檢重和FR3分選，對應(yīng)的功能裝置有：DP1下盒裝置、DP2在線檢重裝置、DP3分選裝置和DP4帶式輸送機(jī)，以及為實現(xiàn)程序控制和信號檢測、監(jiān)控而配備的測控主機(jī)。對功能和設(shè)計參數(shù)進(jìn)一步細(xì)化分解，就可得到三級層次結(jié)構(gòu)，見圖1。

2.2 參數(shù)關(guān)系分析

功能要求和設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系式FRi=∑Aij×DPj,其中的Aij稱為設(shè)計矩陣。設(shè)計矩陣是公理化設(shè)計用來表示功能要求和設(shè)計參數(shù)關(guān)系的關(guān)鍵工具。設(shè)計矩陣每一行的元素表示該行功能要求和各個設(shè)計參數(shù)的關(guān)系；每一列的元素表示該設(shè)計參數(shù)對各個功能的影響。公理化設(shè)計要求要求設(shè)計人員選擇最恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計參數(shù)集合以滿足各個功能要求之間的獨立性，即功能分解要遵循獨立性公理，具體體現(xiàn)為設(shè)計矩陣是下三角矩陣。分析檢重分選系統(tǒng)的功能要求和設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，可得最終的功能要求和葉設(shè)計參數(shù)關(guān)系表，見表1.

表1 功能要求和葉設(shè)計參數(shù)關(guān)系表

表中FR和DP之間有很強的影響時，用“1”表示；弱影響時“0”表示。表中深色部分表示葉設(shè)計參數(shù)自身所在分解級別的功能要求之間的關(guān)系；白色部分表示頁設(shè)計參數(shù)和其他功能要求之間的關(guān)系。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于在工作流程分析的基礎(chǔ)上定義功能要求，并盡量按照獨立性公理進(jìn)行功能分解，本次設(shè)計獲得準(zhǔn)耦合設(shè)計方案。準(zhǔn)耦合設(shè)計在選擇設(shè)計參數(shù)時，必須考慮設(shè)計矩陣中非對角線元素中“1”的個數(shù)，分析設(shè)計參數(shù)對整體設(shè)計的影響，確定出設(shè)計的先后順序和詳細(xì)的構(gòu)件選型和布局方案，見圖2. 其中的工控機(jī)用于把DP1下盒裝置、DP2檢重裝置和DP3分選裝置連接起來，再通過軟件編制實現(xiàn)程序控制、信號檢測和設(shè)備監(jiān)視。

3 結(jié)語

本文在系統(tǒng)流程分析和功能要求定義的基礎(chǔ)上,運用公理化設(shè)計理論，最終的設(shè)計得到了描述整個產(chǎn)品的組成和結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)過設(shè)計矩陣分析和系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計驗證,基于公理化設(shè)計理論得到的設(shè)計方案滿足獨立性公理和設(shè)計一致性要求,各設(shè)計參數(shù)集合達(dá)到準(zhǔn)耦合標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)功能分解過程子功能及其設(shè)計參數(shù)與其結(jié)構(gòu)樹中上一級的表示內(nèi)容相符合。沿用此設(shè)計方案研制的設(shè)備投入運行，效果良好。在此基礎(chǔ)上改制的兼具典型生產(chǎn)功能和實訓(xùn)教學(xué)功能的新型系統(tǒng)，也成為大學(xué)生技術(shù)創(chuàng)新教育的有效平臺。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.208

浙江省教育廳科研項目（Y200805912）浙江省課堂教學(xué)改革項目（kg2015164）