張新娜,王 棟

（中國(guó)計(jì)量大學(xué),杭州 310018）

基于公理化設(shè)計(jì)的在線檢重分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張新娜,王 棟

（中國(guó)計(jì)量大學(xué),杭州 310018）

基于公理設(shè)計(jì)理論對(duì)在線檢重與分選系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(jì)，并得出了遵循獨(dú)立性公理和設(shè)計(jì)一致性要求的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，提升了設(shè)備研制的可行性。

公理化設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)矩陣； 檢重分選系統(tǒng)

1 引言

在線檢重分選裝置簡(jiǎn)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(shí)踐能力的同時(shí)，提高其現(xiàn)代質(zhì)量工程的意識(shí)，我校在建設(shè)包裝生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)，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(jì)理論，簡(jiǎn)捷、有序地進(jìn)行系統(tǒng)功能要求分析、方案設(shè)計(jì)。

2 方案設(shè)計(jì)

公理化設(shè)計(jì)理論美國(guó)Suh教授提出的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理論，其目的是幫助設(shè)計(jì)者以清晰、簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)化綜合分析方式獲得比較好的設(shè)計(jì)方案。與之相對(duì)應(yīng)的主要設(shè)計(jì)活動(dòng)包括功能分解、確定設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)盒裝產(chǎn)品的重量進(jìn)行檢測(cè)，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(cāng)，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(cè)，并把產(chǎn)品重量測(cè)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(duì)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(jì)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(duì)應(yīng)變換方式，逐級(jí)分解細(xì)化，得到系統(tǒng)組成等級(jí)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(gè)一級(jí)功能項(xiàng)：FR1供料、FR2檢重和FR3分選，對(duì)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(shí)現(xiàn)程序控制和信號(hào)檢測(cè)、監(jiān)控而配備的測(cè)控主機(jī)。對(duì)功能和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)一步細(xì)化分解，就可得到三級(jí)層次結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

2.2 參數(shù)關(guān)系分析

功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系式FRi=∑Aij×DPj,其中的Aij稱為設(shè)計(jì)矩陣。設(shè)計(jì)矩陣是公理化設(shè)計(jì)用來(lái)表示功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系的關(guān)鍵工具。設(shè)計(jì)矩陣每一行的元素表示該行功能要求和各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系；每一列的元素表示該設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)各個(gè)功能的影響。公理化設(shè)計(jì)要求要求設(shè)計(jì)人員選擇最恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)集合以滿足各個(gè)功能要求之間的獨(dú)立性，即功能分解要遵循獨(dú)立性公理，具體體現(xiàn)為設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，可得最終的功能要求和葉設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系表，見(jiàn)表1.

表1 功能要求和葉設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系表

表中FR和DP之間有很強(qiáng)的影響時(shí)，用“1”表示；弱影響時(shí)“0”表示。表中深色部分表示葉設(shè)計(jì)參數(shù)自身所在分解級(jí)別的功能要求之間的關(guān)系；白色部分表示頁(yè)設(shè)計(jì)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(jì)

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(dú)立性公理進(jìn)行功能分解，本次設(shè)計(jì)獲得準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)方案。準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)在選擇設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，必須考慮設(shè)計(jì)矩陣中非對(duì)角線元素中“1”的個(gè)數(shù)，分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)整體設(shè)計(jì)的影響，確定出設(shè)計(jì)的先后順序和詳細(xì)的構(gòu)件選型和布局方案，見(jiàn)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(lái)，再通過(guò)軟件編制實(shí)現(xiàn)程序控制、信號(hào)檢測(cè)和設(shè)備監(jiān)視。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在系統(tǒng)流程分析和功能要求定義的基礎(chǔ)上,運(yùn)用公理化設(shè)計(jì)理論，最終的設(shè)計(jì)得到了描述整個(gè)產(chǎn)品的組成和結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)矩陣分析和系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證,基于公理化設(shè)計(jì)理論得到的設(shè)計(jì)方案滿足獨(dú)立性公理和設(shè)計(jì)一致性要求,各設(shè)計(jì)參數(shù)集合達(dá)到準(zhǔn)耦合標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)功能分解過(guò)程子功能及其設(shè)計(jì)參數(shù)與其結(jié)構(gòu)樹中上一級(jí)的表示內(nèi)容相符合。沿用此設(shè)計(jì)方案研制的設(shè)備投入運(yùn)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(shí)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(tái)。

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

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