楊世香 李文強(qiáng) 邵哲輝

1.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都，610065 2.四川大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與創(chuàng)新方法四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610065

0 引言

復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)需求多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和信息冗余等特點(diǎn)，而我國(guó)機(jī)電制造類(lèi)企業(yè)又缺乏規(guī)范有效的總體設(shè)計(jì)方法支撐，導(dǎo)致機(jī)電系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程產(chǎn)生大量重復(fù)性工作，影響了機(jī)電系統(tǒng)的研發(fā)效率和成本[1-2]。

為支持企業(yè)有效開(kāi)展機(jī)電系統(tǒng)研發(fā)活動(dòng)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法開(kāi)展了相關(guān)研究。GYUNYOUNG等[3]將公理化設(shè)計(jì)(axiomatic design，AD)理論運(yùn)用于核電站應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，為部署設(shè)計(jì)策略提供合適的優(yōu)先級(jí)。吳若仟等[4]應(yīng)用質(zhì)量功能配置構(gòu)建“情感需求與功能需求”、“功能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)”兩級(jí)質(zhì)量屋，在映射過(guò)程中以網(wǎng)絡(luò)交互等形式提高與用戶的交互性，降低需求轉(zhuǎn)化的模糊性和不確定性。CASCINI等[5]針對(duì)功能-行為-結(jié)構(gòu)(function-behavior-state，F(xiàn)BS)模型中存在的問(wèn)題，將客戶需求分析引入 FBS 模型中,并通過(guò)建立明確的設(shè)計(jì)要求提高了設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備的質(zhì)量與效率。廖瑩等[6]融合質(zhì)量功能展開(kāi)(quality function deployment，QFD)和功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)(function-principle-behavior-structure，F(xiàn)PBS)，改進(jìn)得到了面向工程裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程。周生祥等[7]集成層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)、QFD和AD等方法，實(shí)現(xiàn)由產(chǎn)品功能要求到設(shè)計(jì)參數(shù)的映射過(guò)程。RAHARJO等[8]建立了利用預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)基于層次分析法的重要性評(píng)價(jià)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模的方法，對(duì)客戶需求進(jìn)行層次劃分并計(jì)算其重要度。SCHMIT 等[9]面向基于模型的系統(tǒng)工程，采用本體對(duì)概念設(shè)計(jì)階段的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模。YUSOF等[10]結(jié)合創(chuàng)新問(wèn)題解決理論(TRIZ) 、形態(tài)圖和仿生學(xué)，激發(fā)五種創(chuàng)新的 ACB 結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，并運(yùn)用層次分析法進(jìn)行兩兩分析來(lái)選擇最佳的 ACB 概念設(shè)計(jì)。朱龍英等[11]將AHP與香農(nóng)信息論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能要求為模糊概念狀況下的結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選。CHEN等[12]鑒于決策環(huán)境的不確定性，將設(shè)計(jì)域和系統(tǒng)域通過(guò)模糊變量和隨機(jī)變量分別表示，提出期望信息量計(jì)算模型。宋士剛等[13]提出可重組制造系統(tǒng)的重布局規(guī)劃流程，并基于現(xiàn)有布局及各個(gè)設(shè)備的加工狀態(tài)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分階段優(yōu)化布局。QIN等[14]提出了一種集成CAD軟件的優(yōu)化工具和優(yōu)化算法，用于衛(wèi)星設(shè)備三維布局的自動(dòng)求解。梅江平等[15]利用 Petri 網(wǎng)技術(shù)建立生產(chǎn)線布局模型，為評(píng)價(jià)自動(dòng)化生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)提供了理論方法。

雖然目前針對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求分析、功能與結(jié)構(gòu)映射和工藝路線布局都有相關(guān)研究，但這些研究?jī)H僅關(guān)注機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，各設(shè)計(jì)階段相對(duì)獨(dú)立導(dǎo)致缺乏對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的總體考慮。一方面，由于設(shè)計(jì)階段采用的設(shè)計(jì)方法之間缺乏系統(tǒng)性，導(dǎo)致各設(shè)計(jì)階段不能有效銜接而使設(shè)計(jì)效率降低。另一方面，由于不同設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)化過(guò)程設(shè)計(jì)信息的丟失，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生大量重復(fù)性迭代工作。本文從機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，融合QFD、AD和Petri網(wǎng)等設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種面向復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法和流程，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)由用戶需求分析向工藝方案轉(zhuǎn)換的無(wú)縫銜接，從而有效提高機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

1 機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法

1.1 基于設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換的機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是將用戶需求轉(zhuǎn)換為具體結(jié)構(gòu)方案并建立相應(yīng)工作策略的過(guò)程，分為設(shè)計(jì)需求分析、概念方案形成和工藝路線布局三個(gè)設(shè)計(jì)階段。傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)通常將三個(gè)階段相互割裂并由不同設(shè)計(jì)部門(mén)完成，各設(shè)計(jì)部門(mén)只關(guān)注本階段的設(shè)計(jì)過(guò)程并用丟包方式將設(shè)計(jì)信息在部門(mén)間進(jìn)行傳遞，因此形成各設(shè)計(jì)部門(mén)間的信息孤島。本文提出基于三個(gè)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換關(guān)系將三個(gè)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方法相統(tǒng)一，使三個(gè)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)信息完整、全面和準(zhǔn)確地傳遞，以提高復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。如圖1所示，本文建立的機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換包括三個(gè)階段：

圖1 基于設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換的機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Electromechanical system design based on transformation of design information

(1)用戶需求信息向系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換。用戶需求是用戶針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)整體性能提出的期望屬性[16]。功能要求是設(shè)計(jì)者通過(guò)歸納整理用戶的設(shè)計(jì)需求，從技術(shù)角度提出的設(shè)計(jì)要求，即技術(shù)設(shè)計(jì)屬性[16]，是機(jī)械系統(tǒng)滿足用戶需求的特定工作能力描述。用戶需求信息向系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換主要是將用戶離散的需求信息轉(zhuǎn)化為機(jī)電系統(tǒng)的功能需求信息，并將其轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)者可認(rèn)知的設(shè)計(jì)需求信息。

(2)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)信息向物理結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)換。物理結(jié)構(gòu)包括實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)特定功能需求而采用的物理構(gòu)件、元件以及它們之間的組成關(guān)系[17-18]，是功能需求的具體實(shí)現(xiàn)載體。通過(guò)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)總功能的分解和功能結(jié)構(gòu)間的映射關(guān)系，可獲得滿足系統(tǒng)功能需求的物理結(jié)構(gòu)形式，組合不同功能需求的多個(gè)物理結(jié)構(gòu)可形成最終物理結(jié)構(gòu)方案。

(3)物理結(jié)構(gòu)信息向工藝方案信息轉(zhuǎn)換。工藝方案是指根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)各物理結(jié)構(gòu)之間所需要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系將其最優(yōu)地布置在機(jī)電系統(tǒng)的有限空間[18-19]。雖然獲得的機(jī)電系統(tǒng)最優(yōu)物理結(jié)構(gòu)方案可確定功能需求的具體實(shí)現(xiàn)方式，但無(wú)法確定物理結(jié)構(gòu)的空間布局和工作順序，還需要合理布局各物理結(jié)構(gòu)的空間位置，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1.2 基于信息轉(zhuǎn)換的機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法

基于機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換關(guān)系，本文融合QFD、AD和Petri網(wǎng)等設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法。該方法包括設(shè)計(jì)需求分析、功能與結(jié)構(gòu)映射和工藝路線布局三個(gè)部分，如圖2所示。圖中，CA表示客戶屬性；VFR表示功能要求；VDP表示設(shè)計(jì)參數(shù)。首先，采用質(zhì)量屋(house of quality，HOQ)將機(jī)電系統(tǒng)的用戶需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)功能要求并計(jì)算功能重要度，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)用戶需求信息向系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)信息的轉(zhuǎn)換。其次，采用AD方法的Z型映射關(guān)系對(duì)機(jī)電系統(tǒng)總功能進(jìn)行功能分解并確定各子功能對(duì)應(yīng)的物理設(shè)計(jì)參數(shù)，形成不同功能層次的機(jī)電系統(tǒng)功能樹(shù)和對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)樹(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能信息向物理結(jié)構(gòu)信息的轉(zhuǎn)換。最后，根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)需求將獲得的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間布局，利用物料空間狀態(tài)分析法建立系統(tǒng)工藝方案，根據(jù)物料空間狀態(tài)在相鄰工序之間的變化方式確定物理結(jié)構(gòu)間的相互位置和連接關(guān)系，采用Petri網(wǎng)理論驗(yàn)證工藝方案的可達(dá)性并獲得最終工藝方案，實(shí)現(xiàn)物理結(jié)構(gòu)信息向工藝方案信息轉(zhuǎn)換。將機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法基于設(shè)計(jì)信息關(guān)聯(lián)，可使系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到保證，從而提高總體設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

圖2 基于信息轉(zhuǎn)換的機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法Fig.2 System design method of electromechanical system based on information transformation

2 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程

本文通過(guò)將機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程分解為包括設(shè)計(jì)需求分析、功能與結(jié)構(gòu)映射和工藝路線布局三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的耦合過(guò)程，建立規(guī)范化的機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程。其中，設(shè)計(jì)需求分析解決機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中“做什么”的問(wèn)題，功能與結(jié)構(gòu)映射解決機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中“如何做”的問(wèn)題，工藝路線布局解決機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中“做更好”的問(wèn)題。從而使機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程更加規(guī)范和更易操作，有效提高機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)效率。

基于設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法具體包括以下步驟：

(1)用戶需求獲取。為設(shè)計(jì)出功能齊全、結(jié)構(gòu)合理的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，需要與用戶進(jìn)行反復(fù)溝通和充分調(diào)研，以全面獲取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求和工況要求。

(2)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換。構(gòu)建HOQ關(guān)系矩陣，結(jié)合客戶意見(jiàn)、專(zhuān)家評(píng)定確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)需求的相對(duì)重要性Ci(i=1，2，3，4，5)。將用戶需求轉(zhuǎn)化為可度量的系統(tǒng)功能要求rij表示。確定系統(tǒng)功能要求間的相關(guān)關(guān)系，獲得各設(shè)計(jì)需求權(quán)重Ki、技術(shù)重要度Aj和技術(shù)權(quán)重Bj，具體計(jì)算如下：

(1)

Aj=∑rijKi

(2)

(3)

i=1,2,…,nj=1,2,…,m

(3)功能映射建立。功能映射通過(guò)逐層分解功能要求和相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，迭代產(chǎn)生可實(shí)施結(jié)構(gòu)方案。在每一層的映射結(jié)束后將當(dāng)前層分解得到的所有子功能要求和相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)添加到功能要求結(jié)構(gòu)樹(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)樹(shù)中，最終形成層次對(duì)應(yīng)的功能要求結(jié)構(gòu)樹(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)樹(shù)[3]。具體映射關(guān)系如下：

VFRm×1=Am×nVDPn×1

(4)

式中，VFRm×1為功能需求向量;VDPn×1為與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)向量；Am×n為設(shè)計(jì)矩陣。

根據(jù)AD獨(dú)立公理，只有當(dāng)Am×n為三角矩陣或?qū)顷嚂r(shí)，該映射過(guò)程結(jié)束。

(4)物理結(jié)構(gòu)確定。通過(guò)形態(tài)學(xué)矩陣將系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行匯總，可以組合形成多個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，可根據(jù)信息最小公理選擇滿足設(shè)計(jì)需求的最佳結(jié)構(gòu)方案。結(jié)構(gòu)方案滿足第j項(xiàng)功能要求的信息量為

(5)

式中，Pj為結(jié)構(gòu)方案滿足第j項(xiàng)功能要求的概率。

可采用指數(shù)分布的密度函數(shù)，即取[11]

Pj=e-|y-y0|

(6)

式中，y為功能要求的參數(shù)值；y0為結(jié)構(gòu)方案滿足該項(xiàng)功能要求的實(shí)際參數(shù)值。

信息量IPj也可表示為

IPj=lbe|y-y0|

(7)

在復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，大多功能要求是模糊概念，只能用模糊語(yǔ)言來(lái)描述，可將模糊語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成[0,1]區(qū)間的連續(xù)數(shù)值aj來(lái)表示[11]。因此，對(duì)于模糊的功能要求，其信息量也可表示為

IPj=lbe1-aj

(8)

當(dāng)aj=1時(shí)，表示設(shè)計(jì)方案完全滿足第j項(xiàng)功能要求，此時(shí)信息含量為0。

因此，結(jié)構(gòu)方案總信息量IPT可表示為

IPT=∑IPjBj

(9)

(5)工藝路線布局與評(píng)價(jià)。引入Petri網(wǎng)理論[15]，根據(jù)物料空間狀態(tài)在相鄰工序之間的變化方式確定兩個(gè)物理結(jié)構(gòu)的相互位置和連接關(guān)系，并將物理結(jié)構(gòu)最優(yōu)地布置在指定空間。一個(gè)Petri網(wǎng)是一個(gè)三元組為

N=(P,T,F)

(10)

其中,P為庫(kù)所(place)的集合，表示系統(tǒng)的狀態(tài)；T為變遷(transition)的集合，表示資源的消耗、使用及使系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生的變化；F=(P×T)∪(T×P)，為輸入函數(shù)和輸出函數(shù)集，稱(chēng)為流關(guān)系[15]。Petri網(wǎng)狀態(tài)方程為

M=M0+(I-O)X

(11)

式中，M0為初始狀態(tài)庫(kù)所P中包含的托肯數(shù)；M為經(jīng)過(guò)一系列變遷X后庫(kù)所P中包含的托肯數(shù)；I、O分別為庫(kù)所集與變遷集之間的輸入、輸出有向弧集。

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列變遷X后，有

(I-O)X=0

(12)

若式(12)有非零解，則整體布局合理。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某酒企制曲車(chē)間現(xiàn)有作業(yè)方式中，曲料塊經(jīng)破碎機(jī)破碎成粉料，經(jīng)定量稱(chēng)重后進(jìn)行裝袋、封口和轉(zhuǎn)運(yùn)等工序，期間會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。目前這些工作均由人工完成，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)工人健康危害較大。目前，采用真空吸附的包裝材料如紙板、編織袋、薄膜袋的智能裝袋系統(tǒng)的研發(fā)已取得長(zhǎng)足發(fā)展，但關(guān)于以糧食加工業(yè)通用的、通氣性好的麻袋為包裝材料的相關(guān)智能裝袋系統(tǒng)還屬空白。因此，本文采用所提出的機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)新設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化除塵裝袋設(shè)備系統(tǒng)，針對(duì)包括釀酒料袋的自動(dòng)裝袋、自動(dòng)縫袋、裝袋過(guò)程中的自動(dòng)除塵等功能，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)需求到工藝路線布局全過(guò)程的有效支持。

3.1 智能除塵裝袋系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

3.1.1用戶需求獲取

經(jīng)過(guò)交流和調(diào)查，智能除塵裝袋系統(tǒng)需滿足以下設(shè)計(jì)要求：

(1)在制曲車(chē)間曲料裝袋過(guò)程中，有大量粉塵逸散，既不符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，又危害工人職業(yè)健康，因此該系統(tǒng)應(yīng)能減少并收集逸散的粉塵。

(2)在制曲車(chē)間，曲料裝袋、縫口的工序較多，需要多個(gè)工人配合，且打包好的曲料重40 kg，搬運(yùn)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度特別大，因此該系統(tǒng)應(yīng)具備較高的自動(dòng)化程度，同時(shí)操作簡(jiǎn)單。

(3)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)節(jié)奏為6包/min，因此該系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)奏應(yīng)不小于該指標(biāo)，同時(shí)應(yīng)具備較高的可靠性。

此外用戶還提出了安裝操作維修簡(jiǎn)單、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和成本低等要求。

3.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換

擬開(kāi)發(fā)的智能除塵裝袋系統(tǒng)HOQ如圖3所示。通過(guò)分析設(shè)計(jì)需求與設(shè)計(jì)功能間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定了包括適用于麻袋包裝、自動(dòng)化程度高、具有除塵功能、生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低、易于制造裝配、可靠性高、減振降噪性好、易于操作等9項(xiàng)具體設(shè)計(jì)任務(wù)；以用戶認(rèn)知需求權(quán)重?cái)?shù)值為基礎(chǔ)，通過(guò)式(1)～式(3)確定此9項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo)權(quán)重，從而完成智能除塵裝袋系統(tǒng)從用戶需求向功能需求的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖3 智能除塵裝袋系統(tǒng)的HOQFig.3 HOQ of intelligent dusting and bagging system

3.2 智能除塵裝袋系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)映射

3.2.1功能映射建立

針對(duì)以上功能要求，建立基于AD理論的智能除塵裝袋系統(tǒng)的總體功能“曲料智能裝袋”的分解模型，分解的結(jié)果應(yīng)有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化技術(shù)[20]；建立層級(jí)分解的同時(shí)存在功能結(jié)構(gòu)的映射過(guò)程，將分解得到的同層級(jí)子功能和對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)分別添加到同層級(jí)的功能要求結(jié)構(gòu)樹(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)樹(shù)中，得到圖4所示的智能除塵裝袋系統(tǒng)功能要求結(jié)構(gòu)樹(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)樹(shù)。

圖4 智能除塵裝袋系統(tǒng)層級(jí)映射結(jié)構(gòu)Fig.4 Function-structure mapping of intelligent dusting and bagging system

圖4展示了智能除塵裝袋系統(tǒng)從功能要求到設(shè)計(jì)參數(shù)再到功能要求的映射過(guò)程。為對(duì)該層級(jí)展開(kāi)過(guò)程中的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，建立如下系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)關(guān)系：

(13)

其中,“X”代表功能要求VFR和設(shè)計(jì)參數(shù)VDP是強(qiáng)相關(guān)，“0”代表功能要求VFR和設(shè)計(jì)參數(shù)VDP是弱相關(guān)。

式(13)中，關(guān)系矩陣A13×13經(jīng)過(guò)初等變換可形成三角矩陣，符合AD理論的獨(dú)立公理要求，因此該設(shè)計(jì)分解過(guò)程是成功的。

3.2.2物理結(jié)構(gòu)確定

針對(duì)智能除塵裝袋系統(tǒng)最低層設(shè)計(jì)參數(shù)，建立系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)形態(tài)矩陣，如表1所示。該矩陣共包括VDP11間歇移動(dòng)機(jī)構(gòu)等13個(gè)主要系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)形式，通過(guò)對(duì)該形態(tài)矩陣進(jìn)行組合，可形成3888種智能除塵裝袋系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

表1 智能除塵裝袋系統(tǒng)形態(tài)學(xué)矩陣Tab.1 Morphological matrix of intelligent dusting and bagging system

針對(duì)形態(tài)學(xué)矩陣中不同設(shè)計(jì)參數(shù)的多個(gè)解的有機(jī)組合，根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)使用工況、功能質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益等因素對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行篩選，得到以下3種優(yōu)選方案。

方案Ⅰ：1—1—1—2—2—2—1—2—1—3—2—1—1

方案Ⅱ：1—3—1—2—2—1—1—2—1—1—1—1—1

方案Ⅲ：2—1—1—1—1—3—1—1—1—3—1—2—1

針對(duì)上述優(yōu)選方案進(jìn)行信息最小公理評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，信息量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)選方案信息量Tab.2 Information content of preferred option

計(jì)算3個(gè)方案的信息量分別為IT1=0.351，IT2=0.258，IT3=0.408，方案Ⅱ的信息量最小，是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。

3.3 智能除塵裝袋系統(tǒng)工藝路線布局

根據(jù)智能除塵裝袋系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)接口要求，系統(tǒng)在落料工位與定量稱(chēng)重設(shè)備配合，因此該工位處的包裝袋空間狀態(tài)與定量稱(chēng)重設(shè)備適應(yīng)。智能除塵裝袋系統(tǒng)以落料工位包裝袋的空間狀態(tài)為基準(zhǔn)，落料工序以后包裝袋流轉(zhuǎn)方向不變，只做空間移動(dòng)。落料工序之前包裝袋至少需要一次變向，即由長(zhǎng)邊平行地面流轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪钡孛娴姆D(zhuǎn)流向轉(zhuǎn)換，同時(shí)結(jié)合車(chē)間實(shí)際情況并考慮調(diào)整維修方便，本文采用U 型布局方式(圖5)，該布局中，整條生產(chǎn)線緩沖區(qū)主要為傳送帶等輸送裝置，緩沖容量的大小可通過(guò)改變傳送帶的長(zhǎng)度與輸送速度來(lái)調(diào)節(jié)。

圖5 智能除塵裝袋系統(tǒng)工藝布局Fig.5 Process layout of intelligent dusting and bagging system

合理的生產(chǎn)線布局方案能提高生產(chǎn)線整體生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本。為定量分析上述布局方案，首先建立該布局方案的Petri 網(wǎng)模型。假設(shè)某道工序完成立即進(jìn)入下一道工序，忽略生產(chǎn)線中各道工序之間的時(shí)間因素[15]，建立生產(chǎn)線工藝流程的Petri網(wǎng)模型如圖6所示，模型中的庫(kù)所和變遷含義見(jiàn)表3。

圖6 智能除塵裝袋系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型Fig.6 Petri net model of intelligent dusting and bagging system

表3 庫(kù)所和變遷含義Tab.3 Representation of place and transition

根據(jù)上述Petri網(wǎng)模型可得Petri 網(wǎng)狀態(tài)方程的關(guān)聯(lián)矩陣I-O：

(14)

由于該關(guān)聯(lián)矩陣的秩小于其列數(shù),因此該布局狀態(tài)下的智能除塵裝袋系統(tǒng)可以按照一定的規(guī)則連續(xù)運(yùn)行，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)資源溢出及死變遷、鎖死現(xiàn)象，生產(chǎn)線資源分配及整體布局設(shè)計(jì)合理，能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

3.4 智能除塵裝袋系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)人員利用自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，將優(yōu)選物理結(jié)構(gòu)方案中各零部件按照相關(guān)性能要求進(jìn)行初步參數(shù)化并建立零部件模型，再根據(jù)工藝路線布局方案完成虛擬裝配，可得到智能除塵裝袋系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，如圖7所示。

1.光電開(kāi)關(guān) 2.袋組移動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.包裝袋夾取機(jī)構(gòu) 4.分離機(jī)構(gòu) 5.開(kāi)袋機(jī)構(gòu) 6.套袋機(jī)構(gòu) 7.成袋曲料移動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.袋口拉平機(jī)構(gòu) 9.袋口固定機(jī)構(gòu) 10.光電檢測(cè)開(kāi)關(guān) 11.真空吸附機(jī)構(gòu) 12.袋口保持機(jī)構(gòu) 13.過(guò)渡機(jī)構(gòu) 14.縫包機(jī)圖7 智能除塵裝袋系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案Fig.7 System design scheme of intelligent dusting and bagging system

該系統(tǒng)分為取袋、裝袋、轉(zhuǎn)運(yùn)、縫袋4個(gè)功能模塊，包括自動(dòng)補(bǔ)給袋組，自動(dòng)取袋、開(kāi)袋、套袋、除塵、拉平袋口以及保持袋口平整的狀態(tài)流入縫包工位并完成縫口的完整功能，具備運(yùn)行狀態(tài)可檢測(cè)以及相關(guān)防錯(cuò)處置功能。系統(tǒng)采用物理方式夾取包裝袋，利用摩擦原理對(duì)夾取的包裝袋再分離以及開(kāi)袋，克服了麻袋因透氣性好而難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抓取的缺點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)的袋口固定功能、除塵功能同時(shí)集成在落料工位，從源頭減少粉塵逸散并收集逸散的粉塵，極大地提高了除塵效率，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)更精簡(jiǎn)美觀。此外，該系統(tǒng)多以氣源為動(dòng)力輸出源，綠色環(huán)保，安全性高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法，融合QFD、AD和Petri網(wǎng)方法，建立了從用戶需求向系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)和工藝方案間的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程，包括設(shè)計(jì)需求分析、功能與結(jié)構(gòu)映射和工藝路線布局的有效集成,保證了設(shè)計(jì)信息完整、全面和準(zhǔn)確傳遞，使機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵性能指標(biāo)在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到保證，從而提高機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。該方法可解決機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程中重復(fù)性迭代問(wèn)題，利于機(jī)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)信息的最小化和可追溯性。

通過(guò)智能除塵裝袋系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)表明，該方法利于高效完成機(jī)電系統(tǒng)創(chuàng)新總體設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息從設(shè)計(jì)需求向功能要求、物理結(jié)構(gòu)和工藝方案的轉(zhuǎn)換，并獲得客戶滿意的解決方案，驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

本文后續(xù)還將建立規(guī)范評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)收集更大量機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)體現(xiàn)本文所提方法的優(yōu)勢(shì)。