基于公理化设计的在线检重分选系统设计

张新娜,王 栋

（中国计量大学,杭州 310018）

基于公理化设计的在线检重分选系统设计

张新娜,王 栋

（中国计量大学,杭州 310018）

基于公理设计理论对在线检重与分选系统进行了设计，探讨了功能要求分析、功能分解和系统组成结构设计，并得出了遵循独立性公理和设计一致性要求的详细设计方案，提升了设备研制的可行性。

公理化设计；设计矩阵； 检重分选系统

1 引言

在线检重分选装置简称为分选秤，是食品加工和制药企业提高质量管理和控制水平的有效手段。为了在培养学生工程技术应用实践能力的同时，提高其现代质量工程的意识，我校在建设包装生产实训系统时，配置了一套盒装产品在线检重分选系统。本文讨论的是如何应用基于公理化设计理论，简捷、有序地进行系统功能要求分析、方案设计。

2 方案设计

公理化设计理论美国Suh教授提出的系统化设计理论，其目的是帮助设计者以清晰、简单的标准化综合分析方式获得比较好的设计方案。与之相对应的主要设计活动包括功能分解、确定设计参数和工艺变量等。

2.1 功能要求分析与结构分解

首先确定检重分选实训设备的基本功能要求。检重分选设备是处于装盒机和中包机之间的包装辅助设备，其主要任务是按照质量要求对盒装产品的重量进行检测，以保证进入后续包装环节的产品的质量合格。设备工作流程：先把待检重产品整理到料仓，再按一定间隔依次传送到在线检重装置上进行重量检测，并把产品重量测量值与标称重量进行比较，以判定产品重量是否合格；如果药盒重量不合格则剔除出传送队列，如果产品重量合格，则向中包机继续传送。

公理设计采用自上而下的分解方法，从产品总体功能要求出发，以之字型对应变换方式，逐级分解细化，得到系统组成等级结构。按照检重分选设备生产功能要求进行分解，可得到三个一级功能项：FR1供料、FR2检重和FR3分选，对应的功能装置有：DP1下盒装置、DP2在线检重装置、DP3分选装置和DP4带式输送机，以及为实现程序控制和信号检测、监控而配备的测控主机。对功能和设计参数进一步细化分解，就可得到三级层次结构，见图1。

2.2 参数关系分析

功能要求和设计参数之间的关系式FRi=∑Aij×DPj,其中的Aij称为设计矩阵。设计矩阵是公理化设计用来表示功能要求和设计参数关系的关键工具。设计矩阵每一行的元素表示该行功能要求和各个设计参数的关系；每一列的元素表示该设计参数对各个功能的影响。公理化设计要求要求设计人员选择最恰当的设计参数集合以满足各个功能要求之间的独立性，即功能分解要遵循独立性公理，具体体现为设计矩阵是下三角矩阵。分析检重分选系统的功能要求和设计参数之间的关系，可得最终的功能要求和叶设计参数关系表，见表1.

表1 功能要求和叶设计参数关系表

表中FR和DP之间有很强的影响时，用“1”表示；弱影响时“0”表示。表中深色部分表示叶设计参数自身所在分解级别的功能要求之间的关系；白色部分表示页设计参数和其他功能要求之间的关系。

2.3 系统结构设计

由于在工作流程分析的基础上定义功能要求，并尽量按照独立性公理进行功能分解，本次设计获得准耦合设计方案。准耦合设计在选择设计参数时，必须考虑设计矩阵中非对角线元素中“1”的个数，分析设计参数对整体设计的影响，确定出设计的先后顺序和详细的构件选型和布局方案，见图2. 其中的工控机用于把DP1下盒装置、DP2检重装置和DP3分选装置连接起来，再通过软件编制实现程序控制、信号检测和设备监视。

3 结语

本文在系统流程分析和功能要求定义的基础上,运用公理化设计理论，最终的设计得到了描述整个产品的组成和结构特征。经过设计矩阵分析和系统详细设计验证,基于公理化设计理论得到的设计方案满足独立性公理和设计一致性要求,各设计参数集合达到准耦合标准,系统功能分解过程子功能及其设计参数与其结构树中上一级的表示内容相符合。沿用此设计方案研制的设备投入运行，效果良好。在此基础上改制的兼具典型生产功能和实训教学功能的新型系统，也成为大学生技术创新教育的有效平台。

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

浙江省教育厅科研项目（Y200805912）浙江省课堂教学改革项目（kg2015164）