基于公理化設計的在線檢重分選系統設計

張新娜,王 棟

（中國計量大學,杭州 310018）

基于公理化設計的在線檢重分選系統設計

張新娜,王 棟

（中國計量大學,杭州 310018）

基于公理設計理論對在線檢重與分選系統進行了設計，探討了功能要求分析、功能分解和系統組成結構設計，并得出了遵循獨立性公理和設計一致性要求的詳細設計方案，提升了設備研制的可行性。

公理化設計；設計矩陣； 檢重分選系統

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提高質量管理和控制水平的有效手段。為了在培養學生工程技術應用實踐能力的同時，提高其現代質量工程的意識，我校在建設包裝生產實訓系統時，配置了一套盒裝產品在線檢重分選系統。本文討論的是如何應用基于公理化設計理論，簡捷、有序地進行系統功能要求分析、方案設計。

2 方案設計

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

2.1 功能要求分析與結構分解

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

公理設計采用自上而下的分解方法，從產品總體功能要求出發，以之字型對應變換方式，逐級分解細化，得到系統組成等級結構。按照檢重分選設備生產功能要求進行分解，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，以及為實現程序控制和信號檢測、監控而配備的測控主機。對功能和設計參數進一步細化分解，就可得到三級層次結構，見圖1。

2.2 參數關系分析

功能要求和設計參數之間的關系式FRi=∑Aij×DPj,其中的Aij稱為設計矩陣。設計矩陣是公理化設計用來表示功能要求和設計參數關系的關鍵工具。設計矩陣每一行的元素表示該行功能要求和各個設計參數的關系；每一列的元素表示該設計參數對各個功能的影響。公理化設計要求要求設計人員選擇最恰當的設計參數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，具體體現為設計矩陣是下三角矩陣。分析檢重分選系統的功能要求和設計參數之間的關系，可得最終的功能要求和葉設計參數關系表，見表1.

表1 功能要求和葉設計參數關系表

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計參數自身所在分解級別的功能要求之間的關系；白色部分表示頁設計參數和其他功能要求之間的關系。

2.3 系統結構設計

由于在工作流程分析的基礎上定義功能要求，并盡量按照獨立性公理進行功能分解，本次設計獲得準耦合設計方案。準耦合設計在選擇設計參數時，必須考慮設計矩陣中非對角線元素中“1”的個數，分析設計參數對整體設計的影響，確定出設計的先后順序和詳細的構件選型和布局方案，見圖2. 其中的工控機用于把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程序控制、信號檢測和設備監視。

3 結語

本文在系統流程分析和功能要求定義的基礎上,運用公理化設計理論，最終的設計得到了描述整個產品的組成和結構特征。經過設計矩陣分析和系統詳細設計驗證,基于公理化設計理論得到的設計方案滿足獨立性公理和設計一致性要求,各設計參數集合達到準耦合標準,系統功能分解過程子功能及其設計參數與其結構樹中上一級的表示內容相符合。沿用此設計方案研制的設備投入運行，效果良好。在此基礎上改制的兼具典型生產功能和實訓教學功能的新型系統，也成為大學生技術創新教育的有效平臺。

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

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