復雜機電系統總體設計方法研究與應用

楊世香 李文強 邵哲輝

1.四川大學機械工程學院，成都，610065 2.四川大學創新設計與創新方法四川省重點實驗室，成都，610065

0 引言

復雜機電系統具有設計需求多樣、結構復雜和信息冗余等特點，而我國機電制造類企業又缺乏規范有效的總體設計方法支撐，導致機電系統研發過程產生大量重復性工作，影響了機電系統的研發效率和成本[1-2]。

為支持企業有效開展機電系統研發活動，國內外針對機電系統總體設計方法開展了相關研究。GYUNYOUNG等[3]將公理化設計(axiomatic design，AD)理論運用于核電站應急堆芯冷卻系統的設計過程，為部署設計策略提供合適的優先級。吳若仟等[4]應用質量功能配置構建“情感需求與功能需求”、“功能需求與設計參數”兩級質量屋，在映射過程中以網絡交互等形式提高與用戶的交互性，降低需求轉化的模糊性和不確定性。CASCINI等[5]針對功能-行為-結構(function-behavior-state，FBS)模型中存在的問題，將客戶需求分析引入 FBS 模型中,并通過建立明確的設計要求提高了設計前期準備的質量與效率。廖瑩等[6]融合質量功能展開(quality function deployment，QFD)和功能-原理-行為-結構(function-principle-behavior-structure，FPBS)，改進得到了面向工程裝置的創新設計流程。周生祥等[7]集成層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)、QFD和AD等方法，實現由產品功能要求到設計參數的映射過程。RAHARJO等[8]建立了利用預測技術對基于層次分析法的重要性評價模型進行動態建模的方法，對客戶需求進行層次劃分并計算其重要度。SCHMIT 等[9]面向基于模型的系統工程，采用本體對概念設計階段的優選設計方案進行建模。YUSOF等[10]結合創新問題解決理論(TRIZ) 、形態圖和仿生學，激發五種創新的 ACB 結構的概念設計，并運用層次分析法進行兩兩分析來選擇最佳的 ACB 概念設計。朱龍英等[11]將AHP與香農信息論相結合，實現功能要求為模糊概念狀況下的結構方案優選。CHEN等[12]鑒于決策環境的不確定性，將設計域和系統域通過模糊變量和隨機變量分別表示，提出期望信息量計算模型。宋士剛等[13]提出可重組制造系統的重布局規劃流程，并基于現有布局及各個設備的加工狀態對設備進行分階段優化布局。QIN等[14]提出了一種集成CAD軟件的優化工具和優化算法，用于衛星設備三維布局的自動求解。梅江平等[15]利用 Petri 網技術建立生產線布局模型，為評價自動化生產線布局設計提供了理論方法。

雖然目前針對復雜機電系統的設計需求分析、功能與結構映射和工藝路線布局都有相關研究，但這些研究僅僅關注機電系統設計的某個環節的設計活動，各設計階段相對獨立導致缺乏對整個設計過程的總體考慮。一方面，由于設計階段采用的設計方法之間缺乏系統性，導致各設計階段不能有效銜接而使設計效率降低。另一方面，由于不同設計階段轉化過程設計信息的丟失，導致設計過程產生大量重復性迭代工作。本文從機電系統總體設計角度出發，融合QFD、AD和Petri網等設計方法的優點，提出了一種面向復雜機電系統的總體設計方法和流程，可實現機電系統由用戶需求分析向工藝方案轉換的無縫銜接，從而有效提高機電系統總體設計的效率和質量。

1 機電系統總體設計方法

1.1 基于設計信息轉換的機電系統總體設計

機電系統的總體設計是將用戶需求轉換為具體結構方案并建立相應工作策略的過程，分為設計需求分析、概念方案形成和工藝路線布局三個設計階段。傳統機電系統總體設計通常將三個階段相互割裂并由不同設計部門完成，各設計部門只關注本階段的設計過程并用丟包方式將設計信息在部門間進行傳遞，因此形成各設計部門間的信息孤島。本文提出基于三個設計階段的設計信息轉換關系將三個設計階段設計方法相統一，使三個設計階段設計信息完整、全面和準確地傳遞，以提高復雜機電系統總體設計的質量和效率。如圖1所示，本文建立的機電系統總體設計信息轉換包括三個階段：

圖1 基于設計信息轉換的機電系統總體設計Fig.1 Electromechanical system design based on transformation of design information

(1)用戶需求信息向系統功能設計信息轉換。用戶需求是用戶針對機電系統整體性能提出的期望屬性[16]。功能要求是設計者通過歸納整理用戶的設計需求，從技術角度提出的設計要求，即技術設計屬性[16]，是機械系統滿足用戶需求的特定工作能力描述。用戶需求信息向系統功能設計信息轉換主要是將用戶離散的需求信息轉化為機電系統的功能需求信息，并將其轉換為設計者可認知的設計需求信息。

(2)系統功能設計信息向物理結構信息轉換。物理結構包括實現機電系統特定功能需求而采用的物理構件、元件以及它們之間的組成關系[17-18]，是功能需求的具體實現載體。通過對機電系統總功能的分解和功能結構間的映射關系，可獲得滿足系統功能需求的物理結構形式，組合不同功能需求的多個物理結構可形成最終物理結構方案。

(3)物理結構信息向工藝方案信息轉換。工藝方案是指根據機電系統各物理結構之間所需要的相對運動關系將其最優地布置在機電系統的有限空間[18-19]。雖然獲得的機電系統最優物理結構方案可確定功能需求的具體實現方式，但無法確定物理結構的空間布局和工作順序，還需要合理布局各物理結構的空間位置，從而提高系統的運行效率。

1.2 基于信息轉換的機電系統總體設計方法

基于機電系統總體設計信息轉換關系，本文融合QFD、AD和Petri網等設計方法的優點，提出了一種機電系統總體設計方法。該方法包括設計需求分析、功能與結構映射和工藝路線布局三個部分，如圖2所示。圖中，CA表示客戶屬性；VFR表示功能要求；VDP表示設計參數。首先，采用質量屋(house of quality，HOQ)將機電系統的用戶需求轉化為系統功能要求并計算功能重要度，實現機電系統用戶需求信息向系統功能設計信息的轉換。其次，采用AD方法的Z型映射關系對機電系統總功能進行功能分解并確定各子功能對應的物理設計參數，形成不同功能層次的機電系統功能樹和對應的物理結構樹，實現系統功能信息向物理結構信息的轉換。最后，根據機電系統需求將獲得的物理結構進行空間布局，利用物料空間狀態分析法建立系統工藝方案，根據物料空間狀態在相鄰工序之間的變化方式確定物理結構間的相互位置和連接關系，采用Petri網理論驗證工藝方案的可達性并獲得最終工藝方案，實現物理結構信息向工藝方案信息轉換。將機電系統總體設計方法基于設計信息關聯，可使系統總體設計的關鍵性能指標在設計過程中得到保證，從而提高總體設計質量和效率。

圖2 基于信息轉換的機電系統總體設計方法Fig.2 System design method of electromechanical system based on information transformation

2 復雜機電系統總體設計過程

本文通過將機電系統總體設計過程分解為包括設計需求分析、功能與結構映射和工藝路線布局三個相互關聯的耦合過程，建立規范化的機電系統總體設計流程。其中，設計需求分析解決機電系統總體設計中“做什么”的問題，功能與結構映射解決機電系統總體設計中“如何做”的問題，工藝路線布局解決機電系統總體設計中“做更好”的問題。從而使機電系統總體設計過程更加規范和更易操作，有效提高機電系統總體設計效率。

基于設計信息轉換的復雜機電系統總體設計方法具體包括以下步驟：

(1)用戶需求獲取。為設計出功能齊全、結構合理的復雜機電系統，需要與用戶進行反復溝通和充分調研，以全面獲取系統的設計需求和工況要求。

(2)系統功能設計轉換。構建HOQ關系矩陣，結合客戶意見、專家評定確定各項設計需求的相對重要性Ci(i=1，2，3，4，5)。將用戶需求轉化為可度量的系統功能要求rij表示。確定系統功能要求間的相關關系，獲得各設計需求權重Ki、技術重要度Aj和技術權重Bj，具體計算如下：

(1)

Aj=∑rijKi

(2)

(3)

i=1,2,…,nj=1,2,…,m

(3)功能映射建立。功能映射通過逐層分解功能要求和相應的設計參數，迭代產生可實施結構方案。在每一層的映射結束后將當前層分解得到的所有子功能要求和相應設計參數添加到功能要求結構樹和設計參數結構樹中，最終形成層次對應的功能要求結構樹和設計參數結構樹[3]。具體映射關系如下：

VFRm×1=Am×nVDPn×1

(4)

式中，VFRm×1為功能需求向量;VDPn×1為與之對應的設計參數向量；Am×n為設計矩陣。

根據AD獨立公理，只有當Am×n為三角矩陣或對角陣時，該映射過程結束。

(4)物理結構確定。通過形態學矩陣將系統物理結構進行匯總，可以組合形成多個設計結構方案，可根據信息最小公理選擇滿足設計需求的最佳結構方案。結構方案滿足第j項功能要求的信息量為

(5)

式中，Pj為結構方案滿足第j項功能要求的概率。

可采用指數分布的密度函數，即取[11]

Pj=e-|y-y0|

(6)

式中，y為功能要求的參數值；y0為結構方案滿足該項功能要求的實際參數值。

信息量IPj也可表示為

IPj=lbe|y-y0|

(7)

在復雜機電系統的總體設計過程中，大多功能要求是模糊概念，只能用模糊語言來描述，可將模糊語言轉換成[0,1]區間的連續數值aj來表示[11]。因此，對于模糊的功能要求，其信息量也可表示為

IPj=lbe1-aj

(8)

當aj=1時，表示設計方案完全滿足第j項功能要求，此時信息含量為0。

因此，結構方案總信息量IPT可表示為

IPT=∑IPjBj

(9)

(5)工藝路線布局與評價。引入Petri網理論[15]，根據物料空間狀態在相鄰工序之間的變化方式確定兩個物理結構的相互位置和連接關系，并將物理結構最優地布置在指定空間。一個Petri網是一個三元組為

N=(P,T,F)

(10)

其中,P為庫所(place)的集合，表示系統的狀態；T為變遷(transition)的集合，表示資源的消耗、使用及使系統狀態產生的變化；F=(P×T)∪(T×P)，為輸入函數和輸出函數集，稱為流關系[15]。Petri網狀態方程為

M=M0+(I-O)X

(11)

式中，M0為初始狀態庫所P中包含的托肯數；M為經過一系列變遷X后庫所P中包含的托肯數；I、O分別為庫所集與變遷集之間的輸入、輸出有向弧集。

系統經過一系列變遷X后，有

(I-O)X=0

(12)

若式(12)有非零解，則整體布局合理。

3 設計實例

某酒企制曲車間現有作業方式中，曲料塊經破碎機破碎成粉料，經定量稱重后進行裝袋、封口和轉運等工序，期間會產生大量的粉塵。目前這些工作均由人工完成，工人勞動強度大，且惡劣的現場環境對工人健康危害較大。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的研發已取得長足發展，但關于以糧食加工業通用的、通氣性好的麻袋為包裝材料的相關智能裝袋系統還屬空白。因此，本文采用所提出的機電系統總體設計方法，創新設計并開發具有自主知識產權的自動化除塵裝袋設備系統，針對包括釀酒料袋的自動裝袋、自動縫袋、裝袋過程中的自動除塵等功能，實現從設計需求到工藝路線布局全過程的有效支持。

3.1 智能除塵裝袋系統設計需求分析

3.1.1用戶需求獲取

經過交流和調查，智能除塵裝袋系統需滿足以下設計要求：

(1)在制曲車間曲料裝袋過程中，有大量粉塵逸散，既不符合環保標準，又危害工人職業健康，因此該系統應能減少并收集逸散的粉塵。

(2)在制曲車間，曲料裝袋、縫口的工序較多，需要多個工人配合，且打包好的曲料重40 kg，搬運過程中勞動強度特別大，因此該系統應具備較高的自動化程度，同時操作簡單。

(3)現場的作業節奏為6包/min，因此該系統的生產節奏應不小于該指標，同時應具備較高的可靠性。

此外用戶還提出了安裝操作維修簡單、系統運轉平穩、運轉費用和成本低等要求。

3.1.2系統功能設計轉換

擬開發的智能除塵裝袋系統HOQ如圖3所示。通過分析設計需求與設計功能間的關聯關系，確定了包括適用于麻袋包裝、自動化程度高、具有除塵功能、生產效率高、結構復雜度較低、易于制造裝配、可靠性高、減振降噪性好、易于操作等9項具體設計任務；以用戶認知需求權重數值為基礎，通過式(1)～式(3)確定此9項設計任務指標權重，從而完成智能除塵裝袋系統從用戶需求向功能需求的轉化過程。

圖3 智能除塵裝袋系統的HOQFig.3 HOQ of intelligent dusting and bagging system

3.2 智能除塵裝袋系統功能與結構映射

3.2.1功能映射建立

針對以上功能要求，建立基于AD理論的智能除塵裝袋系統的總體功能“曲料智能裝袋”的分解模型，分解的結果應有利于系統設計采用模塊化技術[20]；建立層級分解的同時存在功能結構的映射過程，將分解得到的同層級子功能和對應的設計參數分別添加到同層級的功能要求結構樹和設計參數結構樹中，得到圖4所示的智能除塵裝袋系統功能要求結構樹和設計參數結構樹。

圖4 智能除塵裝袋系統層級映射結構Fig.4 Function-structure mapping of intelligent dusting and bagging system

圖4展示了智能除塵裝袋系統從功能要求到設計參數再到功能要求的映射過程。為對該層級展開過程中的設計問題進行分析和評價，建立如下系統功能與結構關系：

(13)

其中,“X”代表功能要求VFR和設計參數VDP是強相關，“0”代表功能要求VFR和設計參數VDP是弱相關。

式(13)中，關系矩陣A13×13經過初等變換可形成三角矩陣，符合AD理論的獨立公理要求，因此該設計分解過程是成功的。

3.2.2物理結構確定

針對智能除塵裝袋系統最低層設計參數，建立系統的物理結構形態矩陣，如表1所示。該矩陣共包括VDP11間歇移動機構等13個主要系統物理結構的具體實現形式，通過對該形態矩陣進行組合，可形成3888種智能除塵裝袋系統的初始結構設計方案。

表1 智能除塵裝袋系統形態學矩陣Tab.1 Morphological matrix of intelligent dusting and bagging system

針對形態學矩陣中不同設計參數的多個解的有機組合，根據機電系統使用工況、功能質量以及經濟效益等因素對機電系統的初步結構方案進行篩選，得到以下3種優選方案。

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

針對上述優選方案進行信息最小公理評價，確定最優結構方案，信息量計算結果如表2所示。

表2 優選方案信息量Tab.2 Information content of preferred option

計算3個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，是最優的結構方案。

3.3 智能除塵裝袋系統工藝路線布局

根據智能除塵裝袋系統現場接口要求，系統在落料工位與定量稱重設備配合，因此該工位處的包裝袋空間狀態與定量稱重設備適應。智能除塵裝袋系統以落料工位包裝袋的空間狀態為基準，落料工序以后包裝袋流轉方向不變，只做空間移動。落料工序之前包裝袋至少需要一次變向，即由長邊平行地面流轉變為垂直地面的翻轉流向轉換，同時結合車間實際情況并考慮調整維修方便，本文采用U 型布局方式(圖5)，該布局中，整條生產線緩沖區主要為傳送帶等輸送裝置，緩沖容量的大小可通過改變傳送帶的長度與輸送速度來調節。

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

合理的生產線布局方案能提高生產線整體生產效率，減少生產系統運營成本。為定量分析上述布局方案，首先建立該布局方案的Petri 網模型。假設某道工序完成立即進入下一道工序，忽略生產線中各道工序之間的時間因素[15]，建立生產線工藝流程的Petri網模型如圖6所示，模型中的庫所和變遷含義見表3。

圖6 智能除塵裝袋系統Petri網模型Fig.6 Petri net model of intelligent dusting and bagging system

表3 庫所和變遷含義Tab.3 Representation of place and transition

根據上述Petri網模型可得Petri 網狀態方程的關聯矩陣I-O：

(14)

由于該關聯矩陣的秩小于其列數,因此該布局狀態下的智能除塵裝袋系統可以按照一定的規則連續運行，整個運行過程中不會出現資源溢出及死變遷、鎖死現象，生產線資源分配及整體布局設計合理，能滿足實際生產需要。

3.4 智能除塵裝袋系統總體設計方案

設計人員利用自身設計經驗與知識，將優選物理結構方案中各零部件按照相關性能要求進行初步參數化并建立零部件模型，再根據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的總體設計方案，如圖7所示。

1.光電開關 2.袋組移動機構 3.包裝袋夾取機構 4.分離機構 5.開袋機構 6.套袋機構 7.成袋曲料移動機構 8.袋口拉平機構 9.袋口固定機構 10.光電檢測開關 11.真空吸附機構 12.袋口保持機構 13.過渡機構 14.縫包機圖7 智能除塵裝袋系統的總體設計方案Fig.7 System design scheme of intelligent dusting and bagging system

該系統分為取袋、裝袋、轉運、縫袋4個功能模塊，包括自動補給袋組，自動取袋、開袋、套袋、除塵、拉平袋口以及保持袋口平整的狀態流入縫包工位并完成縫口的完整功能，具備運行狀態可檢測以及相關防錯處置功能。系統采用物理方式夾取包裝袋，利用摩擦原理對夾取的包裝袋再分離以及開袋，克服了麻袋因透氣性好而難以實現自動化抓取的缺點。同時，系統的袋口固定功能、除塵功能同時集成在落料工位，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，同時整個系統更精簡美觀。此外，該系統多以氣源為動力輸出源，綠色環保，安全性高。

4 結語

本文提出了一種機電系統總體設計方法，融合QFD、AD和Petri網方法，建立了從用戶需求向系統功能設計、物理結構和工藝方案間的設計信息轉換關系，實現了復雜機電系統總體設計過程，包括設計需求分析、功能與結構映射和工藝路線布局的有效集成,保證了設計信息完整、全面和準確傳遞，使機電系統總體設計關鍵性能指標在設計過程中得到保證，從而提高機電系統總體設計質量和效率。該方法可解決機電系統總體設計過程中重復性迭代問題，利于機電系統總體設計過程設計信息的最小化和可追溯性。

通過智能除塵裝袋系統的總體設計表明，該方法利于高效完成機電系統創新總體設計過程，實現設計信息從設計需求向功能要求、物理結構和工藝方案的轉換，并獲得客戶滿意的解決方案，驗證了該方法的有效性和實用性。

本文后續還將建立規范評價指標體系，通過收集更大量機電系統設計對比數據來體現本文所提方法的優勢。