鋰錳扣式電池自動(dòng)組裝生產(chǎn)線(xiàn)方案設計
隨著(zhù)我國加入WTO 并逐步與國際市場(chǎng)接軌,高性能電池的使用量正大幅度增加,作為扣式電池一種的鋰錳電池正是其中之一。本文旨在依據公理化設計理論進(jìn)行生產(chǎn)系統的方案設計,利用先進(jìn)的設計理念解決自動(dòng)組裝生產(chǎn)線(xiàn)系統這一難題。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/177402.htm公理化設計理論將機電產(chǎn)品作為整體的系統來(lái)看待,通過(guò)對功能需求域及設計參數域進(jìn)行的解耦與耦合分析,得出最合理的優(yōu)化設計方案。
1 公理化設計理論簡(jiǎn)述公理化設計理論
公理化設計理論(Axiomatic Design Theory)是由美國麻省理工大學(xué)的Nam P.Suh 提出的。這種理論將信息量引入設計過(guò)程,是一種可量化的設計原理。它創(chuàng )造性地將設計過(guò)程描述成一種映射過(guò)程,即通過(guò)選擇適當的設計參數,在功能需求域(FR)和設計參數域(DP)之間建立映射,映射過(guò)程遵循獨立性公理和信息公理,如圖1 所示。
圖1 原理示意圖
獨立性公理即要求設計參數能保證功能需求的獨立性,也就是說(shuō)當調整某一個(gè)DP 來(lái)滿(mǎn)足與之對應的FR 時(shí),不影響其他的FR功能參數,在設計方案中每個(gè)單元都能獨立地完成與之相關(guān)的所有功能域需求,單元之間只交換相關(guān)數據信息,而保持一定程度的相互獨立性能,這樣同時(shí)也滿(mǎn)足信息公理的要求;信息公理即在滿(mǎn)足功能需求的前提下,使設計方案中的信息量最小,這樣能極大地簡(jiǎn)化建立數學(xué)模型的過(guò)程,同時(shí)減少設計過(guò)程中不必要因素的影響,降低控制難度和準確測量難度,方案更容易實(shí)現。
在公理化設計理論中,從功能需求域到設計參數域的映射關(guān)系被描述成向量矩陣形式,以便于量化計算。因此兩者關(guān)系可表示為
{FR}=[A]{DP} (1-1)
其中{FR}為功能需求域向量表示,{DP}為設計參數域向量表示,[A]稱(chēng)為設計矩陣(Design Matrix)。根據獨立性公理的要求,當功能需求向量個(gè)數與設計參數向量個(gè)數相等時(shí),[A]呈現對角方陣,即
A={Aij=0 i≠j;Aij=1 i=j}
此時(shí),[A]為非耦合矩陣,這樣的設計為非耦合設計。這是滿(mǎn)足獨立性公理的最優(yōu)設計方案,同時(shí)也是信息量最少的設計方案。在不能完全滿(mǎn)足獨立性公理的時(shí)候,則需要采用解耦的方法,將[A]轉變?yōu)橄氯蔷仃?,這樣可以通過(guò)順序調整各設計參數來(lái)滿(mǎn)足功能需求,調整時(shí)不影響已滿(mǎn)足的功能需求,其信息量在特定范圍內為最小,這種設計稱(chēng)為解耦設計。信息量則以功能需求成功概率的倒數的對數來(lái)定義,即對于一個(gè)在基本取值全程上精度分布為均勻的功能需求來(lái)說(shuō),其信息量為
I=log(L/2ΔL) (1-2)
其中,在L 上得到L 精確值的概率
p=2ΔL/L (1-3)
在這里,L 為某一FR 的基本值,±ΔL 為其精度范圍。為了應用電子計算機計算信息量,習慣于用二進(jìn)制位數度量信息量,多取底數為2 的對數。這樣,設計對象的總信息量即為
IT=ΣIj (1-4)
根據信息公理的要求,設計方案應盡力使IT 最小,以較小的復雜性滿(mǎn)足功能需求。
從一個(gè)完整的機電系統來(lái)看,依據公理化設計理論,設計過(guò)程可以量化為對功能需求域和設計參數域的信息量計算。[3]通過(guò)對FR 和DP 的系統性分析,得到非耦合性設計。對于不能得到非耦合設計的,采用解耦的辦法得到優(yōu)化的解耦設計。同時(shí)分別計算功能需求信息量和設計參數信息量,其中設計參數又分為結構參數和時(shí)域控制參數,將計算的信息量進(jìn)行比較。在保證設計域信息量滿(mǎn)足功能域信息量的要求情況下,依據兩條設計公理,尋求獨立性最好的最小信息量設計方案,即最優(yōu)的設計方案。
相等時(shí),[A]呈現對角方陣,即
A={Aij=0 i≠j;Aij=1 i=j}
此時(shí),[A]為非耦合矩陣,這樣的設計為非耦合設計。這是滿(mǎn)足獨立性公理的最優(yōu)設計方案,同時(shí)也是信息量最少的設計方案。在不能完全滿(mǎn)足獨立性公理的時(shí)候,則需要采用解耦的方法,將[A]轉變?yōu)橄氯蔷仃?,這樣可以通過(guò)順序調整各設計參數來(lái)滿(mǎn)足功能需求,調整時(shí)不影響已滿(mǎn)足的功能需求,其信息量在特定范圍內為最小,這種設計稱(chēng)為解耦設計。信息量則以功能需求成功概率的倒數的對數來(lái)定義,即對于一個(gè)在基本取值全程上精度分布為均勻的功能需求來(lái)說(shuō),其信息量為
I=log(L/2ΔL) (1-2)
其中,在L 上得到L 精確值的概率
p=2ΔL/L (1-3)
在這里,L 為某一FR 的基本值,±ΔL 為其精度范圍。為了應用電子計算機計算信息量,習慣于用二進(jìn)制位數度量信息量,多取底數為2 的對數。這樣,設計對象的總信息量即為
IT=ΣIj (1-4)
根據信息公理的要求,設計方案應盡力使IT 最小,以較小的復雜性滿(mǎn)足功能需求。
從一個(gè)完整的機電系統來(lái)看,依據公理化設計理論,設計過(guò)程可以量化為對功能需求域和設計參數域的信息量計算。[3]通過(guò)對FR 和DP 的系統性分析,得到非耦合性設計。對于不能得到非耦合設計的,采用解耦的辦法得到優(yōu)化的解耦設計。同時(shí)分別計算功能需求信息量和設計參數信息量,其中設計參數又分為結構參數和時(shí)域控制參數,將計算的信息量進(jìn)行比較。在保證設計域信息量滿(mǎn)足功能域信息量的要求情況下,依據兩條設計公理,尋求獨立性最好的最小信息量設計方案,即最優(yōu)的設計方案。
2 鋰錳扣式電池組裝工藝
以CR2032 組裝工藝為例,需要在帶有集流網(wǎng)、負極片的負極殼體內依次加入隔膜和飽浸電解液的正極片,并在保證電解液完全滲透的前提下,加蓋正極殼體并封口。經(jīng)過(guò)廣泛的市場(chǎng)調研,根據相關(guān)廠(chǎng)家要求,確定以下成熟工藝。
2.1 傳送符合要求的負極殼體進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)系統
負極片是直徑為16mm,厚度約為0.4mm 的鋰片。要求把集流網(wǎng)點(diǎn)焊在負極殼底部,并把負極片壓在集流網(wǎng)上,使其接觸良好。這種負極殼體通過(guò)傳送機構進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn),作為整個(gè)系統的基本物流。
2.2 剪切隔膜紙,并壓入負極殼體
一般采用聚丙烯隔膜,依靠剪切機構裁成直徑約為18.8mm 的圓片,然后由壓入機構入殼。
2.3 加入以MnO2 為主要材料的正極片,并保證電解液浸透容量
正極片是直徑約為16mm,厚度約為2mm 的復合材料圓片,其主要材料為MnO2。正極片必須充分浸透電解液以保證放電時(shí)間及電池容量的性能參數,并通過(guò)控制補液時(shí)序避免電液揮發(fā)的影響。
2.4 覆蓋正極殼體,調整規正后封口并退料
傳送正極鋼殼到上料位置,覆蓋已完成滲透的負極殼體,并在規整機構作用下進(jìn)入封口模具,完成封口工作,最后退出成品。
3 方案論證過(guò)程流程
依據以上組裝工藝要求對功能需求域進(jìn)行分析,然后提出相應的設計參數。通過(guò)解耦和耦合計算,形成符合獨立性公理的設計方案,并對方案進(jìn)行量化分析,根據信息公理評判方案的優(yōu)劣與好壞。值得注意的是,由于以組裝工藝為基本依據,無(wú)論FR 域還是DP 域,每個(gè)因素在實(shí)行范圍內所占的比例各不相同,因此在方案論證時(shí)應注意增加權重因素。
具體方案論證的實(shí)施流程由圖2 表示。
圖2 方案論證過(guò)程流程
4 生產(chǎn)系統功能需求分析
從整體機械電子產(chǎn)品系統的角度出發(fā),由于組裝工藝要求比較紛雜,其功能需求應從基本工藝要求和外界環(huán)境交流兩個(gè)方面分析入手?;竟に囈蟛糠直WC了設計機構能完成組裝任務(wù)的主功能參數;外部環(huán)境交流部分從物質(zhì)、信息、能量、人機等四個(gè)方面提出與系統功能相關(guān)的輔助需求參數,兩部分結合起來(lái)共同形成系統功能需求。這些參數既是系統設計參數分析的根本依據,也是功能需求域信息量計算的基本數據。
下面的表1 列出了功能需求分析參數結果,針對各個(gè)參數在生產(chǎn)系統中需求程度的不同,結果中包含權重因素。權重集的確定有很多方法,例如1 至9 比率標度法、相關(guān)專(zhuān)業(yè)專(zhuān)家打分法等等。為了了解實(shí)用行業(yè)的需求,在對國內幾個(gè)電池生產(chǎn)廠(chǎng)家和設備加工領(lǐng)域進(jìn)行調研后,采用專(zhuān)家打分法得出如下的權重值,其中基本工藝要求屬于設計參數必須予以保證的功能結果,故占據60%的信息量比例。
表1
根據以上的功能需求分析結果,由式(1-2)(1-3)(1-4)可得計算功能需求域總信息量如下:
5 生產(chǎn)系統設計參數分析
針對功能需求分析的要求,應提出相應的設計參數。在基本工藝要求中,FR1、FR2、FR5、 FR6 均屬于固定要求,可以通過(guò)結構參數來(lái)實(shí)現;FR3、FR4 則需要結構參數和時(shí)域參數共同實(shí)現,因其加工檢測量都隨著(zhù)時(shí)間變化而發(fā)生改變。同樣道理,對于其他各方面的功能需求也需要相應的結構參數或時(shí)域參數來(lái)滿(mǎn)足,這些參數并不一定是最終的設計參數,但它們是獨立性解耦和耦合的基本信息。設計參數分析如表2。
表2
6 解耦及耦合的設計過(guò)程
依據以上功能需求域的具體要求和設計參數域的基本實(shí)現參數,下一步工作的目的是通過(guò)解耦的方法來(lái)發(fā)現設計過(guò)程中的工程沖突和冗余單元,然后依靠耦合的辦法解決工程沖突和去除冗余單元,最終實(shí)現各工作單元的相對獨立(獨立性公理)和設計域信息量最小(信息公理)的系統設計要求。通常認為機械電子產(chǎn)品具有這樣從大到小的三級結構:機械電子系統(Mechanical Electronics SySTem-MES)、機械電子組元(MechaNICal ElectrONICS Component-MEC)、機械電子單元(Mechanical ElectronicsElement-MEE)。解耦和耦合的目標就是使機械電子產(chǎn)品形成這樣的規律性獨立結構體系。在這里,根系統(基本功能需求和設計參數層次)分析的目的就是能夠形成逐個(gè)獨立的機械電子組元,形成基本的設計參數類(lèi)別;子系統(機械電子組元內部層次)分析則是以機械電子組元為分析對象,從中構建獨立的最小單位----機械電子單元,使信息量的計算從最底層開(kāi)始,結果更為精確。
6.1 根系統解耦耦合分析
解耦和耦合的方法有很多種,這里介紹一種較直觀(guān)的方法,即矩陣化簡(jiǎn)法。
從上式可以看出,依據表2 列出的設計矩陣A 應是一個(gè)35 行20 列的矩陣,其中Aij 即設計矩陣的相關(guān)元素,代表了設計域參數域功能需求的內在聯(lián)系,很明顯尚不滿(mǎn)足公理設計原則的對角陣要求。需要對照表1 和表2 的注釋?zhuān)瑢ι鲜降淖笥覂蛇呑鲂辛凶儞Q,逐步變設計陣為對角矩陣或者下三角矩陣。
值得注意的是,在這里的行列變換不是純粹數學(xué)意義上的初等變換,而是結合實(shí)際工程設計要求的的設計思想的轉變以矩陣行列變換的形式來(lái)表現,因此并不完全拘泥于固有的數學(xué)運算法則,而必須滿(mǎn)足工程設計中的基本原則和公理。這種矩陣化簡(jiǎn)法能夠直觀(guān)的表現功能域和設計域的內在聯(lián)系,在解耦和耦合的步驟上也簡(jiǎn)單明了,能夠解決設計中的工程沖突,并能有效去除冗余單元,不失為一種很好的實(shí)用方法。
經(jīng)過(guò)行列變換,形成下面的下三角矩陣式:
式中各項意義如表3 所示。
表3
設計域矩陣中的各個(gè)機械電子組元(MEC)之間存在著(zhù)最小的相關(guān)性,下一級設計參數的改變不會(huì )影響上一級參數的設計結果,而只影響包含其參數內容的再下級設計工作。完成根系統的解耦耦合分析后,還需要對各MEC 進(jìn)行面向對象式的子系統分析,方法則采用子系統的公理化設計原理及方法。通過(guò)分別對子系統功能域和設計域進(jìn)行具體層次的分析,最終得出各個(gè)基本滿(mǎn)足相對獨立性的基層最小系統——機械電子單元(MEE)。在機械電子單元中,各設計參數已具體量化,再依據信息公理及式(1-2),精確計算方案設計的信息含量,形成對方案的完整優(yōu)化設計。
6.2 子系統解耦耦合分析
對于子系統的分析集中在以下3 個(gè)方案上,通過(guò)對各設計子域和功能子域的分析得出各個(gè)方案的設計總信息量,如表4 所示。
表4
這三種方案除了以上主要區別之外,還存在諸如干燥功能需求、人機交互需求等次要區別,限于篇幅,不再贅述。下面給出第3 方案的子系統分析結果和單元信息量計算。其中單元信息量值根據各MEE的具體設計參量由式(1-2)計算得出。
表5
在第3 方案的解耦耦合分析中,去除了各層次的冗余單元,包括有關(guān)的結構參數和時(shí)域參數,用更加簡(jiǎn)潔的功能原理方案加以解決,例如將包含注液監測機構、行進(jìn)稱(chēng)重機構及條形或環(huán)形行進(jìn)機構在內的滲透單元改用單獨滲透和精密計量補注的設計單元來(lái)代替等等,不僅去除了冗余限制,降低加工制造成本,而且從根本上減小了動(dòng)作控制及信號采集的難度,最優(yōu)限度地利用了有用信息。
7 結論
從設計總信息量上分析,方案3 符合信息公理的要求,與功能需求域的總信息量相比較,設計參數域總信息量略高,在滿(mǎn)足功能需求的同時(shí),又遵循了信息公理的要求。各機械電子單元也符合獨立性公理的要求,故應為最優(yōu)方案。
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