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。

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。