基于功能設(shè)計(jì)的木板分揀碼垛機(jī)概念設(shè)計(jì)

霍孟顯+劉宏勛+梁君寧

摘 要：目前市場(chǎng)上，木板旋切分級(jí)流水線普遍采用的活門分揀不能夠適應(yīng)提高木板輸送速度、提高效率的要求。公司立項(xiàng)開發(fā)一種可將輸送帶上連續(xù)過來的木板，根據(jù)質(zhì)量分級(jí)，并按級(jí)收集，碼垛效果好的木板分揀碼垛機(jī)。文章根據(jù)系統(tǒng)化概念設(shè)計(jì)理論與TRIZ理論的效應(yīng)，遵循功能設(shè)計(jì)流程，進(jìn)行木板分揀碼垛機(jī)的概念設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品樣機(jī)的使用效果證明了此次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的先進(jìn)性。同時(shí)也驗(yàn)證了功能設(shè)計(jì)流程對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)；功能設(shè)計(jì)；木板分揀碼垛機(jī)

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0096-02

引言

目前市場(chǎng)上木板旋切分級(jí)流水線上，木板分級(jí)碼垛主要依靠傳感器檢測(cè)、活門分揀，但是該結(jié)構(gòu)的主要缺陷是響應(yīng)速度慢，故障率高，從木板分級(jí)、收集和碼垛效率和可靠性因素等方面看，活門分揀已經(jīng)不能夠適應(yīng)提高木板輸送速度、提高效率的要求。該項(xiàng)開發(fā)任務(wù)是設(shè)計(jì)一種可將輸送帶上連續(xù)過來的木板根據(jù)質(zhì)量分級(jí)，并按級(jí)收集，碼垛效果好且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的木板分揀碼垛機(jī)。

1 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前端。概念設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，抽象設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)，選用恰當(dāng)?shù)淖饔迷聿⑦m當(dāng)?shù)亟M合實(shí)現(xiàn)具體化，獲得原理層面上的產(chǎn)品求解。

20世紀(jì)70年代，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)的Pahl和Beitz教授提出的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)地具體化過程。在產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)實(shí)踐中，從抽象的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，不斷具體化，完成設(shè)計(jì)。系統(tǒng)化概念設(shè)計(jì)理論提出了概念設(shè)計(jì)的操作規(guī)范，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供流程指導(dǎo)。

2 功能設(shè)計(jì)

功能設(shè)計(jì)是主要在功能、原理層面上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。其基本思想是基于功能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行具體化求解。其基本過程是：設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶需求抽象出產(chǎn)品的總功能，并將總功能分解為分功能及功能元，并且繪制由功能與能量、物料、信號(hào)三種流組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即可得到待設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能層面上的產(chǎn)品求解；接下來確定實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能元的原理解，并將所有功能元的原理解組合得到待設(shè)計(jì)產(chǎn)品的原理解，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在原理層面上的求解和初步結(jié)構(gòu)信息。

為了利于使用功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行交流，功能結(jié)構(gòu)的繪制應(yīng)當(dāng)使用一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)符合。目前比較流行的符號(hào)如下圖1（左）所示。

3 木板分揀碼垛機(jī)的概念設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種可將輸送帶上連續(xù)過來的木板根據(jù)質(zhì)量分級(jí)，并按級(jí)收集，碼垛效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且使用方便的木板分揀碼垛機(jī)。

第1階段 用戶需求分析

在木板生產(chǎn)流水線上，實(shí)現(xiàn)木板快速分揀收集碼垛。

第2階段 木板分揀碼垛機(jī)功能設(shè)計(jì)

（1）功能分解

抽象確定木板分揀碼垛機(jī)總功能。

用戶需求分析確定木板分揀碼垛機(jī)的總功能是連續(xù)地分揀收集木板，見圖1（右）。

將總功能分解為移動(dòng)木板、分揀木板和收集木板功能。

對(duì)移動(dòng)木板功能進(jìn)行分解。質(zhì)量等級(jí)未知的木板從旋切機(jī)出來，這需要移動(dòng)木板的功能，保證木板以既定的速度輸送，滿足前一工序的節(jié)拍，在效應(yīng)知識(shí)庫中搜索實(shí)現(xiàn)移動(dòng)固體功能的效應(yīng)，遵循面向原理的可持續(xù)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則評(píng)價(jià)效應(yīng)集，選擇摩擦。摩擦現(xiàn)象的輸出流是運(yùn)動(dòng)木板，沒有副作用。進(jìn)行輸入流分析，摩擦力和運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)需要增加產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能，在效應(yīng)知識(shí)庫中搜索實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生機(jī)械能的效應(yīng)，在這里選擇電動(dòng)效應(yīng)。電動(dòng)效應(yīng)的輸出流是：運(yùn)動(dòng)。沒有副作用。繼續(xù)進(jìn)行輸入流分析：輸入流有電能和控制信號(hào)，控制信號(hào)來源于運(yùn)動(dòng)速度。需要增加檢測(cè)速度功能。

對(duì)分揀功能進(jìn)行分解。分揀依據(jù)木板質(zhì)量，首先需要檢測(cè)木板功能，在效應(yīng)知識(shí)庫中搜索檢測(cè)功能的效應(yīng)，選擇傳感器可以實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)木板功能輸入電能，輸出質(zhì)量信號(hào)及控制信號(hào)。把檢測(cè)確定的殘次品從運(yùn)動(dòng)的木板中分離出來的功能是控制木板的位移，使殘次品與質(zhì)量等級(jí)高的木板的位移不同，實(shí)現(xiàn)分揀，另一種分揀是使一級(jí)板和二級(jí)板位移不同實(shí)現(xiàn)分揀，輸入流是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的木板，質(zhì)量信號(hào)控制和機(jī)械能，輸出流是按質(zhì)量分離的木板。在效應(yīng)知識(shí)庫中搜索實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)動(dòng)物體位移功能的效應(yīng)，選用道路分離，使移動(dòng)著的不同質(zhì)量等級(jí)的木板進(jìn)入不同的輸送軌道。道路分離輸入流是位移和控制信號(hào)，控制信號(hào)來源于檢測(cè)木板功能的輸出流，位移輸入流需要增加產(chǎn)生位移功能，在效應(yīng)知識(shí)庫中搜索實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，在這里選擇帕斯卡效應(yīng)。帕斯卡效應(yīng)的輸入流是氣壓可以從超系統(tǒng)中獲得。

對(duì)收集木板功能進(jìn)行分解。輸入流是運(yùn)動(dòng)的木板，輸出流是靜止的碼放整齊的木板，在效應(yīng)知識(shí)庫中搜索使物體停止功能的效應(yīng)，在這里選擇摩擦效應(yīng)。輸入流是摩擦力。需要增加產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)和木板接觸產(chǎn)生摩擦力，在效應(yīng)知識(shí)庫中搜索實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的效應(yīng)，在這里選擇電動(dòng)效應(yīng)。電動(dòng)效應(yīng)的輸出流是：運(yùn)動(dòng)。沒有副作用。繼續(xù)進(jìn)行輸入流分析：輸入流有電能和控制信號(hào)，控制信號(hào)來源于木板位置。需要增加檢測(cè)位置功能。

至此總功能分解完畢，功能元的輸入流可以從系統(tǒng)及超系統(tǒng)中的資源獲得，并且輸出流具有可持續(xù)性。確定分功能及功能元，并按功能關(guān)系繪制功能結(jié)構(gòu)，優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)。功能結(jié)構(gòu)如圖（中）所示。

（2）功能求解

對(duì)移動(dòng)木板功能的分功能進(jìn)行求解。產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能采用的效應(yīng)是電動(dòng)效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。需要根據(jù)控制需要，選擇伺服電機(jī)。移動(dòng)木板功能采用的效應(yīng)是摩擦，選用帶輸送，利用木板與輸送帶產(chǎn)生的摩擦力輸送木板。檢測(cè)速度采用的效應(yīng)是光電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)這種效應(yīng)的結(jié)構(gòu)傳感器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并且能夠輸出電信號(hào)控制電機(jī)。需要根據(jù)傳感器性能選擇。

對(duì)分揀功能的分功能進(jìn)行求解。測(cè)量木板表面質(zhì)量功能采用的效應(yīng)是光電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)這種效應(yīng)的結(jié)構(gòu)傳感器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并且能夠輸出電信號(hào)控制電機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。需要根據(jù)傳感器性能選擇。控制木板位移功能采用道路分離。產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能采用的效應(yīng)是帕斯卡效應(yīng)。根據(jù)位移行程需要選擇氣壓缸。

對(duì)收集木板功能的分功能進(jìn)行求解。使物體停止功能采用的效應(yīng)是摩擦效應(yīng)，利用摩擦正壓力足夠大，使木板停止。對(duì)一級(jí)板收集中檢測(cè)位置功能采用在圓周上設(shè)置一段滾輪軌道，利用夾緊裝置駛進(jìn)駛出滾輪軌道產(chǎn)生壓緊和松開的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)夾緊時(shí)長(zhǎng)。一級(jí)板收集功能中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能采用電動(dòng)效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)控制需要，選擇電機(jī)。二級(jí)板收集功能中，一種產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能采用的效應(yīng)是帕斯卡效應(yīng)。根據(jù)位移行程需要選擇氣壓缸。另一種產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)功能采用電動(dòng)效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)控制需要，選擇伺服電機(jī)。對(duì)二級(jí)板收集中檢測(cè)位置功能采用檢測(cè)位置采用的效應(yīng)是壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)這種效應(yīng)的結(jié)構(gòu)傳感器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并且能夠輸出電信號(hào)控制氣壓缸的運(yùn)動(dòng)。

至此，功能元已經(jīng)全部求解。需要對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)性判斷。接下來可以布置部件和確定連接方式。布置機(jī)架，以放置和固定各種零部件。

4 木板分揀碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)架

采用方管型材焊接機(jī)架，將輸送帶主動(dòng)軸及從動(dòng)軸通過帶座球軸承布置及固定，同時(shí)將各裝置和零部件布置在機(jī)架上。

4.2 分揀裝置

包括木板壓緊裝置，一級(jí)二級(jí)板分揀均采用氣缸驅(qū)動(dòng)分揀撥片。氣缸收到質(zhì)量控制信號(hào)，動(dòng)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)的一級(jí)木板或二級(jí)木板進(jìn)入另外軌道的輸送帶，進(jìn)入收集裝置。

4.3 一級(jí)板收集裝置

采用兩組壓緊裝置、滾輪軌道和大輥輪裝置及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。當(dāng)一級(jí)板輸送過來，卡爪的滾輪駛上滾輪軌道，卡爪低頭壓緊木板，靠摩擦力將木板靜止，使其跟隨大輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)下放整齊收集。滾輪軌道靜止不動(dòng)，大輥輪裝置始終處于逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.4 二級(jí)板收集裝置

采用兩組二級(jí)板放板過橋及其驅(qū)動(dòng)氣缸，過橋?qū)崿F(xiàn)將二級(jí)板接住并下方到波輪裝置上，在二級(jí)板放板過橋的外側(cè)分別有一組二級(jí)板收板波輪及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩側(cè)二級(jí)板收集波輪旋轉(zhuǎn)方向相反，角速度相同，實(shí)現(xiàn)將二級(jí)板緩慢整齊收集。

5 結(jié)束語

概念設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的功能和原理，以及初步的結(jié)構(gòu)。功能分解過程中效應(yīng)的應(yīng)用有利于高級(jí)別創(chuàng)新的產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)遵循功能設(shè)計(jì)流程，進(jìn)行了木板分揀碼垛機(jī)的設(shè)計(jì)，采用氣缸驅(qū)動(dòng)的分揀撥片可以實(shí)現(xiàn)快速分揀，同時(shí)一二級(jí)木板的收集裝置均能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)接板并整齊碼放。樣機(jī)試驗(yàn)效果證明開發(fā)的木板分揀碼垛機(jī)，比市場(chǎng)上采用活門分揀的機(jī)械，生產(chǎn)效率明顯提高，對(duì)高速旋切流水線更具適應(yīng)性。同時(shí)也驗(yàn)證了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中遵循功能設(shè)計(jì)流程展開，并利用效應(yīng)知識(shí)能夠高效地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

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