基于功能設計的木板分揀碼垛機概念設計

霍孟顯+劉宏勛+梁君寧

摘 要：目前市場上，木板旋切分級流水線普遍采用的活門分揀不能夠適應提高木板輸送速度、提高效率的要求。公司立項開發一種可將輸送帶上連續過來的木板，根據質量分級，并按級收集，碼垛效果好的木板分揀碼垛機。文章根據系統化概念設計理論與TRIZ理論的效應，遵循功能設計流程，進行木板分揀碼垛機的概念設計，并進一步進行結構設計。產品樣機的使用效果證明了此次設計的產品的先進性。同時也驗證了功能設計流程對于產品設計的指導性。

關鍵詞：概念設計；功能設計；木板分揀碼垛機

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0096-02

引言

目前市場上木板旋切分級流水線上，木板分級碼垛主要依靠傳感器檢測、活門分揀，但是該結構的主要缺陷是響應速度慢，故障率高，從木板分級、收集和碼垛效率和可靠性因素等方面看，活門分揀已經不能夠適應提高木板輸送速度、提高效率的要求。該項開發任務是設計一種可將輸送帶上連續過來的木板根據質量分級，并按級收集，碼垛效果好且結構簡單，使用方便的木板分揀碼垛機。

1 概念設計

概念設計是產品設計的前端。概念設計的主要任務是根據設計任務，抽象設計產品的功能結構，選用恰當的作用原理并適當地組合實現具體化，獲得原理層面上的產品求解。

20世紀70年代，德國柏林工業大學的Pahl和Beitz教授提出的系統化設計思想認為產品設計是一個系統的連續地具體化過程。在產品的開發和設計實踐中，從抽象的設計要求出發，不斷具體化，完成設計。系統化概念設計理論提出了概念設計的操作規范，給產品設計者提供流程指導。

2 功能設計

功能設計是主要在功能、原理層面上對產品進行設計。其基本思想是基于功能對產品進行具體化求解。其基本過程是：設計人員根據用戶需求抽象出產品的總功能，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、信號三種流組成的網絡結構即可得到待設計產品的功能結構，實現功能層面上的產品求解；接下來確定實現每個功能元的原理解，并將所有功能元的原理解組合得到待設計產品的原理解，實現產品在原理層面上的求解和初步結構信息。

為了利于使用功能結構進行交流，功能結構的繪制應當使用一套統一的標準符合。目前比較流行的符號如下圖1（左）所示。

3 木板分揀碼垛機的概念設計

設計一種可將輸送帶上連續過來的木板根據質量分級，并按級收集，碼垛效果好，結構簡單并且使用方便的木板分揀碼垛機。

第1階段 用戶需求分析

在木板生產流水線上，實現木板快速分揀收集碼垛。

第2階段 木板分揀碼垛機功能設計

（1）功能分解

抽象確定木板分揀碼垛機總功能。

用戶需求分析確定木板分揀碼垛機的總功能是連續地分揀收集木板，見圖1（右）。

將總功能分解為移動木板、分揀木板和收集木板功能。

對移動木板功能進行分解。質量等級未知的木板從旋切機出來，這需要移動木板的功能，保證木板以既定的速度輸送，滿足前一工序的節拍，在效應知識庫中搜索實現移動固體功能的效應，遵循面向原理的可持續性設計準則評價效應集，選擇摩擦。摩擦現象的輸出流是運動木板，沒有副作用。進行輸入流分析，摩擦力和運動。運動需要增加產生運動功能，在效應知識庫中搜索實現產生機械能的效應，在這里選擇電動效應。電動效應的輸出流是：運動。沒有副作用。繼續進行輸入流分析：輸入流有電能和控制信號，控制信號來源于運動速度。需要增加檢測速度功能。

對分揀功能進行分解。分揀依據木板質量，首先需要檢測木板功能，在效應知識庫中搜索檢測功能的效應，選擇傳感器可以實現，檢測木板功能輸入電能，輸出質量信號及控制信號。把檢測確定的殘次品從運動的木板中分離出來的功能是控制木板的位移，使殘次品與質量等級高的木板的位移不同，實現分揀，另一種分揀是使一級板和二級板位移不同實現分揀，輸入流是連續運動的木板，質量信號控制和機械能，輸出流是按質量分離的木板。在效應知識庫中搜索實現控制運動物體位移功能的效應，選用道路分離，使移動著的不同質量等級的木板進入不同的輸送軌道。道路分離輸入流是位移和控制信號，控制信號來源于檢測木板功能的輸出流，位移輸入流需要增加產生位移功能，在效應知識庫中搜索實現運動的效應，在這里選擇帕斯卡效應。帕斯卡效應的輸入流是氣壓可以從超系統中獲得。

對收集木板功能進行分解。輸入流是運動的木板，輸出流是靜止的碼放整齊的木板，在效應知識庫中搜索使物體停止功能的效應，在這里選擇摩擦效應。輸入流是摩擦力。需要增加產生運動功能，使執行機構和木板接觸產生摩擦力，在效應知識庫中搜索實現機械能的效應，在這里選擇電動效應。電動效應的輸出流是：運動。沒有副作用。繼續進行輸入流分析：輸入流有電能和控制信號，控制信號來源于木板位置。需要增加檢測位置功能。

至此總功能分解完畢，功能元的輸入流可以從系統及超系統中的資源獲得，并且輸出流具有可持續性。確定分功能及功能元，并按功能關系繪制功能結構，優化功能結構。功能結構如圖（中）所示。

（2）功能求解

對移動木板功能的分功能進行求解。產生運動功能采用的效應是電動效應。實現電動效應的結構已經標準化。需要根據控制需要，選擇伺服電機。移動木板功能采用的效應是摩擦，選用帶輸送，利用木板與輸送帶產生的摩擦力輸送木板。檢測速度采用的效應是光電效應，實現這種效應的結構傳感器已經標準化，并且能夠輸出電信號控制電機。需要根據傳感器性能選擇。

對分揀功能的分功能進行求解。測量木板表面質量功能采用的效應是光電效應，實現這種效應的結構傳感器已經標準化，并且能夠輸出電信號控制電機產生運動。需要根據傳感器性能選擇。控制木板位移功能采用道路分離。產生運動功能采用的效應是帕斯卡效應。根據位移行程需要選擇氣壓缸。

對收集木板功能的分功能進行求解。使物體停止功能采用的效應是摩擦效應，利用摩擦正壓力足夠大，使木板停止。對一級板收集中檢測位置功能采用在圓周上設置一段滾輪軌道，利用夾緊裝置駛進駛出滾輪軌道產生壓緊和松開的動作，實現控制旋轉周期內夾緊時長。一級板收集功能中產生運動功能采用電動效應。實現電動效應的結構已經標準化。根據控制需要，選擇電機。二級板收集功能中，一種產生運動功能采用的效應是帕斯卡效應。根據位移行程需要選擇氣壓缸。另一種產生運動功能采用電動效應。實現電動效應的結構已經標準化。根據控制需要，選擇伺服電機。對二級板收集中檢測位置功能采用檢測位置采用的效應是壓電效應，實現這種效應的結構傳感器已經標準化，并且能夠輸出電信號控制氣壓缸的運動。

至此，功能元已經全部求解。需要對相鄰結構進行連續性判斷。接下來可以布置部件和確定連接方式。布置機架，以放置和固定各種零部件。

4 木板分揀碼垛機的結構設計

4.1 機架

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

4.2 分揀裝置

包括木板壓緊裝置，一級二級板分揀均采用氣缸驅動分揀撥片。氣缸收到質量控制信號，動作時，運動的一級木板或二級木板進入另外軌道的輸送帶，進入收集裝置。

4.3 一級板收集裝置

采用兩組壓緊裝置、滾輪軌道和大輥輪裝置及其驅動電機組成。當一級板輸送過來，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，使其跟隨大輥輪轉動實現下放整齊收集。滾輪軌道靜止不動，大輥輪裝置始終處于逆時針轉動。

4.4 二級板收集裝置

采用兩組二級板放板過橋及其驅動氣缸，過橋實現將二級板接住并下方到波輪裝置上，在二級板放板過橋的外側分別有一組二級板收板波輪及其驅動電機，兩側二級板收集波輪旋轉方向相反，角速度相同，實現將二級板緩慢整齊收集。

5 結束語

概念設計決定了產品的功能和原理，以及初步的結構。功能分解過程中效應的應用有利于高級別創新的產生。本設計遵循功能設計流程，進行了木板分揀碼垛機的設計，采用氣缸驅動的分揀撥片可以實現快速分揀，同時一二級木板的收集裝置均能實現平穩接板并整齊碼放。樣機試驗效果證明開發的木板分揀碼垛機，比市場上采用活門分揀的機械，生產效率明顯提高，對高速旋切流水線更具適應性。同時也驗證了在產品設計過程中遵循功能設計流程展開，并利用效應知識能夠高效地進行產品設計。

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