基于功能設(shè)計的木板分揀碼垛機(jī)概念設(shè)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(yīng)提高木板輸送速度、提高效率的要求。公司立項開發(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，并按級收集，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)計理論與TRIZ理論的效應(yīng)，遵循功能設(shè)計流程，進(jìn)行木板分揀碼垛機(jī)的概念設(shè)計，并進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。產(chǎn)品樣機(jī)的使用效果證明了此次設(shè)計的產(chǎn)品的先進(jìn)性。同時也驗證了功能設(shè)計流程對于產(chǎn)品設(shè)計的指導(dǎo)性。

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

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)的主要缺陷是響應(yīng)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(jīng)不能夠適應(yīng)提高木板輸送速度、提高效率的要求。該項開發(fā)任務(wù)是設(shè)計一種可將輸送帶上連續(xù)過來的木板根據(jù)質(zhì)量分級，并按級收集，碼垛效果好且結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的木板分揀碼垛機(jī)。

1 概念設(shè)計

概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的前端。概念設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)計任務(wù)，抽象設(shè)計產(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，德國柏林工業(yè)大學(xué)的Pahl和Beitz教授提出的系統(tǒng)化設(shè)計思想認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計是一個系統(tǒng)的連續(xù)地具體化過程。在產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計實踐中，從抽象的設(shè)計要求出發(fā)，不斷具體化，完成設(shè)計。系統(tǒng)化概念設(shè)計理論提出了概念設(shè)計的操作規(guī)范，給產(chǎn)品設(shè)計者提供流程指導(dǎo)。

2 功能設(shè)計

功能設(shè)計是主要在功能、原理層面上對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計。其基本思想是基于功能對產(chǎn)品進(jìn)行具體化求解。其基本過程是：設(shè)計人員根據(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、信號三種流組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即可得到待設(shè)計產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)功能層面上的產(chǎn)品求解；接下來確定實現(xiàn)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(shè)計產(chǎn)品的原理解，實現(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如下圖1（左）所示。

3 木板分揀碼垛機(jī)的概念設(shè)計

設(shè)計一種可將輸送帶上連續(xù)過來的木板根據(jù)質(zhì)量分級，并按級收集，碼垛效果好，結(jié)構(gòu)簡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

（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木板、分揀木板和收集木板功能。

對移動木板功能進(jìn)行分解。質(zhì)量等級未知的木板從旋切機(jī)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(jié)拍，在效應(yīng)知識庫中搜索實現(xiàn)移動固體功能的效應(yīng)，遵循面向原理的可持續(xù)性設(shè)計準(zhǔn)則評價效應(yīng)集，選擇摩擦。摩擦現(xiàn)象的輸出流是運動木板，沒有副作用。進(jìn)行輸入流分析，摩擦力和運動。運動需要增加產(chǎn)生運動功能，在效應(yīng)知識庫中搜索實現(xiàn)產(chǎn)生機(jī)械能的效應(yīng)，在這里選擇電動效應(yīng)。電動效應(yīng)的輸出流是：運動。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，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(jìn)行分解。分揀依據(jù)木板質(zhì)量，首先需要檢測木板功能，在效應(yīng)知識庫中搜索檢測功能的效應(yīng)，選擇傳感器可以實現(xiàn)，檢測木板功能輸入電能，輸出質(zhì)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(zhì)量等級高的木板的位移不同，實現(xiàn)分揀，另一種分揀是使一級板和二級板位移不同實現(xiàn)分揀，輸入流是連續(xù)運動的木板，質(zhì)量信號控制和機(jī)械能，輸出流是按質(zhì)量分離的木板。在效應(yīng)知識庫中搜索實現(xiàn)控制運動物體位移功能的效應(yīng)，選用道路分離，使移動著的不同質(zhì)量等級的木板進(jìn)入不同的輸送軌道。道路分離輸入流是位移和控制信號，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(chǎn)生位移功能，在效應(yīng)知識庫中搜索實現(xiàn)運動的效應(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。

對收集木板功能進(jìn)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(yīng)知識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)生運動功能，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)和木板接觸產(chǎn)生摩擦力，在效應(yīng)知識庫中搜索實現(xiàn)機(jī)械能的效應(yīng)，在這里選擇電動效應(yīng)。電動效應(yīng)的輸出流是：運動。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，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(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

對移動木板功能的分功能進(jìn)行求解。產(chǎn)生運動功能采用的效應(yīng)是電動效應(yīng)。實現(xiàn)電動效應(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。檢測速度采用的效應(yīng)是光電效應(yīng)，實現(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控制電機(jī)。需要根據(jù)傳感器性能選擇。

對分揀功能的分功能進(jìn)行求解。測量木板表面質(zhì)量功能采用的效應(yīng)是光電效應(yīng)，實現(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控制電機(jī)產(chǎn)生運動。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)生運動功能采用的效應(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。對一級板收集中檢測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)生壓緊和松開的動作，實現(xiàn)控制旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)夾緊時長。一級板收集功能中產(chǎn)生運動功能采用電動效應(yīng)。實現(xiàn)電動效應(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)。二級板收集功能中，一種產(chǎn)生運動功能采用的效應(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)生運動功能采用電動效應(yīng)。實現(xiàn)電動效應(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)。對二級板收集中檢測位置功能采用檢測位置采用的效應(yīng)是壓電效應(yīng)，實現(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控制氣壓缸的運動。

至此，功能元已經(jīng)全部求解。需要對相鄰結(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

4.1 機(jī)架

采用方管型材焊接機(jī)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(jī)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(qū)動分揀撥片。氣缸收到質(zhì)量控制信號，動作時，運動的一級木板或二級木板進(jìn)入另外軌道的輸送帶，進(jìn)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(qū)動電機(jī)組成。當(dāng)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(zhuǎn)動實現(xiàn)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(zhuǎn)動。

4.4 二級板收集裝置

采用兩組二級板放板過橋及其驅(qū)動氣缸，過橋?qū)崿F(xiàn)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(cè)分別有一組二級板收板波輪及其驅(qū)動電機(jī)，兩側(cè)二級板收集波輪旋轉(zhuǎn)方向相反，角速度相同，實現(xiàn)將二級板緩慢整齊收集。

5 結(jié)束語

概念設(shè)計決定了產(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)用有利于高級別創(chuàng)新的產(chǎn)生。本設(shè)計遵循功能設(shè)計流程，進(jìn)行了木板分揀碼垛機(jī)的設(shè)計，采用氣缸驅(qū)動的分揀撥片可以實現(xiàn)快速分揀，同時一二級木板的收集裝置均能實現(xiàn)平穩(wěn)接板并整齊碼放。樣機(jī)試驗效果證明開發(fā)的木板分揀碼垛機(jī)，比市場上采用活門分揀的機(jī)械，生產(chǎn)效率明顯提高，對高速旋切流水線更具適應(yīng)性。同時也驗證了在產(chǎn)品設(shè)計過程中遵循功能設(shè)計流程展開，并利用效應(yīng)知識能夠高效地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。

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