凍干系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)出料設(shè)計(jì)方案綜合評價(jià)與分析

丁 瑾， 葛正浩*， 程麗華

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.上海東富龍科技股份有限公司，上海 201108)

凍干系統(tǒng)是應(yīng)用真空冷凍干燥技術(shù)，使物質(zhì)在真空、無菌、低溫條件下脫水干燥的工藝系統(tǒng)，在醫(yī)藥、生物工程、食品等領(lǐng)域廣泛使用，其中自動(dòng)進(jìn)出料為凍干系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)將物質(zhì)推送至凍干機(jī)中的裝備，以避免操作人員與原料接觸，最大程度實(shí)現(xiàn)凍干過程的無菌條件。目前市場對制藥裝備的外觀、操作便捷性等要求很高。為應(yīng)對國際醫(yī)藥市場日益激烈的競爭，需將工業(yè)設(shè)計(jì)引入制藥裝備的設(shè)計(jì)制造過程中。當(dāng)確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，往往是由具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專家對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)并選擇最佳方案，所選擇的方案完全由專家的主觀意志決定。為避免選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)一家之言的現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了探討。

李曉英等[1]構(gòu)建動(dòng)態(tài)賦權(quán)方式，通過削弱不同專家間評價(jià)結(jié)果差異度獲得結(jié)果。專家間評價(jià)結(jié)果差異較大時(shí)，需不斷重復(fù)使結(jié)果滿足要求。當(dāng)專家人數(shù)較多時(shí)，完成該方法所需成本較高。趙大興等[2]采用層次分析法預(yù)測用戶意圖，但僅由層次分析法所得結(jié)果主觀性較強(qiáng)，沒有兼顧到指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性。蘇曼[3]使用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對多目標(biāo)因子關(guān)聯(lián)度進(jìn)行評估，但各因子間權(quán)重系數(shù)相同，所得結(jié)果精確度降低。Amir等[4]應(yīng)用D數(shù)偏好關(guān)系改進(jìn)層次分析法(analytic hierarchy process method extended by D numbers preference relation，D-AHP)，通過應(yīng)用模糊偏好關(guān)系的概念擴(kuò)展了傳統(tǒng)的AHP法，但由于其數(shù)值可靠性與專家的認(rèn)知能力相關(guān)且信息的可信度尚未得到進(jìn)一步深入研究，該方法不能直接應(yīng)用于實(shí)際。Sun等[5]將模糊集應(yīng)用于灰色關(guān)聯(lián)度分析中，將斜率與灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合識別問題，但各因素權(quán)重相同，所得結(jié)果準(zhǔn)確性降低。

基于以上分析，采用層次分析法-灰色關(guān)聯(lián)度分析法評價(jià)設(shè)計(jì)方案的流程。應(yīng)用Siemens Tecnomatix Jack 人機(jī)仿真軟件為設(shè)計(jì)方案提供設(shè)計(jì)方向。采用灰色關(guān)聯(lián)度選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)，引入層次分析法計(jì)算各因素權(quán)重系數(shù)，用定性和定量相結(jié)合的方法使結(jié)果更具有可靠性。以上海東富龍科技股份有限公司凍干系統(tǒng)中固定式自動(dòng)進(jìn)出料為研究對象，根據(jù)各因子對方案影響程度分析[6]，以客觀方式選擇最優(yōu)方案。

1 設(shè)計(jì)對象分析

(1)環(huán)境影響。醫(yī)用凍干系統(tǒng)中固定式自動(dòng)進(jìn)出料置于藥廠無菌車間，對該設(shè)備需定期清潔。設(shè)計(jì)過程中要考慮到自動(dòng)進(jìn)出料易清潔問題，即所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品應(yīng)盡量避免清潔死角。

(2)使用人群影響。當(dāng)進(jìn)行常規(guī)維護(hù)或修理時(shí)，應(yīng)使自動(dòng)進(jìn)出料外罩殼易拆卸，以降低拆卸動(dòng)作對操作人員肢體的損傷。

(3)美觀性影響。圖1所示為自動(dòng)進(jìn)出料原型，該產(chǎn)品在工作狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性，但因其外型單調(diào)、乏味使得市場競爭力降低。由于所處環(huán)境的特殊性，不能改變其原材料，需要通過線條的變化改變造型。

(4)其他影響。設(shè)計(jì)時(shí)考慮產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，能否易生產(chǎn)并且生產(chǎn)出的產(chǎn)品實(shí)際效果與預(yù)期效果差距較小。

2 人機(jī)工程仿真

圖1 自動(dòng)進(jìn)出料裝置原型Fig.1 Prototype of automatic feeding and discharging device

為使自動(dòng)進(jìn)出料的設(shè)計(jì)方案能更好地滿足藥廠職工操作要求，應(yīng)用Siemens Tecnomatix Jack軟件[7]對人拆卸、擦拭自動(dòng)進(jìn)出料外殼的動(dòng)作進(jìn)行分析。根據(jù)人體分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]，達(dá)到設(shè)計(jì)方案美觀的同時(shí)也使之更適合于人的操作。

2.1 模型構(gòu)建

Siemens Tecnomatix Jack軟件包含多個(gè)國家人體尺寸，考慮到完成拆卸維護(hù)工作多為男性、完成擦拭工作則多為女性，而藥廠職工人數(shù)較多，因此選用第95百分位的中國成年男、女人體模型進(jìn)行分析，并將自動(dòng)進(jìn)出料原型也導(dǎo)入軟件中。

2.2 操作自動(dòng)進(jìn)出料原型仿真分析

2.2.1 拆卸自動(dòng)進(jìn)出料外殼動(dòng)作分析

自動(dòng)進(jìn)出料外殼通過左側(cè)連接板與隔離器相連接，操作人員拆卸外殼過程分為兩個(gè)動(dòng)作：外殼向右抽出，將右側(cè)端外殼向下壓。通過對拆卸外殼動(dòng)作中肢體各部位受力強(qiáng)度進(jìn)行分析，得出圖2所示的分析結(jié)果。完成該動(dòng)作過程中，操作人員肢體受到的平均力較其他部位較高。對肢體各個(gè)關(guān)鍵部位動(dòng)作幅度分析可知，腰部動(dòng)作幅度相對較大。后續(xù)設(shè)計(jì)中，需考慮到拆卸外殼對操作人員腰部的影響，應(yīng)盡量降低腰部動(dòng)作幅度。

2.2.2 清潔自動(dòng)進(jìn)出料外殼動(dòng)作分析

當(dāng)操作人員清潔自動(dòng)進(jìn)出料時(shí)，可將手掌作為分析對象，得到手掌可達(dá)域。根據(jù)分析結(jié)果可知，清潔面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體不動(dòng)時(shí)手掌可接觸到的最大面積，所以清潔外殼的動(dòng)作需不斷變化。在以蹲姿清潔外殼下半部分時(shí)，身體各部位受力情況如圖3所示，肢體平均受力最高，經(jīng)分析腰部所受強(qiáng)度相對較大。在方案設(shè)計(jì)過程中依據(jù)分析結(jié)果減少的多余空間，可減少操作人員的動(dòng)作和以蹲姿完成清潔工作的時(shí)間，使清潔工作能更高效、輕松地完成。

圖2 拆卸自動(dòng)進(jìn)出料外殼原型肢體受力分析Fig.2 Limb stress analysis of removing the outer casing of the automatic feeding and discharging prototype

圖3 以蹲姿完成清潔工作的肢體受力分析Fig.3 Limb stress analysis of the cleaning work done in a kneeling position

2.3 設(shè)計(jì)方案與分析

2.3.1 方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)進(jìn)出料內(nèi)部僅有推桿和電機(jī)，其內(nèi)部大量空余空間可基于人機(jī)仿真分析結(jié)果以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由以上結(jié)果可知，自動(dòng)進(jìn)出料右下端部位可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

當(dāng)去掉右下端部分空間后，操作者完成拆卸外殼動(dòng)作過程中，去掉部分空間增加的面可以使手掌直接與之接觸，降低操作者手掌疲勞感；由于增加手掌的受力面，間接固定了手掌在外殼上放置的位置，使得腰部彎曲的度數(shù)減小，減輕拆卸動(dòng)作導(dǎo)致的腰部損傷。操作者完成清潔動(dòng)作過程中，右下端空間的減少會明顯減少操作者以蹲姿進(jìn)行清潔的時(shí)間，減少對腰部持續(xù)損傷的時(shí)間；外殼的總面積減小，也可以減少操作人員動(dòng)作。

設(shè)計(jì)出4個(gè)自動(dòng)進(jìn)出料方案如圖4所示。為使操作者能夠以更舒適的姿勢完成工作任務(wù)，去掉其中一部分空間，在滿足易維護(hù)、易清潔兩個(gè)因素方面，4種設(shè)計(jì)方案各有優(yōu)劣。由于自動(dòng)進(jìn)出料工作狀態(tài)穩(wěn)定、流暢，因此方案設(shè)計(jì)以“簡潔”“穩(wěn)重”“動(dòng)感”“科技感”作為設(shè)計(jì)主題，4個(gè)造型呈現(xiàn)出不同的風(fēng)格，與原型相比設(shè)計(jì)感大幅度提升。對影響產(chǎn)品的幾個(gè)因素綜合分析，選擇最優(yōu)方案。

2.3.2 設(shè)計(jì)方案分析

將以上4個(gè)方案導(dǎo)入Siemens Tecnomatix Jack軟件，對拆卸自動(dòng)進(jìn)出料外殼做動(dòng)作仿真分析。由分析結(jié)果可知，操作者拆卸自動(dòng)進(jìn)出料原型外殼時(shí)，肢體平均最大受力為400 N·m，經(jīng)改進(jìn)后，肢體平均最大受力減小，如圖5所示。以上4種設(shè)計(jì)方案相對于設(shè)計(jì)前對操作者腰部的保護(hù)增強(qiáng)。

圖4 自動(dòng)進(jìn)出料裝置設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design scheme of automatic feeding and discharging device

圖5 拆卸動(dòng)作仿真分析結(jié)果Fig.5 Simulation result of disassembling action

3 分析評價(jià)設(shè)計(jì)方案

3.1 綜合評價(jià)設(shè)計(jì)方案

基于設(shè)計(jì)結(jié)果以及人機(jī)仿真結(jié)果，若直接采用灰色關(guān)聯(lián)度分析則默認(rèn)幾個(gè)影響因素在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)所起到權(quán)重占比相同，然而在實(shí)際情況下幾個(gè)影響因素對設(shè)計(jì)方案選擇的影響作用不同[9-11]。因此需采用層次分析法判斷各因素權(quán)重，再利用灰色關(guān)聯(lián)度分析選擇最佳方案。

3.1.1 應(yīng)用層次分析法

(1)根據(jù)各影響因素，建立相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)為盡量提高后續(xù)運(yùn)算的精度，采用1～9級整數(shù)標(biāo)度體系，組織與之相關(guān)的專家針對每一個(gè)影響設(shè)計(jì)方案的因素兩兩之間進(jìn)行比較，構(gòu)造AHP判斷矩陣。

(1)

3.1.2 應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法

(1)獲取原始數(shù)據(jù)并確定參考數(shù)據(jù)列作為選擇設(shè)計(jì)方案影響因素組成的參考數(shù)據(jù)列，最理想狀態(tài)為各因素都處于最佳狀態(tài)，則各因素處于最高評分的選項(xiàng)作為參考數(shù)列，記為X0。由于是不同專家根據(jù)不同影響因素對不同方案進(jìn)行打分所得的結(jié)果，則記第n個(gè)影響因素值為Xi(n)，n=1,2,…,n。參考序列為X0={X0(1),X0(2),…,X0(n)}。

(2)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。由于各影響因素的評分在數(shù)量級上有差異，不便于比較，因此對原始數(shù)列無量綱化處理。設(shè)打分?jǐn)?shù)列為Xi={Xi(1),Xi(2)，…,Xi(n)}，n=1,2,…,n。Xi為一組原始數(shù)列，當(dāng)數(shù)據(jù)間沒有明顯升降趨勢時(shí)，采用均質(zhì)化法代入式(2)處理數(shù)據(jù)。

(2)

式(2)中：X′i為專家打分結(jié)果經(jīng)無量綱化處理所得值。

另一方面，由于工場手工業(yè)沒有能力滿足資本主義生產(chǎn)方式促進(jìn)和擴(kuò)大生產(chǎn)的需求，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代大工業(yè)。更多的原材料、更大的銷售市場是資本主義大工業(yè)發(fā)展的需要，這迫使資產(chǎn)階級在世界范圍內(nèi)尋求原料基地，開拓銷售渠道，打破一切阻礙世界市場的障礙和壁壘。隨著世界市場的建立與發(fā)展，流通和交換突破地域的限制，使物質(zhì)和精神在世界范圍內(nèi)流動(dòng)，人們實(shí)現(xiàn)了最大限度的普遍交往，使資本主義生產(chǎn)方式的文明得以在世界范圍內(nèi)傳播，世界歷史由此形成。

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。設(shè)經(jīng)過上述處理后的參考數(shù)列為X′0={X′0(1)，X′0(2)，…，X′0(n)}，比較數(shù)列為X′i={X′i(1),Xi(2),…,Xi(n)}，i=1,2,…,k。通過計(jì)算參考數(shù)列與比較數(shù)列間的差值，得出兩極最大差與最小差，另引用分辨系數(shù)ρ以削弱因數(shù)據(jù)差異過大使得關(guān)聯(lián)系數(shù)失真的問題。應(yīng)用式(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

R0i(k)=

(3)

式(3)中：R0i(k)為所得關(guān)聯(lián)系數(shù)。

將上述所得數(shù)據(jù)乘以各因素對應(yīng)的權(quán)重，使得所比較的數(shù)列更加具有客觀真實(shí)性。

(4)

式(4)中：Ri(k)為第i個(gè)方案的關(guān)聯(lián)度。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

設(shè)可供選擇的4個(gè)影響設(shè)計(jì)方案的因素為美觀性、易生產(chǎn)、易維護(hù)、易清潔，建立相應(yīng)的層次模型，如圖6所示。

采用1～9級整數(shù)標(biāo)度體系將4個(gè)影響因素兩兩對比，并將獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)用式(1)進(jìn)行計(jì)算，得出各影響因素的權(quán)重系數(shù)，結(jié)果如表1所示。

圖6 層次模型Fig.6 Hierarchical model

表1 影響因素的權(quán)重系數(shù)

根據(jù)結(jié)果可知，各影響因素權(quán)重排序?yàn)槊烙^性>易生產(chǎn)>易清潔>易維護(hù)，在進(jìn)行分析時(shí)，可將其權(quán)重代入灰色關(guān)聯(lián)度分析法中，得到更為精確的評價(jià)結(jié)果。

3.2.2 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

(1)獲取原始數(shù)據(jù)并確定參考數(shù)據(jù)列。為使評價(jià)數(shù)據(jù)可以包含更多信息，更加具有代表性，特邀請5位相關(guān)領(lǐng)域的專家對不同方案的各影響因素進(jìn)行打分，其中包括2名專門從事工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家、2名設(shè)計(jì)自動(dòng)進(jìn)出料結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)專家、1名資深生產(chǎn)部門領(lǐng)導(dǎo)。由5名專家對方案的各影響因素進(jìn)行1～9級打分。通過匯總5組打分信息，將各因素最大值提取出來，作為參考序列X0。

(2)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。將原始數(shù)列代入式(2)，消除數(shù)據(jù)數(shù)量級差異。

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。將上述所得數(shù)據(jù)與參考數(shù)列求差值，得出兩極最大差Δmax=0.808 8與最小差Δmin=0.011 2，為削弱數(shù)據(jù)差距過大降低結(jié)果的參考性，特取ρ=0.2，并乘3.2.1節(jié)所得各影響因素權(quán)重代入式(3)得到關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(4)計(jì)算關(guān)聯(lián)度并進(jìn)行比較。由于關(guān)聯(lián)程度過于分散，將上述結(jié)果代入式(4)得到各設(shè)計(jì)方案關(guān)聯(lián)度如表2所示。根據(jù)結(jié)果可知關(guān)聯(lián)度R(方案2)>R(方案3)>R(方案1)>R(方案4)。

表2 關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

3.2.3 結(jié)果分析

由于4個(gè)影響因素對設(shè)計(jì)方案選擇的影響程度不同，經(jīng)層次分析法判斷各影響因素權(quán)重分別為W美觀性=0.311，W易生產(chǎn)=0.270，W易維護(hù)=0.205，W易清潔=0.213，將各權(quán)重代入灰色關(guān)聯(lián)度分析法計(jì)算中可得灰色關(guān)聯(lián)度分別為R方案1=0.148，R方案2=0.161，R方案3=0.152，R方案4=0.127，根據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)選擇方案2為最終設(shè)計(jì)方案。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)該方式的可靠性，另邀請上海東富龍科技股份有限公司20名專家匿名對以上4種方案根據(jù)自動(dòng)進(jìn)出料在實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)過程會遇到的實(shí)際問題進(jìn)行評審并選擇最優(yōu)方案。經(jīng)評審會討論，有17名專家選擇方案2，3名專家選擇方案3。該結(jié)果與層次分析法-灰色關(guān)聯(lián)度分析所得結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過分析影響自動(dòng)進(jìn)出料設(shè)計(jì)方案選擇的影響因素，應(yīng)用Siemens Tecnomatix Jack人機(jī)仿真軟件對設(shè)計(jì)方向以及設(shè)計(jì)方案合理性的與人有關(guān)的因素進(jìn)行分析，利用層次分析法獲得各影響因素的權(quán)重，再用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析各影響因素與待選擇的設(shè)計(jì)方案間的關(guān)系，通過分析結(jié)果確定設(shè)計(jì)方案的過程中得到以下結(jié)論：

(1)利用Siemens Tecnomatix Jack人機(jī)仿真軟件對產(chǎn)品原型進(jìn)行分析，可得到后續(xù)設(shè)計(jì)方向。

(2)以量化的方式對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評估與分析，盡量削弱個(gè)人主觀因素對方案確定的干擾，避免一家之言。

本研究沒有囊括在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中影響自動(dòng)進(jìn)出料設(shè)計(jì)方案的全部影響因素，并且在權(quán)重分析中獲得的原始數(shù)據(jù)較單一，該部分需要更加深入討論。