基于功能设计的木板分拣码垛机概念设计

霍孟显+刘宏勋+梁君宁

摘 要：目前市场上，木板旋切分级流水线普遍采用的活门分拣不能够适应提高木板输送速度、提高效率的要求。公司立项开发一种可将输送带上连续过来的木板，根据质量分级，并按级收集，码垛效果好的木板分拣码垛机。文章根据系统化概念设计理论与TRIZ理论的效应，遵循功能设计流程，进行木板分拣码垛机的概念设计，并进一步进行结构设计。产品样机的使用效果证明了此次设计的产品的先进性。同时也验证了功能设计流程对于产品设计的指导性。

关键词：概念设计；功能设计；木板分拣码垛机

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0096-02

引言

目前市场上木板旋切分级流水线上，木板分级码垛主要依靠传感器检测、活门分拣，但是该结构的主要缺陷是响应速度慢，故障率高，从木板分级、收集和码垛效率和可靠性因素等方面看，活门分拣已经不能够适应提高木板输送速度、提高效率的要求。该项开发任务是设计一种可将输送带上连续过来的木板根据质量分级，并按级收集，码垛效果好且结构简单，使用方便的木板分拣码垛机。

1 概念设计

概念设计是产品设计的前端。概念设计的主要任务是根据设计任务，抽象设计产品的功能结构，选用恰当的作用原理并适当地组合实现具体化，获得原理层面上的产品求解。

20世纪70年代，德国柏林工业大学的Pahl和Beitz教授提出的系统化设计思想认为产品设计是一个系统的连续地具体化过程。在产品的开发和设计实践中，从抽象的设计要求出发，不断具体化，完成设计。系统化概念设计理论提出了概念设计的操作规范，给产品设计者提供流程指导。

2 功能设计

功能设计是主要在功能、原理层面上对产品进行设计。其基本思想是基于功能对产品进行具体化求解。其基本过程是：设计人员根据用户需求抽象出产品的总功能，并将总功能分解为分功能及功能元，并且绘制由功能与能量、物料、信号三种流组成的网络结构即可得到待设计产品的功能结构，实现功能层面上的产品求解；接下来确定实现每个功能元的原理解，并将所有功能元的原理解组合得到待设计产品的原理解，实现产品在原理层面上的求解和初步结构信息。

为了利于使用功能结构进行交流，功能结构的绘制应当使用一套统一的标准符合。目前比较流行的符号如下图1（左）所示。

3 木板分拣码垛机的概念设计

设计一种可将输送带上连续过来的木板根据质量分级，并按级收集，码垛效果好，结构简单并且使用方便的木板分拣码垛机。

第1阶段 用户需求分析

在木板生产流水线上，实现木板快速分拣收集码垛。

第2阶段 木板分拣码垛机功能设计

（1）功能分解

抽象确定木板分拣码垛机总功能。

用户需求分析确定木板分拣码垛机的总功能是连续地分拣收集木板，见图1（右）。

将总功能分解为移动木板、分拣木板和收集木板功能。

对移动木板功能进行分解。质量等级未知的木板从旋切机出来，这需要移动木板的功能，保证木板以既定的速度输送，满足前一工序的节拍，在效应知识库中搜索实现移动固体功能的效应，遵循面向原理的可持续性设计准则评价效应集，选择摩擦。摩擦现象的输出流是运动木板，没有副作用。进行输入流分析，摩擦力和运动。运动需要增加产生运动功能，在效应知识库中搜索实现产生机械能的效应，在这里选择电动效应。电动效应的输出流是：运动。没有副作用。继续进行输入流分析：输入流有电能和控制信号，控制信号来源于运动速度。需要增加检测速度功能。

对分拣功能进行分解。分拣依据木板质量，首先需要检测木板功能，在效应知识库中搜索检测功能的效应，选择传感器可以实现，检测木板功能输入电能，输出质量信号及控制信号。把检测确定的残次品从运动的木板中分离出来的功能是控制木板的位移，使残次品与质量等级高的木板的位移不同，实现分拣，另一种分拣是使一级板和二级板位移不同实现分拣，输入流是连续运动的木板，质量信号控制和机械能，输出流是按质量分离的木板。在效应知识库中搜索实现控制运动物体位移功能的效应，选用道路分离，使移动着的不同质量等级的木板进入不同的输送轨道。道路分离输入流是位移和控制信号，控制信号来源于检测木板功能的输出流，位移输入流需要增加产生位移功能，在效应知识库中搜索实现运动的效应，在这里选择帕斯卡效应。帕斯卡效应的输入流是气压可以从超系统中获得。

对收集木板功能进行分解。输入流是运动的木板，输出流是静止的码放整齐的木板，在效应知识库中搜索使物体停止功能的效应，在这里选择摩擦效应。输入流是摩擦力。需要增加产生运动功能，使执行机构和木板接触产生摩擦力，在效应知识库中搜索实现机械能的效应，在这里选择电动效应。电动效應的输出流是：运动。没有副作用。继续进行输入流分析：输入流有电能和控制信号，控制信号来源于木板位置。需要增加检测位置功能。

至此总功能分解完毕，功能元的输入流可以从系统及超系统中的资源获得，并且输出流具有可持续性。确定分功能及功能元，并按功能关系绘制功能结构，优化功能结构。功能结构如图（中）所示。

（2）功能求解

对移动木板功能的分功能进行求解。产生运动功能采用的效应是电动效应。实现电动效应的结构已经标准化。需要根据控制需要，选择伺服电机。移动木板功能采用的效应是摩擦，选用带输送，利用木板与输送带产生的摩擦力输送木板。检测速度采用的效应是光电效应，实现这种效应的结构传感器已经标准化，并且能够输出电信号控制电机。需要根据传感器性能选择。

对分拣功能的分功能进行求解。测量木板表面质量功能采用的效应是光电效应，实现这种效应的结构传感器已经标准化，并且能够输出电信号控制电机产生运动。需要根据传感器性能选择。控制木板位移功能采用道路分离。产生运动功能采用的效应是帕斯卡效应。根据位移行程需要选择气压缸。

对收集木板功能的分功能进行求解。使物体停止功能采用的效应是摩擦效应，利用摩擦正压力足够大，使木板停止。对一级板收集中检测位置功能采用在圆周上设置一段滚轮轨道，利用夹紧装置驶进驶出滚轮轨道产生压紧和松开的动作，实现控制旋转周期内夹紧时长。一级板收集功能中产生运动功能采用电动效应。实现电动效应的结构已经标准化。根据控制需要，选择电机。二级板收集功能中，一种产生运动功能采用的效应是帕斯卡效应。根据位移行程需要选择气压缸。另一种产生运动功能采用电动效应。实现电动效应的结构已经标准化。根据控制需要，选择伺服电机。对二级板收集中检测位置功能采用检测位置采用的效应是压电效应，实现这种效应的结构传感器已经标准化，并且能够输出电信号控制气压缸的运动。

至此，功能元已经全部求解。需要对相邻结构进行连续性判断。接下来可以布置部件和确定连接方式。布置机架，以放置和固定各种零部件。

4 木板分拣码垛机的结构设计

4.1 机架

采用方管型材焊接机架，将输送带主动轴及从动轴通过带座球轴承布置及固定，同时将各装置和零部件布置在机架上。

4.2 分拣装置

包括木板压紧装置，一级二级板分拣均采用气缸驱动分拣拨片。气缸收到质量控制信号，动作时，运动的一级木板或二级木板进入另外轨道的输送带，进入收集装置。

4.3 一级板收集装置

采用两组压紧装置、滚轮轨道和大辊轮装置及其驱动电机组成。当一级板输送过来，卡爪的滚轮驶上滚轮轨道，卡爪低头压紧木板，靠摩擦力将木板静止，使其跟随大辊轮转动实现下放整齐收集。滚轮轨道静止不动，大辊轮装置始终处于逆时针转动。

4.4 二级板收集装置

采用两组二级板放板过桥及其驱动气缸，过桥实现将二级板接住并下方到波轮装置上，在二级板放板过桥的外侧分别有一组二级板收板波轮及其驱动电机，两侧二级板收集波轮旋转方向相反，角速度相同，实现将二级板缓慢整齐收集。

5 结束语

概念设计决定了产品的功能和原理，以及初步的结构。功能分解过程中效应的应用有利于高级别创新的产生。本设计遵循功能设计流程，进行了木板分拣码垛机的设计，采用气缸驱动的分拣拨片可以实现快速分拣，同时一二级木板的收集装置均能实现平稳接板并整齐码放。样机试验效果证明开发的木板分拣码垛机，比市场上采用活门分拣的机械，生产效率明显提高，对高速旋切流水线更具适应性。同时也验证了在产品设计过程中遵循功能设计流程展开，并利用效应知识能够高效地进行产品设计。

参考文献：

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