鋰錳扣式電池自動(dòng)組裝生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)

　　隨著我國(guó)加入WTO 并逐步與國(guó)際市場(chǎng)接軌，高性能電池的使用量正大幅度增加，作為扣式電池一種的鋰錳電池正是其中之一。本文旨在依據(jù)公理化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念解決自動(dòng)組裝生產(chǎn)線系統(tǒng)這一難題。

　　公理化設(shè)計(jì)理論將機(jī)電產(chǎn)品作為整體的系統(tǒng)來(lái)看待，通過(guò)對(duì)功能需求域及設(shè)計(jì)參數(shù)域進(jìn)行的解耦與耦合分析，得出最合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

　　1 公理化設(shè)計(jì)理論簡(jiǎn)述

　　公理化設(shè)計(jì)理論(Axiomatic Design Theory)是由美國(guó)麻省理工大學(xué)的Nam P.Suh 提出的。這種理論將信息量引入設(shè)計(jì)過(guò)程，是一種可量化的設(shè)計(jì)原理。它創(chuàng)造性地將設(shè)計(jì)過(guò)程描述成一種映射過(guò)程，即通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)，在功能需求域(FR)和設(shè)計(jì)參數(shù)域(DP)之間建立映射，映射過(guò)程遵循獨(dú)立性公理和信息公理，如圖1 所示。

　　圖1 原理示意圖

　　獨(dú)立性公理即要求設(shè)計(jì)參數(shù)能保證功能需求的獨(dú)立性，也就是說(shuō)當(dāng)調(diào)整某一個(gè)DP 來(lái)滿足與之對(duì)應(yīng)的FR 時(shí)，不影響其他的FR功能參數(shù)，在設(shè)計(jì)方案中每個(gè)單元都能獨(dú)立地完成與之相關(guān)的所有功能域需求，單元之間只交換相關(guān)數(shù)據(jù)信息，而保持一定程度的相互獨(dú)立性能，這樣同時(shí)也滿足信息公理的要求;信息公理即在滿足功能需求的前提下，使設(shè)計(jì)方案中的信息量最小，這樣能極大地簡(jiǎn)化建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，同時(shí)減少設(shè)計(jì)過(guò)程中不必要因素的影響，降低控制難度和準(zhǔn)確測(cè)量難度，方案更容易實(shí)現(xiàn)。

　　在公理化設(shè)計(jì)理論中，從功能需求域到設(shè)計(jì)參數(shù)域的映射關(guān)系被描述成向量矩陣形式，以便于量化計(jì)算。因此兩者關(guān)系可表示為

　　{FR}=[A]{DP} (1-1)

　　其中{FR}為功能需求域向量表示，{DP}為設(shè)計(jì)參數(shù)域向量表示，[A]稱為設(shè)計(jì)矩陣(Design Matrix)。根據(jù)獨(dú)立性公理的要求，當(dāng)功能需求向量個(gè)數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)向量個(gè)數(shù)相等時(shí)，[A]呈現(xiàn)對(duì)角方陣，即

　　A={Aij=0 i≠j;Aij=1 i=j}

　　此時(shí)，[A]為非耦合矩陣，這樣的設(shè)計(jì)為非耦合設(shè)計(jì)。這是滿足獨(dú)立性公理的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也是信息量最少的設(shè)計(jì)方案。在不能完全滿足獨(dú)立性公理的時(shí)候，則需要采用解耦的方法，將[A]轉(zhuǎn)變?yōu)橄氯蔷仃?，這樣可以通過(guò)順序調(diào)整各設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)滿足功能需求，調(diào)整時(shí)不影響已滿足的功能需求，其信息量在特定范圍內(nèi)為最小，這種設(shè)計(jì)稱為解耦設(shè)計(jì)。信息量則以功能需求成功概率的倒數(shù)的對(duì)數(shù)來(lái)定義，即對(duì)于一個(gè)在基本取值全程上精度分布為均勻的功能需求來(lái)說(shuō)，其信息量為

　　I=log(L/2ΔL) (1-2)

　　其中，在L 上得到L 精確值的概率

　　p=2ΔL/L (1-3)

　　在這里，L 為某一FR 的基本值，±ΔL 為其精度范圍。為了應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算信息量，習(xí)慣于用二進(jìn)制位數(shù)度量信息量，多取底數(shù)為2 的對(duì)數(shù)。這樣，設(shè)計(jì)對(duì)象的總信息量即為

　　IT=ΣIj (1-4)

　　根據(jù)信息公理的要求，設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡力使IT 最小，以較小的復(fù)雜性滿足功能需求。

　　從一個(gè)完整的機(jī)電系統(tǒng)來(lái)看，依據(jù)公理化設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)過(guò)程可以量化為對(duì)功能需求域和設(shè)計(jì)參數(shù)域的信息量計(jì)算。[3]通過(guò)對(duì)FR 和DP 的系統(tǒng)性分析，得到非耦合性設(shè)計(jì)。對(duì)于不能得到非耦合設(shè)計(jì)的，采用解耦的辦法得到優(yōu)化的解耦設(shè)計(jì)。同時(shí)分別計(jì)算功能需求信息量和設(shè)計(jì)參數(shù)信息量，其中設(shè)計(jì)參數(shù)又分為結(jié)構(gòu)參數(shù)和時(shí)域控制參數(shù)，將計(jì)算的信息量進(jìn)行比較。在保證設(shè)計(jì)域信息量滿足功能域信息量的要求情況下，依據(jù)兩條設(shè)計(jì)公理，尋求獨(dú)立性最好的最小信息量設(shè)計(jì)方案，即最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

　　相等時(shí)，[A]呈現(xiàn)對(duì)角方陣，即

　　A={Aij=0 i≠j;Aij=1 i=j}

　　此時(shí)，[A]為非耦合矩陣，這樣的設(shè)計(jì)為非耦合設(shè)計(jì)。這是滿足獨(dú)立性公理的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也是信息量最少的設(shè)計(jì)方案。在不能完全滿足獨(dú)立性公理的時(shí)候，則需要采用解耦的方法，將[A]轉(zhuǎn)變?yōu)橄氯蔷仃嚕@樣可以通過(guò)順序調(diào)整各設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)滿足功能需求，調(diào)整時(shí)不影響已滿足的功能需求，其信息量在特定范圍內(nèi)為最小，這種設(shè)計(jì)稱為解耦設(shè)計(jì)。信息量則以功能需求成功概率的倒數(shù)的對(duì)數(shù)來(lái)定義，即對(duì)于一個(gè)在基本取值全程上精度分布為均勻的功能需求來(lái)說(shuō)，其信息量為

　　I=log(L/2ΔL) (1-2)

　　其中，在L 上得到L 精確值的概率

　　p=2ΔL/L (1-3)

　　IT=ΣIj (1-4)

　　根據(jù)信息公理的要求，設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡力使IT 最小，以較小的復(fù)雜性滿足功能需求。

　　2 鋰錳扣式電池組裝工藝

　　以CR2032 組裝工藝為例，需要在帶有集流網(wǎng)、負(fù)極片的負(fù)極殼體內(nèi)依次加入隔膜和飽浸電解液的正極片，并在保證電解液完全滲透的前提下，加蓋正極殼體并封口。經(jīng)過(guò)廣泛的市場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)相關(guān)廠家要求，確定以下成熟工藝。

　　2.1 傳送符合要求的負(fù)極殼體進(jìn)入生產(chǎn)線系統(tǒng)

　　負(fù)極片是直徑為16mm，厚度約為0.4mm 的鋰片。要求把集流網(wǎng)點(diǎn)焊在負(fù)極殼底部，并把負(fù)極片壓在集流網(wǎng)上，使其接觸良好。這種負(fù)極殼體通過(guò)傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)入生產(chǎn)線，作為整個(gè)系統(tǒng)的基本物流。

　　2.2 剪切隔膜紙，并壓入負(fù)極殼體

　　一般采用聚丙烯隔膜，依靠剪切機(jī)構(gòu)裁成直徑約為18.8mm 的圓片，然后由壓入機(jī)構(gòu)入殼。

　　2.3 加入以MnO2 為主要材料的正極片，并保證電解液浸透容量

　　正極片是直徑約為16mm，厚度約為2mm 的復(fù)合材料圓片，其主要材料為MnO2。正極片必須充分浸透電解液以保證放電時(shí)間及電池容量的性能參數(shù)，并通過(guò)控制補(bǔ)液時(shí)序避免電液揮發(fā)的影響。

　　2.4 覆蓋正極殼體，調(diào)整規(guī)正后封口并退料

　　傳送正極鋼殼到上料位置，覆蓋已完成滲透的負(fù)極殼體，并在規(guī)整機(jī)構(gòu)作用下進(jìn)入封口模具，完成封口工作，最后退出成品。

　　3 方案論證過(guò)程流程

　　依據(jù)以上組裝工藝要求對(duì)功能需求域進(jìn)行分析，然后提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)解耦和耦合計(jì)算，形成符合獨(dú)立性公理的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案進(jìn)行量化分析，根據(jù)信息公理評(píng)判方案的優(yōu)劣與好壞。值得注意的是，由于以組裝工藝為基本依據(jù)，無(wú)論FR 域還是DP 域，每個(gè)因素在實(shí)行范圍內(nèi)所占的比例各不相同，因此在方案論證時(shí)應(yīng)注意增加權(quán)重因素。

　　具體方案論證的實(shí)施流程由圖2 表示。