隨著我國加入WTO 并逐步與國際市場接軌，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。本文旨在依據公理化設計理論進行生產系統的方案設計，利用先進的設計理念解決自動組裝生產線系統這一難題。

　　公理化設計理論將機電產品作為整體的系統來看待，通過對功能需求域及設計參數域進行的解耦與耦合分析，得出最合理的優化設計方案。

　　1 公理化設計理論簡述

　　公理化設計理論(Axiomatic Design Theory)是由美國麻省理工大學的Nam P.Suh 提出的。這種理論將信息量引入設計過程，是一種可量化的設計原理。它創造性地將設計過程描述成一種映射過程，即通過選擇適當的設計參數，在功能需求域(FR)和設計參數域(DP)之間建立映射，映射過程遵循獨立性公理和信息公理，如圖1 所示。

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　　圖1 原理示意圖

　　獨立性公理即要求設計參數能保證功能需求的獨立性，也就是說當調整某一個DP 來滿足與之對應的FR 時，不影響其他的FR功能參數，在設計方案中每個單元都能獨立地完成與之相關的所有功能域需求，單元之間只交換相關數據信息，而保持一定程度的相互獨立性能，這樣同時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，使設計方案中的信息量最小，這樣能極大地簡化建立數學模型的過程，同時減少設計過程中不必要因素的影響，降低控制難度和準確測量難度，方案更容易實現。

　　在公理化設計理論中，從功能需求域到設計參數域的映射關系被描述成向量矩陣形式，以便于量化計算。因此兩者關系可表示為

　　{FR}=[A]{DP} (1-1)

　　其中{FR}為功能需求域向量表示，{DP}為設計參數域向量表示，[A]稱為設計矩陣(Design Matrix)。根據獨立性公理的要求，當功能需求向量個數與設計參數向量個數相等時，[A]呈現對角方陣，即

　　A={Aij=0 i≠j;Aij=1 i=j}

　　此時，[A]為非耦合矩陣，這樣的設計為非耦合設計。這是滿足獨立性公理的最優設計方案，同時也是信息量最少的設計方案。在不能完全滿足獨立性公理的時候，則需要采用解耦的方法，將[A]轉變為下三角矩陣，這樣可以通過順序調整各設計參數來滿足功能需求，調整時不影響已滿足的功能需求，其信息量在特定范圍內為最小，這種設計稱為解耦設計。信息量則以功能需求成功概率的倒數的對數來定義，即對于一個在基本取值全程上精度分布為均勻的功能需求來說，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。為了應用電子計算機計算信息量，習慣于用二進制位數度量信息量，多取底數為2 的對數。這樣，設計對象的總信息量即為

　　IT=ΣIj (1-4)

　　根據信息公理的要求，設計方案應盡力使IT 最小，以較小的復雜性滿足功能需求。

　　從一個完整的機電系統來看，依據公理化設計理論，設計過程可以量化為對功能需求域和設計參數域的信息量計算。[3]通過對FR 和DP 的系統性分析，得到非耦合性設計。對于不能得到非耦合設計的，采用解耦的辦法得到優化的解耦設計。同時分別計算功能需求信息量和設計參數信息量，其中設計參數又分為結構參數和時域控制參數，將計算的信息量進行比較。在保證設計域信息量滿足功能域信息量的要求情況下，依據兩條設計公理，尋求獨立性最好的最小信息量設計方案，即最優的設計方案。

　　相等時，[A]呈現對角方陣，即

　　A={Aij=0 i≠j;Aij=1 i=j}

　　此時，[A]為非耦合矩陣，這樣的設計為非耦合設計。這是滿足獨立性公理的最優設計方案，同時也是信息量最少的設計方案。在不能完全滿足獨立性公理的時候，則需要采用解耦的方法，將[A]轉變為下三角矩陣，這樣可以通過順序調整各設計參數來滿足功能需求，調整時不影響已滿足的功能需求，其信息量在特定范圍內為最小，這種設計稱為解耦設計。信息量則以功能需求成功概率的倒數的對數來定義，即對于一個在基本取值全程上精度分布為均勻的功能需求來說，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。為了應用電子計算機計算信息量，習慣于用二進制位數度量信息量，多取底數為2 的對數。這樣，設計對象的總信息量即為

　　IT=ΣIj (1-4)

　　根據信息公理的要求，設計方案應盡力使IT 最小，以較小的復雜性滿足功能需求。

　　從一個完整的機電系統來看，依據公理化設計理論，設計過程可以量化為對功能需求域和設計參數域的信息量計算。[3]通過對FR 和DP 的系統性分析，得到非耦合性設計。對于不能得到非耦合設計的，采用解耦的辦法得到優化的解耦設計。同時分別計算功能需求信息量和設計參數信息量，其中設計參數又分為結構參數和時域控制參數，將計算的信息量進行比較。在保證設計域信息量滿足功能域信息量的要求情況下，依據兩條設計公理，尋求獨立性最好的最小信息量設計方案，即最優的設計方案。

　　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、負極片的負極殼體內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。經過廣泛的市場調研，根據相關廠家要求，確定以下成熟工藝。

　　2.1 傳送符合要求的負極殼體進入生產線系統

　　負極片是直徑為16mm，厚度約為0.4mm 的鋰片。要求把集流網點焊在負極殼底部，并把負極片壓在集流網上，使其接觸良好。這種負極殼體通過傳送機構進入生產線，作為整個系統的基本物流。

　　2.2 剪切隔膜紙，并壓入負極殼體

　　一般采用聚丙烯隔膜，依靠剪切機構裁成直徑約為18.8mm 的圓片，然后由壓入機構入殼。

　　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間及電池容量的性能參數，并通過控制補液時序避免電液揮發的影響。

　　2.4 覆蓋正極殼體，調整規正后封口并退料

　　傳送正極鋼殼到上料位置，覆蓋已完成滲透的負極殼體，并在規整機構作用下進入封口模具，完成封口工作，最后退出成品。

　　3 方案論證過程流程

　　依據以上組裝工藝要求對功能需求域進行分析，然后提出相應的設計參數。通過解耦和耦合計算，形成符合獨立性公理的設計方案，并對方案進行量化分析，根據信息公理評判方案的優劣與好壞。值得注意的是，由于以組裝工藝為基本依據，無論FR 域還是DP 域，每個因素在實行范圍內所占的比例各不相同，因此在方案論證時應注意增加權重因素。

　　具體方案論證的實施流程由圖2 表示。

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　　圖2 方案論證過程流程