支持再制造升級(jí)的機(jī)械產(chǎn)品綠色模塊劃分方法研究*

康博凱，張秀芬，2，3*，張國(guó)興

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027;3.康力電梯股份有限公司，江蘇 蘇州 215213)

0 引 言

再制造升級(jí),指以產(chǎn)品全壽命周期為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)廢舊產(chǎn)品性能提升為指標(biāo)，以?xún)?yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，修復(fù)、改進(jìn)廢舊產(chǎn)品的一項(xiàng)技術(shù)措施。模塊化設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品再制造升級(jí)性的途徑之一[1,2]。

模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，將產(chǎn)品劃分為不同模塊，構(gòu)建模塊化平臺(tái)，通過(guò)不同模塊組合，形成具有不同功能的產(chǎn)品實(shí)例。模塊劃分一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

薄振一[3]提出了考慮模塊耦合的模塊劃分方案，通過(guò)物理、環(huán)境和成本，分析零件間的關(guān)聯(lián)度，使用復(fù)雜比例評(píng)價(jià)方法對(duì)模塊劃分方案進(jìn)行了評(píng)價(jià);程賢福[4]通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣表達(dá)零部件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用FCM算法對(duì)零部件進(jìn)行了聚類(lèi)，以模塊內(nèi)聚度和模塊間耦合度為目標(biāo)，建立了模塊度準(zhǔn)則，從而得到了合理的模塊劃分方案;蘇梅月[5]提出了基于質(zhì)量屋的再制造產(chǎn)品模塊劃分方法，根據(jù)產(chǎn)品各個(gè)模塊的重要度，運(yùn)用價(jià)值工程理論分析了各個(gè)方案中模塊的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了各模塊的遺傳進(jìn)化，完成了再制造產(chǎn)品的模塊化組合設(shè)計(jì)。

在綠色模塊劃分方面，魏巍[6]提出了基于環(huán)境因子的產(chǎn)品平臺(tái)模塊劃分方法，將綠色理念貫穿產(chǎn)品全生命周期中，通過(guò)引入環(huán)境因子和零部件關(guān)聯(lián)矩陣建立了目標(biāo)函數(shù)，并提出了一種改進(jìn)的免疫克隆多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行問(wèn)題求解。唐濤[7]提出了綠色模塊化設(shè)計(jì)方法，采用零件合并準(zhǔn)則對(duì)零件進(jìn)行合并，接著用綠色準(zhǔn)則和功能準(zhǔn)則對(duì)模塊進(jìn)行劃分;鄧體立[8]提出了基于客戶(hù)需求的產(chǎn)品綠色模塊劃分方法，通過(guò)綜合考慮產(chǎn)品零部件之間的基本屬性和綠色屬性，建立了產(chǎn)品的綜合矩陣，以模塊度為適應(yīng)度函數(shù)，運(yùn)用遺傳算法計(jì)算出了最佳的綠色模塊劃分結(jié)果;JI Y[9]提出了一種面向產(chǎn)品生命周期的有效性驅(qū)動(dòng)的模塊化設(shè)計(jì)方法;YU S[10]通過(guò)考慮功能以及與產(chǎn)品生命周期相關(guān)的屬性，建立了模塊適應(yīng)性聚類(lèi)函數(shù)，采用成組遺傳算法進(jìn)行了模塊劃分。

在再制造模塊劃分方面，劉濤[11]結(jié)合產(chǎn)品生命周期各階段特性，制訂模塊劃分準(zhǔn)則，通過(guò)模塊間關(guān)聯(lián)度最優(yōu)化進(jìn)行了模塊劃分;CHENG Q[12]基于原子理論實(shí)現(xiàn)模塊的劃分，分析了重型機(jī)床再制造域和結(jié)構(gòu)域中設(shè)計(jì)參數(shù)的相似性;侯昆峰[13]對(duì)模塊進(jìn)行相似性和獨(dú)立性分析以辨別可再設(shè)計(jì)零件，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法和模糊優(yōu)劣解距離法對(duì)原產(chǎn)品與再設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià);陳小斌[14]分析了機(jī)電產(chǎn)品模塊劃分過(guò)程中綠色屬性及功能結(jié)構(gòu)與環(huán)境要素間的關(guān)系，建立了以組件集合、組件屬性以及結(jié)構(gòu)為要素的綠色模塊化信息模型以及綠色模塊劃分雙優(yōu)化目標(biāo)；基于遺傳算法，實(shí)現(xiàn)了綠色模塊劃分。

目前，這些方法從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)保及再制造等幾個(gè)屬性進(jìn)行產(chǎn)品模塊劃分。然而，隨著技術(shù)更新周期、顧客需求的快速變化，市場(chǎng)上的這些產(chǎn)品很快過(guò)時(shí)或被淘汰，造成了資源浪費(fèi)。再制造升級(jí)通過(guò)升級(jí)將技術(shù)革新融入再制造產(chǎn)品以便于產(chǎn)品回收再利用，快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化，可以緩解上述問(wèn)題。

目前，尚無(wú)面向再制造升級(jí)的模塊劃分方法。為此，本文提出一種支持再制造升級(jí)的機(jī)械產(chǎn)品綠色模塊劃分方法。

1 再制造升級(jí)綠色屬性的定義

產(chǎn)品的可再制造升級(jí)性是其功能參數(shù)變化、可重用組件、模塊化結(jié)構(gòu)的集成反映，與產(chǎn)品回收模式、結(jié)構(gòu)、功能等有關(guān)。為了使產(chǎn)品滿(mǎn)足客戶(hù)需求的同時(shí)具有可再制造升級(jí)性，定義了功能、結(jié)構(gòu)、回收模式等再制造升級(jí)屬性，并采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(design structure matrix，DSM)量化描述產(chǎn)品零部件之間的關(guān)聯(lián)、關(guān)系。

1.1 功能屬性

再制造升級(jí)過(guò)程中，會(huì)有新功能的嵌入或技術(shù)性的提升。產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分時(shí)首先要滿(mǎn)足模塊的功能性，不同的組件在產(chǎn)品中具有不同的功能，實(shí)現(xiàn)相同功能或者相似功能的組件應(yīng)該分在同一模塊，從而保證功能獨(dú)立性。如果具有高度功能相似性的組件在不同模塊內(nèi)，會(huì)造成模塊的獨(dú)立性下降。功能屬性是指零件所要執(zhí)行的服務(wù)產(chǎn)品系統(tǒng)性能的一系列能量傳輸和操作行為，主要表現(xiàn)為零件之間的能量流、信息流、作用力流和物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換和傳輸[15]。

功能屬性關(guān)聯(lián)度定義如表1所示。

表1 功能屬性關(guān)聯(lián)度定義

根據(jù)表1，通過(guò)專(zhuān)家打分法確定兩零件之間功能關(guān)聯(lián)度數(shù)值，設(shè)n為產(chǎn)品中零件的個(gè)數(shù)，則零件i和j的功能關(guān)聯(lián)度矩陣為：

F=(fij)n×n

(1)

式中：fij—零件i和j的功能屬性關(guān)聯(lián)度大小。

1.2 結(jié)構(gòu)屬性

產(chǎn)品的再制造升級(jí)要在整個(gè)模塊中進(jìn)行，合理的結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)產(chǎn)品的升級(jí)換代能力。產(chǎn)品功能由物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)屬性即結(jié)構(gòu)連接關(guān)系，包括接觸方式、連接類(lèi)型、工具類(lèi)型和連接自由度4種類(lèi)型，此處主要考慮接觸方式和連接類(lèi)型。接觸方式是指兩個(gè)組件的接觸區(qū)域和接觸點(diǎn)。如果兩個(gè)組件接觸點(diǎn)或者接觸區(qū)域越大，那么兩個(gè)組件的接觸強(qiáng)度越大。連接類(lèi)型取決于組件連接的緊密度，有放置、插入、旋入、緊密配合和不可拆卸等連接類(lèi)型。工具類(lèi)型指工具操作難度，有特殊工具、小型工具、大型工具和手工等。工具類(lèi)型操作難度越大，則兩個(gè)組件之間越難結(jié)合。連接自由度是指能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)組件結(jié)合的自由度，結(jié)合自由度越大，則兩個(gè)組件越容易結(jié)合。

結(jié)構(gòu)屬性關(guān)聯(lián)度定義如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)屬性關(guān)聯(lián)度定義

根據(jù)表2，通過(guò)專(zhuān)家打分法確定兩零件之間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度數(shù)值，則零件i和j的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度矩陣為：

S=(sij)n×n

(2)

式中：sij—零件i與j的結(jié)構(gòu)屬性關(guān)聯(lián)度大小。

1.3 回收模式屬性

回收階段對(duì)環(huán)境的影響最大，產(chǎn)品退役后的回收模式包括回收重用、再制造重用、材料回收和焚燒或廢棄。回收重用和再制造重用的零部件需要進(jìn)行再制造修復(fù)或再制造升級(jí)，材料回收和焚燒或廢棄處理的零部件需要應(yīng)用新產(chǎn)品替換。為了便于再制造升級(jí)，將具有相似回收方式的組件歸為同一模塊，可提高回收效率，降低回收成本，減少在回收階段造成的環(huán)境影響。

回收模式屬性關(guān)聯(lián)度定義如表3所示。

表3 回收模式屬性關(guān)聯(lián)度定義

根據(jù)表3，確定兩零件之間在各回收模式下的關(guān)聯(lián)度數(shù)值，分別得到零件i與j的關(guān)于各回收模式的關(guān)聯(lián)度矩陣：

Gm=(gmij)n×n

(3)

式中：m=1,2,3,4;gmij—兩零件之間在各回收模式下的關(guān)聯(lián)度大小。

根據(jù)式(3)則可得到關(guān)于回收模式的關(guān)聯(lián)度矩陣，記為：

(4)

式中：gij—零件i和j總回收模式屬性關(guān)聯(lián)度大小。

2 基于全鏈接層次聚類(lèi)的模塊劃分

以上各個(gè)屬性特征的權(quán)重會(huì)直接影響產(chǎn)品模塊劃分結(jié)果，分配的權(quán)重越高，說(shuō)明對(duì)產(chǎn)品模塊劃分影響越大。

根據(jù)層次分析法[16]進(jìn)行各屬性的重要性比較，標(biāo)度為1～9，計(jì)算得到各個(gè)屬性權(quán)重分別為ωf=0.32，ωs=0.26，ωg=0.42，一致性檢驗(yàn)CI=0.052,小于0.058，因此滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)。

將上述構(gòu)建的單一屬性矩陣綜合成一個(gè)總矩陣：

M=(mij)n×n

(5)

式中：mij—零件i與j的綜合相關(guān)性。

mij的具體算式為：

mij=ωffij+ωssij+ωggij

(6)

式中：ωf—功能屬性所占影響權(quán)重；ωs—結(jié)構(gòu)屬性所占影響權(quán)重；ωg—回收模式屬性所占影響權(quán)重。

筆者在由式(6)得到的產(chǎn)品綜合相關(guān)矩陣的基礎(chǔ)上，應(yīng)用全鏈接層次聚類(lèi)法對(duì)其進(jìn)行模塊劃分，具體過(guò)程如下：

步驟1：定義兩個(gè)聚類(lèi)之間的數(shù)值mij為兩個(gè)對(duì)象之間的最大距離。對(duì)于任意mij，其中i≠j，都把它當(dāng)做一個(gè)聚類(lèi)；

步驟2：檢索上述聚類(lèi)中距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)聚類(lèi)，把它們凝聚成新的聚類(lèi)；

步驟3：采用最長(zhǎng)距離法重新計(jì)算新聚類(lèi)與其他聚類(lèi)之間的距離；

步驟4：取適當(dāng)?shù)摩酥?，?dāng)所有聚類(lèi)之間的距離小于λ時(shí)，轉(zhuǎn)下步，否則，重復(fù)上述步驟2和3；

步驟5：輸出最終模塊聚類(lèi)結(jié)果。

λ越小，劃分的模塊數(shù)目越少。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求并考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境屬性取適當(dāng)?shù)摩酥?，?dāng)λ取0或1時(shí)，沒(méi)有劃分意義。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提方法的可行性，本文以電梯曳引機(jī)為例進(jìn)行分析。

永磁同步曳引機(jī)爆炸圖如圖1所示。

圖1 永磁同步曳引機(jī)爆炸圖

永磁同步曳引機(jī)產(chǎn)品零部件信息如表4所示。

表4 產(chǎn)品零部件信息

筆者通過(guò)表(1～3)對(duì)曳引機(jī)進(jìn)行分析，根據(jù)式(1～4)分別得出零件關(guān)于結(jié)構(gòu)、功能、回收模式的綠色關(guān)系矩陣；最后，再通過(guò)式(5，6)得到零件的綜合關(guān)聯(lián)矩陣M：

M=

(7)

將上述得到的零件綜合關(guān)聯(lián)度矩陣M采用全鏈接層次聚類(lèi)法進(jìn)行分析。由M可知，編號(hào)7與12的距離最大，為0.72；將7與12聚類(lèi)，用最遠(yuǎn)距離法重新計(jì)算{7,12}與其他編號(hào)之間的距離。

第一次聚類(lèi)結(jié)果如表5所示。

表5 第一次聚類(lèi)結(jié)果

由表5可知，編號(hào)13與18距離最大，為0.7。

將13與18聚類(lèi)，用最遠(yuǎn)距離法重新計(jì)算{13,18}與其他編號(hào)之間的距離，第二次聚類(lèi)結(jié)果如表6所示。

表6 第二次聚類(lèi)結(jié)果

重復(fù)以上步驟，得到曳引機(jī)零件聚類(lèi)樹(shù)圖，如圖2所示。

圖2 曳引機(jī)零件聚類(lèi)樹(shù)圖

根據(jù)模塊劃分粒度要求可以取不同的閾值，此處假設(shè)閾值λ=0.42，據(jù)此可以得到模塊聚類(lèi)的結(jié)果，如表7所示。

表7 模塊劃分的結(jié)果

根據(jù)上述方法，可以將曳引機(jī)劃分為6個(gè)模塊，其中，模塊,可進(jìn)行材料回收；模塊可進(jìn)行再制造升級(jí)。同時(shí)，各模塊之間擁有很高的獨(dú)立性，模塊內(nèi)部聯(lián)系緊密的同時(shí)又具有高度的裝配連接性，產(chǎn)品方便拆卸與維修，易于再制造升級(jí)，也能方便滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從再制造升級(jí)性綠色角度建立模塊劃分模型，為了便于對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)和改進(jìn)，定義了功能、結(jié)構(gòu)、回收模式等再制造升級(jí)綠色屬性，分析了零件之間的關(guān)系，用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣來(lái)量化表示，提出了一種基于結(jié)構(gòu)矩陣的產(chǎn)品綠色模塊劃分方法；通過(guò)對(duì)曳引機(jī)的模塊劃分方案的分析可知，該方法可有效地選擇出模塊劃分方案，對(duì)制造企業(yè)開(kāi)展綠色再制造具有一定參考價(jià)值。

該方法有以下特點(diǎn)：(1)從多方面分析了各零件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并建立了零件關(guān)聯(lián)度矩陣；(2)模塊之間擁有很高的獨(dú)立性，模塊內(nèi)部聯(lián)系緊密的同時(shí)又具有高度的裝配連接性，產(chǎn)品方便拆卸與維修，易于再制造升級(jí)，也能方便滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。