基于兩階段解耦的可變功能機(jī)械模塊劃分研究

黃 華, 鄧益民

基于兩階段解耦的可變功能機(jī)械模塊劃分研究

黃 華1, 鄧益民2*

（1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 寧波 315211）

可變功能機(jī)械是一類多功能集成的機(jī)械產(chǎn)品, 較適合于采用模塊化設(shè)計(jì)方法. 但是, 這類產(chǎn)品的每個(gè)功能都有相應(yīng)的私有構(gòu)件與之對(duì)應(yīng), 除此之外還有一定數(shù)量的共享構(gòu)件, 造成各功能(相應(yīng)地各客戶需求)間存在不同程度的耦合性, 因此傳統(tǒng)的單純解決構(gòu)件間耦合的模塊劃分方法存在困難. 為解決這一問題, 本文提出通過分階段解耦的方法實(shí)現(xiàn)可變功能機(jī)械的模塊劃分, 其中第一階段通過引入客戶需求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣, 將與產(chǎn)品功能相關(guān)的客戶需求先進(jìn)行解耦, 以此解決單一解耦方式無法解決客戶需求耦合的問題; 第二階段通過引入需求結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣與構(gòu)件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣, 根據(jù)構(gòu)件內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)解耦, 獲得模塊內(nèi)部高耦合、模塊之間低耦合的模塊劃分方案. 在此基礎(chǔ)上, 通過引入模塊化指數(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn), 解決產(chǎn)品模塊聚合度和模塊間耦合度相背離的問題, 實(shí)現(xiàn)了多種模塊劃分方案的選優(yōu). 最后通過一個(gè)多功能電鉆案例來驗(yàn)證這一兩階段解耦模塊劃分方法的可行性.

可變功能; 客戶需求; 兩階段解耦; 模塊劃分

模塊化方法是一種將復(fù)雜系統(tǒng)分解為可管理模塊的設(shè)計(jì)方法, 在機(jī)械、電子、軟件等產(chǎn)品的開發(fā)上都有廣泛應(yīng)用. 模塊化產(chǎn)品是指通過組合不同模塊來實(shí)現(xiàn)整體功能的機(jī)器、組件或部件[1]. 二十世紀(jì)初期, Alexander提出了模塊化的概念, 即通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分解來形成模塊, 通過模塊的組合形成新的產(chǎn)品, 以此降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度[2]. 隨著模塊化設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用, 其為產(chǎn)品帶來的優(yōu)勢(shì)也越來越明顯. 例如, 通過僅更換部分產(chǎn)品模塊, 可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代; 通過將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分解, 形成若干個(gè)相互影響較小的設(shè)計(jì)模塊, 可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì), 提高設(shè)計(jì)效率等. 可變功能機(jī)械作為構(gòu)件數(shù)量較多, 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的產(chǎn)品, 其設(shè)計(jì)研發(fā)相較于傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品, 周期較長(zhǎng), 難度較大. 將模塊化設(shè)計(jì)的理念融入可變功能機(jī)械的設(shè)計(jì)中, 可以提高可變功能機(jī)械的設(shè)計(jì)效率, 減小產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜度.

模塊化方法的關(guān)鍵是合理劃分模塊, 而劃分模塊的最高原則是發(fā)掘各模塊間的獨(dú)立性, 也就是說, 將相互間耦合性較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件劃分到同一個(gè)模塊中, 而隸屬于不同模塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件間應(yīng)該維持較低的耦合性, 乃至于完全獨(dú)立. 十九世紀(jì)八十年代, Steward引入了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(Design Structure Matrix, DSM)作為基于矩陣的信息流分析框架[3]. Eppinger等人進(jìn)一步發(fā)展了Steward的DSM, 提出了應(yīng)用DSM的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣元素重排序的方法[4]. DSM可以用來對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以矩陣形式加以表達(dá). 以此為基礎(chǔ), 通過改變矩陣的行列關(guān)系, 可以降低設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)耦合性, 從而實(shí)現(xiàn)模塊劃分.

對(duì)可變功能機(jī)械而言, 由于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中存在共享構(gòu)件, 即多個(gè)功能共同使用的構(gòu)件, 相較于傳統(tǒng)機(jī)械, 其結(jié)構(gòu)耦合性較高, 因此模塊劃分難度更大. 此外, 可變功能機(jī)械是一個(gè)多功能集成的產(chǎn)品, 其面對(duì)的客戶需求相較于一般的機(jī)械產(chǎn)品會(huì)更多更復(fù)雜. 對(duì)這類產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分, 不僅要發(fā)掘結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的獨(dú)立性, 也就是結(jié)構(gòu)解耦, 同時(shí)也需要盡可能地發(fā)掘客戶需求間的獨(dú)立性, 將具有較高耦合性的客戶需求劃分到同一模塊中. 這是因?yàn)? 可變功能機(jī)械在使用中需要在不同功能間進(jìn)行切換, 這就意味著需要經(jīng)常進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件的拆裝. 耦合性較高的客戶需求意味著它們之間存在著更高的關(guān)聯(lián)性, 因此往往需要頻繁進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品功能的切換. 將它們劃分到同一模塊中可以避免在實(shí)際使用時(shí)頻繁地拆裝構(gòu)件, 從而提高產(chǎn)品的使用便捷性和效率. 現(xiàn)有的DSM方法雖然可以解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的耦合性問題, 但缺少針對(duì)客戶需求耦合性的研究.

針對(duì)上述情況, 本文提出了兩階段解耦方法: 首先通過第一階段解耦, 解除可變功能機(jī)械不同客戶需求之間的耦合性, 保持解耦后相關(guān)功能之間的獨(dú)立性; 隨之在第二階段, 進(jìn)一步解除產(chǎn)品組成構(gòu)件間的耦合關(guān)系. 通過兩階段解耦, 可以得到功能層低耦合、模塊間低耦合、模塊內(nèi)部高耦合的模塊劃分方案. 最后, 再通過建立模塊劃分的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 篩選獲得最優(yōu)的模塊劃分方案.

1 DSM構(gòu)建與聚類

1.1 DSM構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)上述的兩階段解耦, 本文采用Smith、Eppinger等提出的數(shù)字化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣[5], 其中的數(shù)值大小反映了相應(yīng)設(shè)計(jì)元素(即客戶需求或產(chǎn)品構(gòu)件)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系情況. 在產(chǎn)品構(gòu)件關(guān)聯(lián)性方面, 既有物理結(jié)構(gòu)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系, 也有能量傳遞上的關(guān)聯(lián)關(guān)系[6]. 唐敦兵等[7]將這些關(guān)聯(lián)分為以下4類:

(1)空間關(guān)聯(lián)(): 兩個(gè)元素通過物理空間進(jìn)行關(guān)聯(lián).

(2)物料關(guān)聯(lián)(): 兩個(gè)元素通過物料進(jìn)行關(guān)聯(lián).

(3)能量聯(lián)系(): 兩個(gè)元素之間存在能量的傳遞.

(4)信息聯(lián)系(): 兩個(gè)元素之間存在信號(hào)的傳遞.

本文以此為基礎(chǔ), 根據(jù)各關(guān)聯(lián)關(guān)系的強(qiáng)弱, 按照表1賦予關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)值.

表1 關(guān)聯(lián)關(guān)系賦值

綜合上述4種關(guān)聯(lián)關(guān)系的賦值, 可以獲得表示不同設(shè)計(jì)元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系強(qiáng)弱的最終數(shù)值,

根據(jù)一個(gè)元素所在行與所在列中其他元素的數(shù)值大小, 可以將DSM的矩陣元素分為BUS元素、單一元素以及一般元素. BUS元素指所在行或所在列中各元素的數(shù)值均較大(至少不為0), 這類元素類似于計(jì)算機(jī)接口技術(shù)中“BUS”(總線)的定義[8]. 與此相反, 若某元素所在行和所在列的其他元素?cái)?shù)值均為0, 則該元素稱為單一元素. 除了BUS元素和單一元素外的其他元素則稱為一般元素.

1.2 DSM元素聚類

對(duì)DSM矩陣元素進(jìn)行聚類, 聚類后形成的模塊相對(duì)獨(dú)立, 模塊之間的耦合關(guān)系降低. 這樣可以將元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系鎖定在模塊內(nèi)部, 有利于減少產(chǎn)品開發(fā)過程中不同模塊之間的相互影響, 實(shí)現(xiàn)并行開發(fā), 提高開發(fā)效率. DSM聚類是通過改變矩陣中元素的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)的. 具體的變換方式可以分行變換和列變換.

(1)列變換[9]:

(2)行變換[9]:

對(duì)DSM進(jìn)行聚類可以分為以下4步:

(1)剝離單一元素. 由于單一元素與其他元素的關(guān)聯(lián)性很小, 因此對(duì)模塊聚類的結(jié)果影響很小. 矩陣中單一元素的存在會(huì)增加矩陣的復(fù)雜性, 增加矩陣聚類的難度, 因此在矩陣聚類前需要?jiǎng)冸x單一元素. 待聚類完成, 將單一元素添加到行列的最前方.

(3)變換BUS元素. 將BUS元素移動(dòng)到行列元素的最后面, 由于BUS元素和其他元素關(guān)聯(lián)性強(qiáng), 加入其他模塊會(huì)增加模塊之間的耦合性, 因此BUS元素單獨(dú)成模塊.

(4)進(jìn)行模塊劃分. 將處理后的DSM分為若干個(gè)合理的模塊, 盡量保證一般元素都包含在模塊里, 劃分的模塊數(shù)量也需適中.

上述方法獲得的聚類結(jié)果將DSM元素根據(jù)元素之間的關(guān)系強(qiáng)弱劃分為若干個(gè)模塊, 同時(shí)保持模塊之間較低的耦合關(guān)系.

2 面向客戶需求的第一階段解耦

產(chǎn)品模塊化開發(fā), 有助于客戶在后期根據(jù)自己的需求升級(jí)產(chǎn)品的部分模塊, 降低設(shè)備整體更新?lián)Q代的成本. 因此, 需求與需求之間的耦合性越低, 產(chǎn)品升級(jí)、改造的潛力越大[10]. 可變功能機(jī)械需承擔(dān)用戶更多的需求, 每個(gè)需求都依賴相應(yīng)的構(gòu)件, 因此, 對(duì)需求進(jìn)行解耦更加有助于對(duì)構(gòu)件的模塊劃分.

理論上, 需求劃分得越明確, 每個(gè)需求之間的獨(dú)立性越高, 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分更容易. 換句話說, 一個(gè)需求對(duì)應(yīng)一個(gè)模塊最為簡(jiǎn)單、直接. 但是, 現(xiàn)實(shí)中某些需求相互之間存在密切的關(guān)系, 這些需求不能隨意剝離, 一個(gè)需求的實(shí)現(xiàn)依賴于另一個(gè)需求. 例如, 對(duì)于一個(gè)輕量化的折疊椅, 較輕的重量需求和較大的承重需求是兩個(gè)獨(dú)立的需求; 但是, 較輕的重量是在滿足較大的承重基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的, 較輕的重量需求不能離開較大的承重需求. 這也說明了對(duì)需求進(jìn)行解耦, 形成需求模塊有其必要性.

為此, 本文首先對(duì)概念階段的客戶需求進(jìn)行初步歸類, 減小歸類后需求(相當(dāng)于需求模塊)之間的耦合關(guān)系, 此即謂“第一階段解耦”, 具體過程如下:

表2 客戶需求DSM

第二步, 對(duì)需求DSM進(jìn)行聚類操作, 使非零元素向?qū)蔷€靠近, 形成對(duì)角化的矩陣. 劃分后形成若干個(gè)非零元素聚集的小集合. 這些集合是對(duì)存在耦合性的各需求的模塊化. 通過這一過程, 大部分對(duì)立的需求被放在了不同的集合, 而相互依賴的需求被放在了同一個(gè)集合. 對(duì)于可變功能機(jī)械來說, 通過這些需求集合實(shí)現(xiàn)相應(yīng)需求的組合, 可以減少實(shí)際使用中因?yàn)楣δ芮袚Q所導(dǎo)致的頻繁的構(gòu)件拆裝, 提高用戶的使用便捷性. 相對(duì)地, 通過對(duì)互斥的功能進(jìn)行隔離, 可以減少因組合這些功能而造成的不需要功能的不必要使用.

3 面向構(gòu)件關(guān)系的第二階段解耦

通過上述的需求解耦, 可以獲得若干個(gè)需求集合, 每個(gè)需求集合包含一個(gè)或多個(gè)客戶需求. 這些需求集合僅僅實(shí)現(xiàn)了需求模塊化, 最終運(yùn)用到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中還需要將客戶需求和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián), 以完成下一步的結(jié)構(gòu)模塊化工作, 也就是第二階段解耦. 這一階段包括以下幾個(gè)步驟:

表3 需求結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣

第二步, 基于第一階段解耦中獲得的各需求集合與DSIM矩陣的部分構(gòu)件的關(guān)聯(lián)關(guān)系, 從DSIM矩陣中提取出相應(yīng)的構(gòu)件集合, 每個(gè)構(gòu)件集合單獨(dú)形成DSM (表4), 用以開展構(gòu)件的模塊化.

表4 構(gòu)件DSM

第三步, 對(duì)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)DSM實(shí)施聚類操作, 實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的模塊劃分.

區(qū)別于傳統(tǒng)的模塊劃分方法, 本文針對(duì)各需求集合分別構(gòu)造結(jié)構(gòu)DSM, 各DSM中的關(guān)聯(lián)關(guān)系值(即矩陣元素)分別通過前述的數(shù)值型DSM方法計(jì)算求得, 再將這些DSM分別進(jìn)行聚類操作, 將有值元素聚集到對(duì)角線附近, 最終獲得相應(yīng)于各需求集合的若干模塊.

4 聚類評(píng)估

采用上述方法對(duì)可變功能機(jī)械進(jìn)行模塊劃分可以獲得若干種可行方案, 因此需要對(duì)這些方案進(jìn)行評(píng)估, 篩選出最優(yōu)方案[11]. 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分是為了獲得模塊內(nèi)部高耦合、模塊之間低耦合的構(gòu)件聚合方案, 因此可以使用模塊內(nèi)高耦合、模塊間低耦合的標(biāo)準(zhǔn). 但是, 耦合高低是一種抽象的、定性的評(píng)價(jià)指標(biāo), 無法直接使用. Algeddawy等[12]提出了一種模塊化指標(biāo)來計(jì)算最佳模塊粒度、度量模塊化程度. 諶炎輝等[13]提出了產(chǎn)品模塊關(guān)聯(lián)度與聚合度的相關(guān)定義. 綜合以上兩種觀點(diǎn), 本文使用模塊平均聚合度、平均耦合度作為可變功能機(jī)械模塊劃分的評(píng)價(jià)指標(biāo).

將擁有個(gè)構(gòu)件的產(chǎn)品劃分為個(gè)模塊, 模塊M和構(gòu)件M的平均耦合度可由以下公式求得[14]:

由于DSM通常為非對(duì)稱矩陣, 即COU(1,4)和COU(4,1)關(guān)聯(lián)度不一致, 產(chǎn)品的平均耦合度為[14]:

模塊平均聚合度由所有模塊內(nèi)部所有元素的關(guān)聯(lián)值之和求得[14]:

產(chǎn)品的平均聚合度為[14]:

模塊劃分的聚合度越大、耦合度越小, 模塊劃分方案越符合要求[15]. 因此, 可以建立模塊化指數(shù), 綜合考慮聚合度和耦合度的關(guān)系. 模塊化指數(shù)也可以用于出現(xiàn)模塊劃分方案耦合度和聚合度兩者同向的情況, 即耦合度大聚合度也大的情況, 拓展模塊化的使用范圍. 模塊化指數(shù)的計(jì)算式為:

通過上述模塊平均耦合度、模塊平均聚合度以及模塊化指數(shù)的計(jì)算, 可以定量地給出模塊劃分方案的評(píng)價(jià)指標(biāo), 篩選出最佳的劃分方案. 根據(jù)式(10), 模塊化指數(shù)越大, 模塊劃分方案越符合要求.

5 案例研究

本節(jié)通過對(duì)多功能電鉆的模塊劃分案例進(jìn)行研究來驗(yàn)證上述基于兩階段解耦的模塊化方法的可行性. 多功能電鉆是一種常用的工具, 集成了電鉆、電鎬兩種功能, 客戶通過功能轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇需要的功能. 電鉆依靠電機(jī)帶動(dòng)鉆頭來做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 主要承擔(dān)螺絲拆卸、打孔等工作; 電鎬利用電機(jī)帶動(dòng)氣缸的連桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng), 氣缸內(nèi)的撞擊塊沖撞鎬頭, 輸出沖擊力, 其主要承擔(dān)拆卸工作. 市面上的多功能電鉆結(jié)構(gòu)相似, 基本結(jié)構(gòu)由表5中的構(gòu)件組成.

表5 多功能電鉆構(gòu)件組成

5.1 第一階段解耦

多功能電鉆面向客戶的基本需求包括了輸出扭矩、輸出沖擊力、動(dòng)力源、機(jī)架固定、舒適減震. 采用本文前述方法, 首先建立客戶需求DSM, 見表6.

表6 客戶需求DSM

接下來對(duì)該DSM進(jìn)行聚類操作, 聚類結(jié)果見表7.

表7 客戶需求DSM聚類結(jié)果

根據(jù)這一聚類結(jié)果, 舒適減震和機(jī)架固定這兩個(gè)需求被組合成一個(gè)需求集合. 輸出扭力、輸出沖擊和動(dòng)力源都是與舒適減震相背離的需求, 所以應(yīng)與舒適減震需求進(jìn)行隔離. 輸出扭力、輸出沖擊以及動(dòng)力源這些需求相互之間關(guān)聯(lián)關(guān)系較小, 可以作為獨(dú)立的需求集合. 劃分結(jié)果符合實(shí)際的需求.

5.2 第二階段解耦

首先建立需求構(gòu)件關(guān)聯(lián)矩陣, 見表8.

表8 需求構(gòu)件關(guān)聯(lián)矩陣

接下來, 根據(jù)第一階段解耦所獲得的4個(gè)需求集合提取需求集合所對(duì)應(yīng)的構(gòu)件, 形成4個(gè)構(gòu)件集合, 分別是: 集合1(A15、A16)、集合2(A6、A10、A11、A12)、集合3(A3、A5、A7、A8、A9、A13、A17)以及集合4(A1、A2、A4、A14), 其中輸出扭力、輸出沖擊力、動(dòng)力源分別單獨(dú)形成結(jié)構(gòu)DSM, 舒適減震和機(jī)架固定共同形成一個(gè)結(jié)構(gòu)DSM. 這4個(gè)結(jié)構(gòu)DSM如圖1所示.

圖1 需求集合對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)DSM

將上述DSM進(jìn)行聚類, 所獲得的模塊劃分結(jié)果并不唯一, 具體包括:

方案一: 模塊一(A8、A3), 模塊二(A9、A5、A7、A13), 模塊三(A11、A10、A6、A12), 模塊四(A1、A4、A2、A14), BUS(A15、A16、A17).

方案二: 模塊一(A1、A4), 模塊二(A2、A14), 模塊三(A9、A5、A7、A13), 模塊四(A11、A10、A6、A12), 模塊五, BUS(A3、A8、A17), 模塊六(A15、A16).

方案三: 模塊一(A8、A3), 模塊二(A9、A5、A7、A13), 模塊三(A1、A4、A2、A14), 模塊四(A11、A10、A6、A12), 模塊五(A15、A16), BUS(A17).

三個(gè)方案均符合要求, 因此需要進(jìn)行定量評(píng)價(jià), 篩選最優(yōu)方案.

按照式(4～10)計(jì)算三個(gè)模塊劃分方案的模塊平均聚合度、平均耦合度以及模塊化指標(biāo), 結(jié)果如下:

通過數(shù)據(jù)比較, 方案一的平均耦合度最小, 平均聚合度最大, 模塊化指數(shù)最大, 是三個(gè)方案中最優(yōu)的方案. 經(jīng)聚類后, DSM形成的模塊劃分方案如圖2所示.

圖2 DSM聚類結(jié)果

通過比較聚類前和聚類后的DSM可以發(fā)現(xiàn)矩陣的有值單元在聚類后向?qū)蔷€集中, 這個(gè)現(xiàn)象表明矩陣經(jīng)過相應(yīng)的聚類后關(guān)聯(lián)關(guān)系強(qiáng)的元素聚集在一起, 即耦合度高的構(gòu)件構(gòu)成了一個(gè)模塊. 圖中A15、A16、A17和各個(gè)模塊的關(guān)聯(lián)性都很強(qiáng), 所以單獨(dú)作為BUS模塊也是合理的. 結(jié)合實(shí)際的構(gòu)件進(jìn)行分析, 馬達(dá)轉(zhuǎn)子、馬達(dá)定子、馬達(dá)碳刷以及動(dòng)力離合被放在了一個(gè)模塊, 相當(dāng)于給多功能電鉆提供動(dòng)力輸出的模塊; 偏心軸齒輪、氣缸、撞錘放進(jìn)了一個(gè)模塊, 相當(dāng)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)模塊. 這兩個(gè)模塊的構(gòu)件分布相對(duì)集中, 構(gòu)件數(shù)量較多, 適合集成在一個(gè)模塊中. 而缸套齒輪、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪這些構(gòu)件在設(shè)備中的分布較為松散, 與其他構(gòu)件的關(guān)聯(lián)也比較多, 不適合集成為一個(gè)模塊. 因此, 上述分析驗(yàn)證了劃分模塊的合理性.

6 結(jié)論

可變功能機(jī)械的模塊化設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、降低產(chǎn)品功能變更設(shè)計(jì)的復(fù)雜度. 傳統(tǒng)的模塊化方法僅對(duì)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件模塊化, 對(duì)于可變功能機(jī)械這類需求較多的產(chǎn)品, 這樣的方法難以化解需求之間的耦合性, 造成不同模塊間因?yàn)楦髯詫?duì)應(yīng)的客戶需求的耦合性而無法實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立. 本文提出了兩階段解耦的方法, 第一階段對(duì)需求進(jìn)行分析, 通過需求DSM及其聚類操作實(shí)現(xiàn)需求解耦; 第二階段對(duì)各需求集合所對(duì)應(yīng)的構(gòu)件分別進(jìn)行分析, 通過結(jié)構(gòu)DSM及其聚類操作解除構(gòu)件之間的耦合性. 通過分階段解耦, 實(shí)現(xiàn)了可變功能機(jī)械的模塊化分, 并通過一個(gè)多功能電鉆的案例驗(yàn)證了此方法的可行性. 事實(shí)上, 本文所提出的方法對(duì)于非可變功能, 但有較多客戶需求(也就是較多功能)且客戶需求間存在各種耦合性的機(jī)械系統(tǒng)同樣適用.

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Module formulation for adaptable-function mechanical product design with a dual-stage decoupling approach

Huang Hua1, Deng Yimin2*

( 1.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Part Rolling Technology, Ningbo 315211, China )

The adaptable-function mechanical product is a kind of integrated and multi-functional product, hence is comparatively more suited to applying modular design method. However, each function of such product has corresponding private components, together with a certain number of shared components, causing various degrees of coupling between functions, as well as between customer requirements. As such, the traditional method for module formulation, by simply solving the coupling between components, has shown some difficulties. To tackle this problem, a dual-stage decoupling method for the formulation of modules specifically for the adaptable-function mechanical product design is proposed. In the first stage, the customer requirements related to product functions are decoupled by introducing the customer demand DSM (design structure matrix), so as to solve the problem of neglecting the decoupling of customer requirements with the traditional method. In the second stage, by introducing the demand structure incidence matrix and the component DSM, the decoupling of structural components is accomplished by exploiting the internal correlation relationship of components, and the module formulation schemes with high coupling within modules and low coupling between modules are obtained. After that, by introducing the evaluation standard of modularity index, the possible problems caused by the deviation between product module aggregation degree and module coupling degree are solved, and the optimal module formulation scheme is identified. Finally, a multi-functional electric drill case is studied to verify the feasibility of the proposed two-stage decoupling based method for module formulation.

adaptable function; customer demand; dual-stage decoupling; module formulation

TH122

A

1001-5132（2022）01-0068-07

2021?08?15.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學(xué)基金（51375246）.

黃華（1996－）, 男, 浙江杭州人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法. E-mail: 617269946@qq.com

鄧益民（1966－）, 男, 安徽舒城人, 博士/教授, 主要研究方向: 設(shè)計(jì)理論與方法、注塑成型與優(yōu)化. E-mail: dengyimin@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 韓 超）