基于廣義設計結構矩陣的激光裝置裝校流程分析

李夢奇 謝志江 李冬英 任 錚 張 林

1.重慶大學機械傳動國家重點實驗室,重慶,400044 2.邵陽學院,邵陽,422000

3.中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽,621900

0 引言

裝校流程分析是進行激光裝置裝校系統的設施設計、物流設計、生產計劃控制的前提和依據。裝校流程具有層次多、內容廣、迭代多、不確定性強等特點,傳統工藝方法(如裝配流程圖、生產過程流程圖等)和過程分析方法(如甘特圖、網絡計劃技術、IDEF3等)無法處理反饋和迭代,不能滿足裝校流程分析的要求。

設計結構矩陣(design structure matrix,DSM)可以實現關聯信息的排序、迭代和反饋,提供簡潔可視的理解方法和分析復雜過程的方法[1-2]。本文采用廣義DSM 進行流程分析,建立了廣義DSM分析流程的一般順序。廣義DSM包括DSM方陣和DSM長矩陣,前者可用于分析相同領域的元素關系,后者可用于分析不同領域的元素關系,利用廣義DSM 可以全面、科學、有效地收集和分析基本數據。

1 設計結構矩陣

Steward于1967年提出了設計結構矩陣的概念,并于1981年將DSM 引入到設計結構矩陣分析信息流中[3-4],麻省理工學院的 Eppinger、Browning等對設計結構矩陣進行過大量研究[1,5-8]。DSM作為分析活動之間依賴關系的有效工具而被普遍采用。

DSM是關于項目的緊湊表示,有利于對復雜項目進行可視化分析[9]。DSM以N階方陣的形式對產品開發過程進行建模和分析,用于顯示矩陣中各個元素的交互關系,包含了所構成的活動及活動間的信息依賴關系。常采用X(或1)表示元素B對元素A存在依賴關系,用空格(或0)表示元素間沒有依賴關系。考慮一個由兩個元素(元素A和元素B)或者兩個子系統組成的系統,兩個元素之間的關系有三種情況:平行(parallel or concurrent)、順序(sequential or dependent)和耦合(coupled or interdependent),圖1所示為用有向圖和DSM方式表示的元素間的關系。

Browning[1]將DSM分成靜態DSM和動態DSM兩類。靜態DSM包括基于零部件或結構的DSM(component—based DSM)和基于團隊或組織的DSM(people—based DSM);動態DSM 包括基于行為或規劃的DSM(activity—based DSM)和基于參數或低級規劃的DSM(parameter—based DSM)。

2 廣義設計結構矩陣

2.1 定義

定義1 同類元素以相同順序排列,并分別作為行和列形成的矩陣稱為DSM方陣。

DSM方陣體現了同類元素之間的邏輯、時間和順序關系,根據元素類型的不同,有對象關系方陣、過程關系方陣、屬性關系方陣等。其結構形式如表1所示。

表1 DSM方陣結構

元素之間存在層次關系,根據元素的層次結構分別建立方陣,同一層次元素形成一個方陣,所有DSM方陣構成一種樹狀結構,每個子矩陣分別對應著樹結構中的某個子節點,每個根矩陣對應著樹結構中的某個根節點。激光裝置中裝校對象分為組件、模塊、元件、零件等,相應的對象層次關系如圖2所示。

定義2 兩種類型元素分別作為行和列形成的矩陣稱為DSM長矩陣。

兩種類型的元素一種作為行、一種作為列,構成DSM長矩陣,DSM長矩陣包括對象/過程矩陣、過程/屬性矩陣和對象/屬性矩陣。DSM 長矩陣的元素可以是反映流程的各種信息,不一定是數字。不同對象功能要求不同,處理過程也不同,以對象作為行、以處理過程作為列建立的對象/過程矩陣如表2所示。表2中NPij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4)表示不同對象/過程的具體內容。

表2 對象/過程矩陣結構

在對象/過程矩陣中,一行表示一個對象的處理過程,一列表示某個過程所涉及的對象。在過程/屬性矩陣中,“行”反映每個對象的過程變化,隨著過程的變化,對象的屬性也發生變化,然后通過檢查前后是否連貫來判斷功能是否完備;“列”體現了跟該過程有關的全部對象,反映了對不同對象同時進行操作的可能性。

面向流程分析的廣義DSM反映相同元素之間的關系和不同元素之間的關系。廣義DSM體現的對象(N)、過程(P)、屬性(A)之間的關系如圖3所示。

定義3 對矩陣行和列所表示的對象進行確定稱為矩陣結構初始化。

根據收集到的數據,按照廣義 DSM對行、列,以及行元素和列元素的定義來確定矩陣的行和列,從而建立矩陣。通過查閱相關的項目計劃、設計文檔、說明書及資料,或者通過向相關專家咨詢、與項目的參與者進行訪談、聽取相關工程師的建議等方式來確定矩陣的“行”列表和“列”列表。

定義4 對矩陣元素及元素順序進行確定稱為矩陣元素初始化。

一般通過閱讀設計文檔、訪問用戶和工程師的方式來確定矩陣元素,或采用調查表、開會等方式來確定矩陣元素。采用調查表、開會等方式確定矩陣元素時,一般從以下4個方面進行提問:

(1)What(各元素的輸入/輸出);

(2)When(各元素輸入/輸出的時刻和所用時間);

(3)Where(各元素輸入/輸出的來源與去處);

(4)How(各元素輸入/輸出對自身或其他的影響)。

收集數據是建立模型所必須的,而且是項目進度優化的基礎。根據所收集的數據填寫矩陣,完成矩陣的初始化。初始化過程中會增加對項目的了解程度,對系統元素進行修正和更改是非常必要的。

2.2 矩陣計算

DSM 計算主要包括層次劃分、分區、排序、聚類等計算方式。層次劃分是指將矩陣各元素分為不同的級;分區是指重新排列矩陣中的行元素和列元素的位置,消除矩陣中的環路,將矩陣中對角線以上的標記(或數值)調整到對角線以下的過程;排序是指使設計過程展現一個比較光滑的信息流向,盡量保證每一個任務所需要的信息在此任務執行前就能獲得的過程;聚類計算就是對矩陣中相互依賴的作業進行識別和分塊的過程。廣義DSM計算也包括層次劃分、分區、排序、聚類等計算方式,如表3所示。

表3 廣義DSM計算

3 流程分析過程

廣義DSM的建立和應用大致需要經過準備、定義、初始化、計算、應用等階段,其過程如圖4所示。

(1)建立對象層次結構。結合用戶需求、項目目標以及流程分析背景等相關內容,確定流程分析的對象、層次結構及系統總功能,然后將系統總功能進行功能分解得到子功能。

(2)建立DSM 方陣,以反映對象關系、過程關系等。需要與用戶及工程師廣泛接觸,獲得相應信息,定義對象DSM、過程DSM,并進行初始化。然后根據DSM計算方法進行排序、聚類等計算以獲得優化后的DSM方陣。

(3)建立對象/過程矩陣。根據對象DSM和過程DSM,通過與客戶及相關工程師溝通交流來定義對象過程矩陣,并進行初始化。通過計算,建立合理的對象/過程矩陣。

(4)建立過程/屬性矩陣。結合過程DSM和屬性,通過與客戶及相關工程師溝通交流,定義過程/屬性矩陣,并進行初始化。通過計算建立合理的過程/屬性矩陣,分類別反映流程分析過程中的相關信息。

(5)完整性檢查及單項分析。結合流程分析過程以及過程屬性矩陣中各類屬性的輸入輸出信息,檢查流程分析過程的完整性,查漏補缺,使得分析過程流暢。每類屬性反映分析過程的一個方面,為優化相應的專項分析方法提供依據。

4 實例——放大器裝校流程分析

放大器組件的裝校是從零件→元件→模塊、從模塊→組件的過程,本文列出了片箱模塊的分析過程。

4.1 對象層次結構

組件包括片箱模塊、燈箱模塊、端鏡模塊、潔凈廂模塊等。模塊由機械元件和光學元件組成,機械元件由零件組成。放大器組件(零件→元件→模塊→組件)的組成體系結構如圖5所示。

4.2 DSM方陣的建立

DSM方陣的建立過程如下:根據對象層次結構建立對象DSM、根據功能要求建立過程DSM,然后將方陣初始化后進行矩陣計算。片箱模塊零件層次對象包括框架主體(甲)、鍍銀反射板(乙)、玻璃壓框(丁)、整流導氣盒(戊)、風刀進氣管(己)等。釹玻璃(丙)為光學元件,但與零件之間有裝配關系,因此,釹玻璃與零件在同一層次處理。初始化并計算后建立反映對象關系的DSM方陣,如表4所示。

表4 片箱模塊的零件DSM方陣

根據光機裝配前的功能要求,光學元件需要進行精密檢測(a)、表面潔凈(b)、表面鍍膜(c)、激光預處理(以提高表面損傷閾值,d)等操作。進行光學元件/過程矩陣的定義、初始化和計算,確定操作過程的順序為卸貨→精密檢測→表面潔凈→激光預處理→表面鍍膜,如表5所示。機械元件處理過程為卸貨→光機預裝配→粗清洗→精密清洗。

表5 光學元件處理過程DSM

4.3 對象/過程矩陣建立

對象/過程矩陣包括光學元件/過程矩陣、機械元件/過程矩陣、模塊/過程矩陣等。對象/過程矩陣可以完整地反映對象處理的過程及每一個處理過程涉及的對象。矩陣的每一行顯示某一類對象的處理過程,相應反映對象應該達到的功能;每一列表示某一個過程所涉及的對象,作為該過程工作安排的依據。放大器組件片箱模塊機械零件/過程矩陣如表6所示。

表6 片箱模塊機械零件/過程矩陣

4.4 過程/屬性矩陣及應用

裝校流程需要集中反映放大器組件中各層對象的處理、操作方法及相關信息。裝校對象有釹玻璃、片箱框架以及光機裝配后形成的片箱模塊。將功能設備、時間、潔凈度、平面位置、支撐部件、控制方式等作為描述過程的屬性,圖6所示為片箱模塊的裝校流程,過程/屬性矩陣如表7所示。

表7反映了片箱裝校過程的屬性變化,流程中的前后不連貫、不一致或冗余會在矩陣的相應行上體現為脫節、矛盾或重復。該矩陣中,功能設備行體現裝校過程需要的設施,時間是安排生產計劃和進行優化的依據,潔凈度屬性是用來保障整個過程的潔凈是閉環的,平面位置和支撐部件的變化反映物流和搬運情況等。

表7 片箱裝校過程/屬性矩陣

根據放大器對象層次結構完成所有裝校對象的過程/屬性矩陣后,合并相同的功能設備信息、物流過程信息、搬運設備要求,結合完成工序的標準時間,確定裝校設施、物流設施、助力設施等的功能和數量,最后進行裝校能力的計算。

5 結束語

本文基于DSM可以實現關聯信息的排序、迭代和反饋的優點,提出包括DSM方陣和DSM長矩陣的廣義DSM,建立了廣義DSM分析流程的一般順序。應用DSM方陣進行相同領域的元素關系分析,應用DSM長矩陣進行不同領域的元素關系分析。應用廣義DSM進行放大器組件裝校流程分析,體現了各層次對象內部及對象之間的邏輯關系和接口關系,檢驗了裝校過程的功能完備與否和潔凈閉環與否,為完成裝校過程所需要的裝校設施、物流設施、助力設施等設備的功能設置和數量計算提供了依據。

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