面向農機模塊化產品平臺的零部件關聯度建模與計算

羅石林，張 紅，趙天牧，楊 巖

（重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054）

0 引言

研究人員用不同的方法，從不同的方面對產品零部件關聯模型構建并計算關聯度，針對關聯度計算有很多可以考慮的方面以及因素，而不同的評判標準也會對關聯度計算的結果產生影響，因而沒有特定的標準原則來對關聯度進行評判。針對關聯度的計算方法，根據產品特點來確定并完善一個可行的參考依據，對關聯度計算有著重要的意義。

國內外關于農機零部件關聯度計算的文獻相對較少，而對于裝配連接關系、模塊化設計的文獻值得參考。王永，劉繼紅考慮零件之間的結構、功能和工藝約束，基于模糊層次分析法生成裝配單元決策圖[1,2]。HCdiMejbri等將具有公差配合關系的零件劃分為一個子裝配單元[3]。王自軍用三維工藝分離面作為劃分依據，進行構件識別和裝配單元建模[4]，僅考慮的零部件之間的裝配幾何關系，沒有考慮其他因素對劃分結果的影響。靳江艷通過裝配幾何關系、夾具和工裝使用情況、裝配工藝性方面，建立了產品裝配關系的矩陣，實現了復雜產品裝配單元的劃分[5]。趙韓通過考慮零件之間的功能相關性、幾何相關性和物理相關性，擬定了不同相關程度的相關值大小，最終得到關聯度的DSM矩陣，最后通過遺傳模擬退火算法實現了減速器的模塊化[6]。段蘭通過零部件之間的裝配關系作用程度大小強弱之分，給零部件關聯關系強度進行定義并賦予分值，用遺傳算法實現了航空發動機的模塊化[7]。汪文旦通過依賴關系的建模描述，從功能、物理結構、結構參數幾個方面，通過依賴關系的判定，得到了數控挽把機的DSM依賴關系矩陣[8]。王兵采用層次分析法進行權重設置，通過稱對方是進行重要程度的對比，得到相關度的結構矩陣[9]。貢智兵、孔凡凱等從功能關系、幾何關系、物理關系等三個大方面對關聯度進行打分[10,11]。

本文根據農機零部件的特點，從連接方式、形位關系、裝配強度大小、功能相關性這四個方面對關聯大小進行評價。由于農機零部件眾多，工作量很大，本文旨在研究某款微耕機有關操縱功能的零部件的關聯度模型以及關聯度計算方法，清楚的體現操縱部分有關零部件的功能、特性以及零部件之間的聯系，并通過結果驗證了參考模型以及計算方法的合理性。

1 農機模塊化產品平臺概述

我國是人口大國也是農業大國，為了解放農村勞動力，實現農業機械化，提高生產效率，我國對農機產品的研發越來越重視。采用模塊化設計的方法，開發不同種類、多功能的農機，可以提升農機的設計和研發速度，對加速農業機械化有著重要的意義。

模塊化設計是指在對一定范圍內，不同功能或相同功能但性能規格不同的產品，在進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構成不同的產品，從而滿足市場的不同需求[12]。而“模塊化”則包括“模塊化分解”和“模塊化組合”兩部分含義，前者是指將一個復雜的系統或過程按照一定的聯系規則，分解為可進行獨立設計的半自律性子系統的行為；后者是指按照某種聯系規則，將可進行獨立設計的子系級模塊統一起來，構成新的甚至更加復雜的系統或過程的行為[13]。

產品平臺的概念是在理論和實踐中不斷豐富和發展的，關于產品平臺的定義可以找到很多不同的“版本”，但它們之間不相互矛盾，也沒有本質的區別，因而產品平臺的定義應該根據具體情況而定[14]。

關于農機模塊化產品平臺，則是一款基于農機產品的平臺，集聚了不同種類的農機產品。該平臺通過對各類農機產品零部件庫進行模塊化分解，再進行模塊化組合，設計出用戶需要的農機產品。

針對農機的模塊化分解，我們需要通過關聯度模型與關聯度計算方法，把農機產品零部件進行有規律、有條理的模塊分解，從而形成模塊化組合需要的零部件庫。

2 農機零部件關聯度模型

對于農機的關聯度計算方法，首先需要擬定關聯度的計算參考模型，讓關聯度計算有據可依，從而根據模型進行關聯度計算。

關聯度模型主要根據農機自身具有的特點進行考慮。農機產品從屬于機械類產品的范疇，機械類產品具有通過一些連接件進行連接的特點，通常零部件之間存在著連接關系，也有可能存在形位關系、裝配強度大小關系甚至功能操作的相互影響，由此，考慮從零部件的連接方式、形位關系、裝配強度大小、功能相關性這四個方面對關聯大小進行評價。

針對每一項的分值，均以0分為最低分，10分為最高分，在0到10分之間，不同的分數對應不同關聯度大小，分數越高代表關聯度越高，而分數的判定則根據技術人員對農機零部件的實際情況對應準則來進行打分。

2.1 連接方式

農機的零部件之間的連接方式最明顯最主要的就是連接關系，因而參考零部件之間連接方式、連接關系，考慮幾何關系的緊密程度、拆卸力度大小和難易程度。靳江艷，段蘭等眾多研究人員都通過零部件之間的裝配連接關系定義了評價標準[5,7]，此處根據農機的特點以及存在的連接方式，對連接關系以及對應分值進行如下規定，如表1所示。

2.2 形位關系

機械零部件通常也存在形位關系，對于農機零部件的模塊化，同樣考慮從形位關系進行考核。HCdiMejbri，靳江艷等關于形位關系的考慮僅僅是形位公差，分值的高低與形位公差的大小匹配[3,5]?？紤]到農機有的零部件的精度要求不高，有的零部件之間沒有很高的形位要求，我們對形位關系的評價添加了是否接觸的定義，如是否有面接觸、線接觸、點接觸，以及是否存在形位公差的關系，如表2所示。

2.3 裝配強度大小

此處對裝配強度大小的具體程度做解釋進行定義，綜合考慮零部件裝配的難易程度、裝配的緊密程度、裝配單元的工藝剛度，如表3所示。

2.4 功能相關性

農機零部件之間存在裝配關系，同時相互間也具有一定的功能聯系。功能相關性是指將那些為實現同一功能的零部件聚在一起構成的模塊的零部件之間存在的關系，例如支撐、限位、連接等等，也有零部件之間的獨具自身特點的專用關系，例如遞動力、控制方向等等。針對相關性的大小，此時對功能相關性進行如下概括性描述，其中空缺的分值及描述可根據已羅列出的關聯度大小描述進行比較來打分，已羅列分值如表4所示。

表1 連接方式分值參考準則

表2 形位關系分值參考準則

表3 裝配強度大小參考準則

表4 功能相關性描述參考準則

3 農機關聯度計算研究

根據擬定的四個評判關聯度的方面，對關聯度大小進行判定。用T表示零部件之間綜合關聯度的大小，分別用T1，T2，T3，T4分別表示連接關系，形位關系，裝配強度大小，功能相關性的關聯度大小，于是有關系式：

用ω1，ω2，ω3，ω4分別表示連接關系，形位關系，裝配強度大小，功能相關性的權重大小，于是有關系式：用n1，n2，n3，n4表示連接關系形位關系，裝配強度大小，功能相關性的分值大小，于是有每個評判方面的關聯度計算公式：

最后擬定出綜合關聯度T計算公式：

關聯度的計算分值T大小決定關聯度大小。根據關聯度的計算公式，此時把關聯度大小的閾值設置為5，當關聯度計算值T大于5說明關聯度較大，小于5說明關聯度較低。根據分數設定值可知，每個評判方面的關聯度分值最大分值為10分，最小為0分，因而理論上綜合關聯度T的最大值可以達到10。當兩個零件為焊接的連接方式時，他們的連接方式特別緊密且不可拆卸，毋庸置疑是他們一定應該歸屬于一個模塊，因而必須保證兩個零件焊接時關聯度的計算結果較高，考慮設定ω1為0.5，此時可以保證在焊接的連接方式下，T1為5，再綜合另外幾個評判標準，關聯度T鐵定大于5，說明關聯度較大；而對于沒有任何連接關系的兩個零件，他們的關聯度T最肯定數值很小甚至為0。由于裝配強度大小跟功能相關性相對而言對關聯度的影響不如形位公差，因而設置形位公差的權重ω2為0.3，設置強度大小和功能相關性的權重ω3，ω4分均為0.1。由此，ω1，ω2，ω3，ω4的取值已定，根據準則可以判定n1，n2，n3，n4值的大小，便能夠計算綜合關聯度大小T。

4 微耕機操縱機構關聯度計算

根據某企業提供的某款微耕機的整機爆炸圖，三維裝配圖，并且查找該款微耕機有關的技術資料、文獻以及對真實產品的觀摩等，技術人員對該款微耕機有了一定的了解。

該微耕機的零部件數量眾多，以微耕機具有一定代表性的操縱有關的零件來進行計算，其二維爆炸圖及三維裝配圖如圖1，圖2所示。

該微耕機的二維爆炸圖零件明細表如表5所示。

圖1 微耕機操縱部分二維爆炸圖

圖2 微耕機操縱部分三維裝配圖

表5 零件明細表

農機的所有零部件大致分為兩大類，一類是標準件，如螺栓、螺母類零件；一類是非標準件，如扶手架、扶手膠套等。此款微耕機操縱部件有關零部件的劃分亦是如此。

該微耕機與操縱功能有關的部分包含57種不同的零件，除去螺栓、螺母之類的標準件，還有37種不同的零件，而模塊化的對象則是這37種非標準件零件。

根據農機零部件關聯度參考模型，首先為農機零部件之間的關系定義分數，再根據關聯度計算公式進行關聯度的計算，得到關聯度大小。

如編號為1的扶手架與編號為2的扶手膠套，其連接關系為普通接觸的連接等容易拆卸的連接，對應分值N1為2分；形位關系為面接觸并有形位關系，對應分值N2為10分；扶手架在與扶手膠套的裝配、接觸中比較緊，且不能在該微耕機工作時發生膠套脫落等情況，因而他們裝配工藝性較好，即裝配較緊、剛度較強，分值N3理應為8分；這兩個零件在功能相關性方面非限位、支撐的通用關系，而是帶有一定專用功能的控制方向的，此時這兩個零部件為共同完成功能時的關聯性、專用關系還是比較強，因而為N4賦予分值為6分，則T=（0.5×2+0.3×10+0.1×8+0.1×6）=5.4。

根據這種方式，對此款農機有關操縱功能的剩余非標準件零件進行綜合關聯度T的計算，最后羅列出這些零件的關聯度的DSM矩陣，如圖3所示。

圖3 零件關聯度的DSM矩陣

如圖3所示，最左邊一列與最上邊一行代表零件的編號，而關聯度大小T數值則是以矩陣的對角線為對稱線的對稱矩陣。凡是有接觸關系的零件均進行了關聯度的計算，例如零件1跟零件2、3、6、7、8、9、19、50均有連接關系，其中與零件2、3、6、7、8、50的關聯度計算結果均大于5，與零件9、19關聯度均小于5。

5 微耕機操縱機構的模塊劃分

根據得到的微耕機操縱機構的關聯度DSM矩陣，通過遺傳算法對矩陣進行的數值分布進行優化并聚類，得到零部件的DSM矩陣模塊化結果如圖4所示。

根據零件的DSM矩陣模塊化結果數值分布可劃分模塊結果，把整個有關操縱功能的零件有4個大塊兒，另有3個單獨的零件為單獨的小塊兒，3個零件與任何零件或者模塊沒有太大的關聯度。模塊化結果對應的二維圖如圖5所示。由圖4的分布結果跟圖5的對應結果可知，模塊劃分效果及結果較為理想，此方法可對微耕機操縱機構的實際模塊劃分。最終我們根據劃分結果把這些零件劃分為5個模塊，其中4個功能模塊，分別取名扶手架模塊、扶手支臂模塊、扶手座模塊、附件拉桿模塊，和1個獨立零部件模塊。

圖4 DSM矩陣矩陣模塊化結果

圖5 模塊化劃分結果

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6 結束語

本文通過擬定關聯度評分準則，從連接關系、形位關系、裝配工藝性、功能操作等方面評價有關農機功能操作有關的零部件關聯度。通過遺傳算法將矩陣優化并聚類，最終把這些零部件分為五個模塊，驗證了關聯度計算方法的合理性。

通過建立關聯度模型，方可清楚的知道零部件之間的關系，從而為計算關聯度提供參考依據，并為整個模塊化的工作奠定基礎。整個流程，進一步增進了技術人員對農機產品結構、細節方面的觀察研究，也增進了對產品的了解，有利于后期對農機模塊化產品平臺進行進一步完善和充實。

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