支持再制造升級的機械產品綠色模塊劃分方法研究*

康博凱，張秀芬，2，3*，張國興

(1.內蒙古工業大學 機械工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051;2.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室，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,指以產品全壽命周期為指導，以實現廢舊產品性能提升為指標，以優質、高效、節能、環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段，修復、改進廢舊產品的一項技術措施。模塊化設計是提高產品再制造升級性的途徑之一[1,2]。

模塊劃分是模塊化設計的關鍵技術，將產品劃分為不同模塊，構建模塊化平臺，通過不同模塊組合，形成具有不同功能的產品實例。模塊劃分一直是國內外研究的熱點。

薄振一[3]提出了考慮模塊耦合的模塊劃分方案，通過物理、環境和成本，分析零件間的關聯度，使用復雜比例評價方法對模塊劃分方案進行了評價;程賢福[4]通過設計結構矩陣表達零部件的關聯關系，利用FCM算法對零部件進行了聚類，以模塊內聚度和模塊間耦合度為目標，建立了模塊度準則，從而得到了合理的模塊劃分方案;蘇梅月[5]提出了基于質量屋的再制造產品模塊劃分方法，根據產品各個模塊的重要度，運用價值工程理論分析了各個方案中模塊的價值，實現了各模塊的遺傳進化，完成了再制造產品的模塊化組合設計。

在綠色模塊劃分方面，魏巍[6]提出了基于環境因子的產品平臺模塊劃分方法，將綠色理念貫穿產品全生命周期中，通過引入環境因子和零部件關聯矩陣建立了目標函數，并提出了一種改進的免疫克隆多目標優化算法進行問題求解。唐濤[7]提出了綠色模塊化設計方法，采用零件合并準則對零件進行合并，接著用綠色準則和功能準則對模塊進行劃分;鄧體立[8]提出了基于客戶需求的產品綠色模塊劃分方法，通過綜合考慮產品零部件之間的基本屬性和綠色屬性，建立了產品的綜合矩陣，以模塊度為適應度函數，運用遺傳算法計算出了最佳的綠色模塊劃分結果;JI Y[9]提出了一種面向產品生命周期的有效性驅動的模塊化設計方法;YU S[10]通過考慮功能以及與產品生命周期相關的屬性，建立了模塊適應性聚類函數，采用成組遺傳算法進行了模塊劃分。

在再制造模塊劃分方面，劉濤[11]結合產品生命周期各階段特性，制訂模塊劃分準則，通過模塊間關聯度最優化進行了模塊劃分;CHENG Q[12]基于原子理論實現模塊的劃分，分析了重型機床再制造域和結構域中設計參數的相似性;侯昆峰[13]對模塊進行相似性和獨立性分析以辨別可再設計零件，采用模糊綜合評價法和模糊優劣解距離法對原產品與再設計產品進行了綜合評價;陳小斌[14]分析了機電產品模塊劃分過程中綠色屬性及功能結構與環境要素間的關系，建立了以組件集合、組件屬性以及結構為要素的綠色模塊化信息模型以及綠色模塊劃分雙優化目標；基于遺傳算法，實現了綠色模塊劃分。

目前，這些方法從產品結構、功能、環保及再制造等幾個屬性進行產品模塊劃分。然而，隨著技術更新周期、顧客需求的快速變化，市場上的這些產品很快過時或被淘汰，造成了資源浪費。再制造升級通過升級將技術革新融入再制造產品以便于產品回收再利用，快速應對市場變化，可以緩解上述問題。

目前，尚無面向再制造升級的模塊劃分方法。為此，本文提出一種支持再制造升級的機械產品綠色模塊劃分方法。

1 再制造升級綠色屬性的定義

產品的可再制造升級性是其功能參數變化、可重用組件、模塊化結構的集成反映，與產品回收模式、結構、功能等有關。為了使產品滿足客戶需求的同時具有可再制造升級性，定義了功能、結構、回收模式等再制造升級屬性，并采用設計結構矩陣(design structure matrix，DSM)量化描述產品零部件之間的關聯、關系。

1.1 功能屬性

再制造升級過程中，會有新功能的嵌入或技術性的提升。產品進行模塊劃分時首先要滿足模塊的功能性，不同的組件在產品中具有不同的功能，實現相同功能或者相似功能的組件應該分在同一模塊，從而保證功能獨立性。如果具有高度功能相似性的組件在不同模塊內，會造成模塊的獨立性下降。功能屬性是指零件所要執行的服務產品系統性能的一系列能量傳輸和操作行為，主要表現為零件之間的能量流、信息流、作用力流和物質流的轉換和傳輸[15]。

功能屬性關聯度定義如表1所示。

表1 功能屬性關聯度定義

根據表1，通過專家打分法確定兩零件之間功能關聯度數值，設n為產品中零件的個數，則零件i和j的功能關聯度矩陣為：

F=(fij)n×n

(1)

式中：fij—零件i和j的功能屬性關聯度大小。

1.2 結構屬性

產品的再制造升級要在整個模塊中進行，合理的結構能夠增強產品的升級換代能力。產品功能由物理結構實現，結構屬性即結構連接關系，包括接觸方式、連接類型、工具類型和連接自由度4種類型，此處主要考慮接觸方式和連接類型。接觸方式是指兩個組件的接觸區域和接觸點。如果兩個組件接觸點或者接觸區域越大，那么兩個組件的接觸強度越大。連接類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型。工具類型指工具操作難度，有特殊工具、小型工具、大型工具和手工等。工具類型操作難度越大，則兩個組件之間越難結合。連接自由度是指能夠實現兩個組件結合的自由度，結合自由度越大，則兩個組件越容易結合。

結構屬性關聯度定義如表2所示。

表2 結構屬性關聯度定義

根據表2，通過專家打分法確定兩零件之間結構關聯度數值，則零件i和j的結構關聯度矩陣為：

S=(sij)n×n

(2)

式中：sij—零件i與j的結構屬性關聯度大小。

1.3 回收模式屬性

回收階段對環境的影響最大，產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?；厥罩赜煤驮僦圃熘赜玫牧悴考枰M行再制造修復或再制造升級，材料回收和焚燒或廢棄處理的零部件需要應用新產品替換。為了便于再制造升級，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境影響。

回收模式屬性關聯度定義如表3所示。

表3 回收模式屬性關聯度定義

根據表3，確定兩零件之間在各回收模式下的關聯度數值，分別得到零件i與j的關于各回收模式的關聯度矩陣：

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聯度大小。

根據式(3)則可得到關于回收模式的關聯度矩陣，記為：

(4)

式中：gij—零件i和j總回收模式屬性關聯度大小。

2 基于全鏈接層次聚類的模塊劃分

以上各個屬性特征的權重會直接影響產品模塊劃分結果，分配的權重越高，說明對產品模塊劃分影響越大。

根據層次分析法[16]進行各屬性的重要性比較，標度為1～9，計算得到各個屬性權重分別為ωf=0.32，ωs=0.26，ωg=0.42，一致性檢驗CI=0.052,小于0.058，因此滿足一致性檢驗。

將上述構建的單一屬性矩陣綜合成一個總矩陣：

M=(mij)n×n

(5)

式中：mij—零件i與j的綜合相關性。

mij的具體算式為：

mij=ωffij+ωssij+ωggij

(6)

式中：ωf—功能屬性所占影響權重；ωs—結構屬性所占影響權重；ωg—回收模式屬性所占影響權重。

筆者在由式(6)得到的產品綜合相關矩陣的基礎上，應用全鏈接層次聚類法對其進行模塊劃分，具體過程如下：

步驟1：定義兩個聚類之間的數值mij為兩個對象之間的最大距離。對于任意mij，其中i≠j，都把它當做一個聚類；

步驟2：檢索上述聚類中距離最遠的兩個聚類，把它們凝聚成新的聚類；

步驟3：采用最長距離法重新計算新聚類與其他聚類之間的距離；

步驟4：取適當的λ值，當所有聚類之間的距離小于λ時，轉下步，否則，重復上述步驟2和3；

步驟5：輸出最終模塊聚類結果。

λ越小，劃分的模塊數目越少。因此，需要根據產品的設計需求并考慮經濟性和環境屬性取適當的λ值，當λ取0或1時，沒有劃分意義。

3 實驗及結果分析

為驗證所提方法的可行性，本文以電梯曳引機為例進行分析。

永磁同步曳引機爆炸圖如圖1所示。

圖1 永磁同步曳引機爆炸圖

永磁同步曳引機產品零部件信息如表4所示。

表4 產品零部件信息

筆者通過表(1～3)對曳引機進行分析，根據式(1～4)分別得出零件關于結構、功能、回收模式的綠色關系矩陣；最后，再通過式(5，6)得到零件的綜合關聯矩陣M：

M=

(7)

將上述得到的零件綜合關聯度矩陣M采用全鏈接層次聚類法進行分析。由M可知，編號7與12的距離最大，為0.72；將7與12聚類，用最遠距離法重新計算{7,12}與其他編號之間的距離。

第一次聚類結果如表5所示。

表5 第一次聚類結果

由表5可知，編號13與18距離最大，為0.7。

將13與18聚類，用最遠距離法重新計算{13,18}與其他編號之間的距離，第二次聚類結果如表6所示。

表6 第二次聚類結果

重復以上步驟，得到曳引機零件聚類樹圖，如圖2所示。

圖2 曳引機零件聚類樹圖

根據模塊劃分粒度要求可以取不同的閾值，此處假設閾值λ=0.42，據此可以得到模塊聚類的結果，如表7所示。

表7 模塊劃分的結果

根據上述方法，可以將曳引機劃分為6個模塊，其中，模塊,可進行材料回收；模塊可進行再制造升級。同時，各模塊之間擁有很高的獨立性，模塊內部聯系緊密的同時又具有高度的裝配連接性，產品方便拆卸與維修，易于再制造升級，也能方便滿足用戶的需求。

4 結束語

本文從再制造升級性綠色角度建立模塊劃分模型，為了便于對廢舊產品進行修復和改進，定義了功能、結構、回收模式等再制造升級綠色屬性，分析了零件之間的關系，用設計結構矩陣來量化表示，提出了一種基于結構矩陣的產品綠色模塊劃分方法；通過對曳引機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，對制造企業開展綠色再制造具有一定參考價值。

該方法有以下特點：(1)從多方面分析了各零件間的關聯關系，并建立了零件關聯度矩陣；(2)模塊之間擁有很高的獨立性，模塊內部聯系緊密的同時又具有高度的裝配連接性，產品方便拆卸與維修，易于再制造升級，也能方便滿足用戶的需求。