基于兩階段解耦的可變功能機械模塊劃分研究

黃 華, 鄧益民

基于兩階段解耦的可變功能機械模塊劃分研究

黃 華1, 鄧益民2*

（1.寧波大學 機械工程與力學學院, 浙江 寧波 315211; 2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室, 浙江 寧波 315211）

可變功能機械是一類多功能集成的機械產品, 較適合于采用模塊化設計方法. 但是, 這類產品的每個功能都有相應的私有構件與之對應, 除此之外還有一定數量的共享構件, 造成各功能(相應地各客戶需求)間存在不同程度的耦合性, 因此傳統的單純解決構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現可變功能機械的模塊劃分, 其中第一階段通過引入客戶需求設計結構矩陣, 將與產品功能相關的客戶需求先進行解耦, 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構關聯矩陣與構件設計結構矩陣, 根據構件內部的關聯關系進行結構解耦, 獲得模塊內部高耦合、模塊之間低耦合的模塊劃分方案. 在此基礎上, 通過引入模塊化指數的評判標準, 解決產品模塊聚合度和模塊間耦合度相背離的問題, 實現了多種模塊劃分方案的選優. 最后通過一個多功能電鉆案例來驗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雜系統分解為可管理模塊的設計方法, 在機械、電子、軟件等產品的開發上都有廣泛應用. 模塊化產品是指通過組合不同模塊來實現整體功能的機器、組件或部件[1]. 二十世紀初期, Alexander提出了模塊化的概念, 即通過對產品結構的分解來形成模塊, 通過模塊的組合形成新的產品, 以此降低設計的復雜度[2]. 隨著模塊化設計的廣泛應用, 其為產品帶來的優勢也越來越明顯. 例如, 通過僅更換部分產品模塊, 可以以較低的成本實現產品的更新換代; 通過將產品結構的設計分解, 形成若干個相互影響較小的設計模塊, 可以實現產品的并行設計, 提高設計效率等. 可變功能機械作為構件數量較多, 結構較為復雜的產品, 其設計研發相較于傳統的機械產品, 周期較長, 難度較大. 將模塊化設計的理念融入可變功能機械的設計中, 可以提高可變功能機械的設計效率, 減小產品設計的復雜度.

模塊化方法的關鍵是合理劃分模塊, 而劃分模塊的最高原則是發掘各模塊間的獨立性, 也就是說, 將相互間耦合性較高的結構構件劃分到同一個模塊中, 而隸屬于不同模塊的結構構件間應該維持較低的耦合性, 乃至于完全獨立. 十九世紀八十年代, Steward引入了設計結構矩陣(Design Structure Matrix, DSM)作為基于矩陣的信息流分析框架[3]. Eppinger等人進一步發展了Steward的DSM, 提出了應用DSM的運算實現對矩陣元素重排序的方法[4]. DSM可以用來對產品結構構件間的關聯關系以矩陣形式加以表達. 以此為基礎, 通過改變矩陣的行列關系, 可以降低設計中的結構耦合性, 從而實現模塊劃分.

對可變功能機械而言, 由于其產品結構中存在共享構件, 即多個功能共同使用的構件, 相較于傳統機械, 其結構耦合性較高, 因此模塊劃分難度更大. 此外, 可變功能機械是一個多功能集成的產品, 其面對的客戶需求相較于一般的機械產品會更多更復雜. 對這類產品進行模塊劃分, 不僅要發掘結構構件間的獨立性, 也就是結構解耦, 同時也需要盡可能地發掘客戶需求間的獨立性, 將具有較高耦合性的客戶需求劃分到同一模塊中. 這是因為, 可變功能機械在使用中需要在不同功能間進行切換, 這就意味著需要經常進行相關構件的拆裝. 耦合性較高的客戶需求意味著它們之間存在著更高的關聯性, 因此往往需要頻繁進行相應產品功能的切換. 將它們劃分到同一模塊中可以避免在實際使用時頻繁地拆裝構件, 從而提高產品的使用便捷性和效率. 現有的DSM方法雖然可以解決產品結構的耦合性問題, 但缺少針對客戶需求耦合性的研究.

針對上述情況, 本文提出了兩階段解耦方法: 首先通過第一階段解耦, 解除可變功能機械不同客戶需求之間的耦合性, 保持解耦后相關功能之間的獨立性; 隨之在第二階段, 進一步解除產品組成構件間的耦合關系. 通過兩階段解耦, 可以得到功能層低耦合、模塊間低耦合、模塊內部高耦合的模塊劃分方案. 最后, 再通過建立模塊劃分的評價標準, 篩選獲得最優的模塊劃分方案.

1 DSM構建與聚類

1.1 DSM構建

為了實現上述的兩階段解耦, 本文采用Smith、Eppinger等提出的數字化的設計結構矩陣[5], 其中的數值大小反映了相應設計元素(即客戶需求或產品構件)間的關聯關系情況. 在產品構件關聯性方面, 既有物理結構上的關聯關系, 也有能量傳遞上的關聯關系[6]. 唐敦兵等[7]將這些關聯分為以下4類:

(1)空間關聯(): 兩個元素通過物理空間進行關聯.

(2)物料關聯(): 兩個元素通過物料進行關聯.

(3)能量聯系(): 兩個元素之間存在能量的傳遞.

(4)信息聯系(): 兩個元素之間存在信號的傳遞.

本文以此為基礎, 根據各關聯關系的強弱, 按照表1賦予關聯關系的數值.

表1 關聯關系賦值

綜合上述4種關聯關系的賦值, 可以獲得表示不同設計元素之間關聯關系強弱的最終數值,

根據一個元素所在行與所在列中其他元素的數值大小, 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值均較大(至少不為0), 這類元素類似于計算機接口技術中“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數值均為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DSM矩陣元素進行聚類, 聚類后形成的模塊相對獨立, 模塊之間的耦合關系降低. 這樣可以將元素之間的關聯關系鎖定在模塊內部, 有利于減少產品開發過程中不同模塊之間的相互影響, 實現并行開發, 提高開發效率. DSM聚類是通過改變矩陣中元素的相對位置來實現的. 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DSM進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聯性很小, 因此對模塊聚類的結果影響很小. 矩陣中單一元素的存在會增加矩陣的復雜性, 增加矩陣聚類的難度, 因此在矩陣聚類前需要剝離單一元素. 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元素移動到行列元素的最后面, 由于BUS元素和其他元素關聯性強, 加入其他模塊會增加模塊之間的耦合性, 因此BUS元素單獨成模塊.

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

上述方法獲得的聚類結果將DSM元素根據元素之間的關系強弱劃分為若干個模塊, 同時保持模塊之間較低的耦合關系.

2 面向客戶需求的第一階段解耦

產品模塊化開發, 有助于客戶在后期根據自己的需求升級產品的部分模塊, 降低設備整體更新換代的成本. 因此, 需求與需求之間的耦合性越低, 產品升級、改造的潛力越大[10]. 可變功能機械需承擔用戶更多的需求, 每個需求都依賴相應的構件, 因此, 對需求進行解耦更加有助于對構件的模塊劃分.

理論上, 需求劃分得越明確, 每個需求之間的獨立性越高, 對產品進行模塊劃分更容易. 換句話說, 一個需求對應一個模塊最為簡單、直接. 但是, 現實中某些需求相互之間存在密切的關系, 這些需求不能隨意剝離, 一個需求的實現依賴于另一個需求. 例如, 對于一個輕量化的折疊椅, 較輕的重量需求和較大的承重需求是兩個獨立的需求; 但是, 較輕的重量是在滿足較大的承重基礎上實現的, 較輕的重量需求不能離開較大的承重需求. 這也說明了對需求進行解耦, 形成需求模塊有其必要性.

為此, 本文首先對概念階段的客戶需求進行初步歸類, 減小歸類后需求(相當于需求模塊)之間的耦合關系, 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, 對需求DSM進行聚類操作, 使非零元素向對角線靠近, 形成對角化的矩陣. 劃分后形成若干個非零元素聚集的小集合. 這些集合是對存在耦合性的各需求的模塊化. 通過這一過程, 大部分對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集合. 對于可變功能機械來說, 通過這些需求集合實現相應需求的組合, 可以減少實際使用中因為功能切換所導致的頻繁的構件拆裝, 提高用戶的使用便捷性. 相對地, 通過對互斥的功能進行隔離, 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 面向構件關系的第二階段解耦

通過上述的需求解耦, 可以獲得若干個需求集合, 每個需求集合包含一個或多個客戶需求. 這些需求集合僅僅實現了需求模塊化, 最終運用到產品的設計中還需要將客戶需求和產品結構進行關聯, 以完成下一步的結構模塊化工作, 也就是第二階段解耦. 這一階段包括以下幾個步驟:

表3 需求結構關聯矩陣

第二步, 基于第一階段解耦中獲得的各需求集合與DSIM矩陣的部分構件的關聯關系, 從DSIM矩陣中提取出相應的構件集合, 每個構件集合單獨形成DSM (表4), 用以開展構件的模塊化.

表4 構件DSM

第三步, 對構建的結構DSM實施聚類操作, 實現構件的模塊劃分.

區別于傳統的模塊劃分方法, 本文針對各需求集合分別構造結構DSM, 各DSM中的關聯關系值(即矩陣元素)分別通過前述的數值型DSM方法計算求得, 再將這些DSM分別進行聚類操作, 將有值元素聚集到對角線附近, 最終獲得相應于各需求集合的若干模塊.

4 聚類評估

采用上述方法對可變功能機械進行模塊劃分可以獲得若干種可行方案, 因此需要對這些方案進行評估, 篩選出最優方案[11]. 對產品進行模塊劃分是為了獲得模塊內部高耦合、模塊之間低耦合的構件聚合方案, 因此可以使用模塊內高耦合、模塊間低耦合的標準. 但是, 耦合高低是一種抽象的、定性的評價指標, 無法直接使用. Algeddawy等[12]提出了一種模塊化指標來計算最佳模塊粒度、度量模塊化程度. 諶炎輝等[13]提出了產品模塊關聯度與聚合度的相關定義. 綜合以上兩種觀點, 本文使用模塊平均聚合度、平均耦合度作為可變功能機械模塊劃分的評價指標.

將擁有個構件的產品劃分為個模塊, 模塊M和構件M的平均耦合度可由以下公式求得[14]:

由于DSM通常為非對稱矩陣, 即COU(1,4)和COU(4,1)關聯度不一致, 產品的平均耦合度為[14]:

模塊平均聚合度由所有模塊內部所有元素的關聯值之和求得[14]:

產品的平均聚合度為[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, 綜合考慮聚合度和耦合度的關系. 模塊化指數也可以用于出現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. 模塊化指數的計算式為:

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的計算, 可以定量地給出模塊劃分方案的評價指標, 篩選出最佳的劃分方案. 根據式(10), 模塊化指數越大, 模塊劃分方案越符合要求.

5 案例研究

本節通過對多功能電鉆的模塊劃分案例進行研究來驗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, 客戶通過功能轉換開關選擇需要的功能. 電鉆依靠電機帶動鉆頭來做旋轉運動, 主要承擔螺絲拆卸、打孔等工作; 電鎬利用電機帶動氣缸的連桿做往復運動, 氣缸內的撞擊塊沖撞鎬頭, 輸出沖擊力, 其主要承擔拆卸工作. 市面上的多功能電鉆結構相似, 基本結構由表5中的構件組成.

表5 多功能電鉆構件組成

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、動力源、機架固定、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

接下來對該DSM進行聚類操作, 聚類結果見表7.

表7 客戶需求DSM聚類結果

根據這一聚類結果, 舒適減震和機架固定這兩個需求被組合成一個需求集合. 輸出扭力、輸出沖擊和動力源都是與舒適減震相背離的需求, 所以應與舒適減震需求進行隔離. 輸出扭力、輸出沖擊以及動力源這些需求相互之間關聯關系較小, 可以作為獨立的需求集合. 劃分結果符合實際的需求.

5.2 第二階段解耦

首先建立需求構件關聯矩陣, 見表8.

表8 需求構件關聯矩陣

接下來, 根據第一階段解耦所獲得的4個需求集合提取需求集合所對應的構件, 形成4個構件集合, 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、動力源分別單獨形成結構DSM, 舒適減震和機架固定共同形成一個結構DSM. 這4個結構DSM如圖1所示.

圖1 需求集合對應的結構DSM

將上述DSM進行聚類, 所獲得的模塊劃分結果并不唯一, 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).

三個方案均符合要求, 因此需要進行定量評價, 篩選最優方案.

按照式(4～10)計算三個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, 結果如下:

通過數據比較, 方案一的平均耦合度最小, 平均聚合度最大, 模塊化指數最大, 是三個方案中最優的方案. 經聚類后, DSM形成的模塊劃分方案如圖2所示.

圖2 DSM聚類結果

通過比較聚類前和聚類后的DSM可以發現矩陣的有值單元在聚類后向對角線集中, 這個現象表明矩陣經過相應的聚類后關聯關系強的元素聚集在一起, 即耦合度高的構件構成了一個模塊. 圖中A15、A16、A17和各個模塊的關聯性都很強, 所以單獨作為BUS模塊也是合理的. 結合實際的構件進行分析, 馬達轉子、馬達定子、馬達碳刷以及動力離合被放在了一個模塊, 相當于給多功能電鉆提供動力輸出的模塊; 偏心軸齒輪、氣缸、撞錘放進了一個模塊, 相當于往復運動的傳動模塊. 這兩個模塊的構件分布相對集中, 構件數量較多, 適合集成在一個模塊中. 而缸套齒輪、旋轉傳動齒輪這些構件在設備中的分布較為松散, 與其他構件的關聯也比較多, 不適合集成為一個模塊. 因此, 上述分析驗證了劃分模塊的合理性.

6 結論

可變功能機械的模塊化設計可以提高產品的設計效率、降低產品功能變更設計的復雜度. 傳統的模塊化方法僅對構件之間的關聯關系進行分析來實現構件模塊化, 對于可變功能機械這類需求較多的產品, 這樣的方法難以化解需求之間的耦合性, 造成不同模塊間因為各自對應的客戶需求的耦合性而無法實現真正的獨立. 本文提出了兩階段解耦的方法, 第一階段對需求進行分析, 通過需求DSM及其聚類操作實現需求解耦; 第二階段對各需求集合所對應的構件分別進行分析, 通過結構DSM及其聚類操作解除構件之間的耦合性. 通過分階段解耦, 實現了可變功能機械的模塊化分, 并通過一個多功能電鉆的案例驗證了此方法的可行性. 事實上, 本文所提出的方法對于非可變功能, 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械系統同樣適用.

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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.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（51375246）.

黃華（1996－）, 男, 浙江杭州人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 機械設計理論與方法. 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: 設計理論與方法、注塑成型與優化. E-mail: dengyimin@nbu.edu.cn

（責任編輯 韓 超）