李安虎,李 喬,高 飛,劉廣軍,李夢如

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

模塊化設計技術迄今一直處于實踐領先理論的狀態(tài).較多領域(例如機床、減速器、計算機、家電和家具等領域)雖然已經滲透了模塊化的思想,但是相關設計技術及理論還不夠完善,導致現今的生產不能很好地解決產品多樣化與成本低廉化之間的生產矛盾.

國內外學者對模塊化設計做了大量研究:在模塊化設計方法上,高淑英[1]結合廣義模塊化設計原理,使用相似特征聚類的方法形成廣義模塊,對粗紗布機進行了廣義模塊表達，并對粗紗機廣義模塊化設計原型系統(tǒng)進行了構建;唐濤等[2]在模塊化設計中融合了綠色設計思想,提出并詳細介紹了綠色模塊化設計方法.

模塊劃分是模塊化設計的關鍵技術，且一直是該領域的研究熱點.在模塊劃分方法研究上,諶炎輝等[3]總結了現今已有的模塊劃分方法,將其歸納為基于功能的模塊劃分方法、基于功能和結構的模塊劃分方法、面向產品生命周期的模塊劃分方法等類型;高浪等[4]在模塊化設計中摻入了多策略設計目標,從而提出了有關機電產品的多策略模塊劃分方法;Tsai等[5]從幾何約束、機械強度、能量流、信息流等功能相關類型出發(fā),利用并行工程的相關概念,對功能相關度進行模糊聚類劃分;Tseng等[6]從綠色生命循環(huán)的角度提出了一種評價產品模塊化的方法,先使用積分系統(tǒng)對產品間的關聯密度進行評價,然后用集群遺傳算法對產品模塊進行聚類,最后以污染和花費分析來評價聚類結果.

從目前對模塊化設計方法的研究情況來看,大多數學者并未對模塊化方法進行系統(tǒng)性設計,有些模塊劃分方法與模塊表達方法比較繁瑣且不通用.因此,本文從實現產品的基本功能出發(fā),系統(tǒng)地設計了一種產品模塊化過程模型.在該模型中,提出了一種功能聚類映射的模塊劃分方法,并將產品的模塊進行了參數化表達.

1 基于功能聚類映射的產品模塊化設計過程模型

本文設計了一種基于功能聚類映射的產品模塊化設計方法.① 針對市場需求或者相關工程問題進行分析,得到滿足需求和解決問題的產品總功能;② 對產品總功能進行功能分解,分解成功能單元,功能單元再根據相關性聚集成功能模塊;③ 在每個模塊功能中加入結構、功能等信息形成廣義模塊,在對新產品的產品族進行分析規(guī)劃之后,結合廣義模塊的概念,運用參數化設計技術可快速設計出模塊的變形結構;④ 將參數、結構等數據整合形成模塊庫.

1.1 產品功能分析

為了滿足市場需求以及解決某類工程問題,首先應該確定解決這些問題的產品總功能.某待設計產品總功能的確定可以采用任務抽象化方法以及黑箱法[7].以黑箱法為例,把產品系統(tǒng)看作一個不透明的黑色箱子,忽略該系統(tǒng)具體結構和工作原理,通過系統(tǒng)輸入輸出量(輸入量和輸入量體現為3種形式:物料、能量和信號)的變化特點,了解一個特定系統(tǒng)的規(guī)律,并推出該產品系統(tǒng)的總功能.

為了更好地描述產品的功能,將復雜的設計問題簡化,則需將該產品總功能細分成多個子功能,即將總體、抽象、復雜的總功能向下拆分成局部、具體、簡單的子功能,從而得到能以某種手段解決的功能單元.所謂功能單元是指用于完成某項功能的不宜再進行分解的基本單位.在機械結構設計學中,功能單元一般分為3種類型:數學功能單元、邏輯功能單元和物理功能單元[7].

功能單元按照一定的組織關系構成一個產品的總功能,主要有層次組織和非層次組織,設計問題中功能分解一般由抽象到具體,由整體到局部,所以層次組織較為通用.但是在一些不能分清層次組織關系的設計中,就需要進行非層次組織,該組織關系能夠較好地反映不同功能之間的相互關系.

1.2 相關性聚類與功能-結構映射

獨立性是所有模塊所具有的一個主要特征,在將產品的總功能分解成一系列功能單元之后,若某個功能單元滿足一定的獨立條件(例如技術獨立、參數獨立、工藝獨立等),則該功能單元可以單獨作為一個功能模塊;若某些功能單元不滿足獨立條件,則對于不獨立的功能單元,可對其進行相關性分析聚類來形成模塊.

功能單元與功能單元之間大致有如下相關類型[8].

(1) 功能相關:兩個或多個功能單元(或子功能)之間同屬于一個上級子功能,則這些功能單元(或子功能)功能相關.

(2) 裝配相關:兩個或多個功能單元(或子功能)各自的功能載體包含裝配關系,則這些功能單元(或子功能)裝配相關.

(3) 空間相關:兩個或多個功能單元(或子功能)各自的功能載體享受公共的空間,則這些功能單元(或子功能)空間相關.

(4) 信息相關:兩個或多個功能單元(或子功能)有材料、能量、信號和力之間交換信息關系,則這些功能單元(或子功能)信息相關.

功能單元與功能單元之間的相關度如下:

(1)

假設某產品總功能共可劃分成m個功能單元,考慮功能單元之間的相關類型以及根據相關理論設置相關類型權重后,可得出產品功能單元相關矩陣如下:

(2)

產品功能的實現要通過相應的機械結構,針對功能模塊設計合理的機械結構模塊,考慮產品結構的布局及其裝配組合方式,對結構模塊裝配組合,最終形成能夠實現產品總功能的結構有機體.

對于產品來說,產品功能域與結構域的映射包含1-1,1-n兩種,圖1表示了兩個域之間的映射關系.如圖1所示,以功能模塊FM1與功能模塊FM2的映射關系為例,功能模塊FM1只能通過特定結構的結構模塊SM1來實現,結構模塊SM1在多個產品中共享,這種關系為1-1映射;功能模塊FM2由不同結構的結構模塊SM2j組成,結構模塊SM2j的縱向、橫向結構形式視具體應用場景而定,這種關系為1-n映射.

圖1 產品功能-結構的映射Fig.1 The function-structure mapping

1.3 廣義模塊的創(chuàng)建

廣義模塊是指擁有某種功能，具有一種或多種結構實現的參數驅動的結構模型.廣義模塊是功能、結構、結構驅動參數、性能驅動參數的函數,定義如下:

(3)

式中:F為模塊的功能集;S為模塊的結構模型集,對應模塊的功能集,有一種或多種結構模型實現方式;X為模塊的結構驅動參數集,是結構設計中的關鍵變量,其值受幾何尺寸、制造精度等約束;P為模塊的性能驅動參數集,描述模塊的材料性能、載荷、振動等性能參數集合.參數之間具有獨立性,一組符合約束要求的參數能夠驅動生成一個模塊的結構實例.

1.4 產品族規(guī)劃

以盡可能少的種類、數量的模塊組裝成盡可能多的種類和數量的產品，是模塊化設計的主要目的.結合上文所述的功能-結構映射策略以及可變形設計的廣義模塊設計,對模塊能夠組合而成的多種產品進行科學的產品族規(guī)劃.

產品族是一類具有相似功能的產品集合,產品族中包含著關系復雜的模塊[10].為了描述產品族所包含的功能和結構組成,從產品規(guī)格和產品功能兩個維度引入產品族矩陣的概念.定義產品族矩陣Pr如下:

(4)

式中:行矩陣(Pri1Pri2…Prin),i∈[1,m]為具有不同功能變化的相同規(guī)格的產品系列;列矩陣(Pr1jPr2j…Prmj)T,j∈[1,n]為具有不同規(guī)格變化的相同功能的產品系列,當j=1(Pr1jPr2j…Prmj)T,j∈[1,n]時,列矩陣為產品基型矩陣,當j≠1時,列矩陣為產品變型矩陣.

(5)

由于產品的各個功能模塊依賴于具體結構來實現,所以產品功能模塊矩陣Pfj可進一步擴展為產品結構模塊矩陣Psj.Psj定義如下:

(6)

1.5 模塊庫創(chuàng)建

產品系列族譜中包含不同類型、特殊功用的產品,全部都由基本模塊和可變模塊拼裝組合而成.基本模塊結構形式不變,規(guī)格沒有變化或有少許變化,而且是一類經常重復利用、不可缺少的模塊.可變模塊根據不同的需求定制成特殊的結構和規(guī)格.將基本模塊和可變模塊數據整合到一起形成模塊數據庫,構建成產品設計平臺,可避免在設計過程中的大量重復勞動,提升設計效率，節(jié)省勞動力和成本.

模塊數據庫的內容包含以下部分.

(1) 參數數據:XML文件是一種輕量級的數據存儲文件,互操作性和可擴展性強,格式規(guī)范,運用XML文件來存儲模塊的參數信息,可方便地進行數據交換和內容管理.

(2) 預覽數據:模型結構通過圖片格式來預覽,可幫助設計人員快速獲取結構信息.

(3) 結構數據:通過常用的三維建模軟件(例如Pro/E,UG,SolidWorks等)對模塊結構進行三維建模,可在模塊化產品設計時快速調用.

(4) 管理數據:運用關系型數據庫(例如Oracle,SQL Server,Access等)存儲相關數據,并對器材箱模塊數據進行分析和管理.

2 應急救援器材箱設計案例

近年來,我國各類災害、事故頻頻發(fā)生,嚴重影響公民的生命財產安全.應急救援器材車作為器材主要的運輸工具承擔著重要作用,在很大程度上影響救援效率.目前,應急救援器材車存在器材裝載量小、種類少、體積大、設計效率低、功能集成化程度低等問題,難以滿足復雜現場對各種救援功能的需求.器材箱是應急救援器材車重要組成部分,針對器材箱進行模塊化設計,可以實現應急救援器材車的快速設計以適應不同的救援場景,安全高效地施展應急救援工作.

2.1 器材箱功能分析

對于應急救援器材箱,建立其黑箱模型，如圖2所示.系統(tǒng)的工作環(huán)境為應急救援場景以及車輛底盤進行搭載運輸;系統(tǒng)的物料輸出較之輸入無任何變化,都是各種類型的救援器材,能量和信號則由輸入時的驅動存儲動能、存儲信號分別變成了驅動取出動能及取出信號.因此,可以確定應急救援器材箱的總功能是存儲各種救援器材,在不同應急救援場景快速取用以開展救援工作.

圖2 器材箱功能分析Fig.2 Function analysis on the equipment box of emergency vehicle

基于器材箱的總功能特點,結合層次組織關系的功能分級思想,可將器材箱主要功能分為基本功能和輔助功能兩大類:基本功能包含器材支撐、約束、鎖定、運動及其數據管理等功能;輔助功能包含動力提供和照明等功能.功能模塊還可進一步細分為如圖3所示F1～F12的12個功能單元.

2.2 器材箱模塊劃分

根據1.2節(jié)所述的4種相關類型,結合應急救援器材箱功能特點及工程經驗,運用層次分析法計算上述相關類型的權重，結果分別為0.382,0.238,0.304,0.076.再結合式(1)和式(2)可得產品功能相關矩陣如下:

圖3 功能模塊的動態(tài)聚類Fig.3 Dynamic clustering of function modules

(7)

式(7)共有8種相關度值,從大到小依次設為閾值TR,大于該閾值的功能單元可以聚集成一個模塊,得如圖3所示的功能模塊動態(tài)聚類圖.對每一種方案進行平均聚合度和平均分離度計算，如表1所示,方案2為最佳劃分方案.

表1 不同方案的平均聚合度和平均分離度Tab.1 Mean integration values and mean division values of different schemes

在功能模塊劃分完成之后,結合圖1分析功能-結構映射關系:信息存儲-標簽、信息讀寫-讀寫器、信息計算-主機符合1-1映射關系,標簽、讀寫器以及主機在不同類型器材箱產品中可以共用;其他功能模塊與對應的結構模塊都滿足1-n映射關系.以平移功能模塊到平移導軌機構的映射為例,該映射為典型的1-n映射,其存在有橫向和縱向的結構-功能映射關系,橫向為導軌節(jié)數的變化,縱向為拉伸長度的參數變化,具體節(jié)數及拉伸長度視特殊救援場景中使用的器材箱類型而定,如圖4所示.應急救援器材箱經過功能-結構映射后，最終結構模塊劃分結果如圖5所示.

圖4 平移功能模塊到平移導軌機構的1-n映射Fig.4 The 1-n mapping relationships corresponding to the panning function modules to panning guide mechanisms

2.3 器材箱產品族規(guī)劃與模塊庫形成

綜合分析應急救援器材箱功能樹狀圖和結構樹狀圖：① 利用三維建模軟件創(chuàng)建廣義模塊基型結構模型文件(見圖6);② 編寫該模塊所必須的結構驅動參數、性能驅動參數數據文件;③ 對市場現有的器材箱品種進行產品族規(guī)劃、分析和預測產品需求,實現由需求-功能的轉化.

圖5 應急救援器材箱結構模塊樹狀圖

融合廣義模塊的概念,運用參數化設計技術對相關參數等作出相應調整,可由基型模塊出發(fā)設計滿足不同需求產品的變形模塊,并形成相應的數據文件,匯集成應急救援器材箱數據庫.以數據庫為基礎搭建應急救援器材箱數字產品平臺,通過模塊接口添加配置專用模塊,可對不同類型器材箱進行快速設計.

圖6 應急救援器材箱廣義模塊基型結構Fig.6 Basic structures of the generalized modules in the emergency rescue equipment box

3 結語

本文分析研究了模塊化設計技術,設計了基于功能聚類映射的產品模塊化的設計過程模型,在該過程模型中提出了功能聚類映射模塊劃分方法,并通過平均聚合度和分離度來挑選劃分方案.將模塊進行了參數化表達,有利于實現橫向或縱向等不同方式的模塊化設計.將此過程模型應用到應急救援器材箱的設計,得出了器材箱最佳模塊劃分方案,在器材箱產品族的基礎上繼續(xù)創(chuàng)建應急救援器材箱模塊庫,基于模塊庫搭建器材箱產品設計平臺,可針對不同工程需求,快速設計不同類型的應急救援器材箱.