康博凱，張秀芬，2，3*，張國興

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機械工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)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(chǎn)品全壽命周期為指導，以實現(xiàn)廢舊產(chǎn)品性能提升為指標，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保為準則，以先進技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，修復、改進廢舊產(chǎn)品的一項技術(shù)措施。模塊化設(shè)計是提高產(chǎn)品再制造升級性的途徑之一[1,2]。

模塊劃分是模塊化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，將產(chǎn)品劃分為不同模塊，構(gòu)建模塊化平臺，通過不同模塊組合，形成具有不同功能的產(chǎn)品實例。模塊劃分一直是國內(nèi)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(huán)境和成本，分析零件間的關(guān)聯(lián)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(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣表達零部件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用FCM算法對零部件進行了聚類，以模塊內(nèi)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(zhì)量屋的再制造產(chǎn)品模塊劃分方法，根據(jù)產(chǎn)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(xiàn)了各模塊的遺傳進化，完成了再制造產(chǎn)品的模塊化組合設(shè)計。

在綠色模塊劃分方面，魏巍[6]提出了基于環(huán)境因子的產(chǎn)品平臺模塊劃分方法，將綠色理念貫穿產(chǎn)品全生命周期中，通過引入環(huán)境因子和零部件關(guān)聯(lián)矩陣建立了目標函數(shù)，并提出了一種改進的免疫克隆多目標優(yōu)化算法進行問題求解。唐濤[7]提出了綠色模塊化設(shè)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(chǎn)品綠色模塊劃分方法，通過綜合考慮產(chǎn)品零部件之間的基本屬性和綠色屬性，建立了產(chǎn)品的綜合矩陣，以模塊度為適應度函數(shù)，運用遺傳算法計算出了最佳的綠色模塊劃分結(jié)果;JI Y[9]提出了一種面向產(chǎn)品生命周期的有效性驅(qū)動的模塊化設(shè)計方法;YU S[10]通過考慮功能以及與產(chǎn)品生命周期相關(guān)的屬性，建立了模塊適應性聚類函數(shù)，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(jié)合產(chǎn)品生命周期各階段特性，制訂模塊劃分準則，通過模塊間關(guān)聯(lián)度最優(yōu)化進行了模塊劃分;CHENG Q[12]基于原子理論實現(xiàn)模塊的劃分，分析了重型機床再制造域和結(jié)構(gòu)域中設(shè)計參數(shù)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(shè)計零件，采用模糊綜合評價法和模糊優(yōu)劣解距離法對原產(chǎn)品與再設(shè)計產(chǎn)品進行了綜合評價;陳小斌[14]分析了機電產(chǎn)品模塊劃分過程中綠色屬性及功能結(jié)構(gòu)與環(huán)境要素間的關(guān)系，建立了以組件集合、組件屬性以及結(jié)構(gòu)為要素的綠色模塊化信息模型以及綠色模塊劃分雙優(yōu)化目標；基于遺傳算法，實現(xiàn)了綠色模塊劃分。

目前，這些方法從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)保及再制造等幾個屬性進行產(chǎn)品模塊劃分。然而，隨著技術(shù)更新周期、顧客需求的快速變化，市場上的這些產(chǎn)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(shù)革新融入再制造產(chǎn)品以便于產(chǎn)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(chǎn)品綠色模塊劃分方法。

1 再制造升級綠色屬性的定義

產(chǎn)品的可再制造升級性是其功能參數(shù)變化、可重用組件、模塊化結(jié)構(gòu)的集成反映，與產(chǎn)品回收模式、結(jié)構(gòu)、功能等有關(guān)。為了使產(chǎn)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(jié)構(gòu)、回收模式等再制造升級屬性，并采用設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣(design structure matrix，DSM)量化描述產(chǎn)品零部件之間的關(guān)聯(lián)、關(guān)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(shù)性的提升。產(chǎn)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(chǎn)品中具有不同的功能，實現(xiàn)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(nèi)，會造成模塊的獨立性下降。功能屬性是指零件所要執(zhí)行的服務產(chǎn)品系統(tǒng)性能的一系列能量傳輸和操作行為，主要表現(xiàn)為零件之間的能量流、信息流、作用力流和物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換和傳輸[15]。

功能屬性關(guān)聯(lián)度定義如表1所示。

表1 功能屬性關(guān)聯(lián)度定義

根據(jù)表1，通過專家打分法確定兩零件之間功能關(guān)聯(lián)度數(shù)值，設(shè)n為產(chǎn)品中零件的個數(shù)，則零件i和j的功能關(guān)聯(lián)度矩陣為：

F=(fij)n×n

(1)

式中：fij—零件i和j的功能屬性關(guān)聯(lián)度大小。

1.2 結(jié)構(gòu)屬性

產(chǎn)品的再制造升級要在整個模塊中進行，合理的結(jié)構(gòu)能夠增強產(chǎn)品的升級換代能力。產(chǎn)品功能由物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)屬性即結(jié)構(gòu)連接關(guān)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(qū)域和接觸點。如果兩個組件接觸點或者接觸區(qū)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(jié)合。連接自由度是指能夠?qū)崿F(xiàn)兩個組件結(jié)合的自由度，結(jié)合自由度越大，則兩個組件越容易結(jié)合。

結(jié)構(gòu)屬性關(guān)聯(lián)度定義如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)屬性關(guān)聯(lián)度定義

根據(jù)表2，通過專家打分法確定兩零件之間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度數(shù)值，則零件i和j的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度矩陣為：

S=(sij)n×n

(2)

式中：sij—零件i與j的結(jié)構(gòu)屬性關(guān)聯(lián)度大小。

1.3 回收模式屬性

回收階段對環(huán)境的影響最大，產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境影響。

回收模式屬性關(guān)聯(lián)度定義如表3所示。

表3 回收模式屬性關(guān)聯(lián)度定義

根據(jù)表3，確定兩零件之間在各回收模式下的關(guān)聯(lián)度數(shù)值，分別得到零件i與j的關(guān)于各回收模式的關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)度大小。

根據(jù)式(3)則可得到關(guān)于回收模式的關(guān)聯(lián)度矩陣，記為：

(4)

式中：gij—零件i和j總回收模式屬性關(guān)聯(lián)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(quán)重會直接影響產(chǎn)品模塊劃分結(jié)果，分配的權(quán)重越高，說明對產(chǎn)品模塊劃分影響越大。

根據(jù)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(quán)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(gòu)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(guān)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(quán)重；ωs—結(jié)構(gòu)屬性所占影響權(quán)重；ωg—回收模式屬性所占影響權(quán)重。

筆者在由式(6)得到的產(chǎn)品綜合相關(guān)矩陣的基礎(chǔ)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(shù)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?shù)摩酥?，當所有聚類之間的距離小于λ時，轉(zhuǎn)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(jié)果。

λ越小，劃分的模塊數(shù)目越少。因此，需要根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計需求并考慮經(jīng)濟性和環(huán)境屬性取適當?shù)摩酥?，當λ?或1時，沒有劃分意義。

3 實驗及結(jié)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(chǎn)品零部件信息如表4所示。

表4 產(chǎn)品零部件信息

筆者通過表(1～3)對曳引機進行分析，根據(jù)式(1～4)分別得出零件關(guān)于結(jié)構(gòu)、功能、回收模式的綠色關(guān)系矩陣；最后，再通過式(5，6)得到零件的綜合關(guān)聯(lián)矩陣M：

M=

(7)

將上述得到的零件綜合關(guān)聯(lián)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(jié)果如表5所示。

表5 第一次聚類結(jié)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(jié)果如表6所示。

表6 第二次聚類結(jié)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(jù)模塊劃分粒度要求可以取不同的閾值，此處假設(shè)閾值λ=0.42，據(jù)此可以得到模塊聚類的結(jié)果，如表7所示。

表7 模塊劃分的結(jié)果

根據(jù)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(nèi)部聯(lián)系緊密的同時又具有高度的裝配連接性，產(chǎn)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(jié)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(chǎn)品進行修復和改進，定義了功能、結(jié)構(gòu)、回收模式等再制造升級綠色屬性，分析了零件之間的關(guān)系，用設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣來量化表示，提出了一種基于結(jié)構(gòu)矩陣的產(chǎn)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(yè)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(guān)聯(lián)關(guān)系，并建立了零件關(guān)聯(lián)度矩陣；(2)模塊之間擁有很高的獨立性，模塊內(nèi)部聯(lián)系緊密的同時又具有高度的裝配連接性，產(chǎn)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。