基于广义设计结构矩阵的激光装置装校流程分析

李梦奇 谢志江 李冬英 任 铮 张 林

1.重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆,400044 2.邵阳学院,邵阳,422000

3.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳,621900

0 引言

装校流程分析是进行激光装置装校系统的设施设计、物流设计、生产计划控制的前提和依据。装校流程具有层次多、内容广、迭代多、不确定性强等特点,传统工艺方法(如装配流程图、生产过程流程图等)和过程分析方法(如甘特图、网络计划技术、IDEF3等)无法处理反馈和迭代,不能满足装校流程分析的要求。

设计结构矩阵(design structure matrix,DSM)可以实现关联信息的排序、迭代和反馈,提供简洁可视的理解方法和分析复杂过程的方法[1-2]。本文采用广义DSM 进行流程分析,建立了广义DSM分析流程的一般顺序。广义DSM包括DSM方阵和DSM长矩阵,前者可用于分析相同领域的元素关系,后者可用于分析不同领域的元素关系,利用广义DSM 可以全面、科学、有效地收集和分析基本数据。

1 设计结构矩阵

Steward于1967年提出了设计结构矩阵的概念,并于1981年将DSM 引入到设计结构矩阵分析信息流中[3-4],麻省理工学院的 Eppinger、Browning等对设计结构矩阵进行过大量研究[1,5-8]。DSM作为分析活动之间依赖关系的有效工具而被普遍采用。

DSM是关于项目的紧凑表示,有利于对复杂项目进行可视化分析[9]。DSM以N阶方阵的形式对产品开发过程进行建模和分析,用于显示矩阵中各个元素的交互关系,包含了所构成的活动及活动间的信息依赖关系。常采用X(或1)表示元素B对元素A存在依赖关系,用空格(或0)表示元素间没有依赖关系。考虑一个由两个元素(元素A和元素B)或者两个子系统组成的系统,两个元素之间的关系有三种情况:平行(parallel or concurrent)、顺序(sequential or dependent)和耦合(coupled or interdependent),图1所示为用有向图和DSM方式表示的元素间的关系。

Browning[1]将DSM分成静态DSM和动态DSM两类。静态DSM包括基于零部件或结构的DSM(component—based DSM)和基于团队或组织的DSM(people—based DSM);动态DSM 包括基于行为或规划的DSM(activity—based DSM)和基于参数或低级规划的DSM(parameter—based DSM)。

2 广义设计结构矩阵

2.1 定义

定义1 同类元素以相同顺序排列,并分别作为行和列形成的矩阵称为DSM方阵。

DSM方阵体现了同类元素之间的逻辑、时间和顺序关系,根据元素类型的不同,有对象关系方阵、过程关系方阵、属性关系方阵等。其结构形式如表1所示。

表1 DSM方阵结构

元素之间存在层次关系,根据元素的层次结构分别建立方阵,同一层次元素形成一个方阵,所有DSM方阵构成一种树状结构,每个子矩阵分别对应着树结构中的某个子节点,每个根矩阵对应着树结构中的某个根节点。激光装置中装校对象分为组件、模块、元件、零件等,相应的对象层次关系如图2所示。

定义2 两种类型元素分别作为行和列形成的矩阵称为DSM长矩阵。

两种类型的元素一种作为行、一种作为列,构成DSM长矩阵,DSM长矩阵包括对象/过程矩阵、过程/属性矩阵和对象/属性矩阵。DSM 长矩阵的元素可以是反映流程的各种信息,不一定是数字。不同对象功能要求不同,处理过程也不同,以对象作为行、以处理过程作为列建立的对象/过程矩阵如表2所示。表2中NPij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4)表示不同对象/过程的具体内容。

表2 对象/过程矩阵结构

在对象/过程矩阵中,一行表示一个对象的处理过程,一列表示某个过程所涉及的对象。在过程/属性矩阵中,“行”反映每个对象的过程变化,随着过程的变化,对象的属性也发生变化,然后通过检查前后是否连贯来判断功能是否完备;“列”体现了跟该过程有关的全部对象,反映了对不同对象同时进行操作的可能性。

面向流程分析的广义DSM反映相同元素之间的关系和不同元素之间的关系。广义DSM体现的对象(N)、过程(P)、属性(A)之间的关系如图3所示。

定义3 对矩阵行和列所表示的对象进行确定称为矩阵结构初始化。

根据收集到的数据,按照广义 DSM对行、列,以及行元素和列元素的定义来确定矩阵的行和列,从而建立矩阵。通过查阅相关的项目计划、设计文档、说明书及资料,或者通过向相关专家咨询、与项目的参与者进行访谈、听取相关工程师的建议等方式来确定矩阵的“行”列表和“列”列表。

定义4 对矩阵元素及元素顺序进行确定称为矩阵元素初始化。

一般通过阅读设计文档、访问用户和工程师的方式来确定矩阵元素,或采用调查表、开会等方式来确定矩阵元素。采用调查表、开会等方式确定矩阵元素时,一般从以下4个方面进行提问:

(1)What(各元素的输入/输出);

(2)When(各元素输入/输出的时刻和所用时间);

(3)Where(各元素输入/输出的来源与去处);

(4)How(各元素输入/输出对自身或其他的影响)。

收集数据是建立模型所必须的,而且是项目进度优化的基础。根据所收集的数据填写矩阵,完成矩阵的初始化。初始化过程中会增加对项目的了解程度,对系统元素进行修正和更改是非常必要的。

2.2 矩阵计算

DSM 计算主要包括层次划分、分区、排序、聚类等计算方式。层次划分是指将矩阵各元素分为不同的级;分区是指重新排列矩阵中的行元素和列元素的位置,消除矩阵中的环路,将矩阵中对角线以上的标记(或数值)调整到对角线以下的过程;排序是指使设计过程展现一个比较光滑的信息流向,尽量保证每一个任务所需要的信息在此任务执行前就能获得的过程;聚类计算就是对矩阵中相互依赖的作业进行识别和分块的过程。广义DSM计算也包括层次划分、分区、排序、聚类等计算方式,如表3所示。

表3 广义DSM计算

3 流程分析过程

广义DSM的建立和应用大致需要经过准备、定义、初始化、计算、应用等阶段,其过程如图4所示。

(1)建立对象层次结构。结合用户需求、项目目标以及流程分析背景等相关内容,确定流程分析的对象、层次结构及系统总功能,然后将系统总功能进行功能分解得到子功能。

(2)建立DSM 方阵,以反映对象关系、过程关系等。需要与用户及工程师广泛接触,获得相应信息,定义对象DSM、过程DSM,并进行初始化。然后根据DSM计算方法进行排序、聚类等计算以获得优化后的DSM方阵。

(3)建立对象/过程矩阵。根据对象DSM和过程DSM,通过与客户及相关工程师沟通交流来定义对象过程矩阵,并进行初始化。通过计算,建立合理的对象/过程矩阵。

(4)建立过程/属性矩阵。结合过程DSM和属性,通过与客户及相关工程师沟通交流,定义过程/属性矩阵,并进行初始化。通过计算建立合理的过程/属性矩阵,分类别反映流程分析过程中的相关信息。

(5)完整性检查及单项分析。结合流程分析过程以及过程属性矩阵中各类属性的输入输出信息,检查流程分析过程的完整性,查漏补缺,使得分析过程流畅。每类属性反映分析过程的一个方面,为优化相应的专项分析方法提供依据。

4 实例——放大器装校流程分析

放大器组件的装校是从零件→元件→模块、从模块→组件的过程,本文列出了片箱模块的分析过程。

4.1 对象层次结构

组件包括片箱模块、灯箱模块、端镜模块、洁净厢模块等。模块由机械元件和光学元件组成,机械元件由零件组成。放大器组件(零件→元件→模块→组件)的组成体系结构如图5所示。

4.2 DSM方阵的建立

DSM方阵的建立过程如下:根据对象层次结构建立对象DSM、根据功能要求建立过程DSM,然后将方阵初始化后进行矩阵计算。片箱模块零件层次对象包括框架主体(甲)、镀银反射板(乙)、玻璃压框(丁)、整流导气盒(戊)、风刀进气管(己)等。钕玻璃(丙)为光学元件,但与零件之间有装配关系,因此,钕玻璃与零件在同一层次处理。初始化并计算后建立反映对象关系的DSM方阵,如表4所示。

表4 片箱模块的零件DSM方阵

根据光机装配前的功能要求,光学元件需要进行精密检测(a)、表面洁净(b)、表面镀膜(c)、激光预处理(以提高表面损伤阈值,d)等操作。进行光学元件/过程矩阵的定义、初始化和计算,确定操作过程的顺序为卸货→精密检测→表面洁净→激光预处理→表面镀膜,如表5所示。机械元件处理过程为卸货→光机预装配→粗清洗→精密清洗。

表5 光学元件处理过程DSM

4.3 对象/过程矩阵建立

对象/过程矩阵包括光学元件/过程矩阵、机械元件/过程矩阵、模块/过程矩阵等。对象/过程矩阵可以完整地反映对象处理的过程及每一个处理过程涉及的对象。矩阵的每一行显示某一类对象的处理过程,相应反映对象应该达到的功能;每一列表示某一个过程所涉及的对象,作为该过程工作安排的依据。放大器组件片箱模块机械零件/过程矩阵如表6所示。

表6 片箱模块机械零件/过程矩阵

4.4 过程/属性矩阵及应用

装校流程需要集中反映放大器组件中各层对象的处理、操作方法及相关信息。装校对象有钕玻璃、片箱框架以及光机装配后形成的片箱模块。将功能设备、时间、洁净度、平面位置、支撑部件、控制方式等作为描述过程的属性,图6所示为片箱模块的装校流程,过程/属性矩阵如表7所示。

表7反映了片箱装校过程的属性变化,流程中的前后不连贯、不一致或冗余会在矩阵的相应行上体现为脱节、矛盾或重复。该矩阵中,功能设备行体现装校过程需要的设施,时间是安排生产计划和进行优化的依据,洁净度属性是用来保障整个过程的洁净是闭环的,平面位置和支撑部件的变化反映物流和搬运情况等。

表7 片箱装校过程/属性矩阵

根据放大器对象层次结构完成所有装校对象的过程/属性矩阵后,合并相同的功能设备信息、物流过程信息、搬运设备要求,结合完成工序的标准时间,确定装校设施、物流设施、助力设施等的功能和数量,最后进行装校能力的计算。

5 结束语

本文基于DSM可以实现关联信息的排序、迭代和反馈的优点,提出包括DSM方阵和DSM长矩阵的广义DSM,建立了广义DSM分析流程的一般顺序。应用DSM方阵进行相同领域的元素关系分析,应用DSM长矩阵进行不同领域的元素关系分析。应用广义DSM进行放大器组件装校流程分析,体现了各层次对象内部及对象之间的逻辑关系和接口关系,检验了装校过程的功能完备与否和洁净闭环与否,为完成装校过程所需要的装校设施、物流设施、助力设施等设备的功能设置和数量计算提供了依据。

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