模块化设计中相似性评价的应用

张 雷, 郭 卫, 刘志峰

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

模块化设计中相似性评价的应用

张 雷, 郭 卫, 刘志峰

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

为实现在模块化设计中标准化,文章提出一种相似性评价方法;基于对模块变型系列的讨论,建立了一套能够实现功能与结构定量对比的计算方法,并确定了评价模块相似度的流程,最后通过实例说明了该方法的有效性。

模块化设计;相似性度量;功能分析;形体特征

1 模块变型特征分析

在模块化设计中,模块是指可组合成系统的、具有某种特定功能和接口结构的、典型的通用独立单元[1-7],由此可以发现模块在划分完成之后,本身的属性是一定的,因此,将模块看做一个“黑箱”,其相似性完全可以通过比较彼此间的整体性能表现来获得。在客户需求的影响下,同一功能域下的模块体现出不同系列的差异性变化[8],通过建立一个三维坐标图,用 x、y、z 3个方向分别表示这3种变化。

(1)功能域范围的变化。功能域是指模块所涵盖的功能范围,即所具有的功能种类。根据产品本身的相关特性,允许将多种功能划分到同一模块下,这样模块之间可能存在差异,具体表现为模块中某些功能的有无。将这种变化设为z方向

(2)功能谱上的变化。不同模块对外作用时,同种功能输出体现出强弱或大小的区别,设为y方向。

(3)形状及尺寸的变化。为适应不同的使用场合、空间等,模块在形状、尺寸上存在不同,设为x方向。

以坐标图内的某点来表示某一模块,取某一模块为基准,设定其在图上表示为坐标原点,通过对3个方向上的相似性分析,获得模块的任意变型对应于基准模块的空间坐标值x、y、z。这样模块的任意变化类型都可以在三维空间中找到位置,空间中点至原点的矢量线段就能够表示任意模块与基准模块间的综合相对相似度。所有模块间的相似度,都可以三维坐标的形式予以表示。

2 相似性度量方法

2.1 功能性分析

模块在功能性上产生的变化包括功能域与功能谱2个方面。模块在功能域上的变化是指某些模块具有其它模块所不具有的功能表现,将功能域上的分析作为功能谱方向分析的前提,即先要进行z向的分析,然后进行y向的分析,可以有效减少功能性分析的复杂性。

(1)功能域分析。模块的功能主要表现在与外界的能源、信息、物料的交换,可以采用动词加名词的形式进行表达[9],且尽可能取抽象层次的基本词汇,如提高温度、排放废气等。通过此种方式,对模块具体功能进行识别,可以很容易获得模块功能的解空间。

功能域变化在本文中定义为不同单元间涵盖功能种类的差别,基于此,该方面的相似性可以通过模块间所具有的相同功能的种类数来表示,构建相似性计算公式[10]如下:

其中,D d(a,b)表示模块间在功能域方面的相似度;Ud(a)、Ud(b)分别表示模块 a、b的功能种类数;n表示模块a、b相同功能的种类数。

(2)功能谱分析。两功能划分为同一模块,表示两者之间具有较高的交互性。根据实际情况发现,其中某功能(辅助功能)一般为另一功能(基本功能)的补充与完善,且仅适用于某种特殊的需求。当该模块产生变型时表现为基本功能发生变化,辅助功能不发生或发生极少变型。因此,对功能谱的相似性分析集中于基本功能特征。

模块的基本功能表现是相同的,即模块间的基本功能属性一一对应。因此,y向的相似性分析可以通过提取这些功能属性的特征值定量计算获得。需要注意的是,应正确识别模块的关键功能特征属性,如模块的功能为放大信号,特征属性应取放大率来比较;模块的功能为产生压力,特征属性可取压力来比较等。

令U i(a)、Ui(b)分别表示模块a、b某一相似功能属性i的特征值,通过两者之间的比值来确定该相似特征的相似度di(a,b),即

当模块具有多个功能特征属性时,认为各功能特征具有相同的重要度,采用放大公式确定模块之间的相似度D f(a,b),即

2.2 结构特征分析

x向的模块形状及尺寸系列的划分就是指对结构交互性进行相似性分析,模块与系统的结构交互性主要表现在空间定位、连接关系、几何形状3个方面。

2.2.1 空间定位

空间定位表现为模块在系统限制下所具有的刚体自由度,两模块的相似性可以由模块所具有的刚体自由度的比值计算得到,即

其中,d l(a,b)表示模块a、b关于空间定位的相似度;U l(a)、U l(b)分别表示模块a、b的刚体自由度的个数。

2.2.2 连接关系

连接关系反映了模块与系统间的连接强度,通过定义连接关系因子来量化该特征,即

其中,U c(a)为模块a的连接关系因子;h为连接关系的序号;m为连接数目;Zh为第h个连接关系的交互值,可由表1得到。

表1 连接交互系数

其中,d c(a,b)表示模块a、b关于空间定位的相似度;U c(a)、U c(b)分别表示模块a、b的连接关系因子。

2.2.3 几何形状

模块的几何形状决定了其适应的装配空间,根据模块的形体特征,可以将其划分为若干个部分,每一部分都可以是某种基本形体[11]。例如,长方体、圆柱体、球体、棱柱体、圆锥体等。

基于此,首先完成对模块形体特征的分解,正确提取模块内基本形体应注意以下2个方面。

(1)识别关键基本形体。划分得到的基本形模块间关于连接关系的相似度可由(6)式计算得出:体可以分为如下2类:①构成模块的主体形状构架,能够体现模块的整体形状特征;②仅仅对模块的外部形状的修饰与补充。

在进行相似性分析时,仅仅是对那些关键的基本形体予以分析。关键基本形体应包含所有的模块与系统的接触点,即构建的基本形体能够体现模块的全部外部约束。

如图1所示,某一箱体外壳为一模块,分析可近似得到其基本形体构成包括1个大长方体与14个小长方体,模块与产品有4个螺钉相互连接。可以发现,大长方体a的形体特征能够体现模块的关键空间几何特征,而小长方体b仅作为形体的补充,在进行相似性分析时,仅考虑基本形体a即可。

图1 某外壳模块

(2)两对比模块所提取基本形体应一一对应。比较模块划分得到的基本形体类型应相同,一一对应,且对应基本形体具有相同或相近的空间基准(可以通过参照实际装配来获得)。如图2所示,相同功能下的2个模块,图2a模块的外部形状可以划分为圆柱体与长方体2个基本形体,图2b模块也应划分为相应的圆柱体与长方体,且对应的圆柱体与长方体具有相同的基准轴线与基准面。

图2 模块基本形体划分示意图

具体作法:①完成模块a的形体划分;②找到模块b中相对应于a的圆柱体及中心轴线;③以长方体的底面为基准面,确定模块b中相应的参照面(基准面到上方圆柱面的最大距离与底圆半径的比值相等);④尽可能使构建的基本形体近似,取相同的底面长度,高度为基准面到上方圆柱面的最大距离。

当基本形体确定之后,利用体积计算公式,通过比较对应相似基本形体的特征参数来计算模块间的相似性。假设模块a、b划分后第i个对应基本形体为圆柱体,其形状相似度d s i(a,b)可以计算如下:

其中,Ri(a)、Ri(b)分别表示两对应圆柱体的底圆半径;hi(a)、hi(b)分别表示两对应圆柱体的高。

当模块间存在多个基本相似形体时,计算整体的几何形状相似体的综合相似度d s(a,b),取各基本形体相似度的乘积值,即

综上可以确定,模块间关于结构特征上的相似度D s(a,b)取3种结构特征属性的乘积,计算如下:

2.3 模块相似度评价步骤

(1)进行功能性分析,正确识别模块的功能属性,获得最大的功能解空间,计算z向的相似度Dd(a,b)。

(2)针对基本功能属性获得其关键特征值,比较模块间y向的相似度D f(a,b)。

(3)完成结构性能分析,分别对空间定位、连接关系、几何形状量化,综合计算模块间x向上的相似度D s(a,b)。

(4)由定义的相似度D(a,b)计算公式可知,0≤D(a,b)≤1;当 D(a,b)=1时,两模块等同;D(a,b)=0时,两模块完全不同;D(a,b)的值越趋向于0,模块之间的相似性越小。为方便理解,取D(a,b)的倒数来完成三维坐标赋值,即将模块间的相似度表示为:

坐标值越小表示模块间在该方向上的相似性越高,在实际活动中,更多的是考虑单一功能或单一结构的相似性,因此,这种表示方法是可行的。

(5)需要考虑模块间的综合相似度DI(a,b),近似取:

(6)设计人员设定阈值λ取得解空间,从而启发式获得标准化的解,以辅助产品活动的需要。

例如,当两模块的1/Dd(a,b)小于阈值λd,1/D f(a,b)小于阈值 λf,1/D s(a,b)小于阈值 λs,可优先考虑两者间的标准化。

3 应用实例

将液晶显示器整体(省略支架部分)看做一模块,以其为例对上述方法的应用进行说明。

3.1 功能性分析

显示器的用途在于能够显示图像,因此模块的基本功能为显示功能。

对上述3种类型模块进行功能提取,可发现模块在功能域上的表现,见表2所列。

表2 3种类型显示器部分参数

由(1)式计算模块间在z方向上的相似度:

模块功能谱的变化是以基本功能为对象,根据基本功能属性特征值的对比可以获得y向的相似度,由(2)式、(3)式计算如下:

3.2 结构特征分析

(1)空间定位。在空间范围内,模块仅与支撑架存在限位关系,且3种类型的表现相同,具有相同自由度,由(4)式可得:

(2)连接关系。模块间的连接关系由彼此间的连接类型决定,首先由(5)式计算各自的连接关系因子,即

由(6)式比较三者间的连接关系相似度,即

(3)几何形状。模块的外部表面存在大量的散热孔,虽然具有一定的功能,但散热孔的位置、大小等都没有一定的规则,且对模块的结构不起关键作用。

因此,认为由其生成的基本形体是对关键形体的补充,可以忽略。

根据结构特征及装配关系分析,将模块划分为3个部分,如图3所示。

图3 模块p1的形体划分

以装配面为基准面m,形体a与形体b实现分离,近似取两者为长方体;根据模块的实际外部形状很容易发现基准面n,以其为分离面获得形体b与形体c,形体b为一规则长方体,而形体c在不同的类型模块中产生很大变型,如p1中呈台体状,p2中呈长方体,p3中呈抛面体。为方便相似性的比较,统一将基本形体c近似为长方体,对于不规则形体,取与形体b的接触面为底面,该面至曲面的最大距离为高。各基本形体的相关参数见表3所列。

表3 3种模块的基本形体参数 mm

计算基本形体 a、b、c的相似度,得到:d s a(p1,p2)=0.626,d s b(p1,p2)=0.607,d s c(p1,p2)=0.584。由(8)式计算综合相似度,得到:d s(p1,p2)=0.222,d s(p1,p3)=0.186,d s(p2,p3)=0.611。由(9)式计算结构相似度,得到:D s(p1,p2)=0.19,D s(p1,p3)=0.159,D s(p2,p3)=0.611。d s a(p1,p2)、d s(p1,p2)、D s(p1,p2)

计算过程如下:

3.3 完成模块间的相似度计算

根据上述计算,分别确定三者的坐标值为:

计算综合相似度为:

由上述计算结果可以看出,模块p2、p3的功能域相似度最大,模块p1、p2的功能谱相似性最大,模块p2、p3的结构特征相似性最大,模块 p1、p2的综合相似度最大。

当数据较多时,结合其它因素(如客户需求等)通过选定阈值来决定。例如,当取功能域方面的阈值为5时,发现3种模块间的相似度均符合要求,可以考虑将三者同时进行该方向上的标准化,以此类推,进行2.3节的操作,寻求最佳标准化的解集。

4 结束语

通过对模块间进行相似性分析以实现其标准化,不仅可以使产品具备合理变化的柔性,满足定制化的需要,而且能够把因模块划分过细可能增加的成本及设计制造活动的复杂性控制在企业可接受的范围之内。

本文对模块的相似性分析主要基于对功能及结构特征的变型量化来实现,并通过三维坐标的形式予以分别表示。实践证明,上述方法在应用中具有很高的参考性,有助于辅助设计。

[1] 祁卓娅,王建正,韩新民.模块柔性划分方法[J].机械工程学报,2007,43(1):87-94.

[2] 王日君,张进生,葛培琪,等.模块化设计中模块划分方法的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2007,(7):17-21.

[3] 潘双夏,高 飞,冯培恩.批量客户化生产模式下的模块划分方法研究[J].机械工程学报,2003,7(39):1-6.

[4] 唐 涛,刘志峰,刘光复,等.绿色模块化设计方法研究[J].机械工程学报,2003,39(11):149-154.

[5] 宋守许,刘志峰,唐 涛,等.模块化产品评价方法研究[J].农业机械学报,2004,35(5):181-189.

[6] 童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社,2000:10-100.

[7] 张 雷,陈志军,刘志峰,等.家电产品生命周期评价边界界定研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2010,33(3):327-332.

[8] 高 飞,肖 刚,潘双夏,等.产品功能模块划分方法[J].机械工程学报,2007,43(5):29-35.

[9] Stone R B,Wood K L,Craw ford R H.A heuristicmethod for identifyingm odu les for p roduct architectures[J].Design Studies,2000,21:5-31.

[10] 周美立.复杂机械产品系统差异性分析度量方法[J].农业机械学报,2006,37(7):129-132.

[11] 韦俊民,金 隼,林忠钦,等.产品族设计中零件相似性评价方法[J].上海交通大学学报,2007,41(8):1218-1222.

App lication of sim ilaritymeasure inmodular design

ZHANG Lei, GUOWei, LIU Zhi-feng

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

To realize them odu lar standardization for product design,an app roach o f similarity measure is proposed.Based on the discussions about module variant,a quantitative com putatoin method for analyzing the function and structure is developed.And the process of similarity measure ofm odules is determ ined.Finally,an exam ple o f liquid crystal disp lay(LCD)is p rovided to illustrate the feasibility of the proposed approach.

modular design;sim ilarity measure;functional analysis;form feature

TH 122

A

1003-5060(2011)01-0013-05

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.004

2010-02-02;

2010-04-02

“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BAF02A 02);国家 863高新技术研究发展计划资助项目(2007AA 04Z123)

张 雷(1978-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学讲师;

刘志峰(1963-),男,陕西宝鸡人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

(责任编辑 吕 杰)