面向再制造的产品模块化设计方法*

苏梅月，周 敏

(武汉科技大学 a.冶金装备及其控制教育部重点实验室；b.机械传动与制造工程湖北省重点实验室，武汉 430081)

0 引言

近年来，随着能源短缺和生态环境破坏问题的日益严峻，许多国家要求制造企业对其生产的产品承担回收和再利用责任。进入21世纪以来，中国再制造业也迅速发展起来。再制造产品的满意度严重影响着再制造业的发展，然而再制造毛坯数量和质量上的不确定、不稳定、不均衡增大了再制造产品设计的难度，因此再制造产品的设计工作就成为保证再制造产品质量的关键。

产品的模块化设计可以大大提升产品设计的速度。国内外许多学者对其进行了研究。Tseng H E通过计算零部件之间的连接参数对零部件进行了聚类分析[1]，钟诗胜,吴惠霞等考虑了功能的独立性[2-3]，王日君等提出了集成式模块划分方法[4-6]，刘涛等从产品生命周期各阶段特性和再制造难度、环境角度提出了再制造模块化设计方法[7-9]，胡东方提出了一种复杂产品定制设计方法[10-11]。由于回收零部件的复杂性，多变性，不确定性，再制造产品需要满足客户在可靠性、功能性和成本几个方面的要求，但是以上研究均未考虑到再制造品客户对功能和成本的需求。因此本文在考虑客户需求和产品成本的基础上，提出一种面向再制造的产品模块化设计方法。

1 再制造模块化设计方法

产品模块划分是模块化设计的关键环节，在模块划分时考虑产品的独立性，可使产品模块更合理，更有利于产品设计。基于公理设计的模块划分方法能够在一定程度上保证产品功能和功能的独立性，但是未考虑到产品成本问题。本文在公理设计客户域、功能域、物理域和过程域4个域的基础上，增添了成本域。图1为考虑客户感知与产品成本的产品设计模型。接下来将依据该模型，按照模块划分，重要度分析，模块价值进化的流程介绍再制造产品模块化设计方法。

图1 考虑客户感知与产品成本的产品设计模型

1.1 基于再制造的模块划分方法

产品模块划分是模块化设计的关键环节，因此再制造产品的模块化设计需要首先完成再制造产品模块的划分。

公理设计方法主要依据产品的逻辑结构对产品进行定性的划分，模糊树图可以通过相关性分析定量地表示各模块间的关系，较好地保证产品功能和结构上的独立性。因此，对模块进行划分时需要首先根据公理设计方法对再制造产品的结构进行逐级分解，得到产品的每一级设计矩阵。在设计矩阵无法保证产品功能和结构的独立性时，再根据对模块相关性的定量分析，运用模糊树图聚类法进行模块再划分[4]。

集成公理设计和模糊树图聚类法的模块划分方法能够高效地完成产品的模块划分。然而，对于具有众多零部件的复杂产品来说，简单的模块划分方法不能同时保证重要零部件的独立性和模块划分粒度的合理性，因此，在针对再制造产品模糊树图进行截割时需要优先将特定的零部件从模糊树图中拆解出来，再进行其他模块的划分。

1.2 基于质量屋的产品模块重要度分析

在再制造产品设计过程中往往需要对客户的需求偏重进行分析。质量屋模型可以有效地分解产品设计过程，并确定产品满足客户需求信息必须控制的关键模块，从而为产品设计过程提供参考。

但由于质量屋中的工程特性通常与产品多个模块相关，因此产品工程特性的调整较为复杂，产品设计所需时间也较长。为了提高产品设计效率，本文在传统质量屋的基础上用产品模块代替工程特性，将产品再制造产品各模块的质量特性与客户需求相结合，计算出再制造产品各模块的重要度，然后以模块重要度为依据指导产品整体的设计。

1.3 基于价值工程的模块价值进化

通常，客户对产品的不满源自于对产品某个模块的不满，表现为客户对产品不同模块的满意值不同，因此，在下一代产品设计时可以着重提升满意值较低的模块质量，如此不仅可以大大提升新一代产品的满意度，还能以较低的成本满足客户的需求。运用价值工程理论分析各方案的模块价值，可以实现各模块的价值进化设计，完成再制造产品的初步模块化组合设计。价值工程就是要求产品功能水平与产品成本达到最佳匹配[12]。其中价值就是产品的功能与实现该功能所需的成本的比值,价值工程可表示为:

(1)

一般来说模块设计越合理，资源利用越有效，模块的功能就越好，即价值F的值越高；相对地，成本高，就表示生产费用高，就表示模块设计不合理。通过对产品各个模块的不同设计方案进行价值分析，就可以选择出各个模块的设计方案，从而确定整个产品的设计方案。

2 应用实例

2.1 再制造汽车模块划分

首先采用公理设计方法，对汽车各功能结构进行深度的划分。将汽车分解至第2级，得到19个子结构，分解得到每一级的设计矩阵。

{R11}=[1]{P11}

在这些设计矩阵中，每一层均存在三角阵，即模块间还存在功能或者结构上的联系，也就是说运用公理设计方法进行的模块划分并未实现模块的划分，因此需运用模糊树图聚类法完成再制造汽车模块的再划分。

根据子结构间功能(见表1)和结构相关度评价准则(见表2)，对模块R11～R43进行功能和结构相关度分析，可得到各个模块之间的模糊关系矩阵R，然后画出再制造汽车各个模块的模糊最大生成树，如图2所示。

表1 功能相关性评价准则

表2 结构相关性评价准则

图2 再制造汽车模糊树图

图3 再制造汽车质量屋及价值分析

由于再制造零部件的质量，再制造成本等具有多样性，因此为了方便零部件的评价和匹配，在进行再制造产品模块划分时应考虑再制造零部件的独立性。产品越复杂划分难度越大，特别的，对于再制造汽车而言，发动机，变速箱，发电机，转向器，起动机等零部件与汽车其他零部件关系紧密，在运用公理设计和模糊树图进行模块划分时不容易将其分离。因此，在进行运用模糊树图法进行模块划分时，考虑优先将这几类零部件划分出去，再进行其他模块划分。这样不仅可以保证汽车零部件的独立性，也可以大大降低产品模块划分的难度。

模块若过多过细，产品规格较多，市场适应能力增强，模块通用程度大，环境属性好，但工作量加大，成本上升，总体看来效果不理想；模块若过少过粗，上述问题又向反方向发展，也不好。因此，结合汽车装配的特点，选用λ=0.24的划分方案，最终得到：{P11}{P22}{P28}{P31}{P33}{P21}{P32，P34，P35}{P23，P26，P27，P29}和{P20，P24，P25，P41，P42，P43}

2.2 再制造汽车模块重要度分析

根据质量屋的构建方法，实现“客户需求”和“产品模块”之间的映射，构建面向再制造汽车模块重要度评价的质量屋(如图3)，计算质量屋中模块R11～R43的重要度，可得到应重点进行质量控制的模块。

(1)获取客户感知的重要度排序。经过分析，质量屋中用户需求包括：动力性(H)、燃油经济性(M)、制动性(VH)、通过性(L)、操纵性(H)、稳定性(M)、行驶平顺性(M)、环保性(M)、可靠性(VH)、舒适性(VL)、装载性(L)。

(2)列出再制造汽车模块。根据2.1节，再制造汽车模块划分为：M1(发动机)、M2(变速箱)、M3(转向器)、M4(发电机)、M5(起动机)、M6(离合器)、M7(电源、车灯、仪表盘)、M8(传动装置、车轮、悬架、转向装置P29)、M9(车架、车桥、制动装置、座椅、车门、车顶)。

(3)表示用户各个需求的重要度。

(4)表示用户需求重要性与汽车模块的相互关系。

(5)表示汽车各个模块之间的相互关系。

(6)计算各模块的相对权重和绝对权重。

根据质量屋中的相关系数计算再制造汽车各模块的绝对权重wj和相对权重wwj。基于客户需求重要度和汽车各模块之间的关系，依次计算各模块的权重重要度、绝对权重wwj和相对权重wj。将计算出的各模块的重要度按照从大到小进行排序:w1>w2>w5>w6>w9>w3>w8>w7>w4。重要度越高，模块越重要，可得到相对重要的模块，即发动机>变速箱>起动机>离合器>……>发电机。即再制造汽车对发动机质量的要求最高，因此再制造汽车在进行设计制造时应对发动机投入更多的关注。

2.3 再制造汽车价值进化

由于汽车的零部件数较多，因此本文以模块重要度和成本为依据，选取再制造汽车中重要度比较高且在再制造汽车成本中占比高的发动机进行价值工程分析。

(1)功能评价

汽车发动机的功能主要是提供动力，对应的性能要求主要有体积，动力性，燃油经济性，稳定性，环保性，可靠性，舒适性。表3为原始发动机、进化发动机、再制造发动机对各项性能的满足程度。

(2)成本计算

汽车发动机再制造成本包括：报废发动机运输成本、单位生产成本(不含折旧)、资本成本和销售成本。以某车型电动机为例，预测再制造发动机的生产成本如表4所示。

表3 3种汽车发动机方案的性能评价表(10分制)

表4 再制造发动机的单位成本

同样地，预测发动机另外两种方案的全生命周期成本，如表5所示。从表5中3种设计方案的发动机价值来看，再制造汽车的发动机应该选用再制造发动机。按照同样的方法，选出其他模块的设计方案，就可以基本确定再制造汽车的设计方案。

表5 3种发动机方案的价值

3 结束语

本文提出了完整的再制造产品模块化设计流程，在现有模块划分方法上结合再制造产品的复杂性，提出了符合再制造产品特点的模块划分方法，并提出了将客户需求映射到产品模块的质量屋模型，最后运用价值工程对具体产品模块的设计方案进行选择，提升了再制造产品设计效率，并以较低的产品成本满足了客户需求。由于再制造产品设计中的模块划分涉及产品设计的整个过程，因此在产品设计中可能会出现局部的结构或功能冲突。对于此类情况，在下一步研究中将采用TRIZ理论方法和事例推理进行研究解决。