产品模块化设计中的多角度、分级模块划分方法

1、第23卷第5期北京理工大学学报Vol. 23 No. 52003年10月Transactions of licijing Institute of TechnologyOct. 2003第23卷第5期北京理工大学学报Vol. 23 No. 5第23卷第5期北京理工大学学报Vol. 23 No. 5文章编号:1001-0645( 2003 )05-0552-05产品模块化设计中的多角度、分级模块划分方法宗鸣舗，蔡 颖，刘旭东，李湘媛（北京理工大学机械与车辆工程学院北京100081）摘要：给出模块划分中的多角度和分级特竹并提出一种新的模块划分方法首先以用户需求为依据对产品进行 功能分解获得一系列的

2、功能元，然后从用户的特定需求出发尤义相关性矩阵根据该相关性矩阵进行模块划分. 划分方案体现为一种层次结构.以万能车床为例使用该方法进行模块划分进一步验证了该方法的可行性.关键词：模块化设计，模块划分法，分级模块化，相关性矩阵中图分类号：TH 122文献标识码：AA Multi-Perspective Hierarchical Division Approach fora Product in Its Modular DesignZONG Ming-di CAI Ying. LIU Xu-dong1Xiang-yuan(School of Mechanicnl and Vehicular Eng

3、ineerings Beijing Institute of Technology. Beijing 100081 China)Abstract: Discusses the multi-perspective and hierarchical character in dividing a product into different modules by developing an approach to divide the product into hierarchical modules. According to this approach, the product is firs

4、tly divided into a set of functional units the dependency matrix between the function units are then defined. The function units are then integrated into modules according to the intentions of different users and designers. The validity of the method is proven using a case study on the division of a

5、 lathe into its hierarchical modules.Key words: modularity design: module partition method; hierarchical modularity; dependency第23卷第5期北京理工大学学报Vol. 23 No. 5收稿 H 期：2002 - 09- 10基金项LI：国家部委预研项0（201514580）作者简介：宗鸣锚（1978）.男.硕匕生.E-mail ：Mingdi zong；蔡 颖（ 1957） 女.教授博士生导师.matrix为了满足日益广泛且快速变化的市场需求，产 品开发者要尽可能地加快

6、产品的开发速度并提高产 品的适应性.模块化设计方法的口的是以尽可能少 的种类和数星的模块组成尽可能多的种类和规格 的产品叮作者针对模块划分的目的性和分级性，提 出一种多角度分级模块划分方法.该方法以用户需 求为基础.根据具体的设计意图从多个角度出发并 右侧匝的进行模块划分.划分的结果表达为一种层 次结构.1模块划分的角度产品设计者对不同产品进行模块划分时，应根 据具体的用户需求从不同的角度进行考虑.从产站 生金周期的观点看这些不同的划分角度分别是I h i 向产品生命周期中的不同阶段匚因此可以根据模 块划分所面向的生命周期中的具体阶段把模块划 分归为而向设计的模块划分；而向制造的模块划分; 而

7、向装配的模块划分；而向使用和维修的模块划分;第5期宗鸣锚等：产品模块化设计中的多角度、分级模块划分方法553面向回收的模块划分.1. 1不同角度模块划分的共性与特性不同角度模块划分的共同点是：以满足用户需 求为放终目标；以功能为基础；以结构为载体；模块 内部具有强耦合性；模块Z间具有松耦合性.不同角度模块划分的特点是： 当模块化主要是而向产品生命周期的设计 阶段时主要根据产詁各个组成部分Z间功能上的 相关程度进行模块划分. 当模块化主要是面向产甜生命周期屮的制 造阶段时在模块划分屮应豆点考虑加匸方ifri的 问题. 而向使用、装配和维修的模块化在进行模块 划分时所考虑的问题基本和同在这一类模块

8、划分 屮9应重点考虑的是装卸和接口方面的问题. 面向回收的模块划分中主要考虑的应该是 材料和可巫用部件的问题.1.2模块划分也度的选择市场需求是选取模块划分角度的基本依据.当某类产品的市场需求种类较多或者需求的变 化较快时模块划分通常侧贡于而向设计在需求出 现变化进而要求对产品设计做岀修改时可以只改 进或更换相应的功能模块9而保留原仃产品的其他 部分这样可以充分地利川U仃的设计经验，缩短新 产晶的开发周期便企业在竟争中处于有利位置.如果产甜的山场需求相对稳定而制造过程比 较复杂模块划分通常侧豆于而向制造这样仃利于 合理地组织加丁制造过程提高制造效率改进产品 质最.如果用户需要经常对产品的某些部

9、分进彳亍更换 或维护时产品模块划分通常侧重于而向装配和维 修.这样可以使用户根据I身的需求方便地更换或 装卸产胡的相关部分，从而提髙使用效率.如果币场对产胡的环保性能婆求较髙模块划 分通常侧眞于mi向回收.这样有利于把污染性材料 或可再利用的材料集中在一个模块屮，便于冋收和 处理对于当前所提倡的绿色产品这种角度的模块 划分更具有现实总义.设计者在对产品进行模块划分时9通常从多个 角度进行综合考虑.在不同的角度上进行模块划分 得到的方案可能是相互冲突的这就需要划分者权 衡利弊得到故终的划分结果.2模块划分的分级特性2. 1产甜门身的分级特性模块划分具有分级特性这是由产品门身的特 点所决定的.对于

10、一般的产品尤其是结构复杂的 产品无论是在功能上还是结构上都具有分级的特 点.因此在以模块描述产品组成时，也应体现出这 种分级结构.图1屮产胡山若干髙级模块（如模块1、模块2） 直接组合而成而一个高级模块乂可能由若干个低 级模块组成.例如模块2就是由3个低级模块（模块 21、模块22、模块23）组成.31分级榄块化示怠图Fig. 1 Diagram of hierarchical modules2.2不同级别模块划分的特点 不同级别的划分角度当划分较髙级别的 模块时，山于这些高级模块往往是山用户岂接进行 选择和替换的通常侧豆从设计和便用的角度进行 模块划分；半进行较低级别的模块划分时由干低级 模

11、块与零件更接近（何些低级模块其至可能就是一 个零件）所以应侧币:从制造和装配巾度进行模块 划分. 不同级别模块的功能-结构对应情况模块 体现了产品功能和结构的某种对应关系.模块的级 别越低，或者说模块划分越细在一个模块上所体现 出來的功能和结构的对应关系就越简单、清晰.3多角度、分级模块划分方法31功能分解把产品的功能需求IT顶向下进行分解直至分 解所得的每一项子功能都能够由一个独立的结构实 现.把这样的子功能称为功能元.功能元是进行模 块划分的基本单元.每一个模块都是由一个或几个 功能元组成的.图2中FR代表产晶的总功能需求.它可以分 解为FRj.FR,和FR3 3个子功能.而子功能FR2又

12、 可分解为FR?】和FR222个子功能.其中FR,FR2I, FR22,FR3为功能元.551北京理工大学学报第23卷图2功能分第示意图Fig, 2 Diagram of functioDHl division装配/便用相关度为广(FR,FR,)(a)= 0 25.当功能元FR,和FR?在产品中不存在装配关 系，装配/使用相关度为厂(fr,fr)a> = o. 相关性矩阵和关性矩阵的形式为551北京理工大学学报第23卷3.2定义相关性矩阵相关度冇功能相关度.r(FR.FR,)(H：制造相关 度"(FR, FRJ(M)：装配/使用相关度,广(FR, FR,)(A>.此外还有

13、维修相关度；回收相关度等各种 相关度.无论哪种相关度都应具有如下性质曲：r ( FR, FR J = 1;厂(FR, FR； )=r( FR 厂 FR,); 厂(FR,FR,疋0,1 功能和关度的计算设FR,和FR.到距离放近的公共父功能的距离分别是厶和厶9令X=,L. x 丁$0 25贝|J r(FR,.FR/)(H=0 <0.25式中I.和lj分别为FR,和FR,到距离最近的公共 父功能的级数.例如FIJ到FR,的距离为1 而 FR?倒FR的距离为2 制造相关度的计算当功能元FR/和FRy适合一组独立加工时，其 制造相关度 r(FR,FR,)<M> = 0. 6.当功能元

14、FR.和FR；适合在一起进行测试时. 其制造相关度r(FR,.FR>)(M>=0. 4.当功能元FR,和FR,同时满足上述两个条件 时其制造相关度r(FRf,FRy)(M> = l. 装配/使用相关度的计算当功能元FR,和FR,在产品屮存在永久的装 配关系(即在待划分产品中FR, 一定会和FR>进行 装配)经装配Z后肖.至产品报废都不会将二者分 离(可以同时拆卸)此时装配/使用相关度为 r(FRFR7)(A> = l.当功能元FR,和FR,在产品屮可能存在装配 关系，但二者在装配/使用时偶尔可能被分离此时 装配/使用相关度为r(FR,，FR>)(A>

15、= 0. 5.当功能元FR,和FR,在产胡屮可能存在装配 关系，但二者在装配/使用时经常町能被分离此时T= rijnxn *其中r0 = r(FR,.FR;).根据不同类型的相关度可 以定义不同的相关性矩阵.作者定义了并使用了 3 种相关性矩阵，分别是：功能相关性矩阵厂f> ,制造 相关性矩阵T(M).装配使用相关性矩阵厂"用户从门身的实际情况出发判断3种相关性 的重要程度，并分别为其指定权巫系数M，使得+£ '> = 1 ,且F> ,"，川A) e0，1这样可获得综合多个角度的格体相关性矩阵r=co(p)T<n+co<M)r

16、(M)如果要引入更多类熨的相关度，只要得到了各 种类熨的相关性矩阵同样可以按上述方法获得总 体相关性矩阵.4可以山用户根据经验直接指定也可以根据经验使用层次分析法确定仃关层次分析法的内容 可参看文献73.3功能元的一次合并取总体矩阵7的阈值为右则7'以人为阈值的截矩阵为T*是厂中第，行第丿列的元素.其中 (0心<入117&入当=1时，说明FR,和FR,的相关性已经达 到了规定的程度，二者应划分到同一 模块屮.从模糊数学的角度看，"并不是模糊等价关系 矩阵所以如果要肖接根据进行模块划分，除了 考虑丁所表达的肖接关系外还婆考虑间接关系.例 如当皿=1 y” = 1但

17、5 = 0时虽然功能元FR,和 FR,的肖接关系并不足以使其合并到同一模块屮. 但它们通过功能元FR>发生的间接关系却要求将 二者划分到同一模块Z中，因此在实际划分屮把 FR,和FR；划分到同一模块屮.也可以先计算"的 模糊等价矩阵，再根据该矩阵进行功能元的合并.通过上述方法可以获得一级模块划分方案.设 最终将产晶划分为/个模块以M,代表第i个模 块.则第5期宗鸣锚等：产品模块化设计中的多角度、分级模块划分方法557M, = FRxFR2，FR,“,其中s, = n.3.4功能元的二次合并在对功能元进行了一次合并Z后，划分者可能 会认为得到的模块数目过多此时可以将所得到的 模块

18、作为新的功能元用与第1次合并相同的方法进 行二次合并.其关键问题是如何通过原來的功能元 相关性矩阵获得新的模块和关性矩阵.设M,与是功能元进行过一次合并Z后所 得到的模块.其中M,= FR,i，FR,2，FR,”,M/= 苗心丁出2，亦隔M,和M, Z间的相关度是由M,的所有功能元 和M?的所冇功能元Z间相关度的战大侑决定的.故规定= niaxr(FR/J.,FR/y),其中<r = 1 *5, ；.y= 1.2» 下面从逻辑上证明上述命题：设仃两组符合合并条件的功能元分别为C=FRd，FR“,FR” D=FR FRd2,FR 弟设 jx = max厂(FR“，FRQ=YFR”

19、，FRd”), 其中jc= 1,2,，e”y=l ,2,/当时，因为C的所有功能元都满足合并 条件，所以.C屮的任何一个元索与FR&Z间都至 少存在一个肖 接或间接的关系使得二者应划分到同 模块中.乂I大I为/)屮的所何元索都应划分到一个模块 中.所以C与刀的所有功能元都应该划分到一个模 块中.当rmax<A时，易知C与D屮的任何2个功能 元Z间的宜接或间接相关度都小于儿故二者不能 划分到同一模块屮.所以集A C中的所有元索与 集合厂屮的所有元索都应该被划分到同一模块屮 当且仅当rmBX>A.证毕.3.5功能元的多次合并可能经过两次合并Z后得到的模块数冃仍然 过多此时町以对

20、两次合并Z后的结果继续进行合 并，直至设计者对模块数目满意.一般來说，合并得到的放终结果应使产品包含 的模块数日不多于9个.这是一般人能够同时处理 的事务的极人值.通常把模块数控制在7个左右 比较合理.4实例4. 1模块划分以万能车床为例按前述方法先对其进行功能 分解然后进行模块的划分. 功能分解万能车床主要用來加工轴类零 件和螺纹，还可以用来车端面和加工锥面根据用户 需求结合车床的工作原理，可以对车床进行功能 分解.FR：车床=FRi：工件转动-FR2：刀具进给. FR3：支；FR1： I件转动=FRn :夹紧工件. FR“带动夹紧端转动,FR13：限制自由端摆动$ FR2：刀具进给=FR2

21、1 :刀具横向进给.FR22：刀具 普通纵向进给,FR23：刀具方向可调纵向进给： FR“带动夹紧端转动= FRI21:动力源,FRI22S减速 增矩,FR123：转矩输出；FRZ1：刀具横向进给= FR2I1：把主轴电机转动转化为刀具横向直线运动, FR212 :调整进给速度,FR2l3:横向导向八FR22:刀具 普通纵向进给=FR轴：把主轴电机转动转化为刀 具纵向直线运动.FR2I2：调整进给速度,FR223；纵向 导向；FR23：刀具方向可调纵向进给=FR232把手 动转动转化为刀具纵向直线运动，FR232 :导向. FR233：调速导向方向速度.功能元包括：FRn FRI2I, FR1

22、22, FR123，FR13 FR211 ,FR212*FR2I3.FR221 223 *K231 ,FR232 tFR233 * FR3. 计算功能和关性矩阵厂门值得强调的是 FR机同时属于2个父功能即FIJ和FR22.在定义 功能相关性矩阵时应同时考世处在两个位置上的同 一功能元与其它功能元的功能相关度例如要确定 F%2与fr2I3的功能相关度，需同时考虑fr212与 FR213±间的相关度，取二者中较大者作为FR注与 FU的最终功能和关度.即r(FR2I2.FR213)(F>=l. 计算装配相关性矩阵广匕 计算总体相关性矩阵为了便于比较取两 种柿关性的权豆分配方案分别称为

23、方案(1 )和方 案(H ).(I )取3小=062皿=0/" = 04,则有整 体相关性矩阵门=06 r(F>+o r<M)+o. 4 r(A>.取阈值入=06,得到截矩阵77(I )再取 W<P) = O.4,M> = O(A, = O. 6 S：新计 算整体相关性矩阵兀=04厂门十0 T<M) + 0. 6厂八>仍取阈值A = 06得到截矩阵八' 功能元一次合并(I )根据截矩阵7T对功能元进行一次合并. 得到模块划分结果如下：Mx> = FRz FRi3; M；1' = FR121, FRl22, fr123 ;

24、 MB = fr211 , fr212 , fr2I3 , fr221 , FR223 ； Mjn=FR23I ,FR232，FR233AM0= FRs(Il )根据截矩阵77对功能元进行一次合并. 得到模块划分结果如下：= FRh,=(FR12I tFRI22,FRI23= FR13,M?p =(FRjh FR213tFR22i,M.VP = !FR212,= !FR23i,FR332 ,FR233,M?,z = fr223 ,= !FRJ. 模块的二次合并在一次合并之后实际上 模块数目己经达到要求但为了说明问题这里以一 次合并屮/f)= o. 4, w(M> = 0 9 w<A

25、> = 0. 6时的情况 (方案(H )为例，进行二次合并.在二次合并屮调整权亜.取/f)= o. 62*)= 0 “a)= 04获得新的整体相关性矩阵呼=0 6 r(F)+o rM)+o. 4 r(A)=Tt.依据33中方法，获得一次合并所得模块的相 关性矩阵儿，仍取闽值A=0.6,得截矩阵T；根据 T；.运用3.4 +方法进一步合并得到模块：= <M；i” MJ" MJ")；4.2结果分析方案(I )与方案(D )有明显的差异，可见相关 性权巫方案的选择(即划分1(1度的选择)对划分结果 有直接的影响.对比方案(A )与实际的车床模块划分情况不 难发现二者的

26、相似性.以一次合并结果为例有：MJ"对应夹盘：对应尾架；MJ”对应主轴 箱及电机；ML对应刀架人托板和托板；对应 进给箱；M*”对应转盘及刀架小导轨；M严对应工 作导轨；M0'对应床身.该划分结果与车床实际划分结果基本和同.遗 漏的车床组合部分是111功能分解时的遗漏所造 成的.5结论模块划分是实现产品模块化的重要一步.不同 的用户从不同的角度进行模块划分，会得到不同的 结果.因此在模块划分过程屮耍考虑到划分者的特 定总图以使划分结果更加适应用户实际需求.划分 获得的放终方案通常体现为一种分级的层次结果. 这是由产品门身的特点所决定的.在对同一产甜进 行不同级别的模块划分时划分的角度往往仃变化. 在划分过程中要考虑到这种变化.参占文献：1 贾延林.模块化设计M.北京：机械工业出版补.1993.Jia Yanlin. Modular design M . Beijing: China Machine Press 1993. (in Chinese)2 Huang Ch unche. Overview of modular product development J. Natl Sci Counc R()C (A) 2000.21(3) :149-165.3 Gu P Sosale S. Product modularization for life e