基于廣義設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的激光裝置裝校流程分析

李夢(mèng)奇 謝志江 李冬英 任 錚 張 林

1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044 2.邵陽(yáng)學(xué)院,邵陽(yáng),422000

3.中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽(yáng),621900

0 引言

裝校流程分析是進(jìn)行激光裝置裝校系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)計(jì)、物流設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃控制的前提和依據(jù)。裝校流程具有層次多、內(nèi)容廣、迭代多、不確定性強(qiáng)等特點(diǎn),傳統(tǒng)工藝方法(如裝配流程圖、生產(chǎn)過(guò)程流程圖等)和過(guò)程分析方法(如甘特圖、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)、IDEF3等)無(wú)法處理反饋和迭代,不能滿足裝校流程分析的要求。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(design structure matrix,DSM)可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)信息的排序、迭代和反饋,提供簡(jiǎn)潔可視的理解方法和分析復(fù)雜過(guò)程的方法[1-2]。本文采用廣義DSM 進(jìn)行流程分析,建立了廣義DSM分析流程的一般順序。廣義DSM包括DSM方陣和DSM長(zhǎng)矩陣,前者可用于分析相同領(lǐng)域的元素關(guān)系,后者可用于分析不同領(lǐng)域的元素關(guān)系,利用廣義DSM 可以全面、科學(xué)、有效地收集和分析基本數(shù)據(jù)。

1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

Steward于1967年提出了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的概念,并于1981年將DSM 引入到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣分析信息流中[3-4],麻省理工學(xué)院的 Eppinger、Browning等對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣進(jìn)行過(guò)大量研究[1,5-8]。DSM作為分析活動(dòng)之間依賴關(guān)系的有效工具而被普遍采用。

DSM是關(guān)于項(xiàng)目的緊湊表示,有利于對(duì)復(fù)雜項(xiàng)目進(jìn)行可視化分析[9]。DSM以N階方陣的形式對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行建模和分析,用于顯示矩陣中各個(gè)元素的交互關(guān)系,包含了所構(gòu)成的活動(dòng)及活動(dòng)間的信息依賴關(guān)系。常采用X(或1)表示元素B對(duì)元素A存在依賴關(guān)系,用空格(或0)表示元素間沒(méi)有依賴關(guān)系?？紤]一個(gè)由兩個(gè)元素(元素A和元素B)或者兩個(gè)子系統(tǒng)組成的系統(tǒng),兩個(gè)元素之間的關(guān)系有三種情況:平行(parallel or concurrent)、順序(sequential or dependent)和耦合(coupled or interdependent),圖1所示為用有向圖和DSM方式表示的元素間的關(guān)系。

Browning[1]將DSM分成靜態(tài)DSM和動(dòng)態(tài)DSM兩類。靜態(tài)DSM包括基于零部件或結(jié)構(gòu)的DSM(component—based DSM)和基于團(tuán)隊(duì)或組織的DSM(people—based DSM);動(dòng)態(tài)DSM 包括基于行為或規(guī)劃的DSM(activity—based DSM)和基于參數(shù)或低級(jí)規(guī)劃的DSM(parameter—based DSM)。

2 廣義設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

2.1 定義

定義1 同類元素以相同順序排列,并分別作為行和列形成的矩陣稱為DSM方陣。

DSM方陣體現(xiàn)了同類元素之間的邏輯、時(shí)間和順序關(guān)系,根據(jù)元素類型的不同,有對(duì)象關(guān)系方陣、過(guò)程關(guān)系方陣、屬性關(guān)系方陣等。其結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

表1 DSM方陣結(jié)構(gòu)

元素之間存在層次關(guān)系,根據(jù)元素的層次結(jié)構(gòu)分別建立方陣,同一層次元素形成一個(gè)方陣,所有DSM方陣構(gòu)成一種樹(shù)狀結(jié)構(gòu),每個(gè)子矩陣分別對(duì)應(yīng)著樹(shù)結(jié)構(gòu)中的某個(gè)子節(jié)點(diǎn),每個(gè)根矩陣對(duì)應(yīng)著樹(shù)結(jié)構(gòu)中的某個(gè)根節(jié)點(diǎn)。激光裝置中裝校對(duì)象分為組件、模塊、元件、零件等,相應(yīng)的對(duì)象層次關(guān)系如圖2所示。

定義2 兩種類型元素分別作為行和列形成的矩陣稱為DSM長(zhǎng)矩陣。

兩種類型的元素一種作為行、一種作為列,構(gòu)成DSM長(zhǎng)矩陣,DSM長(zhǎng)矩陣包括對(duì)象/過(guò)程矩陣、過(guò)程/屬性矩陣和對(duì)象/屬性矩陣。DSM 長(zhǎng)矩陣的元素可以是反映流程的各種信息,不一定是數(shù)字。不同對(duì)象功能要求不同,處理過(guò)程也不同,以對(duì)象作為行、以處理過(guò)程作為列建立的對(duì)象/過(guò)程矩陣如表2所示。表2中NPij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4)表示不同對(duì)象/過(guò)程的具體內(nèi)容。

表2 對(duì)象/過(guò)程矩陣結(jié)構(gòu)

在對(duì)象/過(guò)程矩陣中,一行表示一個(gè)對(duì)象的處理過(guò)程,一列表示某個(gè)過(guò)程所涉及的對(duì)象。在過(guò)程/屬性矩陣中,“行”反映每個(gè)對(duì)象的過(guò)程變化,隨著過(guò)程的變化,對(duì)象的屬性也發(fā)生變化,然后通過(guò)檢查前后是否連貫來(lái)判斷功能是否完備;“列”體現(xiàn)了跟該過(guò)程有關(guān)的全部對(duì)象,反映了對(duì)不同對(duì)象同時(shí)進(jìn)行操作的可能性。

面向流程分析的廣義DSM反映相同元素之間的關(guān)系和不同元素之間的關(guān)系。廣義DSM體現(xiàn)的對(duì)象(N)、過(guò)程(P)、屬性(A)之間的關(guān)系如圖3所示。

定義3 對(duì)矩陣行和列所表示的對(duì)象進(jìn)行確定稱為矩陣結(jié)構(gòu)初始化。

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù),按照廣義 DSM對(duì)行、列,以及行元素和列元素的定義來(lái)確定矩陣的行和列,從而建立矩陣。通過(guò)查閱相關(guān)的項(xiàng)目計(jì)劃、設(shè)計(jì)文檔、說(shuō)明書(shū)及資料,或者通過(guò)向相關(guān)專家咨詢、與項(xiàng)目的參與者進(jìn)行訪談、聽(tīng)取相關(guān)工程師的建議等方式來(lái)確定矩陣的“行”列表和“列”列表。

定義4 對(duì)矩陣元素及元素順序進(jìn)行確定稱為矩陣元素初始化。

一般通過(guò)閱讀設(shè)計(jì)文檔、訪問(wèn)用戶和工程師的方式來(lái)確定矩陣元素,或采用調(diào)查表、開(kāi)會(huì)等方式來(lái)確定矩陣元素。采用調(diào)查表、開(kāi)會(huì)等方式確定矩陣元素時(shí),一般從以下4個(gè)方面進(jìn)行提問(wèn):

(1)What(各元素的輸入/輸出);

(2)When(各元素輸入/輸出的時(shí)刻和所用時(shí)間);

(3)Where(各元素輸入/輸出的來(lái)源與去處);

(4)How(各元素輸入/輸出對(duì)自身或其他的影響)。

收集數(shù)據(jù)是建立模型所必須的,而且是項(xiàng)目進(jìn)度優(yōu)化的基礎(chǔ)。根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)填寫(xiě)矩陣,完成矩陣的初始化。初始化過(guò)程中會(huì)增加對(duì)項(xiàng)目的了解程度,對(duì)系統(tǒng)元素進(jìn)行修正和更改是非常必要的。

2.2 矩陣計(jì)算

DSM 計(jì)算主要包括層次劃分、分區(qū)、排序、聚類等計(jì)算方式。層次劃分是指將矩陣各元素分為不同的級(jí);分區(qū)是指重新排列矩陣中的行元素和列元素的位置,消除矩陣中的環(huán)路,將矩陣中對(duì)角線以上的標(biāo)記(或數(shù)值)調(diào)整到對(duì)角線以下的過(guò)程;排序是指使設(shè)計(jì)過(guò)程展現(xiàn)一個(gè)比較光滑的信息流向,盡量保證每一個(gè)任務(wù)所需要的信息在此任務(wù)執(zhí)行前就能獲得的過(guò)程;聚類計(jì)算就是對(duì)矩陣中相互依賴的作業(yè)進(jìn)行識(shí)別和分塊的過(guò)程。廣義DSM計(jì)算也包括層次劃分、分區(qū)、排序、聚類等計(jì)算方式,如表3所示。

表3 廣義DSM計(jì)算

3 流程分析過(guò)程

廣義DSM的建立和應(yīng)用大致需要經(jīng)過(guò)準(zhǔn)備、定義、初始化、計(jì)算、應(yīng)用等階段,其過(guò)程如圖4所示。

(1)建立對(duì)象層次結(jié)構(gòu)。結(jié)合用戶需求、項(xiàng)目目標(biāo)以及流程分析背景等相關(guān)內(nèi)容,確定流程分析的對(duì)象、層次結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)總功能,然后將系統(tǒng)總功能進(jìn)行功能分解得到子功能。

(2)建立DSM 方陣,以反映對(duì)象關(guān)系、過(guò)程關(guān)系等。需要與用戶及工程師廣泛接觸,獲得相應(yīng)信息,定義對(duì)象DSM、過(guò)程DSM,并進(jìn)行初始化。然后根據(jù)DSM計(jì)算方法進(jìn)行排序、聚類等計(jì)算以獲得優(yōu)化后的DSM方陣。

(3)建立對(duì)象/過(guò)程矩陣。根據(jù)對(duì)象DSM和過(guò)程DSM,通過(guò)與客戶及相關(guān)工程師溝通交流來(lái)定義對(duì)象過(guò)程矩陣,并進(jìn)行初始化。通過(guò)計(jì)算,建立合理的對(duì)象/過(guò)程矩陣。

(4)建立過(guò)程/屬性矩陣。結(jié)合過(guò)程DSM和屬性,通過(guò)與客戶及相關(guān)工程師溝通交流,定義過(guò)程/屬性矩陣,并進(jìn)行初始化。通過(guò)計(jì)算建立合理的過(guò)程/屬性矩陣,分類別反映流程分析過(guò)程中的相關(guān)信息。

(5)完整性檢查及單項(xiàng)分析。結(jié)合流程分析過(guò)程以及過(guò)程屬性矩陣中各類屬性的輸入輸出信息,檢查流程分析過(guò)程的完整性,查漏補(bǔ)缺,使得分析過(guò)程流暢。每類屬性反映分析過(guò)程的一個(gè)方面,為優(yōu)化相應(yīng)的專項(xiàng)分析方法提供依據(jù)。

4 實(shí)例——放大器裝校流程分析

放大器組件的裝校是從零件→元件→模塊、從模塊→組件的過(guò)程,本文列出了片箱模塊的分析過(guò)程。

4.1 對(duì)象層次結(jié)構(gòu)

組件包括片箱模塊、燈箱模塊、端鏡模塊、潔凈廂模塊等。模塊由機(jī)械元件和光學(xué)元件組成,機(jī)械元件由零件組成。放大器組件(零件→元件→模塊→組件)的組成體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2 DSM方陣的建立

DSM方陣的建立過(guò)程如下:根據(jù)對(duì)象層次結(jié)構(gòu)建立對(duì)象DSM、根據(jù)功能要求建立過(guò)程DSM,然后將方陣初始化后進(jìn)行矩陣計(jì)算。片箱模塊零件層次對(duì)象包括框架主體(甲)、鍍銀反射板(乙)、玻璃壓框(丁)、整流導(dǎo)氣盒(戊)、風(fēng)刀進(jìn)氣管(己)等。釹玻璃(丙)為光學(xué)元件,但與零件之間有裝配關(guān)系,因此,釹玻璃與零件在同一層次處理。初始化并計(jì)算后建立反映對(duì)象關(guān)系的DSM方陣,如表4所示。

表4 片箱模塊的零件DSM方陣

根據(jù)光機(jī)裝配前的功能要求,光學(xué)元件需要進(jìn)行精密檢測(cè)(a)、表面潔凈(b)、表面鍍膜(c)、激光預(yù)處理(以提高表面損傷閾值,d)等操作。進(jìn)行光學(xué)元件/過(guò)程矩陣的定義、初始化和計(jì)算,確定操作過(guò)程的順序?yàn)樾敦洝軝z測(cè)→表面潔凈→激光預(yù)處理→表面鍍膜,如表5所示。機(jī)械元件處理過(guò)程為卸貨→光機(jī)預(yù)裝配→粗清洗→精密清洗。

表5 光學(xué)元件處理過(guò)程DSM

4.3 對(duì)象/過(guò)程矩陣建立

對(duì)象/過(guò)程矩陣包括光學(xué)元件/過(guò)程矩陣、機(jī)械元件/過(guò)程矩陣、模塊/過(guò)程矩陣等。對(duì)象/過(guò)程矩陣可以完整地反映對(duì)象處理的過(guò)程及每一個(gè)處理過(guò)程涉及的對(duì)象。矩陣的每一行顯示某一類對(duì)象的處理過(guò)程,相應(yīng)反映對(duì)象應(yīng)該達(dá)到的功能;每一列表示某一個(gè)過(guò)程所涉及的對(duì)象,作為該過(guò)程工作安排的依據(jù)。放大器組件片箱模塊機(jī)械零件/過(guò)程矩陣如表6所示。

表6 片箱模塊機(jī)械零件/過(guò)程矩陣

4.4 過(guò)程/屬性矩陣及應(yīng)用

裝校流程需要集中反映放大器組件中各層對(duì)象的處理、操作方法及相關(guān)信息。裝校對(duì)象有釹玻璃、片箱框架以及光機(jī)裝配后形成的片箱模塊。將功能設(shè)備、時(shí)間、潔凈度、平面位置、支撐部件、控制方式等作為描述過(guò)程的屬性,圖6所示為片箱模塊的裝校流程,過(guò)程/屬性矩陣如表7所示。

表7反映了片箱裝校過(guò)程的屬性變化,流程中的前后不連貫、不一致或冗余會(huì)在矩陣的相應(yīng)行上體現(xiàn)為脫節(jié)、矛盾或重復(fù)。該矩陣中,功能設(shè)備行體現(xiàn)裝校過(guò)程需要的設(shè)施,時(shí)間是安排生產(chǎn)計(jì)劃和進(jìn)行優(yōu)化的依據(jù),潔凈度屬性是用來(lái)保障整個(gè)過(guò)程的潔凈是閉環(huán)的,平面位置和支撐部件的變化反映物流和搬運(yùn)情況等。

表7 片箱裝校過(guò)程/屬性矩陣

根據(jù)放大器對(duì)象層次結(jié)構(gòu)完成所有裝校對(duì)象的過(guò)程/屬性矩陣后,合并相同的功能設(shè)備信息、物流過(guò)程信息、搬運(yùn)設(shè)備要求,結(jié)合完成工序的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,確定裝校設(shè)施、物流設(shè)施、助力設(shè)施等的功能和數(shù)量,最后進(jìn)行裝校能力的計(jì)算。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于DSM可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)信息的排序、迭代和反饋的優(yōu)點(diǎn),提出包括DSM方陣和DSM長(zhǎng)矩陣的廣義DSM,建立了廣義DSM分析流程的一般順序。應(yīng)用DSM方陣進(jìn)行相同領(lǐng)域的元素關(guān)系分析,應(yīng)用DSM長(zhǎng)矩陣進(jìn)行不同領(lǐng)域的元素關(guān)系分析。應(yīng)用廣義DSM進(jìn)行放大器組件裝校流程分析,體現(xiàn)了各層次對(duì)象內(nèi)部及對(duì)象之間的邏輯關(guān)系和接口關(guān)系,檢驗(yàn)了裝校過(guò)程的功能完備與否和潔凈閉環(huán)與否,為完成裝校過(guò)程所需要的裝校設(shè)施、物流設(shè)施、助力設(shè)施等設(shè)備的功能設(shè)置和數(shù)量計(jì)算提供了依據(jù)。

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