面向農(nóng)機(jī)模塊化產(chǎn)品平臺的零部件關(guān)聯(lián)度建模與計算

羅石林，張 紅，趙天牧，楊 巖

（重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

研究人員用不同的方法，從不同的方面對產(chǎn)品零部件關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建并計算關(guān)聯(lián)度，針對關(guān)聯(lián)度計算有很多可以考慮的方面以及因素，而不同的評判標(biāo)準(zhǔn)也會對關(guān)聯(lián)度計算的結(jié)果產(chǎn)生影響，因而沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)原則來對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行評判。針對關(guān)聯(lián)度的計算方法，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)來確定并完善一個可行的參考依據(jù)，對關(guān)聯(lián)度計算有著重要的意義。

國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)機(jī)零部件關(guān)聯(lián)度計算的文獻(xiàn)相對較少，而對于裝配連接關(guān)系、模塊化設(shè)計的文獻(xiàn)值得參考。王永，劉繼紅考慮零件之間的結(jié)構(gòu)、功能和工藝約束，基于模糊層次分析法生成裝配單元決策圖[1,2]。HCdiMejbri等將具有公差配合關(guān)系的零件劃分為一個子裝配單元[3]。王自軍用三維工藝分離面作為劃分依據(jù)，進(jìn)行構(gòu)件識別和裝配單元建模[4]，僅考慮的零部件之間的裝配幾何關(guān)系，沒有考慮其他因素對劃分結(jié)果的影響。靳江艷通過裝配幾何關(guān)系、夾具和工裝使用情況、裝配工藝性方面，建立了產(chǎn)品裝配關(guān)系的矩陣，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜產(chǎn)品裝配單元的劃分[5]。趙韓通過考慮零件之間的功能相關(guān)性、幾何相關(guān)性和物理相關(guān)性，擬定了不同相關(guān)程度的相關(guān)值大小，最終得到關(guān)聯(lián)度的DSM矩陣，最后通過遺傳模擬退火算法實(shí)現(xiàn)了減速器的模塊化[6]。段蘭通過零部件之間的裝配關(guān)系作用程度大小強(qiáng)弱之分，給零部件關(guān)聯(lián)關(guān)系強(qiáng)度進(jìn)行定義并賦予分值，用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)的模塊化[7]。汪文旦通過依賴關(guān)系的建模描述，從功能、物理結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)幾個方面，通過依賴關(guān)系的判定，得到了數(shù)控挽把機(jī)的DSM依賴關(guān)系矩陣[8]。王兵采用層次分析法進(jìn)行權(quán)重設(shè)置，通過稱對方是進(jìn)行重要程度的對比，得到相關(guān)度的結(jié)構(gòu)矩陣[9]。貢智兵、孔凡凱等從功能關(guān)系、幾何關(guān)系、物理關(guān)系等三個大方面對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行打分[10,11]。

本文根據(jù)農(nóng)機(jī)零部件的特點(diǎn)，從連接方式、形位關(guān)系、裝配強(qiáng)度大小、功能相關(guān)性這四個方面對關(guān)聯(lián)大小進(jìn)行評價。由于農(nóng)機(jī)零部件眾多，工作量很大，本文旨在研究某款微耕機(jī)有關(guān)操縱功能的零部件的關(guān)聯(lián)度模型以及關(guān)聯(lián)度計算方法，清楚的體現(xiàn)操縱部分有關(guān)零部件的功能、特性以及零部件之間的聯(lián)系，并通過結(jié)果驗證了參考模型以及計算方法的合理性。

1 農(nóng)機(jī)模塊化產(chǎn)品平臺概述

我國是人口大國也是農(nóng)業(yè)大國，為了解放農(nóng)村勞動力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，提高生產(chǎn)效率，我國對農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)越來越重視。采用模塊化設(shè)計的方法，開發(fā)不同種類、多功能的農(nóng)機(jī)，可以提升農(nóng)機(jī)的設(shè)計和研發(fā)速度，對加速農(nóng)業(yè)機(jī)械化有著重要的意義。

模塊化設(shè)計是指在對一定范圍內(nèi)，不同功能或相同功能但性能規(guī)格不同的產(chǎn)品，在進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，從而滿足市場的不同需求[12]。而“模塊化”則包括“模塊化分解”和“模塊化組合”兩部分含義，前者是指將一個復(fù)雜的系統(tǒng)或過程按照一定的聯(lián)系規(guī)則，分解為可進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計的半自律性子系統(tǒng)的行為；后者是指按照某種聯(lián)系規(guī)則，將可進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計的子系級模塊統(tǒng)一起來，構(gòu)成新的甚至更加復(fù)雜的系統(tǒng)或過程的行為[13]。

產(chǎn)品平臺的概念是在理論和實(shí)踐中不斷豐富和發(fā)展的，關(guān)于產(chǎn)品平臺的定義可以找到很多不同的“版本”，但它們之間不相互矛盾，也沒有本質(zhì)的區(qū)別，因而產(chǎn)品平臺的定義應(yīng)該根據(jù)具體情況而定[14]。

關(guān)于農(nóng)機(jī)模塊化產(chǎn)品平臺，則是一款基于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的平臺，集聚了不同種類的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。該平臺通過對各類農(nóng)機(jī)產(chǎn)品零部件庫進(jìn)行模塊化分解，再進(jìn)行模塊化組合，設(shè)計出用戶需要的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。

針對農(nóng)機(jī)的模塊化分解，我們需要通過關(guān)聯(lián)度模型與關(guān)聯(lián)度計算方法，把農(nóng)機(jī)產(chǎn)品零部件進(jìn)行有規(guī)律、有條理的模塊分解，從而形成模塊化組合需要的零部件庫。

2 農(nóng)機(jī)零部件關(guān)聯(lián)度模型

對于農(nóng)機(jī)的關(guān)聯(lián)度計算方法，首先需要擬定關(guān)聯(lián)度的計算參考模型，讓關(guān)聯(lián)度計算有據(jù)可依，從而根據(jù)模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計算。

關(guān)聯(lián)度模型主要根據(jù)農(nóng)機(jī)自身具有的特點(diǎn)進(jìn)行考慮。農(nóng)機(jī)產(chǎn)品從屬于機(jī)械類產(chǎn)品的范疇，機(jī)械類產(chǎn)品具有通過一些連接件進(jìn)行連接的特點(diǎn)，通常零部件之間存在著連接關(guān)系，也有可能存在形位關(guān)系、裝配強(qiáng)度大小關(guān)系甚至功能操作的相互影響，由此，考慮從零部件的連接方式、形位關(guān)系、裝配強(qiáng)度大小、功能相關(guān)性這四個方面對關(guān)聯(lián)大小進(jìn)行評價。

針對每一項的分值，均以0分為最低分，10分為最高分，在0到10分之間，不同的分?jǐn)?shù)對應(yīng)不同關(guān)聯(lián)度大小，分?jǐn)?shù)越高代表關(guān)聯(lián)度越高，而分?jǐn)?shù)的判定則根據(jù)技術(shù)人員對農(nóng)機(jī)零部件的實(shí)際情況對應(yīng)準(zhǔn)則來進(jìn)行打分。

2.1 連接方式

農(nóng)機(jī)的零部件之間的連接方式最明顯最主要的就是連接關(guān)系，因而參考零部件之間連接方式、連接關(guān)系，考慮幾何關(guān)系的緊密程度、拆卸力度大小和難易程度。靳江艷，段蘭等眾多研究人員都通過零部件之間的裝配連接關(guān)系定義了評價標(biāo)準(zhǔn)[5,7]，此處根據(jù)農(nóng)機(jī)的特點(diǎn)以及存在的連接方式，對連接關(guān)系以及對應(yīng)分值進(jìn)行如下規(guī)定，如表1所示。

2.2 形位關(guān)系

機(jī)械零部件通常也存在形位關(guān)系，對于農(nóng)機(jī)零部件的模塊化，同樣考慮從形位關(guān)系進(jìn)行考核。HCdiMejbri，靳江艷等關(guān)于形位關(guān)系的考慮僅僅是形位公差，分值的高低與形位公差的大小匹配[3,5]?？紤]到農(nóng)機(jī)有的零部件的精度要求不高，有的零部件之間沒有很高的形位要求，我們對形位關(guān)系的評價添加了是否接觸的定義，如是否有面接觸、線接觸、點(diǎn)接觸，以及是否存在形位公差的關(guān)系，如表2所示。

2.3 裝配強(qiáng)度大小

此處對裝配強(qiáng)度大小的具體程度做解釋進(jìn)行定義，綜合考慮零部件裝配的難易程度、裝配的緊密程度、裝配單元的工藝剛度，如表3所示。

2.4 功能相關(guān)性

農(nóng)機(jī)零部件之間存在裝配關(guān)系，同時相互間也具有一定的功能聯(lián)系。功能相關(guān)性是指將那些為實(shí)現(xiàn)同一功能的零部件聚在一起構(gòu)成的模塊的零部件之間存在的關(guān)系，例如支撐、限位、連接等等，也有零部件之間的獨(dú)具自身特點(diǎn)的專用關(guān)系，例如遞動力、控制方向等等。針對相關(guān)性的大小，此時對功能相關(guān)性進(jìn)行如下概括性描述，其中空缺的分值及描述可根據(jù)已羅列出的關(guān)聯(lián)度大小描述進(jìn)行比較來打分，已羅列分值如表4所示。

表1 連接方式分值參考準(zhǔn)則

表2 形位關(guān)系分值參考準(zhǔn)則

表3 裝配強(qiáng)度大小參考準(zhǔn)則

表4 功能相關(guān)性描述參考準(zhǔn)則

3 農(nóng)機(jī)關(guān)聯(lián)度計算研究

根據(jù)擬定的四個評判關(guān)聯(lián)度的方面，對關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行判定。用T表示零部件之間綜合關(guān)聯(lián)度的大小，分別用T1，T2，T3，T4分別表示連接關(guān)系，形位關(guān)系，裝配強(qiáng)度大小，功能相關(guān)性的關(guān)聯(lián)度大小，于是有關(guān)系式：

用ω1，ω2，ω3，ω4分別表示連接關(guān)系，形位關(guān)系，裝配強(qiáng)度大小，功能相關(guān)性的權(quán)重大小，于是有關(guān)系式：用n1，n2，n3，n4表示連接關(guān)系形位關(guān)系，裝配強(qiáng)度大小，功能相關(guān)性的分值大小，于是有每個評判方面的關(guān)聯(lián)度計算公式：

最后擬定出綜合關(guān)聯(lián)度T計算公式：

關(guān)聯(lián)度的計算分值T大小決定關(guān)聯(lián)度大小。根據(jù)關(guān)聯(lián)度的計算公式，此時把關(guān)聯(lián)度大小的閾值設(shè)置為5，當(dāng)關(guān)聯(lián)度計算值T大于5說明關(guān)聯(lián)度較大，小于5說明關(guān)聯(lián)度較低。根據(jù)分?jǐn)?shù)設(shè)定值可知，每個評判方面的關(guān)聯(lián)度分值最大分值為10分，最小為0分，因而理論上綜合關(guān)聯(lián)度T的最大值可以達(dá)到10。當(dāng)兩個零件為焊接的連接方式時，他們的連接方式特別緊密且不可拆卸，毋庸置疑是他們一定應(yīng)該歸屬于一個模塊，因而必須保證兩個零件焊接時關(guān)聯(lián)度的計算結(jié)果較高，考慮設(shè)定ω1為0.5，此時可以保證在焊接的連接方式下，T1為5，再綜合另外幾個評判標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)聯(lián)度T鐵定大于5，說明關(guān)聯(lián)度較大；而對于沒有任何連接關(guān)系的兩個零件，他們的關(guān)聯(lián)度T最肯定數(shù)值很小甚至為0。由于裝配強(qiáng)度大小跟功能相關(guān)性相對而言對關(guān)聯(lián)度的影響不如形位公差，因而設(shè)置形位公差的權(quán)重ω2為0.3，設(shè)置強(qiáng)度大小和功能相關(guān)性的權(quán)重ω3，ω4分均為0.1。由此，ω1，ω2，ω3，ω4的取值已定，根據(jù)準(zhǔn)則可以判定n1，n2，n3，n4值的大小，便能夠計算綜合關(guān)聯(lián)度大小T。

4 微耕機(jī)操縱機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)度計算

根據(jù)某企業(yè)提供的某款微耕機(jī)的整機(jī)爆炸圖，三維裝配圖，并且查找該款微耕機(jī)有關(guān)的技術(shù)資料、文獻(xiàn)以及對真實(shí)產(chǎn)品的觀摩等，技術(shù)人員對該款微耕機(jī)有了一定的了解。

該微耕機(jī)的零部件數(shù)量眾多，以微耕機(jī)具有一定代表性的操縱有關(guān)的零件來進(jìn)行計算，其二維爆炸圖及三維裝配圖如圖1，圖2所示。

該微耕機(jī)的二維爆炸圖零件明細(xì)表如表5所示。

圖1 微耕機(jī)操縱部分二維爆炸圖

圖2 微耕機(jī)操縱部分三維裝配圖

表5 零件明細(xì)表

農(nóng)機(jī)的所有零部件大致分為兩大類，一類是標(biāo)準(zhǔn)件，如螺栓、螺母類零件；一類是非標(biāo)準(zhǔn)件，如扶手架、扶手膠套等。此款微耕機(jī)操縱部件有關(guān)零部件的劃分亦是如此。

該微耕機(jī)與操縱功能有關(guān)的部分包含57種不同的零件，除去螺栓、螺母之類的標(biāo)準(zhǔn)件，還有37種不同的零件，而模塊化的對象則是這37種非標(biāo)準(zhǔn)件零件。

根據(jù)農(nóng)機(jī)零部件關(guān)聯(lián)度參考模型，首先為農(nóng)機(jī)零部件之間的關(guān)系定義分?jǐn)?shù)，再根據(jù)關(guān)聯(lián)度計算公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)度的計算，得到關(guān)聯(lián)度大小。

如編號為1的扶手架與編號為2的扶手膠套，其連接關(guān)系為普通接觸的連接等容易拆卸的連接，對應(yīng)分值N1為2分；形位關(guān)系為面接觸并有形位關(guān)系，對應(yīng)分值N2為10分；扶手架在與扶手膠套的裝配、接觸中比較緊，且不能在該微耕機(jī)工作時發(fā)生膠套脫落等情況，因而他們裝配工藝性較好，即裝配較緊、剛度較強(qiáng)，分值N3理應(yīng)為8分；這兩個零件在功能相關(guān)性方面非限位、支撐的通用關(guān)系，而是帶有一定專用功能的控制方向的，此時這兩個零部件為共同完成功能時的關(guān)聯(lián)性、專用關(guān)系還是比較強(qiáng)，因而為N4賦予分值為6分，則T=（0.5×2+0.3×10+0.1×8+0.1×6）=5.4。

根據(jù)這種方式，對此款農(nóng)機(jī)有關(guān)操縱功能的剩余非標(biāo)準(zhǔn)件零件進(jìn)行綜合關(guān)聯(lián)度T的計算，最后羅列出這些零件的關(guān)聯(lián)度的DSM矩陣，如圖3所示。

圖3 零件關(guān)聯(lián)度的DSM矩陣

如圖3所示，最左邊一列與最上邊一行代表零件的編號，而關(guān)聯(lián)度大小T數(shù)值則是以矩陣的對角線為對稱線的對稱矩陣。凡是有接觸關(guān)系的零件均進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度的計算，例如零件1跟零件2、3、6、7、8、9、19、50均有連接關(guān)系，其中與零件2、3、6、7、8、50的關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果均大于5，與零件9、19關(guān)聯(lián)度均小于5。

5 微耕機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的模塊劃分

根據(jù)得到的微耕機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的關(guān)聯(lián)度DSM矩陣，通過遺傳算法對矩陣進(jìn)行的數(shù)值分布進(jìn)行優(yōu)化并聚類，得到零部件的DSM矩陣模塊化結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)零件的DSM矩陣模塊化結(jié)果數(shù)值分布可劃分模塊結(jié)果，把整個有關(guān)操縱功能的零件有4個大塊兒，另有3個單獨(dú)的零件為單獨(dú)的小塊兒，3個零件與任何零件或者模塊沒有太大的關(guān)聯(lián)度。模塊化結(jié)果對應(yīng)的二維圖如圖5所示。由圖4的分布結(jié)果跟圖5的對應(yīng)結(jié)果可知，模塊劃分效果及結(jié)果較為理想，此方法可對微耕機(jī)操縱機(jī)構(gòu)的實(shí)際模塊劃分。最終我們根據(jù)劃分結(jié)果把這些零件劃分為5個模塊，其中4個功能模塊，分別取名扶手架模塊、扶手支臂模塊、扶手座模塊、附件拉桿模塊，和1個獨(dú)立零部件模塊。

圖4 DSM矩陣矩陣模塊化結(jié)果

圖5 模塊化劃分結(jié)果

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6 結(jié)束語

本文通過擬定關(guān)聯(lián)度評分準(zhǔn)則，從連接關(guān)系、形位關(guān)系、裝配工藝性、功能操作等方面評價有關(guān)農(nóng)機(jī)功能操作有關(guān)的零部件關(guān)聯(lián)度。通過遺傳算法將矩陣優(yōu)化并聚類，最終把這些零部件分為五個模塊，驗證了關(guān)聯(lián)度計算方法的合理性。

通過建立關(guān)聯(lián)度模型，方可清楚的知道零部件之間的關(guān)系，從而為計算關(guān)聯(lián)度提供參考依據(jù)，并為整個模塊化的工作奠定基礎(chǔ)。整個流程，進(jìn)一步增進(jìn)了技術(shù)人員對農(nóng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)方面的觀察研究，也增進(jìn)了對產(chǎn)品的了解，有利于后期對農(nóng)機(jī)模塊化產(chǎn)品平臺進(jìn)行進(jìn)一步完善和充實(shí)。

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