（机械设计及理论专业论文）基于cxt系列电动葫芦的模块化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着经济发展的全球化、市场竞争的日益激烈，我国的装备制造业面临着巨大的挑 战。为了能更好地适应这一国际形势，提高国产机械装备的技术含量，赢得国内外市场， 本文以c x t 系列电动葫芦为载体，研究其模块化设计的方法，结合前人的研究成果，提 出了自己的一套模块化设计体系。 模块化思想在装备制造业中前景广阔，未来必将会得到大力的推广。模块化设计方 法作为一种新的现代设计方法和思想，在对事物的构成模式分析、机构优化和系统的分 解、重组、协调等方面，有其独特的效能，因此对模块化设计的理论体系进行研究就显 得尤为重要。 模块化设计主要包括模块划分及合理性评价、模块设计、模块管理等，而模块划分 及合理性评价是实施模块化设计的基础及关键所在。因此本文着重研究模块划分方法及 评价，同时对模块设计和模块管理也做一定的探讨。本文将模块划分及合理性评价又分 为权重指标的确定、原始子模块的聚类以及模块划分方案评价三部分。 进行模块划分时，首先是要确定划分的指标或依据，通过对已有文献的研究，结合 c x t 系列电动葫芦的特点，本文主要是把各子模块的功能相关性、几何相关性、物理相 关性等作为模块划分的依据。因此，在模块划分前确定各相关性权重就尤为重要，本文 采用的是层次分析法，综合考虑对模块划分时产生影响的各种因素建立层次分析法模型 树，通过计算得出各相关性的权重。 权重确定后就要进行各初始子模块相关性矩阵的建立和计算，进而得出各种划分方 案。本文采用的是模糊聚类分析法。通过各初始子模块之间的功能相关性、几何相关性、 物理相关性，得出相关性矩阵，按照不同的阀值进行聚类，并绘制动态聚类图，得到聚 类结果。 聚类后得到的模块划分方案不是唯一的，对于多种模块划分方案，文中采用灰色关 联分析法来优选划分方案。 关键词：模块化设计；层次分析法；相关性矩阵：模糊聚类分析法：灰色关联分析法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a l i z a t i o no fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t , t h em a r k e tc o m p e t i t i o nb e c o m i n gm o r e a n dm o r es e v e r e ，c h i n a se q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yf a c e se n o r l l l o u sc h a l l e n g e s i n o r d e rt of o l l o wt h ei n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o na n di m p r o v et h e t e c h n o l o g i c a lc o n t e n to f c h i n a - m a d em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t , t ow i nt h ed o m e s t i ca n df o r c i 印m a r k e t s ，t h i sp a p e ru s e c x ts e r i e se l e c t r i c a lh o i s ta st h ec a r r i e r , f o c u so nt h em e t h o do fi t sm o d u l a rd e s i g n c o m b i n e d 谢m p r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，p r e s e n t e da s e to f m o d u l a r d e s i g ns y s t e mo f m y o w n m o d u l a ri nt h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi nt h eb r o a dp r o s p e c t sf o rt h ef u t u r e a n dw i l lc e r t a i n l yb es t r o n gi ns o m ea r e a so ft h ep r o m o t i o n a san e wm o d e md e s i g nm e t h o d a n di d e o l o g y , t h em e t h o do fm o d u l a rd e s i g nh a su n i q u ee f f e c to nc o n s t i t u t i o nm o d ea n a l y s i s ， o r g a no p t i m i z a t i o na n dt h ed i s a s s e m b l y , r e c o m b i n a t i o n a sw e l l 嬲t h ec o o r d i n a t i o no f s y s t e m s ot h er e s e a r c ho nt h et h e o r e t i c a ls y s t e mo f m o d u l a rd e s i g ni sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t m o d u l a rd e s i g ni n c l u d e sm o d u l ed i v i s i o na n dr e a s o n a b l ea s s e s s m e n t , m o d u l ed e s i g n , m o d u l em a n a g e m e n t , a n do t h e ra s p e c t s ，t h em o d u l ed i v i s i o na n dr e a s o n a b l ee v a l u a t i o ni st h e k e ya n db a s i co ft h em o d u l a rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h i sa r t i c l ef o c u s e so nm e t h o d sa n d e v a l u a t i o nm o d u l ed i v i s i o n , w h i l ed or e s e a r c ho nt h em o d u l ed e s i g na n dm o d u l em a n a g e m e n t t h em o d u l ed i v i s i o na n dar e a s o n a b l ee v a l u a t i o na r ed i v i d e di n t ot h ed e t e r m i n a t i o no ft h e i n d e xw e i g h t s ，t h ec l u s t e r i n go ft h eo r i g i n a ls u b - m o d u l e sa n dt h ee v a l u a t i o n t h ef i r s ts t e po ft h em o d u l ed i v i d e i n gi st od e t e r m i n et h ed i v i s i o no ft h ei n d i c a t o r so rt h e b a s i so f e x i s t i n gl i t e r a t u r eb yc o m b i n i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc x th o i s ts e r i e s ，t h i sp a p e ri st o t h ef u n c t i o no fe a c hs u b - m o d u l ed e p e n d e n c i e s ，g e o m e t r i cr e l a t i o n s h i p ，p h y s i c a lr e l a t i o n s h i p s u c ha sam o d u l ed i v i s i o nb a s i s t h e r e f o r e ，b ec o n f i r m e db yt h em o d u l ew e i g h tt ot h e r e l e v a n c eo fp a r t i c u l a ri m p o r t a n c ei st h el e v e lu s e di n t h i sa n a l y s i s ，w h e nc o n s i d e r i n gt h e i m p a c to ft h em o d u l eb yav a r i e t yo ff a c t o r st ob u i l da h pm o d e lt r e e ，谢mac a l c u l a t e d c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ew e i g h t b u i l da n dc a l c u l a t et h ec o r r e l a t i o nm a t r i xa f t e rd e t e r m i n e dt h ei n i t i a ls u b - m o d u l e ，t h e n c o m et oav a r i e t yo fc l a s s i f i e dp r o g r a m s i nt h i sp a p e r , o b t a i n ec o r r e l a t i o nm a t r i xt h r o u g ht h e i n i t i a ls u b - m o d u l e s c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ef u n c t i o n a l ，g e o m e t r i cr e l a t i o n s h i p ，p h y s i c a l r e l a t i o n s h i p ，t h e no b t a i nt h em a p p i n go fd y n a m i cc l u s t e r i n gg r a p hc l u s t e r i n gr e s u l t sa c c o r d i n g t od i f f e r e n tt h r e s h o l d sf o r c l u s t e r i n g m o d u l e so b t a i n e db yc l u s t e r i n gt h ep r o g r a mi sn o tt h eo n l yc l a s s i f i c a t i o ns c h e m ef o ra v a r i e t yo f m o d u l e s ，t h i sp a p e ru s eg r a yr e l a t i o n a la n a l y s i st os e l e c tt h eb e t t e rs c h e m e k e yw o r d s ：c x ts e r i e se l e c t r i c a lh o i s t ；m o d u l a rd e s i g n ；a h p ；c o r r e l a t i o nm a t r i x ；f u z z y c l u s t e ra n a l y s i s ； g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景 电动葫芦是一种技术并不复杂，采用常规方法设计的起重设备，由于以往设计方法 上的落后和设计主导思想上的影响，使设计的电动葫芦没能充分发挥其产品性能，而设计 中的失误又造成极为巨大的损失。总的来说，产品使用不当或制造中的质量问题均具有局 部和偶然性，通常可以通过一定措施来修复或避免，而设计本身就存在问题的话，将是根 源性的、全面的，常常在使用一定时间后才发现，因而造成了相当大的损失，并难以采取其 他补救措施，最后不得不重新设计新的产品【1 1 。基于此，我们应当在其设计手段和方法上 做些适当的改进和创新。为此引进模块化设计理念，它将彻底地改变这一局面，使产品 更具市场竞争力。 1 2 论文研究的意义 随着现代机械工业的蓬勃发展，先进的科学技术大量应用于装备制造业，这样使各 企业的创新能力和新产品的开发能力都得到了不断的提高。现在的客户对装备制造业这 一行业要求在一旦提出特定的客户需求之后，能在极端的时间内有响应。我国装备制造 业目前处于高速发展的阶段，市场需求巨大，根据相关专业人士的预测仅大型工程机械 行业我国的缺口就达到8 0 0 多亿元【2 】。各企业为了在日益激烈的市场中占有一席之地， 都在不断地增强自身的创新能力，不断利用新技术尽量缩短产品的开发周期，降低产品 的开发成本。为了赢取更多的客户，各企事业单位也在不断地完善自己的质量管理体系 和售后服务体系，做到让客户满意。为了不断地改善产品的品质，提高企业的竞争力， 目前传统的产品设计方法已经不能很好地适应这些要求了，而模块化设计技术可以很好 地实现这一目标，其通过模块的重组和改进，能够做到降低生产成本，同时又可以快速 响应市场需求，实现了在小批量生产的前提下达到大批量生产降低成本的目的，为企业 谋得更多发展和提升的空间。 欧美国家的专家学者于上世纪5 0 年代提出了“模块化设计 这一崭新的设计理念 和方法，其目的是为了提高设计效率，使前人的设计经验能够得以传承，从而提高设计 和生产的水平。模块化强调各模块的重复利用和重组，各模块之间具有很好的互换性， 能够根据产品的需求进行选型进而形成客户定制需求的产品，这样就能使企业以市场为 导向，通过选用已有的模块或者通过改进少量的模块来完成对市场的响应，使产品具有 更强的市场适应能力。模块化的优势明显，它不仅能使企业不断满足客户的定制需求， 缩短产品的开发周期，同时也能使企业在激烈的市场竞争中获得充分的主动权p 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 现代机械由传动模块、电脑模块、动力模块、执行模块、控制模块等组成，定义很 明显地给出了机械的宏观模块分类。模块化设计是一种更高级的标准化，其不仅具有标 准化的一些特性，同时也可以进行柔性设计和制造，实现一些标准化所不能达到的功能。 有专家学者认为：为了使产品能更好的满足市场的各种需求，在对一定范围内的不同功能 或相同功能不同规格的产品进行详细的功能分析的基础上，划分出一系列功能模块，通 过功能模块的选用和重组以构成不同系列和性能参数的产品，这种方法称之为“模块化 设计 【3 】。 模块化设计出来的产品可以通过模块的互换、共享来提高企业的经济效益，为使企 业能赢得更多的市场份额做下很好的铺垫，因此模块化设计在产品设计中被视为一种关 键性的技术，总的来说模块化设计有以下几方面的优势： 能够更加快速的完成产品的设计，节约很大的生产成本：由于模块化设计是通过选 用已有的模块或者设计少量的专用模块即可完成产品的设计，这样能够更快的适应客户 的需求，缩短了产品的设计制造周期，可以实实在在地降低产品生产过程中的复杂性， 避免了以往常规设计法经常会产生的冗余工作量，为企业带来了更高的生产率，谋求更 多的福利i 】。 模块化设计可以加快产品的更新换代速度：常规的传统设计在进行产品开发时，都 是牵一发而动全身，往往是某个布局环节需要改变时就导致全局的变动，而产品的模块 化设计则能很好的避免这方面的困扰，其可以通过更换某些模块来达到改型的目的。在 目前这一竞争激烈的市场中，以客户的定制需求为中心的理念是非常重要的，可以通过 利用新技术设计好的模块去替代以往那些技术上落后的模块，形成更加先进的产品，这 样能使产品始终保持其先进性，取得竞争的主导权。 采用模块化设计可以提高产品可靠性：因为模块化设计是以模块为设计单元的，而 模块是经过不断使用和实验论证的，是集体智慧的结晶。因此模块的质量是能得到充分 的保证的，这样就导致模块化产品具有更好的可靠性【鲫。 模块化产品具有更佳的可维修性：由于系统是由各个模块组合而成的，而各个模块 之间的独立性和互换性都很强，这样能使故障维修工人快速找到问题所在并给与技术支 持和维修，而故障模块有很多的替代模块，这样可以保证不至于长时间地影响生产。 1 3 模块化设计研究概况 1 3 1 模块化设计的理论研究状况 随着模块化设计的大力推广，在模块化设计的理论研究方面也取得了很大的进展。 关于模块化设计理论方面国内外的很多专家学者和研究机构进行了大量的研究工作，他 们根据自身的研究不断地完善着模块化研究的理论体系，这里面最具代表性的人物为台 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 湾学者梁文耀和黄俊哲，美国学者安德鲁库斯卡，他们长时间地研究如何将模块化技术 应用于实践中，首选的是电子行业，实现机电一体化的设计模式，均取得了很大的成果。 加拿大学者古德温则是结合全生命周期来对模块化系列设计进行了研究，并也取得了很 多的成果【8 。1 4 1 。 我国的童时中教授从系统论的角度出发，研究了模块化设计，他指出所谓模块化设 计就是通过个子模块的重组和分解来形成需要的产品，同时他认为模块化是标准化的一 种高级形式，也是一种先进的设计方法，值得在企业中大力推广。 除此之外，清华大学、天津大学、浙江大学、青海大学、重庆工学院等国内知名的 高等学府的各专家学者也对模块化进行了研究，所有这些研究工作的开展，都在不断地 拓展和完善着模块化设计的理论内容，同时也在不断地加深模块化设计研究的应用深度 和广度，从而充分地发挥模块化设计技术的技术价值，提高该先进设计方法的经济价值 1 1 5 - 2 0 1 。 、 1 3 2 起重机行业中模块化设计理论的应用状况 模块化设计作为一种先进的设计方法，其必将是未来起重机设计发展的方向之一。 根据模块化设计的原理，我们只要涉及一些基本的模块，模块与模块之间通过简单的组 合便可形成品种多样的产品，从而能又快又好地满足客户的各种定制需求。企业拥有更 多的模块化产品对于其提升自身的核心竞争力是至关重要的，因此现在各单位中都在普 遍利用模块化设计技术来开发自身的产品。 现当今，欧美日等发达国家的装备制造业水平很高，这些国家著名的起重机公司都 己开始普遍采用模块化设计技术，不断改进生产方式，为企业取得了显著的效益。据资 料统计，桥门式起重机生产巨头德马格公司所设计的单梁吊车自从改用了模块化设计方 法进行设计之后，其设计费用节省了8 8 ，生产成本也降低了5 5 ，从其推出模块化产品 以来，企业经济效益和产品的市场竞争力明显提高。位于北欧的芬兰k o n e 公司是一家先 进的起重设备设计制造单位，自从该公司利用模块化设计技术推出了s m 6 0 0 - - s m i1 0 0 系 列桥式起重机后，并编制了相应的模块化设计的管理软件，通过这套先进的设计软件的 应用，设计人员可以再极短的时间内设计出符合客户定制需求的产品。同时该管理软件 的开发，使他们的产品越来越多的产品采用模块化技术，这样就大大降低了生产制造和 售后的服务成本，为企业争取了更多的市场份额。k o n e 在上海的子公司在利用模块化设 计技术后，仅用3 0 人就能完成了年产7 0 0 台系列桥式起重机的生产制造任务【2 l 】。 现如今，国内起重机单位也开始加快了引进吸收国外先进设计方法和技术的步伐， 大连大起集团应尽模块化设计技术以后，通过与计算机柔性制造技术的结合，开发出了 d s q d 新型系列桥式起重机，该系列的桥机与公司早期的产品相比，自重减轻为原来的 8 5 一6 5 ，最大轮压也降低到原来的7 0 一9 0 ，因此可以帮助产品占领更多的市场份额， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 为企业带来更好的社会和经济效益【2 l 】。 1 4 模块化产品设计面临的关键问题介绍 模块化设计作为一种先进的设计方法，有很多的优点，但其单一模块的设计更加复 杂，设计时不但要考虑单一模块的功能特性，还应考虑与其他模块的接口、互换性等问 题，本文通过查阅前人的研究成果，总结模块化产品设计面临的关键问题为下面几点： 1 ) 模块的划分：我们在进行模块划分时，若考虑的因素不同则会形成不同的子模 块体系，因此在模块划分时要完全消除主观性的干扰是几乎不可能的，因此需要我们在 模块划分之前进行充分的调研，尽量把需要考虑的因素考虑进去，并进行权重的计算， 最后根据相关性矩阵得出更加合理的模块划分结果。 2 ) 模块划分方案的评价：由于模块化产品划分方案不是唯一的，因此模块划分方 案的评价就显得尤为重要，在得出模块划分方案之后，要对各种方案进行筛选，得出最 理想的划分方案，根据已有的研究成果表明，假如评价者应用不同方法计算得出的结果 也有可能不相同，因此我们在进行模块划分方案评价之前应仔细研究各种评价方法，选 中最合乎要求的评价方法。 3 ) 模块化设计产品的设计和管理：模块化设计是以基本模块为单元的，其设计、生 产和管理都是有别于常规的设计方法的。模块化设计一般是基于柔性系统进行的，利用 计算机辅助设计软件女n p r o - e 等来建立参数化模型，通过建模形成模块库，方便后续的模 块化设计所使用。模块化管理主要是包括模块储存、模块检索等方面的内容。 1 5 论文研究的内容 本文拟对模块化设计方法进行较为系统的理论研究，形成较为系统的新产品模块化 设计方法。具体内容如下： 第一章：介绍论文研究的背景和意义，通过已有文献的阅读和分析探讨了一下模块 化设计研究的概况及其在起重机行业中应用的情况，这节最后讲解了一下模块化设计面 临的一些关键问题及预采用的解决方法。 第二章：模块化作为一种先进的设计方法，要对其有一个很好的掌握必须先对其理 论方面有一个很好的掌握，本章主要介绍了一下模块化设计的相关概念和理论知识。 第三章：根据各种已有的研究文献和电动葫芦行业的特殊性，确定功能、几何、物 理相关性在模块划分时的权重。 第四章：研究模块划分。采用功能分解方法，将产品从总体功能上进行分解，并建 立各个子功能之间的各种相关性；并结合各相关性定义生成子矩阵；采用模糊聚类分析 方法进行重新聚合，得到各种聚类方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第五章：研究模块划分结果的评价。对各聚类结果进行设计制造、安装、成本、维 修等方面的评价，确定最佳模块划分方案。 第六章：研究模块的系列设计和管理。研究模块系列设计方法步骤、模块编码以及 模块单元的存储结构，形成高效方便的模块管理体系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章模块化概况 2 1 序言 当前随着科技的发展，客户对企业的产品更新速度有了更高的要求，为了适应这一 新形势，增强市场竞争力，许多企业慢慢走向了多品种小批量的个性化生产方式，这就 使得以前的品种少批量大的生产方式逐渐失去竞争力。在这样一个时代背景下，模块化 以其特有的优势和设计理念而诞生了，它给了装备制造业以强大的生命力，使企业能够 在竞争激烈的环境下得以生存。企业欲在竞争中得以生存和成长壮大，没有自己的核心 技术是不行的，因此在企业管理和产品开发上必须要善于运用先进的设计方法，这样才 能为企业取得更好的成效。模块化作为一种有前途的设计方法，在欧美等发达国家的应 用时间已经相当长，体现了该先进设计方法的巨大价值，取得了良好的经济效益。 概念可以更深刻地揭示事物的特性和本质，因此在我们运用模块化这一新理论、新 方法之前，我们有必要对其基本原理和概念有一个更深刻的认识和理解，所以在本章中 将着重介绍一下模块化设计的相关概念瞄】。 2 2 模块化设计的基本概念 由于科技的发展，人们对产品的响应时间、产品的成本、产品的设计周期等都有了 更高的要求，因此模块化设计在这一时代背景下诞生了。模块化设计的主体思想是：以 最少的模块组建最多的产品系列，达到利益的最大化。 根据模块化设计的产品特性和基本参数均不同，该产品在系列中所覆盖的形式和范 围不同，人们常把模块化系列产品分为横系列、跨系列及全系列模块化等类别，模块化 设计的类型不一样就会有各自不同的特点，各模块化定义如下 1 ) 横系列模块化：横系列模块化可以概括为“基本相同的功能参数，不同结构形式 的模块化，即在原有产品的基础上，通过结构的改进、变形或者增减某些特定模块而形 成的变型产品。 2 ) 纵系列模块化：纵系列模块化可以概括为“不同的功能参数，相同或相似的结构 形式的模块化，产品的功能参数不同往往导致其动力参数、性能参数均有所不同，比如 功率不同的产品往往会出现结构形式和尺寸大小的变动。 3 ) 跨系列及全系列模块化：跨系列及全系列模块化可以概括为“不同的功能参数， 不同的结构形式的模块化”，跨系列及全系列模块化是在纵系列模块化的基础上兼顾到横 系列，即在整个系列的范围内进行统一的模块化设计e 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 模块化设计的基本过程 模块化系列设计的具体步骤为：首先进行市场调查和分析，在充分了解客户需求的 基础上，进行产品系列型谱的拟定，接着结合客户需求和模块化的原理进行主参数的确 定，同时进行产品的功能分析和模块的结构设计，利用一定的模块编码和存储技术将各 已设计完成的模块进行管理，形成一个相对完整的模块库，最后编写技术文件完成模块 化系列产品设计过程，详细过程见下图。 开始 市场调查与分析 拟定产品系列型谱 确定主参数范围 进行产品功能分析 模块结构设计 形成模块库 编写技术文件 结束 图2 - 1 模块化系列产品设计过程 2 4 聚类分析在模块化设计中的应用 我们在进行模块划分时，首先要考虑将需要划分的产品分成若干个模块，然后结合 各个单元的独有特性，以模块为基本单元进行设计和分析。聚类分析首先要根据产品的 内部相关性进行分解，以确定各个子功能模块之间的相关度，通过对各个子模块的功能 重组，形成一套完整的功能模块系统 2 3 。2 5 】。 我们在进行系统分解时必须要考虑模块数量和规模这两个相互矛盾的因素，一般模 块数量越多就会导致成本或工作量越大。对于这个问题比较行之有效的办法就是通过对 层次结构的数量控制，使系统简化，系统内部的条理和关系更加分明，这样各个层次在 技术上也更加地容易处理。数量与规模间的关系可以从多方面来进行分析，当然也可以 通过制造成本的高低来进行分析。从整个系统来看，一个产品的总成本应该包括各个模 块的成本及模块与模块之间相互连接的联接费用。模块数目越多就会造成单个子模块的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 规模减小，致使成本降低。但由于产品内部之间的连接的存在，因此，当模块数目增多 时他们内部之间的联接费用就会增加，从而导致成本和费用的增加。反之也是如此。如 图2 - 2 2 6 】所示。因此，我们在确定模块划分方案的时候，需要综合考虑模块设计的各个 方面，诸如装配、设计制造、成本、维修等多方面的情况。 成 本 或 工 作 量 模块数量 图2 - 2 模块数目与成本或工作量之间的关系图 模块化设计中的功能分析主要包含以下两个方面的内容：即功能分解和功能模块聚 类，即“一分一合 两方面的内容。 我们在对系统进行系统功能分解的主要目的是为了要确定产品实现总功能而求得 这些功能所需要具有的子功能，通过对这些子功能的相关分析，进行功能逐步分解最后 得到每个功能都有对应的物理模块去实现，或者是各子功能模块都能够很快地找到解的 方法和原理。 机械装备中的各个零件之间都是有联系的而不是孤立存在的，他们之间大都成树 状、链状或者网状连接在一起，我们把他们之间存在的这种关系称为相关，存在这种关 系的零部件我们称之为相关件。 相关模块之间应具备的关系多种多样，但我们从功能和几何物理等方面来考虑的 话，可以将相关件大致分为三类：功能相关条件、几何相关条件和物理相关条件。我们 把那些满足一个以上相关性条件的模块称它们是相关模块。 功能模块分为分解和聚类，我们在完成了分解之后，确定功能模块之间的各项相关 性从而形成模块之间的相关性矩阵，通过对这些矩阵的计算( 本文利用模糊聚类分析) ， 得出聚类结果，但这些聚类结果一般都不是唯一的，因此我们还需要对这些结果进行方 案优选，即方案评价 2 6 - 2 s 。 2 5 模块化划分方案评价方法介绍 模块化设计方案的评价指标很多，评价方法也很多，但我们进行模块化方案评价时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 模块内部有一些不变的因素存在，这为我们进行模块划分方案评价提供了方便。模块化 设计中模块数目越多，导致模块的设计制造复杂性就会随之减少，但模块间的装配和维 修复杂度等则会相应地增加，他们之间有很明显的关系但这种关系又不是严格遵守线性 规则的。这就需要我们用一种评价方法进行定性和定量的描述和计算各种复杂度之间的 关系，得到一个优选方案。本文引入灰色系统中常用的一种评价方法，即用灰色关联评 判法来对功能模块划分方案来进行评价。 灰色系统理论自8 0 年代初创立以来，己在经济、社会、农业和电力等系统得到了 较广泛的应用。 假设各模块划分方案与最佳方案的关联系数矩阵为： 善= 缶。缶： 色。乞 星 ： ，l _ ， ，l 朋 参，色胂 己，色2 善n j 己朋 ，一l，一2 ， ，竹 ( 2 - i ) 设评价体系有k 项指标，该层指标权重为= 届，展，尾】，( 为第k 项指标权重， 满足若展= 1 ) 。考虑指标权重，第i 个方案与理想方案层次关联度计算模型为【2 蚓】： 七 忍= 展缸 量i i ( 2 - 2 ) 通过计算各方案与最佳方案的关联度，最后筛选出最优的模块划分方案 2 ”1 1 。 模块化的核心是要形成模块化成品，因此模块化设计中的模块划分和方案评价是模 块化的前提，要真正实现模块化还有一个环节不可忽视，那就是模块化管理，一个好的 模块化管理体系能使企业在模块化生产中收益颇丰。 2 6 本文模块化设计的总体思路 模块化设计的核心是模块划分和划分方案评价，目前关于模块划分及评价的方法很 多，k u l r i c h ，k t u n g 等提出建立产品功能结构，然后将功能相关的元素组合成模块的 划分方法；e p p i n g e r t a l 利用各零部件之间的物理关系进行模块划分，并采用启发式交 换算法进行聚类分析的模块划分方法等。以上这些研究侧重于利用设计师的经验直接建 立各零部件的相关矩阵，再采用某种聚类算法进行模块划分，缺乏定量的评价模型。基 于此，本文提出了一套自己的模块划分方法和评价方案，该方法的思想是这样的：利用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 模块间的功能相关、几何相关、物理相关等来对系统各子模块进行分类，为此需要先利 用层次分析法来计算出这三个相关性对于系统的权重，然后结合这三个相关性权重并利 用模糊聚类分析来对他们进行分类，最后再综合考虑设计复杂性、装配复杂性、成本、 维修等方面，利用灰色关联评价法来对模块进行方案评价，从而确定出模块划分的最佳 方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章基于层次分析法的权重计算 3 1 层次分析法的概述 层次分析法( 下文简称为a m p ) 是美国运筹学家s a a t y 教授于上世纪7 0 年代提出的 一种实用的多方案或多目标的决策方法。a h p 能合理地将定性与定量的决策很好地结合 起来，按照思维、心理的规律把决策过程层次化、数量化。该方法自2 0 世纪8 0 年被介 绍到我国以来，以其定性与定量相结合来处理各种决策因素的特点及其系统灵活简洁的 优点，迅速地在我国社会经济的城市规划、科研评价、能源系统分析、经济管理等领域 得到了大力的推广和使用【3 2 - 3 3 1 。 3 2 层次分析法的优缺点 a h p 作为一种优秀的权重确定和计算方法，和其它分析方法一样，也具有其先进性 和自身一定的局限性。了解层次分析法的优缺点是使用好该方法的关键，并且有针对性 地扬长避短，能够达到增强a h p 的应用效果i s 4 - 3 5 1 。 3 2 1 层次分析法的优点 a h p 的优势主要体现在该方法的实用性、简洁性和系统性上，分述如下p 6 1 。 实用性：a h p 在对对象进行分析时通常是将定性和定量方法进行结合而成的，它能 处理一些很棘手的问题，常规方法在处理这些问题时可能会遇到很多预想不到的问题。 同时它也有利于决策者之间的沟通等。 简洁性：对于那些具有一定高等数学基础的人员即可掌握a h p 的基本原理，并可以 用它来进行决策【3 7 1 。 系统性：a h p 的原理是把研究对象作为一个系统，按照分解、比较判断、综合的思 维方式来进行决策，成为继统计分析、机理分析之后发展起来的系统分析方法。 3 2 2 层次分析法的不足 a h p 作为一种很好的分析方法，在具有其明显优势的同时也有一些不足，这些不足 主要体现在以下三方面f 3 6 】： 首先，该方法不能得到更好更合理的新方案，而只能从原有方案中筛选其中某个相 对更优的方案来作为最终的方案。 其次，该方法需要构造判断矩阵，在判断矩阵的构造中，对各项因素的比较、判断 以及结果的计算过程中均较粗糙，该方法不适用于精度要求较高的场合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 还有，该方法需要首先建立层次结构模型，其次需要结合实际情况给出成对比较矩 阵，在这整个过程中，人为因素难以避免甚至会影响很大，这就使得结果难以使所有的决 策者满意。克服该缺点的一种途径是聘请专家群体来进行判断。 简言之，a h p 的基本思想就是化复杂为简单，其通过将复杂问题进行分解，在最低 层次通过两两对比得出各因素的权重，再通过由低到高的层层分析计算，最后算出各方 案对于总目标的权重【3 7 】。 3 3 层次分析法的基本步骤简介 我们在运用a h p 进行决策判断时，一般需要经历以下5 个步骤阱3 7 】： 1 ) 建立系统的递阶层次结构：将需要分析的系统进行结构层面进行划分，先从最 终的目的开始推导出直接影响结果的那些内容和项目，接着再推导出间接影响到结果的 项目，这样逐层地分析下去，直到可以将全部影响结果条件都列出来为止。为了使计算 过程更加简便，结果更加准确，一般把不是很复杂的问题分成三个层级基本就可满足要 求，即目标层、准则层、措施层( 如图3 1 ) 。 图3 - ia h p 模型递阶层次结构图 2 ) 两两比较判断矩阵的建立：在我们将递阶层次构造完成之后，我们就要根据判 断矩阵比较的一些规则，对同一个层次的各个元素相对于上一个层次的各个元素进行逐 个的对比，构造出来的矩阵如表3 - i 所示： 表3 - i 判断矩阵 s a a t y 教授开创性地提出了成对元素两两比较的方法，充分运用了人的经验、知识 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 和判断能力，统一了有形与无形、可定量与不可定量的诸多因素，是解决系统问题的有 力手段。建立两两比较的判断矩阵和层次分析模型示意图，根据层次分析模型示意图3 1 所示，每位问卷评分者就可以依据个人对评价指标的主观评价来进行综合分析，对各指 标之间进行两两对比之后，然后按9 分位比率排定各评价指标的相对优劣顺序，依次构 造判断矩阵。采用两两比较的方法与将所有元素与同一元素比较的方法相比，不仅减少 了比较的次数，更可以降低个别判断错误对总体排序所造成的影响，避免系统性判断错 误。实际上心理学的研究表明，在同时进行比较的对象不超过( 7 2 ) 个的情况下，人的 判断具有良好的一致性。判断矩阵的一般形式：若相对t k 元素下一层各元素 r l ，r 2 r n 按照1 - 9 的标度进行两两比较，即可得出对于t k 的判断矩阵。判断矩 阵必然具有下述性质【3 7 】： 1 a i i 0 ，a j i = 一，a 甜= l ( 3 1 ) 。 a i j 当元素间的两两比较判断具有传递性时，则有： a i j = 口政口移( f ，k = l ，2 ，z ) ( 3 2 ) 公式成立则称该判断矩阵为一致性矩阵，在a h p 中，判断矩阵通常为不一致性矩阵。 判断矩阵的通用标度定义如表3 - 2 3 3 】： 表3 - 2 判断矩阵标度表 标度定义 1 3 5 7 9 2 、4 、6 、8 倒数 i 要素与j 要素具有同等重要性 i 要素比j 要素稍微重要 i 要素比i 要素明显重要 i 要素比i 要素强烈重要 i 要素比i 要素极端重要 上述相邻判断的中间值 i 要素与j 要素比较得到判断值a i i ，a “= 二后者比前者的 重要性标度 9 3 ) 备选元素的权重的计算1 ：a h p 应用的关键是计算特征根k 和其对应的特征向 量的计算，层次分析法有2 种常用的方法来计算得到特征根k 和其对应特征向量 形，即：和积法、方根法。 所谓特征值是指：设a 为一n 阶矩阵，五是一个数，w 是一n 阶列向量，如果a w = 入w 存在非零解向量，则称入为a 的一个特征值。a w = 入w 可改写为( 入i a ) w = o ，其中，i 为一 n 阶单位矩阵。 所谓特征根是指：设a 为r l 阶矩阵，含有未知量入的矩阵( 入i - a ) 称为a 的特征矩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 阵，其行列式阻，一a i 为入的n 次多项式，称为a 的特征多项式，i a ，一a l = 0 称为a 的特 征方程。入是矩阵的一个特征值，则其最大特征根丸。，= ，l ，其余特征根均为零。 若a 是a h p 对应于准则f h n 的一致性判断矩阵时，他的对应于最大特征根九。= , 的 特征向量w = ( 形，暇，形t ，就是受准则r m 支配的元素对于准则r m 的排序权向量。 因此，通过分析建立递阶层次结构，构成判断矩阵，就可以应用求解判断矩阵的最 大特征根及其相应的特征向量的方法，来确定相应各种法案、政策、措施对于上一层次 某准则的相对重要性排序权值。 4 ) 判断矩阵的最大特征根的计算： ，z k = 壹i = l 盟n 形i 仔3 ) 式中，( a 形1 为向量a w 的第i 个分量。 5 ) 一致性检验：在两两比较时，比较判断的不一致性难以避免，这就需要估计和 控制不一致程度。为此u - i p 要求在计算结束后进行一致性验证，以确认计算结果是否合 理。如果通过检验，结果合理可用；如果超出范围，结果没有任何指导意义【3 7 】。 r i 在层次分析法中是一个很重要的参数，它可以表征判断一致性的程度，r i 是由 足够多个根据随机发生的判断矩阵计算出来的一致性指标的平均值。n 为判断矩阵的阶 数。那么常用的1 - 1 0 阶矩阵的r i 取值见表3 - 3 ： 表3 - 3 随机一致性r i 取值 c r 是判断矩阵的一致性特征参数，通常c r 越小，判断矩阵的一致性越好，通常认 为当c r 0 1 时，判断矩阵具有满意的一致性。它的计算公式如下【3 7 】： c r = c i r i 0 1 ( 3 - 4 ) 6 ) 组合权重的计算：设在需要分析的对象中有目标层t 、准则层r 、措施层p 构成 的计算模型，目标层t 对准则层r 的相对权重计算式子为： 面o = ( 彬 ，呢 1 ) r ( 3 - 5 ) 由上面的公式我们可以进一步推算出各准则对措施层的权重数值为： w “= ( 嘭，他，他他) r 1 = 1 ，2 ，后 ( 3 6 ) 那么对于目标而言，其数值是通过权重丙1 和两但( ，：1 ，2 ，k ) 的组合和计算 而最终得到的，它们的整个详细计算过程可以用表格进行，详见表3 4 3 3 1 。 这是我们计算出的v 2 = ( 巧谨，匕旺圪娌) 7 为措施层的各个相对权重1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 表3 - 4 权重计算 。壕 因素及权重 蜀，恐，r组合权重y ( 2 p 层 “，“，嵫n p l 形l 晓，2 他，彬1 吨 t ( 1 ) p 2 l 姑，2 他，t 他 垆= 彤，伫 j = 1 ：； 七 ( 1 ) 一j 但 已呢l 他，呢2 他，化，= l i ( 1 ) n 但) 一j 。j 哪 j = l 总之，a h p 主要是应用在不确定情况下及具有多个评估因素的决策问题上，其目的 是将复杂问题系统化、简单化，从不同的层面给与层级分解，并透过量化的判断觅得脉 络后加以综合评估，给决策者提供合适方案的充分信息，同时减少决策者错误的风险。 本文利用a h p 对数据进行处理，手工算工作量大且容易出错，因此本文采用目前较 流行的a h p 计算软件y a a h p0 5 1 来进行计算和分析。y a a h p0 5 1 是层次分析决策支 持软件，由国内人员开发，支持中文，是很不错的层次分析软件。借着计算机快捷的计 算速度，大大地减少决策过程的计算量，从而提高了分析的效率。 3 4 问题分析 电动葫芦的模块划分应该充分考虑其系统特性，因此首先应对系统做全面的分析。 对电动葫芦进行模块划分时，需要考虑的因素很多，不能单一的从某一方面来对系统进 行模块划分，因为一个机械系统内部的连接很多，在系统内部零件和零件、零件和部件 间都存在着一定的关系本文研究的的问题是关于c x t 系列电动葫芦的模块划分，因此首 先要予以考虑的目标是“划分模块。 3 4 1 确定准则层 模块划分时，我们要充分地对系统进行分析和分解，首先要考虑的是模块划分的合 理性，下面这些就是我们要遵守的原则，即该模块准则层