[發明專利]一種面向綠色再制造的重型機床模塊劃分方法有效
| 申請號： | 201711358719.2 | 申請日： | 2017-12-17 |
| 公開（公告）號： | CN108090280B | 公開（公告）日： | 2021-07-23 |
| 發明（設計）人： | 程強;郭一良;劉志峰;李偉碩;趙永勝 | 申請（專利權）人： | 北京工業大學 |
| 主分類號： | G06F30/17 | 分類號： | G06F30/17;G06K9/62 |
| 代理公司： | 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203 | 代理人： | 沈波 |
| 地址： | 100124 *** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 面向 綠色 制造 重型 機床 模塊 劃分 方法 | ||
1.一種面向綠色再制造的重型機床模塊劃分方法，其特征在于：該方法的實現過程如下，
步驟一 建立重型機床設計參數的再制造相關性設計結構矩陣
根據公理設計理論基本原理，將重型機床設計參數之間的關系以矩陣的形式表示；通過對設計矩陣量化分析及重型機床的實際結構建立起重型機床設計參數的相關性矩陣；
步驟1.1機床結構
建立重型龍門銑床的三維結構模型；
步驟1.2建立面向再生域的設計參數再制造相關性設計結構矩陣
步驟1.2.1基于公理設計的結構域與再生域分解
應用公理設計提供的設計框架，采用“之”字形層級映射，從功能域開始，逐層建立結構域和再生域之間的層次結構，并以公式(1)的形式描述設計參數與再制造過程之間的關系：
DP＝[A]RP (1)
式中n、m分別表示設計參數和與之對應的再制造工藝的個數；設計矩陣A中的元素Aij以二進制的形“X”和“0”描述了設計參數和再制造過程的關系；初步得到的設計矩陣只是表示設計參數和再制造工藝之間有無對應關系，并無具體數值，這樣的設計矩陣包含的信息太少，為了更清晰地描述設計參數和再生工藝參數之間的對應關系，因此需要對其進行量化；
步驟1.2.2一種基于雙向模糊層次分析法的設計矩陣量化方法
(1)以設計參數為基準構造判斷矩陣，評價相關再制造過程對設計參數的貢獻；
針對以上判斷矩陣，應滿足以下關系，i為判斷矩陣的行標，j為判斷矩陣的列標；
且i＝j；
且i≠j；
為判斷矩陣標度，判斷矩陣標度取1時，元素i與元素j重要度相當；判斷矩陣標度取3時，元素i比元素j重要；判斷矩陣標度取5時，元素i與元素j相比極為重要；判斷矩陣標度取2、4時取中間值；
(2)計算(1)得到的矩陣特征值和對應的特征向量，通過一致性檢驗后，對最大特征值對應的特征向量進行標準化處理，得到權重向量，將各個權重向量按行排列得到權重矩陣Wx；
(3)以再制造過程為基準構造比較矩陣，其中的元素取值方式同評價設計參數受到相關再制造過程的影響；
以任意再制造過程RPs為基準的比較矩陣
(4)計算步驟(3)得到的矩陣特征值和對應的特征向量，通過一致性檢驗后，對最大特征值對應的特征向量進行標準化處理，得到權重向量，將各個權重向量按列排列得到權重矩陣Wy；
(5)Wx和Wy分別從兩個角度對設計矩陣進行了量化，計算Wx和Wy的幾何平均值得到全面的設計矩陣的量化結果；
(6)將設計矩陣的對角線元素設為1，其余填入0，與經過量化的結果同時填入設計矩陣中，得到將整個量化的設計矩陣；
步驟1.2.3量化后設計矩陣轉換為設計結構矩陣
現采用模糊數學里的數量積方法對量化后的設計矩陣進行構造，其過程如式(2)所示
其中,為設計參數i和設計參數j面向再制造的相關度，由此得到重型機床設計參數基于再制造工藝的設計結構矩陣DSMRP；
步驟1.3建立重型機床設計參數的結構相關性設計結構矩陣
在面向再制造的過程中，考慮設計參數間裝卸的難易程度，以滿足客戶拆卸、維修以及更換機床相關部件的需要，提高使用效率；同時，設計參數間存在嚴格的位置關系，具有形位相關性；此外，設計參數間的功能交互通常以物料、能量、信息物理相關形式表現；歸納起來，設計參數之間的結構相關性分為裝配相關性、形位相關性和裝配相關性；
裝配相關性是構成特定模塊的零部件之間在空間、幾何關系上的物理聯接、緊固、尺寸、配合關系；指零部件之間在裝配過程中采用焊接、粘合、鉚接聯接方法將它們結合在一起而形成的一種關系；
形位相關性指零部件在特定幾何要素之間在垂直度、平行度方面存在的嚴格要求的一種位置關系；設計參數形位相關性的評價準則如下：當同軸度、平行度、垂直度具有嚴格的形位關系，相關度取1.0；當與固定零部件具有形位關系，相關度取0.2～0.8；當無形位關系約束，相關度取0；
物理相關性是指零部件之間存在著能量流、信息流或是物料流的傳遞物理關系；其中，能量流是指零部件之間所傳遞的驅動力、扭矩、動力、電流或液壓力；信息流是零部件傳遞的光、電信息的傳遞；物料流是指零部件間傳遞的物料、工件；設計參數物理相關性準則及賦值如下：當兩零部件存在能量流，相關度取1；當兩零部件存在信息流，相關度取0.6～0.8；當兩零部件存在物料流，相關度取0.2～0.4；當兩部件無物理相關系，相關度取0；對重型機床設計參數之間存在的裝配關系、形位關系和物理關系進行分析，并制定設計參數裝配相關性、形位相關性和物理相關性的評價準則，根據相關性準則，建立重型機床設計參數的裝配相關性DSMAssy，形位相關性DSMgeo以及物理相關性DSMphy，那么重型機床設計參數的結構相關性DSMstr由下式獲得；
DSMstr＝wAssyDSMAssy+wgeoDSMgeo+wphyDSMphy (3)
其中，wAssy、wgeo和wphy分別表示裝配相關性形位相關性和物理相關性的權重，根據層次分析法確定；重要度判斷矩陣如下所示；
步驟1.4設計參數的總相關性DSM
DSMRP和DSMstr分別從再制造過程和結構的角度表達了重型機床設計參數之間的相關性；在這一階段，設計參數之間的總相關度定義如下：
DSMcor＝WstrDSMstr+wRpDSMRP (4)
式中wstr和wRP分別表示結構相關度和再制造相關度在總相關度中的不同權重值，具體同樣根據層次分析法確定；
步驟二 建立重型機床設計參數的再制造工藝相似性設計結構矩陣
步驟2.1建立重型機床每個設計參數對應的再制造工藝路線串
假設重型機床設計參數和再制造工藝路線對應的關聯矩陣為T，矩陣內元素為T(i，j)，i∈I,j∈J，其中I為重型機床中設計參數集合，J為再制造工藝環節集合，矩陣中的每個元素T(i,j)通過布爾值{0,1}表示重型機床設計參數的再制造工藝路線是否包含對應的工藝環節，這樣建立起與每個設計參數對應的再制造工藝路線串；
步驟2.2建立重型機床設計參數的再制造工藝相似性設計結構矩陣
通過重型機床設計參數與再制造工藝路線串的對應關聯矩陣，建立再制造工藝路線的不同設計參數之間的相似性設計結構矩陣DSMsim，其矩陣中元素DSMsim(i，j)根據相似元數值方法由下式(5)確定
式中k，l是重型機床設計參數i與j的再制造工藝路線串中工藝的數目；n是兩個設計參數相似的工藝數目；sij是第j個相似工藝的相似特征值比例系數，在0～1之間取值；wj是第j個相似工藝的權重系數，通過層次分析法確定，且0wj1,∑wj＝1；
步驟三 建立重型機床設計參數的總交互性設計結構矩陣
至此得到重型機床設計參數的相關性設計結構矩陣和再制造工藝的相似性設計結構矩陣，假定基于公理設計的域間層級分解，產品共有n個底層設計參數，則相關性設計結構矩陣和相似性設計結構矩陣均為n×n維矩陣；
模塊是由許多與模塊之外其它零部件之間具有最小相關度和相似性的零部件組成；對于模塊劃分，相關性和相似性具有相同的偏好屬性，為了得到更合理的分析結果，采用偏好聚集法對兩個指標進行聚集
式中，DSMint全面反映了設計參數之間的交互關系值；wcor、wsim分別表示相關性和相似性的不同權重值；μ是補償水平的標準，μ取值越大，表明對其中一個屬性指標具有越大的偏好；dcor、dsim分別是待聚類的相關性和相似性值；各權重由上述的層次分析法確定；
步驟四 基于原子學說的模塊聚類
模塊聚類是一個復雜的、影響因素眾多的綜合優化過程；基于原子學說的聚類算法將為本發明解決重型龍門機床面向再制造的模塊劃分問題；運用原子理論，將重型龍門機床中的模塊模擬為原子，將設計參數之間具有多個交互性的設計參數定義為帶正電荷的原子核，與其具有交互性的設計參數定義為帶負電荷的電子；計算各設計參數所帶的電荷量，建立設計參數之間的距離矩陣；如式(7)所示，得到重型機床設計參數之間的庫侖力矩陣，提取庫侖力矩陣中每一行的最大值，建立最大庫侖力矩陣，它表示一個電子和一個原子核之間的最大吸引力，通過把具有相同最大庫侖力的設計參數劃分在一起就形成產品的模塊；
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