[发明专利]一种面向绿色再制造的重型机床模块划分方法

权利要求书

1.一种面向绿色再制造的重型机床模块划分方法，其特征在于：该方法的实现过程如下，

步骤一 建立重型机床设计参数的再制造相关性设计结构矩阵

根据公理设计理论基本原理，将重型机床设计参数之间的关系以矩阵的形式表示；通过对设计矩阵量化分析及重型机床的实际结构建立起重型机床设计参数的相关性矩阵；

步骤1.1机床结构

建立重型龙门铣床的三维结构模型；

步骤1.2建立面向再生域的设计参数再制造相关性设计结构矩阵

步骤1.2.1基于公理设计的结构域与再生域分解

应用公理设计提供的设计框架，采用“之”字形层级映射，从功能域开始，逐层建立结构域和再生域之间的层次结构，并以公式(1)的形式描述设计参数与再制造过程之间的关系：

DP＝[A]RP (1)

式中n、m分别表示设计参数和与之对应的再制造工艺的个数；设计矩阵A中的元素A_ij以二进制的形“X”和“0”描述了设计参数和再制造过程的关系；初步得到的设计矩阵只是表示设计参数和再制造工艺之间有无对应关系，并无具体数值，这样的设计矩阵包含的信息太少，为了更清晰地描述设计参数和再生工艺参数之间的对应关系，因此需要对其进行量化；

步骤1.2.2一种基于双向模糊层次分析法的设计矩阵量化方法

(1)以设计参数为基准构造判断矩阵，评价相关再制造过程对设计参数的贡献；

针对以上判断矩阵，应满足以下关系，i为判断矩阵的行标，j为判断矩阵的列标；

且i＝j；

且i≠j；

为判断矩阵标度，判断矩阵标度取1时，元素i与元素j重要度相当；判断矩阵标度取3时，元素i比元素j重要；判断矩阵标度取5时，元素i与元素j相比极为重要；判断矩阵标度取2、4时取中间值；

(2)计算(1)得到的矩阵特征值和对应的特征向量，通过一致性检验后，对最大特征值对应的特征向量进行标准化处理，得到权重向量，将各个权重向量按行排列得到权重矩阵W_x；

(3)以再制造过程为基准构造比较矩阵，其中的元素取值方式同评价设计参数受到相关再制造过程的影响；

以任意再制造过程RP_s为基准的比较矩阵

(4)计算步骤(3)得到的矩阵特征值和对应的特征向量，通过一致性检验后，对最大特征值对应的特征向量进行标准化处理，得到权重向量，将各个权重向量按列排列得到权重矩阵W_y；

(5)W_x和W_y分别从两个角度对设计矩阵进行了量化，计算W_x和W_y的几何平均值得到全面的设计矩阵的量化结果；

(6)将设计矩阵的对角线元素设为1，其余填入0，与经过量化的结果同时填入设计矩阵中，得到将整个量化的设计矩阵；

步骤1.2.3量化后设计矩阵转换为设计结构矩阵

现采用模糊数学里的数量积方法对量化后的设计矩阵进行构造，其过程如式(2)所示

其中,为设计参数i和设计参数j面向再制造的相关度，由此得到重型机床设计参数基于再制造工艺的设计结构矩阵DSM_RP；

步骤1.3建立重型机床设计参数的结构相关性设计结构矩阵

在面向再制造的过程中，考虑设计参数间装卸的难易程度，以满足客户拆卸、维修以及更换机床相关部件的需要，提高使用效率；同时，设计参数间存在严格的位置关系，具有形位相关性；此外，设计参数间的功能交互通常以物料、能量、信息物理相关形式表现；归纳起来，设计参数之间的结构相关性分为装配相关性、形位相关性和装配相关性；

装配相关性是构成特定模块的零部件之间在空间、几何关系上的物理联接、紧固、尺寸、配合关系；指零部件之间在装配过程中采用焊接、粘合、铆接联接方法将它们结合在一起而形成的一种关系；

形位相关性指零部件在特定几何要素之间在垂直度、平行度方面存在的严格要求的一种位置关系；设计参数形位相关性的评价准则如下：当同轴度、平行度、垂直度具有严格的形位关系，相关度取1.0；当与固定零部件具有形位关系，相关度取0.2～0.8；当无形位关系约束，相关度取0；

物理相关性是指零部件之间存在着能量流、信息流或是物料流的传递物理关系；其中，能量流是指零部件之间所传递的驱动力、扭矩、动力、电流或液压力；信息流是零部件传递的光、电信息的传递；物料流是指零部件间传递的物料、工件；设计参数物理相关性准则及赋值如下：当两零部件存在能量流，相关度取1；当两零部件存在信息流，相关度取0.6～0.8；当两零部件存在物料流，相关度取0.2～0.4；当两部件无物理相关系，相关度取0；对重型机床设计参数之间存在的装配关系、形位关系和物理关系进行分析，并制定设计参数装配相关性、形位相关性和物理相关性的评价准则，根据相关性准则，建立重型机床设计参数的装配相关性DSM_Assy，形位相关性DSM_geo以及物理相关性DSM_phy，那么重型机床设计参数的结构相关性DSM_str由下式获得；

DSM_str＝wA_ssyDSM_Assy+w_geoDSM_geo+w_phyDSM_phy (3)

其中，w_Assy、w_geo和w_phy分别表示装配相关性形位相关性和物理相关性的权重，根据层次分析法确定；重要度判断矩阵如下所示；

步骤1.4设计参数的总相关性DSM

DSM_RP和DSM_str分别从再制造过程和结构的角度表达了重型机床设计参数之间的相关性；在这一阶段，设计参数之间的总相关度定义如下：

DSM_cor＝W_strDSM_str+w_RpDSM_RP (4)

式中w_str和w_RP分别表示结构相关度和再制造相关度在总相关度中的不同权重值，具体同样根据层次分析法确定；

步骤二 建立重型机床设计参数的再制造工艺相似性设计结构矩阵

步骤2.1建立重型机床每个设计参数对应的再制造工艺路线串

假设重型机床设计参数和再制造工艺路线对应的关联矩阵为T，矩阵内元素为T(i，j)，i∈I,j∈J，其中I为重型机床中设计参数集合，J为再制造工艺环节集合，矩阵中的每个元素T(i,j)通过布尔值{0,1}表示重型机床设计参数的再制造工艺路线是否包含对应的工艺环节，这样建立起与每个设计参数对应的再制造工艺路线串；

步骤2.2建立重型机床设计参数的再制造工艺相似性设计结构矩阵

通过重型机床设计参数与再制造工艺路线串的对应关联矩阵，建立再制造工艺路线的不同设计参数之间的相似性设计结构矩阵DSM_sim，其矩阵中元素DSM_sim(i，j)根据相似元数值方法由下式(5)确定

式中k，l是重型机床设计参数i与j的再制造工艺路线串中工艺的数目；n是两个设计参数相似的工艺数目；s_ij是第j个相似工艺的相似特征值比例系数，在0～1之间取值；w_j是第j个相似工艺的权重系数，通过层次分析法确定，且0w_j1,∑w_j＝1；

步骤三 建立重型机床设计参数的总交互性设计结构矩阵

至此得到重型机床设计参数的相关性设计结构矩阵和再制造工艺的相似性设计结构矩阵，假定基于公理设计的域间层级分解，产品共有n个底层设计参数，则相关性设计结构矩阵和相似性设计结构矩阵均为n×n维矩阵；

模块是由许多与模块之外其它零部件之间具有最小相关度和相似性的零部件组成；对于模块划分，相关性和相似性具有相同的偏好属性，为了得到更合理的分析结果，采用偏好聚集法对两个指标进行聚集

式中，DSM_int全面反映了设计参数之间的交互关系值；w_cor、w_sim分别表示相关性和相似性的不同权重值；μ是补偿水平的标准，μ取值越大，表明对其中一个属性指标具有越大的偏好；d_cor、d_sim分别是待聚类的相关性和相似性值；各权重由上述的层次分析法确定；

步骤四 基于原子学说的模块聚类

模块聚类是一个复杂的、影响因素众多的综合优化过程；基于原子学说的聚类算法将为本发明解决重型龙门机床面向再制造的模块划分问题；运用原子理论，将重型龙门机床中的模块模拟为原子，将设计参数之间具有多个交互性的设计参数定义为带正电荷的原子核，与其具有交互性的设计参数定义为带负电荷的电子；计算各设计参数所带的电荷量，建立设计参数之间的距离矩阵；如式(7)所示，得到重型机床设计参数之间的库仑力矩阵，提取库仑力矩阵中每一行的最大值，建立最大库仑力矩阵，它表示一个电子和一个原子核之间的最大吸引力，通过把具有相同最大库仑力的设计参数划分在一起就形成产品的模块；