毕业设计（论文）汽车制造面向大规模定制的产品设计方法分析（加翻译） .doc

天津工程师范学院2009届本科生毕业论文1 绪论1.1研究背景和目的、意义1.1.1研究背景随着信息技术、制造技术的迅速发展和世界市场由相对封闭到日益开放的转变，现代汽车制造企业的竞争环境发生了巨大的变化，主要表现在产品生命周期缩短、客户需求多样化和个性化、交货期缩短、多品种小批量的生产比例增大和市场的动态多变等方面。国外汽车制造业随着竞争环境的变化正逐步采用大规模定制生产，汽车制造业的大规模定制生产时代正在到来。汽车企业从过去的预测型生产向按订单生产方式转变，在提高质量、满足用户定制化要求的同时千方百计降低汽车成本。这种制造模式重大转变的背景主要是:(l)汽车市场己是买方市场，用户需求变化加快，企业间的竞争日益激烈。(2)用户需求多样化和个性化已是一种普遍的趋势，导致市场的多样化和细化。(3)技术更新换代速度加快，产品生命周期缩短。(4)制造的全球化，使零部件生产企业迅速发展，为整车厂的定制生产提供了价廉物美的零部件。(5)计算机及网络技术的发展，使企业与用户的交流、企业与企业的合作更加便捷。专用车品种多、批量小和变化快，从用户需求角度讲是一种个性化产品。近些年来，随着人们对环保、安全、效率和审美等方面要求的不断提高，专用车的个性化特点越来越明显1 。为了满足用户日益增长的个性化的需求，选择合适的设计和制造方式以使专用车设计效率和效益最大化显得越来越重要。 1.1.2研究目的面对激烈的市场竞争，用户对产品需求趋向多样化和个性化，制造企业必须利用有限的资源，为市场提供大量的和多样化的变异产品，以满足不同的市场需求。为满足这种多样化的市场需求，同时又能缩短产品开发周期、降低开发及生产成本，很多国内外企业和学者对先进制造哲理进行了研究8 。大规模定制生产就是在这样的环境下产生的，它将表面上看似相互矛盾的观点组合起来，既具有大规模生产的高效率和低成本，又能像单件生产那样满足顾客定制需求。文章的研究目的是将大规模定制的概念和专用车设计有机的结合起来，根据项目委托企业的要求和现代设计制造技术的发展趋势，使得专用车设计满足用户日益增长的个性化需求的同时能提高企业的经济效益，以最快的速度和最好的质量进行专用车总体布置设计和主要零部件的设计。1.1.3研究意义本文的研究意义在于:通过本课题的研究，对专用车设计的生产模式从传统设计方式向现代设计方式转变进行理论探索和初步实践，为面向大规模定制的专用车设计方法的研究及其实现提供参考，解决企业的tqcse问题，即以最快的上市速度t(time to market)、最好的质量q(quality)、最低的成本c(cost)、最好的服务s(service)及最清洁的环境e(environment)来满足顾客的个性化需求和社会可持续发展的要求，提高在加入wto后我国专用车生产企业的竞争力。在此基础上，开发出面向大规模定制的专用车参数化设计系统，为专用车的设计提供有力的工具，并产生良好的经济效益和社会效益。1.2国内外大规模定制模式的现状.1.2.1国内外学术界的研究现状大规模定制生产概念的产生，可以向前追溯到20世纪80年代15 。1980年，美国著名的未来学家阿尔温托夫勒(a. toffler)出版了著名的著作第三次浪潮，首次提出了一种理想化的生产系统，称之为“非大量化”，意即这种生产系统能满足客户个性化的需求4 。该观点引起了许多读者特别是企业经营管理者和学者的广泛关注。1987年，美国著名教授戴维斯(s，davis)写了未来完美的震荡(the future shock perfect)一书，书中提到了托夫勒的观点和概念，并对其进行了更具体的发展，并命名为“mass customization”15 ，即大规模定制。1993年，约瑟夫派恩二世(joseph pine ii)对大规模定制的内容进行了完整的描述:大规模定制生产方式是一种面向客户个性化和竞争全球化而产生的新型生产方式，通过产品结构和制造过程的重组，运用现代信息技术、新材料技术和柔性制造技术等一系列高新技术，把产品的定制生产问题全部或部分转化为批量生产，以大规模的生产成本和速度，为单个客户或小批量多品种市场定制任意数量的产品，并与d.m.andserson合作论述了为大规模定制生产开发敏捷产品的问题。在国内，“十五863”现代集成制造主题也列出了这方面的研究课题20 。浙江大学祁国宁教授、顾新建教授，大连理工大学刘晓冰教授，中国科学院韩永生研究员等许多专家和学者结合中国国情对大规模定制的理论和实施应用等方面进行了大量有成效的研究7 。有关文献对大规模定制的实施方法进行了分析研究13 ，文献18 分析总结了西方企业在从产品设计、制造、装配、供应以及销售服务等产品不同生命周期阶段实现大规模定制的基本方法。从学术界的研究上看，对大规模定制生产模式的研究可以分为两个部分:研究大规模定制下产品设计开发技术与产品建模理论和大规模定制生产的企业组织与运作管理，这两个部分是相辅相成的。一方面对面向大规模定制的产品设计开发技术的研究是生产组织运作的基础，因为企业生产组织的核心就是企业的产品，如何设计出适于大规模定制的产品结构并实现产品模型合理表达，是大规模定制应首先考虑的问题;另一方面，如何进行产品的开发过程的组织以及产品的生产运作是实现大规模定制的重要手段，设计方法学的理论和交付客户的定制产品都要通过先进制造理论支持的环境来实现。1.2.2企业的研究与实施现状除了学术界进行大规模定制的研究外，有关企业也进行了这方面的尝试25 ，很多国际著名的大公司，通过大规模定制生产模式为客户定制产品，获得了巨大的竞争优势31 ，面向大规模定制模式的采用已成为现代企业生产模式的主流。(1)戴尔公司戴尔公司采用了大规模定制生产模式，是个人计算机制造行业的楷模。戴尔公司成品库存为零，只生产定制产品。客户可以通过拨打800免费电话或登录公司的网页，提出机器配置并经确认之后，供应商会在一小时之内将配件送到戴尔公司，公司在24小时内将定制产品装上车，送货上门，并负责安装调试。戴尔公司通过采用大规模定制模式，使其在个人计算机市场中的份额上升到第二位，销售额从1988年的159亿美元猛增到1998年的180亿美元。(2)摩托罗拉在80年代，摩托罗拉采纳了待续改善的思想，使废品率降到了3.4%，而当日本的竞争对手仍在仿效摩托罗拉的做法增强竞争力的时候，摩托罗拉公司则通过大规模定制，再次在竞争中占据了领先地拉。摩托罗拉公司开发了一个几乎全自动的制造系统，这使销售代表用便携式计算机签下定单的一个半小时之内，工厂就可以制造出2900万种不同组合的寻呼机中的任何一种，这增强了摩托罗拉的竞争实力，使摩托罗拉成为美国唯一的寻呼机制造商，占有全世界市场份额的40%以上。(3)波音公司波音公司的737系列从早期的737-100发展到737-800，其中737-100为基本型，其他型号的机身加长或者缩短，或采用更先进的发动机和电子设备，使得不同型号的737客机航程和载客量各不相同，以满足不同用户的需求。如加长型737-400，载客量为156人;缩短型737-500，载客量为108人;而737-800为最近开发的型号，采用了最新技术。不同型号客机虽性能各异，但零部件绝大部分相同，可利用相同设备加工装配，因而提高了生产效率，降低了生产成本。目前波音737系列的产量己近4000架，成为目前世界上最大的喷气客机产品族，波音公司的这一作法取得了巨大成功。(4)微软公司另一个范例是微软公司的城ndows95/98系列的开发。windows95最初是主要针对美国市场的英文界面，在此基础上针对世界各国不同用户，微软公司又推出了不同语言版本的windows95产品，占据了不同的细分市场;在wnidows95的基础上，微软公司进一步开发了windows98和windowsz000系列，同样取得了巨大的成功。另外还有许多其它的世界知名企业在这方面进行了有效的工作，比如生产牛仔裤的李维斯、日本的松下自行车公司。目前，国外许多公司正在更新设备，转变管理模式，实现生产和管理的数字化，进一步改善大规模定制的基本条件。据有关资料统计，目前美国和欧洲的大公司中有70%在按这种生产方式重新经营和规划其生产系统。在国内，北京第一机床厂、石家庄天同拖拉机厂39 、海尔集团26 等也在采用不同的方式实施大规模定制生产，并且取得了初步的成效。总的来看，国内在这方面的研究尚处于初始阶段，除了前述少数著名企业外，大多数企业对它还不了解。可以说，即使当前一些较为具有成果性的基于典型企业实施大规模定制(mc-mass customization)的案例研究，大多数只是提出了一些企业思想或方法层次上的探讨，很少触及到企业实施时在设计、制造与管理方面的具体措施或策略；国外汽车制造业正在从大规模生产向大规模定制生产转变，汽车制造业的新时代大规模定制生产时代正在到来，但国内对把大规模定制的思想运用于汽车制造业还处于起步阶段，文献14 仅从宏观上分析汽车制造业如何实施大规模定制，尚没有文献系统分析如何把大规模定制运用于专用车设计。现阶段只是从使用用途上对专用车进行分类，而面向产品族的专用车分类和参数提取设计还是处于零阶段，更没有相关的手段和工具。1.3小结本文紧密结合大规模定制模式和专用车设计的特点并根据项目合作企业的具体要求开展研究，主要内容包括:(1)面向大规模定制的产品设计方法分析；(2)专用车设计与大规模定制的关系分析；(3)将大规模定制模式应用于专用车设计中的具体方法研究；(4)面向大规模定制的专用车产品平台与模块化关系问题；(5)专用车模块化设计的方法问题；(6)面向大规模定制的专用车模块化设计中存在的问题和解决方法。2 面向大规模定制的产品设计方法分析2.1引言随着产品生命周期的缩短和用户个性化需求的不断增长，传统的大规模生产模式己经无法满足现代化竞争的需要，新的生产模式的诞生与发展成为社会和工业发展的必然。大规模定制生产是制造业发展的必然趋势，是未来生产的主要模式，不同于以往大规模生产，大规模定制主要解决生产的高效率、低成本和客户定制需求个性化之间的矛盾。大规模定制涵盖了产品的订购、开发、设计、制造、销售、交付与使用的全生命过程，其面临的最大挑战是成本与速度。大规模定制要求所设计的产品具有种类多、可快速变型和零部件规范的特点，而传统面向大规模生产的设计方法远远不能适应这种要求。由于产品设计决定着产品最终的性能、可靠性、可维护性与环保性，而且研究表明产品成本的60%-80%是由设计阶段决定的，因此，大规模定制重点要解决的问题是面向大规模定制设计(dfmc，design for mass customization)，要实现面向大规模定制的专用车设计，必须首先对大规模定制设计的思想、方法和具体内容进行充分的分析。2.2大规模定制模式和面向大规模定制的设计2.2.1大规模定制模式的内涵大规模定制是企业使用现代技术和管理手段实现对每个顾客的个性化定制，而其成本和时间同大规模生产产品一致的一种生产模式。这种生产模式是在系统思想指导下，用整体优化的观点，通过充分挖掘企业的潜力，在标准化技术、现代设计方法学、并行工程、计算机技术和可重组制造系统等技术和思想的支持下，最终实现根据客户的特殊定制需求以大规模生产的效率和效益提供定制产品的过程。它把大规模生产和定制生产这两种生产模式的优势有机的结合起来，同时它也体现了从顾客出发思考企业问题的一种思维方式。大规模定制生产企业通过在同一条生产线上生产出多种产品的方法达到满足不同客户所提出的产品性能和质量要求，并且保证产品的成本低且设计生产速度快。大规模定制生产模式的思想认为产品成本、产品利润、竞争能力的主要因素是开发和生产该产品所需知识的价值，而不是材料、设备或劳动力。能够迅速把知识融进产品、转变为利润是成功实现大规模定制生产模式的关键，大规模定制的企业是面向订单的，它将先进制造技术、动态联盟的组织管理思想与高素质的员工全面集成。这种能满足顾客的真正需求而又不牺牲效益和成本的新的生产方式目前得到了较快的发展，并作为一种有效的竞争手段逐渐被企业所采纳。如图2-1“大规模定制综合了大规模生产和定制生产”所示，大规模定制生产综合了大规模生产低成本的优点和定制生产满足客户个性化、多样化需求的优点，具体表现在:(1)使企业的产品是客户真正所需要的产品。大规模定制生产能使客户得到自真正 图2-1大规模定制综合了大规模生产和定制生产优点己想要的产品，并且具有吸引力的价格，从而为企业产品找到新的市场;由于有更高的销售额、更广阔市场、更好质量和低成本，企业效益将得到显著提高。(2)使企业生产能适应市场的快速变化。大规模定制生产具有很高的柔性，主要由市场驱动，而不仅仅是由预测驱动。(3)缩短了交货期。由于充分利用了企业的资源，并且采用模块化的方法，缩短了产品的交货期。(4)有利于生产成本的降低。可以实现零成品库存，减少了积压产品所造成的资金损失。(5)有利于过程和产品的连续改善。大规模定制生产是客户导向型的生产模式，客户不断的新需求，导致企业不断对其过程和产品进行改善，在这种外在压力下，企业由此不断得到完善，其竞争能力越来越强。(6)有利于企业的生存和发展。在美国，钢铁制造业中增长最快的、利润最大的部门，不再是积聚了大量员工、长期生产钢锭的工厂，而是那些生产特殊钢材的部门，因为这些部门能够向客户提供个性化产品。定制生产企业之所以可获利，一方面因为客户愿意高价购买那些准确地满足它们需要的商品和服务，另一方面是因为高价值产业不易被高产量产业竞争者轻易复制。(7)提高了企业的经济效益。由于定制满足客户的个性需求增加了成本，但是客户愿意多出钱，所以使得产品的利润上升。2.2.2面向大规模定制设计的内涵任何生产模式都需要设计方法的支持，大规模定制设计就是支持大规模定制生产的产品设计方法，是解决大规模定制生产过程中成本与速度这两个核心问题的有效手段。大规模定制设计是在现有设计方法的基础上发展而来，它继承了大规模产的设计中先进的方法如并行设计虚拟设计模块化设计标准化规范化等，又对一些不符合大规模生产要求的设计方法在流程和具体做法上加以改进和提高，形成了一种符合新范式要求的新型设计方法。根据大规模定制生产的特点，其产品设计可以分成新产品开发和变型产品设计两个循环，产品配置设计是大规模定制生产中产品快速变型设计阶段的重要设计方法，它在充分利用按大规模定制设计方法设计产生的定制资源的基础上，为销售人员定义客户的个性化需求提供选择，为客户展示产品和提供产品的价格。面向大规模定制设计的核心是建立产品族体系。产品族体系为设计部门和销售部门特征化用户需求提供了基础，其方法是系统化的模块配置，实现产品设计能力的柔性。大规模定制设计采用并行流程围绕产品族进行设计，建立合理的产品族模型来有效满足客户定制需求，是大规模定制设计的关键。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段进行整体概念设计的同时考虑范围经济性和规模经济性;其重点为建立合理的产族结构，同时完成一组产品的设计而不是单个产品。为了有效的实现大规模定制，设计就要捕捉并定义个体客户对产品的需求，设计必须从传统的设计制造集成扩展到销售和服务等部门，面 向大规模定制设计 图2-2“设计流程领域扩展图在设计领域和产品族方面的扩展参见图2-2“设计流程领域扩展图”。为了通过设计达到大规模定制的目标，设计流程需要在以下几方面进行改进:(l)产品开发与快速设计分离。产品开发阶段对企业的客户群进行定位，分析己经拥有的客户需求并预测未来的客户需求，建立相应产品族结构，形成完善的变型机制。而快速设计阶段在产品开发阶段的基础上，以产品配制器为主要工具，结合定制设计，快速实现随时到来的客户需求。(2)工作流程并行。并行工程是缩短产品设计周期，提高竞争力的一种方法，它通过并行产品设计和制造等领域活动来缩短产品开发时间。为提高设计速度，大规模定制设计需要并行工作模式，并使其成为大规模定制设计流程的重要一环，而并行范围进一步扩展到产品的销售和服务领域，成为产品生命周期的并行。(3)加强流程间的合作。产品族结构不能满足客户需求时，就需要进行定制设计，流程间的合作有利于尽快产生设计思想。企业如果存在不同的产品族，在产品族的开发阶段应加强流程之间的合作，在产品的模块划分和零部件设计中取得一致，尽量采用相同的设计成果，促进设计成果重用，增加可同时制造的零件数量，形成规模经济性。产品进行功能分析，划分并设计一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场的不同需求。随着市场需求变化的加快和先进制造技术的发展，模块化设计具有能够缩短产品开发周期、快速响应市场变化、有利于产品的维修、升级和再利用、方便企业和产品的重组、相对延长产品生命周期、促进设计重用和节省设计成本等优点，己经成为大规模定制的重要方法。提取产品模块是实现大规模定制设计的关键，因为从顾客角度看，模块化设计能够定制自己的特定需求;从企业角度看，使用这些规划好的、或已经标准化且易于变型的零部件模块进行组装，就容易实现成本的降低和速度的提高。从以上的分析不难看出，模块化设计具有如下意义:(l)产品的模块化能够减少产品设计时间，降低产品设计成本，同时模块分离可以使企业在同一时间内制造各个模块，从而缩短产品的交货期。(2)产品的模块化能够使新产品的质量得到了充分保证。设计新产品时，尽量直接采用以往使用的具有成熟技术的模块，或者在原有模块上进行变型设计，各部门可以专注于特定模块的设计和制造，因此能有效的提高产品质量。(3)产品的模块化设计能够满足用户的多样化需求。产品由不同模块组成，用户的个性化需求可以通过不同模块的组合得到。不过，模块划分的大小要十分注意，过细或过粗的粒度划分都会影响大规模定制的效率，要具体产品具体分析。2.3大成组技术大规模定制生产通过扩大产品中标准件和通用件的比例，降低产品中定制件的比例来提高速度，并降低成本。而成组技术是充分利用产品和制造过程中的相似性，将不同产品中相似的零部件，或对零件中部分结构信息归类处理，形成“成组批量”，从而取得规模效益。因此，实施大规模定制生产中，成组技术将发挥重要的作用。大成组技术将传统的成组技术和最新的网络技术相结合，通过自组织和分布式的发展模式，在大范围内实施成组技术，显著扩大相似件的成组范围，使现有的信息资源和制造资源有序化，并能被充分再利用，支持企业高速度、高质量和低成本地制造出客户满意的产品。大成组技术中的关键问题包括:基于网络的可扩展和维护，面向全国的和开放的产品信息分类编码系统;开放式，分布化的设计信息资源库;具有柔性结构的特征语义编码方法;产品参考模型的构建;基于网络的分散信息的集成和分散企业的协调控制等。2.4产品族设计大规模定制生产是一种先进的制造哲理，需要有先进的产品设计方法支持。这种环境下的产品设计不再是针对单一的产品进行，而是在产品的概念设计阶段就考虑一组产品的设计即产品族(product family)设计，在满足客户个性化需求的同时，实现生产规模的规模经济性，以达到低成本、高效率的目的。产品族设计的基本思想是开展“平台战略”，它旨在利用一个通用、成熟的产品平台(platform)通过匹配功能、色彩和性能等不同的定制模块，以最短的开发周期和最低的成本，向市场提供不同系列的产品，以满足不同客户群的需求。如图2-3所示：产品组 图2-3产品族设计流程设计流程。产品族设计是制造企业快速开发产品和降低成本，实现大规模定制生产的有效途径，已广泛被汽车、家电和计算机等生产企业所采用，并取得了良好的经济效益和社会效益。2.5并行设计并行工程的主要组成部分是并行设计，并行工程在某种意义上可以称作产品的并行设计。并行设计是一种面向产品开发过程的新设计模式和系统方法，以缩短产品开发周期、降低成本和提高质量为目标，把先进的管理思想和先进的自动化技术结合起来，采用集成化和并行化的思想设计产品及其相关过程。传统的串行设计是按阶段顺序进行工作的，一个阶段工作完成后，下一个阶段的工作才开始，各个阶段依次排列。这个设计方法的缺点是:设计时间长、满足不了市场变化的需求;经常的设计修改，增加了产品设计生产费用;在设计后期发现错误越晚，代价越高。并行设计要求在产品开发的早期就充分考虑产品生命周期中相关环节的影响，特别注重产品早期阶段的并行协调。并行设计追求的目标是最终产品由完善的设计而确定，其方法通过在设计阶段对后续生产制造等阶段的需求尽可能地综合、平衡考虑而使最终产品的设计能够达到企业的经营目标。因此，为了保证大规模定制生产的良好实施和其经济性要求，要充分利用并行设计方法，从设计到制造的各个阶段着手降低产品设计开发以及修改维护的成本，从根本上保证定制产品的低成本要求。2.6虚拟产品开发虚拟产品开发是在真实产品尚未制造出来之前，借助于cadc/ae/cam和多媒体等高新技术利用计算机实现虚拟产品的设计和制造包括虚拟产品的造型设计、色彩、光照效应、材质的纹理甚至运动学和动力学仿真。虚拟产品开发使人们不仅可以从不同的角度观察到未来产品的外观、结构，还可以看到它运动的情况并进行功能和性能分析。利用三维建模技术，设计产品内部的各个零部件，并可虚拟装配过程和拆卸过程。通过cae技术，对虚拟产品进行性能分析。利用cam技术则可模拟虚拟产品的加工过程等。虚拟产品开发是用数字方式确定工作任务，再用数字方式在各部门、各地区以及公司的合作者之间进行任务分派。在虚拟开发环境中的产品实际上是一种数字模型，可以使大家同时在同一个产品模型上工作，对它进行观察、分析、通信和即时更新。这就要求做到实时采集信息，将这些信息分配给参加新产品开发过程的每个人或传送到各个场所。虚拟产品和过程模型及其各种迭代模型在整个产品开发过程中不断地循环使用，并使用相关的应用规程。总之，通过虚拟产品开发技术使顾客在产品制造之前就能充分地了解所需产品的外观、结构、性能、可加工性、价格和交货期等。若客户有不满意之处，可实时地修改，最大限度地满足顾客需求、保证产品质量和降低产品成本。由于该方法具有速度快、成本低、效果直观、操作方便等诸多优点，己经成为大规模定制生产的重要产品设计方法。2.7后延技术后延设计是大规模定制设计的重点技术，它为增加产品种类，提高客户满意度和制造效率而提出的一种设计方法。制造过程可分为多个阶段，每阶段需要不同的零部件，提高早期阶段零件的通用性，在后期阶段进行定型，可以减轻供应链负担，降低生产成本，这里的通用性质不同的产品使用同一组件。采用产品变型后延概念的设计方法称为后延设计，如图24所示：产品结构的后延与不后延，后延设计对零件进行分析，将零件分解为几个零件的装配组合，以增强通用性。后延设计的基本方法是在对零件进行分析的基础上，将某些复杂零件分解为几个零件的装配组合，从而增强零件的重用性。图2-4（a）产品结构不后延（b）产品结构后延2.8产品配置设计产品配置是实现大规模客户化生产模式下变型设计的手段，它在前面提到的产品族动态产品模型的基础上，根据产品工程特征目标值对产品模型进行变型，通过参数化cad系统向客户展示定制产品，并提供报价，如果客户满意，产品配置系统可以生成可供制造的产品模型;否则产品配置系统向设计人员提供最接近客户需求的实例，使定制设计有较高的起点，缩短工作时间。为此，产品配置对产品建模提出如下要求:进行配置的基本构件应具备相应的参数化数字模型;基本构件之间的几何约束、物理约束已经得到保证;基本构件如果发生变型，应该给出其影响链，即哪些基本构件受到影响，影响到哪些参数。为了有效地实现产品配置，在产品开发时，应该考虑并满足产品配置对产品模块提出的要求。产品配置不单纯是一种设计方法，它的实现需要相应数据管理软件、参数化cad软件的支持:产品配置本身并不能实现大规模定制，它为产品模型的变型和客户需求之间建立了联系。大规模定制的真正实现还是依赖于产品族的设计及产品模块的划分。3 专用车设计与大规模定制的关系分析3.1国专用车设计生产现状3.1.1专用汽车的地位和作用专用车是装置有专用设备、具备专用功能、用于承担专门运输或专项作业任务以及具有其它专项用途的汽车。随着高等级公路的快速建设，公路货运和客运的数量和质量要求正在不断变化，运输工具的专业化己成为必然趋势。另外，随着科技进步，一些以前靠人工完成的工作都逐步由专用车来完成，以减少人的劳动强度，提高工作效率，这些都促进了专用汽车的迅速发展。专用汽车在汽车工业中的地位和作用十分重要，它所产生的经济效益不只是限于专用车设计制造本身，而且还集中表现在汽车流通和使用的全过程中，促进了汽车运输业及相关行业的发展。另一方面，由于社会的不断进步，人们对专用汽车的工作效率、经济性以及各种功能和性能的要求也越来越高，同时诸如建筑、石油和环保等行业的不断进步也促进了专用汽车的不断发展。专用汽车的研制、生产和应用不仅在实现门到门的专用化运输和作业方面受到社会的广泛重视和欢迎，而且在大幅度地提高运输效率、降低运输成本、扩大汽车的应用领域等方面都发挥着重要的作用:(1)专用汽车作业能有效地提高汽车运输效率和降低作业成本。(2)专用汽车作业能减少人的劳动强度，保证人身安全，降低人工操作的危险，如水泥泵车、修钻井车和其它排险专用车辆在这方面均有突出的作用。(3)汽车运输的专业化，减少运输途中的货损和货差，提高运输的安全性，同时减少了污染，保护了环境。(4)汽车工业的发展促进了专用车辆的发展，同时专用汽车的发展扩大了汽车的应用领域，增加了汽车的工业产出，与汽车工业共同进步。(5)专用汽车的发展促进了建筑、环保和水利电力等其它行业的发展，为国民经济带来巨大的经济效益。3.1.2专用汽车的发展及现状全球专用汽车生产量较大，大多数商用车为专用汽车，而基型货车产量所占比重较少。全球(特别是发达国家)高速公路发展很快，铁路运输逐渐萎缩，专用车成了运输及各种特殊用途的主力车种。近几年来国外专用车生产朝着大型化方向发展，特别是专用半挂车和专用运输车的功率越来越大、车速越来越高、性能也越来越完善。例如，国外新开发出双层厢式运货车(货柜车)，车内分两层，中间隔层可上下移动，装满一层后上升至货厢中间，可再装另一层;国外开发的冷藏车的顶盖可以左右移动，便于装卸。据国内有关资料统计，目前国内专用车品种已达1550多个，已占商用车产量的20%-25%。1998年我国生产各种专用车(含自卸车、牵引车)1.222万辆，而到了2002年我国生产专用车35.20万辆，4年间增长了1.88倍，平均每年递增303%。专用车中自卸车、半挂车、起重汽车是产量比较大的品种，专用汽车近年来发展最快的品种是车辆运输车，1998-2002年平均每年递增421.6%;其次是混凝土搅拌车，同期平均每年递增223.2%;起重汽车，同期平均每年递增45.6%;半挂车同期平均每年递增44.1%。近几年我国专用车产量和增长情况详见表3-1近几年我国主要专用汽车品牌产量，目前，各种专用车辆新品种还在不断增加，日本及欧美等国生产的各类专用车辆品种近千种。表31近几年我国主要专用汽车品牌产量 单位：辆车型分类2002年2001年1998年合计生产量改装量合计生产量改装量合计生产量改装量自卸车172617558821167351047764369161085872482927157977半挂汽车6093720511404263642089852743514820165211868起重汽车102338169417419404194227302273混凝土搅拌机65048064242025120242620262加油车（储式）5348453443123031232343442299集装箱运输车525405254471904719277702777运沙车51621551474129150397928871412746保温车35640356423710237119431311812车辆运输车31600316010360103610010散装水泥车3134203114186501865116301163运油车（罐式）279202790119401194102501025垃圾自卸车266928264119350193518930193清扫车、救水车211021208917058416218650865冷藏车185301853112101121192801928消防罐车1776851691171731714119201192救护、计生车176596879749435813646389374邮政运输车160510315021928177175125743362238液化气罐车11420114286308637580758吸污车7173668151305136410641公安用车56325256336513223377268704注：半挂汽车列车中含各种半挂车（包括一些企业用半挂牵引车盘改装成的半挂牵引车，同时配装本厂的半挂车），生产量为厂家直接生产的专用车，但不含专用车底盘。3.1.3专用车设计的特点和要求专用汽车与普通汽车的区别是改装了具有专用功能的上装部分，能完成某些特殊的运输和作业功能。因此在设计上，除了要满足基本型汽车的性能要求外，还要满足用户定制的专用功能要求，这就形成了其自身特点。专用汽车设计的特点和要求可概括为:(l)专用汽车产品具有多品种、少批量特点。因此专用汽车设计多采用在定型的基型汽车底盘(二类底盘、三类底盘)上进行改装设计。所以设计者要了解、掌握国内外汽车产品的生产情况及其有关资料，根据要设计的专用汽车功能和性能指标等要求，即可在功率匹配、驱动方式、外形尺寸、传动方式以及结构布置特点等方面进行选优和比较，从而确定选用某种基本型汽车底盘作为专用汽车改装设计的基础。对于不能直接采用二类底盘(或三类底盘)进行改装的专用车，也尽量选用定型的总成和部件(包括专用装置)进行设计，以缩短产品开发的周期和提高产品的可靠性。(2)专用汽车设计主要以保证获得优异的、用户提出的专用功能为主要目标，并同时考虑汽车基本性能的发挥。在必要时，将适当降低一些汽车底盘的性能指标，以满足实现某种专用功能的要求。专用汽车设计的主要工作在于总体设计和专用装置的设计(或选型)。选择好改装设计的汽车底盘，选择(或设计)好专用装置，以达到理想的匹配和合理布置。(3)针对专用汽车服务广和产品品种多和批量少的特点，专用汽车设计应考虑产品的系列化，即根据用户的特殊需要而能较方便的做出变型。与此同时对专用汽车零部件的设计尽量标准化和通用化，即最大限度地选用标准件，或选用定型产品的通用零部件，最大限度地减少自制件。(4)基于专用汽车小批量(有时可能是单件生产)生产的特点，专用汽车设计中，某些自制件的设计，应遵循单件或小批生产工艺，设计时应更多的考虑通用设备加工的可能性。(5)对专用汽车工作装置中的某些核心部件和总成，如各种水泵、油泵、气泵、空压机及各种阀等，要从专业厂家中选优。因专用汽车专项作业性能的好坏，主要决定于这些部件的性能和可靠性。(6)在普通汽车底盘上改装的专用汽车，底盘受载情况可能与原设计不同，因此要对一些重要的总成结构件进行强度校核。(7)专用汽车应满足有关车辆交通安全法规的要求，对于某些特种车辆，譬如油田修井车、矿用自卸车、重型半挂车、机场宽体客车等等，则作为特定的作业环境的特种车辆来处理。(8)某些专用汽车可能会在很恶劣的环境下工作，其使用条件复杂，要了解和掌握国家及行业相应的规范和标准，使专用汽车有良好的适应性，工作可靠，且要设安全性装置。综上所述，专用汽车的设计有自身的特点和要求，专用汽车设计既要考虑到作为汽车设计的要求，更要以获得优异的专用性能为主要目的。要使汽车底盘与专用装置合理匹配，构成一个理想的整体，使汽车的基本性能和专用功能都得以充分发挥。由于专用汽车品种繁多、结构复杂、使用面广和开发期短等情况，对专用汽车设计人员有更高的要求，既要具备汽车设计的知识和能力，同时要掌握相应专用设备的基本知识。此外专用汽车设计人员还需要对用户的要求，市场动向有充分的了解，这样设计的产品才能在技术性能上先进，在市场上适销对路，在使用上满足用户要求。目前我国专用汽车行业的技术力量还比较薄弱，专用汽车的开发设计能力和技术水平还不高，大多数工厂的设计工作还处于“经验设计”阶段。专用汽车行业的工厂绝多数是中、小企业。汽车设计技术近几十年来已有了飞跃发展，为了加速专用汽车的设计水平，必须加速计算机辅助设计的应用。3.2面向大规模定制的专用车设计作用3.2.1解决企业otces问题我国专用车企业在面对国内外的激励竞争的同时生产出满足客户的定制需求专用车产品，必须要解决企业的tqcse问题，即最快的上市速度t(time to market)、最好的质量q(quality)t、最低的成本c(cost)、最好的服务s(service)及最清洁的环境e(environment)，由于面向大规模定制设计本身是最有利于解决企业tqcse问题的现代设计方法，那么将其应用于专用车设计，形成面向大规模定制的专用车设计方法有利于解决我国专用汽车生产企业的同类问题，提高企业的竞争力，获得最大的经济效益和社会效益。(l)一般来讲，专用汽车是满足客户定制需求的产品，因此，满足用户定制需求的专用车产品上市速度要快才能及时占领市场份额，提高竞争力。而面向大规模定制的专用车设计方法正是基于满足用户专用需求即定制而发展的，因此，它能保证专用车产品在满足用户需求的条件下以最快的速度上市。(2)专用车用途很多，许多车辆还要从事恶劣环境下工作甚至危险的工作，因此必须有过硬的质量，否则会出现意想不到的损失，而且会失去市场竞争。所以专用车企业在保证上市速度快的同时还要考虑最优质量，否则即使一时占领了市场最终也会被淘汰出局。仅仅为了快速上市和满足用户需求而通过临时拼凑方式是很难保证产品质量的，由于面向大规模定制的设计方法具有大规模生产的许多优点，而大规模生产又有许多保证产品质量的特点，因此结合了大规模生产模式和定制生产模式的面向大规模定制专用车设计可以满足上市速度的情况下充分保证产品的质量。(3)专用车生产的批量小，客户定制性能特殊，因而成本高，而且附加值也高。因此，满足客户定制要求的同时降低成本，不仅可以降低价格获得市场竞争优势，并且使企业获得高附加值，与薄利多销是相反的。面向大规模定制设计中的产品族设计、并行设计、产品配置设计和参数化设计都具有降低产品成本的良好作用。(4)一般汽车车辆(如轿车)在大中城市都有45服务店，45店采用四位一体的方式容易实现客户服务，但是一般专用车辆没有45服务店，所以加强专用车辆的服务对于满足客户需求，抢占市场份额非常重要。专用车的服务与轿车相比，专用性更强，技术含量更好，面向大规模定制设计是一种面向客户需求的生产模式，因此对于，“服务”来说它不仅能满足客户对售后服务的技术需求，更重要的是通过服务可以获取客户的各种信息和要求，分析潜在的用户群和新的专用车应用领域，为面向大规模定制的专用车设计开发提供最上游和最终端的数据资料。(5)由于现在对环保、高效和节能等的要求越来越高，专用汽车业也向着专业化、集约化、高效化、环保化等方向发展，交通部也提出逐步淘汰现有的普通敞篷货车，实现货物无裸露运输，所以专用汽车要以最清洁的环境来满足用户定制需求和社会对环保的需求。由于面向大规模定制的专用车设计是面向专用车产品的全生命周期的，因而包括最终废弃在内的生命周期中各个环节的环保问题都会得以妥善的解决。综上所述，面向大规模定制专用车设计可以通过解决专用车企业的tqcse问题，来满足顾客不同的定制需求和社会可持续发展的要求，提高了在加入wto后我国专用车生产厂家的竞争力。3.2.2面向大规模定制专用车设计的经济性一般来讲，用户对于定制性强、需求量小的产品愿意出的单价比较高;而对购买量大的通用产品愿意付出的单价比较低。基于专用汽车的批量小、价格高和定制要求高等特点，采用面向大规模定制的专用车设计通过范围经济性使得企业获得更高的经济效益。如果能以客户愿意付出的最高单价出售可以用较低成本生产的产品，产品的附加值将会获得最大，企业获得最大利润。图3-2大规模定制的经济型描述了面向大规模定制的经济性问题。图中的横坐标是生产规模，从左向右生产规模逐渐增大，纵坐标是产品单价，从下向上价格逐渐增加。曲线a是客户愿支付价格，它表明了客户愿意付出的愿望，但需要购买量小的时候，他愿意付出的产品单价较高，随着购买的数量的增加，他愿意付出的产品单价越来越低。曲线b描述了大规模生产成本与生产量之间的关系，曲线走向表明产量越大成本越低。曲线和曲线b有一个交点g，交点的左边表明大规模生产的产量过小，因而产品成本高于客户愿意付出的单价，在这个区域在从事大规模生产企业将会亏损;在g点的右边客户愿意支付的产品单价高于成本，企业从事大规模生产就会盈利，产量越大盈利越大，s区域表明的大规模生产的盈利区间，这就是所谓的规模效益，对我国轿车生产而言，通常所说的30万辆产生规模经济就是这个含义。图3-2大规模定制的经济性对于传统的专用车设计生产来说，一般产量低且生产成本高，虽然客户愿意出比较高的价格，但是盈利甚少。如果以采用大规模定制模式进行产品设计和开发，以曲线c所描述的价格生产客户定制的产品，即使在批量很小的左端(如图3-2所示)也可以获得很大利润，即图中的区域p。所以面向大规模定制的专用车设计为提高效益、满足需求提供了广阔的空间。当然要完全做到以曲线c所描述的低成本，最有效地实现面向大规模定制的专用车设计生产不是一件容易的事情，因为它是一个系统工程，需要各个方面各行业甚至长期的努力，但是不能仅仅等待和期望它会自动实现，因此，对面向大规模定制的专用车设计的研究是必须的和及时的。4 大规模定制模式应用于专用车设计中的具体方法研究4.1面向大规模定制的专用车设计的基本方法实现面向大规模定制的专用车设计方法很多，包括标准化及规范化设计、产品族设计、模块化设计、并行设计、虚拟产品设计和产品配置设计等方法，4.1.1标准化和规范化设计方法标准化和规范化在汽车大规模生产模式中早已得到广泛应用，也就是汽车设计要求的“三化”之一。面向大规模定制的专用车设计就是在此基础上进一步加强产品的标准化和规范化，如图41面向大规模定制的专用车设计效果所示，左边表示大规模生产产品中各种零件的比例，右边表示大规模定制产品中各种零件的比例，从图中可以看出面向大规模定制的专用车设计需要扩大专用车产品中标准零件或模块比例，零部件的设计尽量标准化和规范化，即最大限度地选用标准件，或选用定型产品的通用零部件及总成(如选择二类底盘)，最大限度地减少自制定制件。同时，把专用车零件中相似的进行合并和分解规范使用频率较低的零件从而减少零件的数量提高设计速度。当然要实现专用车的零部件及总成的标准化和规范化还需要基车厂和零部件厂的共同努力。 图4-1面向大规模定制的专用车设计效果 4.1.2产品族设计方法前面对专用车分类的分析可以看出，专用车分类有面向功能的、面向管理的。和面向结构的。从面向大规模定制的专用车设计特点来看，专用车产品的产品族设计应主要针对功能结构进行分类。从前面的专用车设计特点和要求分析看，专用车的生产绝大多数是在二类底盘上进行改装，部分特殊产品需要专用底盘，因此，专用车的产品族设计要在有效的利用现有分类方法的基础上进行扩展。本文认为专用车的产品族设计主要包括两个子族，底盘族和专用置族，如图42专用车产品族结构所示。当然要实现专用车产品族完善的设计需要大量的调查研究和统计工作，需要各个部门和行业的协调，不过对于某具体专用汽车企业来说可以根据自己的产品特点设计满足本企业需要的产品族，必要时可通过复制、重用、影射和变换等方法逐步加以完善。图4-2专用车产品族结构4.1.3模块化设计方法模块化设计是实现面向大规模定制专用车设计的重要方法。模块化设计将专用车分成不同功能的模块，按照客户定制需求通过模块的选择和组合构成专用车产品，如厢式车总体设计可以分成底盘总成、发动机总成和厢体总成等功能模块。专用车模块化设计可满足面向大规模定制的缩短产品开发周期，快速响应市场变化的要求，还可以减少专用车产品的设计时间，降低设计成本，缩短产品的交货期，从而提高设计生产效率，提高企业的市场竞争力。就目前专用车设计来看，模块化设计关键点在于各模块之间的接口问题，模块接口设计也需要标准化和规范化。目前汽车中与电子和自动控制有关的部分零部件已经实现了模块设计的标准接口，相应的部件只要通过标准接口进行简单的插接就可以实现功能的扩展。当然对于专用车的专用机械装置全部实现模块化的标准接口实施起来困难较大，但是理论上是可行的，比较简单的装置也是可以实现的。4.1.4并行设计方法专用车并行设计是以专用车产品开发为中心面向整个专用车产品生命周期的设计方法，它是在现代计算机技术、网络技术和通信技术等的基础上发展起来的，需要先进的cad系统支持。面向大规模定制的专用车并行设计过程，如图43面向大规模定制的专用车并行设计过程所示，从图中可以看出并行设计把专用车产品开发分为许多阶段，如需求分析、方案设计和工程设计等，每个阶段都有自己的时间段，组成整个专用车并行设计的全过程。某些阶段在时间段上有一部分是重叠的，方案论证属于需求分析和方案设计两个阶段的重叠，设计反馈属于需求分析，方案设计，技术设计和施工设