（载运工具运用工程专业论文）基于公理设计理论的fms优化配置研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 赫于公理致计理论的f m s 优化月a 置研究 摘要 粱性制造系统是自动化制造系统的一种，适应当前多品种、中小批量 生产、裹柔戆等纛求泌特点，对佥蛰挺毒裂逑巧节豹效率移黍瞧，逡应持 续多交的市场竞争环境具有蕊要意义。但是，柔性制造系统组成复杂、建 设髑期长，投资费用瘫，扶疆使系统的援划没计显褥雾零重要。在系统设 计的初期阶段，寻求f m s 在运行性麓和技术要求前掇下的最小投资方案是 学术爨秘工稷界必须解决的嘲题。多年来，许多学豢提出了缀多方法，这 些方法根据不同的原理，从不同的角腹实施f m s 的规划设计活动。但由于 缺乏统一的理论框架以及求勰的问题本身所其有的禽度复杂性和耦合性， 从而根难进行踟s 这一复杂系统的综合性研究。 公理设计俸先瑰代设毒卡趱论兹重器方法之一，为系绞设诗提供了一个 基于逻辑和理性思维的过程及工具，使得f m s 优化配嚣这样复杂问题有了 薮的辩学的熬决途径。 本学位论文试图以公理设计理论为指导思想，建立f m s 优化配鬣的公 理纯竣诗藩系，著对荚捷内容予鞋深入磅究，撬纯聚餐各秘决策交爨，戈 其是优化配置柔性制造系统的装备，从而提商f m s 设计的质最和效懿。 本文在详缭综述公理设 帮关毽论浚及黼瘫挢研究瑷状的基础上，提 出了蕊于公理设计的f m s 优化配置决策过程，运用独立性公理对f m s 目 标透露分层分菸，傈诞决策变量不藕合，迸掰构建逡f 繇s 镜像配置梃絮； 研究了f m s 优化配置目标体暴及信息公理模型，并给出了模型中信息量的 计算公式；禽缓了裂蠲公理纯凌诗方法开发瑟囊对象瓣f s 後健瑟嚣袄终 系统的思路和过程；确定了软件系统的组成模块和软件的设计流程图。 在论文翁述肉容豹基穑，开发了基于信息公理模型静掰s 优纯配置 原型系统；并通过一个实例验证了该系统在工程实际应用中的效用。最后 对全文戆磅炎工捧逶行了恿缭帮展望。 关键谰：柔毪剑遥系绫，谨髓：酝置，公理设计，狻立瞧公瑾，薅塞公疆 北京交通大学硕士学位论文基于公理设计理论的f m s 优化配嚣碍f 究 a b s t r a c 虐 f 1 e x j b l e m 锄u f a c l u r i n gs y s t e n l( f m s ) i s o n ek i n do fa u t o m a t i c m 矬# f 8 c l 疆遗gs y s 圭e mw 殛t h ee 氧a f 毪穰钾o f 纛l g 轰e 爨c i e n q a 挂埝氇娟。巍a 珏d n e x i b i l i t y ，w h i c hh a sg r e a ts i g n m c a n c ef o rt | l em a i l u f a c t u t i n gi n d u s t r i e st o i m p f o v e 也出e e 至c 主e 赫c 冀曩e x i 醚玲莲珏dt 。往c 童s w 蝴ya c c o 妇i 鸳l o 囊e c h a l l g e 曲l em a r k e tc o m p e t i n gc i r c u m s t a n c e h o w e v e r t h ef m sh a sc o m p l e x c o n s t i t u t i 傩，a n d t a k e s m u c h l 溉$ a 越m o 珏c y t ob e b u 王l t 两u sa g o 酣p 1 8 鞋粕莲 d e s i 踯o ff m s i sv i t a lt o “sb u i l d i n gu p d u f i n gt h ei n i t i a ls t a g e so fd e s i 肛i n 舀 s e e “髓gl h em 撅i n l a li n v e s t m 髓ls c h e m eo nt l l e n d i t i o 娃o fm e e t i n go p e 鞭t i o 珏 p e d 碗m a i l c c 撇dt e c h n o l o 舀c1 1 ；q u i e m e n t si sa l li n t r a c t a b l ep m b l e mt h a ts h o u l d b es o l v 耐i na c a d e m ya i l di n d l l s 虹yf i e l d f o fm a l l yy e a f si nt h ep a s t m a n y s c h o l a r sh a v ep u tf o 州a r dal o to fm e t h o d st oi m p l e m e n tt h ef m sp k m n 矗塌a n d d e s i 辨i n go n 撒e b a s i so fd i 虢r e n t 州n d p l e sa n do u to fd i 娌c r e n tp o i n t so fv i e w h o w e v e f w i t h o 珏t h eg i l i d eo fa nh n t c d 酝o f y 粕di 挺e 重fb e i n gv e r yc o m p l e x a n dc o u p l e dt ob es o l v e d ，t h ei m e 掣a t e dr e s e a r c ho ff m so f t e nc a m et oa d e a d o c k 弧o n eo fi m p o r t a n lm e 也o d sf b rt h em o d e md e s i g n 壤e 删e s ，a x i o m a t i c d e s i g ne s t a b l i s h e sas c i e n 石f i cb 踮i sf o rs y s t c ：md e s i g n 魏i l dt oi m p r o v ed e s i 印 a c t i “t i e sb yp r 0 v i d i n gt h ed e s i g n e rw i t hat h e o f e t i c a lf o u n d a t i o nb a s e do l ll o 出c a n dr 8 专主o n a l 璩o u 垂tp f o c c s s e sa n dt o 瞒s 弧e 地c o f y 蕊i 曲tp r 0 v i d e 矗n c w a p p r o a c ht os o l v ct h ec o m p l e x1 ) r o b l e mo ff m s0 p t i m a l n f j g u r a “o n s 。 g u i d c db yt l l e o r yo fa x i o m a t i c 如s i 印t h c o 彤t h i sd i s s 酬a t j o nt r i e st o e s t a b l i s ha x i o m a t i cd e s i 韶a 触i t e c t u r eo ff m so p t i m a lo o n 矗g l l r a t i o n sa 玎d l u c u b t a t e sb yp r o b l e m s ，o p t i m i z e s 铂ed e c i s i o n - m a k i n gv 盯i a b i e ss u c ha s e q u i p m e tc 0 脯g u r a t i o n so ff m s ，t h e ni m p r 0 v e st h eq u a l i t ya n de f ! f i c i e n c yo f d e s i g n a 襄e fd e 蜮l 瞳锑m m a 珏z a t l 髑o f 糯l 舔i v ep l 证e i 垡e so f 拣i o | 珏a t i c 如s i 擎 a 日di t sf c s e a r c hp r o g r e s sa th o m ea n d 曲m a d ，t l l i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st t l e 1 白s 枉a 畦 d e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s so ff m sc o n 逮；l l 碍t i o n s b a s c do na x i 蛳a t i cd e s i 印 u s i n gt h ei n d e p e n d e ta x i o m ，t h ef m so p t i m a lt a r g e t sa r cd e c o m p o s c di l l t o d e l 黜i n a 垃o n s ，w h i c hf e s u 王ti nf e l e a s i n gf r o mm e u p l i n g 地l a t i o n s h i pa m o n g 氆ev 崩a b l e s 醺程。c 主s 主。珏哪鑫赫糙，氇鞋氇e i a | 麓e 。f 粼s 印l i 眦le 嘲甄掰 a l i 髓 i se s t a b l i s h e dt ol a yaf o u n d a t i o nf o rs e a r c h i n gt h eo p t i m a ls o l u t i o n 1 t a r g c t a r c h i t c c t u r eo ff m si ss t u d i e da n dt l l em o d e lb a s e do ni n f o r m a t i o n i s 然t 两l i 巍e d ，墩ee a l 嘲a l 幻鬈幻l 越珏l a e i 矬凡魏a | o bi n 搬e 琢o d e li s a l s o d e t e 腑i n e d 。u n gt h ep 蠢n c 主p l e0 fa x i o m a t i cd e s i g n ，斑e 壤i n 妊n ga n dp m c e s s o f d w e l o p i l l go b j e c to r i c n t e d8 0 f 细a r cs y s t e n if o rf m so p t i m a lc 0 f i g u r a t i o n si s i n d u c e d 飘l em o d e lc o n s 娃t u t e so fs o 黼a f es y s t c m ，a n dm en a wc h a r 耄 s o 曩w a 玲d e 蟪辩i s 蠲矗l y z e d 黼d 群e s e b l o 莲， a f t c rt h es t u d i e sa n da n a l y s i sm e i n i o n e da b o v ed o t a i l e d l y ，a n 龇t e t y p e s o f 脚a r cs y s 协mo ff m s 划j g 啪t i o n sb a s e do ni 埘- o r m a t i o na x i o mi s 氐￥e l e p 舔，舔娃矬躔娃l p l o sf e s e n 耋e d 搬s h o w 氇ee 耋l c o f 辩叠w a 遐s y s 把m b e i l l gu dt oe n 西n e e r i n gp r a c t i c e f i n a l l 弘c o n c l u s i o n so fa l lr e s e a r c he 矮o n si n t h ed i s s c n a t i o na r ed r a w a n d 触h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n sp r o s p o c t e d k e y l i i ，o r d s ： r e x i b l em 跏枷嘲n gs y s t c m ( 1 硼s ) ，o p t i m a lc o f j g u r a t i o n ， a x i 。瑶a t i cd e s i g n ，l 珏d 。p 鞠文辩a x 主。薹珏，轴热f m 酿i o 拄a x o m 1 v 北京交通大学硕士学位皓文 撼十公理设计理论的f m s 优化酗置研究 第一章绪论 1 1 柔性制造系统及其性能特点 1 1 1 概述 麓着科学技术的飞速发展，社会需求嗣趋多样化，形成越界经济的全 球化、知识他和信息他，市场竞争愈涤愈激烈。为了敏捷地响应市场变化， 面向客户订货的多品种、小批量生产将是2 l1 馥纪的主导生产模式。相应地， 制造业正向着自动化、智能化、柔性化、高速化、精密化和宠人化等方向 发展，产生了很多新韵翻造模式和帚嘲 系统，例如计冀枫集成制造( a m s ) 、 敏捷制造( a m ) 、智能制造( i m ) 、精良生产( 凹) 、及时生产( j 1 1 r ) 、并 行工程( c e ) 柔睦翻造( f 赫s ) 等，这些裁逡模式和系统对提高产晶质量 和生产率，缩短产品设计及制造周期，降低生产成本，提高念业的竞争能 力吴鸯重大静作瘸。遮2 0 年寒涮遥螽麓纯技术褥蜀投浃静发最，成为瑰代 制造技术必不可少的组成部分【l ，2 捌。 粱性制造系统( f l e 盖m l em 姗蠡聪l 埘n gs y s t 锄，f m s ) 跫蠢动化制造系 统的一种，适应多品种、中小批量生产、高柔性、离效率等篱求特点，对 企整提高翻造环节的效率和柔性，适应持续多变的市场竞争环境具有重要 意义，近年来f m s 在制造业中得到推广和应用。典型的柔性制造系统见图 1 1 黢示疆。 图 1 典型瀚柔性靠l 筑系统 第一章缝论 1 1 2f m s 的一般概念及性麓特煮 f m s 的静刚者是美国m a a ir o s e 公司，它于1 9 6 3 年制造了馓界上第 一条螽王多静紧涵援_ 芏佟戆数控鑫动线。1 9 6 7 霉荚嚣l i n s 公司公东“系 统2 4 ”( m o l i n ss y s t 锄- 2 4 ) ，用计算机分散控制加工设铸，每天工作2 4 小时， 使f m s 的思想正式形成【5 l 。 柔性裁遗系统滏无统一定义，一些醒家，葚至蠢鹣公司对柔魏巷l 逢系 统作出如下定义f 6 l ： 美国国家标准局( u n i t e d s t a t e s n a t i o n a l b u f e a u o f s t a n d a r d ) ：出一个传 羧系统联系越来鹣一些设冬。传竣装置撼工程：敦在嚣焘或其毽连接装置上 遴到各匆珏工设餐，使工锌鸯珏工准确、逐速和自动。中央计算机控制机床和 传输系统，柔性制造系统肖时可以加工几种不同的工件。 美国嚣家邀子擒工学会工业控制分会( n a t i 越联e 雌i c a lm a n u f a 娃衄凇 触s o c i a t i o 珏赫翻s t f i a lc ( m 拓o l sd i v i s i o 氇u 蟠t c ds 纽t e ) ：渠性靠l 造系统是一个 四个或更多的机器设备，具有完全的集成的物料传输，通过计算机或可编 程控制器控制。 蘑际生产工程磅究协会( 趣e 鞴a t i 潍畦l n s t i 纯t 妇lf o r d h 娃i o 珏 e n 西n e e 血g 舭s c a r c h ，c m p ) ：柔性制造生产系统是一个自动化的曼i 三产制造 系统，在很少人的干预下，能够生产任何范围的产晶族，系统的黎性通常 受刭系统竣诗避瑟考虑戆产品族隈涮。 前苏联( u s s r ) ：柔性制造系统是一个计算枫化的设备系统，该系统 可以随机地、实时地、按擞地按照装配部门的要求生产它能力范围内的任 德工磐，费臻相当手丈量擞产或更低。 在我国商关标准中，f m s 被定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、 物流贮运装鬣和计算机控制系统组成的自动化制造漾统，它包括多个柔性 铡造单元，熊缀豢到造任务或生产环境黪变纯迅速送行调整，遥瘸子多品 种、中小抵鬣生产眺。 f m s 涉及的领域包括数控机床、电子技： 芒、液厩传动、机器人技术、 j ! 塞彗盔主堡! ：耋篁堡苎茎篓垒型壁盐堡鎏塑! 盟! 垡些蝥篓坚塞 控制披术、计黪枫技术及系统工程等【4 l ，是一秘集多秘囊薮技本予一体躲瑷 代制造系统。 柔瞧铡遥系统怠禽三个蘩本茨缝袋藩分：热工系统、戆浚系统鞠诗募 机控制的信息流系统，在此基础上，可以根据具体需求选择不同的辅助工 具，魏缓 孛站、监控工终站、溅量工俸站等，笋鹾s 梭袋框图翅图l 一2 掰示。 其中，加工系统是f m s 的主体部分。 萄l 龙磁s 豹组成槿黼 f m s 的主要优点表现在 ( 1 ) 设备利用率高。出于采用计算机对生产进行调度，一旦有机床 窒阙，计募掘俊分配绘该极廉翔工 王务。在典燮豹馕凝下，罴矮f m s 中戆 一组机床所获得的生产量是单机作业环境下同等数量机床产量的3 倍。 ( 2 ) 缩短生产矮期。毒予零 孛集中在燕王中心上灏工，减少了瓿床数 和零件的装卡次数。采用计算机进行有效的调废也减少了周转的时间。 ( 3 ) 其有维持生产的能力。当f m s 中韵一台或多台梳床出现故降时， 计算机可以绕过出现故障的机床，使生产得以继续。 ( 4 ) 生产具有柔性。可以响应生产变化的需求，当市场需求或设计发 生变化时，在f m s 鲍设计能力范围内，不需要系统硬件结构懿变化，系统 其有制造不同产品的黎性。并且对于临时需要的备用零件可以随时混合生 一 篓：童堑鎏 产，而不影响f m s 的正常生产。 ( 5 ) 产品质繁高。f m s 减少了夹翼和梳床的数量，并且卡鬃与祝臻 匹配得当，从而保证了零件的一致性和产龆的质鬣。同时自动检测设备和 自动补偿装置可以及时发瑗质量阀题，并采取稻斑的有效稽施，僳证了产 品的质量。 ( 6 ) 加工成本低。f m s 的生产批薰在相当大的范围内变化，其生产 成本是最低的。它除了一次性投资费用较商外，其他各项指标均优于常规 的生产方案。 f 醚s 垂诞生以寒，务工业耽翻家纷纷投入掇大戆大力、拐力_ 狂财力对 其进行研究和开艇，以期用最短的生产周期对市场需求变化作出响应，并 使包括厂房、设套及人力在内的资源得到最有效的利用，以达到使企业擞 产经营能力整体优化的目的。2 0 锻纪7 0 年代后，世界范阑内的f m s 获得 了约1 5 的年增长率的快速发展和应用，照示出了极大的生命力吼 尽管f m s 有如上所述的许多优点，但是在工业实践中，实施和发展 f m s 也存在一些鞠难，或赣遵f 醚s 还存_ 杰着一些缺点，舆钵寒滋； ( 1 ) 投资成本高昂。f m s 的投资随f m s 的投资规模和自动化程度不 同嚣不霹，一觳嚣要且百万甚至上千万美元懿投瓷，这还不霞蘩支持运嚣 环境建设的费用。 ( 2 ) 建设焉期长。f m s 技术复杂，开发、研镪、调试一套f m s 系统 需要较长的周期，从提出开发一个f m s 到将其具体实现，往往需要几年的 辩闻。 瓢l s 是一项投瓷大、风险高、建设周期长的赢新技术系统。它在设计、 控制和管瑷上都眈传统的阱隆自动线要复杂得多。由于这些困难和缺点使 得许多企业对现代化f m s 缺乏信心，望面却步，一l 担存在些效果朱达到预 期的目的，甚至怒失败的f m s 应稽案例。因诧，寻我走避有效的f m s 蕊 划设计方两的理论和技术便成为克服f m s 的上述缺点，改善发挥其潜力优 势雨亟待研究的谍题，毽莽许多黧家及我函均把研究和发藤f 醛s 缡入莺察 发展规划。 j ! 塞茎想盔兰堡土耋篁笙苎 苎i ：竺墨堡站型堡塑! 竖i 垡些些整翌基 设计，麴图2 2 敷示，放f r 歼戆，遴行壤念设诗，次定提成豹瑚，然螽 回到功能域，功能要求被分解成一系列子功能要求，再映射相应的设计参 数，遮一过稳反复进行，并焱变换懿过程中裂翅设诗公理判凝设计瓣合理 性，盥至所有分支达捌最终状态，分解后的最终状态被称之为“叶”( 1 e a fo r k a v e s ) f 3 ”。 功能域 结构域 圈2 2 功能域与结构域之间的之字形映射 功能域与结构域以及工艺域之间通过“之”字形映射联系在起，它 餐之阙存在若定鳃浚鼓关系。某设诗域中一令参数发生变讫，超痰瓣其 它设计域中相关的参数也发生变化。因此，在设计过程中，只要改变某一 参数，载会产生连锬爱应，设计人员霹以跟踪设诗过镶找出对应瓣交仡， 减少了设计的修改工作，提高了设计的准确性和效率，降低了设计风险和 设计周期。但是公理设计本炱并没毒从理论熊角度掇蹬用户域巍功熊域之 间的映射变换关系，也没有提供合理的方法 4 ，所以一些学者提出在用户 域和功能域之闻的映射过程采用功能质量配蚤( q u a l 洳f n c t i o n d e p l o y m e n t ，q f d ) 静方法确定功能需求i 4 2 ，4 3 l 。 2 2 3 淫次结构 鼷次( h i e 捌h y ) 是指公理设计中某个域酶层次樾。公理纯设计的整 个过程就是从功能域割结构域，再到工艺域之间的映射过程。整个设计是 一个从高级别的抽象檄括到低级别的详细描述的过程。如果搬产品看成是 一个系统，那么设计就是一个把系统分解为予系统，然后分解为部件，再 分解为零件，最后分解为零彳牛特征的过程。设计的最终结果得到不同层次 的功稔要求、设计参数和工艺变量组成的层次树，它清晰地搦述了各个设 x 整二雯鳖篷 们从不同的角度进行着备自的研究工作，由于缺乏统一的指导思想和理论 糕桨，爨磅究豹藏栗都其骞一定瓣弱浆镶。秀懿，运翅璇代设诗理渣来媲 划f m s 的资源配置是系统设计领域发展的必然趋势。 f m s 静资源优讫配黧涉及到f m s 慧体设计中较多漪授资颧，风陵较 大，是初步设计中最重要也是难度最大的任务之。基予公理设计的f m s 俊讫配纛方案楚建立在当前稻关领域壳避研究成莱鹩基籍蓦主，霹望较好逢 解决f m s 资源的优化配凝问题，对于f m s 设汁具有一定的指导作用。当 然，这秘方案不仅适蘧f 糙s 设诗，悉萎辩予其它复杂系绞邈吴有一定熬遥 应性，熙有普遍的工程意义。 本谦题的深入研究涉及到将现代耨兴静设计瑾论公理幸艺设计运爝 刹制造工程、系统工程、质量工程、软件工程、价值工程、工稷经济学等 多学萃萼 x 北京交通大学坝：i ：学霆嘴搀摧璃一鬟圳鼋峨演基燃叁缈彬州璃滗确 誊零嚣臻巷嚣鏊雏鳞! 薹簿弓兰巷羹鍪蠢繇蘩等薤；霪麓蠹堪喝童鬟鲎 锄拼阳并薹警疆是i 甜黼羹! 囊谨强朔始芟融刚崮科：茧蚤箨稳列翔争 警萄蕊望雨毒蒜落羚关蔫嚣壤豢第臻箍发融婺簦坠辟缝程醛髫萎赫囊犁辫 搭薹是否满足独立往i 戮烈爨型望f 嚣嬲引彰剐氛塑t 简蘸蓑舒臆崭溺灞 潆：穗瓣些雨疆妻誓凑有 些困难了。 s h 囊提供了鼹令指标，棼霹蹩量霹( f e 糍辨l a f i嗡葶嚣对怒量 s ( s e m a l l g i i l 刹t y ) ，来定量地评价甩维问题的功能独立性。非对角量r 描述 了d & 之间敬正交性( o n h o 龄娃a l 矗y ) ，它决定了最恐弓| 起a 终变化懿灵敏 度；对角量s 描述了妇一化设讨矩阵的对角元素的幅德。 肌，罪； ，4 t “，一 s ： ( 2 8 ) 不难证弱，对子其有功裁独立性豹菲藕合设计，器鞫s 等予最大德l 。 当r =s 一1 时，设计可以近似褥作准耦合的，殿、s 的假越大、i 爵s i 越小， 设诗方案懿功能独立瞧越好。露帮s 瀚德越接逛o ，蒸藕合往藏越弱擞。 第一章绪论 1 4 第一章绪论l s 课题提交获意爻 第二章公理设计相关理论研究l 8 岔绍公理设计棚关理论及研究 第三章基予独立性公理靛f m s 优传配饕框桨研究l 恩 提供独立蚀优化配置的框j e 优化配置数学模型及欺 l 第六章蕈 | 闺诗算租求耱豹获释系统与蜜胡验证i 且 第七章总结与展望l 图1 - 5 本文的组织结构 件系统设计 北京交通大学硕上学位论文 基于公理设计理论的f m s 优化配鬣研究 第二章公理设计相关理论的研究 2 1 引言 公理设计理论是焚国麻省理工学院( m r r ) 机械工程系n p - s u h 教授 于2 0 世纪7 0 年 弋中压麓提塞戆一秘设计决策方法，毽“公理设计” ( a x j o m a t i cd e s i g n ，a d ) 一词是在s u h 的t 1 l ep r i n c i p l e so fd e s i 髓一书 中被最式提出的。 公理是人们从实践中总结出来的无需证明的而被大家公认的真理，是 一耱爨毒普遮搀夔、鲑纛易懿熬瑾谂。公理浚舂反铡，是不霹接翻瓣。公 理在科学技术的各个领域都有非常重臻的影响，如欧几里德( 约公元前3 整纪豹吉幕黪教学家) 公理至今仍是足 霉学戆基礁；牛顿三大定律是经冀 力学的公理；热力学第一、第二定律也是公理，并以此公理得以定义能量、 熵、力学等概念l ”j 。在没计领域也鬟要设计公理，指导著控制整个设诗过 程，在设计过程中提供科学的理论依据。 在麴整鳃豹约年霞，设诗理论镶壤夔主要磅究哼枣是麴露秘学缝描 述设计过程。其中，以m r r 的s u h 教授的研究最为突出，他于1 9 7 7 年成 立了一个拳| 造疆究狂教毒孛心割造生产实验室，并显把建立设诗霹裁 造原则作为该实验室的基本任务i 翊。通过多年的研究和实践，总结和归纳 出1 2 祭设计的基本公理和滠j l | ，后来经过不粝实践秘疆究，最终续减为2 条，于1 9 9 0 年出版了介绍这些公理及蕻相应理论的专著拍ep r i n c i p l e s o f d e s i 辨，爨此，一秘瓶昀概念性设计蛉理论公理设计诞生了。 公理设计理论没商将设计活动和设计群体的一般性活动联系在一起， 瑟 一般性活动联系在一起，瑟是撼重点 教* 杰设诗中船舞燕确遣进行漫嚣决策。最秘，s 睦教授试为浸诗主要成用在 三个领域：生产加工设计、产品设计和机构设计，但他同时还意识裂公理 设讨在其德领域黪应用潜力。垦懿，公理设计已经歇工数应耀扩展到了其它领域，现在它的应用范阐包括：产品设计、制造生产设计、 第一二章公理设计裙美理论静游究 2 2 1 域的概念 2 。2 公理设计的基本概念 域( d o m a i n ) 是公理设计中最基本最熏要的概念，贯穿于整个设计过 程。磐第一拳掰分绥，公理设计垮熬令设诗j 建程分为遥令不嚣豹设诗活动， 即蹒个域，分别是用户域( c u s t o m c r d o m a i l i ) 、功自& 域( f u n c t i o nd o m a i n ) 、 结糖域( 珧酒蕊挑m 越珏) 秘工艺域( p f o c c s sd o m a 纽) 。域中的元素分别 对应为用户需求( c u s t o m c rn e e d s ，c n s ) 、功能需求( f u n c t i o nr e q u i r c i n e n t s ， f r s ) 、设计参数( d e s i g np 基f a m e 妇瓢d p s ) 和工艺变量( p m s sv a r i a m e s ， p v s ) 。设计的过程就是相邻两个域之间相互映射的过程，如图2 1 所示。 相邻瓶个域是紧密联系在一起的，两者的设计元素有一定的映射关系。相 邻两个设计域闻的关系是：左侧的设计域表示“我们要完成或者想要完成 的工作( w h a t ) ”，右侧的设计域表示“我们选择什么方法来实现左侧的要 求( l o w ) ”。其中，功能域到映射域之间的浃蔚楚产品( 藏系统) 设计最 主要的过程，如图2 1 中虚框所示。 用户域 ；一一燮一一曼避一一j 丁艺域 图2 + 1 公理设计中斡域及其映射 ( 1 ) 用户域 产品竣诗霸开发是以满足市场游求为强粒豹。翅户域褒示用户黠产品 的需求c n s ( c u s t o m e rn e e d s ) 和用户追求的利益e 舳( c u s t o m e ra t t r i b u t e s ) 。 援户包括内部用户秘卦部用户。外部用户楚指消费者，产照不但要保证夕 北京交城大学硕上学位沦文基f 公理设计理论的f m s 优化配鬣研究 聱窖户满意，瑟萎让德躬对产熬戆徐後、鼹途秘震量产生正麓兹谈识。对 企业来说，在产品上市期内保持其价慎及客户对产品的信任度是衡量产品 矮量激重要黪尺度；内部用户是接产熙鹁割遗、销售、售蜃缀务等帮门， 他们的要求苴攘涉及劐产品的生产效率、生产质量和生产成本。 璃户嚣求是指泰弱帮客户对产品豹翥求，它包括消囊者对产晶靛誊童麓、 用途等方面的要求等等，内部窖户( 攒产品制造、销俺、售詹服务等部门) 对产熬戆生产效率、生产或本秘产品痰量等鬟求，霹辩还包撬舞褰产品竞 争力、产品创新等方面的要求。设计开发人员分析用户需求，提出产品的 基本功能要求，霜户域是设诗产品懿源泉。 ( 2 ) 功能域 功能域是满足用户需求的一系列的产品功能和约束的集会。功能是对 技术系统或产鼹完成任务的抽象描述，是反映产品所只有的用途和特征。 功能要求是对设计萄标的插述，是设计方案掰要实现的功能最小集合。功 能域中同时包禽设计约束的制约。设计约束怒指设计赣确定的设计方案中 隈定静条件，国外部客户帮肉都因素掰决定，它与功能要求不是一个概念。 但是，在设计过程中巢些设计约束在功能分解时会转化为低级的功能需求。 从系统酌观点出发，公理化设计将系统的功能分为总功能和分功能。 对系统攘体的鼹求就燧系统的总功能，系统的总功能反映了系统输入和输 出的魏量、豹料和信怠的差裂和关系。一个笺杂的系统可以分解为一系列 简单的系统( 子系统) ，复杂系统的总功能可以分解为港干个复杂程度低的 分珐熬，一直分解到髓直接我剿解法的功能元为止l 琏删。 ( 3 ) 结构域 结构域是窳现功能要求物理结构的集合。结构域描述了产品的整个结 构设诗过程。产瑟没嚣获越象除段戆慧传没诗逐步缨豫到具体鹣谨缨莰诗。 设计参数是指能够实现功能要求的产晶的结构参数。在公理设计中，确定 设计参数和功能戆分鳃应同露遴行，确定设计参数熬避程裁怒功链求勰熬 过程。设计参数的选择受到设计约束的限制，只有充分考虑设计约束的影 响，彳+ 悲确定泌较合理的设计参数，以最大啜度邋满足用户的嚣求。 墨兰茎竺堡塞茎塑薹燕篷望至塞 ( 4 ) 工艺域 工艺城描述产晶的工慧过程和加工制逐的方法。工艺变量是掰实现设 计参数的产品的加工制造方法，包括加工工艺、装配工艺的过程规划。 一般来说，在初步设计阶段，主要涉殷到用户域、功能域和缩构域之 闻黥驶射交换，在撵缨设计除段主要是结构域和工艺域之闽的映射变换。 在公联设计过程中，设计具有广泛的概念，它除了一般的产品设计外， 还惫摄系统设诗、较佟设诗、兹秘工艺设诗、组织设诗翻管理竣诗等等。 尽管各种设计的目的要求不同，假所有的设计都具有相同的思维j 过程，奠 设计过程露霹崮这靼令域慕援逮，嚣热，公理设诗框架楚一个具蠢普遍意 义的设计框架，它适合于所有的设计。表2 一l 表示了几种常见设计任务在 这鹅个设诗域中的特性 州。 表2 一l 几种常见设计任务在设计域中的特性 袭 粥户域功能域缡构域 工艺域 设计荏入 o 钰) f r s d p s p v s 用户需要的产产赫满足的功满足功能需求控制设计参数 制造过程 品属性能需求的结构参数的工艺变量 材辩要求的性髓要求材辩特幢徽髓结梅榜瓣工艺 输入变量、算法 子程序、机器代 软，手软释戆性畿软锌嚣输出疆剽、模块、稳 码、编译器 序代码 开袋溪动静人 组缎用户满意程度缀织功靛活动计巅、取费 力和其它资源 系统的整体属系统的功能要设备、零部件、资源( 人、财、 系统 性求予系统物) 企业 投资回报率企业目标 企业结构人力、财力资源 2 2 2 “之”字形映射 公理设计理论不单纯蹩在某个设计域串完成自身的设计，而烃通过桶 邻髓个设计域之间自上面下地进行“之”字形映射( z i g za _ g 西n g ) 进行产晶 第二章公瑾没计捐关理诧的研究 计域的工作目的。产品的功能层次树和结构层次树正如上图2 2 所示。 层次绪构树每一层的各个领域( 功能城、结构缓、工慧域) 中都存在 其相应的设计目标，高层次的决策影响低层次问题的求解。最高级别是对 产晶设计的抽象襁括，屡次猎的唏参数莛产品酶最终设计绪采。在设许褥 的顶层，确定总体结构参数实现总体功能要求，这是设计的关键所在，总 藩结构是产箍垂孽主体，它决定了产黼豹设计方向。繇缀羽懿设计参数嗣寒 实现产品的子功能，叶设计参数是设计的详细结构，它描述了产品的组成 帮缭擒。交魏胃显，产鑫懿设诗本壤土就楚浚诗参数峦接蒙翻吴钵熬过程。 因此，产品可以看成是由所有的设计参数组成的，i 面不仅仅是由结构树最 藏矮静设嚣参数经袋，时设诗参数楚黠产熬豹宠整攘透。没诗嚣设诗者嚣 要判断设计方案的正确性和合理性，以保诞得到比较好的设计。程确定了 设诗懿功憝要求和设诗参数之后，设诗者必缀以设诗公理受铰据，缝合囊 己设计的经验知识，判断功能的分解和设计参数的选择能否满足设计要求， 能磷霉到满意的绩襞。 2 2 4 设计公理 s l l h 教授通过对优劣设计的研究，分析了不同类型的设计方案