（机械制造及其自动化专业论文）基于产品系列型谱的产品配置研究.pdf

中文摘要 摘要 随着当前信息技术的飞速发展和全球经济一体化进程的深入，正在日益改变 企业之间竞争的方式，传统模式是以产品为竞争基础，企业更多的是关心企业内 部运作效率的提高，并以此增强企业的竞争力。但是随着竞争的日益激烈，以产 品为中心的竞争优势正在逐步失去，此时，以客户为中心，倾听客户呼声和需求， 对不断变化的客户需求迅速做出反应，不断地开发满足用户需求的产品去占领市 场以赢得竞争。在这种情况下，能否快速地对市场需求做出反应决定一个企业能 否在当今激烈的市场竞争中生存、发展下去。 通过从市场、企业产品开发现况、产品销售及产品售后维修实地考察，发现 企业为适应激烈市场竞争的需要，总是在不断地开发新产品，企业经过一段时间 发展后，企业形成了成千上万种产品，这给企业产品管理造成了很大困难；同时， 这些产品中有很多产品并不是全新设计，而仅仅是在以前产品的基础上增加或者 减少部件；因此企业迫切需要一种手段来使在某基型产品基础上通过改进来开发 新产品，依据某一基型产品并结合改型设计过程中派生出的基型产品下一些零部 件性能差异，排列组合出一系列的产品。当派生出的零部件数量较多、性能差异 较大( 同时相互之间还可能存在的一些约束关系) 、系列产品间零部件借用频繁时， 如何快速、最优地组合出满足不同地区、用户需求的产品? 如果还是按照企业原 来的设计方式，不仅浪费人力、物力财力、设计效率低下、重复设计严重，而且 设计出来的产品还会出现和市场需求相差甚远的情况。 针对企业面临的这种困难，作者以“基于产品系列型谱的产品配置”相关课题 为基础，从新产品开发和产品配置的内涵出发，提出了共用件技术构成的产品系 列型谱、零部件分类管理模型，并在此基础上进行配置规则建立、产品配置管理 模型，以及设计了基于系列型谱的产品配置的流程和软件模型。 上述研究成果已初步应用于m i t - p l m 3 8 软件系统中，研究成果已得到了相 关企业和一些同行的认可，目前正在进一步发展和推广应用中。事实证明，论文 提出的基于系列型谱的产品配置理论符合企业实际需要，为企业快速响应市场顾 客需求有较大的实用价值。 关键词：新产品开发，共用件，产品系列型谱，产品配置管理，产品配置设计 英文摘要 a b s t r a c t a l o n g 谢mt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n ta n dw h o l ew o r l d e c o n o m i ci n t e g r a t i o n , e n t e r p r i s ei sc h a n g i n gt l l e i rc o m p e t i n gw a y s t h et r a d i t i o n a l c o m p e t i n gp a t t e r nt a k e st h ep r o d u c ta st h ec o m p e t i t i o nf o u n d a t i o n ，a n de n t e r p r i s e sa t e c a r ea b o u tt h ee n t e r p r i s ei n t e r i o ro p e r a t i o ne f f i c i e n c yw h i c hi su s e dt os t r e n g t h e nt 1 1 e i r c o m p e t i t i o n b u tw i t hm o r ei n t e n s ec o m p e t i t i o nd a yb yd a y , t h ea d v a n t a g eb a s e do n p r o d u c ti sl o s i n g 。n o w , i no r d e rt oo c c u p yt h em a n e t ，e n t e r p r i s e ss h o u l dd e v e l o p p r o d u c t sb a s e d 0 1 1c u s t o m e rn e e d u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t h ee x i s t i n ga n dd e v e l o p m e n t o fae n t e r p r i s ed e c i d e db yw h e t h e rt h ee n t e r p r i s ec a nm a k er a p i dr e s p o n s e st ot h e m a r k e t sn e e d t h r o u g h t h e s p o ti n v e s t i g a t i o n f r o mt h e m a r k e t s ，e n t e r p r i s e s p r o d u c t d e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，t h ep r o d u c ts a l ea n dt h ep r o d u c tp o s t - s a l es e r v i c eo n ，ih a v e d i s c o v e r e dt h ee n t e r p r i s ei sd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t su n c e a s i n g l yt om e e tm a l k e t c o m p e t i t i o n ，s oi tm a k e se n t e r p r i s e sm a n a g et h e i rd a t av e r yd i f f i c u l t l y a l s om a s s i v e n e wp r o d u c t sa l ec h a n g e df r o ms o m ep r o d u c t s ，a n dt h e yj u s tn e e dt oa d do rr e d u c e s o m ep a r t s n o we n t e r p r i s e se a g e r l yn e e dam e t h o dt os u s t a i nt h e i rt od e v e l o pn e w p r o d u c tf r o maf o u n d a t i o np r o d u c t , s ot l l e y 啪a s s e m b l es o m en e wp r o d u c t sb a s e do n s o m ef o u n d a t i o np r o d u c ta n dc o m b i n e ds o m ep a r t s d i f f e r e n c ew h i c hd e r i v e df r o mt h e p r o d u c tm o d i f i c a t i o nd e s i g np r o c e s s w h e nt h ep a r t sa r ct o om u c h , t h ep e r f o r m a n c e d i f f e r e n c ea l et o ob i g g e r ( a tt h es a m et i m e ，t h e r em a yb es o m er e s t r a i n tr e l a t i o n s m u t u a l l y ) a n dt h es e r i e sp r o d u c t sp a r t sa r eb o r r o w e df r e q u e n t l y , h o wc a ne n t e r p r i s e s s u p e r i o r l yc o m b m ed i f f e r e n tp r o d u c t st os a t i s f yd i f f e r e n tm a l k e tf a s t ? i fa c c o r d i n gt o e n t e r p r i s e so r i g i n a ld e s i g nw a y , i tn o to n l y w a s t e sm a n p o w e r , t h ep h y s i c a lr e s o u r c e a n df i n a n c i a lr e s o u r c e , d e p r e s s e sd e s i g ne f f i c i e n c y , m a k e sr e d u n d a n td e s i g n ，b u ta l s o t h ep r o d u c tm a yb ef a rf r o mw i t ht h em a l k e td e m a n d i no r d e rt or e s o l v et h i sd i f f i c u l t y , t h i sp a p e rb a s e so nt h ep r o d u c ts e r i e ss p e c t r u m c o n f i g u r a t i o n , d i s c u s s e sf r o mt h es i g n i f i c a t i o no fn e wp r o d u c td e v e l o p m e n ta n d p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n , a d v a n c e ss o m em o d e l sa sp r o d u c ts e r i e ss p e c t n a nm o d e l ，t h e c l a s s i f i c a t i o n p a r t sm a n a g e m e n tm o d e l t h e n i t e x p a t i a t e s h o wt oe s t a b l i s h c o n f i g u r a t i o nr e g u l a r i t i e sa n dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n tm o d e l ，a sw e l la st h e c o n f i g u r a t i o nf l o wb a s e do nt h ep r o d u c ts e r i e sp r o d u c ta n ds o f t w a r em o d e l t h ea b o v et h e o r yt h i sp a p e ra d v a n c e dh a sb e e np r o v e db ys o m ec o r r e l a t i o n i l l 重庆大学硕士学位论文 e n t e r p r i s e sa n ds o m ee x p e r t s a p p r o v a l a n di th a sb e e na p p l i e di nt h em i t - p l m 3 8 s o f t w a r es y s t e m n o wt h es o f t w a r ei sd e v e l o p i n ga n da p p l y i n g t h ef a c tp r o v e st h a t ， t h et h e o r yt h i sp a p e rp r o p o s e sc o n f o r m st ot h ee n t e r p r i s ea c t u a ln e e d ，a n di th a sa n g r e a t e rp r a c t i c a lv a l u ef o rt h ee n t e r p r i s ef a s tr e s p o n s et om a r k e tc u s t o m e rd e m a n d k e yw o r d s ：n e wp r o d u c td e v e l o p m e n t ，u n i v e r s a lp a r t s ，p r o d u c ts e r i e ss p e c t r u m ， p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储签名：牛签字吼1 年 月二7 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽盘堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：蚤 牛 签字瞧母f 月1 日 导师签名：新劾习 签字日期：沙。7 年r 月哕日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 当前随着信息技术的飞速发展和全球经济一体化进程的深入，正在日益改变 企业之间竞争的方式，传统模式以产品为竞争基础，企业更多的是关心企业内部 运作效率的提高，并以此增强企业的竞争力。但是随着竞争的日益激烈，以产品 为中心的竞争优势正在逐步失去，此时，以客户为中心，倾听客户呼声和需求， 对不断交化的客户需求迅速做出反应，不断地开发满足用户需求的产品去占领市 场以赢得竞争，市场竞争也主要围绕新产品的竞争而展开。 新产品开发【1 1 是一个技术创新、管理创新和价值实现的过程，一般可以分 为市场需求分析与产品战略策划、产品及工艺设计、产品制造和市场营销四个阶 段( 如图1 1 所示) 。 图1 1 产品生命周期的四个阶段 f i g1 1f o u rp h a s e si np r o d u c tl i f e c y c l e 从1 1 图中可以看出从市场顾客需求出发到新产品的概念方案b o m 是整个 新产品开发过程的源头，产品的概念方案b o m 到产品的设计b o m 是整个新产 品开发的重点。 因此企业迫切需要建立一种市场需求驱动的、具有快速响应机制的新产品开 发平台来快速响应市场需求，满足企业对新的系列产品的开发的需要。 通过从市场、企业产品开发现况、产品销售及产品售后维修实地考察，发现 企业为适应激烈市场竞争的需要，总是在不断地开发新产品，企业经过一段时间 发展后，企业形成了成千上万种产品，这给企业产品管理造成了很大困难；同时， 重庆大学硕士学位论文 这些产品中有很多产品并不是全新设计，而仅仅是在以前产品的基础上增加或者 减少部件，或者很多产品中使用很多的相同的部件。如图1 2 所示，j h l 2 5 1 9 ( 4 2 3 e ) 和j h l 2 5 3 1 a ( 2 3 5 h ) 摩托车，通过对比分析，这两种摩托车的主要区 别在于： 图1 2 两种型号摩托车对比 f i g1 2t h e a n a l y s i so f t w ot y p em o t o r c y c l e 车架结构相同，尺寸不同。车架都是采用的主梁结构式，但是两者车架的 尺寸不同。 发动机型号不同。发动机的排量差不多，但是j h l 2 5 - 1 9 ( 4 2 3 e ) 采用的是单 缸而j h l 2 5 3 1 a ( 2 3 5 h ) 采用的是双缸，两种发动机都是四冲程、风 冷。 2 1 绪论 电器系统相同，但车灯不同。 行驶装置相同。两轮摩托车，车轮轮毅、车轮轮胎一样。 制动器形式一样。都是采用前碟后鼓式制动。 企业在这种类似的产品开发过程中，设计人员只需要对原有产品做简单的零 部件的替换、尺寸的修改即可，而不需要对整个产品的基础结构进行修改，对于 相同的零部件只需要借用过来即可，不需要对零部件进行重复设计。但是，目前 大批量企业每年都会开发出成百上千个新产品，这样企业产品越来越多，造成了 企业对产品数据管理十分困难，更不用说找到这种基型产品。这样很多产品就必 须按照全新产品来设计，造成了很多产品零部件的重复设计，严重降低了产品的 设计效率。因此，企业目前迫切需要一种手段来使在某基型产品基础上通过改进 来开发新产品，依据某一基型产品并结合改型设计过程中派生出的基型产品下一 些零部件性能差异，排列组合出一系列的产品。当派生出的零部件数量较多、性 能差异较大( 同时相互之间还可能存在的一些约束关系) 、系列产品间零部件借用 频繁时，如何快速、最优地组合出满足不同地区、用户需求的产品? 如果还是按 照企业原来的按照设计人员的经验、手工设计方式，不仅浪费人力、物力财力、 设计效率低下、重复设计严重，而且设计出来的产品还会出现和市场需求相差甚 远的情况。 本文研究的基于产品系列型谱的产品配置就是为解决企业面l 临的这个问题而 建立一种新的配置平台，使产品配置效率更高。本文从产品配置出发，以一种全 新的视野来探讨企业新产品的开发。 1 2 产品配置概述 1 2 1 产品配置的概念 产品配置包含产品配置管理与产品配置设计两个部分： 产品配置管理：产品配置是产品数据管理( p r o d u c td a t as y s t e m ：p d m ) 系统 中的一个核心模块和重要组成部分，产品配置管理【9 】 1 4 1 以产品的结构管理为基 础，以产品的各种电子资料为底层支持，以b o m 为组织核心，把定义最终产品 的所有工程数据和文档联系起来，对产品对象及其相互之间的联系进行维护和管 理p j 。产品之间的联系不仅包括产品、部件、组件、零件之间的多对多的装配关 系，而且包括其他相关数据，如制造数据、成本数据、维护数据等，产品配置管 理能建立完善的b o m 表，实现其版本控制，高效、灵活的检索与查询最新的产 品数据，实现产品的安全性和完整性控制。 产品配置设计：产品配置设计 9 h 1 卅是以产品的相关数据为基础，通过有 效的设计手段快速配置出满足客户需求的产品，有效地缩短产品的开发时间和设 重庆大学硕士学位论文 计成本。 产品配置的根本依据是配置规则。配置规则由规则库来管理，产品模型中的 所有节点( 组件) 之间的关系通过规则的约束而形成具体的产品。这些约束统称为 规则【1 5 1 4 2 0 1 。配置规则约束产品模型各零部件之间的关系，通过限制产品配置过程 中功能模块功能选项、零部件的选择和组合来确保产品配置的正确性。产品的配 置规则实际上是对产品信息知识的获取、加工和抽裂”】。 1 2 2 国内外的研究现状 当前一些大批量生产企业，由于社会的高速发展，产品的生命周期变得越来 越短，为了在激烈的竞争中立于不败之地，这就需要企业根据市场和顾客的需求 不断的开发新的产品来满足某一个地区或者某些特定的用户，为了适应这种变化， 企业需要高效便捷的产品配置生成方法。由于用户的需求多种多样以及配置约束 规则的复杂性，使得产品配置方案的生成成为一个非常复杂的过程，对配置设计 人员的要求非常高。因此产品配置生成的方便性、灵活性、智能化是产品配置的 重要目标。产品配置人员的经验、专业知识的积累和整理利用是实现企业创新产 品开发的基础，也是实现智能化产品配置设计的关键。 目前国内外对产品的配置研究方面取得了一些成果。国内在这方面的研究主 要有基于知识、基于规则嘲、基于实例【2 3 l 以及基于模型 2 4 1 等方法。基于知识的产 品配置方法认为高级配置管理系统需要许多不同种类的知识表达来支持，这些知 识不仅仅用来跟踪部件不同版本的使用，而且还用来支持版本选用以及描述不同 版本之间的兼容性规则和约束。基于规则配置方法是有的学者针对产品配置过程 提出的一种基于规则的配置知识描述语言，该语言通过一种描述性语义对产品配 置的主要概念，例如配置模型、需求以及合法配置进行形式化定义；同时目前有 学者对面向大规模生产的产品配置设计方法以及配置设计中约束的表达和求解进 行了深入的研究【l0 j 1 1 1 ，分析了机械产品的特点和约束类型，并利用变量和事物特 性结合的方法来表达约束关系。基于实例配置方法是基于实例的推理方法，它利 用以往的配置方案( 实例) 来求解与之相似的新的配置问题；其基本配置过程是根 据客户需求检索相似配置方案，并调整使之适应新的配置问题，最后把新的配置 方案存储于实例库【1 2 】。基于模型的产品配置方法1 3 1 是从大量可能的产品结构 抽象出一个产品模型，将众多产品品种用一个产品模型、一个配置规则库和一个 零部件库来表示，在客户需求驱动下、在产品模型的基础上和配置规则和零部件 库的支持下对产品模型的所有节点进行赋值，形成具体产品的过程。 国外，基于模块化产品配置设计方法日益受到重视。其中m a r t i n 等通过衡量 零部件的共用性指标来创建核心平台，以其为基础根据市场需求的不同进行变量 配置，其缺点是没有兼顾到零部件共用性和模块化产品性能之间的平衡；d o b r e s c u 4 1 绪论 等【”】给出了一种造型文法( s h a p eg r a m m a t ) 规则来调整零部件的几何性与功能性 的映射关系，以对模块化产品族进行重新配置设计，但仅局限于对模块化产品的 几何特征描述；f u j i t a t l5 1 通过对产品全生命周期的成本优化模型求解得到了模块化 产品的最优配置方案，而g o n z a l c z 掣1 6 】提出了一种基于模块化产品核心平台的设 计方法，以利润的最大化和产品多样化为优化目标，经由决策树在不确定情况下 处理模块的配置问题，却均没有论及客户需求因素对模块配置方案的影响，且为 处理单一产品的模块化设计与规划问题。 目前，国内外对企业新产品开发过程中的产品配置设计方法的研究要么是孤 立地考虑产品本身的结构，要么是只专注产品的知识库，还有的只是考虑到产品 的规则约束。目前市场发展的形式要求我们在产品开发过程中将市场顾客需求、 企业产品信息、产品规则约束、企业产品开发过程、企业产品销售以及售后服务 综合考虑。基于产品系列型谱的产品配置就是综合考虑这几个方面的产品配置设 计方法，该设计方法是依据某企业以前设计过的某一基型产品并结合改型设计过 程中派生出的基型产品下一些零部件性能差异，排列组合出一系列的产品，这种 产品配置技术是在充分考虑市场需求的前提下，在共用件和模块化、标准化、系 列化设计理念的指导下构建产品系列型谱，在产品规划阶段，采用面向某个系列 产品的设计思路来基于产品系列型谱进行产品配置和开发，从而保证对不同客户 群以及市场定位需求的及时响应。因此，它将是实现大批量生产模式的有效设计 手段之一。 1 3 本文研究的背景 1 3 1 本文研究的背景和意义 本论文研究的背景 本文研究的对象是大批量生产企业。大批量生产模式在过去的几十年一直是 制造业的主导生产模式，一般采用专业化程度很高的专用高效设备，产品种类少， 一次生产的数量较多，对操作人员的技术水平要求较低。 大批量生产模式的特点是：新产品在大规模生产方式下制造，形成成本低、 质量一致、面向统一大市场和稳定需求的标准产品，产品生命周期长，新产品开 发周期也较长等。 大批量生产继承了更强调可互换的零部件、专用的机器、以生产过程为中心、 劳动分工等原则。大批量生产的产品主要是面向普通消费者，生产方式最首要的 原则是流水线生产，其目标是生产低成本、低价格的标准化产品以享有规模经济 的好处，使得相似产品的成本大幅度降低，例如通讯、电子、摩托车、自行车等 领域很多企业就是大批量生产模式企业。 5 重庆大学硕士学位论文 本文研究的意义 以我国摩托车行业为例，我国摩托车企业在不断发展壮大的同时，也遇到了 些挑战。首先，摩托车企业目前的管理是通过手工文档来管理产品信息的。在 个产品设计完成后，一般会形成一个标准的产品b o m ( b i l lo fm a t e r i a l ：物料清 单1 ，企业会以此为基准来组织产品的生产。若客户有一些特别要求，则根据客户 要求编制不同的产品b o m ，不同的客户对应不同的产品b o m ，每次都得手工来 重新编制。但随着产品系列和客户的增多及客户不同的需求增多，企业的文档越 来越多，以致于摩托车企业难以一一编制客户对应的产品b o m ，此时，企业的 生产配料是根据有经验的工人头脑中的记忆来组织。如果企业若是没有这些有经 验的工人，企业在管理产品目录和快速响应市场需求的难度很大，更不用说查询、 修改和维护产品数据，这是摩托车企业目前面临的一大问题。 其次，像其他企业一样，摩托车企业为适应激烈市场竞争的需要，为了适应 不同地区、不同消费群体的需要，总是在不断地开发新的系列产品，经过一段时 间发展后，企业的产品系列已经成千上万，这样给企业的产品数据管理带来了灾 难性的困难，同时，这些产品的设计开发过程中浪费了企业很多资源，造成重复 设计很严重。 因此摩托车企业迫切需要一种新的模式来有效管理产品目录和对新产品的开 发，这种模式能够描述一个企业曾经设计和制造过的所有产品系列和产品组合， 并能方便地从产品系列型谱中看出每个系列产品的演化过程及主要零部件的构 成、通用零部件的构成、专用零部件的构成等，便于新产品的派生设计、系列化、 通用化、标准化设计，从而使设计者可以从产品的方案构思开始，就需要知道目 前所设计的产品功能和技术要求，是从原来的哪个产品系列进行派生，原来产品 系列中的哪些系统、功能部件、典型结构能完全借用以及哪些系统、功能部件和 零件结构根据新的订货要求进行改进设计，这样提高了新产品设计效率和质量。 本文的研究意义正在于此。 本文中提出了基于产品系列型谱的产品配置( p r o d u c ts e r i e ss p e c t r u m c o n f i g u r a t i o n1 模型来解决大规模生产企业面临的这个问题。基于产品系列型谱的 产品配置是在以产品模块化、标准化、系列化设计为思想基础，来形成产品的系 列型谱，并在传统产品结构基础上，将配置变量、配置变量值、配置规则以及计 算公式等配置约束条件以属性的方式同产品结构发生关系。p d m 中的基于系列型 谱的产品配置是一个极具潜力的研究和应用领域，提供一种符合大规模生产需求、 灵活、有效、科学的产品配置模式需要做大量的工作。 1 3 2 本文研究的内容及篇章结构 本文的研究以理论和应用相结合，研究了摩托车企业基于产品系列型谱的产 6 1 绪论 品配置来快速响应市场和客户群的需求，建立了产品配置模型，设计了产品b o m 体系架构，并研制了相应的软件。本文的总体结构如图1 。2 所示。其主要内容如 下： 第一章：介绍新产品开发流程，结合大批量生产企业对本论文研究产品配置 设计的现状进行综合分析，提出本文的研究内容基于产品系列型谱的产品配置， 并阐述本课题的研究意义与背景。 第二章：从产品系列型谱的定义出发，对产品系列型谱中应用到的模块化、 标准化、系列化进行了阐述，分析共用件技术构成、建立产品系列型谱模型，并 以某产品为例，建立该产品的系列型谱，为基于系列型谱的产品配置设计作充分 的准备。 第三章：本章阐述产品配置管理的产品及产品零部件管理、产品配置规则管 理、b o m 配置管理和产品系列型谱管理四个方面，并建立产品配置规则的建立 过程、产品零部件的数据结构模型和产品系列型谱的数据结构模型。 第四章：探讨产品配置设计的过程数学模型和过程模型，产品配置设计框架 和产品配置流程。 第五章：介绍基于系列型谱的产品配置系统的工作流管理模型和其中包含的 功能模型。运用统一建模语言( u m l ) 对基于系列型谱的产品配置系统的概要设 计进行建模，用于指导p d m 系统中产品配置予系统的实现；研究基于系列型谱 的产品配置系统实现所涉及的软件技术，主要内容包括数据库技术、j 2 e e 技术、 邮件与传输技术：并结合m i t p d m 3 8 介绍基于系列型谱的产品配置系统在某摩 托车有限公司的应用。 第六章：对全文的工作进行总结。 l 。4 本章小结 本章介绍了企业新产品开发流程以及产品配置的基本概念和应用情况；阐述 了产品配置的国内外研究现状和发展趋势：对论文的研究背景进行了简单的介绍， 提出一种新的配置体系基于系列型谱的产品配置来解决当前企业面l | 每的快速相 应市场需求的新产品开发问题。最后介绍了本文的内容和组织结构。 7 2 产品系列型谱的设计 2 产品系列型谱的设计 产品系列型谱是有效进行产品配置的基础，而共用件技术又是产品系列型谱 的核心部分，本章将介绍产品系列型谱的相关技术一模块化、共用件技术、产品 系列型谱模型，研究产品系列的划分原则、产品系列型谱的共用件技术、产品系 列型谱模型，并结合摩托车产品进行模块的划分，建立摩托车的产品系列型谱。 2 1 产品系列型谱的相关概念 2 1 1 模块化 模块化u 训就是指在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上， 划分并设计、生产出一系列通用模块或标准模块，然后，从这些模块中选取相应的模 块并补充新设计的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同 需要的产品的一种标准化形式。 模块是一组具有同一功能和结合要素( 指联接部位的形状、尺寸、连接件间的 配合或啮合等) ，但性能、规格或结构不同却能互换的单元。 所谓模块化，就是为了取得最佳效益，从系统观点出发，研究产品( 或系统) 的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运用模块组合成产品( 或系 统) 的全过程。 模块化设计在技术上和经济上都具有明显的优点，经理论分析和实践证明， 其优越性主要体现在下述几个方面l l “： 模块的组合配置，就可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求； 相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有设计经验，也可以重用整个 产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源； 减少产品工程复杂程度，因为模块是产品部分功能的封装，产品设计人员 使用具体模块时根本不用关心内部实现，可以使研发人员更加关注顶层逻辑，提 高产品工程管理质量和产品的可靠性。 模块化机械产品互换性强，便于维修； 有利于企业根据市场变化，采用先进技术改造老产品、开发新产品； 提高固定资产的利用率，减轻机械产品设计、制造及装配专业技术人员的 劳动强度； 缩短机械产品的设计、制造和供货期限，以赢得用户。 由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特 点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划 9 重庆大学硕士学位论文 分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就 意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的。另外， 模块实现了抽象的模块功能与具体模块实现之间的逻辑分离，整个产品结构十分 清晰，容易从全局上理解和设计产品，使技术进步造成的越来越来复杂的工程管 理得到改善。 2 1 2 产品系列型谱 产品系列型谱可以认为是指共享通用技术并定位于相关联市场应用的一系列 产品。每一个系列中所有的产品都具有相似性，它们共享相同的结构和产品技术。 系列下的每一个产品对应一个市场区段或者某些消费者。 产品系列型谱的概念可以从不同的角度来理解，从市场营销的角度来看，产 品系列型谱就是企业产品的功能结构，可以描述成不同消费群体对企业产品多样 化的功能需求( f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ，简称f r ) 。从工程的角度来看，产品系列 型谱是一系列产品和技术的总和，因此产品系列型谱可以描述为一些参数、共用 件和装配结构的合成。产品系列型谱是共享通用技术并面向相关市场应用的一系 列产品。通用技术、相关市场应用和多样化是产品系列型谱的特征。通用技术体 现了产品本身所使用的技术和产品在设计、制造过程使用技术的相似性；相关的 市场应用体现了产品功能及其对应的产品结构的相似性；多样性体现了同一产品 系列中不同产品之间在功能、结构等方面的差异性 2 9 ) 3 5 1 。 派生产品层 单一产品层 口 产品系歹 层 产品平台层 产品1 - n 产品l n产品1 - ”n 警+ 图2 1 产品平台与产品系列的关系 f i g2 1r e l a t i o nb e t w e e np r o d u c tp l a t f o r ma n dp r o d u c ts e r i e s 产品系列型谱就是通过树状结构或矩阵方式来描述一个企业曾经设计和制造 过的所有产品系列和产品组合，并能方便地从产品系列型谱中看出每个系列产品 的演化过程及主要零部件的构成、通用零部件的构成、专用零部件的构成等，便 于新产品的派生设计、系列化、通用化、标准化设计，从而提高新产品设计效率 1 0 2 产品系列型谱的设计 和质量。产品系列型谱设计最基本的准则是尽量使零部件模块化、标准化和规范 化。 产品系列型谱以产品配制模板( 产品平台) 为基础，通过进行不同的配制， 以满足不同客户群或者不同地区的需求。产品平台与产品系列型谱之间的关系如 图2 1 所示。 产品系列型谱是实现大批量生产设计的关键，只有建立合理的、能够充分反 映客户群需求的产品系列型谱结构模型，才能够在其基础上进行有效和快速的配 置，以在短时间内配置出满足客户群要求的产品。系列型谱建模不再是单一产品 模型的建立闯题，丽是指覆盖某个客户群需求的一类产品模型。产品系列型谱要 覆盖客户群的通用需求和针对特定客户群的特定需求，根据这种要求在进行产品 建模时就必须充分考虑通用需求和特定需求。产品系列型谱模型是在单一产品模 型的基础上进行的延伸，因而包含了更丰富的内容。定义产品系列型谱为在功能 域、技术域和结构域中，组成产品的模块的所有变型都有相同内部接口的产品集 合，每个域中的接口必须标准化以允许变型模块之间的完全替换。产品系列型谱 的组成零部件库能够为特定客户配置出最终产品，能够让销售、设计、制造和服 务部门采用一致的方式反映企业能力和顾客需求；能够作为信息集成平台实现产 品设计全过程的集成。 2 2 产品模型研究 产品由多个结构单元组成，其结构为树型结构、矩阵结构等。作为一类产品 的产品系列模型，必须充分考虑设计知识的重用和产品模型快速变型的机制，产 品模型的构造由以下三个部分组成【1 8 1 。 功能模型。描述产品对象所具有的功能、功能组成和性能等。功能模型的 作用除了为原理模型的构造提供设计要求外，还存贮了设计过程中概念层的知识。 设计者可以利用这些知识，迅速地进行知识重组和新的产品定义。 原理模型。原理模型描述了由功能模型获碍结构模型而进行的设计过程中 所使用的原理( 或方案) ，以及体现该解原理( 或方案) 的各种设计约束、分析计算关 系和对设计过程的控制等设计知识。 结构模型。结构模型描述了产品的装配层次关系及所有可能的组成模块的 结构。结构模型是根据功能模型通过设计过程而获得的，其作用是描述产品对象 具体存在的形式，确定产品物质处理的具体目标。 产品模型的三个视图【2 8 h 3 4 1 ( 功能视图、原理视图、结构视图) 采用树状结构表 示，分别对应功能树、原理树和结构树。其中，功能树和结构树的节点之间具有 层次关系，同一节点的子节点之间具有逻辑关系( 与、或、异或) ；而原理树只管 重庆大学硕士学位论文 理基本原理单元，因此节点之间没有层次关系。不同树上的节点之间具有映射关 系，映射可分为1 ：1 ，n ：1 或互斥的1 ：n ( 一个功能模块可分别由几个原理方案独 立实现) 关系等。图2 2 是产品的三个模型的结构及模型间的关系。由于功能模型 反映客户需求空间，而原理模型和结构模型反映设计空间，这样就在客户需求空 间和设计空间之间建立了关系，使得设计可以满足客户的需求。 霉零一 图2 2 产品功能模型、原理模型、结构模型之间的关系 f i g2 2t h er e l a t i o no f p r o d u c tf u n c t i o n ) p r i n c i p l ea n d s t r u c t u r em o d e l s 由于产品模型是由功能一原理一结构视图组成，如图2 2 所示。因此在产品 配置过程中首先是按照市场顾客需求划分产品功能，然后是功能对应的原理模块 化和产品结构模块化、零部件标准化、系列化，这也意味着企业要形成一套标准 的功能单元。基本的功能单元又有一套基本的原理模块来实现。基本的原理模块 可映射出基本的结构模块，形成功能一原理一结构模块库。这些基本模块随着企 业发展可以不断扩展。在制定基本功能一原理一结构模块库时要把握以下原则： 1 2 2 产品系列型谱的设计 功能模块的独立性功能模块的独立是系列产品以最小的设计修改代价满 足客户需求的保证，这要求功能模块与原理模块进行1 ：l 或互斥的l ：n 映射。 结构模块的种类应尽可能地少，减少内部多样性是降低大批量设计、生产， 产品维修等成本的个重要措施。因此在进行结构模块设计时要不断核对这一原 则。首先在原理模块向结构模块1 ：1 映射的基础上，适当考虑n ：1 映射。将几 个原理模块集中到一个结构模块中来实现。这种集成体现了减少内部多样性的思 想。另外，结构模块设计时尽量采用标准件和通用件也是减少模块种类的一个措 施。 功能一原理一结构基本单元模块的优点在于：基本单元覆盖的范围可以准确 地反映出企业的经营范围和生产能力；为开发人员进行功能一原理一结构的分解 提供最小粒度参考；使设计人员可以在功能一原理一结构库中进行查询。快速查 找到满足功能的原理和结构模块。 2 3 产品功能结构与产品结构 在产品系列型谱中的产品结构中大量用到模块化、标准化、系列化的零部件， 这样减少了零部件的重复设计，降低产品的设计、生产以及售后维修成本。产品 系列型谱包含了模块化设计思想，在阐述产品的功能结构和产品结构之前，下面 我们先来探讨产品中的模块设计思想。 2 3 1 模块化分原则 模块化是产品结构模型的基础。模块，就是可组合成系统的、具有某种确定 功能和接口结构的、典型的通用独立单元。 一般来说，并没有完全统一的模块划分方法，研究对象不同，侧重点不同， 划分的功能模块也不相同。在模块化设计中，必须结合产品的实际情况，从系统 角度出发，应用系统分析方法，以功能分析、分解为基础进行划分，才能达到最 好的效果。 通过对产品功能的分解，明确产品的总功能、子功能、功能元之间的关系， 为功能模块的划分建立基础。在此基础上得出合理划分功能模块应该满足的原则： 功能独立原则 传统上部件和组件的划分注重结构的完整性，而模块则更强调功能的独立性。 功能独立的模块有利于产品的组合，减少功能冗余。 结构独立原则 在功能独立的前提下，模块结构应尽可能独立，这样为模块的设计、制造、 产品的组装等都提供了方便。 部件原则 重庆大学硕士学位论文 以结构相对独立的部件作为模块单元是最常见的模块类型，便于模块的互换， 且模块的结构和性能直接取决于用户需求，便于结构的参数化。 基础件原则 基础件，例如机架、车架等，其材质大都为铸铁件或焊接件，需要做模型， 而且生产加工周期长，会影响产品开发周期。因此整个系列模块设计只有采用同 一类型的联接为基础，建立基础件模块，才有可能实现最经济地派生出各式各样 的产品。基础件模块化的目的是扩大产品的工作空间，使产品的规格和性能在保 证刚度的前提下，具有可变的可能性。 粒度适中原则 模块分解的粒度太大，模块与模块之间的耦合度必然增加，模块化设计及制 造并行开展的余地就减小；模块分解的粒度太小，则会导致产品开发及生产制造的 进度过于零碎，可操作性差。 2 3 2 产品功能结构 产品的功能结构4 3 1 。m 是根据市场顾客的需求得到的，下面我们以摩托车为例 来分析产品的功能结构。 摩托车组成 一般情况下，摩托车具备五大功能【3 9 1 。【4 1 1 ：提供动力、牵引传动、行驶及照明 功能；对应着摩托车的五大部分组成部分：发动饥、传动装置、行车部分、操纵 制动装置及电气部分，摩托车的结构布局图如图2 3 所示。按照摩托车的五大功 能可以把摩托车划分成对应的五大结构部分，对应图2 4 中的产品结构。 图2 3 摩托车的结构布局图 f i g2 3e x p o d e dv i e wo f m o t o r c y c l e 1 4 2 产品系列型谱的设计 图2 4 摩托车基本结构组成 f i 9 2 4 t h e b a s i cs t r u c t u r e o f o f a m o t o r c y c l e 1 ) 发动机 发动机是摩托车的动力装量。该总成将汽油雾化并与空气混合后在气缸内燃 烧，将热能转化为机械能，然后通过传动装把机械能传递给后轮，驱动摩托车前 进。发动机主要由机体、曲柄连杆机构、配气机构以及燃料供给系、润滑系、冷 却系、点火系、排气消声器等组成。 2 ) 传动装置 传动装置处于发动机和后轮之间，主要由离合器、变速器、起动机构和后传 动装置组成，传动装置能根据行驶路况需要把发动机输出的动力和转速经过一 定的变换，实砚降低转动速度、提高驱动扭矩，驱动后轮旋转，起动机构用以起 动发动机。 3 ) 行车部分 行车部分即车体，包括车架、前后悬挂、前后车轮及车身附件等。行车部分 使摩托车构成一个有机的整体支承全车重量