（机械制造及其自动化专业论文）面向多域空间的可适应产品平台设计方法研究.pdf

摘要 可适应产品平台是提高企业对市场需求变化的响应速度，解决产品设计在环 境、资源、设计和生产等领域之间矛盾的有效工具，本文在总结了模块化产品平 台与参数化产品平台的构建方法之后，完善了面向多域空间的可适应设计理论， 提出了整体规划，分层构建和综合管理的可适应产品平台构建方法( o p b c c m ) ， 以该方法为指导，开发了模块划分系统、参数优化与识别系统和模块与参数配置 系统，最后将三个系统集成，构建了可适应产品平台设计系统。全文内容安排如 下： 1 ) 综述可适应设计与产品平台构建及其相关技术的研究现状，简述了这些 技术在机械领域的应用情况，提出本课题的研究内容和意义。 2 ) 介绍可适应产品平台的概念，研究了模块化产品平台、参数化产品平台 的构建方法及其优缺点，并在此基础上提出基于o p b c c m 的可适应产品平台的 构建方法。 3 ) 将模块度作为模块划分的目标函数，建立面向多域空间的模块划分模型， 将n s g a i i 作为核心优化算法，研究优化过程中数据传递的方式，开发出模块 划分系统，并进行实例验证。 4 ) 介绍离差系数的概念，对平台的各种参数进行分类，分析参数优化和识 别系统的功能，研究n s g a i i 与a n s y s 之间数据传递的方法，开发参数优化和 识别系统，并进行实例验证。 5 ) 探求相容决策问题的数学模型，提出利用模块编码解决定性参数相容问 题，利用计算关系式解决定量参数相容问题的方法，并将这种方法应用到模块配 置和参数配置中，结合数据库技术，开发模块与参数配置系统。 6 ) 将模块划分系统、参数优化与识别系统和模块与参数配置系统集成，开 发可适应产品平台设计系统，以大重型圆柱齿轮加工机床平台的设计作为例子验 证设计系统的可行性。 由此可以得到面向多域空间的可适应产品平台设计系统能同时满足多个设 计域的要求，具有更好的适应性和人性化。最后就进一步的研究工作提出了设想。 关键词： 可适应产品平台模块划分参数优化与识别模块与参数配置 a b s t r a c t a d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r m i sa ne f f e c t i v et o o lf o rm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e st h a ti m p r o v e st h er e s p o n s es p e e d t om a r k e td e m a n da n dr e s o l v e st h e c o n f l i c t so ft h em u l t i - d o m a i no r i e n t e dd e s i g ns u c ha se n v i r o n m e n t a l ，r e s o u r c e s , d e s i g n ，p r o d u c t i o na n ds oo n t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e s t h em e t h o d so fh o w t od e v e l o pm o d u l a rp r o d u c tp l a t f o r ma n ds c a l a b l ep r o d u c tp l a t f o r m ，p e r f e c t st h e d e s i g nt h e o r yo ft h em u l t i d o m a i no r i e n t e da d a p t a b l ed e s i g n o nt h i sb a s i s ，a n e wa p p r o a c ho fb u i l d i n gt h ea d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r mi sd e s c r i b e dt h a ti s o v e r a l lp l a n n i n ga n db e d d i n gc o n s t r u c t i o na n dc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n t ( o p b c c m ) a c c o r d i n gt o t h em e t h o d ，m o d u l ep a r t i t i o ns y s t e m ，p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o na n di d e n t i f i c a t i o ns y s t e ma n dm o d u l ea n dp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n s y s t e ma r ed e v e l o p e d ，a n dt h e nt h ed e s i g ns y s t e mo fa d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r m i s d e v e l o p e db yi n t e g r a t i n gt h et h r e es y s t e m s t h e m a i nc o n t e x t sa r ea s f o l l o w i n g ： 1 ) t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t eo ft h ea d a p t a b l ed e s i g na n dt h et e c h n o l o g yo f d e v e l o p i n gp r o d u c tp l a t f o r ma r es u m m a r i z e d t h ea p p l i c a t i o no f t h e s et h e o r i e s i nt h em e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga r ei n t r o d u c e d a f t e rt h e s e ，t h e r e s e a r c h o b j e c t i v e s ，s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e d 2 、t h ep r i n c i p l e so fa d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r ma r ei n t r o d u c e d ，t h e m e t h o d so fh o wt od e v e l o pm o d u l a rp r o d u c tp l a t f o r ma n ds c a l a b l ep r o d u c t p l a t f o r ma r es t u d i e d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e ma r ea n a l y z e d ， o nt h i sb a s i s ，an e wa p p r o a c ho fb u i l d i n gt h ea d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r mb a s e d o no p b c c mi sp r e s e n t e d 3 ) a no b i e c tf u n c t i o no ft h em o d u l a rp a r t i t i o nc a l l e dm a x i m u mm o d u l a r i t y i sf o u n d ，ao p t i m i z e dm o d e lo ft h em u l t i - d o m a i no r i e n t e dm o d u l ep a r t i t i o ni s e s t a b l i s h e db a s e do nt h ef u n c t i o n t h ew a yo fd a t at r a n s f e ri nt h eo p t i m i z a t i o n o fm o d u l ep a r t i t i o nw i t ht h en s g a i ii ss t u d i e d t h em o d u l ep a r t i t i o ns y s t e m w a sd e v e l o p e d ，o n ec a s ei su s e dt om a k i n ge v a l u a t i o no f t h em o d e l 4 、t h ec o n c e p t so fc o e f f i c i e n to fv a r i a t i o na r ed e s c r i b e d ，t h ep a r a m e t e r so f t h ep l a t f o r ma r ec l a s s i f i e d t h ef u n c t i o n so ft h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n d i d e n t i f i c a t i o ns y s t e ma r es t u d i e d ，t h em e t h o do fd a t at r a n s f e ri nt h eo p t i m i z a t i o n o ft h ep a r a m e t e r sb e t w e e nn s g a i ia n da n s y si s s t u d i e d a n dt h e n ，t h e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n di d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d a tl a s t ，o n ec a s e i su s e dt om a k i n ge v a l u a t i o no ft h em e t h o d 5 1t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o m p a t i b l ed e c i s i o np r o b l e mi ss t u d i e d ， am e t h o dt os o l v i n gt h ep r o b l e mi sp r e s e n t e dt h a ti ss o l v i n gt h ec o m p a t i b l e d e c i s i o np r o b l e mo fq u a l i t a t i v ep a r a m e t e r sw i t hm o d u l ec o d i n ga n ds o l v i n gt h e c o m p a t i b l e d e c i s i o n p r o b l e mo fq u a n t i t a t i v ep a r a m e t e r sw i t hc a l c u l a t i n g r e l a t i o n s ，t h em o d u l ea n dp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o ns y s t e m i s d e v e l o p e db y a p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o da n dd a t a b a s et e c h n o l o g y 6 1t h ed e s i g ns y s t e mo fa d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r mi s d e v e l o p e db y i n t e g r a t i n gt h et h r e es y s t e m s ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h es y s t e mi sd e m o n s t r a t e d b yd e v e l o p i n gt h ea d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r mo f t h el a r g ea n dh e a v yc y l i n d r i c a l g e a rm a c h i n e i naw o r d ，t h em u l t i d o m a i no r i e n t e dd e s i g ns y s t e mo fa d a p t a b l ep r o d u c t p l a t f o r mc a nm e e tt h ed e m a n d so f t h em u l t i d o m a i nd e s i g n ，s u c ha sa d a p t a b i l i t y a n dh u m a n i z a t i o n f i n a l l y ，a s s u m p t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a d a p t a b l ep r o d u c tp l a t f o r m ，m o d u l e p a r t i t i o n ，p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o na n di d e n t i f i c a t i o n ，m o d u l ea n dp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n 1 1 1 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妥p 风彼 签字日期： 细。夕年月s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 关芦风波 签字日期：沙j 夕年f 月日 导师签名： 签字日期： 5 者吞乏 卅年6 只 j 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 装备制造业是为国民经济发展和国防建设提供技术装备的基础性产业。我国 装备制造业还存在自主创新能力弱、对外依存度高、产业结构不合理、国际竞争 力不强等问题。究其根源在于我国装备类产品设计制造理念上与发达国家的普遍 做法差距相当大。齿轮制造业是衡量一个国家的制造装配业水平的重要标志，齿 轮的使用贯穿于航空、航天、兵器、船舶、汽车、摩托车、工程机械、起重运输 机械、机床工具等数十种行业中。我国机械工业经过五十年的发展，齿轮制造业 的企业规模和从业人员居世界第一【1 1 ，但是国内目前的数控制齿机又普遍存在精 度稳定性差、自动化程度低、效率不高等缺陷。导致了国内企业目前对高档数控 齿轮加工机床基本依赖进口的局面。同时随着我国社会经济和技术的发展、环保 意识的不断提高，以及市场竞争的空前激烈，均使得装备类产品多样化、个性化、 高性价比的特征日益明显，如何自主构建适应性强的产品平台，能快速设计生产 出适应多样化市场需求、性能优良、成本低、稳定可靠、可维护的产品，以满足 不同用户、不同要求，已成为提高我国企业竞争力的根本途径，而贯穿于产品设 计始终的动态环境对此提出了巨大的挑战，因此，迫切需要提出与之相适应的新 的设计方法和技术来适应这一动态多变的创新环境。可适应设计便是在这样的环 境下提了出来。 产品平台的构建对于企业实现产品创新、快速响应市场和个性化用户需求具 有非常重要的作用，因此它是可适应设计的有效途径之一。产品平台的概念早在 5 年以前已经提出，美国波音7 3 7 系列飞机、法国空中客车a 系列飞机、德国大 众a 系列轿车、德国动车组系列【2 j 都是基于产品平台开发产品成功的典型案例。 在齿轮加工机床方面，目前国内还没有建立产品平台，但是对于大型的滚齿机、 铣齿机、磨齿机和插齿机等各种机床的制造成本是非常高，建立通用的开发平台， 对于齿轮机床的设计、维修、使用都具有非常重要的价值。 第一章绪论 1 2 可适应设计的研究现状 产品平台构建是实现可适应设计的重要方法，同时，可适应设计为产品平台 的构建提供了方法指导，例如多目标优化、模块化设计和参数化设计均是构建产 品平台的关键技术。 1 2 1 可适应设计概念的提出 可适应设计【3 1 ( a d a p t a b l ed e s i g n ，a d ) 是针对全球经济、资源和环境变迁，考 虑产品的多样化特征，提出的一种快速响应不断变化的用户需求，有效的节约资 源的全新设计理念。广义的讲可适应设计是指，将产品内部特征( 或者用户不关 心的特征) 的零部件功能进行独立分析，并设计为产品平台，对产品平台与外围 模块的接口进行总线化设计，用户关注程度高的外部特征，则用可以更换或者升 级的零部件来实现，同时两者之间用总线及接口实现。因此，从设计过程方面考 虑可适应设计的特点是：1 ) 全面考虑用户的各个方面的需求，利用相关技术提 炼出共性需求和个性需求；2 ) 设计出能满足共性需求的产品平台，并开发出个 性需求的功能接口；3 ) 针对生产制造环境的变化，约束产品的各个属性和形态。 4 ) 通过优化，设计出能同时满足功能需求和生产制造环境的产品属性和形态。 1 2 2 可适应设计研究现状 文献 3 】对可适应设计的概念和方法进行了总结，建立了可适应性度量模型 和基于公理设计的可适应设计过程模型，提出了两种类型的可适应性：设计的可 适应性和产品的可适应性，可适应设计的三个核心因素是：功能独立、可适应性 的度量和设计过程模型函数。所得的结果从理论上证实了可适应性是一种客观存 在的普遍现象。文献【4 】研究了实现产品可适应性的指导过程，包括可适应平台 设计、可适应模块化设计、可适应接口设计和详细设计，并对每个阶段的过程做 了详细的阐述。 为了能评价产品的可适应性，文献【5 】中提出了一种新的产品族可适应度评 价方法，从产品的拓扑结构中提取可适应度，并将之转化为灵敏度和相似度，用 来作为平台设计的准则，利用重用设计，产品平台和和元结构的变形来得到产品 变型。文献【6 】将产品可适应性分为产品可适应性、设计可适应性和制造可适应 性三种类型，将产品平台分为广义平台、工艺和制造平台、标准部件平台和模块 化平台四种平台，将接口分为机械接口、能量转换接口、电气接口、固件驱动接 口和软件接口五种可适应接口，利用平台，模块和接口的可适应设计来实现产品 第一章绪论 的可适应性。建立了可适应设计过程模型，指出可适应设计是在一定的可适应度 和性能鲁棒裕度约束下面向产品族的系统优化设计。针对机械结构设计，给出了 可适应度和性能鲁棒裕度的具体计算公式。 文献【7 】把针对产品的可适应设计的重点放在实现产品的调节和适应能力： 不仅能满足顾客的要求而且能满足当前的和进化的产品环境。这篇文章提出了面 向产品的可适应设计方法架构( 产品系统信息_ 设计_ 评价) 、产品到产品系统的 可适应度定量评价方法，并指出了如何在工业中实施此方法的指导方针。 对于可适应设计的评价，文献 3 】中提出以产品的制造设计成本来评价产品 可适应性的大小。认为任何一个行为都包含了两个特征：在一定的约束下实现目 标；消耗成本；而企业追求的是成本必须最小化，这有利于资源的节约和社会的 可持续发展；同时还指出成本( 总成本) 不仅指设计中的资源消耗，而且包括适应 已有产品的工程行为过程中所耗费的资源。并且这篇文章中提出了已有产品或者 某个设计的可适应性的计算方法，认为产品设计可适应性a ( p ) 与适应任务的可 适应性因素i f ( t p i ) 及任务的实现概率p r ( t p i ) 成正比。 1 3 多目标优化的现状 1 3 1 多目标优化方法的研究现状 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些 可变的设计变量，使产品的指标和性能达到预定的目标，就是优化设计方法1 8 】。 现实世界中的优化问题通常是多目标的，但在大多数情况下，被同时优化的目标 之间是有冲突的，为了到达总目标的最优化，就出现了多目标优化。多目标优化 方法有很多，早些年是将多目标通过加权变成单目标进行优化，自从法国经济学 家v p a r e t o ( 18 4 8 一1 9 2 3 ) 在经济学领域最早提出了p a r e t o 解集的概念后，近些年 发展起来的绝大部分多目标优化方法都是基于p a r e t o 解集，例如，f o n s e c a 和 f l e m i n g 提出的多目标遗传算法( m u l t i p l eo b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ，m o g a ) ， s r i n i v a s 和d e b 等提出的非劣分层遗传算法( n o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i c a l g o r i t h m ，n s g a ) 以及d e b 后来提出的n s g a i i ，h o r n 和n a f p l i o t i s 提出的小 组决胜遗传算法( n i c h e dp a r e t og e n e t i ca l g o r i t h m ，n p g a ) ，还有多目标粒子群优 化算法( m u l t i p l eo b j e c t i v ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，m o p s o ) 等等。 性能优越的多目标优化方法，应该能够得到比较理想的非劣解集，具体包括 以下几个方面一j ：收敛速度快，运行效率高，大多数多目标算法非常复杂，收敛 的速度就显得很重要：获得的非劣解集应均匀分布；获得的非劣解集必须很接近 第章绪论 最优解集。 目前，国内外许多学者都致力于多目标优化的研究。近年来有关多目标优化 方法研究的国外博士论文就有很多，例如e n t r o p ya p p r o a c ht om e t a - m o d e l i n g ， m u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dq u a l i t ya s s e s s m e n to fs o l u t i o ns e t sf o r d e s i g no p t i m i z a t i o n ( f a r h a n g m e h ra ，u n i v e r s i t yo fm a r y l a n d ，2 0 0 3 ) ； m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i n e n g i n e e r i n gd e s i g n ( a n d e r s s o nj ，l i n g 6p i n g s u n i v e m i t y ，2 0 0 1 ) t 1 等等， 为了得到性能优越的多目标优化方法，一些学者提出 了新的思路。例如，2 0 0 3 年l i 等人【1 2 】提出了p p g a ( p r e d a t o r - p r e yg e n e t i c a l g o r i t h m ) 算法。不过，寻求高效多目标优化方法的研究还是更多地集中于对已 有算法的改进方面。例如，在原有非劣分层遗传算法( n s g a ) 的基础上d e b 等发 展n s g a i i 算澍1 3 1 。 1 3 2 机械产品优化技术研究现状 在解决多目标问题时，仅仅研究优化方法还是不够的，必须将之与实际问题 结合起来，建立优化模型，才能解决实际问题。而对于产品平台的设计问题主要 集中在四个方面的优化，一是产品模块划分算法，一是产品设计参数的优化，一 是产品拓扑结构的优化，一是模块配置的优化。 文献【1 4 】介绍了结构拓扑优化设计的发展过程和主要的数学模型，描述了优 化准则法、序列线性规划法和移动渐进线法三种常用的优化算法，举例说明了拓 扑优化设计在静态结构、动态特性和柔性机构设计中的应用。文献 1 5 1 应用模糊 数学评价理论与最d - 乘法，构建了以产品性能、成本及出货期为目标函数的配 置优化数学模型，并采用基于改进的非支配排序遗传算法对三者进行并行优化。 由此获得一系列基于p a r e t o 最优集的配置方案来满足不同客户对产品性能、成 本及出货期的要求，并将之应用到车床的模块配置中。文献【1 6 】针对m o p s o 算 法局部搜索能力差的缺点，提出了单纯形与多目标粒子群优化方法的混合算法 ( s i m p l e xm e t h o d - m u l t i p l eo b j e c t i v ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z m i o n ，s m m o p s o ) 以 及单纯形与单目标粒子群优化方法的混合算法( s i m p l e xm e t h o d p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ，s m p s o ) 。并将之应用到飞机吊挂结构的多目标优化设计上。 有限元法是计算和分析大型机电产品的最常用的方法，仅仅凭借一般的计算 公式远远无法满足机械产品结构的分析，因此将有限元法和多目标优化相结合是 最有效的方法。国外已经有几种能结合有限元法的多目标优化软件，如i s i g h t , m o d ef r o n t i e r , l o s on sg t 等等。 4 第一章绪论 1 4 复杂网络技术的研究现状 1 4 1 复杂网络研究现状 复杂网络理论是最近针对因特网、电力网络和分子系统等结构非常复杂的系 统发展起来一种新的理论。自从w a t t s 和s t r o g t z 于1 9 9 8 年提出了小世界网络模 型以及b a m b d s i 和a l b e r t 于1 9 9 9 年提出了无标度网络模型，复杂网络理论得到 了飞速发展。同时，复杂网络的分析方法也已经广范应用于各个领域，许多复杂 系统都可以抽象为复杂网络，其中个体是网络的节点，个体之间的关联对应于连 接节点之间的边，如生物网络，城市交通网络，通讯网网络和机械零部件关系网 络等等。 在许多情况下，边的连接权重是非常重要的，如零部件之间的关系，因为装 配关系的不同，彼此影响的程度也会有很大不同，因此加权网络可以反映更丰富 的信息，更接近实际问题。目前，对加权网络的研究工作主要集中在网络静态统 计性质、网络的物理模型和网络演化模型等几个方面【】7 】。如李翔等提出了局域世 界演化网络模型【l 引，并以世界贸易网为例对该模型的特性进行了研究。狄增如等 对加权网络进行了较深入研究，并以科学家合作网为例对加权网络的特性进行了 研究。史定华等对网络演化机理进行了研究，提出了网络演化的新模型【l 圳。 1 4 2 复杂网络在机械制造领域的应用 在机械制造领域，存在多种网络形式，如供应链网络、企业合作网络、生产 计划网络等。将复杂网络理论应用到机械制造领域，为制造科学提供了新的理论、 思路和方法。在机械制造领域，对复杂网络的应用主要应用在如下两个方面： 1 ) 零部件关系网络 通过复杂网络的中理论和各种优化算法，对零部件关系网络进行统计分析， 可以分析出零部件的通用性，零部件的用量预测以及产品族模块配置等等。如文 献 2 0 】将复杂网络理论和算法应用于复杂机械产品的大批量定制领域，对复杂机 械产品的零部件分析与配置技术进行了较为系统和深入的研究。提出了基于复杂 网络理论和算法的产品零部件分析方法、配置模块关联系数计算方法、配置产品 尺寸参数传递与修改方法、产品模块化评价方法。以工业汽轮机等产品为例，对 上述方法进行了应用验证。文献 2 1 】用零部件关系网络和模块关系网络描述复杂 机械产品族的结构及其主结构，运用简单路径搜索等算法对各个节点的阶数、次 数和产品数等参数进行计算和统计。通过分析和比较这些参数，区分基本模块、 必选模块和可选模块，提出基于产品族结构网络模型的模块分类方法。某企业工 第一章绪论 业汽轮机产品族为例对上述方法进行验证。 2 ) 资源供应链网络 为了协调企业内部、企业与企业之间各中资源的合理分配。将复杂网络理论 应用到供应链的分析，能得到供应链的鲁棒性和脆弱性，从而有利于供应链的管 理。如文献【2 2 】将复杂网络理论研究成果用来分析供应链上各个节点的脆弱性， 和整个供应链网络的可靠性，进而帮助设计供应链网络结构，增加供应链的应急 能力；利用复杂网络理论，可以分析各个节点在整个供应链中的重要程度，反映 各个环节的瓶颈问题，还可以用来发现供应链中的关键节点，从而对供应链进行 有针对性地优化，最后达到供应链的整体优化；从宏观整体的角度去分析单独的 点和整体网络之间的关系，到达资源和其偶也利益的合理分配。 1 5 产品平台构建技术的研究现状 产品平台是一系列产品所共享的零部件、子系统、接口和制造过程的集合， 利用它可以高效派生出新产品。产品平台构成了能够有效设计和制造一系列产品 的通用结构，是通用要素的集合，尤其是在跨越整个系列产品的底层核心技术。 1 5 1 模块化产品平台设计 模块化产品平台是以模块化设计作为重要设计方法的一种平台。模块化设计 最早是在5 0 年代由欧美国家的学者提出【2 3 1 。模块化产品平台是将产品分解为各 种模块，并使模块系列化、通用化、标准化，通过模块的选择和组合组成不同的 产品或系统，以满足不同的需求【2 4 1 。因此，模块化产品平台设计就集中在模块划 分，产品配置两个方面。 日本的y i t o t 2 5 】等人1 9 7 9 年提出了分层模块化结构的概念，他们提出用g t 码和力流来描述机床平台的结构模式。i t o 和s h i n n o 2 6 1 ( 1 9 8 2 ) 在上述平台结构模 式的基础上引入了共同度、相同率和相似率来评估具体机床结构形状的相似性。 童时i ：卢 2 7 , 2 8 1 从系统论的角度指出模块化设计是面向产品系统的设计，是标准 化设计、组合化设计。他总结出模块化设计的三个不同层次：( 1 ) 模块化产品系 统设计；( 2 ) 模块系统设计；( 3 ) 模块化产品设计。并分析了模块化作为一种现 代设计方法及新的标准化形式而形成独特的标准化属性；探讨了模块化设计中的 系统分解方法及模块化的实施途径。 文献 2 9 采用自底向上法以已有产品的功能结构为基础，通过划分产品模 块、分析模块性矩阵得到模块化产品平台： 6 第一章绪论 1 ) 模块划分 模块划分是模块化设计的前提与基础，模块划分的结果直接影响模块化设计 系统的功能、性能和成本，一般的模块划分有两个方向，一个是定性分析，从产 品的功能分析入手；一个是定量分析，从产品零部件之间的相关度入手。 模块划分最基本原则是模块划分最基本的原则是以少数块组成尽可能多的 产品【2 引，模块划分的结果必须使得模块内零部件之间的相关度之和最大，模块之 间的相关度之和最d , t 砌j 。 从功能方面考虑，模块划分实际上是完成功能域到结构域的映射，s u h 3 1 1 从 功能一设计参数映射的角度定义模块化设计：模块化设计是一种分析结果的产 生，这种结果以产品、过程和系统的形式表现，并满足预定的需求，其方法是选 择适当的设计参数( d p s ) 完成从功能需求域( f r ss p a c e ) 至l j 设计参数域( d p ss p a c e ) 的映射，即 f r 】= a 】【d p 】，其中【a 】是设计矩阵。 从相关度方面考虑，模块划分实际上是解决模块之间的独立性问题。p i m m l e r t u 和k u s i a k a 1 3 2 , 3 3 等人研究了基于相关程度分析的模块划分方法。通过分 析组成产品的各零部件( 功能) 之间在材料、能量、信息、空间等方面的相互作用 程度，确定模块的划分。g u 等人| 3 4 1 提出了一种面向产品生命周期的多目标( 易于 回收性、可升级、可重复用、重构等) 的模块划分方法。王爱民等人将模块划分 理解为多约束条件下的优化设计，从功能约束，装配约束和成本约束三个方面对 模块划分进行约束，并建立了优化模型。 由此可见模块划分角度有很多：面向设计，面向生产制造，面向使用、装配 和维修，面向回收，面向整个生命周期。 模块聚类的具体算法也有很多，前聚类方法可分为定性和定量两种。定性是 指非数值计算方法，主要采用启发式以及树图等进行模块的聚类，如s t o n e 等1 3 5 j 提出一种启发式模块划分方法，王海军等【3 6 】提出了基于模糊树图的模块划分方法， 还有基于；定量是指数值计算方法，采用各种算法进行聚类，其中基于遗传算法 和模拟退火算法最为典型。但无论定性还是定量，基本都是以单元间的相关性分 析为前提。 2 ) 产品配置 产品配置可以理解为模块组合的一种延伸，是产品族设计最有效的方法，但 也受到一定的限制。可以认为模块化就是通过构建基于产品族框架的模块系统， 并由这些模块的组合来实现产品族。图1 1 描述的就是模块系统与产品族的关系。 第一章绪论 晶族 图1 1 模块系统和产品族关系图 陈敏贤等1 3 7 , 3 8 提出了基于模块编码的计算机辅助模块组合方法。h e d a v i d w 【3 9 】研究了模块化产品的装配设计问题，也即模块化产品的组合，针对模块化 产品的特点，提出了系统组合的方法。徐燕申等1 4 0 】提出了利用模糊相似优先比挑 选最佳匹配模块的算法，算法解决了在产品配置局部范围内模块的最佳组合。王 海军等【4 l 】采用模拟退火算法选择所有的模块参与组合，求解最优配置，算法能组 合出整体最优的产品，但由于计算量庞大，使得效率不高。张利等 4 2 1 提出了模块 选择系数的概念，协调了模块化产品配置中全局最优解和模块组合爆炸相互矛盾 的问题。文献【4 3 将产品配置分为三类：一种是平台结构配置，对产品结构确定 的产品直接选择满足约束的模块进行配置；一种是基于辅助参数结构配置，根据 需求，对模块进行参数化驱动，然后再配置；一种是变形结构配置，如果模块的 拓扑结构要发生变化，则先进行变形设计或重新设计，在进行配置。 模块组合的依据是模块的之间的约束，而接口便是解决约束最好的方法，接 口的设计与规划对模块化的实施有直接的影响。顾佩华等人1 3 0 j 对产品族中产品平 台及与其连接的其它专用模块之间的接口问题进行了研究。受到计算机总线技术 的启发，文中提出了机械总线的概念，即机械产品的产品平台和专用模块之间的 专用接口，并说明了机械总线的设计过程，开发了相应的软件执行这一过程。此 外，还指出了进行结构设计时机械总线应该具备的关键特征。 1 5 2 参数化产品平台设计 文献【4 4 】将聚类分析引入到平台设计中，该方法在解析模型建立与灵敏度分 析的基础上，采用性能损失为聚类衡量指标对候选的设计变量值分类，建立产品 族的参数化多重平台； j o n a t h a nr 等人【4 5 】构建产品平台的方法是：在已有的市场需求信息，如产品 的主要性能设计要素及其范围等设计需求的基础上，采用一种综合数学计算和目 8 第一章绪论 标优化的计算方法对产品平台的约束和目标进行建模并求解，最终规划出面向某 一产品族的、满足需求的产品平台的设计变量取值或取值范围。 文献 4 6 】以灵敏度、相似度、聚类分析等参数化分析工具，提出了一种可适 应性的参数化产品平台的构建方法，同时以旋压切割机为实例验证了该方法的可 行性。 s i g u r da n e l s o ni i 等人【47 】采用非线性优化的方法构建产品平台。着重研究 当产品共享产品平台时产品的性能比较产品独立设计时其性能的变化，通过采用 多规则优化建模和p a r e t o 优化求解可以定量的表明产品共享产品平台时其性能 会下降，因此设计者要通过多规则的优化过程得出性能和部件共享时较优的结合 点参数。 1 5 3 可适应产品平台设计 针对传统模块化设计的不足之处，在传统的模块化设计基础上天津大学的徐 燕申教授提出了广义模块化设计方法【4 8 。广义模块化设计使分级特性不明显或结 构不易系列化、通用化和标准化的产品实施起模块化设计变得容易。广义模块化 设计主要是利用参数化和变量化技术实现了非定型结构产品的模块化设计。 文献【4 9 】提出了可适应模块化产品平台规划方法，作者将可适应模块化产品 平台定义为，平台模块具有柔性、适应性的特点，模块之间具有完整约束和标准 化的柔性接口，并且在平台内部封装了标准化、系列化的可适应参数( a d a p t a b l e p a r a m e t e r ，a p ) ，通过可适应参数的变化，驱动生成相应的可适应模块结构，从 而适应不同机型、不同客户群、不同环境的定制需求。 1 6 课题的提出和研究内容 1 6 1 课题的提出和意义 本硕士论文研究课题来源于国家8 6 3 项目“面向多域空间的装备类产品可适 应设计方法与技术研究”。该课题已经初步建立了面向多域空间的可适应设计方 法和技术体系，并结合液压机 5 0 , 5 1 , 5 2 、数控铣齿机【5 3 】等典型机电装备，对面向多 域空间的典型装备数据库及各种可适应设计软件工具系统进行了初步规划1 5 4 | ，并 明确了系统的主要模块和开发工具。但是想要将整个设计过程以计算机辅助设计 的形式表现出来。需要一个完整的支撑平台。 因此，如何以面向多域空间的可适应设计作为理论指导，建立完善的可适应 平台构建理论和技术，开发出支撑整个开发过程的软件，是当前主要的任务。因 9 第一章绪论 此，基于多目标优化的可适应产品平台研究和应用具有如下意义： 1 ) 技术方面：将复杂网络理论应用到产品模块划分中，提出了一种面向多 域空间的模块划分的新方法；将多目标优化与有限元分析相结合，为产品的优化 提供技术支撑；提出了一种新的相容决策问题的解决方法。 2 ) 应用方面：开发出可适应产品平台设计系统，提供了平台的模块库、零 件库、参数库和产品库的设计和管理功能，提供了产品平台参数优化功能，能快 速设计多样化的产品；使企业生产规划能根据需求的变化而变化，节省设计生产 时间，快速响应市场需求；同时能使产品利用率高，零部件的拆装与维修方便， 大幅降低用户的使用成本。 1 6 2 课题研究内容 对于可适应产品平台的构建，现在还缺乏有力的软件和完善的理论指导，本 文在总结了各种平台的构建方法之后，对柔性平台构建的理论进一步完善，提出 了可适应产品平台的构建方论及步骤，并按照这种方法，开发了可适应产品平台 设计系统。 全文内容安排如下： 第一章：绪论。介绍了本课题的研究意义和背景。首先综述了可适应设计的 研究现状；而后介绍了多目标优化设计的研究现状以及多目标优化在机械领域的 应用情况，简述了复杂网络的研究现状及其在机械领域的应用情况；最后介绍了 产品平台相关技术的研究现状，包括模块化产品平台、参数化产品平台和可适应 产品平台的相关研究理论和现状； 第二章：面向多域空间的可适应产品平台构建理论。本章介绍了可适应产品 平台的相关概念，阐述了模块化产品平台、参数化产品平台的构建方法及其理论， 然后介绍了面向多域空间的可适应设计的相关理论，并在此基础了提出了一种可 适应产品平台的构建方法，同时介绍了在构建中需要用到的多目标优化理论。 第三章：基于模块度的多目标模块划分模型的建立与实现方法。本章利用复 杂网络的相关理论，将模块度作为模块划分的目标函数，利用多目标优化，提出 了面向多域空间的模块划分方法，然后设计了整个模块划分系统的结构，实现了 系统的各个功能，并以大型铣齿机作为例子，验证了模块划分方法的可行性。 第四章：产品平台参数优化与识别方法研究与系统设计。本章介绍了平台的 各种参数和离差系数的概念，然后分析了参数优化和识别系统的功能，根据功能 设计了系统的结构和数据库，并实现了参数优化与识别功能，最后以内嵌式工作 台作为例子验证了该优化与识别方法的可行性 第五章：模块与参数配置的关键技术与系统设计。本章介绍了相容决策问题 1 0 第一章绪论 的相关概念，提出利用模块编码解决定性参数相容问题，利用m a t l a b 计算解 决定量参数相容问题的方法，并将这两种方法应用到模块配置和参数配置中。接 着设计了系统的结构和数据库，并实现了模块与参数配置功能，最后开发了系统 与模块划分系统和参数优化系统的数据库接口以及与s o l i d w o r k s 的接口。 第六章：基于o p b c c m 的可适应产品平台设计系统开发及应用。本章首先 将模块划分系统、参数优化与识别系统和模块与参数配置系统集成，构建出可适 应产品平台设计系统；然后详细叙述了根据该设计