（机械制造及其自动化专业论文）基于模块化产品族的产品配置研究.pdf

摘要 面向大规模定制是一种新型的生产模式，它必将成为2 1 世纪工业的主流生产 方式。如何高效便捷的配制出符合客户需求的产品是大规模生产方式成败的关键 因素之一。基于模块化产品族的产品配置方法是解决这一问题的有效手段。本文 以粗纱机产品为研究对象，深入研究了粗纱机产品配置技术的理论和方法，主要 内容如下： 在研究产品族模型理论的基础上，对粗纱机进行了产品族规划，重点研究了 模块化划分的方法，按照功能结构映射原理对粗纱机进行了功能模块的划分建 立了基于模块化的粗纱机产品族模型。 将大规模定制下的产品配置技术引入到粗纱机产品设计当中，研究了产品配 置理论模型、产品配置管理、产品配置设计和产品配置规则，重点研究了基于产 品变量配置规则，将模块化设计理念引入到产品变量结构( p v s ) 中，提出了基 于模块化粗纱机产品变量配置方法并给出了配置流程。 研究了用户需求的获取和转化，以及s m a r t e a m 二次丌发技术的研究，为系统 的丌发提供了保证。在s m a r t e a m 平台上开发了一套基于模块化产品族的粗纱机 产品配嚣原型系统，可根据用户需求快速选择模块，配置出满足用户需求的产品 方案。 详细介绍了粗纱机产品配置系统的结构体系以及系统功能，最后给出了系统 运行实例。 关键词：大规模定制模块化产品族产品配置粗纱机 3 a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o ni sak i n do fn e wp r o d u c t i o np a t t e r n ；i tm u s tb e c o m et h e p r o d u c t i o nw a yo fm a i ns t r e a mo ft h ei n d u s t r yo f2 1c e n t u r y h o wt oe f f i c i e n c y c o n f i g u r e dt h ep r o d u c tt h a ta c c o r d sw i t hc u s t o m e rd e m a n d st h a ti s o n eo ft h ek e y so f t h es u c c e s so fm a s sc u s t o m i z a t i o n f i g u r a t i o nd e s i g nb a s e do np r o d u c tf a m i l yo f m o d u l a ri st h ee f f e c t i v em e a n so fs o l v i n gt h i sp r o b l e m t h i sa r t i c l et a k et h ef l y f r a m ep r o d u c ta st h er e s e a r c ho b j e c tt h o r o u g h l ys t u d i e dt h ef l yf r a m ep r o d u c t c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yt h e o r ya n dt h em e t h o d ，m a i n l ys t u d i e dt h ec o n t e n t a s f o l l o w s ： i nt h er e s e a r c hp r o d u c tf a m i l ym o d e lt h e o r yf o u n d a t i o n ，c a r r i e do nt h ep r o d u c t f a m i l yt ot h ef l yf r a m ep l a n s ，s t u d i e dt h em o d u l a rd i v i s i o nm e t h o dw i t he m p h a s i s ， c a r r i e do nt h ef u n c t i o nm o d u l ed i v i s i o n a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o ns t r u c t u r em a p p i n g p r i n c i p l et ot h ef l yf r a m e ，e s t a b l i s h e db a s e do nt h em o d u l a rf l yf r a m ep r o d u c tc l a s s m o d e l s t u d i e dt h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nt h e o r e t i c a lm o d e l ，t h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n t ，t h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dt h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nr u l e ， s t u d i e dw i t he m p h a s i st h ep r o d u c tv a r i a b l e c o n f i g u r a t i o nr u l e ，i n t r o d u c e d t h e m o d u l a rd e s i g ni d e ai n t op v s ，p r o p o s e dp r o d u c tv a r i a b l ec o n f i g u r a t i o nm e t h o d b a s e do nt h em o d u l a ra n dp r o d u c e dt h ec o n f i g u r a t i o nf l o w s t u d i e dt h eg a i na n dt r a n s f o r m e do ft h eu s e rd e m a n d ，a n dt h et w od e v e l o p m e n t s t e c h n o l o g i e s r e s e a r c ho fs m a r t e a m ，p r o v i d e dt h eg u a r a n t e ef o r t h es y s t e m d e v e l o p m e n t i nt h es m a r t e a mp l a t f o r m ，d e v e l o p e do n es e td i s p o s i t i o np r o t o t y p e s y s t e mb a s e do nt h em o d u l a rp r o d u c tf a m i l yo ff l yf r a m ep r o d u c t ，m i g h ta c tf a s t c h o i c em o d u l ea c c o r d i n gt ot h eu s e rd e m a n d ，c o n f i g r a t e dt h ep r o d u c tp l m at h a tm e e t s t h eu s e rn e e d d e t a i l e di n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo ft h ec o n f i g u r a t i o ns y s t e mo ff l yf f a n a e p r o d u c ta s w e l la st h es y s t e mf u n c t i o n ，f i n a l l yp r o d u c e dt h es y s t e mm o v e m e n t e x a m p l e k e yw o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n ；m o d u l a r ；p r o d u c tf a m i l y ；p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ； f l yf r a m e 4 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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些去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沦文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 哳缸声 签字同期0 年月侈| = i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权丢洼工些盍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税明) 学位论文作者签名：沂缸力 签字闷期：3 0 0 年f 月1 7 h 翩繇史小耳 签字日期：j a 占年，月，弓同 学位论文的主要创新点 一、研究了面向大规模定制的产品族和产品配置设计理论、方法和 相关技术，为实现粗纱机产品快速配置系统提供了理论和技术基础。 二、将模块化理念引入到产品变量结构( p v s ) 中，提出了基于模 块化产品族的产品配置设计方法，给出了配置流程，并将其应用到粗 纱机产品配置系统当中。 三、在p d m 软件s m a r t e a m 中定义了粗纱机产品类结构模型等，开 发了粗纱机产品配置原型系统( c s j p z ) ，研究了c s j p z 系统与 s m a r t e a m 软件系统的集成。 第一章绪论 1 1大规模定制概述 第一章绪论 近几十年来，越来越丰富多商品供应带来了越来越激烈的市场竞争，同时也 促进了客户需求的多样化。为满足客户需求和赢得时间竞争，企业不得不生产定 制化、个性化的产品并提供相应的服务，同时又要满足上市快、成本低和质量高 的要求。大规模定s t ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 为企业提供了满足这些需求的一 条途径。大规模定制是试图将大批量生产的速度和成本同定制的满足客户的个性 化需求结合起来的一种新型生产模式【1 1 。 大规模生产的基本思想是：将定制的产品转化为批量生产，使得产品对客户 来说，他所得劐的产品是定制的，是个性化的；对厂家而言，该产品是采用大批 量生产方式制造的，其成本不会增加。美国生产与库存协会认为，大规模定制是 一种创造性的大量生产，它可以使顾客在很大的品种范围内选择自己特定需要的 产品，而且采用大量生产方式，其成本非常低【甜。大规模定制必将作为2 1 世纪 制造业的主流生产方式。 面向大规模定制的产品开发设计与制造是成功实施大规模定制的关键技术。 大规模定制的设计方法1 3 1 ，包括： 标准化、规范化： 面向产品族设计； 模块化设计； 后延设计； 产品配置。 大规模定制要求销售、设计、制造等多方面信息敏捷交流。产品配置通过配 置模型，从客户的需求模型中获知能否实现客户的要求，并根掘配置结果判断实 现配置结果所需要的成本和时间，在客户确认后再使用配置结果指导设计和制造 的有序进行。所以，这种设计方法为快速配置出满足客户需求的产品，及时响应 市场提供了技术支持。 第一章绪论 1 2 产品配置概述 1 2 1产品配置的概念 产品配置是管理与设计两种行为的有机结合，作为一种管理行为它以零部件 库或模块库为底层支持，以系列化产品的相关数据作为管理对象，以产品的物料 清单为核心，实现产品数据的组织、控制和管理，并在一定目标或规则约束下向 用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述【4 】；作为一种设计行为，它以产 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 效地缩短了订单响应时间。 当前，在企业中使用形式单一的材料明细表和简单的版本管理己经不能完全 满足企业复杂产品信息管理的要求。物料清单( b i l lo fm a t e r i a l ：b o m ) 作为企 业进行设计、生产、管理的核心，不同的部门要求有所不同。比如在生产部门中， 他们只需要知道需要自己生产的零部件的制造b o m 表；对于采购部门需要包括原 材料及标准件、外购件的采购b o m 表；财务部门更关心的是反映零部件成本核算 情况的财务b o i v i 表；设计部门作为提供b o m 表的部门应提供最为全面的设汁b o m 表。为了满足上述的要求，须将产品结构中的零部件按照一定的条件进行重新编 排，得到该条件下特定的产品结构”1 。在研究领域内，专家学者普遍认为，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1 6 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。 1 2 2 大规模定制下产品配置需解决的问题 当前实施大规模定制生产企业中在产品配置方面急需要解决以下两个问题【7 j ： f 1 ) 产品结构模型的柔性不够理想，现在生产企业急需一种数据模型，它能 够以最少的基本产品结构，形成最多的最终产品型号。 ( 2 ) 缺少能够快速配置出变形产品的配置模型。通常的产品配置偏r u j 于产品 墁计领域，而大规模定制生产方式下的产晶配置偏向于产品结构的变型，即通过 很少甚至不用设计新的零部件来达到最多产品型号的要求，这样，就需要研究在 第一章绪论 产品配置模型的基础上快速配置出满足约束的多样化的需求。 本文中提出了p v s ( 产品变量结构) 模型来解决以上的问题。产品变量结构 ( p r o d u c t v a r i a n ts t r u c t u r e ，p v s ) 是在传统产品结构( 一般为e b o m ) 基础上，将配 景变量、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【8 】。以p v s 模型为基础，设计出灵活、有效、科学的产品配置 系统，帮助企业提高其竞争力。p d m 中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定制需求、灵活、有效、科学的产品配置模式需要 做大量的工作。 1 2 3产品配量研究现状 产品配置在其最初产生的时候，是为了辅助订单销售而设计的一个独立的工 具。它有自己的产品信息库和配置规则等。随着计算机的软硬件技术的发展和普 及，企业中的应用软件越来越多，企业越来越希望能够在不同的软件之间的信息 共享。信息共享的一个重要途径就是应用集成。这种趋势也迫使产品配置系统和 其他方面的信息系统进行集成，这些信息系统包括“e r p ”和“p d m ”。集成的 产品配置系统不仅使产品配置功能上得以明显的提高，同时也增强了“e r p ”和 “p d m ”系统的功能，甚至已经成为其中不可或缺的一部分1 4 1 。 目前，对于配置设计的研究有基于规则、基于实例以及基于模型等方法，但 这些研究对于配置设计所面对的对象的分类考虑尚不充分，如不同人员所面对的 配置过程和内容上的差异等。面向大规模定制的配置设计直接面对的是客户，而 展现在用户面前的是产品总体性能或特色，而非具体零部件的选择，因此，必须 由设计人员根据用户的特定要求配置出满足客户需求的产品配置。 当前企业在很大程度上转向面向用户订单进行生产，例如面向订单的制造、 装配以及产品设计等等。为了适应这种转变，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。 近年来出现了很多关于产品配置的方法和理论，如基于知识的配置管理思 想，该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。有学者针对产品配置过程提出了一种基于规则的 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 第一章绪论 置模型、需求以及合法配置进行形式化定义。文献【9 ，【1 0 对面向大规模定制的 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。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。文献 1 1 研究了分布式大规模定制环境下产品配置的研究，并研究了配置 规则及其算法，提出一种分布式环境下大规模定制的过程模型。文献 1 2 1 、f 1 3 对在线产品配置设计工具进行了深入系统的研究，并提出一种通用在线产品配置 设计工具的结构。对产品配置的研究己经从管理的角度、应用的角度、约束表达 以及产品配置设计工具等各个方面展丌了研究。但是，不同产品对产品珂己置的要 求也是不一样的，有必要对特定产品的配置进行研究。用户的需求多种多样以及 配置约束规则的复杂性，使得约束的表达和处理都非常复杂，一般都采用专家系 统实现，因而产品配置方案的生成成为一个非常复杂的过程。 国外，基于模块化产品配置设计方法亦日益受到重视，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 等1 1 4 】给出了一种造型文法( s h a p eg r a m m a r ) 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 i ts j 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 e z 等6 】提出了种基于模块化产品 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，国内对于基于模块化产品族的产品配置的研究还不多见。这种产品配 置技术是在充分考虑市场需求的前提下，在产品族和模块化设计理念的指导下， 在产品规划阶段，采用面向一族或一系列产品的设计思路来进行产品配鼹和丌 发，从而保证对不同客户群以及市场定位需求的及时相应。因此，它将是实现大 规模定生产模式的有效设计手段之一。 1 3 纺机产品设计的现状 纺织机械是我国装备制造业的重要基础之一，它对振兴我国纺织工业和推动 国民经济发展起着十分重要的作用。建国咀来，我国纺机经过五十多年的发展， 从无到有、从弱到强已经形成一定的规模。自从中国加入世贸组织以后，纺机企 业在面临机遇的同时，更多的是挑战。中国纺机业是劳动密集型产业，与发达国 家相比具有优势，但要实现从低档产品向高档机电一体化产品升级，不断满足客 第一章绪论 户的多样化、个性化需求，实现从产业优势向竞争优势的飞跃，中国纺机企、必 须缩短产品开发周期和加快产品的更新换代速度，通过创新机制，形成企业技术 创新体制。 目前，我国的纺机产品存在以下问题： 1 产品品种少，技术水平低。国际上纺织机械的品种发展很快，特别是在 自动化、连续化、高速化、智能化等方面发展比较迅速。而我吲纺织机 械企业的技术创新能力不足，主要产品技术依赖国外，缺乏有自主知识 产权的产品技术。产品更新周期长，不能适应市场需求，和囤际先进水 平相比，存在不小差距。 2 产品质量不稳定，可靠性不高。许多企业只求做得像，不求做得好，没 有从根本上解决问题。纺机行业中建立i s 0 9 0 0 0 质量认证体系的企业为 数不多，产品质量不稳定，可靠性低，制约了纺织工业的发展。 3 产品结构不合理，竞争力弱。市场急需的高技术含量的产品严重不足， 低水平的产品过剩。许多纺织企业的设备陈旧，急需更新换代。 4 在我国纺织机械行业中。对产品的配置设计大多数还处于手工的阶段。 以粗纱机为例，共有零部件号1 0 0 0 余种，零部件总数有1 0 0 0 0 多个，并且 存在着大量的借用件。在产品设计过程中，设计人员需要根据用户提出 的个性需求快速配置出不同的产品。面对如此庞大的数据，手工配景设 计的工作量很大，无法满足快速配置要求，而且出现差错、遗漏的概率 也比较大。 1 4 本文研究背景与内容 1 4 1 研究背景 纺机产品，其结构特点为机型多、系列多，每个系列的变型产品较多，并且 用户的需求呈现多样性，产品的结构和参数特征变化较多。因此纺织机械产品必 须实现柔性化，柔性化有两层含义：首先是产品具有自适应性，如纺纱设备能方 便地适应不同种类的纤维，织机能满足多种织物对织造工艺的要求，在变换品种 时能做到方便快捷；其次，纺织机械设备制造商应具备根据用户的要求而量身定 制的能力。如果不能对用户的需求做出迅捷的有效地反应，那么就有可能失去用 户，从而在竞争中处于不利地位。 目前，很多纺织机械企业结合市场发展，一方面根据客户的个性化需求刈现 有产品进行改型设计；另一方面将很大一部分精力投入到新产品的丌发上。然而， 第一章绪论 由于种种原因现有新产品开发人员严重短缺，加上市场竞争压力大，丌发时问紧、 任务重，现有的设计和开发管理体制已经远远不能适应快速丌发新产品的需要， 项目开发进度和质量常难以得到有效的控制。基于模块化产品族的产品配置在纺 机产品设计的应用为快速高效地开发系列化提供了有效的方法。它可以提高产品 设计的一次成功率，并且极快的丰富产品规格和品种系列，提高产品性能、质量 和对用户的响应能力，适应产品快速更新换代的要求。 本论文是在天津市科委科技攻关培育项目研究成果的基础上进行的后续研 究。模块化设计理念的应用是某纺机厂产品设计今后的发展方向，而对基于模块 化的产品配置的研究在纺机产品中应用还很少，因此有必要对这种产品配置技术 进行研究。本文密切结合工厂实际，对企业的粗纱机产品进行产品族分析和模块 划分，建立适用于纺机产品的配置处理，实现了产品方案的快速配置。进而使企 业尽快掌握先进的产品设计技术，加快产品系列化设计的速度。为我国纺机制造 业提高产品创新开发能力、市场响应能力和市场竞争能力，提供一种有效解决方 法，促进我国尽快建设成现代化纺织强国。 1 4 2 论文的主要研究内容及安排 本文以粗纱机产品为研究对象，通过对粗纱机产品族进行分析，应用模块化 设计的思想，建立了粗纱机的模块化产品族。同时，在模块产品族的基础一h ，深 入研究了面向产品族的产品配置技术的理论和方法，采用了基于模块化的产品变 量配置设计方法，旨在快速实现满足客户需求的粗纱机产品配置。各章的主要研 究内容如下： 第一章：介绍了大规模定制的生产方式，产品配置技术的提出、研究的内容 以及产品配置研究的现状。并分析了纺机产品设计的现状，论述了本课题的研究 意义与背景。 第二章：研究了基于模块化产品族模型，进行了粗纱机产品族的规划，建立 了基于模块的产品族模型，为粗纱机产品配置设计作充分的准备。 第三章：介绍了产品配置的定义，研究了产品配置的原理，探讨了产品配冠 管理、产品配置设计以及产品配置规则，并应用产品变量配置规则，阐述了基刁二 模块的粗纱机产品变量配置的建立并给出了配置流程。 第四章：阐述了粗纱机产品配景系统的开发环境、体系结构和系统功能，研 究了用户需求的获取和转化，s m a r t e a m 二次开发技术，并给出了系统的运行实 例。 第五章：总体介绍了本文的研究进展和对未来的展望。 第二章基于模块化的产品族规划 第二章基于模块化的产品族规划 产品族就是有效进行产品配置的基础，本章介绍了产品族的相关技术模块 化、产品族、产品族模型。研究了基于模块化产品族的模型，并结合粗纱机产品 进行了模块的划分，建立了粗纱机模块化产品族。 2 1 产品族相关概念 2 1 1 模块化 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。模块化设计则 是指在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功 能模块；然后根据用户的要求，对模块进行选择和组合，以构成不同功能、或功 能相同但性能不同、规格不同的产品【1 ”。 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： ( 1 ) 可使现有机械工业得到振兴，并向高科技产业发展； ( 2 ) 模块化机械产品互换性强，便于维修； ( 3 ) 模块化机械产品质量高、成本低，并且妥善解决了多品种小批量加工所 带来的制造方面的问题； ( 4 ) 有利于企业根据市场变化，采用先进技术改造老产品、丌发新产品； ( 5 ) 减轻机械产品设计、制造及装配专业技术人员的劳动强度； ( 6 ) 提高固定资产的利用率 ( 7 ) 缩短机械产品的设计、制造和供货期限，以赢得用户； ( 8 ) 有助于机械工业人才的培养等。 2 1 2 产品族 产品族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组产品。每 一族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。一个产品族 对应一个市场区段，而产品族中的产品变量是满足这个市场区段中的一部分消费 第二章基于模块化的产品族规蚶 者对产品的特殊需要。 产品族的概念可以从不同的角度来理解，从市场营销的角度来看，产品族就 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，产品族是一系列产品 和技术的总和，因此产品族可以描述为一些参数、部件和装配结构的合成。产品 族是共享通用技术并面向相关市场应用的一组产品。通用技术、相关市场应用和 多样化是产品族的特征。通用技术体现了产品本身所使用的按术和产品在设计、 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族中不同产品之间在功能、结构等方而的差 异性1 。 所以，产品族的特点是具有多种参数的性能指标，以满足不同用户的需要， 这些参数和性能指标间具有一定的公比级差。产品族由基本模块组成，并包含客 户和设计信息，以客户信息作为输入可以配置出个性化的产品。 2 1 3产品族模型 产品族模型是实现大批量定制的关键，只有建立合理的、能够充分反映客户 群需求的产品族结构模型，才能够在其基础上进行有效和快速的配置设计，以在 短时间内设计出满足客户要求的产品。产品族建模不再是单一产品模型的建立问 题，而是指覆盖某个客户需求的类产品模型。产品族要覆盖客户群的通用需求 和针对特定客户的特定需求，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。产品族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。文献【2 0 】定义产品族为在功能域、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。产品框架( 也称产品族) 描述了组成产品的 零部件及其接口和操作。 关于三个域之间的关系如下：通常在功能域描述用户需求，然后在技术域寻 求解决方案，最后的实施在结构域中进行。分解和映射是设计过程中的两个重要 步骤，这两个步骤在三个域中交叉进行。 由此我们定义产品族模型为：针对某个相似客户群的抽象产品模型，包括功 能模型、原理模型和结构模型三个视图( 可参见图2 3 ) ，三个视图州具有映射关 系，三个视图都包括通用模块、变型模块和定制模块，这些模块中的互换模块问 具有相同内部接口，并且经过标准化，每一个模块包含不同的规格。 产品族模型具有如下特征：产品族模型的组成模块能够为特定客户1 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 第二章基于模块化的产品族规划 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 基于模块化的产品族模型研究 2 2 i基于模块化的产品构成模式 模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。产品的模块化 设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功 能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，透过模块的选择和组合可以构 成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。文献 2 1 介绍了模块化设计的 原理、方法和应用，它将产品划分为模块，系统地使用通用模块可以组成多种多 样的产品。模块化的可互换性和可组合性是实现产品配置的基础。根据模块化思 想，产品将传统产品一部件一零件的构成模式转变为以模块和模块单元组成的产品 构成模式。如图所示2 - 2 。 南黜 r 一锸ij 一， 、 ， 一 一一7 i 、产品1j 嗍“，j + 翩 一一一 部件l 制匏翻纠怡酬引翻j p m - i 一翻州h 3 ， 、 ，、 ：、竺，ji 。罂巴，一、! 氅y一7 磊赫 匿! 圜匿图廖凰，。o ，、一、 1 一 j 予* 鼬j j 妣， p 一、 一一一 、 ”、7、。 j 零什ij 零件 珊1 1 i2凹j ( a ) 传统产品构成模式( b ) 模块化产品工程模式 图2 2 传统和模块化产品构成模式 从图中可以看出，模块化产品与传统产品构成的区别在于后者通过独立的模 块及子模块构成产品。由于引入了模块化设计思想，使得模块化产品具有如下的 特点： ( i ) 适于大规模定制生产模式的要求。大规模定制是企业采用各种技术和 管理手段在大规模生产模式下实现产品对客户个性化定制，并满足预定的成本和 时间的生产模式。采用模块化设计，建立合理的产品旅结构，充分利用通用模块 和产品平台战略，对通用模块实施大批量生产、制造和管理；对定制或专用模块 采用小批量个性化生产。因此，模块化设计是实现大规模定制的前提和条件。 ( 2 ) 缩短产品的设计与制造周期。由于产品中存在大量的通用模块，设计 时可以重复使用通用模块，缩短设计周期；对于新产品的开发，只要修改某些己 第二章基于模块化的产品族规划 有模块或者增加定制模块就可以组成满足用户所需的特定产品。 ( 3 ) 有利于新产品的开发。模块作为独立的产品组成单元，企业可根据市 场趋势变化，利用新型科学技术进行新模块的独立设计开发，对新模块独立试验 研究，待新模块技术成熟后替换产品中同类旧模块，就可以实现对产品的技术改 进，拥有新模块的产品就可以认为是在功能和性能上都具有优势的新产品。 产品模块化思想的提出符合面向大规模定制产品设计要求，是实施面向产品 族的产品配置的必要条件。 2 2 2 基于模块化的产品族模型研究 产品族模型作为一类产品的模型，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。产品族模型的构造由以下三个部分组成 2 0 ： ( 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。 ( 2 ) 原理模型。原理模型描述了由功能模型获得结构模型而进行的设计过程 中所使用的解原理( 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。 ( 3 ) 结构模型。结构模型描述了产品族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。 产品族模型的三个视图( 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l ：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 3 是产品族的三个模型的结构及模型问的关系。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。 o 第二章基于模块化的产品族规划 = i 磊菰i 、 功能模型( 、! 苎竺兰堕，) 一。 ， 孽多 ”，“ ”，“”，“a n d ”，“o r ”等。 ( 2 ) 版本配罱规则 在p d m 软件上进行产品配置时，由于产品模块或部件可能处于工作状态、 提交状态、发布状态、冻结状态等，所以产品可以形成不同配置。其中已发布的 最新版本进行配置和按照已发布的所有版本进行配置时应用较多的配置方法。 ( 3 ) 有效性配置规则 产品结构中的零部件可能具有多个版本，各个版本的生效时间、有效时间可 能不同。有时在产品结构树的不同层次上分别有几个零件的不同版本或者同一版 本分布在结构树的不同层次上，由此形成了不同的配置情况。此时需要按照有效 性进行配置。 在配置规则的作用下，配制模块根据输入的配置条件从产品模型中搜索匹配 出一个能满足或近似满足要求的产品结构，并用它作为生产或者变型设计的产品 实例。对配鼹规则的要求表述准确，相互关联少。对配置规则的管理是产品配置 过程的关键之一，表达清楚准确的规则可以减少配置的搜索步骤，提高效率。 3 5 3产品变量配置研究 变量配置作为产品配簧管理中的主要配置规则之一，能够很好地解决产品配 爱中所遇到的问题。变量配置是指当产品结构树的某个属性具有多个可选项时， 可以将该选项设为变量，按照该变量取不同的值来确定具体的产品结构配置，这 时的配置条件可以通过逻辑运算法则进行，这些逻辑运算法则和变量条件集、配 置项集可以组成很多复杂的规则。 3 5 3 1 产品变量结构概述 第三章产揣配置研究 在粗纱机产品配置实现的过程中，我们采用了基于变量配置规则的方法进行 了研究。而产品变量结构是实现基于变量配置规则的基础。产品变量结构( p r o d u c t v a r i a n ts t r u c t u r e ，p v s ) 是在传统产品结构( 一般为e b o m ) 基碓；上，将配置变量、 配置变量值、配置规则以及计算公式等配蜀约束条件以属性的方式问产品结构发 生关系峭j 。产品变量结构的基本结构是e b o m ( 设计b o m ) 和变量关系，e b o m 是指零部件的定义和构成关系，相当于面向对象中的类，是对具体产品( 包括零 部件) 的抽象。变量关系则相当于类的特征属性，具体零部件是对特征属性赋值 后所形成的类的实例。产品变量结构的概念使产品结构中所有的零部件都可以通 过特征与选项的关系来实现变量化。在产品变量结构中，父件中的哪个实例与子 件中的哪个实例会构成实际的父予的关系，则是由产品变量结构中所存储的配置 规则和配置算法所决定的。p v s 将变量化的思想扩展到了产品结构中的所有零部 件，使产品结构的柔性更大，可以表示更多类型的产品结构，更具有通用性。 由于在构建产品结构的过程中，我们采用了模块化的设计方法，所以，产品 变量结构的内涵我们做了适当的调整。其中配置变量、配置变量值、配置规则和 计算公式都是针对产品模块而言的。对于配置结果，其构成形式是模块b o m 。 例如，根据用户需求选择牵伸模块时，当涉及到该模块的所有变量确定以后，才 能确定该模块的一个实例。牵伸模块的模块变量及其取值如下表3 1 所示： 表3 1 牵伸模块变量及其取值 变量名称变量取值 捻度范围2 1 7 1 捻米 1 8 - 7 0 捻米 牵伸形式三罗拉长短皮圈 三罗拉双短皮圈 牵伸传动形式机械传动 电机传动 l f 捻度范围= 2 1 7 1 捻米 a n di f 牵伸形式= 三罗拉双短皮圈 a n di f 牵伸传动形式= 电机传动 t h e n 牵伸模块= 牵伸模块0 0 1 ， 以上为由变量及其取值确定相应模块实例的简单算法，其结果是根掘用户需 求选定模块实例。 3 5 3 2 产品变量配置功能 产品变量配置具备以下的功能：首先，具备定义产品特性( c h a r a c t e r i s t i c ) 的能力，配置人员将通过特性来区分不同的配置；其次，具备根掘特性取值定义 规则并选择特定零部件的能力。另外，由于产品的特性之间存在着依赖关系因 第三章产品配置研究 此，还需要具备描述特性约束的能力。这样就能根据特性从产品族中选取符合功 能需求的零部件，得到一个单一的产品结构树。最后，是针对这些已经选取的产 品或者部件，通过一些规则的设定对它们的具体版本进行选择和管理，得到针对 不同角色人员的b o m ，如模块b o m ，设计b o m 、制造b o m 3 4 1 。 3 。5 3 3 产品结构变量模型 变量化产品配置就是产品节点集在一定约束下向变量值集的映射过程。当所 有的构件变量和特征值都确定了映射关系时，产品的配置也斌完成了。通过同一 个变量化的产品结构模型指定了不同的构件变量的特征值，可以配置出多个产 品。 p v s 模型包括三层，即产品描述层、视图层和结构层。可参见图3 5 所示， 其中各层功能为f 8 】： ( 1 ) 产品描述层产品描述层由多个独立的产品族组成每一个产品族是由 一系列产品类( p r o d u c tc l a s s e s ) 组成的层次模型。例如，托定粗纱机为一个产品族， a 4 5 6 e ，4 5 4 e 都是由托锭族派生出来的。 ( 2 ) 视图层是企业提供对产品结构进行多视图浏览的窗口。每一个视图都 是从统一的产品结构模型中加上一定的过滤条件得到的、从而确保不同的部门获 得正确的产品数据。 ( 3 ) 结构层结构层是产品变量结构模型的核心，它包括组成产品的所有子 节点和复合节点以及它们之间的约束关系。由上面的分析可以得到这样的结论， 这种p v s 模型支持系列产品的统一描述，支持以最少的模块配置出最多的产品， 它一方面满足了它为面向产品族的配置设计方法的实现提供了有效前提，另一方 面也有利于产品数据的统一管理，节省空间，提高企业产品管理的效率。 以上是对于以部件为节点的产品结构变量变量模型，对于模块化产品而言， 其基本构成模式是一样的，主要区别在于结构层。模块化产品变量结构模型的结 构层的是出产品的模块组成的，通过选取确定模块实例的变量及其取值来确定产 品结构的组成，如图3 5 所示。 2 8 第三章产品配置研究 产品 产品类 一 设计 生产 模块 节点 模块 结构一 。、 、，一j 销信 3 5 变量化产品模型结构层次图 采购 产品描述层 视图层 3 。6 基于模块化的粗纱机产品变配置的建立与配置流程 3 6 1 基于模块化的粗纱机产品变量配置的建立 结构层 基于模块化变量配置设计是以模块化设计思想为依托，由用户输入或选择配 置参数，通过处理和转换，将其映射到相应的产品功能模块，并确定某一模块， 从而快速配鼍出满足客户需求的产品方案。 模块模型可由多个属性组成，当模块的某些属性具有多个取值时，并且这些 属性的取值是确定该模块所必需的，可以将这些属性视为模块变量，即该模块配 冒设计中的变量，c = ( cj 】，cj 2 ，c j 3 | c j j ) ( i _ l 、2 、3 ，j = l 、2 、3 ) ，其中c “ 是第i 个模块的第i 个属性变量。这样客户对产品个性化的需求，实际上是对模 块“属性”的不同需求。当客户按照选项输入需求后，采用划分好的客户群，可 以将客户群需求映射到模块属性( 模块变量) 。这种按照模块变量取l i 同的值来 确定具体的产品配置，称为基于模块化的变量配置设计。 模块变量的取值分为可选参数和默认参数。参数值有可量化和不可量化之 分，可量化的参数值一般为数值，不可量化的为其他形式。例如，模块变量“锭 第三章产品配置研究 数”的取值是可以量化的，可取为“6 8 ”，“8 8 ”，“1 0 8 ”，“1 2 8 ”；模块变量“罗 拉形式”的取值为不可量化的，有“三罗拉长短牵伸”，“三罗拉双短牵伸”两种 形式。所以模块变量可以是字符型、数字型的数据。配置条件按照逻辑运算法则 进行，可以是“= ”，“ ”，“a n d ”，“o r ”等。 需求变量x = ( x l ，x 2 ，x 3 x k ) ( k - 1 、2 、3 ) 是从用户需求中提取出的参 数，这些参数反映了客户的个性化需求，其中x k 是用户对产品特征的某个特定 需求。基于模块化产品变量配置设计是针对客户需求，通过搜索预先定义的模块 模型，来确定模块变量的取值，找出满足客户需求的模块，并按照一定的规则组 合的过程，也即模块族配置的过程。产品模块配置的过程，实际上是产品族派生 产品实例的过程，产品配置完毕即配置出一个或几个产品方案。所以，这种配置 方法是客户驱动的产品快速配置过程。 由于模块的复杂性，可以将模块设置较多的模块变量，以便更为精确的匹配 用户需求。需要指出的是，粗纱机的某些输入参数可能涉及到多个模块，所以模 块的某些属性并不是完全独立的，某个模块的一个或几个模块变量也可以足其它 模块的模块变量。例如，锭数的选择会同时涉及到牵伸、喂入、加捻、卷绕成型、 车架子等诸多模块的变化。 基于模块