（机械制造及其自动化专业论文）面向大规模定制的产品模块化设计研究(1).pdf

重庆大学硕+ 学位论文中文摘要 摘要 大规模定制生产模式，是为适应市场从卖方市场到买方市场的转变，以满足 客户个性化需求为生产目的的新型生产模式。大规模定制生产模式的三个基本要 素是：时间、成本和多样性。快速、准确地对客户的个性化需求做出反应是实现 大规模定制的首要条件，而低廉的生产成本和多样化的产品则是赢得客户的必备 条件。 与传统生产模式下的单一产品设计不同，大规模定制生产模式下的产品设计 是一个多产品变量的产品族的设计，其过程是一个并行的、快速协同设计的过程。 基于对大规模定制生产模式下产品的上市时间、成本和多样化的分析，本文建立 了一种以构件模块化为核心，以计算机网络、现代管理技术为支撑，综合多种产 品设计方法的产品设计模式；详细阐述了从客户需求获取、分析，产品族、产品 平台定义，产品功能模块划分及其详细设计，以及产品变量配置、产品族构件模 块管理的整个流程；并着重讨论了产品族的范围划分及划分方案评价和产品平台 建立的过程；基于产品在功能域和物理域内的表达和映射关系，提出了一种通过 比较产品在功能域的功能需求( f r ) 以及物理域的设计参数( d p ) 的相似程度来划分 产品族的方法，阐述了应用该方法划分产品族的步骤。 模块化的构件具有兼容性、通用性和功能独立性等特点，在产品的设计、生 产过程中实现产品构件的模块化能够达到缩短产品设计、生产时间，提高产品质 量，降低产品生产成本，易于实现产品多样化的目的，是实现大规模定制生产模 式的关键技术之一。鉴于模块化构件在产品设计、生产过中的重要作用，本文讨 论了模块化构件在大规模定制生产模式下的新特点：着重对模块的划分及模块化 构件的接口设计进行讨论，归纳出模块化构件接口应具有功能集成性、标准化和 冗余性等特点；阐述了在模块化构件接口设计过程中，以关系属性、功能属性、 物理属性和环境属性对模块化构件接口进行描述的定义模式；提出了以面向对象 的方法进行接口定义的方法，并阐述了模块化构件接口设计的过程。 最后，基于大规模定制下产品模块化设计模式，以a 公司的产品设计过程为例， 说明了产品设计过程的改进方法。 关键词：大规模定制，模块化，产品设计 重庆大学硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o ni sn e wp r o d u c tm o d ef o rt h ec h a n g ef r o ms e l l e r sm a r k e tt o b u y e r sm a r k e ta n dt h es a t i s f a c t i o nt h ei n d i v i d u a lr e q u i r e m e n to fc u s t o m e r t h et h r e e e s s e n t i a lf a c t o r so fm a s sc u s t o m i z a t i o na r et i m e ，c o s ta n dv a r i e t y i ti si m p o r t a n tf o rt h e e n t e r p r i s er e s p o n s ef o ri n d i v i d u a lr e q u i r e m e n to f c u s t o m e rq u i c k l y a n d a c t u a l l y , a n dt h e l o wc o s ta n dv a r i o u s p r o d u c t i sae s s e n t i a lf a c t o rf o rg a i n i n gc u s t o m e r c o m p a r e dw i t hm o d u l eo ft r a d i t i o n a lp r o d u c t i o n ，p r o d u c td e s i g n u n d e rm a s s c u s t o m i z a t i o ni sad e s i g np r o c e s sf o rp r o d u c tf a m i l yw i t hm u l t i p r o d u c tv a r i e t y b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n tf o rl o w c o s t ，v a r i o u sp r o d u c ti nm a s sc u s t o m i z a t i o n ， t h i sa r t i c l ec o n s t r u c tam o d ef o rp r o d u c td e s i g nw h i c hb a s e do nm o d u l a r i t yc o m p o n e n t a n d s u p p o r t e db yi n t e m e t i n t r a n e t a n dm o d em a n a g e m e n tt e c h n o l o g y t h ed e s i g n p r o c e s si n c l u d i n g ：o b t a i n i n ga n da n a l y s i so fr e q u i r e m e n to f c u s t o m i z a t i o n ，d e f m i t i o no f p r o d u c tf a m i l ya n dp r o d u e tp l a t f o r m ，c l a s s i f a n ga n dd e t a i ld e s i g no f f u n c t i o n a lm o d u l e ， c o n f i g u r i n gf o rp r o d u c tv a r i e t ya n dm a n a g e m e n t o ff u n c t i o n a lm o d u l ei sd i s c u s s e d t h e p r o c e s so fc l a s s i f y i n ga n de v a l u a t i o no fp r o d u c tf a m i l ya n d t h ec o n s t r u c t i o no f p r o d u c t p l a t f o r mi sd i s c u s s e ds p e c i a l l y b a s e do n t h ep r o d u c t sr e p r e s e n t sa n d m a p p i n g r e l a t i o n s i nf u n c t i o n a ld o m a i na n dp h y s i c a ld o m a i n ，am e t h o do fc l a s s i f y i n gp r o d u c tf a m i l yi s p r e s e n t e db yc o m p a r i n gs i m i l a r i t yo f b o t h f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t si nf u n c t i o n a ld o m a i n a n dd e s i g np a r a m e t e r si np h y s i c a ld o m a i n t h ep r o c e s so fc l a s s i f y i n gp r o d u c tf a m i l yb y v i r t u eo f t h i sm e t h o di sd i s c u s s e dt o o c o m p a t i b i l i t y , i n d e p e n d e n c ef u n c t i o na r ec h a r a c t e r so f m o d u l e i nt h ep r o c e s so f p r o d u c td e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n g , i tw i l l s h o r tt h et i m eo fp r o d u c t d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y , d e c r e a s ep r o d u c t c o s ta n di n c r e a s et h en u m b e r o f p r o d u c tv a r i e t yb yc o m p o n e n tm o d u l a r i t y a c c o r d i n gt o t h ei m p o r t a n ta c t i o nf o r p r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g , t h e n e wc h a r a c t e r so fm o d u l ei nm a s sc u s t o m i z a t i o n a r ed i s c u s s e d ，e s p e c i a li nm o d u l ec l a s s i f y i n ga n dm o d u l a rc o m p o n e n ti n t e r f a c ed e s i g n c h a r a c t e r so fm o d u l a r c o m p o n e n t i n t e r f a c ea r e p r e s e n t e di n c l u d i n g f u n c t i o n a l i n t e g r a t i o n ，s t a n d a r d s a n dr e d u n d a n c y t h ed e f i n i t i o nm o d e lb yr e l a t i o na t t r i b u t e ， f u n c t i o n a l a t t r i b u t e ，p h y s i c s a t t r i b u t ea n de n v i r o n m e n ta t t r i b u t ei s d i s c u s s e d a n i n t e r f a c ed e f t n i t i o nm e t h o db a s e do no b j e c t o r i e n t e di sp r e s e n t e d ，a n dt h ep r o c e s so f m o d u l a rc o m p o n e n ti n t e r f a c ed e s i g ni sd i s c u s s e d a tl a s t ，b a s e do nt h em o d e lo fm o d u l a rc o m p o n e n td e s i g ni nm a s sc u s t o m i z a t i o n , t h em e t h o df o ri m p r o v i n gt h ep r o c e s s o f p r o d u c td e s i g n i sd i s c u s s e dt h r o u g ht h ep r o c e s s o f p r o d u c td e s i g ni ne n t e r p r i s e a k e y w 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 i t y , p r o d u c td e s i g n i i 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 研究课题的来源 本文工作主要是基于作者参加国家自然科学基金资助项目：面向大规模定制 生产模式的产品族数据管理( 项目号：7 0 2 7 1 0 4 3 ) 1 2 课题研究的意义 近年来，随着科学技术的迅猛发展，社会生产力得到了很大的提高，越来越 多的商品服务被生产出来。丰富的商品供应致使以企业生产为导向的卖方市场转 变到以客户需求为导向的买方市场，并导致了越来越激烈的市场竞争；同时丰富 的商品供应也使客户在进行商品购买的时候，有了更多的选择余地，诱发了客户 对能满足其个性化需求的产品的追求。个性化产品是能表达客户个性及其意愿的 与众不同的产品【1 3 ”。客户这种对能满足自己个性化需求的产品的追求也从最初被 动地从企业提供的众多产品中进行挑选，发展到直接向企业提出所需产品的基本 功能以外的特殊功能的定制化要求 i 。 市场及客户需求的变化，在为企业提供了市场机遇的同时也为企业的产品生 产提出了巨大的挑战。它不仅要求企业能向市场和客户提供个性化的产品，并且 要求提供的产品的销售价格能够尽量地低，产品的上市时间要尽量短 1 1 3 , 3 3 】，否则 企业就有可能会错过市场机遇，影响企业的经济效益和企业的发展。 大规模定制生产模式j 下是在这种市场环境下被提出并得到学术界和企业界的 认可。大规模定制生产模式以大规模生产的速度和效益生产出满足特定市场和客 户需求的个性化( 多样化) 产品【1 3 , 3 3 。大规模定制生产模式的实现需要相应的应用技 术的支持，如多样化的产品设计技术、多样化的产品生产技术、产品信息获取技 术以及产品营销模式等 1 1 , 1 3 , 1 4 , 3 3 。产品的设计决定了产品成本的8 0 ”，一种良好 的产品设计方式方法不仅可以快速地设计出满足客户需求的个性化产品，还可以 最大限度地降低产品的生产成本，提高产品的质量。特别是在这种快速变化、不 稳定的市场环境下，合适的产品设计方法方式就显得尤为重要了。 模块化作为实现大规模定制生产模式的关键技术( 策略) 之- - 12 1 ，它利用模块化 构件的通用性、兼容性和通用性等优点可以快速地设计和生产出满足客户需求的 个性化产品，但是与传统生产模式下的构件模块化不同，大规模定制生产模式下 的产品构件模块化及产品构件的模块化设计具有自身的特点和运行模式。探讨大 规模定制生产模式下基于模块化的产品设计方法及其运行模式，对企业从原来的 大规模生产模式向大规模定制生产模式转变具有深刻和重大的意义： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) 对企业适应市场快速的需求变化并迅速做出反应，以多样化的产品j l 务 满足客户不断变化的个性化需求具有重要意义。大规定制生产模式下的企业面对 的是一个不稳定的、快速变化的市场。企业准确地获取市场7 客户需求并对其做出 快速的反应是大规模定制对提供产品j j 务的企业的要求，面向大规模定制的产品 模块化设计以现代的计算机、网络技术为支撑，能快速地获取、分析和传递客户 需求，并以构件模块化作为基础进行产品设计，能快速实现企业的产品设计、生 产等过程。 ( 2 ) 提高产品设计质量和企业设计人员的业务水平大规模定制下的产品设 计是一种基于计算机网络的快速设计过程，它要求能融合以往产品设计方法模式 的优点，而这些产品设计方法模式都是在以往的产品设计实践中经过长时间使用 得以验证的行之有效的产品设计方法模式。通过对这些方法模式的使用可以提高 产品设计的质量，并且这些方法模式的应用还有助于企业产品设计人员对大规模 定制产品设计的实质的认识，并掌握这些设计方法，从而提高自身的业务水平。 ( 3 ) 增强企业产品在市场上的占有率，实现企业的生产目的企业生产符合客 户市场需求的产品是大规模定制生产的1 7 1 的。产品设计对产品的整个产品生命周 期有着决定性的作用，如对产品生产成本的影响。研究大规模定制下产品的设计 方法模式，对指导企业在这种生产模式下，怎样重新审视企业在市场，客户以及企 业自身环境和条件之间的位置，并以怎样的策略来应对企业所处环境的变化，以 怎样的方式在新的环境下形成新的核心竞争力，实现企业的利润和发展有着重要 的意义。 1 3 国内外研究现状 大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，或大批量定制) 是指在大规模的基础上生产和 销售满足客户需求的定制化产品或服务。1 9 7 1 年t o f f l e r 在其名著f u t u r es h o c k 2 ( 未来的冲击) 中对大规模定制作了预言。1 9 8 7 年，d a v i s 将大规模( m a s s ) 和定制 ( c u s t o m i z a t i o n ) 合成，提出了大规模定制的概念【3 。p i n e 通过大量的事例对大规模定 制的生产模式进行了论证，认为它是“透视企业竞争的新方法，它将识别并实现 个性化客户的需求作为重点，同时不放弃效率、效力和低成本”f 1 。 作为一项技术，大规模定制被看成是利用信息技术、柔性的制造过程和组织 结构，以接近大量生产的成本提供能满足客户特殊需求的一系列产品和服务【3 1 。它 是一个贯穿产品营销、开发、生产和递送( 即从客户选择到收到最终产品) 全过程的 系统的概念1 4 , 5 】。实施大规模定制面临的三项挑战是：成本、时间和品种5 ，6 7 1 。迎 接这三项挑战的必要因素是产品平台和产品族、柔性集成的制造系统以及敏捷的 供应链网络 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 1 0 。 2 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 大规模定制是剩余经济和过渡竞争条件下企业扩大市场、赢得消费者的一个 重要创举【”】，它以大规模生产的成本和速度为单个客户或特殊需求的市场定制生 产任意数量的产品，是一种以客户需求为导向的需求拉动型生产模式【1 2 】。它的 实现需要准确获取客户信息，柔性的制造系统和竟合的供应链为基础【1 ”。大规模 定制生产模式对时间、成本、多样化的要求，给企业的产品设计、生产制造以及 企业的营销提出了挑战。其中产品设计决定了产品整个生命周期8 0 的成本，并 决定了企业的产品能否顺利地被制造出来，并及时地送到客户手中。因此，大规 模定制下产品的设计流程、设计方法和产品设计的支撑环境等成为了研究的重点。 大规模定制对产品上市时间及设计效率的要求决定了，产品的开发是一种基 于计算机网络和多功能设计团队的快速设计模式，产品的开发过程是一个协同和 并行的过程 1 7 1 8 ，1 9 】。面向大规模定制的产品设计( d e s i g n f o rm a s sc u s t o m i z a t i o n d f m c ) 被提出作为大规模定制下的产品设计方法，是针对一个产品类构件产品模 型，它具有动态制造需求、产品分类延缓、柔性工艺路线等特点【3 ”。p f a 方法和基 于p f a 的产品开发构成了其组成框架1 3 ”。 由于大规模定制模式下的产品设计将原来的单一产品设计转换到多产品变量 的系列产品设计上 1 3 , 1 4 ，产品平台是产品族的核心，因此，产品平台的设计是大 规模定制中产品设计的重中之中，有关产品平台建立的方法和丌发策略及其建立 过程中应注意的问题都被提出，作为研究对象 7 , 3 3 , 3 4 , 3 5 】。产品族的开发是多产品变 量的系列产品开发，所以产品的多样化设计是开发产品族的关键，因此多种产品 变量的开发方法被提出，如：基于成本的产品多样化设计方法【2 l 】；基于产品平台 结构的产品多样化设计方法【2 0 ；基于多产品变量和单个基本平台进行产品族设计 的理论方法。 大规模定制的两个实现策略是产品构件的模块化和产品多样化的延迟1 1 5 , 3 2 。 大规模定制要实现产品的低成本和快速设计并保证产品质量，就要尽可能地增加 产品构件的可重用性【3 ”。而模块化的产品构件因为具有功能独立性、兼容性和通 用性等优点，并且还可以提高产品质量，增加产品构件在不同产品变量中的使用， 提高产品构件的范围效应，增加产品生产制造的敏捷性 2 7 , 2 3 , 2 4 , 2 8 , 2 9 , 3 0 】，使其成为实 现大规模定制生产模式的关键技术之一【1 ”。通过在基产品的基础上添加 ( a t t a c h i n g ) 、剥离( d e t a c h i n g ) 、替换( s w a p p i n g ) 和缩放( s c a l i n g ) 相应的功能模块或是部 件就能生成具有不同附加功能的产品变量【1 ”，并且在相同条件下，通过在产品间 共享构件模块可以生成更多的产品变量【2 2 】。模块的优点和大规模定制的特点使有 关模块在产品族及产品平台中的作用和模块的生成、优化方法成为大规模定制产 品设计的研究对象，如：以实践经验为基础探讨制造特征对体现在产品族机构中 的模块的影响及这些模块与产品构件的关系 23 ；基于边际效益、客户率和开发成 3 重庆人学硕士学位论文1 绪论 本的模块选择优先顺序【2 4 】；基于客户参与产品设计和产品模块化的大规模定制分 类配置模型【2 5 】：考虑客户需求、产品装配、成本和维修等综合因数的模块划分方 法和策略被提出，并使用模块聚类的相关准则和基于信息熵的量化评价方法对模 块的划分方案进行评价，并建立模块划分的数学评价模型f 26 ；大规模定制中共享 功能模块的产品开发方法，大规模定制下的模块编码【l 卅等。 产品族的多产品变量使产品族产品结构的表示复杂化，产品族生成过程也不 同于大规模生产模式下单一产品的设计过程【1 4 1 32 1 。基于设计公理从客户需求到产 品功能需求再到设计参数的映射，以及产品族设计中的功能视图、技术视图和结 构视图是产品族开发的有效方式 4 ；基于g b o m e n e r a l b i l lo f m a t e r i a l ) 的产品族模 型则简化了产品族的模块和零部件的表示和管理，也对产品族变量产品的配置提 供有力的保障| 3 2 j 。 大规模定制作为一种新兴的生产模式，它从产品设计、制造到分销以及售后 服务等整个运行过程有着不同于以往生产模式的特点。在产品设计的过程中，它 继承和发展了以往先进的产品设计理论和方法，如：面向客户的设计、面向装配 的设计( d e s i g n f o r a s s e m b l y , d f a ) 、面向制造的设计( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g d f m ) 、面向多样化的设计( d e s i g nf o rv a r i e t y , d f 以及面向模块化的设计等方法， 这些产品设计理念或设计方法，可以在产品的设计过程中减少产品开发的周期， 减少开发成本，保证产品的顺利生产；并在产品的早期设计中减少产品整个生命 周期的成本，保证送到客户手中的产品是客户真正需要的产品 3 6 , 3 7 , 3 8 , 3 9 】。这些设计 理论和方法从它们被提出以来，不同的专家和学者对其运行模式、支撑技术及方 法等作了大量的研究 4 0 - 4 5 ，但是大规模定制生产模式作为一种新兴的生产模式， 产品的模块化设计等设计方法在其环境下运行模式、支撑技术及方法的研究虽然 在国外已有少量的文章出现，但是数量还比较少。 1 4 本文的主要工作及内容 本文以国家自然科学基金资助项目“面向大规模定制生产模式的产品族数据 管理”为背景，主要进行如下几方面的研究工作： 1 ) 建立大规模定制模式下基于构件模块化的产品设计模式，并阐述了整个产 品设计的过程； 2 ) 研究大规模定制模式下基于构件模块化的产品设计中产品族的定义以及产 品平台的构建方法及其过程； 3 ) 研究在已有产品的情况下利用产品在结构以及功能上的相似性进行产品族 划分的方法： 4 ) 研究在大规模定制模式下，产品构件模块接口的特点及其设计方法。 4 重庆大学硕士学位论文2 面向大规模定制的产品模块化设计 2面向大规模定制的产品模块化设计方法 大规模定制生产是一种以满足客户需求为目的的拉动式生产模式。以最快的 速度和最低的成本设计和生产出满足客户个性化需求的高质量的产品是大规模定 制生产模式对生产企业的基本要求。而模块化的产品构件以其功能的独立性、接 口的标准化和兼容性不仅能实现产品构件最大的可重用性，还能提高产品制造的 敏捷性，因此利用模块化构件固有的优点，以产品构件的模块化为基础进行产品 设计是解决大规模定制下产品设计和生产的速度、质量以及产品生产成本等问题 的有效途径之一。 2 1 大规模定制生产模式及其特点 2 1 1 大规模定制生产模式 大规模定制生产模式是在不稳定、多变的市场环境下，结合了现代的生产技 术如产品开发技术、产品生产制造技术、生产管理技术与现代的信息技术等技术 而产生的，并在这些技术的共同作用下得以实现的一种全新的生产模式。大规模 定制模式的三个基本要素是：时问、成本和多样化。作为一种新兴的产品生产模 式其基本过程如下： ( 1 ) 大规模定制模式通过现代的通讯和信息技术( 如客户管理关系技术、数据 挖掘技术) 收集、整理和分析市场信息，提取出对企业的生产活动有用的包含多元 化目标市场及个性化客户需求的数据信息。 ( 2 ) 在市场和客户分析的基础上，通过现代的设计方法( 如基于团队的并行产 品设计方法) 及设计技术( 如面向客户的产品设计、面向多样化的产品设计、面向制 造和装配的设计等设计技术方法) 快速地设计出满足客户需求的个性化产品服务。 ( 3 ) 利用成组技术、柔性加工、产品数据管理和产品配置等技术或加工方法制 造、装配出满足市场和客户需要的多样化产品或服务。 ( 4 ) 利用供应链、物流等技术将企业生产出的产品送到特定的市场地点或是客 户的手中。并通过相应的客户管理系统，获取市场和客户对产品的满意程度及对 产品的意见，从而获取市场或客户对产品的需求信息，完成产品从客户需求的信 息获取、产品设计、产品生产到产品交付的循环过程。 从上面可以看出大规模定制生产模式它不仅作为一种产品朋务的全新的生产 模式技术，也是一种生产管理技术和方法，其实质是以接近大批量生产的效率和 成本生产多样化的商品或服务以满足个性化的客户需求。其目的是在不增加生成 6 重庆大学硕士学位论文2 面向大规模定制的产品模块化设计 成本和不影响产品交货期的条件下，通过增加产品的多样化和定制化来提供令客 户满意的产品或服务。 2 1 2 大规模定制生产模式的特点 大规模定制生成模式的目标是在不增加生成成本和不影响产品交货期的条件 下，通过增加产品的多样化和定制化提供令客户满意的商品朋艮务。因此，产品的 上市时间、产品生产成本以及产品的多样化就构成了大规模定制模式下产品生产 的基本特点。 ( 1 ) 产品上市时间快 大规模定制模式下，企业所面对的市场或客户需求是一个快速变化的、不稳 定的、多样化的需求。企业要在市场中销售自己生产的产品并在市场上占据一定 的份额就必须要能把握住瞬息变化的市场客户需求，并能将产品及时地设计、生 产制造出来并交付到市场或是送到客户手中。这些因素决定了企业要不断地缩短 产品开发周期，缩短产品的生产制造时间。 市场的多变和新的产品技术的出现，在不断缩短产品开发周期的同时，也在 不断地缩短产品的生命周期。产品生命周期的缩短、产品的多样化反过来又促进 了产品开发周期的缩短。因此在大规模定制模式下，时间是这种生产模式的一个 基本特点。 ( 2 ) 产品的低生产成本和高质量 大规模定制生产模式要以大规模生产的效率和效益生产出满足客户个性化需 求的产品。产品的生产成本就不能像原始手工作坊的定制生产那样使产品的销售 价格高不可攀，如果这样就会降低企业产品在市场上的竞争力，降低企业产品的 销售量，也就不可能实现企业进行产品生产目的。大批量地进行产品生产，保证 了低成本定制化产品的实现，而为客户提供满足其需求的个性化产品则要求企业 不仅要从产品本身的质量出发进行品质保证，还要从与产品的营销、售后服务等 方面出发进行全方位的产品质量保证。 ( 3 ) 产品的个性化和多样化 大规模定制生产模式下，企业面对的是一个多变的、客户需求各异的细分市 场，针对不同的细分市场，企业要有相应的产品满足其需求。与大规模生产模式 不同，大规模定制生产模式不是以尽量多的产品来让客户被动地进行产品选择， 而是以客户的个性化需求为产品设计、生产制造的出发点，从而也造成了企业进 行产品单件设计、生产制造的情况。产品个性化的结果是产品出现多样化趋势， 并且产品个性化的程度越高，产品多样化的趋势也就越大。 7 重庆大学硕士学位论文2 面向大规模定制的产品模块化设计 2 2 基于设计公理的产品模块化表达 2 2 1 设计公理 美国麻省理工学院机械工程系n a mps u h 教授对设计的理论进行了系统的研 究，提出了设计公理体系。公理化设计将传统的以经验为主的设计，转变到以科 学公理、法则为基础的公理体系。将产品设计看作客户需求域( c a s ) 、功能域( f r s ) 、 物理域( d p s ) 、过程域( p v s ) 四个依次通过映射机制相联系的问题域概念模型。 客户需求域功能域物理域过程域 阁2 1 从客户需求域到功能域、物理域和过程域的映射 f i g 2 1m a p p i n g f r o mc a s1 0f r s d p sa n dp v s 其中从功能域到物理域的映射定义为： f r ) - 【a 】( d p ( 2 】) 或f m 2 a o d p j( 2 2 ) 式中：a 表示为设计矩阵，表示产品设计的特征。矩阵a 有三种情况：当a 为对角 矩阵的时候，此时功能需求( f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sf r s ) 是完全相互独立的，也就 是构成产品的f r y _ 间不存在耦合关系，此时的产品设计方案是最理想的产品设计 结果；当a 为半角矩阵的时候，此时构成产品的f r 之间是不完全独立的，也就是 它们中的f r 存在耦合关系，但是可以通过解耦减少f r 之间的相互影响，实现它们 的相对独立，此时的产品设计方案为可接受的产品设计；当a 为全矩阵的时候，此 时的产品设计方案为不可行设计。 公理化设计提出了两个基本公理，其余的公理、法则都是在这两个公理的基 础上衍生而得到，这两个公理是： ( 1 ) 独立性公理( t h ei n d e p e n d e n c ea x i o 1 ) 独立性公理要求保持各功能需求的 独立性，即功能需求是满足设计目标独立性的最小数目或表述为可接受的产品设 计中，d p s ( d e s i g np a r a m e t e r s 设计参数1 和f r s 是这样的一种关系即：在不影响其它 功能需求的情况下，可以对特定的d p 进行调整以满足其相应f r 的要求。在进行不 8 重庆大学硕士学位论文2 面向大规模定制的产品模块化设计 同域映射的过程中，如功能域到物理域的映射，必须采用独立性公理进行正确的 设计决策。当存在多个功能需求时，设计方案在满足一个功能需求的同时不能影 响其他的功能需求，即在进行设计参数集合选择的时候，必须使设计参数既要满 足功能需求的要求还要保持它们的独立性。理想的完全满足独立性公理的设计参 数可以作为使模块化设计的前提条件。 ( 2 ) 信息公理( t h ei n f o r m a t i o na x i o m ) 最优的产品设计是功能耦合的设计所含 有的信息最少即是要求设计信息内容最小化，信息内容，定义为满足给定f r 的可能 性，如果满足给定f r 的成功的可能性为p ，则 ，一1 0 9 2 p ( 2 3 ) 在满足独立性公理的设计中，具有最大成功可能性的设计是最佳设计。 公理化设计主要在于如何确定每个域的特征参量，确定设计矩阵 a 1 和减少信 息量以建立健壮的设计过程。虽然n a mps u h 给出了一个包含综合器( 耦合1 、控制 器( 解耦) 及反馈器( 用于耦合中) 等三个基本单元结构的能实现设计流程的概念系统 结构图，但是该原理系统结构还仅能用于实现综合与控制，以满足独立性公理的 设计过程。虽然公理化设计理论还不是完善的理论体系，但它表明了一种关于“设 计”的考虑。 2 2 2 基于设计公理的产品模块化表达方式 ( 1 ) 产品功能及其分解 客户对产品的定义是一个特定产品应该具有什么样的能满足客户需求的产品 功能，也就是确定产品应该具有什么样的效用和作用。功能能力的大小和实现质 量的度量是性能，它是对功能的量化。 对一个设计对象来说，客户定义的产品功能是由产品的不同组成部分相互协 调共同完成的，因此，产品的整体功能可以分解为下级子功能，子功能是产品各 组成部分的功能。由于产品是一个具有层次性的系统，所以完成各组成部分功能 的子功能又可以进一步分解，直到功能的最小构成元素功能元。功能元是功 能的基本单位，处于整个功能分解的最底层。产品功能可分解为下级的子功能或 功能元的组合，因此，产品功能可分解为图2 2 所示的树形结构。 9 重庆大学硕士学位论文2 面向大规模定制的产品模块化设计 图2 2 产品功能的分解树 f i g 2 2p r o d u c t f u n c t i o n a lh i e r a r c h y 图2 2 中黑色的圆代表功能元，灰色的圆代表产品的总功能和子功能。图中的 功能数量和功能构成只是进行产品功能分解的示意，不代表特定产品具体的功能 数量及其功能构成。 ( 2 ) 基于设计公理的产品模块化表达 产品模块化是将产品的功能构成中，完成特定子功能的下级予功能或子功能 和功能元或功能元的组合集成在一起，以生成一个相对较独立的通用单元。这样 的独立通用单元通过特定的功能接口与外界发生关系，以完成上级组成部分或整 体产品的功能。 由公理化设计可知，可行的产品设计有两种形式：设计矩阵为对角矩阵时， 此时功能需求f r s 之间完全独立，不存在耦合关系；设计矩阵为三角阵时，此 时功能需求f r s 之间存在耦合关系，但是通过解耦后可以实现产品设计。下面我们 分别对这两情况进行讨论。 1 1 设计矩阵为对角阵时，功能需求f r s 是完全独立的，而满足这种情况的产 品设计是模块化设计，即是在这一级功能分解层中的功能是完全独立的，如果将 功能需求映射到设计参数，再实例化为实际的物理构件，得到的将是功能相对独 立的模块。如果用m i ( 1 - - - i 茎n ，n 为构成产品的最大的模块数1 表示由特定功能映射 得到的模块，则由公式2 2 可得，此时式中的a i i ，在7 j 时，a i i = o 。由式2 2 ，应 有f 凡2 a j j d p j 2 a i d pr ( i _ j ) 。即有： f r l f r 2f i b 一1 f f l = a l l d p ia 2 2 d p 2 日。一】。一1 d p n 一，口d p ( 2 4 ) 也即是： m i = - d p i = ( 1 a i i ) f r i ( 0 i s n ) 此时产品p 就可以表示为： ( 2 5 ) 蓄百务 臭 k 舅髻沁西翟r 琴 重庆大学硕七学位论文2 面向大规模定制的产品模块化设计 p = m l ，m 2 ，m 。) = d p 1d p 2 d 一7 d ( 2 6 ) = ( 1 a 1 1 ) z r l ( 1 a 2 2 ) f r 2 一( 1 a n - l , n - 1 ) f 凡一，( 1 翻) f 凡 如果产品功能分解到这一功能分解层的功能分解树，如图2 2 ，那么与之对应 的产品的模块化构件结构树如图2 3 所示。 m n 图2 3 设计矩阵为对角矩阵时的产品结构分解树 f i g 2 3p r o d u c tp h y s i c a lh i e r a r c h yw h e nd e s i g nm a t r i xi sad i a g o n a lm a t r i x 图中将产品看作一个由各子系统构成的一个模块化产品。 2 ) 在设计矩阵为三角阵时，此时功能需求f r s 间存在耦合关系，根据功能需 求耦合性程度的不同，可以把耦合性较大的功能需求集划分为一个特定模块的子 功能，而由这些模块子功能所映射的设计参数在实例化后就可以装配成一个模块。 假设此时的设计矩阵a 如下： 则设计方程如下 a = o o n 们a 月2口帅 ( 2 7 ) 如果对式2 _ 8 所表示的产品设计进行解耦，将n 个功能需求中，耦合性较大的功能 需求集归为特定模块的子功能集。例如，在 t 个功能需求中假设有m ( m n ) 个f r 可归为特定模块m ，的子功能，那么从i 到f + m ( f m ) 的m 个f r 所对应的设计参数 d p 在实例化后就可以得到模块m i ，如果用f r i 代表模块m i 的功能，则解耦后的 产品设计矩阵可被划分为子矩阵，即 。圈岔卜谫簿庆酉强窈 印q 叫l引，lj 砷肿；肿 v i i j n i i 儿 o o ；踟o舳 一旧p 忡、，。，j 隅7 重庆大学硕士学位论文2 面向大规模定制的产品模块化设计 f r l f r 2 ： f r k 式2 9 中k 为自然数，且0 k n 。此时，每一组功能需求 f r i 所映射的一组设计参 数 d p i 可被集成到一个模块中。设计方程2 9 也可分解为k 个方程，即 f r l ) = 【a - d p 一 f r2 = 【a2 d p ： ( 2 1 0 ) f rk ) = 【a d d p 0 这样，改变某一个模块中的设计参数， 实现了产品功能和结构的模块化。设： m i = d p i ) = a i f r i 则有： 其它模块中的设计参数均不受影响，从而 ( 2 1 1 ) p2 m 1 ，m 2 ，m i ，m r = d p td p 2 d p ，- d p k ) f 2 1 2 、 = a f r - a z f r ： a 力 f r i ) a t f r , 并 如果产品功能分解到这一功能分解层的功能分解树，如图2 2 ，那么与之对应 的产品的模块化构件结构树如图2 4 所示。 m n 图2 4 设计矩阵为三角矩阵时的产品结构分解树 f i g 2 4p r o d u c tp h y s i c a lh i e r a r c h yw h e nd e s i g nm a t r i xi sat r i a n g u l a rm a t r i x 图中三角形代表由相应的f r 映射得到的零部件，带括弧的正方形代表由这些零部 件所组成的功能模块。 q 叫i引，li=、 砷凹肿 viiiii儿 0 o 觚0 ；o a o o = 、i，fj 1 一 h 港z攀 崮酉紧 窭 旨 重庆大学硕士学何论文2 面向大规模定制的产晶模块化设计 2 3 面向大规模定制的产品模块化设计模式 产品构件的模块化是实现大规模定制模式的关键技术之一。由于大规模定制 对时间、成本以及多样化的要求，使之与传统生产模式下的模块化设计相比较， 有着自己的特点和不同的运行方式。 2 ，3 1 大规模定制下产品设计的特征 时问、成本和多样化是大规模定制生产模式的三个基本要素，这三个基本要 素贯穿了大规模定制从产品设计、产品生产制造、产品销售等生命周期中各个过 程。其中产品设计在产品的整个生命周期过程中又起着决定性的作用，它不仅决 定了产品的整个生命周期成本的8 0 ，还对产品的质量、可靠性、可制造性、制 造过程中的制造柔性、制造的敏捷性等产生巨大的影响。由于大规模定制下，时 间、成本和多样化对整个生产模式的实现具有决定性的意义，因此，与以往的生 产模式下的产品设计相比较，大规模定制模式下的产品设计具有自身特有的特征。 ( 1 ) 在大规模定制模式下，产品设计已经从单一的产品设计转向具有多产品变 量的产品族的设计。由于大规模定制生产模式的实质是以大规模生产的成本和速 度，为单个客户或特殊需求的市场定制生产任意数量的产品。产品数量的任意性 使大规模定制不可能象大规模生产那样进行产品零部件的批量化生产，因此也就 失去了大批量生产所带来的规模效益；并且客户需求特定市场需求的多样性也决 定了产品的多样化，也就决定了在大规模定制模式下的产品设计应是一个面向多 样化的产品设计过程。因此而带来的产品的生产成本和产品多样化问的矛盾需要 有一种新的产品设计方法的支持。 ( 2 ) 大规模定制模式下的产品设计是基于计算机网络、多功能设计团队和设计 数据共享的并彳亍设计方式。 大规模定制下要求产品设计在最短的时间内完成，并且是完成基于产品平台 的多产品变量的产品族设计。在这种情况下，依旧使用传统的产品设计模式进行 产品的多样化设计，就不能满足大规模定制对时间、产品成本和产品质量的要求。 要在保证时间、产品成本和质量的前提条件下，实现多产品变量的产品族设计， 就需要将传统基于顺序的产品设计过程，转变为基于多功能团队的并行设计方法。 在这种产品设计方法下，团队的设计人员几乎包含了产品整个生命周期的所有与 产品相关的人员，有时可能还包括产品最终客户的参与。由于有多方面人员的参 与，使在产品的设计过程中，就能考虑到产品生产制造、维修等一系列因素，尽 量减少产品设计返工的几率，达到产品设计、生产制造的一次成功。 ( 3 ) 大规模定制模式下的产品设计是综合了多种现代设计方法优点的产品设