（机械工程专业论文）机械产品大规模定制设计技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院j 1 ：程硕十学位论文 摘要 为了快速适应当前信息技术的发展，特别是当前制造业所面临的挑战，使得 企业能够在最短时间满足客户最大化的个性需求，研究大规模定制生产方式就显 得尤为重要。本文主要对基于模块化的产品族规划设计、产品定制设计和产品协 同设计进行了研究，主要内容包括： ( 1 ) 依据功能流准则建立了产品功能模型，实现了基于客户需求对产品子功能 影响程度和功能流准则相结合的模块划分方法，同时，规划了产品模块系列化设 计和模块接口设计模型，并建立了产品族模型。 ( 2 ) 针对客户需求参数通常不完整的情况，通过e m 算法获取了客户需求的完 整参数，建立了底层柔性参数化功构单元模型，实现了基于客户需求参数模型实 例的产品定制设计。 ( 3 ) 通过对产品协同设计模型的规划，建立了产品协同设计过程中基于消息的 网络协同结构，实现产品协同设计过程的异地同步造型。同时，还对产品协同设 计中的访问控制、冲突消解等关键技术进行了研究，并建立基于设计规则的冲突 消解模型，实现了协同设计的运行和系统的安全可靠。 ( 4 ) 以论文研究成果为基础，根据大规模定制生产产品设计的一般性流程，选 择通用的c a d 为产品结构设计的工具，设计开发了产品定制设计支持系统，初步 实现了论文提出的大规模定制产品设计方法的工程应用。 主题词：大规模定制产品族定制设计协同设计支持系统 第i 页 国防科学技术大学研究生院下程硕十学位论文 a b s t r a c t t oa d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to fr e c e n ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yq u i c k l y ，e s p e c i a l l y t h ec h a l l e n g et h a tt h em a n u f a c t u r i n gf a c e sn o w a d a y s ，t h er e s e a r c ho nt h em a n u f a c t u r e m o d eo fm a s sc u s t o m i z a t i o ns e e m se s p e c i a l l yi m p o r t a n t ，w h i c hm a k e se n t e r p r i s ec a n m o s t l ys a t i s f yt h ei n d i v i d u a ln e e d s o fc u s t o m e ra ss o o na sp o s s i b l e i nt h i sp a p e r , t h r e e a s p e c t s a r er e s e a r c h e d i n c l u d i n gt h ep l a n n i n g d e s i g no fp r o d u c tf a m i l y , p r o d u c t c u s t o m i z a t i o na n dp r o d u c tc o l l a b o r a t i o n t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ef u n c t i o nm o d e l i ss e tu po nb a s i so ft h ep r i n c i p l eo ff u n c t i o n a ls t r e a m ，a n d t h em o d e li d e n t i f i c a t i o nm e t h o di sb u i l t ，w h i c hi n t e g r a t e st h ei m p a c to fc u s t o m e r r e q u i r e m e n t so np r o d u c tw i t ht h ep r i n c i p l eo ff u n c t i o n a lf l o w a ts a m et i m e ，t h es e r i a l d e s i g nm o d e la n d t h ei n t e r f a c ed e s i g nm o d e lf o rp r o d u c tm o d u l ea r ep l a n e d f i n a l l y ，t h e m o d e lo fp r o d u c tf a m i l yi sa c c o m p l i s h e d ( 2 ) a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tt l l ep a r a m e t e r sa r en o ti n t a c tu s u a l l y , t h ei n t e g r a t e d p a r a m e t e r sa r eg e tt h r o u g ht h ee m ( e x p e c t i o ns t e p ，m a x i m i z a t i o ns t e p ) a l g o r i t h m ，a n d t h ep a r a m e t e r - b a s e df s ( f u n c t i o n s t r u c t u r e ) u n i tm o d e lo fb o t t o mf e x i b l ei ss e tu p t h e np r o d u c tc u s t o m i z a t i o nd e s i g ni sr e a l i z e db a s e do nt h ep a r a m e t e rm o d e lc a s eo f c u s t o m e rr e q u i r e m e n t s ( 3 ) t h em o d e lo fp r o d u c tc o l l a b o r a t i o nd e s i g ni sf i r s tp l a n n e d b a s e do nt h em o d e l ， t h e m e s s a g e - b a s e d n e t w o r kc o l l a b o r a t i o ns t r u c t u r ei nt h ep r o c e s so fp r o d u c t c o l l a b o r a t i o nd e s i g ni sb u i l tu p t h e nt h ed i s t r i b u t e ds y n c h r o n o u sm o d e l i n g i s a c c o m p l i s h e di nt h i sp r o c e s s a tt h es a n l et i m e ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e ss u c h a sa c c e s s c o n t r o la n dc o n f l i c t i o nr e s o l u t i o na r es t u d i e di nt h ep r o c e s s ，a n dac o n f l i c t i o nr e s o l u t i o n m o d e li se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr u l e s ，w h i c he l t l s u r e st h es a f e t ya n d c r e d i b i l i t yo fc o l l a b o r a t i o nd e s i g n ( 4 ) w i t ht h ef r u i t f u lr e s u l t so ft h i sp a p e r ，as u p p o r ts y s t e mf o rp r o d u c t c u s t o m i z a t i o nd e s i g ni sd e v e l o p e d t h es y s t e mr u n so nc o m m o nc a dp l a t f o r m s a c c o r d i n gt o t h eg e n e r a ld e s i g np r o c e d u r eo fm a s sc u s t o m i z a t i o n t h e r e f o r et h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf o rt h ep r o d u c td e s i g nm e t h o d o fm a s sc u s t o m i z a t i o ni s a c c o m p l i s h e dp r i m a r i l y k e yw o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n ，p r o d u c tf a m i l y ，c u s t o m i z a t i o nd e s i g n ， c o l l a b o r a t i o nd e s i g n ，s u p p o r ts y s t e m 第i i i 页 囝防科学技术人学研究牛院i ：释硕十学位论文 表目录 表2 1g b t 1 0 0 9 1 规定的事物特性表的格式规范2 5 表2 2 直齿轮零件的事物特性表2 5 表2 - 3 模块性矩阵表2 6 表2 4 堆垛机产品族分解模型底层功能结构单元映射表3 6 表2 5 堆垛机底层功能结构单元的结构实体模型表3 7 表2 6 堆垛机基型产品模块表4 3 表3 1 客户需求表5 4 表3 2 推拉机构模块族中存在模块情况表5 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院j 程硕十学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图 图 图 图 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 1 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图2 2 5 图2 2 6 图2 2 7 图2 2 8 图2 2 9 图2 3 0 图目录 大规模定制生产中产品设计实现过程1 1 论文体系结构1 2 产品族规划过程模型1 5 扩展质量屋模型1 7 黑箱模型l8 功能分解2 0 功能流串联模型2 0 功能流并联模型2 0 功能流混联模型2 1 支配流模块模型2 1 分支流模块模型2 2 转换传输模块模型2 2 功能结构视图映射模型2 4 产品功能结构建模过程2 4 功能结构对应关系2 6 模块系列化设计方案2 8 零件型模块横系列设计流程图2 9 零件型模块纵系列设计流程图3 0 部件型模块参数系列设计流程图3 1 层次型部件事物特性表3 2 模块接口设计过程。3 3 产品族关系模型图3 4 堆垛机产品族总功能分解模型3 5 堆垛机功能结构映射模型。3 6 堆垛机产品族功能模型3 8 堆垛机产品族改进质量屋3 9 堆垛机产品族功能相关矩阵3 9 功能单元相关矩阵4 0 堆垛机叠加结算功能相关矩阵4 0 堆垛机产品族动态聚类图4 l 堆垛机产品族模块划分图4 2 堆垛机产品族构成图4 2 第页 国防科学技术大学研究牛院f ：群硕十学位论文 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 11 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 产品定制设计过程模型4 7 柔性功构单元参数化模型设计过程5 0 面向功能的产品设计分解模型5 l 功构单元参数化模型结构树5 2 产品定制实现过程5 3 推拉机构功能分解图5 5 推拉机构功能结构映射关系图一5 5 推拉机构模块构成情况图5 5 推拉机构层次分解图5 6 推拉机构模块参数关联关系图5 6 局部零部件变化关系图5 7 产品协同设计过程模型图6 0 访问控制实现流程图6 2 基于设计规则的冲突消解过程图6 5 数据转换实现模式6 6 网络协同结构6 6 协同数据包格式6 7 协同操作结果显示图6 8 产品定制设计系统体系结构7 0 产品定制设计系统功能树7 l 产品模块划分信息模型7 3 产品族模块体系建立信息模型7 4 产品定制设计信息模型7 4 产品协同设计工作流管理模型7 5 系统安全管理信息模型7 5 系统文档管理信息模型7 6 产品定制设计系统主界面7 7 功能建模与模块划分7 7 产品族b o m 树。7 8 产品定制设计7 8 产品协同设计7 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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谢意 学位论文题目：扭撼芒基杰趣搓宝剑遮让挞盔珏壅 学位论文作者签名：至主慈爿坠 日期： 加口铲年，f 月矽日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：参逸轰 日期：谢年，月哕日 啪。叼年i 月7 日 国防科学技术大学研究生院i ：稗硕十学位论文 1 1 1课题来源 第一章绪论 1 1 课题来源、研究背景和意义 本课题来源于“十一五 湖南省科技计划重点项目面向大规模定制的产 品协同设计制造平台研究。 1 1 2 课题研究背景 随着经济发展全球化，现代制造市场竞争日益激烈，产品的设计技术创新和 最大限度地满足客户的个性化需求越来越成为企业争夺市场的主要手段。客户对 产品需求的改变，促使了相对稳定的市场也转向了多变和动态方向。现代制造企 业在考虑产品成本和质量的同时，必须能最大限度地提供多元化的产品选择来满 足客户的个性化需求，才能提高自己产品的竞争力和市场占有率，以立足于客户 需求纷繁多变的市场中。特别是i n t e r n e t 的迅速发展，打破了时间和地域对经济活 动的限制，为国家问、企业间经济关系的发展提供了新的手段和条件，经济的全 球化成为不可阻挡的趋势，这一切使得制造环境发生了根本性的变化，制造业面 临着前所未有的挑战，主要表现为： ( 1 ) 市场中心客户化。随着现代信息技术的迅猛发展，企业与企业、企业与个 人等之间的距离变得越来越小，呈现出全球化市场的大趋势。市场开始由以产品 为中心转向了以客户需求的变化为中心，客户成了现代市场的主体。 ( 2 ) 产品生命周期短时化。现代市场满足客户个性化需求的产品层出不穷，使 得产品的生命周期越来越短。据统计，电子产品平均市场寿命已经从1 9 7 8 年的8 年左右缩短到1 9 9 4 年的2 3 年。而在产品生命周期缩短的同时，由于产品结构日 益复杂，功能不断增强，新产品的平均开发周期从1 9 7 8 年的1 5 年延长到1 9 9 4 年 的4 2 年【2 】，能否解决这一日益尖锐的矛盾已成为企业占领市场，取得竞争胜利的 决定性因素。 ( 3 ) 产品交货期提前化。当前客户的购买行为己经不再拘泥于产品的质量价格， 而是更多关注产品的交货期能否提i i ，因为交货期与客户使用产品获得的效益成 正比。这样，如果企业能在最短的交货期内，提供质量更优、价格更廉的产品， 就越能获得更多的订单，更大的市场占有率，企业的生存空间就会更加宽阔。 ( 4 ) 客户需求多元化。当今客户对产品的需求不再仅仅满足于一般的大众化的 标准产品，而是更多的追求符合自己需求的产品。要求企业能够按照自己的意愿 进行设计开发，提供一个独一无二的产品。 第1 页 国防科学技术人学研究牛院i ：稗硕十学位论文 ( 5 ) 企业组纵形式联盟化。网络技术的发展，为企业彤成人联盟创造了条件。 越来越多的企业认识到，如果适应现代市场的发展变化，必须建立企业之间的联 盟，形成虚拟企业网络，只有这样才能有效地解决当今企业生产中所遇到的市场 中心客户化、产品生命周期短时化、产品交货期提前化和客户需求多元化等矛盾。 在制造业所面临的挑战面前，传统的大规模生产模式已经不能适应当今市场 的变化需求，并且造成了在设计、制造、装配、库存以及物流等阶段产品成本的 增加，以及企业资源的不合理利用。因此，企业在加大新产品开发力度的同时， 更重要的是要积极地探索能够适合当今市场小批量、多元化需求新的生产哲理和 生产管理模式。在这种情况下，一种被认为是2 1 世纪制造业最为重要的生产模式 大批量定制生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，简称m c ) 的概念被提出，并且逐步清晰 和完整【3 1 。 1 1 3 课题研究意义 本课题对机械产品大规模定制设计技术进行研究，重点对产品功能分解、功 能模块划分、功能模块系列化设计、模块接口设计、产品定制设计的实现和产品 协同设计实现等内容进行研究。从学术价值上看，为产品的大规模定制和协同开 发做了一点理论上的尝试，为后续的理论研究提供一点借鉴。从应用价值上看， 通过产品协同定制可以实现产品设计开发与需求反馈相结合，使得企业能够获得 产品设计开发的主动权；可以实现企业产品系列设计与客户需求相结合，大规模 定制生产中基于模块化和参数化的产品系列化设计能力大大增强，可以快速定制 开发出满足客户多种需求的变型产品，提高客户对产品定制的满意度和企业效益 的提高；可以实现产品适应市场与降低成本相结合，大规模定制通过协同技术可 以预知与大批量生产相关的客户偏好，使企业能够更快地推出拥有大规模需求标 准的产品，从而降低企业产品的开发、生产和营销成本，减少企业产品的库存量， 避免企业产品老化、变质等现象的发生。 1 2 文献综述 1 2 - 1 大规模定制生产方式的产生与概念提出 1 、大规模定制生产方式的产生 大规模定制的思想最早由a l v i nt o f f l o 在( ( f u t u r es h o c k ) ) ( 1 9 7 0 ) 提出，s t a n l e y d 撕s 在( ( f u t u r ep e r f e c t ) ) ( 19 8 7 ) 首次使用“m a s sc u s t o m i z a t i o n ( 译为“大规模 定制 或“大批量定制”) 一词，b j o s e p hp i n ei i 在( ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ：t h en e w f r o n t i e ri nb u s i n e s sc o m p e t i t i o n ) ) ( 1 9 9 3 ) 中第一次对大规模定制进行了系统论述【4 】 第2 页 国防科学技术大学研究生院1 ：样硕十学位论文 这标志着大规模定制理论研究与实践应用的丌始。 大规模定制生产方式出现于2 0 世纪9 0 年代，它的产生是生产方式历史变迁 的反映，是人类文明发展进程的体现。2 0 世纪前，在漫长人类文明中，人类经历 的第一种生产方式，即手工作坊式生产。1 8 世纪末，第一次工业革命的出现，使 得人们开始利用机械力量进行工作，大大提高了效率，减轻了劳动强度。但真正 意义上的生产方式变革，是1 9 1 3 年h e n r yf o r d 建立以流水生产技术为特征的大量 生产技术的出现，人类由此进入了大规模生产( m a s sp r o d u c t i o n ) 方式。2 0 世纪6 0 年代以来，计算机技术进入制造领域，使计算机辅助特征的制造技术得以发展。 特别是计算机和信息技术的广泛应用，改变了人们的生产、生活模式，改变了产 业革命以来的价值观念，使得个性化消费成为时尚，社会经济价值观也从劳动转 向知识，致使小批量、多品种需求成为市场的基本范式。2 0 世纪7 0 年代以后，由 成组技术、柔性技术出发，演进、推出了f m s 和c i m s 。然而，多品种小批量生 产仍然只是客户被动接受多种产品选择的生产方式。进入2 0 世纪9 0 年代，人们 消费方式进一步向多样化、个性化的多元方向发展，产品生命周期进一步缩短， 市场不确定性因素进一步增大，企业要赢得市场就必须快速响应市场。同时， i n t e m e t 等通讯信息技术的进一步发展，柔性生产技术和变异设计技术的成熟与工 程化，新的生产方式大规模定制就应运而生了。 2 、大规模定制的概念 l e uyy 等认为大规模定制是一种集企业、客户、供应商和环境于一体，在 系统化思想指导下，用整体优化的思想，充分利用企业已有的各种资源，根据客 户的个性化需求，以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务 的生产方式【5 】。d a v i s 6 】认为大规模定制是通过高度的过程敏捷性、柔性及其集成， 向每一位客户提供个性化设计的产品和服务，以大批量的市场经济性和大工业前 的个性化处理来满足客户。美国生产与库存控制协会认为r 7 】：大规模定制是一种创 造性的大量生产，它可以使客户在一个很大的品种范围内选择自己需要的特定产 品，而且由于采用大量生产方式，其产品成本非常低。柳丽、叶飞帆【8 】认为，大规 模定制是一种集企业、客户、供应商和环境等于一体，在信息技术和先进制造技 术的支持下，以大批量生产的成本和速度，提供定制的个性化产品和服务的生产 模式。周炳海【9 1 等对大规模定制的内涵作如下描述：大批量是指生产产品的批量大， 定制是指按客户需求为客户提供个别的服务，大规模定制生产是一个综合考虑市 场环境影响和产品的客户个性化需求的现代化大批量制造模式。邵晓峰、季建华【l o 】 等认为，大规模定制是在高效率、大规模生产的基础上，通过产品结构和制造过 程的重组，运用现代信息技术、新材料技术、柔性技术等一系列高新技术，以大 规模生产的成本和速度，为单个客户或小批量、多品种市场定制任意数量产品的 第3 页 国防科学技术人学研究生院i ：程硕+ 学位论文 一种生产方式。吴锡英】等认为，大规模定制生产模式是成组技术( g t ) 在信息时 代的新模式或新体现。唐晓青、王雪聪【1 2 】认为大规模定制的基本思想在于以基型 产品及相关过程为平台，以灵活、高效的组织形态，运用现代管理理念和先进制 造技术，通过产品结构及其与产品相关过程的重组，提供满足客户或客户群体特 定要求的产品，实现生产标准化和产品多样化之间的平衡，以此获得规模效益。 1 2 2 大规模定制研究现状 大规模定制概念自2 0 世纪7 0 年代诞生以来，在国外进行了大量的研究，并 在摩托罗拉、戴尔电脑、德克萨斯仪器、丰田汽车、惠普等欧美日大公司实施后 获得显著的效果。国内虽有北京第一机床厂、海尔集团、重庆华陶瓷业有限公司 等企业也正实施或转向大规模定制模式，但综合国内外科技文献资料，分析发现 大规模定制模式研究的重点主要集中在大规模定制的理论、实施策略与方法。 大规模定制的理想目标是为每个客户完全定制适合自己需求的产品，但是由 于企业各方面能力的限制，实现客户需求产品的完全定制较难，这就在一定程度 上形成了各种不同的定制方式。j o s e p hl a m p e l 和h e n r ym i n t z b e r y t l 3 】根据客户个性 化需求发生在设计、制造、装配和销售的不同环节，认为在标准化和定制之间形 成一个战略的连续集，并提出5 种分类：完全标准化( p u r es t a n d a r d i z a t i o n ) 、细分标 准化( s e g m e n t e ds t a n d a r d i z a t i o n ) 、定制标准化( c u s t o m i z e ds t a n d a r d i z a t i o n ) 、剪裁标准 化( t a i l o r e dc u s t o m i z a t i o n ) 、完全定制化( p u r ec u s t o m i z a t i o n ) 。j a m e sh g i l m o r e 和 b j o s e p hp i n ei i 1 4 】根据客户需求的差异，将定制分为4 类，并据此提出了大规模 定制的4 种方法，即合作定制( c o l l a b o r a t i v ec u s t o m i z e r ) 、适应定制( a d a p t i v e e u s t o m i z 哪、外观定s j j ( c o s m e t i cc u s t o m i z e r ) 和透明定$ 1 j ( t r a n s p a r e n tc u s t o m i z e r ) 。祁 国宁、顾新建、李仁旺【”】按客户订单分离点( c u s t o m e ro r d e rd i s c o u p l i n gp o i n tc o d p ) 在生产过程中的位置不同，将大批量定制分为按订单销售( s a l e t oo r d e r s t o ) 或称 为库存生产( m a k et os t o c km t s ) 、按订单装配( a s s e m b l et oo r d e ra t o ) 、按订单 制造( m a k et oo r d e rm t o ) 、按订单设计( e n g i n e e rt oo r d e re t o ) i 四类。汪晓霞、黄 磊【1 6 】从定制手段上将大规模定制方法分成尺寸定制、自适应定制和模块化定制； 从定制性质上将大规模定制分成外观设计定制、功能选择定制和产品核心定制。 陈俊【1 7 】等在总结前人研究的基础上，提出了大规模定制模式下的三种不同类型的 生产系统模式，即：交付定制型( c u s t o m i z e da td e l i v e r ym c a d ) 、装配定制型 ( c u s t o m i z e da ta s s e m b l ym c a a ) 、制造定制型( c u s t o m i z e da tm a n u f a c t u r em c a m ) 。 阴向阳【1 8 】等研究了面向大规模定制设计( d e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ， d f m c ) 的现状，提出面向大规模定制的设计方法：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。文献 1 9 】通过基于w e b 的 第4 页 围防科学技术人学研究生院t 程硕+ 学位论文 客户需求交互平台，实现了客户需求信息的模糊表达与映射及模糊框架推理与基 于规则的配置推理方法，有效地提高了大规模定制设计中模糊需求的表达与处理 能力，并在电梯产品大规模定制设计中得到了应用验证。祁国宁、顾新建【2 0 】等提 出了一种基于事物特性表的主文档技术的基本原理的产品建模方法，将事物特性 表对应行的数据与主文档相结合，自动生成各种相关文档，并在此基础上，以p r o e 为工具，讨论了这种技术的实现方法。文献 2 l 】在与传统设计方法学对比的基础上， 给出了产品族设计的基本思想和相关概念，并提出了从产品设计过程中的需求建 模、功能原理建模和结构设计建模三个方面进行产品族设计建模的方法。文献 2 2 1 以粗纱机为例，建立了粗纱机的产品族规划模型，对粗纱机进行了模块划分，提 出了粗纱机基于模块化变量配置设计的模型和产品变量配置设计的流程，并给出 了粗纱机具体实例验证。 1 2 3 大规模定制设计类型 随着大规模定制生产方式的产生，传统的产品设计方法已不能满足需要，面 向大规模定制的产品设计就是在充分利用企业现有资源的基础上，运用并行工程 的管理方式，将定制产品的问题通过企业的产品重组或者过程重组转化为或者部 分地转化为批量生产的问题，进而进行企业产品的模块划分，建立产品族模型， 通过产品的适应性变型设计方法，基于产品配置设计规则设计出满足客户个性化 和多样化的新产品。面向大规模定制产品设计的重点是在产品设计的早期阶段， 同时考虑范围经济性和批量经济性；建立合理的产品族结构、捕捉并定义客户对 产品的需求，而且设计过程从传统的设计制造集成扩展到销售、服务等领域。目 前面向大规模定制的产品设计方法主要有模块化设计、产品族设计、定制设计、 协同设计等几种类型。 1 、模块化设计。产品的模块化设计开始于2 0 世纪初，德国一家具公司设计 了几种不同尺寸的架体、底座和项板，用它们可以组成不同规格尺寸的“理想书 架 ，这就是目前所知的最早模块化设计方法。到2 0 世纪5 0 年代“模块化设计 概念【z 列被正式提出，它是指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，创建并设计出一系列功能模块，通过模块 的选择和组合构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。s u h 2 4 】从功能 设计参数映射的角度定义了模块化设计：模块化设计是一种分析结果的产生，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，完成从功能需求域到设计参数域的映射。p a h l 等【2 5 】认为模块化设计是完成 从功能需求域到模块功能域的映射，然后在考虑模块性能( 如尺寸、重量等) 基础上 完成从模块功能域到模块结构域的映射，并按照模块功能的不同，在模块功能域 第5 页 围防科学技术人学研究牛院i ：科硕十学位论文 和结构域进行了相应的模块分类定义。u l r i c h t 2 6 】等从设计学角度指出了影响模块 化设计的基本因素：设计中功能域与物理结构域之间的对应程度影响模块化的 程度。产品物理结构间相互影响程度的最小化。s t o n e t 2 7 】等所提出的启发式模块 创建法，以产品的能量流、物料流、信号流以及力等，再依据3 种判断准则：支 配流、分支流以及转换一传输流来进行模块的规划。但该方法仅衡量能量、物料、 信号以及力的处理过程，以功能实现方式探讨模块形成，没有能够体现出设计需 求约束问题。k u s i a k t 2 8 j 提出了一种启发式的图解法来分析产品模块化结构，以辨 别组件互换型模块化、总线型模块化与组件共享型模块化，但该方法仅着重于零 部件的关系探讨。s a l h i e h 2 9 】把模块化设计分解成四阶段，通过考虑零件之间特征 指标的关联度以矩阵的方法分析零部件之间的相似程度，再通过中位模型来进行 零部件的聚类分析工作，但计算复杂。e r i c s s o n t 3 0 1 提出了一种模块功能配置方法， 通过分析产品全生命周期的属性归纳出了模块驱动因素，并利用质量屋来分析客 户需求与产品工程设计特征的关系，进而规划模块形式与装配设计，但是缺乏考 虑零部件间的交互关系。 潘双夏【3 i j 等在模糊聚类以及信息熵理论的基础上，综合考虑了客户需求、产 品装配、成本和维修等相关因素对产品进行了模块创建，并且给出了模块形成方 案的量化评价方法。高卫国【3 2 】等针对传统模块化设计的局限性，将参数化设计和 变量化分析技术引入模块化设计，提出了具有功能独立性和结构参数化的广义模 块划分方法，并提出了基于广义模块化的产品族规划方法，用液压机实例进行了 验证。唐涛、刘志峰【3 3 】等将绿色设计思想与模块化设计方法结合起来，引入层次 分析法，提出了既可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量， 快速应对市场变化，又可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维 修和产品废弃后的拆卸、回收和处理的绿色模块化设计方法，并简要分析了其设 计过程，用分体空调器室外机组为实例进行了验证分析。崔梁萍、项春【3 4 】等提出 了一种面向大批量定制产品的模块化设计方法，将大批量定制设计过程分为“慢 设计 和“快设计”两种过程，即与全新产品开发有关的新产品设计形成过程和 变型产品设计制造过程。同时，指出这两种设计过程的结合点是产品的模块化。 文献【3 5 】提出了一种将定制点提前到产品的设计阶段，根据客户关心的产品性能分 析，结合产品功能、结构上以及加工工艺上的特点，从可定制、非定制的思路出 发，再配合以功能和结构来划分模块的方法。文献 3 6 】把基于f p b s 的自顶向下的 产品方案设计过程与自底向上的模块划分过程相结合，以行为相容性为首要原则， 基于产品的f p b s 设计迭代分解模型与功能模型，展开产品功构要素的相关性分 析，采用模糊聚类的算法进行自底向上的功构单元聚合，进而实现了产品层次性 模块的划分与创建。 第6 页 国防科学技术大学研究牛院+ l ：程硕十学位论文 2 、产品族没计。结合文献 3 7 3 8 】对产品族的定义町知，产品族就是指一系列 从产品平台派生出来的，具有各自特性和功能，能够满足一定范围市场需求的共 享某些公共特征、组件或者子系统的相关产品，是产品内部复杂性与外部多样性 的优化方案。产品族设计是面向大批量定制的核心内容和重要支持手段，其基本 思想是以产品平台为重要战略指针，针对市场细分中不同客户群的需求，进行产 品平台和基于产品平台的系列化产品设计，以低成本和快速开发周期来满足客户 的不同需求。刘晓冰【3 9 】等针对大规模定制快速变型设计的要求，提出了产品族的 多视图建模方法，讨论了模型的表达方法和建模过程中的关键技术，并建立了产 品族建模的信息环境框架。樊蓓蓓、祁国宁 4 0 1 将复杂网络理论应用于产品族结构 建模中，提出产品族结构的零部件关系网络模型，零部件作为网络的节点，零部 件之间的隶属关系作为网络的边，并在此基础上演化出产品族结构的模块关系网 络模型。运用简单路径搜索等算法对各个节点的介数、次数和产品等参数进行计 算和统计。通过分析和比较这些参数，提出基于产品族结构网络模型的模块划分 方法。徐丽萍【4 l 】等根据广义模块化设计原理，对广义模块化产品族和产品平台作 了整体规划，阐述了柔性模块、虚拟模块、元结构以及柔性元结构等概念，提出 了以柔性元结构为基础构建广义模块化产品族的思想。马辉、张树有【4 2 】等在建立 面向功能原理结构三视图产品族基本物元模型的基础上，利用物元的发散性、可 扩性、共轭性、相关性等特点，实现了产品族的拓展，形成产品族的可拓物元集 合，并且把产品族的基本物元模型进一步拓展至产品族可拓物元模型，通过电除 尘器阴极系统验证了产品可拓物元模型能够大大提高产品族模型的规范化和可重 用性。王爱刚4 3 j 等将聚类分析的手段引入模块化产品族设计中模块和核心平台 ( p r o d u c tp l a t f o r m ) 确定的问题上，通过分析产品开发过程以及部件关联矩阵，以部 件之间关联的紧密程度作为聚类指标，应用聚类分析法求得部件对不同类别的相 对隶属度，从而为产品模块化和核心平台的划分提供科学分类依据，为产品族设 计的数学分析和描述提供了定量的科学支持以及规范化的产品族设计过程。龚京 忠【3 6 j 通过对客户需求进行聚类分析，建立满足市场细分的产品族。进而对产品族 进行f p b s 迭代分解映射，通过对分解映射模型的综合，采用谱系聚类法，对产品 族的模块进行划分、识别，从而建立满足产品族功构模块体系的模块族。 3 、定制设计。定制设计是产品大规模定制中实现客户个性化需求的有效方式， 也是提升企业竞争力的保障。定制设计主要包括企业现有产品的变型设计和新产 品的开发设计，以及实现产品装配的配置设计。 在变型设计研究上，鲁玉军、余军合】等基于计算机集成产品工程哲理方法， 以c a d 系统s o l i de d g e 为具体应用对象，研究了基于事物特性表进行产品变型设 计的原理，并借助e x c e l 的表处理功能建立了事物特性表，对s o l i de d g e 的变量表 第7 页 国防科学技术大学研究生院+ i 样硕十学何论文 功能进行了二次开发，并且通过二者的集成，实现了产品变型设计的方法和过程。 顾巧祥、苏少辉【4 5 】等在对面向大规模定制的开发设计技术和事物特性表研究的基 础上，提出了基于事物特性表和参数c a d 的产品变型设计系统的总体框架，并对 基于事物特性表的产品变型设计的关键技术一如何在参数型c a d 中创建产品主模 型、如何建立产品事物特性表以及如何对产品进行变型设计进行了探讨。冯毅雄、 程锦1 4 6 j 等从配置产品创新性与重用性相结合的角度探索了在集成环境下产品变形 设计的发展规律，系统地提出了面向大规模定制的配置产品变型设计理论和方法， 针对配置产品的不同设计域层次，定义了一整套适用于不同抽象层次和不同类型 配置模型的递归化设计方法，通过不同设计域、不同层次、不同类型配置规则的 模糊推理、模糊派生、柔性聚合实现设计过程的跃升和设计信息的继承，提出了 配置单元派生进化、关联进化、替换进化的整套方法，将配置单元进化演绎的 历史与配置设计过程结合起来，实现复杂配置产品方案设计的自动化、递归化和 可视化。徐新胜、方水良、顾新建h 7 】针对定制产品变型设计中设计参数不完全的 问题，提出了基于已有产品数据资源进行设计参数估计的变型设计方法，在此方 法中，每一个产品的设计方案对应一组完全的设计参数，并记为一个向量；定制 产品中未知的设计参数可以根据已知设计参数和已有的产品数据资源，通过极大 似然估计得到，并且运用期望最大化算法实现未知设计参数推断的迭代过程。文 献 4 8 】首先介绍了事物特性表的基本概念，然后基于面向对象技术对事物特性表进 行描述，并对事物特性表支持的变型设计原理进行阐述。同时，结合现有c a d 系 统提供的参数化功能和一个应用实例，对事物特性表支持的变型设计技术实现方 法进行了研究。文献 4 9 在分析了单一参数化技术和模块化技术在机械产品设计中 不足的基础上，提出了面向大规模定制生产的机械产品设计的柔性参数化技术。 并把单一参数化技术和产品的模块化设计技术融合在一起，建立了机械产品设计 的柔性参数化模型。李仁旺【5 0 】等认为大规模定制的核心在于通过各种产品的变型 设计，并论述了可拓学中优度评价方法在变型