（机械电子工程专业论文）面向mc的减速器设计与应用.pdf

面向m c 的减速器设计与应用 研究生：耿长胜导师：汤文成 东南大学 摘要 随着生活水平的提高，人们日益追求个性化产品和服务，大规模生产模式逐渐陷入了尴尬的境 地。此时，火规模定制应运而生。这种新型的生产模式能在不牺牲企业经济效益的前提下，满足客 户的个性化需求，因为如此，它成为企业经营的必然趋势。 大规模定制( m a s sc l l s t o m i z a t i 。n ，m c ) 生产模式是企业以大规模生产的效率和成本向客户提 供定制产品的种生产模式，被认为是2 1 世纪企业发展的新前沿。传统的大规模生产模式以产品为 中心，在日趋全球化、动态和分散的市场竞争环境下，必须转向以客户为中心的大规模定制生产模 式，才能在国际市场中占有一席之地。面向大规模定制生产的产品设计技术( d e s i 印f o rm a s s c u 5 l o i z a n 0 且，d f m c ) 是实施大规模定制的核心，产品设计技术的改变将对整个企业的生产活动 产生影响。 对大规模定制进行了整体性的描述，包括背景、概念及本质特征等，分析了实施d f m c 的环境 需求，确定了d f m c 实施的工作过程，分析了两段业务流程的特点。研究了大规模定制的基本方法， 包括：面向产品族设计、模块化设计、标准化设计等。分析了企业存在的产品设计问题，并给出面 向m c 的产品设计系统结构体系。 探讨了产品分类编码的基本原理与方法，建立了企业的产品编码体系，给出了减速器编码体系 结构。鉴于模块化在产品设计、生产过程中的作用，分析了模块化在大规模定制生产模式下的特点， 提出了面向模块化的d f m c 方法，描述了模块化设计的实施过程及技术关键，利用质量功能配置技 术进行产品定义，把客户需求转换为企业产品的技术需求，以减速器为结台对象对产品族进行功能、 原理和结构的规划，之后建立了产品模型。根据减速器结构划分了装配层次，建立了层次装配模型 和装配关系，通过产品数字化预装配系统，实现减速器产品的虚拟装配。 关键词：大规模定制；产品族：模块化设计；编码；虚拟装配 东南大学硕士学位论文 t h er e d u c e rd e s i g na n da p p l i c a t i o n f o rm a s sc u s t o m 亿a t l 0 n g e n g c b a i l g _ s h 。n gs u p e i s o r ：t a n gw e n - c h e g s o u t h e a s lu 1 1 j v e i s i t y a b s t r a c t p e 叩l ea r ei np u r s u j to fl h ei d d i 撕d l 】a lp f o d u c ta n ds 盯v i c ej 叮e a s i n 百y 谢l hl h ei m p r o v e m e n to ft h e s t a n d a r do fl i v i “g t b em o d eo fm a s sp r o d u d i o ni se m b a r r a s s e d 掣a d u a ya n db e c o m eh e l p l e s s l y m e a n w h i l et h em o d eo fm a s sc i l s t o m i z a t i o ne m e 伊sa st h et i m e sr e q u i r e ，w h i c he a b kt om e e tt h e i d i 、，i d u a lr e q l l i r e m e n t 丘o mt h ec l l e mo i h ec o n d i t i o no fn o ta i k c t i n gt h eb e n e 丘to ft l l ee n t e r p r i s e t h e r e b y ，m a s sc u s i o l i z a t i o nb e c o l ef h ei e “c a b l et r e n di nc h e 丘e l do f e n f e r p f i s em a a 萨n 蛇n t m a s sc i l s l o 觚z a t i o i h m c ) a i m sa lp r o “d i n gc u s t o l i z e dp m 血d sw i l ht h ee f f i c i e c ya n dc o s io f l a s s p r o d u c t i o n i sc o l l s i d e r e da s l h en c w 丘o n t i e ro f 2 1 “c e n t u r y w i t h t b e t h e w h 0 1 e w o r l d a d v a r i a b i m ya n d d i s p e r s e l a r k e tc o m p 。t i t i o nd a yb yd ay c o 1 p a i i i e sh a v et ot r a l l s i t 丘o mm s 5p r o d u d i o j l ，w i t hf o c l l s e so n p r o d u c t s ，t om a s s 印s t o l i z a t i o n ，w h i c h 士o c u s e so nc u s t o 1 e r s ，t h e n “c a no c c u p i e sat i n ys p a 。e o n i m e m a l i o a 1m a r k e t d e s i 弘f o rm a s sc i l s t o i i z a l i o ( d f m c ) i st h ek e ya 8 p e c tf o rt h ei m p l e e m i n go f m a s sc u s t o l l l i z a t i o n c h a g e so fd e s i 口t e c h n 0 1 0 9 yw i l li n 丑u e n c ea ni h ec 0 1 砷a n y d e s c r i b e se n t i r c t ym a s sc u s l o m i z a t i o i l ，i n d u d i n gb a c k 伊o u n d c o n c 。p t i o n e s s c n t i a lc h a r a c k r i s t i c ，e t c ， e n v i r 0 1 l m e n t a l r e q u i r e m e n t a n dc o n 丘t m s w o r k i n gp r o c e s s i nd f m ce n 土b r 【= e m e n t ， a n a l i z e st h e c h a r a d e r i s t i co ft w os t e p so f0 p e r a t i o n o wa n dr e s e a r c ht h eb a s i ct h e o r i e so fm a s sc u s t o m i z a t i o n ， i n c l u 曲培t h e ( 1 e s i g n f o rp r o d u c tf a l i ly m o d l l l a r i i yd e s i 缈，s i a n 血r d i z a t i o nd e s i 印a n ds oo np u tf o r 、v a r da p r e h i i l i a 。yd e s i 弘o fs t r u d u i a ls y s t e mf o rm ci nv i e wo ft h 。p r o b l e n l so fe x i s t i gp r o d u dd e s i g o f c o m p a l l y t b i sp 3 p c rd i s c u s s e st h ef i l n d a m e m a lp r i c i p k sa n dm e t h o d so “p r o d u d sd a s s i 丘c a t i o ne n c o d e ，s c tu p t h ec l a s s i n c a t i o ne c o d es y s t e mo ne m 。r p r i s e ，g i v i n ge n c o d es y s t e ms t f l l c t i l r eo fr e d u c e r i i iv i e wo ft h e n i n c t i o o fm o d u l a r i z e di np r o d u dd e s i 弘a n di h et r m m f a c t u r i n gp r o c c s s e s ，i ta 砷1 i z e st h ef e a t u r e so f m o d u l a r i z e di nt h em o d eo fn m s sc u s t o l i z a t i o na n dp f o d u d i o n ，h i n 乎f o r w a r dd m f cm e t h o d so ff a c e i n g t o w a r d sm o d u l a r i z e d d e s c r i b e se x e c u t i n gp r o c e s sa n dt e c h n o l o 日k e y so fm o d u l a f i z e dd e s i 毋d e 丘n e st h e p r o d u c tu s i n gt e c h n o l o g yo fq u a l i t y a n df u c t i o nc o n n g i 】r a t i o 玛a n dc o n v e n sc h c m s d e 蝴n d si m o t e c h n 0 1 0 9 yr e q u i r e m e m so fp r o d u d ，c a r r y i e so u tt h ep r o 乎a m m i “gt ot h c 乎0 u po fp r o d u c t s a b o u t 缸n c t i o i l s ，p r i n d p k sa n ds t r u d u r e sb i d i n gt l l er e d u ce r ，i h e nf o u n d st h ep r o d u dr n o d e l a c c o r d i n gt ol h e r e d u c e rs t u c t u r c ，i td i v i d e 5a s s m e b l cl a v e r s ，c o s t i t l i t e sm o d e la dr c l a t i o no nl a y e r sa s s l e b l e ，a c h i e v e s v i n u a la s s m e b l eo fr e d u c e r ，b yt h em e a s l i r eo ft h es y s t e ma b o u tb e f o r e h a n da s s m e b l et od i 百t a l i z i n g d r o d u c t s k e y w o r d s ：m a s sc l l s t o 】i z a t i o n ；p r o d u df a l i 】y ；n 1 0 d u l a i i z e dd e s i 粤ke n c o d e ；v i r t u a la s s m e b l e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：沤受缝导师签名：研究生签名：必竖纽! 薹导师签名：渝务吆日期：兰哑莎；p 第一章前言 第一章前言 1 1 课题研究的背景 1 1 1 大规模定制的形成 近几十年来，计算机技术、网络通信技术突飞猛进，全球经济一体化快速形成，市场竞争日益 激烈、变化莫测，需求也日益表现出更高层次的多样性、个性化。社会的进步和技术的发展使得人 们对产品提出了更高的要求。人们已经越来越不满足于接受厂家提供的有良好的质量和服务的“大 众化”产品，他们需要真正符合自己需要的个性化产品，比如产品的造型要能体现出自己的品位和 个性，功能要切合需求等等，客户越来越希望得到他们真正想要的东西。这种变化导致了市场从传 统的相对稳定型逐步演变成动态多变型( 市场环境变化如图卜1 ) 。大规模生产方式对此显得无奈， 对生产战略和生产方式进行变革和创新就成了企业、市场和社会的共同呼声。在探索新的生产模式 过程中，柔性制造( f m ) 、精益生产( l p ) 、敏捷制造( a m ) 等尽管研究问题的入手点以及特征有所 差异，但其目标和根本原则是一致的，都不约而同地将生产战略目标和价值取向转向了市场、客户， 并且已经出现互相穿插交融的趋势，即在大批量生产模式的基础之上，研究和实现柔性生产的方法 和技术，在基本保持大批量生产的交货期和成本的约束下，满足市场个性化的需求。这预示着新的 生产方式必定是一种真正面向客户的、基于时间的、有效的、全新的生产方式“。1 。 表1 1 市场环境变化比较 特征因素 以前的市场环境目前的市场环境 需求预测可预测的需求难以预测的需求 需求描述易说明、易描述的需求难以说明、难以描述的需求 产品类型多为生活必需品多为享受品与生活必需品的组台 需求差异相同的、标准化的需求不同的、个性化的需求 需求变化稳定的需求突变的需求 价格意识低价格意识可接受价格意识 时尚意识低时尚意识高时尚意识 服务水平低水平的售前售后服务高水平的售前售后服务 客户权力低的客户权力( 设计产品权力)高的客户权力( 设计产品权力) 竞争强度低的竞争强度高的竞争强度 竞争类型 以经济性驱动的竞争为主 以有效性驱动的竞争为主 市场需求 稀缺市场、卖方市场饱和市场、买方市场 替代产品 替代产品较少替代产品较多 生命周期长生命周期短生命周期 技术发展较慢的技术发展较快的技术发展 生产导向以技术或产品或市场为导向以客户为导向 市场区划 分割的、区域化的市场 统一的、全球化的市场 活动特性独立的活动、一个中心相互依存的单元、多个中心 生产的发展史说明，随着社会、经济、技术的发展变化，生产战略沿着“生产规模生产成 本产品质量一市场响应速度”的方向发展，制造业生产价值取向沿着“技术产品市 场顾客”的方向演进，生产方式沿着“手工机械化单机自动化刚性流水线柔 性自动化智能自动化”的方向推进“1 。 在新技术特别是在i n t e r n e t 的激励下，制造业正在经历一场绝不亚于新工业革命的大转变，这 东南大学硕士学位论文 次大转变是深远的、深刻的、根本的，将触及全球的每一个角落和每一个过程，改写由艾尔弗雷德斯 隆、亨利福特等工业时代巨人所立下的规则。正如数字可视系统与咨询公司的总裁戴维蒂科尔 说的“我们看到的不是经济中的细微变化，而是生产史上划时代的变化”j 。 在3 c s ( 客户主导、变化迅速、竞争激烈) 的市场环境下，个性化、低价格、快应变、高质量 己成为产品市场竞争力的最重要因素。建立在分工和专业化基础上的，得到理论分析和实际绩效双 重支持的、曾被人们一度认为“最理想生产模式”的传统大规模生产方式日益走向衰落，而一种以 客户为导向、一经提出就立即引起企业管理者和学者极为关注的生产方式大规模定制( m a s s c u s t 0 i z a t i o n ，m c ) 正在萌芽、发展、壮大，逐渐成为“挽救制造业”和“实现制造业复兴”的 巨大力量。1 9 9 7 年底，美国对可预见到的最重要技术进步进行了挑选，大规模定制技术是所选出 的1 2 大类8 5 项将要出现的最重要技术之。生产技术的进步和管理方法的创新为生产个性化产品 提供了必要的条件，为太规模定制的诞生奠定了基础。动态的、突变的、个性化的、全球化的市场 促使了大规模定制的发展”。 1 1 2 大规模定制模式的内涵和本质特征 。 大规模定制( m a s sc l j s t o m i z a “o n ，m c ) 如人工智能( a r t i f i c j a li n t e r l l i g e n c e ，a i ) 一样， 也是表面上看似相互矛盾、对立的两种观点的统一体。早在1 9 7 0 年美国著名的未来科学家、预言家 阿尔温托夫勒( a l v i n t o f f l e r ) 在他的未来的冲击( f u t u r es h o c k ) 一书中提出了一个设想： 以类似于标准化或大规模生产的成本和时间，提供满足客户特定需求的产品和服务“。1 9 8 0 年，阿 尔温托夫勒出版了著名的第三次浪潮( t h et h i r d w a v e ) ，首次提出了这种理想化的生产系统， 并称之为“非大量化”( d e m a s s i f i 。a t i o n ) ，意即这种生产系统能够满足客户个性化的需求。1 9 8 7 年，美国的戴维斯( s d a v i s ) 所写的未来的理想( f u t u r ep e r f e c t ) 中对其进行了更具体的发 展，将大规模( m a s s ) 和定制( c u s t o a z i t i o n ) 概念合成，把这种新的生产系统命名为“m a s s c u s t o i z a t i o n ”。1 9 9 3 年策略前景l l p 公司的创始人b 约瑟夫派恩二世( b j o s e p hp i n e ) 在其大规模定制企业竞争的新前沿( m a s sc u s t o m i z a t i o n ：t h en e wf r o n t i e ri nb u s i n e s s c o m p e t i t i o n ) 一书中对大规模定制的内容进行了完整地描述。在1 9 9 7 年，派恩和大卫安德森( d a v i d m a n d e r s o n ) 合著的大规模定制方式下敏捷产品开发( a g j l ep r o d u c td e v e l o p m e n tf d rm a s s c u s t o m i z a t i o n ) 对这一“到目前为l l 二，世界领先的制造商们保守的最好的秘密”做了深层次的探析， 并全面介绍了如何为特殊需求的市场或单个客户开发定制的产品。 大规模定制是一种集企业、客户、供应商和环境等于一体，在系统思想指导下，用整体优化的 观点，充分利用企业已有各种资源，在标准化技术、现代设计方法学、信息技术和先进制造技术等 支持下，根据客户的个性化需求，咀大规模生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的 生产方式。这种既能满足客户的真正需求而又不牺牲企业效益和成本的生产方式，正在成为本世纪 的主流生产方式。美国华盛顿大学新兴技术预测委员会预测，到2 0 1 1 年，汽车、电器等3 0 以上的 产品将广泛实现大规模定制。而目前的情况是，大规模定制的普及速度要远远高于美国人的预测。 大规模定制是以人( h i l a n ，h u ) 、组织( o r j a n i z a t i o n ，o r ) 、技术( t e c h n o l o g y ，t e ) 等制造 资源有效集成作为获取核心能力( c o r ec o m p e t e n c y ，c c ) 的基本组织原则，以大规模( 1 g es c a l e ， l s ) 、太范畴f h i g hc a t e g o r y ，h c ) 的有效实施作为管理运作基础，以实现产品具有高度个性化 ( p e r s o n l i z a t i o n ，p ) 、能够快速响应变化的市场需求( t i e ，t ) 和具有较低甚至为零的变异成本 ( d i f f e r e n t l a lc o s t ，c ) 三个根本特征作为获取市场竞争力的主要固素，以达到生产有效性 ( v a l i d i t y ，v ) 和经济性( e c o n o m y ，e ) 的协调统一为基本目标的一种先进生产方式。数学语言描 述如下“： m c = ，( c ，) c c k = 五( 日“，o r ，死) v k = ，2 ( l s ，月) e 。= ( p ，丁，c ) ；，4 ，e ) 2 第一苹前言 c c 。厂通过制造资源有效集成大规模定制所获得的核心能力 v m 广表示大规模定制的生产效能 e m 。表示大规模定制方式下所生产的产品市场竞争力 0 0 。表示大规模定制的基本目标 大规模定制的基本思想强调了两点：出发点是客户，真正体现客户主导；建立在“大规模” 的基础上。将定制产品的生产问题，通过产品结构和制造过程的重组全部或部分转化为批量生产。 对客户而言，所得到的产品是定制的、个性化的；对企业而言，产品是采用大批量生产方式制造的 成熟产品。 研究事物的“异中之同”，就能使千头万绪的现象变得简明、清晰；研究事物的“同中之异”， 又能看到事物间关系的多样性和灵活性”1 。定制就是充分利用了“同中之异”，满足多样性的个性化 需求；而大规模的前提则是对象间广泛存在的“异中之同”。大规模定制方式能够存在的一个最重 要原因是人们对产品功能需求尽管有差别，但也有共性。因此，实施该生产方式的关键在于，首先 从本质上弄清并区别用户的个性和共性需求，然后从产品设计、制造、装配、供应以及销售服务等 整个生命周期各阶段上进行总体规划，决定在哪些阶段应采取措施满足用户的个性化需求，而在哪 些阶段上又可沿用批量生产方式。只有这样，才能实现客户化需求和一定规模下低成本的统一。 许多企业想用增加产品品种的方法以“多样化”去干扰真正的定制，并且在迅速分化的市场面 前，不顾一切地试图维持大规模生产的传统。但是，产品的多样化并不等于定制。多样化指先生产 出产品，将它们存入成品库，然后等待需要它们的客户出现。与此相反，定制是指应客户的特定要 求而生产。多样化是给客户以更多的选择，希望他们找到最接近其需求的产品。然而有些多样性对 客户来说是表面性的、不重要的，甚至是令人困惑的。如尼桑汽车曾经有8 7 种可供选择的方向盘， 其中有7 0 种只安装在5 的汽车上。大规模定制并不是为每个人提供一切，而是在每个客户需要的 时候给他们准确提供想要的东西。图l 一1 描述了大规模定制的经济意义。在单一的、稳定的市场需 求下，规模经济带来的低价位和大批量生产过程带来的成本优势不可战胜。但随着客户对这种产品 的需求量降低，大规模生产的成本会陡然拔高，甚至当达到某一点( a 点) 时，企业已无利润可言。 在大规模定制下，低成本是通过范围经济来获取，产品成本与生产批量的相关性小，因此即使在产 品生产批量很小甚至单件生产的情况f ，仍然能够保持低成本获得丰厚的利润，在产品生产批量小 于某个值( b 点) 时，大规模定制的竞争优势开始表现。 单位成本( 或价格) 0 氍 b 高 图1 1 大规模定制的经济意义【2 l 3 产量 东南大学硕士学位论文 大规模定制虽然脱胎于大批量生产模式，但在指导思想与具体措施上有着本质的区别。表卜2 从两者的核心、目标和关键特征三个方面进行比较，展示了主要区别之所在。大规模定制所面临的 最大挑战是如何减少定制的成本、缩短定制的时问，使定制产品能同大批量生产的标准产品相抗衡。 需求的分散性是大规模定制模式的关键特征，作为一种新的制造模式大规模定制具有更为广阔的前 景和很强的生命力。如果说大规模生产是基于工业经济的现代化，那么大规模定制便是基于知识经 济的现代化“1 。 表1 2 大规模定制与定制生产和大规模生产的比较 比较内容 定制大规模生产 大规模定制 通过满足客户的特定需求获通过稳定性和控制取得高效通过制造资源的有效集成 核心得成功 室 与经济性协调统一 以最确切的满足客户需求的以几乎每个客户都能承受的以足够的变异性和客户化 方式来设计、生产、销售、低成本和低价格来设计、生设计、生产、销售、运送 着眼点运送产品和提供服务产、销售、运送产品和提供几乎是每个客户正想要的 服务产品和服务 夺分散的需求夺稳定的需求令分散的需求 夺不同的小市场夺巨大、统一的市场夺不同的小市场 夺 高成本、不稳定的质量、夺低成本、稳定的质量、夺低成本、高质量、定 主要特征定制的产品和服务标准的产品和服务制的产品和服务 夺长的产品开发周期夺长的产品开发周期 夺短的产品开发周期 夺短的产品生命周期夺长的产品生命周期审短的产品生命周期 1 1 3 大规模定制的发展现状 信息技术的发展对大规模生产方式产生的冲击是革命性的，数字化网络改变了一对多的关系和 生产者的统治地位。消费者可以通过互联网与多个生产者对话，也就迫使生产者不断与顾客进行一 对一的对话，确切了解他们的爱好并作出反应。信息技术促进了“产品形成的决定权转移给消费者” 的趋势，或者说“生产者把商品和服务的生产链条的末端交到消费者手中”，使新产品增多，从而 消费者消费得更多。在这种条件下，大规模生产模式必将在许多领域被大规模定制所取代= 从9 0 年代b j o s e p hp i n e i i 定义了大规模定制之后，m c 作为一种企业战略已经在国外许多企业中得以 成功应用。以戴尔公司为例，1 9 9 8 年度戴尔公司在个人计算机市场上的份额超越i b m ，仅次于康柏， 甚至在其他计算机制造商非常艰难争取赢利时，戴尔公司却不断在销售额和收益上连创佳绩。分析 其成功的原因固然是多方面的，但最重要的一点正是依赖于与顾客建立直接的关系，只根据顾客的 定单做出令顾客完全满意的计算机，这样生产出的产品当然是无须担心销路的。同时，因为零部件 迅速转化成为产品，也就避免了计算机零部件每周下跌1 所可能带来的损失，仅此就又为戴尔公司 提高了利润率。正是由于成功实施大规模定制，“d e l l 模式”成为大规模定制的代名词。而我们 在自己的电脑上可以根据自己的喜好任意地设置桌面也是微软实施定制的又一成功典范。i b m 、惠 普( 1 p ) 公司、摩托罗拉( m 0 t o r o l a ) 公司、b e n e t t o n 制衣公司、丰田( t o y o t a ) 公司、百丽工 程建筑有限公司等，采用各种不同的方式实施m c ，提高其国际竞争力，并且取得了骄人的业绩。在 美国，产品或服务的订单中已有3 6 需要定制。 在学术界，哈佛大学、麻省理工学院、斯坦福大学等都在积极地进行大规模定制领域的研究。 “大规模及个性化定制的世界大会”自2 0 0 1 年开始每两年在世界各地轮流举行。 在我国，一些高校和科研院所都开始进行大规模定制的研究。如东南大学开发的内圆磨床产品 族定制系统、浙江大学与杭州轮机股份公司合作开发的工业气轮机异地选型设计系统( h t c ) 就是 国内利用网络技术按照大规模定制方式组织设计生产的实例。海尔集团借助大规模定制完成了从本 土化海尔国际化国际化海尔的转变。此外还有如重庆华陶等都在积极的尝试大规模定制的 d 第一章前言 实践。我国8 6 3 计划c i m s 主题专家组在“九五”和“十五”期间也有计划地部署了一系列课题， 对大规模定制理论、方法和技术，以及大规模定制在网络化制造中的应用问题等进行了深入的研究。 在2 0 0 4 年中国工程机械学会年会中，谭建荣等的“大规模定制的技术体系及其在国产重要装备设 计中的应用研究”，被列为2 0 0 4 年机械工业科学技术9 项重大进展之一。 总体而言，我国在这方面的研究尚处于初级阶段，大规模定制还没有形成一套比较完善的理论 体系。由于实施m c 面临着多方面的挑战，包括市场、技术、管理和人力资源等方面，因此我国实 施m c 的企业很少，有相当多的企业对它的理解也很不全面甚至曲解，没有系统的实施方法作为指 导。尽管实现m c 的一些基本方法( 如柔性制造系统、模块化设计等) 一直也是人们研究探讨的问 题，但m c 是贯穿于企业的产品开发、生产管理、制造过程、营销管理、物流管理等业务过程，涉 及企业的决策层、管理层和操作层等，是对整个企业的生产经营系统进行的总体规划，需要企业的 各个方面以及合作伙伴共同参与才能实现的模式，因此需要系统的方法和技术作为指导，而不是单 独采用某个方法和技术。 1 2 面向大规模定制的产品设计 产品生命周期划分为四个阶段：设计、制造、装配、销售。依据客户定制点在企业生产活动中 所处的阶段不同，将大规模定制分为四种类型：设计启动式、制造启动式、装配启动式和销售启动 式。根据产品在整个定制环节的数量以及不同组合，可以得到大规模定制的实施模式总数“1 ： = c ：+ c 二+ c ；+ c ；+ c ：= 1 6 定制可以在产品的生命周期的任意时间段进行，既可以在设计阶段实施，也可以在制造阶段实 施，还可以在装配或者销售阶段进行。此外，还可咀在设计、制造、装配和销售的任何组合中实施。 考虑到大部分构成竞争力的要素都是在产品的设计阶段确定：产品的功能只可能由设计决定；产品 的质量则取决于设计和制造两方面；产品生命周期成本的8 0 卜9 0 是由设计阶段最早的1 0 卜2 0 环节决定的；售后服务的难易和成本直接与设计相关；而产品与人和环境的关系，也主要来自于设 计的构想。总之，产品的结构、性能、质量、成本、交货时间、可制造性、可维修性以及人、机、 环境关系等，原则上都是在设计阶段确定的。因而，设计阶段是实施大规模定制最关键的阶段。 大规模定制的设计方法是在现有设计方法基础上发展而来的，它继承了大规模生产方法中适合 于大规模定制的方法，如模块化设计、标准化、规范化、并行设计等，又对一些不符合要求的设计 方法在流程和具体做法上加以改进和提高，形成一种符合大规模定制模式要求的新型设计方法。 大规模定制设计( d e s i g nf 。rm a s sc o u t 。m i z a t i o n ，d f m c ) 是采用并行流程围绕产品族进行设 计，以有效的满足客户需求“。设计的重点是建立合理的产品族结构，同时完成一组产品的设计， 而不仅仅是设计一个产品；它延伸了传统设计的界限，设计过程从传统的设计制造集成扩展至销售、 分配、服务等部门；它注重产品全生命周期的设计，在产品概念设计阶段就考虑产品的整体设计， 考虑产品的可制造性、可装配性、可拆卸性、可靠性分析等技术层面的问题。大规模定制设计在设 计领域和产品族方面的扩展可以表示为图卜2 。正是由于在产品设计中采用了d f m c 技术，才奠定了 l c 生产模式的基础，使得大规模定制生产成为可能。 大规模定制的产品设计流程采用并行设计的流程管理方式和产品族设计的思想，将产品设计流 程分为产品开发和快速设计两个阶段。图卜3 所示，以减速器产品为例，这种产品设计流程使设计 者一开始就面对产品族进行设计，确定产品定制方法和参数范围。快速设计与产品开发的分离，使 企业销售人员和设计者能共同完成晟终产品的设计，这样有利于提高产品销售时对客户需求的反应 能力，也有助于设计者了解客户需求信息，从而改善产品族结构。 大规模定制的产品设计仍然要采用并行设计的方法，并依次安排大规模定制设计的流程。此时， 并行设计的范围扩展到产品销售和服务领域，转化为产品全生命周期的并行设计。 5 东南大学硕士学位论文 售j 设汁 刳造= _ = 罪备 设汁：期逸。 声箍设计 j i 蔓计书麟 竣谴j e 噔产晶竣汁峭产品 图1 2 设计流程领域扩展 3 图卜3 大规模定制产品设计流程 1 3 开发个性化产品设计系统的意义 国外许多公司正在不断加快设备更新的速度，转变管理模式，实现生产和管理的数字化，逐步 具备大规模定制的基本条件。全球化市场的发展趋势，使得中国企业同世界其它先进企业面临着同 样的竞争和动态的市场冲击。目前我国大多数企业的设备和管理水平仍处在大规模生产的水平，机 器设备陈旧，生产线柔性不足。实行大规模定制，首先要求企业的生产制造系统具有柔性制造的特 点，这本身与我国企业现状存在着矛盾。其次，大规模定制还要求企业在柔性制造的前提下取得规 模效益。而我国许多企业无法解决成本激增的问题，管理水平不能同步提高。多数企业采取规模效 益来降低成本。如何使规模生产的企业具备柔性，使具备柔性生产特征的企业成本不再提高或增加 幅度不大，如何将两者有机统一于同一制造企业，是企业向大规模定制转变时所面临的挑战。针对 这种情况，我国企业在硬件设备上很快得到改进难以做到，但在管理机制和技术能力上可以改进， 6 第一章前吾 只有这样我国的企业才可能迅速进入国际市场并在激烈的市场竞争中立于不败之地。 减速器是原动机和工作机或执行机构之间的独立的闭式传动装置，起着匹配转速和传递转矩的 作用，广泛运用在飞机、汽车、机床、冶金、建筑机械、工程机械等行业。按照用途可以分为通用 减速器和专用减速器两大类。一般人们尽可能选用通用减速器。随着科学技术和国民经济的发展、 市场的需要，减速器的需求量越来越大，尤其是专用减速器的需求，这就给设计人员提出了更高的 要求，要求能够缩短设计周期，提高设计效率，降低产品成本，而且还要能够将设计方案迅速反映 给客户，满足客户需求。 当今世界各国都普遍看重中小型企业的发展，认为中小型企业是市场繁荣的根基、经济兴盛的 支柱。在美国有中小型企业2o 0o 万家左右，占美国全民生产总值的39 ，有1 2 的技术创 新、2 3 的新就业机会来自中小型企业。在日本有中小型企业65o 万家，占全日本企业的99 ，其国民生产总值的5o 咀上由中小型企业创造。在其它经济发达的国家情况也是如此。与国外 相比，我国的中小型企业也是为数众多，但效益却普遍不高。究其原因是中小型企业因为规模有限， 难以通过社会化大生产来降低成本，高成本的经营方式使得中小企业难以与取得规模经济效益的大 企业竞争。中小型企业虽重视市场营销，但在实践上却无从着手，尤其是在产品策略方面。针对这 种情况，大规模定制这一在国际市场上刚刚流行的产品策略，应是帮助国内中小企业解决产品策略 问题的良方。 。 通过对减速器生产企业的调研发现，中小企业采用的仍然是传统的设计方法。根据用户的要求， 采用的是单一产品孤立的设计方式，对每个产品从零开始设计，设计周期长、设计成本高，不能充 分利用已有的设计资源，设计出的产品品种多、规格多、数量少，使生产难以形成规模效益，并且 随用户对产品个性化要求的强化，重复劳动日益增多。我国传统的减速器生产方式是按照单台套设 备要求进行设计与制造，在我国生产1 台减速器需1 5 天左右的时间设计程序，3 0 天左右的制造周 期，2 3 个月时间的协议交货期限，这是司空见惯的规律。由于零部件差异大，互换性能差，生 产周期长，制造成本高，跟不上国际同类产品发展步伐。日本、法国、德国等发达国家的减速器制 造商纷纷抢滩中国，设立制造基地，企图垄断我国的高科技减速器产品市场。 2 1 世纪的竞争是基于时间的竞争，是争夺客户、争夺市场的竞争。全球化的、动态的市场要求 企业采用新的生产模式。大规模定制是快速响应顾客需求的一种有效的生产模式。为此，在我国当 前制造业中推行大规模定制，已经成了振兴我国制造业的必由之路。我国企业应加快向大规模定制 模式转变的进程。从大规模生产模式向大规模定制生产模式转变，是一个系统工程，需要企业从观 念、组织、产品和过程、市场等各个方面进行。大规模定制是全球生产方式发展的必然趋势，它对 我国改造传统制造业的落后面貌具有重大意义。针对我国当前企业的现状，本文选择了面向大规模 定制的设计技术进行研究。 1 4 课题的研究内容 课题以通过调研山东博山某减速器厂，以该厂的减速器设计作为结合对象，研究面向大规模定 制的产品设计技术，主要进行了以下几方面的工作： 1 ) 研究在当前的市场条件下，企业的设计技术所存在的问题及企业实施大规模定制的对策，研 究面向产品族的设计、模块化设计、标准化规范化设计和延迟策略等大规模定制的产品设计方法； 分析大规模定制实施的条件及过程，初步建立大规模定制设计的体系结构。 2 ) 结合模块化的设计方法，研究产品族模型的建立过程。通过质量功能配置方法根据客户需求 进行功能分解，建立功能原理模型和结构模型，采用模块化设计方法建立减速器的产品族模型。 3 ) 研究面向大规模定制的信息编码体系的构成和设计方法。并针对企业现有资源分类进行重新 的规划整台，建立完善的产品信息编码体系。 4 ) 以减速器为对象，研究面向大规模定制的产品虚拟装配系统，并给出装配结果。 1 5 本章小结 7 东南大学硕士学位论文 本章首先分析了当前制造业面临的市场环境变化，随着动态、分散、全球化市场的形成，论证 了大规模定制取代大规模生产是生产发展史的必然。并将大规模定制与大规模生产和定制生产进行 丁对比，介绍了大规模定制的内涵和本质特征，探讨了国内外大规模定制的发展现状。提出了面向 大规模定制设计的概念和本文研究的意义及内容。 8 第二章d f m c 的环境需求和工作流程 第二章d f m c 的环境需求和工作流程 2 1d f m c 的支持环境 大规模定制是基于计算机和网络技术的。j 。s e p hp i n e 认为模块化设计、专家系统和支持创新 的数据库、合作技术是进行大规模定制所需要的三项主要技术。因此，大规模定制设计的实现同计 算机、信息技术紧密地联系在一起。只有将设计、制造、销售以及销售等全部企业活动集成起来， 形成统一的信息管理系统，才能真正实现大规模定制。 大规模定制始于对个性化客户需求的理解，终结于对特定客户需求的满足。设计过程跨越从客户 需求到产品送达的整个范围。因此传统的并行工程将设计和制造扩展到包括销售、市场和后勤等。 换而言之，实现规模定制需要的不仅是从组织角度的设计过程的集成，同时也必须提供必要的前后关 联的构架以及产品开发所必需的系统环境的集成。 1 ) 产品的数字化模型。面向产品族设计要求产品的数字化模型能够同时反映一族产品的共同特 性，能够通过变量条件选择，形成不同的产品，这就要求产品模型在零件数量不增加或增加很少的 条件下形成较多的产品种类。大规模定制需要模型能够形成多种类的产品，以满足顾客的不同要求， 因此，大规模定制设计中产品模型成为企业数据的管理核心。 2 ) 流程管理。大规模定制面临的两大挑战是成本和速度。为了解决这些问题，企业从设计、产 制造、装配、销售服务等方面对企业的流程进行重新规划，改善企业反应能力和速度，并与所生产 的产品分离。大规模定制设计对流程管理的要求是：能够有效地管理产品的所有过程，包括从产品 的概念设计到产品模型的定型中所有的任务分配、项目管理等；能够有效地管理长时间事务；能够 处理大量的突发事件；最重要的是流程能够在运行中根据需要进行进一步的调整，实现柔性化。 3 ) 快速设计环境。实现快速设计在大规模定制设计中有两种情形：一是直接通过已有的产品 模型进行配置，通过标准模块的组合形成满足客户需要的产品；二是根据客户需求对产品配置提供 的实例进行变型设计。这要求：首先要有产品配置功能，对产品模型进行管理，为销售人员提供 工具，实现客户需求，提供擐符合客户需求的实例，并提供变型的影响链，给设计人员进行变型设 计提供最高的起点；能够提供专家系统或变型数据库，为设计人员进行设计提供众多的参考； 提供完善的合作机制，使设计人员能够群策群力，快速形成多种设计方案，得到最终设计结果。设 计结果和相应的客户需求通过格式化，再次并入产品模型库，可在以后的快速设计中应用。 4 ) 产品数据管理( p d m ，p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ) 是d f m c 产品建模、产品数字化预装配、 产品分类管理和产品过程管理的集成框架。面向m c 的p d m 系统实施的目标可概述为：基于d f m c 方 法，建立有效产品技术资源分类、检索和查询机制，标准化、规范化地管理产品设计开发和制造 过程的数据、工作流，构造技术的和信息化的d f m c 保证体系，有效重用企业成熟的技术资源，高 效率、低成本、高质量进行产品全生命周期活动。面向m c 的p d m 系统的主要功能要求如下： 夺 产品技术资源的分类管理 夺产品技术资源的编码管理 夺 全生命周期的产品数据定义和管理 夺产品配置管理 夺产品过程管理 夺应用集成接口 2 2d f m c 的实施过程 d f m c 将产品设计分成产品开发和快速设计两个阶段”1 ： 1 、产品开发：产品开发的任务是分析企业现有客户群的需求，对潜在的客户群的需求进行有效 预测，在这些分析的基础上建立产品族结构，对可能遇到的需求提供基础。这一过程强调最终结果 的正确性，对开发人员的产品专业知识和能力要求高，并且设计周期长。 9 东南大学硕士学位论文 2 、快速设计：在产品开发阶段的基础上，以产品配置为主要工具，对客户需求进行分析，实现 快速配置设计。快速设计过程是指针对