（机械电子工程专业论文）面向产品族的快速设计系统研究与开发.pdf

摘要 本文从产品市场需求状况的转变分析开始，以纺织机械制造企业为背景讨论 了当前制造业在产品的上市周期、生产成本和满足用户多样化、个性化等方面的 不足。在企业逐步接受大规模定制生产模式理念的环境下，着重提出了旨在提高 快速响应用户需求能力、缩短产品设计周期、降低成本、设计出满足用户个性化 产品方案的快速设计理念及其必要性。在国内外专家学者和制造企业从不同的技 术角度对快速设计技术研究基础上，本文提出了面向产品族的快速设计思想及其 主要内容和定义：面向产品族快速设计是以模块化设计为手段、以产品族为数据 组织形式、综合利用多种现代设计方法的一种符合现代市场需求的先进设计方 法。本文的主体部分主要讨论了面向产品族快速设计系统的系统体系结构、系统 设计对象的研究、系统模块的开发和实例介绍等。 一、分析了快速设计的原理和目标，在面向产品族快速设计系统流程、系统 功能体系和技术体系的基础上，提出系统的总体体系结构，包括技术层、功能系 统层和数据层。 二、论述了产品族的概念，并在产品族和产品模型中融入模块化思想，提出 了基于模块化的结构一原理- 功能产品族模型，并以此作为产品族模块划分方法和 基于矩阵的模块系列规划理论依据。对粗纱机进行产品族规划，并在分析产品功 能结构特点的基础上进行产品族模块规划。讨论了快速设计系统的设计信息构 成，提出并建立统一的关系型对象数据模型，为构建企业满足快速设计的设计资 源库奠定基础。 三、详细论述了组成面向产品族快速设计系统的分系统模块，包括用户需求 管理模块、基于实例推理的模块化产品变型设计模块和产品设计资源管理模块的 功能组成、技术实现和体系结构。在设计系统中引入了q f d ( 质量功能配置) 、 c b r ( 基于实例推理) 、参数化设计等各种现代设计分析方法，解决了从快速、 准确响应用户个性需求到快速产生产品设计方案的各个技术环节。利用 c + + b u i l d e r 平台、m i c r o s o f ts q l s e v e r 数据库管理系统和p r o e n g i n e e r 三维c a d 软件构建具有集成性和开放性的快速设计软件系统。并以纺机产品模块化方案设 计系统( t m p d s ) 为例，介绍了快速设计系统的各个功能模块。 最后，论述了本文的主要结论，针对现有研究阶段的不足，提出了今后的研 究方向与展望。 关键词：快速设计，产品族，模块化，产品模型，q f d ，c b r s u h 嗄n d a r y w i t ht h ea n a l y s i so fc u r r e n ts i t u a t i o no f m a r k e tr e q u i r e m e n t s ，t h i st h e s i sd i s c u s s e d t h ed e f i c i e n c i e so fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e so np r o d u c i n gc y c l e ，c o s ta n dc u s t o m e r s a t i s f a c t i o n 。e t cb a s e do i lt e x t i l em a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i nt h ef a c tt h a t m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa r ea b o u tt oa c c e p tt h et h e o r yo fm a s sc u s t o m i z a t i o n ，t h e t h e s i sp r e s e n t e dt h en e e do fr a p i dd e s i g nm e t h o d o l o g yw h i c hf o c u so nr a p i d r e s p o n s eo f c u s t o m e rr e q u i r e m e n t s ，s h o r t e n i n go fp r o d u c td e s i g np e r i o d ，c o s tr e d u c i n g a n di n d i v i d u a l i z e dp r o d u c to u t p u t b u i l to nt h ev a r i o u ss t u d i e so fr a p i dd e s i g n m e t h o d o l o g yb yn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a le x p e r t s ，t h e t h e s i s p r o p o s e d ar a p i d d e s i g nm e t h o d o l o g yo r i e n t e d t o p r o d u c tf a m i l y ，w h i c hi s a na d v a n c e dd e s i g n a p p r o a c hf o rm o d e mm a r k e tr e q u i r e m e n t s t h em o d u l a r i z a t i o ni sr e g a r d e da st h ec o r e t e c h n i q u eo ft h i sm e t h o d o l o g ya l o n gw i t ht h ed a t ao r g a n i z a t i o nf o r mb yp r o d u c t f a m i l y , t h es y s t e ms t r u c t u r eo fp r o d u c tf a m i l y - o r i e n t e dr a p i dd e s i g ns y s t e m ，d e s i g n o b j e c ta n ds o f t w a r es y s t e mc o m p o n e n t sd e v e l o p i n gw e r ep r e s e n t e do nt h eb o d y 1 o nt h ea n a l y s i so f t h e o r ya n do b j e c t i v eo f r a p i dd e s i g n ，t h et h e s i sp r o v i d e df l o w , f u n c t i o n a la n dt e c h n i c a le l e m e n t so f p r o d u c tf a m i l y o r i e n t e dr a p i dd e s i g ns y s t e m ，a n d e s t a b l i s h e dw h o l es y s t e ms t r u c t u r ei n c l u d i n gt e c h n i q u e ，f u n c t i o nm a dd a t al a y e r s ， 2 t h et h e s i si n t r o d u c e dt h em o d u l et h e o r yt op r o d u c tf a m i l ya n dp r o d u c tm o d e l a f t e rt h ed e f i n i t i o no f p r o d u c tf a m i l y w a sc l a r i f i e d i t p r o p o s e d f i m c t i o n p r i n c i p l e s t r u c t u r ep r o d u c tf a m i l ym o d e lo nt h em o d u l e ，w h i c hs e r v e da st h e b a s i so fn a o d u l a r i z a t i o na n ds y s t e m a t i z a t i o n t h ec a s es t u d yo ff l yf r a m e sw a s p r e s e n t e di nt e r m so fm o d u l a rd e s i g n f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i ss t u d i e di n f o r m a t i o n c o n s t i t u t i o no fs y s t e ma n dp u tf o r w a r dau n i f o r mo b j e c td a t am o d e lf o rt h er e l a t i o n a l r e s o u r c e sd a t a b a s e 3 s o f t w a r es y s t e mc o m p o n e n t sw e r ed e t a i l e ds u c ha sc u s t o m e rr e q u i r e m e n t s m a n a g e m e n tm o d u l e ，c a s eb a s e dv a r i a n td e s i g nm o d u l ea n dd e s i g n r e s o u r c e s m a n a g e m e n tm o d u l ei nt e r m so ff u n c t i o n a l ，t e c h n i c a la n ds t r u c t u r a ls t u d i e s ，t h e t h e s i si n t r o 芦u c e d q f d ，c b ra n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，e t ct ot h ed e s i g ns y s t e mi n o r d e rt oc a r r yo u te a c ht e c h n i c a lp a r t ，t h er a n g ef r o mr a p i da n da c c u r a t er e s p o n s eo f c u s t o m e r st or a p i dd e s i g nr e s u l t s d e v e l o p e da ni n t e g r a t e da n do p e ns o f t w a r es y s t e m f o rt e x t i l em a c h i n e r yr a p i dd e s i g nb a s e do ns o f t w a r ep l a t f o r ma sc + + b u i l d e r ， m i c r o s o f ts q ls e v e r ，p r o e n g i n e e r , t h e s i sd e s c r i b e de a c hf u n c t i o n a lm o d u l e t h et h e s i sm a d et h ec o n c l u s i o ni nt h ee n da n dp r o p o s e dt h ep r o s p e c to f t h i sa r e a k e yw o r d ：r a p i dd e s i g n ，p r o d u c tf a m i l y , m o d u l a r , p r o d u c tm o d e l ，q f d ，c b r 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，也不包含为获得丞洼王些盍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：纷氟忝签字日期：p 6 辟；月子日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太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) 学位论文作者签名彳渐春 导师签名 尚放 签字日期：矽- f 年弓月子日签字日期：驷舜j 月占日 学位论文的主要创新点 一、提出了面向产品族快速设计的定义和内容，构建面向产品族快速 设计系统的总体体系结构。 二、在传统的产品族和产品模型中，引入模块化的思想，提出基于模 块化的结构一原理一功能产品族模型；在分析模块化产品构成模式和面 向产品族快速设计信息构成的基础上，提出了设计对象的概念，建立 了统一的关系型对象数据模型。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 面向大规模定制的产品设计 随着社会的发展、科学技术的进步，现在市场发展集中体现在产品的用户需 求个性化和产品多样化加强、产品交货期和生命周期缩短、产品性能价格比提 高等几个方面。因此，在激烈的市场竞争环境中，现代企业为了实现利润的最大 化，需要在降低成本的同时，以最短的时间提供满足客户个性化的产品。同时， 客户需求的满足要求企业在产品制造周期、产品质量和售后服务等方面都比同类 企业具有优势。这就是我们通常所说现代企业在t ( t i m e 制造周期) 、q ( q u a l i t y 质量) 、c ( c o s t 成本) 、s ( s e r v i c e 服务) 四个方面的竞争内容。大规模定制生 产模式是企业提高这四个方面竞争力的有效途径。 大规模定制生产模式( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，简称m c ) 是面向2 l 世纪的先 进生产模式，它将定制生产和大规模生产两种不同的生产方式有机地结合起来， 在满足客户个性化需求的同时，保持较低的生产成本和较短的交货提前期。其内 涵可概括为企业通过技术和管理手段在成本和时间同大规模生产相近的基础上 实现对每个客户的个性化定制过程以及对企业问题从客户出发进行思考的方式。 目前，对m c 模式的研究正蓬勃发展，主要的研究方向包括面向m c 的产 品设计、面向m c 的生产制造和面向m c 的组织管理等方面的研究。其中，面 向大规模定制的产品设计( d e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ，简称d f m c ) 技术是 m c 模式的关键技术之一。d f m c 将产品开发过程分离为新产品丌发与设计两个 阶段，在新产品开发阶段不是针对单个产品，而是针对产品族进行设计。在d f m c 中，一般采用模块化设计、成组技术、并行设计、面向产品族的设计等方法。其 中，前两项提供了基础技术，并行设计提供了组织模式，面向产品族的设计提供 了系统的设计方法。因此面向大批量定制设计的方法核心是通过产品族的形式来 实现降低成本和满足客户多品种需求的快速响应。 1 2 快速设计概述 1 2 1 快速设计的提出【2 3 快速设计( r a p i dd e s i g n ) 也称快速响应设计( r a p i dr e s p o n s ed e s i g n ) 、敏 捷设计( a g i l ed e s i g n ) 。快速设计技术是当前市场在对产品多样化、瞬变性等需求 的形势下提出并发展起来的。当前国际市场需求快速变化的特点和2 1 世纪更加 个性化的市场趋势，使产品投放市场的时f 刚1 7 1 益成为决定产品竞争力的重要因 第一章绪论 素，促进了快速设计技术的发展。1 9 9 2 年6 月，在c i r p 国际会议上币式提出 并行工程技术，在此基础上发展成旨在缩短产品设计周期的快速设计技术( r a p i d d e s i g n t e c h n o l o g y ，简称r d t ) 。美国a u t o f a c t 9 6 以“快速设计与制造” 为主题进行了专题讨论，同时，各国纷纷掀起了“快速设计”理论、方法研究的 热潮。1 9 9 8 年，我国机械工程科学基金会开始对“快速设计”进行立项，一些 大学与研究机构开始了对“快速设计”理论的研究。 产品快速响应设计( 快速设计) 是近几年来出现的一种新的哲理，与计算机 集成制造( c i m ) ，精良工程( l p ) ，并行工程( c e ) 和敏捷制造( a m ) 相比、 产品快速设计的主要目的是缩短产品的设计丌发周期提高产品设计丌发质量，以 及提高企业对市场的快速响应能力。与c i m 、l p 等不同，产品快速设计并没有 将其解决问题的范围扩大到企业的整个生产领域，而只是将重点放在缩短产品的 设计开发周期、尤其是总体方案设计阶段，以提高设计开发质量及对市场的快速 响应能力，其主要原因有两个： ( 1 ) 制造企业的许多产品按照顾客的特殊要求进行设计开发。据统计，有 些企业的设计开发周期甚至超过产品整个生产周期的6 0 ，从而造成两个严重后 果：一是产品交货期过长，从而使企业失去很多顾客，二是如果非得保证短的周 期内交货，只能压缩制造时间，从而影响产品的制造质量。 ( 2 ) 设计开发阶段是降低产品成本的重要环节。有资料表明，虽然产品的 设计开发成本在生产成本中仅占6 ，但对产品总成本的影响却占6 0 一7 0 。这 是因为，产品的设计决定产品的工作原理、零件的数量、结构尺寸和材料选用等， 这些都是对n z 方法和产品的使用等有重大影响的因素，因而对产品的总成本造 成了很大的影响。 12 2 快速设计的内容 实施快速设计可以使企业缩短从市场需求信息获取到产品方案产生的时阳j 其主要内容包括：建立快速的用户需求响应体系：实现产品快速设计；对企业的 设计资源进行标准化、规划化重组。 为了提高企业快速响应能力，企业首先应该能够迅速捕捉复杂多变的市场动 态信息，并及时做出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特征和上市时间a 在明确新产品设计需求之后，实现快速设计就成为重要的环节。为了成功地实施 快速设计，需要建立满足快速设计要求的集成产品模型和与之相适应的产品信息 管理系统。对企业的设计资源进行充分挖掘和科学重组，使之资源化，成为快速 设计中有用的和便于重复利用的信息资源，将这些信息资源存储在庞大的数据库 之中，加上在设计过程中不断积累的信息资源，就可以有效支持快速设计过程 第一章绪论 其结果就大大提高了企业的产品开发设计能力和综合竞争力。 1 2 3 快速设计的研究现状 快速设计是面向大规模定制生产模式中非常重要的一个部分，对它的研究引 起了世界各行业的广泛关注，国内外专家学者和制造企业针对不同的技术进行了 深入研究。目前对快速设计技术研究主要集中于面向产品族的建模和规划技术、 基于产品族设计的需求分析技术、模块化设计技术、智能设计技术、网络化定制 技术等方面。 ( 1 ) 面向产品族的建模与规划技术的研究。文献h 建立的产品族结构模型 是对系列化组合产品各种复杂关系的综合和表达，它的合理性是产品配置设计过 程的基础，并利用结构化超图模型来构造产品族结构模型。文献5 1 研究了产品族 模型的组成和表达方法，提出了产品族建模中的关键技术，并建立了一个适台于 产品族建模的信息环境。 ( 2 ) 基于产品族设计的需求分析。如文献 6 】通过对动态的用户需求分析及 q f d 方法的应用，提出面向需求驱动的产品族设计方法。文献 7 1 研究了大规模定 制的产品需求模型，论述了基于现有产品进化的产品需求建模方法和步骤。文献 8 1 提出了产品族规划方法，首先，利用模糊聚类分析划分客户群，并对客户群需 求进行综合评定，通过q f d 转换，对产品族进行了功能、原理和结构规划，并 确定其产品定制参数及定制范围。 ( 3 ) 模块化设计理论吼产品模块化设计始于2 0 世纪初，1 9 0 0 年德国一家 家具公司运用模块化原理设计书架获得了成功。1 9 2 0 年模块化设计原理开始用 于机床设计中。到本世纪5 0 年代，欧美一些国家正式提出了“模块化设计”概 念，才真正把模块化设计提高到理论的高度。7 0 年代末，模块化设计丌始在我 国受到重视，随之许多高校和研究单位对此设计理论进行了有益的研究和探索。 模块化设计技术的研究主要集中于模块划分方法的研究，模块接口的研究以及模 块化设计的应用研究等。 文献【1 0 】对模块化原理、设计方法及应用进行了深入系统的研究，对系统分 解技法、模块化设计方法、模数和网络化设计等进行系统的研究。文献1 认为系 列化、模块化设计技术和方法是实现产品快速设计的关键技术之一。文献【i2 | 提 出对面向m c 的产品模块化设计的步骤为产品的规划、对产品族进行分析、产品 模块化、产品信息编码、组合设计方法的评价。文献【l3 j 指出2 l 世纪的大规模定 制生产模式可以概括为产品设计模块化、产品制造专业化、生产组织和管理网络 化。并指出产品功能和结构的模块化是企业实现快速设计的基础。 综上所述，对于快速设计的研究与产品族设计、模块化设计等设计技术紧密 第一章绪论 地联系在一起，快速设计技术是一门综合的产品设计技术。但目前对于综合运用 各项技术，构建产品快速设计系统的研究还需要进一步的完善。 1 3 本文研究背景与内容 131 研究背景 国外工业发达国家对面向产品族快速设计技术的研究己有很多年的历史，应 用比较广泛，并已取得了大量的应用成果，企业已形成了从产品设计、工艺、生 产到销售管理的一整套面向产品族的产品全生命周期制造管理体系。产品制造企 业能在很短的时间内完成产品的方案设计任务，从而进行快速应标和报价，为企 业赢得更多的客户和商业机遇。进行面向产品族的快速设计，产品方案设计周期 缩短到几天，进而使得产品的整个设计周期不超过一个月。面向产品族设计在不 同的行业中，针对不同产品的各自特点，形成了相应的面向产品族设计、制造体 系。就国内机械行业而言，机床产品面向产品族的模块化设计的应用十分普遍， 在快速响应市场、产品质量和成本等方面具有很大的竞争力。同时这项设计技术 在其他机械行业也得到了广泛的应用( 如包装机械行业、汽车行业等) 。但是， 研究通用的面向产品族快速设计技术的工作还没有深入的开展。 在竞争日趋激烈的形势下，纺织机械制造企业在产品开发与设计方面存在制 约发展的瓶颈问题：( 1 ) 传统的设计手段和方法使得产品的设计周期过长，限制 了新产品的上市时间；( 2 ) 面向单一产品的设计模式使得企业中存在大量的不可 重用零部件，造成企业的资源浪费、成本居高不下。企业认识到只有引进先进的 以产品族为核心的面向大规模定制产品设计技术，才能提高自身的竞争力，取得 更大的经济效益。 为了实现面向大规模定制产品快速设计，纺织机械制造企业、天津工业大学 机械电子学院现代集成制造研究所和天津大学a c p & m t 教育部重点研究室共同 承担了天津市科委技术攻关培育项目“基于模块化设计的新型悬锭粗纱机技术攻 关和产品开发”项目，旨在提高企业工程设计能力。 13 2 本文内容与结构 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 基于模块化设计的产品族建模技术研究产品建模技术是面向产 品族、以模块化设计思想为中心的产品快速设计技术的基础，包 括面向产品族的产品模块规划、模块化产品矩阵规划；基于模块 化设计的产品族模型、产品模型的研究。本文以粗纱机产品为例 第一章绪论 化设计的产品族模型、产品模型的研究。本文以裉纱机产品为例 进行详细说明。 ( 2 )面向产品族快速方案设计技术研究包括用户需求的获取与转换 技术、产品快速设计实现途径、流程的研究；基于实例推理的模 块化产品变型设计研究；模块化设计中的选择和组合技术。 ( 3 ) 面向产品族快速方案设计中设计资源管理技术研究包括企业设 计资源编码，设计资源数掘库开发与管理系统。快速设计系统以 粗纱机产品为背景，结合企业现有设计条件，构建粗纱机产品快 速方案设计软件系统，并进行简单的软件系统实例介绍。 本文的章节安排如下： 第一章绪论：通过分析大规模定制生产模式的产生，阐述了以产品族为核 心的产品设计方法，设计过程不再是针对单一的产品而是针对一系列具有相同功 能属性、结构属性和加工工艺属性的产品集合；论述了快速设计的意义、内容以 及研究现状；针对企业对市场响应慢、对用户定制产品设计周期长、企业资源重 复利用程度低的现状，提出了实施产品快速设计的必要性。 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构：通过分析快速响应设计的原 理、目标和设计流程，提出了以产品族为数据组织形式、以模块化为核心设计思 想的面向产品族快速设计系统；分析了系统的功能模型、技术体系、总体结构体 系以及系统开发与运行的环境。 第三章基于模块化的产品族建模与规划：通过分析融入了模块化思想的产 品族模型和产品模型基本特点。提出了基于模块化技术的产品族建模方法，讨论 了基于矩阵方法的产品模块化规划方案，详细论述了产品快速方案设计中的数据 模型。产品族模型是进行产品族模块规划、产品数据模型和企业设计资源组织的 理论基础。 第四章面向产品族快速设计系统模块开发：详细论述了组成面向产品族快 速设计系统的系统模块，包括用户需求管理模块、基于实例推理的模块化产品变 型设计模块和产品设计资源管理模块。讨论了各模块中的关键技术体系，包括质 量功能配置技术、实例推理技术、模块化技术、设计资源编码技术和管理技术。 第五章面向产品族快速设计系统实例纺机产品模块化方案设计系统 ( t m p d s ) ：通过前述章节的讨论，建立了纺机产品软件设计系统实例，以粗纱 机产品为背景，介绍了软件设计系统组成的功能模块。 第六章结论与展望：总结全文的研究内容和面向产品族快速设计系统的不 足，将来的研究方向和展望。 第二章面向产品旗快速设计系统的体系结构 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 2 1 快速设计原理和设计过程 21 1 快速设计总体目标 以产品为中心的制造性企业在面对市场竞争日益激烈，用户需求往个性化、 多样化发展，产品的生命周期不断缩短的客观现实，希望通过大规模定制的生产 模式策略来赢得市场，大规模定制是以大批量生产品的成本效益、小规模定制的 产品特色质量来满足客户对产品的需求变化。为了实现面向大规模定制要求的产 品设计( d f m c ) ，一种有效的解决途径就是以企业的产品族为设计目标和组织 形式，产品族的概念将在本文的后续章节中作进一步介绍，面向产品族的设计就 是以产品族为设计的中心内容，具体的产品可以认为是产品族的派生内容，企业 中所有的产品在形式上都应该是满足产品族设计的要求。 实施“快速响应工程”可以使企业具备从捕捉产品信息到及时投放市场的全 面向快速响应能力。文献【1 4j 认为，快速响应工程包括1 ) 建立快速捕捉市场动态 需求信息的决策机制；2 ) 实现产品的快速设计：3 ) 追求新产品的快速试制定型： 4 ) 推行快速响应制造的生产体系。实施快速响应工程，能够达到及时交货，争 先抢占市场，缩短制造时间和消除各种浪费，降低制造成本，加快产品更新换代 而向市场大量提供质量更高、价格更低的高性能产品，从而大大提高企业的综合 竞争力和持续发展的生命力。 产品快速响应设计( 简称快速设计) 运用于客户需求的获取到产品方案设计 结果产生的时间区域中，即从获取客户对产品的需求，通过处理用户需求，完成 产品功能的定义，技术性能的定义，按照功能需求原理解，以模块为单元进行结 构方案设计，实现产品的结构定义，完成产品设计的概念设计工作，产生产品设 计方案。快速设计的设计对象是企业产品族，产品族的建立需要企业设计人员根 据企业现有设计数据资料结合当前市场的产品总体需求进行详细而深入地规划 研究，对于不满足产品族系列规划要求的产品系列形式，还需要根据实际情况进 行再设计。产品族在完成了规划工作之后，成为快速设计的核心数据。因此，可 以认为，快速设计具有以下主要特点： ( 1 ) 快速设计是d f m c 的主要内容之一。在保证成本和质量的前提下，以 缩短从客户需求处理到产品方案设计结果产生之间的时间为目标，并最终使企业 实现面向大规模定制的生产模式。快速设计与面向大规模定制生产模式之问的关 系可以表达如图2 1 。 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 面向太规1 j 定制生产批式 一，一 ! f 竺童固 回避蟹 墨规晒簪l 。 一一| l 。一j 声翻 毫静吲f 挑翅生! 曼 图2 1快速设计与面向大规模定制生产模式之问的关系 从图中可以看出快速设计作为产品概念设计阶段的设计模式，主要完成泼阶 段的需求分析和方案设计两部分的设计工作；快速设计是面向大规模定制设计的 一个重要内容，对全面实现面向大规模定制生产模式具有重要的意义。同时，快 速设计应该以大规模定制思想来指导整个设计过程，即以在减少产品设计周期的 同时，充分考虑到产品设计的多样性，以满足客户需求的多样性，实现定制的内 涵。 ( 2 ) 快速设计的核心技术是模块化技术。快速设计的基本单元是模块，由于模 块化是利用产品部件的相似性，把具有相似属性的产品部件经过统一、归并、简 化而形成模块。在设计过程中，经过模块的选择、修改、替换、创建和组合等一 系列的操作最终形成一个完全模块化的产品。根据产品族模型的思想( 3 2 节) ， 模块分为具有功能属性的功能模块和具有结构属性的结构模块，同一种功能块经 过结构化设计产生多个结构模块。产品方案设计的实质是在用户需求的驱动下， 完成功能模块的选择和结构模块的设计。功能模块和结构模块的内涵可以简述如 下( 表2 1 ) ： 表2 1功能模块和结构模块的区别 模块类型功能模块结构模块 ( 1 ) 表示产品族的功能组成。 ( 1 ) 表示满足产品族特定功能 ( 2 ) 只表明一种特定的功能， 的物理结构形式。 区别内容没有详细的结构形式。( 2 ) 结构模块的结构信息只包 含模块主体结构和接口形状， 没有详细的零部件结构信息。 ( 3 ) 快速设计的核心数据是产品族。如前所述，产品族是所有产品的统一组织 形式和设计目标。一个特定的产品产生的过程可以理解为产品族模型从概念阶段 整三童亘塑兰曼鐾：墨垄塑茎墨竺笪签墨丝塑 不断发展和具体化的过程，当产品族模型中的所有未知信息都赋予具体的数值 时，既完成了产品的所有设计工作。其次，以产品族为数据核心，符合面向大规 模定制产品设计要求，面向产品族的设计是解决大批量生产和小规模定制矛盾的 有效途径。 2 12 面向产品族快速设计系统流程 根据快速设计总体目标，可以确定快速设计过程如图2 - 2 。 厂_ _ _ ；_ _ _ _ _ 一_ _ 7 用户需求 z 一。一王二二- - 二 二二， |功能模块选择 f _ 毒岛_ _ 。1 j 。旁品煮煮设计 置菱糯幕一。j 7 ：。：二：，。j 图2 2 产品快速设计过程 ( 1 ) 用户需求处理包括用户需求获取与处理，处理过程是将用户对产品需求 规范化的过程。获取用户要求、设计条件等设计原始信息，建立产品的设计任务。 ( 2 ) 产品功能性能定义通过基于模块化的产品族功能模型，确定根据用户需 求的产品功能、性能以及之间关系的定义集合，包含产品的主要技术参数和主要 约束关系。同时，通过产品族的模块化规划，可以确定设计目标产品在产品系列 中的具体位置。这种根据功能和性能的产品定位方法，将产品设计的目标区域范 围逐步地缩小，进一步明确设计任务，是选择和设计结构模块的主要依据，为基 于模块化的快速设计奠定了基础。 ( 3 ) 功能模块选择根据产品系列中产品功能性能的规划，确定设计目标的特 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 定功能模块。这也是产品族模型在由概念层到物理层转化中的重要环节，定义产 品族模型中的功能模型，产生属于特定产品的功能模型。 ( 4 ) 结构模块设计实现从产品族的功能模型到结构模型的转化。根据用户的 需求，对满足某一特定的功能模块进行结构模块的选择，如果存在则进行替换， 否则进行相应的修改和新建。结构模块中的信息满足结构模块组合的条件，设计 人员可以根据结构模块的几何模型在c a d 软件中进行虚拟装配，并完成相应的 设计文档。结构模块设计是产品方案设计的最后一个步骤，最终向用户提供产品 方案设计的结果。 快速设计的本质可以认为：在用户驱动下，完成产品族概念模型到产品方案 模型的转换。 闻户驱硎 之夕 产品族模型 产品方案 功能模块 ( 功能模型y ，u 选择 功能组成 ，。 空l 结构模块 一设计l 、 ( 结构模型) 实现 结构形式 概念层 物理层 图2 3 快速设计的本质 对面向产品族快速设计过程做出设计流程分析，图2 - 4 表示了面向产品族快 速设计软件系统的流程图，细化设计的每个环节并定义要实现的具体功能。系统 通常分为底层的数据结构、数据库，中间功能模块程序处理，用户接口交互窗体 三个部分的内容。图示说明： 口数据实体 r 功能处理程序 i j 判断程序 r 数据库实体 第二章面向产牖族快速设计系统的体系结构 图2 - 4 面向产品族快速设计软件系统流程图 2 2 系统功能体系分析 22 ，1 系统概念与功能分析 ；“鼎方案甜价 f 攫块组台 助能利序 面向产品族的快速设计是以整个产品族为设计对象，以面向大规模定制设计 为背景，在低成本、高质量的要求下，以最短的时间周期设计出满足市场需求产 品的一种设计，它是一门综合了多种现代设计技术的学科。由此产生的面向产品 族的快速设计系统的目标是通过一个集成的设计、管理软件框架体系，融入多种 设计技术，以统一的产品族数据模型为核心完成快速设计的各项功能要求，最终 完成产品的设计结果。面向产品族的快速设计系统具有以下的特点： ( 1 ) 快速性：将企业的产品开发设计过程分离为产品族建模和产品快速设计两 个过程，其中产品族建模过程是一个“慢”的过程，需要根据市场客户的需求， 进行产品族的功能设计、原理设计和结构设计等，结合模块化的思想，对产品族 进行模块化规划，完成企业的标准化和通用化工作。产品快速设计过程一个“快” 的过程，利用企业产品库、模块库等设计资源，用最快的速度完成用户个性化定 制产品的过程。 ( 2 ) 集成性：基于统一的产品族数据模型，构建产品信息平台，对设计资源管 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 理和产品变型设计过程数据进行有效地集成。 ( 3 ) 开放性：设计资源采用开发的管理维护平台，可以根据企业的需求进行产 品库、实例库等设计资源的不断扩展和丰富。 在软件系统流程图分析的基础上，建立面向产品族快速设计的功能体系( 图 2 5 ) ： 匝巫巫 产品藤管删 产品方案管理i 巫亘 基丁实例的模块化设计l - - - 产晶方案评价f 1 。，。，_ 一 图2 5 系统总体功能体系 面向产品族快速设计系统分为三个分系统：设计资源管理分系统、用户需求 管理分系统和产品方案设计分系统。 ( 1 ) 设计资源管理分系统：支持快速设计的所有资源进行有效的集成管理， 设计资源是企业长期以来积累的设计数据( 包括产品数据、模块数据和零部件数 据信息) 和设计知识。在建立设计资源管理分系统之前需要建立以产品族为核心 数据模型的企业设计资源库，该资源库包括：产品方案库、模块库和模块接口库， 数据库中的数据信息在产品快速设计过程中随时与设计系统进行交互。 ( 2 ) 用户需求管理分系统：用户需求进行获取和转换处理，将用户的需求 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 信息转化为可供产品方案设计的产品需求信息。用户需求获取传统上是通过直接 与用户交流的方式获取，现在企业可以通过网络或者其他先进的市场信息获取方 式进行获得，以满足快速获取和响应用户需求的要求。用户信息的转换是通过质 量功能配置技术( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y ，简称q f d ) 实现，将用户对产品的 定性描述转化为具有一定标准描述格式的工程设计参数指标，是进行产品查询和 模块化设计的依据。 ( 3 ) 产品方寨设计分系统：包括产品需求信息获取，产品方案查询，基于 实例的模块化设计，方案评价等几个部分。产品方案设计分系统建立在以模块化 核心技术上，并融入实例推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，简称c b r ) 技术。在完 全模块化的相似产品基础上进行模块化操作，这里的相似产品可以认为是同一个 产品系列或型号的同类产品族，拥有相同的模块库和接口库范围，而设计完成的 产品方案或新创建的模块都可以作为设计资源重新保存在企业的设计资源库中。 2 22 基于i d e f o 方法的系统功能模型 确定了面向产品族快速设计系统的总体功能之后，采用i d e f o 功能模型图， 自顶向下对每个子系统的功能进行细化，详细说明每项功能的输入、输出、约束 条件和实现机制，并用形式化的i d e f 0 图描述出来，i d e f 0 图中反映了各分功能 和子功能之间的相互关系，作为系统设计的依据。 利用i d e f 0 方法建立的面向产品族快速设计系统的功能模型见图2 - 6 和图 2 7 。( 这里仅表示系统t o p 图和一级功能模型图) 照一一匣l 堕二二二二：二二二：二三墅必三二二：一二_ 二，j 一堕二! 二j 图2 - 6 系统功能模型图( t o p ) 一1 2 - 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 图2 7 系统功能模型( 一级功能模型) 三个分系统相互支撑，它们之间的关系如下： ( 1 ) 设计资源管理分系统为产品方案设计分系统提供企业建立的产品族模 型和产品模型等基础数据，实现面向产品族的快速设计要求：用户需求管理分系 统向设计资源管理分系统提供客户动态个性化需求，使设计人员能够对产品族模 型咀及由产品族模型产生的产品系列规划进行适时地更新，从而使企业设计资源 库的内容符合快速设计的要求。 ( 2 ) 用户需求管理分系统，将用户群需求转化为产品设计需求后，继而提 出产品族设计新要求，设计资源管理分系统根据产品设计的新要求建立或维护面 向用户的产品族模型和产品系列规划。 ( 3 ) 产品方案设计分系统接受设计资源管理和用户需求管理的输出数据信 息，进行面向产品族的快速设计流程：同时针对现有的产品族设计提出更改要求， 从而进行产品模型的更改设计。 以上三个分系统组成了面向产品族快速设计系统的功能核心，三者相互协 调，并行工作，是设计系统顺利实施的必要保证。 2 3 系统技术体系分析 信息技术的高速发展，改变和推动了工业技术的发展，这是一个信息技术( 软 科学) 引导工业技术( 硬科学) 的时代。现代产品设计总体趋向于信息化、集成 化和智能化。在面向产品族快速设计技术研究的基础上，针对系统功能体系，构 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 建系统总体技术框架，如图2 8 所示。面向产品族快速设计总体技术框架主要由 支撑环境、核心技术、应用技术、功能系统四部分组成。 功能系统 应用技术 核心技术 支撑环境 面向产品族快速驶计系统 设计资源管理分系统用户需求管理分系统产品方集设计分系统 产品产品模块用户嚣求用户需方案盘实理摸块垃方粜 族管 方案 管理获取技术 求转化 嘲技术榆索计技术计价 理技管理 技术 技术技术技术 术技术 产品族建模技术劂络通信技术 基于实例设汁( c b o ) 技术 产品族模块化规划技术质量功能配置( q f d )知识丁程( k b e ) 技术 关系数据库技术技术 产品族理论模块化设汁理论c a x 技术 汁算机网络数据库 图2 8 面向产品族快速设计系统总体技术框架 ( 1 ) 系统支撑环境：系统运行的物理环境为计算机、网络和数据库。 ( 2 ) 核心技术：产品族理论、模块化设计和以计算机为设计工具的c a x 技术是 贯穿所有应用技术的底层技术内容，在此基础上建立起来的其他核心技术如产品 族模块化规划技术、q f d 技术、k b e 技术等现在已得到了国内外众多研究机构的 重视，并且针对不同的设计领域进行了卓有成效的应用性研究。这些技术将在后 续章节进行介绍。 ( 3 ) 应用技术：指利用通用的核心技术进行相关问题解决的专用技术。在面向 产品快速设计系统的三个分系统中，应用技术包括： 产品族管理技术：研究产品族功能、原理和结构的模型数据管理技术， 提供根据用户群需求进行产品族模型的更改和新建，产品族的标准化 和规范化技术。 产品方案管理技术：研究产品方案性能属性和模块属性的管理技术。 模块管理技术：研究模块创建和组织技术，讨论模块的变型和参数化 技术。 用户需求获取技术：研究基于网络的用户需求获取方式和获取流程技 术。 第二章面向产品族快速设计系统的体系结构 用户需求转化技术：研究通过q f d 质量屋进行用户需求分析技术，将 用户需求转化为产品需求参数和设计任务书。 方案查询技术：利用关系型数据库，通过数据检索方式进行相关产品 方案查询技术。 实例检索技术：通过c 1 3 d 进行相关实例检索和提取技术，提供基于实 例的设计环境。 模块化设计技术：在模块化理论的基础上，根据变型设计要求针对产 品实例的模块化操作。模块化设计技术是机械模块学的重用应用领域 之一。 方案评价技术：研究基于模块化产品的方案评价技术，选择最优方案。 ( 4 ) 功能系统：研究面向产品族快速设计分系统的体系结构，并针对各分系统 中的应用技术进行研究。功能系统可以认为是运用通用核心技术进行具体应用的 载体，