（机械设计及理论专业论文）复杂产品配置模型耦合分析与优化及在高档数控机床中应用.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着科技的快速发展，现代企业所面临的竞争也越来越激烈，对客户个性化需 求进行快速响应、缩短设计制造周期、提高产品设计效率是企业在当今竞争激烈的 全球市场环境中获得成功的必要前提。本文研究了复杂产品配置模型耦合性量化技 术和基于耦合强度d s m 的复杂和产品配置模型优化技术，并根据以上的理论和方法 开发了高档数控机床配置模型耦合分析与优化系统，在高档数控机床的产品设计中 得到应用，取得了良好的效果。 全文的组织结构如下： 第一章介绍了复杂产品客户需求快速响应设计技术相关理论的发展、现状及应 用，阐述了本文的研究背景、内容和意义。 第二章研究了复杂产品配置模型耦合特性量化技术的实现和应用。首先定义了 产品配置结构体和配置模型的建立过程，基于结构体之间的父子逻辑关系和约束关 系，对配置模型进行了耦合分析，在此基础上将结构体之间的约束关系分解为内在 约束和外在约束两种约束，然后利用建立的内在约束耦合约束模型和外在约束的不 同约束因素特征计算结构体间的综合耦合强度，实现了配置模型的定量分析。最后 以h m s l 2 5 型数控卧式加工中心为例，详细阐述了配置模型耦合特性的量化技术。 第三章研究了基于耦合强度d s m 的复杂产品配置模型优化技术。通过对传统设 计结构矩阵的研究提出了能够体现结构体间约束强度的耦合强度设计结构矩阵，在此 基础上通过映射得到配置模型耦合强度d s m ，对其进行分解变换并给出聚合强度指数 函数进行判定，得到结构体聚合集。采用基于净供给度解耦算法撕裂聚合集，重组配 置结构体，优化配置模型。该技术在高档数控机床配置设计中得到了应用与验证，提 高了数控机床的配置效率与准确性。 第四章根据本文提出的方法理论与技术，开发了高档数控机床配置模型耦合分 析与优化系统，并且该系统在高档数控机床的产品设计中得到成功实施，验证了本文 所提出的方法理论与技术的可行性。 第五章总结了全文的主要工作内容和成果，并给出了今后有待进一步研究的工 作与方向。 关键词：产品配置模型；耦合强度；设计结构矩阵；聚合强度指数；结构体； 耦合 n i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w 油1 e r a p i dd e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ， m o d e me n t e 印r i s e sa r e f a c i i l gi i l c r e a s m g l yf i e r c ec o m p e t i t i o n s oa c c u r a t e l ya i l dq u i c h yr e s p o n d i r 培t 0c u s t o m e r d e m a i l d ，s h o n e n i i l gp r o d u c td e s i g nc y c l e sa n di i i l p r o v i l l gp r o d u c td e s i 印e 伍c i e n c ya r e i m p o r t a i l t f 砬t o r s t oe n s u r e e n t e 印r i s e s r e m a j i ls u c c e s s l li n t o d a y sh i g m y c o m p e t i t i v em a r k e te n v i r o r 瑚e n t 1 1 1m ed i s s e r t a t i o i l ，q u 锄t i 扭t i v i l l gf o rc o u p i n gf b a t u r eo f t l l e c o m p l e xp r o d l l c tc o i g u r a t i o nm o d e l 孤l do p t i m i z a t i o nf 0 rc o m p l e xp r o d u c tc o i g u r a t i o n m o d e lb a s e do nc o u p l i l l gi n t e n s i 锣d s m b a s e do nt h et e c l m o l o g i e sp r e s e n t e di nt t l ep a p e r t l l es y s t e mo fm o d u l a r 缸e l l i g e n tc o i l f i g u r a t i o nd e s i 驴i sd e v e l o p e d 、) d l i c hi sa p p l i e di nt h e h i 曲- e n d e dc n cd e s i g np r o c e s s ，觚da c m e v e dg o o dr e s u l t s n ed i s s e 似i o ni so 略a 1 1 i z e da sf o l l o w s ： i nt 1 1 ef i r s tc h 印t e r ，n l ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft l l e l e o r y s t a _ t u so f r e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no fd e s i g nt e c h n o l o g yo fn l o d u l a rc o i l | j g u r a l i o n e l a b o r a t e e d t 1 1 eb a c k g r o u i l d ，c o n t e n ta i l ds i g m f i c a n c eo ft h ep a p e r i i l 吐l es e c o n dc h a p t e r ，t l l ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st l l er e 出i z a t i o n 锄d 吼i b n l i s s i o no f q u a m i 协t i v i n gf o rc o u p i n gf e 抓玳o ft l l ec o m p l e xp r o d u c tc o i l f i g u r a t i o nm o d e l f i r s t l y ，m e p r o d u c tc o i l f l g u r a t i o ns n u c t u r 2 l le l e m e n t ( p c s b ) i sd e f i n e d ，t l l ec o u p l i n g 龃甜y s i s 锄d q u a m i t a t i v es t u d yf o rc o n 矗g u r a t i o nm o d e lc a i lb ea c m e v e da c c o r d i n g t ot l l ep a r e n t - c 王l i l d 姐d c o n s t r a 缸r e l a t i o n 蛳pb e 撕e e np c s b o n “sb a l s i s ，m ec o n 删n tr e l a t i o i l s 螂b e t w e e n p c s bi sd i v i d e di l l t oi n t e n 】脚c o l l s 舰i n t s 锄de x t e m a l lc o i l s 扛a i n t s t h et h ei m e 黜dc o 叩l i i l g g 眦n g t hi s c a l c u l 砷e db a s e do ni n t e m a lc o u p l e dc o i l s 砌n t sa n dd i 雎r e n tc h a r a c t 嘶s t i c s o fe x t e m a lc o n s 仃抽啦，t h e nt h eq 咖t i t a t i v es t u d yf o rc o l l f i g u r a t i o nm o d e lc a i lb ea c m e v e d a tl a s t ，舔位c a s eo fh m s l 2 5 ，恤q u 枷i t a t i v i n gf o fc o u p 堍f e a n o fm ec 0 曲g u r a t i o n m o d e li se l a b o r a t e di i ld e t a i l i nn l et l l i r dc h a p i t e r t h ed i s s e 眦i o ni i l v e s t i g a t e sn l et e c l l i l o l o g yo fo p t i m i z a t i o nf o r c o m p l e xp r o d u c tc o i l f i 肿t i o nm o d e lb a s e do nc o u p l i n gi n t e i l s 毋d s m t l l o u 曲m er e s e a r c h o ft h et r a d “i o n a ld e s i 四s t r u c t u r em a t r i x ，m ec o u p l i i l gi n t e l l s 毋d s mw h i c hc 距r e n e c t 吐i e s 仃e n 啦b w t e e nt 1 1 ep c s bi sp r e s e m e d o nt l l i sb a s i s ，c o u p l 堍i n t e l l s 埘d e s i 班s t r u c n 鹏 m a t r i xi so b t a i n e db yn l em a p p i n gm e c h a l l i s m 舶mc o n 6 删i o nm o d e lt od s m ，t 1 1 e p l o y m e r i cs e to fp c s bc 锄b ef o r i i l e db yt l l ed e c o m p o s i t i o no fc i d s m a u l dd e t e m l i n eo f 吐l e p o l y m e r i cd e g r e e m d e xm n c t i o n a r e rt l l a t ，t e a r 吐l ep l o y m e r i cs e tb yn l em e t h o do f d e c o u p l i n ga l g o r i t h mb a s e d o np u r e s u p p l yd e g r e e ，r e s l 】眦t u r i n gp c s bs e q u e n c e s ， o p t j m i z i l l gt 1 1 ep r o d u c tc o 曲g u r a t i o nm o d e l t l l i st e c l l i l o l o g yh a sb e e n 印p l i e dt op r a c t i c a ll l s e i nm ec o 西g u r a t i o nd e s i 弘o fc n ci m c h i n et o o l s 谢t l lt h ee 伍c i e n c ya n da c c u r a c yo f c o 而g u r a t i o nd e s i 盟b e i n gi i i l p r o v e dr e m 破a b l y i i lm ef 0 删l c h 印t e r ，1 l l es y s t e mo fm o d u l a ri n t e l l i g e n tc o n f i g u r a t i o nd e s i 盟i s d e v e l o p e db a s e do n l et e c l l i l o l o g yd i s c u s s e da b o v e w l l a _ t sm o r e ，t h i ss y s t e mh a sb e e n v 浙江大学硕士学位论文 a b s t i 认c t 印p l i e di i lm g l l e n d e dc n cc o 而肿t i o nd e s i 印p r o c e s s i tt e s t sa n dv 嘶n e s 也a tn l et i l e o 巧 a i l dm e t l l o d sm e n t i o n e da b o v ea r ef e a s i b i l i 吼 i i lt l l ef i 劬c h a p t e r ，a l la c l l i e v e m e m so f 廿l ep a p e ra r e 黜a r i z e di i lo r d e rt 0p u t f o r 、m a r dt l l en 】r t b e ri e s e a 】h k e yw d r d s ：p r o d u c tc o 血g u r a t i o nm o d e l ；c o u p l i i l gi n t e n s 毋；d e s i 盟s 咖c t u r em a _ t r i x ； p o l y m e r i cd e g r e ei n d e x ；p r o d u c tc o 蚯g u r a t i o ns t r u c t u 融e l e m e n t ；c o u p l e v i 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 借此论文定稿之际，衷心的感谢我的导师张树有教授近三年以来在学习和生活中对 我的关心、鼓励和指导。在课题的研究，论文的选题、撰写和修改中都得到了张老师的 精心指导和热情帮助，一点一滴的成长都凝聚着导师的心血和汗水。张老师渊博的学识、 精湛的学术造诣、严谨求实的治学风格、敏锐深邃的洞察力以及对学术前沿的创新探索 精神，都使我永至不忘，对我将来的学习和生活都将终生受益。师从张树有教授，我不 仅学到了如何在学术领域探索和开拓，而且学到了很多人生哲理。在此对我的导师张树 有教授表示衷心的感谢和敬意! 衷心感谢浙江大学图学所的谭建荣院士，陆国栋教授施岳定教授，刘振字教授 伊国栋副教授、冯毅雄副教授、李凌丰副教授、费少梅副教授，董进老师等对我学业上 和生活上的悉心关怀和热情帮助。 特别感谢裘乐淼老师和安相华博士在学习、科研和论文等方面对我的关心。在两位 师兄的帮助下，我的工作和学习能力得到了很大的锻炼和提高。 感谢课题组的徐敬华老师、高一聪博士、孙良峰博士、伍晓榕博士、萨日娜博士、 胡坤博士、光耀硕士、徐剑硕士，吴媛媛硕士、叶友本硕士、赵鑫硕士、胡星星硕士、 张辉硕士、徐伟硕士等，对于他们在共同从事科研项目的合作中给予我的帮助表示真诚 的感谢! 感谢实验室的张秀芬博士、胡月圆博士、章伟华硕士、王明硕士、罗成对硕士、陆 佳园硕士等，以及赵振博士刘晓健博士、朱广宇硕士，李大平硕士、刘炯宙博士、任 彬博士、冀晶晶博士、张庆硕士、金易笔硕士、豆瑞发硕士、郑贵荣硕士，周虹硕士、 傅军亮硕士、还有我的室友颊维强博士、彭翔博士、沙欧硕士，和你们一起度过研究生 生活，将是我一生难忘的美好回忆。 深深的感谢我的父母，你们对我的无私关怀、深深的爱和默默的支持，是我一直以 来成长和前进的动力源泉。 最后要感谢所有关心和支持我的人。 郭传龙谨致 二零一二年二月 浙江大学玉泉求是园 i 浙江大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 【本章摘要】主要介绍了产品模块化与配置设计相关技术的重要性及几种关键的 快速相应设计技术，回顾了产品模块化设计技术和配置设计技术的相关理论的发 展、现状和应用情况，并进一步阐述了本文的研究内容，背景和意义 随着科技的快速发展、市场全球化的步伐加快，现代企业所面临的竞争也越来 越激烈，尤其是进入到2 1 世纪，传统的世界市场由相对稳定性格局转变为复杂多 变的形式，为了适应新的形式，制造业必须在产品设计方式、制造模式等相关技术 方面进行变革。这种变革主要表现在以下方面： ( 1 ) 多样性。剧烈的市场竞争和客户的多样化、个性化需求要求企业的设计 和制造模型要由传统的以产品生产力为核心引导向以客户需求为主的体系转变，实 现产品的定制设计。传统的那种大规模生产制造模型已经不能适应当前形式的要 求，而根据客户多样化的需求则体现出来强大的优势悟卿佃” 7 1 ( 2 ) 敏捷性。现代科学技术日新月异，产品更新换代越来越快，产品生产周 期越来越短。这种发展趋势要求企业在满足客户多样化和个性化需求的基础上，以 最短的时间、最低的生产成本生产出高质量的产品。所以企业在响应市场时必须具 备敏捷性，企业的敏捷性是指在合理的处理各种市场信息和决策的基础上，通过引 进新的生产设计技术，以及优化企业结构来快速响应市场的变化。 ( 3 ) 制造业分工体系日益明确，产品价值链持续进行分解和重新组合，企业 资源配置方式已经不再受地理环境的限制，复杂产品制造链条越来越长，涉及的环 节越来越多，过程越来越复杂化 ( 4 ) 产品知识含量不断的提高。产品的设计与制造特点发生了变化，从传统 的资料、数据密集型向信息，知识密集型转化。成为面向知识、市场、功能驱动的 设计，设计更多依赖的是新知识而非设计经验陵卫清2 仰2 ” 因此，以交货快、成本低、高质量、无污染去争夺市场份额的竞争中，对客户 个性化、多样化需求进行快速响应、缩短设计制造周期、提高产品设计效率是企业 浙江大学硕士学位论文l 绪论 在当今竞争激烈的全球市场环境中获得成功的必要前提蛳b n ”，正是在这种情况之 下，复杂产品的快速响应设计技术应运而生，其中最具代表性的是产品模块化设计 技术，配置设计技术和复杂产品配置模型构建技术，并得到了国内外研究人员的广 泛重视。 1 2 复杂产品客户需求快速响应设计技术及研究现状 1 2 1 产品模块化设计技术 产品研发是指将客户对于产品外观、结构、和功能的需求转化为一个或几个产 品零部件具体实现的过程，涉及到经济效益、社会发展、科学技术和环境等诸多因 素，是一项复杂的系统工程。产品设计的目的是解决问题，除了包含静态具体的产 品还涉及到动态抽象的过程，通过已有的知识和资源来创造出新产品u ”m 孔而随 着市场竞争的日趋激烈及客户多样化的需求越来越高，使得企业的竞争模式由原来 的大批量生产方式向大规模定制( d e s i g nf o rm a s sc u s t o m 卜z a t i o n ，d f m c ) 转移， 企业需要在设计过程中具备一系列通用的零部件及子装配方法，以达到提高产品 成型效率、资源共享和降低成本的目的，而产品模块化设计技术可以降低产品族的 管理和装配成本、调高设计的资源利用率，还可以在简化设计过程中促进产品更新、 拓展产品多样性，是大规模定制生产方式的核心技术之一 2 0 世纪5 0 年代，欧美一些国家正式提出“产品模块化设计”概念，把产品模块 化设计提到理论高度来研究，随后便得到了广泛的关注和快速的发展，模块化设计 可定义为：产品的模块化设计( m o d u l a rd e si g n ) 是在对各种功能、规格和性能的 产品进行功能分析和划分，并设计出一系列功能模块，通过不同模块间的重组并结 合其他产品要素，以快速及低成本的方式生产出适应市场与技术变化产品的设计方 法唾筵林1 ” 。模块化设计的目的是以少变应多变：以尽量少总类和数量的模块生产出 尽量多种类多功能的产品，以尽量少得投入生产尽量多的满足市场要求的产品。 模块化设计在经济和技术上具有如下优点： ( 1 ) 利于产品更新换代，发展多样化新产品：基于客户的个性化、多样化需求， 要设计出、新的性能更好的功能模块去取代原有的模块，发展性能更好的新产品。 ( 2 ) 产品质量提高、生产成本降低：模块精心设计，可以批量生产加工，有利 2 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 于组织专业化的生产，在降低成本的同时提高产品的质量。 ( 3 ) 提高设计效率、缩短生产周期：在产品族中存在通用模块的基础上，根据 客户需求只需要将专用模块进行变异设计即可，提高了产品设计效率。 ( 4 ) 方便维修：产品模块之间是相对独立的，因此，产品易于维修，必要时还 可以在不影响产品生产的情况下更换模块。 产品模块化设计是构建产品族的核心方法之一，通过它可以对产品功能进行相 应标准结构模型的建立和封装，从而获得一个在产品中针对不同情况进行个性化设 计的快速响应机制，使得产品设计更加规范和迅捷嚏乐蠹2 删。模块化设计后的产品 族具有树状层次结构和拓扑结构，树状层次结构反映了模块之间的父子关系，如图 1 1 所示；而拓扑结构则体现了模块间的耦合关联情况，如图1 2 所示。 l 鳖q 一堂q 篮佥鼗一- ； 图1 1 模块化设计产品族结构树 图1 2 模块化设计产品族拓扑结构图 产品模块化设计在设计思想上对传统设计进行了创新，它是一种现代化的设计 ， 、 一 ，、 ， 、， ， 一 一、 ， q、，_一分 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 方法和标准化形式，目前已经形成了以简化产品实现过程，缩短制造周期及降低开 发成本为目标、以计算机为工具的涵盖多学科的新型技术领域。近年来，国内外的 学者专家对产品模块化设计的相关技术进行了大量的研究。 e r i x o n 等m h 佣1 们提出一种基于模块驱动的划分模块的方法，其主要原理是依 据模块之间的影响因子( 技术属性、样式，技术创新、计划、通用性和服务等) 来 构造指示函数矩阵( m o d u l e i n d i c a ti o n 一眦t r i x ，m i m ) 。构造的模块矩阵对模块间 关联关系进行合理的定性分析，对于模块划分提供了有力的依据。 s t o n e 等略伯剐圳从功能描述的角度出发，为产品架构开发的功能模型提出了一 种定量化方法，将模型中各个功能模块与物料流、信息流和能量流相关联，以客户 需求满意度为衡量标准，建立需求数据库和功能数据库，并定量化功能一需求的映 射关系，将此作为模块规划的主要依据 t s a i 等盯姒”钔从并行工程的角度出发，基于产品设计、生产加工和装配的复杂 性，将产品族按照功能在设计生产过程中的接口特性划分为多个不同性质的模块， 从中选出最优模块，然后根据模块固有的特性确定模块中各个功能的优先性，并将 此作为产品规划设计的依据。 s a l h i e h 等眵“m 曲”3 从模块的形成角度出发，将过程发分解成四个阶段，并通过 零部件之间特征指标的耦合关联强度生成模块。基于模糊理论的设计方法不但可以 对复杂机械系统进行定性分析还可以进行定量运算，使得这种方法在解决模块化设 计问题方面起到重要的作用。 h q l l t t 佃毗仃2 等提出了基于信息输入与输出流的模块规划方法，不考虑模块的 功能特性，而是在产品中通过功能结构最匹配的输入输出流得到更多的通用模块， 从而增加模块规划的柔性，但是没有考虑产品的模块化装配与后期维修情况，无法 满足整个产品生命周期的需求。 h a t a 等叭n2 删从模块创建的可行性角度出发，计算和分析了产品中各个相似模 块之间的匹配度和聚合独立性，来评价模块的形成复杂度，并讨论了模块形成过程 中的各种约束条件但是模块对生命周期的管理产生一定的影响，而且优化结果存 在一定的偏差。 m it c h e l l 等眦n m l l1 7 1 提出了基于设计结构矩阵( d e si g ns t r u c t u r em a t r i x ， d s m ) 的模块验证算法，其目的是在产品设计环节实现模块化设计。首先创建功能 4 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 需求与技术属性之间的映射关系；然后利用d s m 对其进行反映；最后利用单元设计 与成组技术相似算法对d s m 进行聚类分析，达到模块规划的目的。 贡智兵等渍智兵2 0 帕为快速响应客户需求，提出了基于粗糙集理论的产品快速响应 技术。首先确定实例匹配属性相似度的权重，依据客户的模糊需求去实例库中检索 最高匹配度的实例，得到产品的设计方案。然后通过粗糙集技术将产品实例的技术 属性进行离散和泛化，确定技术参数之间的通用知识和耦合关系，最后形成直观的 决策表以获取规则来确定产品方案。该方法相对传统方法简洁、客观，处理效率更 高。 侯亮喉亮2 帅4 1 等对目前国内外专家在模块化设计方面研究情况进行了总结与回 顾，并且描述与分析了模块的识别、划分与重组等相关工作，从而对模块化设计的 研究趋势进行了展望。最后基于模块的相似特性，分析并提出了产品族中柔性模块 关联设计结构矩阵和产品特性矩阵的方法。 唐涛等暗译2 删基于模块化设计与低碳设计相融合的思想，提出了低碳模块化产 品族设计方法。依据低碳规则和模块化功构规则聚合零部件从而创建模块，并且在 此基础上保证了产品的环境属性和功能属性。 王海军等汪海军2 帅5 1 等以提高客户需求满意度( 产品功能与客户需求的匹配程度) 为最大目标，基于模块化设计建立了最优数学模型；然后通过模拟退火算法达到产 品功能与成本之间的平衡，并且得到最佳变量配置方案；最后以洗衣机为例验证了 上述方法的合理性与有效性。解决了面向订单装配模式下的模块规划问题，为模块 化设计产品的配置设计技术理论提供了一种面向实用工程的数值分析方法。 作为快速响应客户需求的关键技术之一，产品模块化设计的特点主要表现为： ( 1 ) 模块化设计不是面向某一种专项的的任务而是面向产品族的设计方法； ( 2 ) 模块化设计不是一种专用的特定设计而是一种标准化的设计； ( 3 ) 模块化设计中所需的模块具有可替代性，高度柔性和适应性； ( 4 ) 模块化的设计一种组合设计而非整体设计，设计效率更高； ( 5 ) 模块化设计能在控制产品成本的基础上更好的满足客户的个性化需求。 正是由于产品模块化设计技术的发展，才使得复杂产品的配置模型构建技术得 到了快速发展。 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 产品配置设计技术 随着计算机技术的快速发展，市场竞争日趋激烈，如何高效的，低成本，快速 的实现产品的外部多样性而满足客户个性化需求成为当前制造企业面临的首要问 题，但是这一问题在不同的方面是相互矛盾难以解决的。一方面，单件生产模式增 加了产品的多样性，可以满足客户个性化需求，但是成本太高，一定程度上降低了 企业的竞争力；另一方面，大批量的生产模式虽然能够提高产品的生产效率，降低 产品设计成本，但是产品太单一，不能满足客户的个性化需求，产品配置设计技术 就是在这种情况下诞生的，它是解决这个矛盾的核心关键技术侈尚虎2 为此，国内 外专家学者对产品配置设计技术进行了不断的研究 2 0 世纪7 0 年代，n e w e l l 和f r e e 眦n 在伦敦举行的第二届i j c a i 会议上提出了 产品配置设计的思想，他们利用功能推理的手段将产品设计过程分为选择阶段和识 别阶段。识别阶段主要目的是明确某一设计产品的功能与结构，选择阶段的目的是 在明确产品功能结构基础上选择合适的零部件瞪”一1 7 m i t t a l 等呻n h l l ”在1 9 8 9 年给出了产品配置设计的正式定义，他们把产品配置 设计过程看做一个输入输出系统：将预先定义的对象集合、对象之间的约束关系集， 配置规范集等导入配置系统，然后输出满足需求特性的对象组合方案。 b r o w n 等哺一” 1 基于产品配置任务的逻辑结构定义了产品配置的概念，他指出 产品配置的过程包含产品零部件的选择，对配置活动的适应性和零部件之间组合所 需规则的匹配等活动。 c h e n 等唧呲仰9 1 运用神经网络的方法，研究了产品配置过程，实现了配置过程中 配置知识交互学习，在一定程度上优化了产品配置设计过程；s a l h i e h 等璐枷地” 首先将配置产品的结构、功能和物理特性进行分解，然后找出组成该产品的基础部 分相似指数，最后利用群集技术进行配置产品模块的粒度划分。 c h e n 等k 删2 删运用神经网络的方法，研究了产品配置过程，实现了配置过程中 配置知识交互学习，在一定程度上优化了产品配置设计过程。 t i i h o n e n 等b ” 引认为当前对产品配置的执行及组织过程缺乏研究，使得产 品配置设计过程缺乏一定程度的伸缩性和柔性，在这种情况之下，他们对组成产品 的零件和部件进行变量化及参数化处理，一定范围内提高了配置设计的韧性。 z h a o 等旺h 02 引运用神经网络的方法，研究了产品配置设计过程，实现了配置过 6 浙江大学硕士学位论文1 绪论 程中配置知识的交互学习，在一定程度上提高了产品配置设计效率。 c a b r e r i z o l 等睢协0 0 4 1 阐述了万维中产品配置工具及通用配置本体，在此基 础上定义了基于本体的产品配置，并给出了耦合关联本体、客户需求本体和模块集 本体等。 s o n g a 等眵吣针对配置粒度划分过程中出现的问题，以数据挖掘作为工具来 发现产品的配置知识，进而采用s p e a 2 算法搜索产品最优配置粒度构建方案。 f r i e d r i c h 等陋n 酣n 曲2 删基于一价谓词逻辑结构语言表达方法对配置本体论进行 了形式化的描述，并在此基础上提出了一个相似的面向配置的本体论。 f a l k e n h a i n e r 等陴“h 曲“”2 们们采用底层约束的方法扩展了约束满足问题，即利用 动态约束满足的方法去解决配置设计中的动态配置问题。具体过程如下：创建新的 模块作为活动变量，然后根据条件去利用高层的约束通过约束系列去进行动态约束 的扩展解决动态的配置设计问题。 m a i e r 等k 为解决产品族建立过程中遇到的问题，将产品配置设计以约束 满足问题来解决，利用求解约束的方式来获取典型的配置属性，然后通过模块聚类 的方法来建立产品族平台。 t s e n g 等盯“5 1 针对配置设计过程中产品结构不变属性变换导致的配置问题， 提出了一种相似性算法来构造产品族b o m ，有效提高了配置求解效率 w a n g 等m 衅2 们4 1 针对配置设计中规则不能精确表达知识的问题，通过利用知识 重用方法，来建立一个基于实例的配置模型。首先对客户功能需求的形式化表达获 取产品结构属性，然后计算实例库中相似实例的匹配度，进而检索符合要求的实例， 将检索结果的约束特性作为以后配置变量，最后通过c s p 方法修正实例以满足新的 配置过程中的约束。 h e d i n 等伸“。2 删通过利用数据库( d a t a _ b a s e ) 技术和面向对象 ( o b j e c t 一0 ri e n t e d ) 的技术以及面向对象和耦合逻辑相结合的多重范式的编程方 法等对基于规则的产品配置设计技术进行了改进。 n a h m 等m 山2 删将组件之间的约束连接关系、属性关联特性等知识作为配置规 则，并按照一定的推理策略对配置知识进行推断和求解，使得组件在满足规则的前 提下合理的组合，匹配与重组，最终获取满足客户个性化要求的配置结果。 楼健人等灌健人2 5 1 指出产品配置设计过程本质上是将产品配置模型实例化的过 浙江大学硕士学位论文l 绪论 程首先将客户的定制需求作为配置数据来源；然后按照配置规则将预先定义的模 块进行合理的组合与匹配；最后生成满足客户需求的实例清单，达到快速设计的目 的。 王世伟等旺世伟2 删不考虑配置所处的应用领域，而从产品研发角度出发对产品配 置的概念进行了定义。以客户需求作为数据输入源，依据配置规则对配置模型进行 实例化，最终输出常规的产品研发活动这一配置结果。 孟祥慧等嚏祥l2 副提出了建立可配置产品族模型的过程，通过模块规划，选择与 组合来进行产品配置设计 高磊等【商量2 0 0 1 1 以预定义的产品配置模型为出发点，在建立的规则库和知识库的 基础上实现了配置产品的三层架构配置过程模型，然后给出了配置求解算法及优化 方案。 袁长峰等【l 长峰2 0 0 4 】以规则库作为出发点，构建了产品配置设计技术规则库，在 j 2 e e 体系架构的基础上建立了基于规则库的协同产品配置设计系统，使得多个设 计人员可以同时操作系统，大大提高了配置求解效率。但是对于复杂产品来说，规 则库的精确性仍然是个比较棘手的问题。 孙伟等m 伟20 1 1 1 针对配置知识获取、表达困难和当前配置设计中存在的一些问题， 提出了基于产品规则和本体的配置解决方案。首先利用粗糙集作为工具提取配置规 则知识，并分析了设计中不同类型的配置知识；然后利用0 w l s w l 对配置规则和本 体进行知识表达；最后基于j e s s 对配置知识进行推理。 上述研究分别从配置求解、配置过程和配置粒度划分等方面配置设计技术进行 了研究，较好的解决了企业当前环境下的产品配置问题，并在一些领域取得了一定 成果。然后对于配置模型的研究不足，仅仅从模块间的约束方向性对配置模型进行 了定性分析，误差较大，影响了配置模型的构建精度；另外目前产品日益由小型化、 简单化向大型化，复杂化转变，模块问的约束关系越来越复杂，使得产品在配置设 计过程中对于配置模型的精确分析要求越来越高。以上使得配置模型的精确分析是 现代配置设计理论中亟待解决的瓶颈问题。 1 2 3 复杂产品配置模型构建技术 8 产品配置模型是产品配置的基础，也是配置求解的核心和关键。指在产品需求 浙江大学硕士学位论文1 绪论 形式化表达基础上，通过调整客户需求属性值及其约束来表达适应客户个性化需求 的结构模型。产品配置模型的构建质量直接决定了产品配置效率和配置成功率，因 此，国内外很多的专家学者对配置模型构建技术进行了深入研究 s e h 等晦2 0 。1 1 基于设计专家系统，利用属性结构特征和研发单位来构建复杂产 品的配置模型。 c h a o 等k h 02 洲将组件封装的知识和使用方面进行隔离，提高了配置模型的可维 护性，但是配置模型和方法联系密切，不同配置方法下配置模型存在差异，使得配 置模型的共享性不够。 z h a n g 等m ”仰”通过定义组件、接口，资源等本体来建立配置模型，有效提高 了配置模型的共享性，但表达模型层次结构中存在不足。 l i 等阻1 2 懈1 等为了更有效的解决产品配置优化问题，提出了基于相关矩阵的多 目标优化产品配置模型。 m e n g 等嗍6 2 仰们基于零部件的分析法，提出了面向产品族设计的的模块规划准 则，给出了各规则的计算方法和目标函数，并用遗传算法对产品配置模型进行优化 l i n 等2 4 1 研究了产品配置设计管理内容和配置设计流程，在配置设计实例单 元的基础上提出了产品配置过程层次型管理模型。 s t o n e 等裕髓2 删提出了一种配置单元启发式探索方法，基于产品配置功能结构 图，从中搜寻主流、支流、转化和传递流功能对，从某个单一产品结构中寻找配置 单元，建立功构模型。 d i e g 等叭删利用一种概念语言( f r a m e s ，p a r t sa n dc o n s t r a i n ts ，f p c ) 来描 述产品配置模型，然后利用问题分解策略求解配置，获取最佳配置方案。 黄婧等瞳靖2 删以共享为特性的w e b 技术和o n t 0 1 0 9 y 技术相融合，提出了基于 0 n t 0 1 0 9 y 技术的产品配置模型概念，此模型由约束和分类层构成，详细给出了模型 中的构建和之间的关联关系，并利用o w l 语言对其进行了形式化得描述，最终得到 产品的配置模型。 雒兴刚等潍兴剐2 酗为了使配过程更加容易面向用户，在配置设计中引入了质量功 能展开，最终建立了基于q f d 的产品配置模型。 高鹏等哺砖2 删针对目前用户需求理解方法不全面问题，提出了一种基于本体 映射的客户需求元向配置设计知识转化的方法。首先研究了客户需求本体和配置设 浙江大学硕士学位论文l 绪论 计本体，给出了基于本体的产品配置模型然后基于本体映射规则，提出了以本 体、知识、模型映射三层模式为核心的产品配置模型建模架构，最后给出了产品配 置模型获取算法。 赵凯等睫饥2 为了更加有效的构建产品结构之间的约束关系，提出了基于多色 图理论的产品配置模型，并给出了数学模型，最后利用蚁群算法对模型进行了优化。 朱芸等侏善2 仰5 1 针对模块化特性的产品配置问题，提出了以客户驱动为基础的虚 拟组件的产品配置模型，首先通过客户需求分析建立参数驱动模型，然后基于虚拟 组件建立模块特性参数柔性规则，最后得到产品配置模型 杨煜俊等嘴煜傻2 1 为了构建复杂产品的配置模型，提出了一种基于条件约束满足 问题的配置模型构建方法。该方法利用约束和变量来表达配置模型中的客户要求和 结构模型，使得配置模型具有表达一致性。 周春景等明春量2 圳为了有效支持产品配置，提出了基于扩展域结构模板的产品配 置模型构建方法，首先在域中引入产品设计信息，生成由载体、功能，和设计过程 信息组合而成的结构模板，然后拓展其主体和设计节点，最后利用有向图提取和元 素间的关系，生成涵盖产品族和设计信息的产品配置模型 顾巧祥等嘿巧祥2 们针对m t o 产品配置模型构建困难问题，提出了e a c 规则和事物 特性表构建产品配置模型有效提高了配置设计效率。 刘晓冰嘲堍痒2 0 0 4 1 等在基于产品族理论基础上，将客户需求域和特征表达域引入， 并建立了需求域一功能域一行为域一特征表达域的层次型产品配置模型，为实 现客户需求条件映射到产品结构特征提供了理论和方法。 这些研究较好的解决了企业当前环境下的产品配置问题，并在一些领域取得了 一定成果。但由于大型产品结构复杂，配置模块之问耦合性强，直接影响了配置求 解的效率与准确性，配置模型耦合性分析与优化的研究还存在如下问题： ( 1 ) 配置产品日益大型化、复杂化，导致复杂产品配置结构体间耦合约束关系 复杂，配置设计周期延长，严重影响了企业快速响应客户需求的能力，因此，配置 建模时必须考虑结构体间的耦合强度，才能建立高效的配置模型。上述方法仅适用 于标准件比重较大，零部件较少，结构相对简单的产品，存在较大局限性。因此如 何优化复杂产品配置模型是一个值得研究的问题。 ( 2 ) 配置产品的优化设计需要在配置建模时就考虑优化策略，使复杂产品易于 1 0 浙江大学硕士学位论文l 绪论 配置，并且配置出产品在性能、成本等方面得到优化。在已有的研究方法中，大多 是对配置求解改进，忽略了配置模型的优化，难以从根本上提高配置设计效率。 1 3 本文的研究背景、内容和意义 1 3 1 本文的研究背景 快速响应客户的个性化需求、提高客户满意度是现代企业提高核心竞争力的关 键手段。产品配置设计技术作为大批量定制的核心技术之一，正是快速响应客户需 求的重要途径，配置技术的不断发展使得企业产品设计和研发有能力满足广大范围 内的客户个性化和多样化需求，提高了产品设计和生产效率，减少了产品交货周期， 同时在保证产品质量的前提下降低了产品生产研发成本。这些优点充分验证了企业 研发配置产品和市场对配置产品需求的强大动力。 目前对产品配置设计技术的研究主要是围绕配置的实现方法，较好的解决了企 业当前环境下的产品配置问题，并在一些领域取得了一定成果，但是缺乏对产品配 置建模理论的研究，尤其是忽略了产品配置模型的分析、建立和优化的研究。而随 着产品的日益大型化、复杂化使得复杂产品配置模块间耦合约束关系复杂，配置设 计周期延长，严重影响了企业快速响应客户需求的能力，而产品配置模型很大程度 上决定了配置求解质量和效率，这就要求在产品配置之前考虑配置模型的构建，使 得复杂产品易于配置，提高复杂产品的配置求解效率，鉴于此如何对配置模型进行 建立分析和优化，如何提高配置求解效率和质量是一个值得研究的问题。 在上述背景下，本文针对复杂产品的配置设计特点，依托国家科技重大专项研 究项目“高档数控机床模块化智能配置设计技术及其应用”( 项目编号： 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 一0 3 1 ) ，对复杂产品配置模型耦合分析及优化技术进行了深入的研究， 并开发了高档数控机床配置模型耦合分析与优化系统，该系统目前已经在国内多家 知名机床企业进行了实际应用，并得到了非常好的效果。 1 3 2 本文的研究内容和意义 本文对复杂产品配置模型耦合分析与优化技术进行了研究，包括复杂产品配置 模型耦合特性量化技术、基于耦合强度d s m 的复杂产品配置模型优化技术等方面的 浙江大学硕士学位论文1 绪论 研究工作，主要研究内容如下： ( 1 ) 复杂产品配置模型耦合特性量化技术的研究 针对复杂产品配置模型耦合特性分析误差较大而导致配置模型建立不合理的 问题，提出了复杂产品配置模型耦合特性量化技术定义了产品配置结构体和配置 模型的建立过程，基于结构体之间的父子逻辑关系和约束关系，对配置模型进行了 耦合分析，在此基础上将结构体之间的约束关系分解为内在约束和外在约束两种约 束，利用建立的内在约束耦合约束模型和外在约束的不同约束因素特征计算结构体 间的综合耦合强度，实现了配置模型的定量分析，有效的对配置模型的耦合特性进 行了量化，并给出实例应用。 ( 2 ) 基于耦合强度d s m 的复杂产品配置模型优化技术的研究 针对复杂产品内部结构耦合性强、配置设计求解效率及准确性低的问题，提出 了基于耦合强度d s m 的复杂产品配置模型优化技术。通过对传统设计结构矩阵的研 究提出了能够体现结构体间约束强度的耦合强度设计结构矩阵，在此基础上通过映 射得到配置模型耦合强度d s m ，利用可达矩阵对其进行行列变换形成初始结构体聚 合集，并给出聚合强度指数函数进行判定，得到符合企业标准的