（机械设计及理论专业论文）大规模定制下产品设计及数据管理若干问题的研究.pdf

摘要 随着令球r h 场竞争的加剧，满足客户化个性化多品种小批量定制显得越来越重要， 大规模定制技术是解决大舰模生产和个性化需求之问矛盾的有效方法，与之相应的产品 设计方法也发生了变革，其核心是基于模块化和组合化原理的个性化设计方法和技术， 以产品族模型为对象进行快速开发。同时经济的全球化使得企业成为全球资源环境中的 一个结点，对企业协作设计能力提出了更高的要求，相廊的产品数据管理系统体系和构 架也有着重大的变化。丌发w u b 环境下以产品族为管理对象的p d m 系统，通过产品模块 配置和模块更新来实现产品快速开发是当前产品设计管理的热点。 基于以卜的背景，本论文主要研究了大规模定制环境下产鼎设计、产品配置的实现 及基于w e b 技术的产品数据管理。主要分以下四个部分： 第一部分从设计的业务过程、产品族模型框架、设计系统框架三个方面对大规模定 制模式下的产品设计理论进行了研究，提出了一个面向大规模定制的产品设计系统的框 架。最后对建模相关的模块化技术、标准化和规范化技术进行讨论。 第二部分阐述了产品配置的基本概念，研究并提出了一种产品配置过程模式，然后 总结了产品配置的方式，结合产品编码提出了一种基于规则的产品配置方式，对产品族 结构模型建立、配置方法的实现迸行了研究。 第三部分主要研究了在i n t e r n e t 环境下，如何基于w e b 技术实现产品数据管理来， 提出一个基于w e b 的p d m 的系统框架，对该框架各层功能和实现进行了阐述；讨论了基 于w e b 的网络环境；对基于w e b 的p d m 的基本功能和优缺点进行了的讨论。 第四部分结合新多门业p d m 项目和凯凌制动器集团协同设计平台项目，探讨大规模 定制环境下，基于w e b 的产品数据管理系统的构建，产品族结构模型建立和产品配胃的 实现。 关键词：大规模定制，产品数据管理，产品设计方法，产品族，产品配置，w e b a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n g l ys h a r p o fm a r k e tc o m p e t i t i o n ，c u s t o m e r - o r i e n t e dp r o d u c t i o n b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c e m a s sc u s t o m i z a t i o ni sa ne f f e c t i v em e t h o d t os o l v et h e c o n t r a d i c t o r yb e t w e e np e r s o n a l i z e dc u s t o m e rr e q u i r e m e n t a n dm a s s p r o d u c t i o n a c c o r d i n g l y t h e d e s i g nt e c h n o l o g y i s b e i n gc h a n g e d t h e c o r ei st h em e t h o da n d t e c h n o l o g y o f p e r s o n a l i z e dp r o d u c td e s i g n t h a ti sb a s e do nt h et h e o r yo fc o m b i n a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o n a q u i c kw a yo fp r o d u c td e v e l o p m e n t b a s e do np r o d u c tf a m i l yi sa d o p t e d o nt h eo t h e rh a n d ， e n t e r p r i s e sb e c o m ean o d ei n c h a i no fe c o n o m i cr e s o u r c e si nt h ee c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n e n v i r o n m e n t ，i t r e q u i r e se n t e r p r i s e s h a v em o r ea b i l i t i e so fc o o p e r a t i o nd e s i g n ，t h e r e b y c h a n g i n gt h ef r a m eo f p r o d u c t d a t am a n a g e m e n t i tb e c o m et h eh o tt o p i c so f r e s e a r c ht h a tt h e w e b b a s e dp d mf o rp r o d u c tf a m i l ya n dt h eq u i c kp r o d u c td e v e l o p m e n tb yp r o d u c tm o d u l e c o n f i g u r a t i o na n dp r o d u c tm o d u l e m o d i f i c a t i o n b a s e do nt h ef a c t sm e n t i o n e da b o v e ，t h ep a p e rs t u d i e st h ed 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 ) ，t h e r e a l i z a t i o no fp r o d u c t c o n f i g u r a t i o n a n dt h ew e b b a s e dp d mi nm a s s c u s t o m i z a t i o ne n v i r o n m e n t t h e p a p e rc o n s i s t so f f o u rm a i n p a r t s ： 1 、f i r s t l y t h et h e o r yo fd f m ci ss t u d i e df r o mt h ew o r k f l o wf o rd f m c p r o c e s s ，t h ef r a m eo f p r o d u c tf a m i l ya n dt h ef r a m eo fp r o d u c td e s i g ns y s t e m t h ep a p e rp u t sf o r w a r da f l a m e o f p r o d u c td e s i g ns y s t e mf o rd f m c a tl a s t ，t h eb a s i ct h e o r i e sf o rd f m c a r ea n a l y z e d i n c l u d i n gm o d u l a r i t yd e s i g nm a d s t a n d a r d i z a t i o n d e s i g n 2 、t h eb a s i ct h e o r y o f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o ni sd i s c u s s e d a p r o c e s so f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n i sp r e s e n t e d t h em e t h o d so fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o na r es u m m e d f u r t h e r m o r et h ep a p e r p u t sf o r w a r dar u l e b a s e dm e t h o do f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nt h a ti sc o r r e l a t i v ew i t hp r o d u c t c o d e b a s e do nt h i sm e t h o d ，t h es t r u c t u r eo f p r o d u c t f a m i l ya n d t h er e a l i z a t i o n p r o c e s sa r e s t u d i e d 3 、i nt h ei n t e r n e te n v i r o n m e n t ，h o wt ob u i l dt h ew e b b a s e dp d mi s d i s c u s s e d an e w w e b - b a s e dp r o d u c td a t am a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r ei s p r e s e n t e d t h ef i m c t i o n sa n dt h e r e a l i z a t i o nm e t h o do f l a y e r so f t h ea r c h i t e c t u r ea r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ef u n c t i o n so f t h ew e b b a s e dp d ma r e a n a l y z e d ，t h e n t h e p a p e r s u m m a r i z e st h e a d v a n t a g e a n d s h o r t c o m i n g o f t h ew e b b a s e dp d m 4 、i ns i m t og r o u pp d m s y s t e mm a dk a i l i n gg r o u pc o l l a b o r a t i v ep l a t f o r mp r o j e c t ，t h e r e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h ew e b b a s e dp d m ，p r o d u c t f a m i l ya n dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o na r e s h o w e d k e y w 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 td a t am a n a g e m e n t ，t h em e t h o d o l o g yo fp r o d u c t d e s i g n ，p r o d u c tf a m i l y , p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，w e b b a s e d 塑! ! 叁堂堡：兰笪丝兰 一 第一章绪论 摘要：阐述_ 本课题提出的研究意义：介绍了d f m c 设计技术的发展和研究状况、产 品数据库管理系统以及w e b 技术的发展；介绍了本课题的主要研究内容和论文章节安 排。 关键词：大规模定制，设计方法，d f m c ，产品数据管理，w e b 技术 1 1 课题提出及意义”“ 丽埘市场的激烈竞争，企业产品的更新换代正在同益加速，在一般产品很容易从市 场得到的情况下，顾客的需求便不断向多样化发展。顾客不仅仅是要求买高质量、高性 能和价格适中的产品，而且产品必须具有新的功能和令人感兴趣的特征。在这种新的市 场形式下，制造企业的经营战略必然会发生很大的变化，影响到了企业的生产模式，组 织模型等各个方面。 首先，以往一个企业自我封闭的设计开发和生产模式将不能再适应，取而代之的是 网络联盟企业的模式。企业与其合作伙伴甚至竞争对手建立全球范围的生产和经营联盟 网络，无论是产品设计、制造装配、还足物料供应，都是全球范围内进行，以提高产品 的质量和市场响应能力。 其次，以客户为中心的大规模定制生产模式成为2 1 世纪制造业的主流生产模式大 规模。企业不仅仅要以生产的批量性保证低成本，同时要以产品的多样性满足客户的需 求，以获取最大的利润，火规模定制生产就成为了解决这对矛盾的方法。在这种新的生 产模式下，产品设计、生产、销售都是基于产品族模型的过程活动，不同传统的荦_ 个产 品设计和生产。因此对产品设计方法学提出新的研究要求。 产品数据管理( p d h i ) 作为企业用来管理设计开发数据的工具，它包含了个产品 从设计到生产再到用户的整个生命周期中的所有信息。随着企! i k 间协作关系的1 ；断加 强，以及企业生产模式出大批量转向大规模定制，产品数据管理对象和方式也发生改变， 一方面，过去的面向企业内部的c s 的模式要转向面向企业间的b s 或c b s 模式。另 一方丽，管理数摒对象从过去对单个产品模型的管理转向对产品族模型的管理，支持产 浙江人学颂十学位论文 品族设计的同时也支持产品配置设计功能，通过它们来实现产品的快速没计。 当f j 我闻制造业的信息化程度1 i 高，企、k 问的协作程度低，产品丌发和产品管理是 薄弱环节，许多企业在进行产品丌发时按照大规模生产的产品丌发方式进行，不考虑产 l f | i 的可变型性，具有产品管理观念的食业更少。进入w t o 后，如何尽快加强我蚓企、i p 的 与国内或国外其他企业的协作丌发能力，提高产品设计创新水平，转变企、i p 的传统生产 模式使j “品快速适应市场需求，都是较为紧迫的问题。因此，在这种背景下，本课题选 择而向大舰模定制环境卜- 的产品设计技术以及基于w e b 数据管理的模式进行研究。 1 2 相关技术背景和发展情况 1 2 1 面向m c 的产品设计( d f m c ) 的发展和研究 面向m c 的产品设计( d f m c ) 概述。m m 3 随着市场竞争的加剧，人们丌始发现现在的竞争形势已与过去的大规模生产时代完 全不同。过去的产品是标准化的，市场是统一的，产品生命周期和开发周期也比较长， 客户需求比较单一。而今天客户不再满足简单的需求，多样化和定制化的产品代替了标 准化产品，产品的生命周期和开发周期日益缩短，客户( 无论是消费者还是企业) 的要 求也越来越苛刻。同时，随着工业的进一步全球化和集中化，竞争同益激烈，要求成本 也越来越低。过去，企业通常采取的策略不是追求低成本，就是追求高度的产品多样化。 而今天，企业越来越发现，他们必须采用既能提高效率又能实现定制化的策略。作为结 合这两种模式优点的新策略，大规模定制模式诞生。 大规模定制这种管理新模式的诞生，可以说足对人们传统思想观念的一次巨大变 革，它使人们摆脱了传统的鱼与熊掌4 i 可兼得的思想，通过大规模定制，企业既可以降 低成本，又可以满足用户个性化的需求，为企业提供了战略优势和经济价值，成为企业 竞争的新前沿。大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 的概念就是：以大规模生产的效率 和成本，生产满足不同的客户需求的产品和服务，其核心是产品品种的多样化和定制化。 产品开发设计阶段在产品整个生命周期中的重要地位，在新的模式下，产品的) 1 二发 设计模式必然不用于过去的模式。面向大规模定制模式的产品设计技术( 简称d f m c ， d e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ) 近年来已经成为国内外学术界和企k 界研究与成用 的热点。 浙江人学硕十学位沦文 与传统的产品丌发方法相比，丌发方式由原来的针对单个产品，f ：发转为对一个广品 族模型的开发，强调柔性利重用性，产品族模趔是一个包含一组相似用户需求的产品组 合。基于这个产品族模型基础上，配合产品配置工具，实现按客户需求快速丌发新的变 型产：品。从而不但满足客户的需求而且提高企业的市场反应速度。 d f m c 的核心是产品族体系( p f a ，p r o d u c tf a m i lya r c h i t e c t u r e ) 。产品族体系p f a 为设计部和销售部门特征化用户需求提供了基础，作为统一的产品建立和传递过程模 型。d f m c 提供了前端配置工具以满足用户的个性化需求。成功的p f a 是基j 二并行工程、 优化的公共性和模块化设计的思想。 面向m c 的产品设计( d f m c ) 的发展和研究 托夫勒( a 1 v i nt o t f e r ) 于i 9 7 0 年在未来的冲击( f u t u r es h o c k ) 中首先提出 了大规模定制生产状况。斯坦戴维斯( s t a nd a v i s ) 在其1 9 8 7 年所著完美的未来 巾首次提出“m a s sc u s t o m ( z a t i o n ”这个词语。1 9 9 3 年p i n ei i 教授出版的专著 、 一7 ( 奖) = 7 71 一， ? 、i ，1i f、 f结构-f f 结构2ff 结构3lf 结构4ff 结构5f i li l l llll 基木结构可替换结构 可选结构 一一一 结构模型 产品族结构 ， 圈24 产晶族模块框架 在功能模块卜划分必要功能和可选功能，以及在结构模块中划分基本结构、可替换 结构和可选结构，符合产品族设计中建立通用设计平台的思想，这种设计思想强调存通 用资源的基础上，构建个通 ! j 的设计平台，以此平台构建产品族的其它变型，我们将 在后面的产品族漫计过程中介绍；另外对于产品配置来说，这样的划分使得客户更加明 了自己可以获得的产品。 浙江人学硕| 学位论文 2 2 4 产品设计系统框架分析 大规模定制环境下，采用产：品族的设计是制造企业快速丌发产品、降低成本的有效 途径。因此如何构建而向人规模定制的产品设计系统也是被罔内外广泛研究的课题。文 献【3 】，提出了一种建立存模块化产品平台基础卜的产品设计方法。设计人员通过选择 合适的通用模块和个性模块组合获得所希望的产品族。文献【1 3 】介绍了一种 p p c e m ( p r o d u c tp l a t f o r mc o n c e p te x p l o r a t i o nm e t h o d ) 的产品设计方法，该方法使用市场 细分网格来确定适当的比例因了，山此扩展产品平台，满足一定范例的性能需求，并在 此基础上通过建立物理规划问题模型，完成产品族的平台和个性模块的参数设计。文献 【2 1 】对d f m c 的总体功能进行了研究，提出设计中9 q 个主要活动：产品需求分析、 产品定义、产品信息模型构造、产品实例化，并对各个活动进行了探讨。 2 2 4 1 设计系统框架 本文结合以上文献的建模方法，提出如图2 5 的建模模型，该模型主要提供以下功 能：产品需求分析、产品平台设计、零部件建模、产品配置、产品数据管理。 产品需求分析：通过市场调查和客户分析，确定要开发产品族的功能、性能，从而 确定产品类的市场定位，然后进型产品型谱分析，获得产品型谱树和型谱表。 主要包含以下几个功能： 客户需求分析”：提供客户的规划、市场的规划、环境规划等功能，同时通过 分析去除冗余或不正确的需求信息，获得完善全面的客户需求； 产品型谱分析：根据客户需求，分析要开发的产品族包含型号谱。确定产品族 中产品结构和产品规格尺寸的变化范围： 产品功能分析：根据客户需求，利用质量功能部署( q f d ) ，将模糊的用户需求 转换为具体技术和功能需求，确定必要功能和选择功能。 产品平台设计：根据产品需求分析确定的产品型谱、产品功能等，规划通用设计平 台，基于这个平台进行变型型号设计，完成产品族构架定义。 丰要包含以卜几个功能： 通用平台功能定义：根据产品需求提供的产品必要功能，进行功能分解，得到 产品必要功能树： 通用平台原理定义：为必要功能树上的每一个功能节点确定原理方案； 浙江人学硕+ 产位论文 通用甲台结构定义：定义必要零部件的结构、参数及规格、事物特性表等； 变型功能定义：在产品通删平台的基础上，对可选择功能进 j 二功能分解，得到 功能树； 变型功能原理定义：为可选功能树卜的每一个功能节点确定原理方案； 变型结构定义：定义可选零部件的结构、参数及规格、事物特性表等。 零部件建模：征信息化工具的支持下将产品族结构中的各个节点进行数字化模型。 数字化模型的构建过程主要依据产品族构架巾各个零部件的结构、参数、规格等等 要求进行。主要包括以下几个功能： 几何模型建立：利用c a d 工具建立零部件的几何数字模型； 计算模型建立：利用c a e 工具建立零部件的原理计算模型： 接口模块建立：根据产品设计参数变化可以驱动c a d 工具或c a ei 一具进行参数 化设计。 产品配置：配置设计，提供配置工具，以产品族模型为基础，针对用户 = 单进行实 例化设计，同时还能提供面向各个不同部门提供视图配置。主要包括以下几个功能： 配置没计：山设计人员设置产品族的配置条件规则，设置客户选择的配置条什。 同时将配置条件和产品族的功能结构、原理结构、物理结构建立关联，以实现 配置条件驰动产品实例生成；对设计结果进行优化评估：配置结果不能满足需 求则进行芦，品族进行配置调整或进行零部件设计； 功能配置：客户通过对功能树的选择，实例化产品，一般是针对普通客户： 性能配置：客户通过对原理方案的选择，实例化产品，一般是针对专业用户： 结构配置：客户通过对结构的选择，实例化产品，同样针对专业用户； 视图配置：企业中不同的部门需要不同的广品视图，通过视图配置提供不同的 产品结构视图，如设计视图、采购视图和生产视图。 浙江人学硕十学位论文 幽2 5 产品建模模犁 浙江人学硕t “学位论文 产品数据管理：是实现整个j “品族设计过程的信息平台，产品丌发和定制均依赖于 此平台进行。从总体上来看，主要功能有一下几方面： 电子仓库与文档管理：包括数据存储、文档管理和数据字典等功能； t 作流和设计过程管理：口j 以定义、管理和控制用户在丌发和制造过程巾的各 个操作和执行过程，如文档审批、工程更改等； 项v i 管理功能：能够按照项目来管理和组织相关的产品数据，并且实现项目在 设计过程中的项目分解、项目组定义、项目计划、进度、考核的管理； 产品构型和配置功能：管理产品结构和产品配置功能； 零部件族管理：包括设计检索功能和构建并管理零部件库： 事物特性表的生成和管理功能：包括事物特性表的生成与管理、索引定义和榆 索功能、表问关系的定义等功能； 软件工具集成功能：支持各种应用工具封装、集成到产品数据管理系统中，以 及实现其与其他管理应用系统之间的数据交换和传递。具体包括过程封装功能 和数据传递功能两个方面； 电子协作功能：电子化协作用于支持分布式工作环境下的产品开发人员之问的 协同工作，如提供电子邮件、电子白板等； 编码爿：成和管理功能：包括对象标识码生成、对象分类码生成、分类树构造和 管理、代码动态解释等功能： 标准浏览界而功能：要求p d m 采用j a v a 技术，f 发双向的w e b 浏览器实现标准 界面，使得用户可以用统一的界面访问数据，同时还可以用与浏览器捆绑在 起的电子邮件服务。 2 2 4 2 系统的设计原则 设计并行性 由多个部门组成的团队进行产品丌发，根据并行工程的方式并行地设计产品 族。多个部门的设计团队是并行工程的基础。成功的产品开发团队是那些完整的团 队，各方面的专业人员在项目的开始阶段即参与进来。在设计团队中应该包括设计 工程师、制造工程师、服务代表、营销经理、客户、经销商、财务代表、工业设计 师、质量和检验人员、采购代表、供货商、法规协调专家、生产工人、专业人员， 以及其它项目的代表。这种包含了与产品整个生命周期相关的各方面人员的多部门 设计团队有助于考虑到所有的设计因素，而且这种多样性的人员构成能够从许多角 浙汕：人学硕十学1 h 论文 度考虑问题，从而，n 二生更好的设计方案。与仅仅由设计工程师组成的单一的设计豳 队相比，这种协唰的合作能够改计出更好的产晶。同样重要的一点是，团队的所有 成员都应尽早参与进束，并积极发挥作用。大规模的定制的广：晶设计系统提供一个 并行设计环境。 设计协同性 设计系统的并行性决定了系统也必须具有协同性，设计过程由于有多个部门和 其他协作仑业的参与，就要求设计系统提供一个协同交流的环境，使得设计中各个 问题可以被及时发现和提出，最后解决。协同性包括企业内部的协同和企业外部的 协同。 ，r 放性 面向大规模定制的产：品设计系统应是由一系列处理模块的集成，应该建立基于 “即插即用”技术和一种软件的数据接口体系，以实现系统的丌放性。具体表现在系 统功能的i 叮扩展性、系统软件的丌放性。系统功能的扩展性可以使得功能不断的增 加，这种功能的增加不需要