（机械设计及理论专业论文）面向房间空调器的产品配置设计技术研究.pdf

浙江工业大掌硕士掌位论文 面向房间空调器产品配置设计技术的研究 面向房间空调器的产品配置设计技术研究 摘要 随着市场竞争的不断加剧，大规模定制已经成为企业参与竞争的 一种新方法。产品配置设计作为大规模定制的使能技术，是成功实现 产品快速定制的关键。本文以房间空调器作为产品配置设计的研究对 象，通过对产品配置设计理论和关键技术的研究，确定空调器产品配 置设计的总体思路和具体实施步骤，以客户需求为驱动，在企业现有 的生产能力和生产条件下最大程度满足客户需求为目标，用合理的配 置设计技术和方法，实现空调器产品快速正确的配置设计。 首先，通过对产品配置设计基本理论和关键技术的研究，确定空 调器产品配置设计的总体思路：先是面向配置设计的产品族开发设计， 建立产品配置模型；后是面向客户需求的快速产品配置设计。 其次，研究产品配置建模方法，通过产品的功能模块划分和零部 件结构的模块化设计，用基于功能域一原理域一结构域的映射法建立 模块化产品配置模型，并对模型的逻辑构成和数据关系进行描述。 再次，研究面向客户需求的快速产品配置设计技术和方法。通过 需求模板来正确、完整描述客户需求；按直接转换、规则转换和计算 公式转换三种方式，实现客户需求向配置设计技术要求的转换；根据 客户需求对配置结果约束作用的强弱等级，用基于实例和基于规则相 结合的配置推理方法，进行分级产品配置设计；用模糊综合评价法， 评定配置方案的客户满意度，从中选出客户满意度最大的配置方案。 i 新缸工业大掌硕士学位论文 面向房间空调器产品配置设计技术的研究 最后，根据上述产品配置设计的理论和关键技术，开发房间空调 器产品配置设计原型系统，实现计算机辅助空调器产品配置设计。 关键词：产品配置设计，产品配置模型，客户需求，基于实例推理， 基于规则推理，模糊综合评价 浙铂= ，“掣q 炙士肖q 立饨文 面向房间空调器产品配置设计技术的研究 r e s e a r c ho np r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n o r i e n t e dt or o o ma i rc o n d i t i o n e r s a b s t r a c t w i n lt h ea g g r a v a t i n gc o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t , m a s sc u s t o m i z a t i o n ( m c ) h a sb e c o m e 觚e f f e c t i v ew a yf o rs o m ee n t e r p r i s et ow i ni t p r o d u c t c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ( p c d ) i su s e da st h ek e yt e c h n o l o g yf o rp r o d u c tf a s t c u s t o m i z a t i o ni nm c f o rt h ef a s tc u s t o m i z a t i o no fa i rc o n d i t i o n e r s ，t h e t h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e so fp c dw e r es t u d i e d am a i np r o c e s sa n d r e l e v a n tt e c h n o l o g i e sf o rp c do fa i rc o n d i t i o n e r sw e r ep u tf o r w a r di nt h e p a p e r , w h i c ha i m e dt os a t i s f yc u s t o m e rm o s t l yw i t h i nt h ep r o d u c t i o na b i l i t y a n dc o n d i t i o no f t h ee n t e r p r i s e t h ec o n f i g u r a t i o n d e s i g no f a i rc o n d i t i o n e r s w a sr e a l i z e da c c u r a t e l ya n d q u i c k l yt h r o u g ht h e s ew a y sa b o v e f i r s t l y , b a s e do nt h es t u d yo ft h et h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e so fp c d ， t h em a i np r o c e s so fa i rc o n d i t i o n e r sc o n f i g u r a t i o nd e s i g nw a sd i v i d e di n t o t w os t e p s ：p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm o d e l i n ga n df a s tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n o r i e n t e dt ot h ec u s t o m e r sr e q u i r e m e n t s s e c o n d l y , i no r d e rt oa c q u i r et h ep r o d u c tc o n f i g u r a t i o nm o d u l e ( p c m ) o fa i rc o n d i t i o n e r s ，t h em e t h o d so f c o n f i g u r a t i o nm o d e l i n gw e r er e s e a r c h e d i nd e t a i l b a s e do nt h ef u n c t i o n - b e h a v e s t r u c t u r em a p p i n gp r i n c i p l e ，t h e p c mo fa i rc o n d i t i o n e r sw a se s t a b l i s h e db yd i v i d i n gt h ef u n c t i o n a l 1 h 尊铀王工业，叫棼爿仕硝q 止匏- 文 面向房阃空谓器产品配置设计技术的研究 m o d u l e so ft h ep r o d u c tf a m i l ya n dm o d u l a rd e s i g n i n go ft h ei n d i v i d u a l p a r t s t h el o g i cs t r u c t u r ea n dt h ed a t ar e l a t i o n s h i p o fm o d u l ew e r ea l s o e x p r e s s e d t h i r d l y , t e c h n o l o g i e so fp r o d u c tf a s tc o n f i g u r a t i o nd e s i g no r i e n t e dt o c u s t o m e r sr e q u i r e m e n t sw e r es t u d i e d c 璐t o m e r sd e m a n dw a se x p r e s s e d a c c u r a t e l ya n da d e q u a t e l yb yu s i n gr e q u i r e m e n tt e m p l a t eb u i l ti na d v a n c e t h e r ea l et h r e em e t h o d su s e dt ot r a n s f o r mt h ec u s t o m e r sr e q u i r e m e n t si n t o t h er e q u i r e m e n t so fc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ：d i r e c t l yt r a n s f o r m a t i o n , f o r m u l a t r a n s f o r m a t i o na n dc a l c u l a t i o nt r a n s f o r m a t i o n w i t hd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t , b o t hc a s e - b a s e dr e a s o n i n ga n dr o l e b a s e dr e a s o n i n gw o r eu s e di nt h e p r o c e s so fg r a d ec o n f i g u r a t i o nd e s i g n a ne f f e c t i v em e t h o do ff u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nw a sp r o p o s e d t oe v a l u a t ec o n f i g u r a t i o ns o l u t i o n s i no r d e rt oo b t a i nt h ec u s t o m e r sm o s tf a v o r i t eo n e f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t e dap r o t o t y p i n gs o r w a r es y s t e mo f t h ea i r c o n d i t i o n e r s c o n f i g u r a t i o nd e s i g na c c o r d i n g t ot h et h e o r ya n dk e y t e c h n o l o g yo f p c d t h i ss o f t w a r es y s t e mr e a l i z e dc o m p u t e r - a i d e dp c do f a j rc o n d i t i o n e r s k e yw o r d s ：p c d , p c m ，c u s t o m e r sr e q u i r e m e n t ，c a $ e b a s e dr e a s o n i n g ， r u l e - b a s e dr e a s o n i n g , f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 名：邑超绛 日期：硼年乡月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密肼 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：叼年万月f 吼广“ 新司已工j 匕，叫壮习n b 学位鞋叩 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会的发展、经济贸易的全球化，当代企业所面临的市场已经发生了很 大的变化：原来的卖方市场转化成买方市场，客户不再满足于被动地选择已经存 在的商品，而是需要能表达其意愿的产品。为满足客户需求和赢得市场竞争，企 业不得不进行定制生产，同时还要保证定制产品供货期短、低成本和高质量。面 对这些变化和需求，大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n , m c ) 生产方式作为一种有效 的竞争手段被企业采纳，它是以接近大批量生产的低成本、高质量和高效率提供 满足顾客定制需求产品的过程和服务，从而提高企业的竞争能力。产品配置设计 ( p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n , p c d ) 是大规模定制的核心技术，是实现产品快速定制 的重要手段【l - 6 。 产品配置设计是指企业在产品模块化、标准化、规范化、数字化的基础上， 以顾客需求为驱动，按一定的约束规则，从预先定义好的零部件集合中选择零部 件并确定他们之间的连接，以获得符合设计要求和满足客户需求产品的一种方法 和技术【刀。产品配置设计需要将企业已有的或潜在的产品资源构建成产品数字平 台，使用一定的产品配置设计方法并应用相应的产品配置设计系统来完成。在计 算机和信息技术快速发展的今天，产品配置是用计算机智能化配置设计系统代替 人工配置。 由此可见，产品配置设计充分利用企业现有的资源，使定制产品最大程度满 足顾客需求，缩短开发周期、降低成本、提高产品的质量和标准化水平。基于产 品配置设计的定制生产方式兼备了单件生产方式和批量生产方式所具有的优点， 解决了低成本、高质量与产品个性化这一两难问题。一方面，经过产品配置设计 的产品比批量生产的产品能够满足更多的客户需求，另一方面，对可配置产品进 行系统分析和合理的模块化后，配置产品比单件产品的准备时间短，并且配置模 型和模块具有可重用性 s - 1 0 l 。图1 1 是对大批量生产、单件生产和可配置生产这三 种生产方式进行的比较。 第一章绪论 高 成 太 低 低对客户需求的适应性高 图l l 可配置产品、大批量生产的产品及 单件产品之间的比较 产品配置设计随着产品的模块化、系列化而出现，它可以作为产品数据管理 ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t , p d m ) 系统中实现产品结构与配置管理的一项重要功 制】，也可以作为独立的系统应用于大规模定制的设计、生产、装配和销售过程 0 2 , 1 3 。本文主要研究面向定单生产( m a k e t oo r d e r , m 1 d ) 和面向定单设计( e n g i n e e r t oo r d e r , e t o ) 这两种大规模定制生产方式的产品配置设计技术，研究了产品配置模 型的建立、客户需求描述与转换、配置推理求解方法及配置方案的评价等配置设 计的关键技术，在此基础上开发出房间空调器产品配置设计原型系统。 1 2 课题的提出 1 2 1 课题研究背景 房间空调器( 以下简称空调器) 是对人们居住空间的空气温度、湿度、流速 和洁净度进行调节的家用电器设备。众所周知，家用电器产品是一个竞争激烈的 技术密集型产品，其更新换代的速度是其他行业难以比拟的。一方面，消费者的 需求与消费者的个人行为特征( 色彩偏好、人机协调、节能环保意识和操作方式等) 紧密相关，导致不同层次、不同类型的消费者对产品需求的多样化和个性化，企 业只有不断地改善产品的功能和结构、美化产品外观、简化产品的操作，不断推 出更加贴近消费者需求的新产品，才能在竞争中立于不败之地。另一方面，家电 新产品的开发，几乎大多数都是从已有的产品中进化而来的。产品设计大部分是 2 砷件工】o k 大掣嘎哥士掌位能 屯 第一章绪论 在保持原有产品优良特性的基础上，为满足新的客户需求做一些改进设计工作， 这种改进设计一般不破坏原有成熟产品的基本原理和基本结构特征，只是一种修 改或结构的局部调整，属于适应性设计和变形设计范畴。 多年来，空调器一直以大批量生产( m 嬲sp r o d u c t i o l l ，m p ) 为主，企业根据市 场预测来开发新产品并进行批量生产，这种生产方式下，产品能反映大众化的普 通需求，但不能满足客户个性化要求，客户只能在有限的几种产品中挑选满足基 本使用要求的产品，产品设计和生产的整个过程中顾客的参与程度很低。空调器 制造企业经过多年产品设计和生产的积累，形成许多满足不同层次用户需求的产 品系列或产品族，这些产品基本原理相同、基本结构特征相似，选择不同的零部 件组合可以构成不同的产品实例，能够满足一定范围的功能需求。这说明空调器 是一种可配置产品，具有良好的可配置性。 随着生活水平的提高，人们在功能、性能、舒适性、节能效果和外观等方面 对空调提出了更多更高的要求，为了提高市场竞争力，很多企业采用配置设计方 式进行面向订单的定制生产。起初产品配置设计是以手工配置的方式进行，主要 依靠有经验的设计人员根据他们所积累的产品知识和设计经验，按照客户的需求 配置出相应的产品实例。这种配置设计的方式不仅效率低，配置方案的正确性视 设计人员的情况而定，很容易出错，并且产品零部件的可重用性不高，造成资源 浪费。随着定制生产所占比例的上升，企业亟需有效的配置设计技术和方法来适 应定制生产的要求。 综上所述，根据空调器产品的功能结构特点和企业现有资源，空调器产品配 置设计具有很好的可操作性；从目前的配置设计情况来看，进行面向空调器的产 品配置设计技术研究具有重大的实践意义。 本文在大规模定制条件下，以空调器为产品配置设计的研究对象，根据某空 调器生产企业的产品资源和配置设计且标为背景，对产品配置设计的关键技术进 行深入研究。 1 2 2 课题研究的目的和意义 本课题的研究目的，是通过对定制生产方式下产品配置设计理论和技术的研 究，针对空调器的产品特征，探讨空调器产品配置设计的具体步骤和关键技术， 以客户需求为驱动，以降低配置设计复杂度为原则，在企业具备的生产能力和生 产条件下最大程度满足客户需求为目标，提出合理的配置设计方法和技术，实现 3 第一章绪论 空调器产品的计算机辅助配置设计。 课题研究的意义在于提高空调器产品的配置设计效率和正确性，充分利用企 业已有的产品资源，提高产品零部件的重用性，缩短产品设计时间和交货期，提 高客户对定制产品的满意度，降低生产成本，从而增强企业竞争能力。 1 3 国内外研究现状 随着定制生产范围和规模的不断扩大，已有很多产品采用产品配置设计技术 来适应这种定制生产的需求，如机械行业中的汽车、叉车、摩托车、纺织机械、 电梯等；家电行业中的冰箱、洗衣机、微波炉等，都被作为产品配置设计的对象 进行了研究 1 4 - 1 9 l ，并且有更多的企业正在酝酿或即将采用产品配置设计的技术来 支持大规模定制生产。由此可见，产品配置设计技术在企业生产中具有重大的实 践意义，产品配置设计方法和技术成了当前研究的热点之一 多年来中外专家学者对产品配置设计技术进行了大量的研究，主要集中在配 置建模和配置推理求解两方面。 在产品配置建模方面，主要有基于规则、基于模型、基于约束、基于本体、 基于g b o m 和基于相关矩阵的配置建模法。最早用于计算机产品配置的r 1 x c o n 系统采用基于规则的配置建模方法，通过规则描述元件的领域知识以及元件间的 依赖、选配关系，以对象的规则关系来构建产品配置模型1 2 0 ) ；j i a oj i a a x i n 等用基 于功自琶_ 原理一结构的多视图方法描述产品配置模型【2 1 】；t m ms o i n i n e n 提出基于 本体的配置知识表示方法圈；王世伟、谭建荣等人以g b o m 作为产品族的知识表 示方法，提出了基于o b o m 的产品配置模型g p c m ( o b o m - b a s e dp r o d u c t c o n f i g u r a t i o nm o d e l ) 田】；张劲松、王启富等人提出了基于本体的配置建模方法， 定义了构件、功能、资源、关系、端口以及约束等配置本体的基本概念 2 4 1 ；r a f a e l m 等人提出了结构化的约束建模和基于配置单元的推理方法【2 5 1 ；肖刚、王昌建等 人建立了一种基于配置相关矩阵的产品配置模型1 2 6 1 ；刘晓冰、袁长峰等人在建模 过程中引入了类和特征的思想，提出了基于类和特征的产品配置建模方法 2 7 1 ；顾 巧祥、纪杨建等人提出采用e c a ( e v e n t - c o n d i t i o n - a c t i o n ) 规则和事物特性表建立 产品配置模型网。 在产品配置设计推理求解方面，最常用的有基于规则、基于模板、基于实例、 4 尊皓工0 - 大掣啊炙士掌位_ 量害吁 第一章绪论 基于约束以及基于知识的配置求解法。如王新等人提出了产品族需求类和需求模 板的概念，建立相应的需求模型以及基于实例的需求产品配置模型，采用二级相 似性匹配的方法，得到需求产品的配置结果嗍；李伟、张盂青等人提出了基于约 束满足问题( c o n s t r a i n ts a t i s 缸6 0 np r o b l e m ，c s p ) 的产品配置方法刚：h g ok 搠j z 在基于知识的配置中，提出了相关知识优先( r e l e v 觚tk n o w l e d g ef i r s t , r k f ) 的 方法，通过计算知识的年龄、知识的有用性来判断信息的相关性，为新任务提供 最恰当的配置知识口1 l ；车君华等人提出基于功能域、行为域和结构域的多层次映 射求解模型【3 2 】。 此外，在客户需求的描述与转化方面，主要采用质量功能展开( q f d ) 的方法， 用质t 即o q ) 工具将客户需求转换成配置设计要求d 3 。7 】；或是将本体论的思想引 入需求领域，提出基于本体的客户需求模型口8 】。在配置冲突的诊断与解决方面， 有人提出将基于模型的诊断理论映射到交互产品配置中，准确求解出消除和解释 配置冲突的诊断嗍。 1 4 论文的主要研究内容 如何使企业在定制生产中实现快速、有效的产品配置设计，能够在现有的产 品资源和生产条件下生产出满足客户需求的定制产品，是目前企业亟待解决的问 题，也是当今学者研究的热点之一。本文以房间空调器作为产品配置设计的对象， 以配置产品最大程度满足客户需求为目标，对产品配置设计的理论、产品配置设 计的关键技术和产品配置设计系统进行了研究。 本课题研究的主要思路是：在产品配置设计理论的指导下，分析房间空调器 产品的特点，将产品配置设计过程分两步来进行，首先是进行面向配置设计的产 品族开发设计，建立完整表达产品族信息的产品配置模型；然后，以产品配置模 型为基础，面向产品订单或个性化客户需求进行产品的快速配置设计，其中要解 决三个问题：一是客户需求的描述与转换；二是配置推理求解，得到可行的配置 方案；三是配置方案的评价和优选。在此基础上开发房间空调器产品配置设计原 型系统，实现计算机辅助产品配置设计。 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 研究产品配置设计的理论，包括产品配置设计的概念、原理、过程和关键 第一章绪论 技术。结合空调器的产品特征，确定空调器产品配置设计的总体思路：首先建立 产品配置模型，用以表达产品族所有的配置信息；然后是面向客户需求的快速产 品配置设计。后一设计阶段包括客户需求的描述与转换、产品配置推理和产品配 置方案的评价 ( 2 ) 研究产品配置建模的方法，建立面向配置设计的产品配置模型。在产品配 置的产品族开发设计阶段，用产品配置模型表达产品族组成构件的层次关系、构 件的特征属性及其相互关系。面向产品配置设计，建立完整描述产品族配置信息 的配置模型，可以增强产品的可配置性、降低配置设计复杂度、提高配置结果的 正确性和有效性。 ( 3 ) 研究客户需求的描述与转换方法，对客户需求进行正确充分的描述，并将 其转换成配置设计技术要求。因为在客户定制产品时，对产品需求的自然描述有 时是不完全、不清晰的，甚至有时是不正确的，所以有必要对所有可能出现的客 户需求进行分析，通过有效的方法在客户提出定制要求时进行引导，得到正确完 整的客户需求，并经过客户需求到设计要求的映射，将客户需求转换成配置设计 技术要求，作为产品配置设计的前提条件。 ( 4 ) 研究产品配置推理求解的技术和方法，在产品配置模型的基础上进行面向 客户需求的配置推理，得到满足客户需求的产品配置实例。配置推理是实现从产 品配置模型向目标实例化产品转变的过程，是产品配置设计的关键，配置推理方 法是否合理直接影响产品配置设计过程的难易程度和配置结果的正确性。因此， 要根据具体产品的特征采用合理的配置推理方法，才能得到满意的配置结果。 ( 5 ) 研究配置方案的评价方法。经过产品配置推理可能得到一个或多个满足 用户需求的配置方案，在面向客户需求的配置设计中，以最大程度满足客户需求 为原则，用科学的评价方法评定每一配置方案的客户满意度，才能从中选取最优 的配置方案组织下一步的工艺设计、制造和装配。 ( 6 ) 根据上述的产品配置理论和配置技术，运用当前软件技术手段，研究房间 空调器产品配置设计系统的开发和应用。 6 第一章绪论 1 5 论文主要结构 本论文的结构是根据产品配置设计过程和涉及的配置技术进行组织的，主要 结构安排如图1 2 所示。 1 6 本章小结 第一章绪论 多 第二章产品配置设计技术的研究 多 第三章模块化产品配置模型的建立 多 第四章面向客户需求的分级产品配置设计 之多 第五章房间空调器产品配置设计系统及应用 多 第六章总结与展望 图1 - 2 论文总体结构 本章阐述了产品配置设计在当前市场条件下的作用和地位，介绍了课题研究 的背景和意义，分析产品配置设计技术的国内外研究现状，概要阐述本文的主要 研究内容，给出本文的总体结构。 7 第二章产品配置设计技术的研究 2 1 引言 第二章产品配置设计技术的研究 2 0 世纪7 0 年代初f r e e m a n t 和n e w e l l 首先提出了产品配置设计的思想1 4 0 ，他 们利用功能推理的方法来细化设计，认为设计应分为两个主要问题，即识别问题 ( i d e n t i f i c a t i o np r o b l e m ) 和选择问题( s e l e c t i o np r o b l e m ) 识别是指利用组件 ( c o m p o n e n t s ) 的结构和行为知识说明要设计对象的功能，选择是挑选那些可以组 合在一起并能实现所希望功能的组件。但这只是最初的产品配置设计思想，对产 品配置设计理论进一步的探索和研究，是在1 9 8 9 年m i t t a l 和f r a y m a n d 提出产品 配置设计的概念后才真正开始的【4 ”，特别是近年来人们对产品配置设计的理论和 应用日益重视，产品配置设计的研究工作取得了明显的进步和发展。 2 2 产品配置设计理论的研究 2 2 1 产品配置设计的概念 一直以来，不同领域的研究者根据不同的观点进行产品配置设计的定义，因 此产品配置设计的定义有多种形式。 m i t t a l 和f r a y m a n d 在他们的文章中，把产品配置任务描述成一个输入输出系 统【4 ，其输入为： ( 1 ) 一个固定的、预定义的构件集合，每个构件由一个属性集、该部件与其它 部件进行联接的端口集、端口上的约束集及其它结构约束集来描述； ( 2 ) 配置的需求定义集； ( 3 ) 一些进行优化选择的规则集。 其输出为： ( 1 ) 一个或多个配置结果，其中每个配置结果由一个构件集合及该集合中元素 的相互连接关系描述组成； c 2 ) 配置结果满足需求定义： ( 3 ) 配置结果满足优化选择的规则。 8 毒钉正j 巴业大苜领士掣啦截 文 第二章产品配置设计技术的研究 并且该定义指出了一个配置设计活动的三个重要方面： ( 1 ) 配置过程中不能生成新的组件； c 2 ) 组件间的连接关系都是固定的、预知的； ( 3 ) 配置结果不但包括组件集，而且还包括组件之间的关系描述。 另外，b r o w n 从任务分解的角度来表述产品配置【4 2 1 ；m m l h a r r o 等把产品配置 描述成一个c s p ( c o n s t r a i n ts a l i s f i e a t i o np r o b l e m ) 问题的变形，并进行求解f 4 3 l ； f c l f e m i g 认为产品配置是一个知识获取和配置相互交织的过程m ；高磊等把产品 配置看作是根据配置规则和条件，从产品模型空间到具体零部件状态的搜索过程 嘲；楼健人提出产品配置设计是根据客户功能需求，在预先定义并建立的各零部 件集合与相互约束关系的配置模型基础上，通过合理的匹配与组合，生成产品设 计物料清单，实现满足客户功能需求的产品设计过程m 。这些概念从不同侧面或 不同应用角度对产品配置设计进行了定义。 综合上述定义，大规模定制下的产品配置设计是指在一个能覆盖产品类中既 定型号和规格变化的动态产品模型的支持下，根据客户定制产品的要求，通过对 产品模型进行功能、性能、结构以及零部件的选配，以及对局部零部件功能、结 构和属性的相应变化，快速设计出满足客户需要定制产品的一种设计活动。产品 配置设计作为一种设计方法，通过合理组织已有的设计成果，根据客户需求选择 零部件迅速组成新产品，已经成为实现大规模定制生产的核心方法。产品配置设 计能够有效地利用已有资源，快速提供设计实例，提高了企业对定单的快速反应 和处理能力，因此，产品配置设计是实现大规模定制的一项关键技术，也是目前 m c 方面研究的热点。 2 2 2 产品配置设计的基本原理 从作用上来讲，产品配置设计是大规模定制的使能技术，加强客户在产品设 计阶段的参与作用，极大提高对客户需求的反馈效率，是变形设计的基础【4 7 l 。产 品配置设计的基本原理( 图2 1 ) 是以客户需求为输入，在配置模型基础上根据配 置规则和一定的配置推理机制，对配置模型的节点进行选择和实例化，经过评价 优选，最终以产品的最佳配置结果为输出的设计活动【4 刀。在计算机辅助产品配置 设计的条件下，整个配置过程通过产品配置设计系统来实现，其中：产品配置模 型描述产品组成构件的层次结构、构件的功能属性特征以及构件之间的相互约束 关系【耜l ；配置规则反映配置模型实例化过程中来自客户需求或构件装配关系等方 9 掌柏王】疆大曹u 曩士掌位嵌，文 第二章产品配置设计技术的研究 面的约束条件；配置推理方法是对模型可配置项进行实例化的方法；配置方案评 价方法用于评价配置方案与客户需求的符合程度。 i 配置规则l 厂1 厂1 l 客户需求l e 五 亡曲十 产品配置推 l 满足客户需求的最 理方法佳配置方案 产品配置模型 l 配置方案评i 产品配置设计系统 i 价方法i 图2 1 产品配置设计基本原理 产品配置设计有两个显著特钳1 0 1 ： ( 1 ) 被配置的产品由完全定义的构件类的既定集合的实例装配而成； ( 2 ) 构件以预定的方式相互作用。 产品配置设计的主要优点是： ( 1 ) 覆盖广泛的个性化客户需求； ( 2 ) 提高零部件的可重用性，减少资源浪费； ( 3 ) 缩短发货期及减少库存； ( 4 ) 生产控制得到增强，特别是可以用较少的构件生产大量不同的产品。 2 2 3 产品配置设计过程和步骤 产品配置设计是在一定目标或规则约束下向用户提供具体产品结构的过程。 产品配置设计技术之所以能够使制造企业快速、高效、低成本地为客户提供他们 所需要定制的产品，其中一个关键的因素是产品配置设计将产品设计过程分为两 个相对独立的过程：产品族的开发设计过程和面向客户需求的快速配置设计实现 过程【埘。 在产品开发设计过程中，产品设计的目标不是单个的产品，而是一个完整的 产品族。因此，设计方案是一个完整的产品配置模型，代表基本功能相似的、不 同结构的产品集合。产品配置模型是通过对模型节点上的构件或零部件的描述实 现的。为了获得用户要求的多样性，企业以通用框架为基础，加入各种实现不同 功能的零部件来构建产品配置模型，产品组成构件的标准接口允许构件之间合理 地组合，以覆盖所有可能的产品功能需求范围。因此，设计一个产品配置模型是 1 0 油n 王工艘，“羹硕士掌位说! 文 第二章产品配置设计技术的研究 在产品数据模型中捕捉和建立各种产品变型的过程。 面向客户需求的产品快速配置设计，是在产品族( 产品配置模型) 设计完成之后 进行。在这一过程中，要求准确理解客户的需求，生成满足客户需求的产品变型 的完整描述，这是对产品进行配置求解的过程，即根据给定的一组客户需求和产 品描述，在产品配置模型的可替换产品零部件中找到一组有效的、完全的零部件 组合，构成满足定制要求的具体产品结构。 图2 - 2 是产品配置设计的基本流程。 圈2 - 2 产品配置设计流程 产品配置设计全过程的实现步骤【4 订如下： 第一步：建立产品配置模型。配置设计需要企业已有产品的支持，利用企业 已有产品设计成果，对模块化、规范化和标准化的产品族结构及其组件进行可配 置性分析，建立面向配置设计的产品配置模型，使之能很好地表达产品配置设计 所需的产品知识，如产品族的层次结构、模块化零部件特征信息、产品装配信息 等。 第二步：客户配置需求的映射与转化。在分析大量客户需求的基础上的建立 客户需求模板，用于完整、规范描述客户需求；确定客户需求与配置设计技术要 求之间的映射关系，用于将客户需求转换成设计要求；并提取设计变量与配置模 型构件之间的配置约束和规则，建立变量配置规则，使得根据特定客户需求配置 求解成为可能。在设计实例获取阶段，变量配置规则设计的好坏直接影响配置结 果的正确性与效率。 第三步：配置模型推理求解。用一定的配置推理机制，将配置模型实例化， 配置推理方法是配置设计的关键。对于随时到来的客户订货要求进行规范化描述， 萤柏3 业大掣墉曩士学位论文 第二章产品配置设计技术的研究 并将其转换成设计技术要求后，接着从相应配置模型和配置规则库中读取内容， 通过各种推理方法确定产品配置模型结构上的配置节点和配置实例，最终得到符 合客户需求的设计实例。 第四步：配置方案的评价与优化。对获得的设计实例进行评价，以选出最优 设计实例，在这一阶段，可以对设计进行优化，得到符合客户需求的最佳产品设 计。如果有新设计变型产生，则更新产品族模型。 第五步：配置结果处理。产品配置设计最终结果是精确的产品实例结构b o m 和相关的产品文档，经过与c a d 系统的集成，用参数化c a d 软件生成产品零部 件的参数化模型对配置结果进行预装配验证，并向配置用户展示配置结果。 第六步：变形设计与模块更新。在产品配置模型不能通过零部件实例的组合 来满足客户需求的情况下，可以进行的变形设计。变形设计基于配置设计结果， 用来解决产品配置无法达到的客户需求。对频繁出现的无法满足的客户需求，需 要考虑进行调整产品族配置模型并完善配置规则库。 第七步：组织生产，交付用户。产品配置后得到客户化的产品结构b o m ，包 含了具体零部件图纸及相关的文档资料等，经过工艺设计阶段，针对协同设计后 续部门进行视图映射，利用成组技术快速地组织生产，在最短时间内提供用户所 需要的产品。 为完成以上配置过程，需要一个配置设计软件工具产品配置设计系统( 或 配置器) 。产品配置设计系统可定义为与用户进行交互并帮助或支持用户进行产品 配置设计的智能化软件系统。 2 2 4 产品配置设计过程的数学描述 配置设计的输入是用户需求，输出是一个可用于制造和装配的配置方案。用 户需求是表达定制产品应该具有的功能和性能指标，产品配置的目标就是找出满 足配置约束规则和用户需求的可行方案。配置设计过程是一个基于配置模型和规 则的推理求解过程，配置推理后得到的可行解可能不是唯一的。配置设计过程可 用数学模型表达如下： $ o l u t i o n s = f ( c o n f i g m o d e l ，r e q u i r e m e n t s ，c o n s t r a i n s ) 其中： f 表示配置求解过程； c o n f i g m o d e l 表示产品配置模型； 1 2 o b 王工业，o 孽嵋曩士胄e 位戗譬乞 第二章产品配置设计技术的研究 r e q u i r e m e n t s - - - - - 表示客户需求； c s 仃a i n 孽一表示产品配置规则； s o l l n i 伽旷表示一个或多个满足用户需求的可行配置方案。 2 2 5 产品配置设计的基础 产品配置设计能对产品配置模型中的各组成构件实现有效利用，在提供大量 外部多样性的同时尽量降低内部多样性，从而保证对现有设计成果的充分再利用， 以最快的速度和最低的成本来满足客户的个性化需求。在实旌产品配置设计之前， 配置资源的标准化、规范化、参数化和模块化是实现配置设计的基础口】。 ( 1 ) 标准化和规范化【4 9 j 标准化的目的是为了获得解的统一和解的确定。针对某一工业领域，由权威 部门有计划地进行对物质和非物质对象的统一。标准件一般可分为国标件、部标 件、厂标件等。标准零部件的使用有利于降低成本，而原材料和加工代码的标准 化则有利于柔性加工的进行。规范化是指对零件进行分析，将企业中相似的零件 进行合并、分类，从而提高零件使用频率，减少企业内部零件数，有利于设计与 制造的方法。实现标准化、规范化的方法有产品结构分析、零件分析、参数分析、 编码技术等。 c 2 ) 设计参数化 设计参数化一般是指设计对象的结构、形状已经定型，可以用一组参数来定 义尺寸、功能和性能等关系，由参数驱动获得设计结果。为了实现配置设计的参 数化必须建立参数化的零部件模型。 ( 3 ) 设计模块化 设计模块化是对一定范围内的不同功能或者相同功能不同性能、不同规格的 产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过选择和组合不 同模块，构成不同的产品以满足不同的市场需求 5 0 i 。模块化是零部件标准化、规 范化和参数化思想在产品部件级的应用，它既是一种思维方式，也是一种产品开 发方法。随着市场需求变化的加快和先进制造技术的发展，模块化设计以其能够 缩短产品开发周期，快速响应市场变化，有利于产品的维修、升级和再利用，方 便企业和产品的重组，相对延长产品生命周期，促进设计重用，节省设计成本等 优点已经成为配置设计的重要基础1 5 l l 。 秘祜王工业，v 学习陆学位论文 第二章产品配置设计技术的研究 2 2 6 产品配置设计的关键技术 从产品配置设计原理和过程可知，实现产品配置设计需解决的问题主要有： 产品配置知识的组织与描述、客户需求的映射与转化、确定产品配置推理求解的 方法及如何对满足客户需求的产品配置方案进行评价与优化【1 0 , 3 4 , 5 1 】。 ( 1 ) 建立产品配置模型。产品配置模型是对配置研究对象产品族所有信息 的完整描述，它是从产品配置设计的角度来描述产品族内包含哪些构件，构件的 层次关系和特征属性，以及如何将构件组合成为有效产品的约束或规则，也就是 对产品族内的组成构件以及构件间相互关系等所有产品配置信息进行组织与表 达，是一种面向产品配置设计的产品族模型队5 2 】。建立产品配置模型必须以提高 可配置性和配置效率、降低配置复杂度以及模型维护的方便性为原则。建立产品 配置模型是产品配置设计的基础。 ( 2 ) 建立客户需求的映射与转换机制。是把客户需求转换成配置设计技术要求 的方法，分成需求描述和需求转换两部分，需求描述是完整、清晰描述客户需求 的方法；需求转换是将客户需求映射成配置设计技术要求阢5 3 。客户需求的描述 与转换是产品配置设计的前提条件。 ( 3 ) 产品配置推理。配置推理是在客户需求的驱动下，将产品配置模型实例化， 得出具体产品实例的过程，要根据具体产品的特征和配置模型采用合适的配置求 解方法嗍。恰当的配置推理方法是成功实现配置设计的关键。 ( 4 ) 配置方案的评价。产品配置模型经过推理求解，得到一个或多个满足客户 需求的可行配置方案，对其进行正确有效的评价才能从中选取最优方案组织生产 【5 5 1 。用科学合理的评价方法对配置方案进行有效评价，是提高配置产品客户满意 度的重要保证。 2 3 房间空调器的产品配置设计 房间空调器是为了满足人们对舒适性的需求，向密闭空间、房间或区域直接 提供经过处理的空气的设备 5 6 1 ，它是一种制冷( 热) 装置，同时也是一种广泛应 用的家用电器。 大规模定制条件下，对空调器实施产品配置设计的工作程序如下： ( 1 ) 首先对空调器产品进行功能、原理和结构的分析； 1 4 第二章产品配置设计技术的研究 ( 2 ) 根据客户需求以及企业生产现状和生产能力，明确实施产品配置设计的空 调器的功能范围，即空调器产品族对象的功能范围； ( 3 ) 按可配置产品的基本特性，分析产品族对象的可配置性； ( 4 ) 确定产品配置设计的目标； ( 5 ) 根据产品配置设计原理和技术，确定空调器产品配置设计的总体思路和关 键技术。 ( 6 ) 开发空调器产品配置设计软件系统，实行计算机辅助产品配置设计。 2 3 1 房间空调器的基本知识 1 房间空调器的基本功能和工作原理 空调器是一种向密闭空间、房间或区域提供经过处理的空气的设备，它主要 包括制冷( 热) 和除湿用的制冷系统以及空气循环和净化装置，还可包括加热和通风 装置( 它们可被组装在一个箱壳内或被设计成一起使用的组件系统) 5 7 1 。空调器 的基本功能有室温调节、湿度调节、气流调节和空气净化。 空调器制冷( 热) 的实质是将室内的热量转移到室外( 或将室外的热量转移 到室内) ，从而使室内的气温下降( 上升) ，制冷的方法有相变制冷、半导体制冷等， 家用空调器一般采用蒸气压缩式相变制冷的原理【5 8