（机械设计及理论专业论文）面向成本的大批量定制配置设计技术研究.pdf

堑兰查鲎翌主望竺笙查! 墨皇垒查竺垄苎差兰型璺墨堡苎垫查翌垄一 ，_ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - i - _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一一一 摘要 本文在分析浅国制造企业在全球经济体化和先进制造技术不断发展的背 簸下，撬窭莲蠢成本靛大魏量聚篷设诗鼓零。羲熬硬究了大魏量定翱下产鑫族建 模技术、配置设计知识裘达和求解、产品成本建模和估强等，并结合开发系统实 线应用憾壤，探讨了大批量配置设计实域技术的实现。 第一牵回顾制造业生产技术的演变历史，概述先进制造技术的发展a 分析了 丈批量寇制技术和产品设计中成本工程的研究现状，并将大批量定制技术与其他 兜进麓遥技术逡行了磁较。总缭了大貌豢定髓设诗兹使麓技术，毽括产赭信患管 理、产晶族模板和事务特性表、版本管瑗、配置设计项目管理等。指出目前研究 箨在懿不是，提密本文酌疆究主蘧一覆囱成本麓大弦量懿霆设诗技术，绘选本文 主要研究内容、技术特点和组织结构。 整二露在分援大援量定羡模式灏c ) 下觐星设计领域歙识趣基磁上，旋蹬基予 率体论和知识规则的m c 配置设计方法。首先舰划产品族配置设计本体、知识域 投其属姓、面向对象建模思想的产品配鬻设计模块( p c 溯) ；定义配置设计规则 爝于逮褪罐理窥始谖演变。着熏徕讨配嚣设计求解策略和实现舅法，建立躯配 鬣设计的知识模板向导，实现配疑方法的形式化寝达。 第三露疆究粥生产模式下产品懿戚零霪裁缡构，分聿蓐不两客户定澍霈求辩 产品成零的影响。着重探讨新设计零件的成本估算方法，根据已肖产品的信息建 立了产品成本撵零痒，号| 入模糕系统理论孛黠近发瘸隶瓣遗数等壤念，建立逶曩 于不同设计阶段的成本储算模型。同时提出m c 配置设计的成本性能评价方法和 优化策略， 第园牵探讨蒸予知谚 藿稻的配置设计成本优化，以本体论为蠖论指譬迸行配 箴设计中知识检索、匹配和共享。分析大批量定制配置设计的产鼯性能和成本控 铡蚕臻，疆调了辩配置设计遘牙撬铑静必要往，提赉产懿饶纯酶三顼关键设计技 术，并探讨m c 配置设计产品的定位策略。 第五露主要桶述了嚣 每残本蕊撼醚鬟设诗系统工瑕应爰。缝合应蔫系凌在 企业中实施情况，介绍了系统的开发平台、技术特点、总体框架，给出系统主要 模块的界藤和功能；产最物料信患编码、产品族摸板和配置设计媲剥管爨、产品 藏8 0 黼管理和配澄设计顶日管理。总结了关于面向淞的产品族建模、配置设计 实现、产品成本估算等研究技术的应用。 第六擘慈结了覆螽箴本鹃大藏萋定锱配置竣诗技寨溪论私藏蠲较律系统的 实践，重点介绍论文的创新点和特色，对m c 配辫设计技术研究领域的发展方向 避苻了镶测。 浙江大学硕士学位论文：面向成本的大批量定制配置设计技术研究 关键词：配置设计，大批量定制，本体论，模糊数学，成本优化，知识重用 产品族模板，配置设计模块，成本模型。 浙江大学硕士学位论文：面向成本的大批量定制配置设计技术研究 a b s t r a c t b a s e do na n a l y s i so ft h ep r o b l e mo fc h i n am a n u f a c t u r ee n g i n e e r i n gf a c i n g e c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sas y s t e m a t i cr e s e a r c ho ft h et h e o r yo f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ，w h i c hf o c u s e so nt h ep r o d u c t c o s td u r i n gc o n f i g u r a t i o n a sar e s u l t ，a u t h o re s t a b l i s h e sa ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o n s y s t e mf o rm a s sc u s t o m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o na n dd e s i g n t h ek e yt h o u g h to ft h i s p a p e r a r eo nt h em e t h o do f p r o d u c tf a m i l ym o d e l i n g ，t h ee x p r e s s i o n o ft h e c o n f i g u r a t i o nd e s i g nk n o w l e d g e ，p r o d u c tc o s tm o d e l i n g a n do p t i m i z i n g i nt h ef i r s t c h a p t e r , t h ep a p e ra n a l y s e st h eo r i g i no fm a s sc u s t o m i z a t i o na n d c o m p a r e s t h ec h a r a c t e r sb e t w e e nt h em a s sc u s t o m i z a t i o na n do t h e ra d v a n c e d m a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e s o nb a s i so fs u m m a r i z a t i o nt h er e s e a r c he v o l v e m e n to f p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n a n dd e s i g nt e c h n o l o g yf o rc o s t ，a u t h o r b r i n g so u tt h et e c h n o l o g y o fm a s sc u s t o m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o nd e s i g nf o rc o s t m a i n l ya n a l y z et h er e s e a r c ho f p r o d u c tf a m i l ym o d e l i n g ，t h ee x p r e s s i o no ft h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g nk n o w l e d g e ， p r o d u c tc o s tm o d e l i n ga n do p t i m i z i n g t h ep a p e ra l s os u m m a r i z e st h ek n o w h o w t e c h n o l o g i e s o fm a s s c u s t o m i z a t i o n ：p r o d u c t i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t ，p r o d u c t f a m i l yt e m p l a t e a n dt r a n s a c t i o n p r o c e s s i n g , p r o d u c t e d i t i o n m a n a g e m e n t ， c o n f i g u r a t i o nd e s i g np r o j e c tm a n a g e m e n t t h ea u t h o rp o i n t s o u tt h e d e f i c i e n c yo f c u r r e n tr e s e a r c ha n dp r e s e n t st h em a i nc o n t e n to fa r t i c l e ，r e s e a r c hm e t h o da n dt h e s t r u c t u r eo fa r t i c l e i nt h es e c o n dc h a p t e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so f p r o d u c tk n o w l e d g es t r u c t u r ef o r m a s se u s t o m i z a t i o n ，t h ea r t i c l e p u t s f o r w a r dam e t h o do fm a s sc u s t o m i z a t i o n c o n f i g u r a t i o nb a s e do no n t o l o g y f i r s t l y , u n d e rt h eg u i d eo fo n t o l o g yt h e o r y , t h e k n o w l e d g eo fc o n f i g u r a t i o nd e s i g n i s c a r e f u l l ya n a l y z e d w h e nt h e c o n f i g u r a t i o n k n o w l e d g ed o m a i n a sw e l la si t s p r o p e r t y i s d e f i n e d ，o nt h e o t h e rh a n d ，t h e c o n f i g u r a t i o n r u l e si s f i g u r e do u t f u r t h e r m o r e ，ak n o w l e d g em o d e l f o rm ci s e s t a b l i s h e da n das o l u t i o nt oc o n f i g u r a t i o nd e s i g ni sa l s od i s c u s s e d t h e r e f o r e ，a n i n t e g r a t e dm cc o n f i g u r a t i o nd e s i g nw i z a r d ，w i t ht h eh e l po fw h i c ht h ep r o c e s so f c o n f i g u r a t i o ni sc l e a r l yd i r e c t e d t h er e s u l to fc o n f i g u r a t i o ni so p t i m i z e du n d e rs o m e s p e c i a lp r o d u c tp o l i c y f i n a l l y , as y s t e mf r a m e f o rm cc o n f i g u r a t i o nd e s i g ni s c o n s t r u c t e da n di t sk e y t e c h n i q u e sa r ei m p l e m e n t e d i nt h et h j r d c h a p t e r , t h e a u t h o r a n a l y z e t h ec o s t c o m p o s i t i o nb r o u g h tb y c u s t o m e r si n d i v i d u a lr e q u i r e m e n t sa n d p r o d u c tc o s t t h e nac o m p l e xc o s te s t i m a t i o n m o d e li se s t a b l i s h e d ，w h i c hn o to n l y a p p l yf u z z yt h e o r y b u ta l s oc o m b i n e f u z z ys e to f i i i 浙江大学硕士学位论文：面向成本的大批量定制配置设计技术研究 p r o d u c t f e a t u r ea c c o r d i n gt oe x p e r tk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c e p r o d u c tc o s tl i b r a r yi s s t r u c t u r e do nb a s i so f t e c h n i q u ep r o c e s sa n d i n f o r m a t i o nd a t ao ff o r m e r p r o d u c t m o r e d e t a i lp r o d u c ti n f o r m a t i o ni sd u go u ti ns u b s e q u e n c ed e s i g np h a s eb yf u z z ym a p p i n g m e c h a n i s m ，w h i c hr e g a r d sp r o d u c tp a r a m e t e r si n f o r m e rd e s i g np h a s ea sv a r i a b l e t h e ne v a l u a t ep r o d u c tc o s ta c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a b l es a m p l e ss e a r c h e di np r o d u c t c o s tl i b r a r y a tl a s tt h es t r u c t u r eo f t h ec o s te s t i m a t i o nm o d e li si n t r o d u c e d i nt h ef o r t hc h a p t e r ，a u t h o rr e s e a r c h e st h es i m i l a r i t yo fp r o d u c ts t r u c t u r ea n d m a n u f a c t u r e p r o c e s s ，t h e np u t sf o r w a r d t h ek n o w l e d g er e u s eo fm c c o n f i g u r a t i o na n d d e s i g nb yk n o w l e d g es e a r c h ，m a t c ha n ds h a r e f u r t h e r m o r e ，p r o d u c tc o s to p t i m i z a t i o n b a s e do n k n o w l e d g e r e u s ei sd i s c u s s e d ，w h i c hm a i n l yf o c u so nt h eb a l a n c eo f p r o d u c t c a p a b i l i t ya n dc o s t t h r e ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fp r o d u c tc o s to p t i m i z a t i o na r e 百v e n a sw e l la st h es t r a t e g yo f p r o d u c to r i e n t a t i o n i nt h ef i f t h c h a p t e r , m a i n l y d i s c u s st h er e a l i z a t i o n t e c h n o l o g y o fm a s s c u s t o m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o na n dd e s i g n ，s y s t e mf r a m e w o r k ，k e ym o d u l e sa n ds oo n c o m b i n i n gt h ed e v e l o p e ds o f t w a r es y s t e ma n da p p l i c a t i o nr e s u l t i ne n t e r p r i s e s ，t h i s c h a p t e rt a l k sa b o u tt h ec o n t e n to fp r o d u c tf a m i l ym o d u l e ，c o n f i g u r a t i o na n dd e s i g n m a n a g e m e n t ，p r o d u c t c o s te s t i m a t i o na n ds oo n i n t h el a s t c h a p t e r , s u m m a r i z e t h er e s e a r c hr e s u l to fm a s sc u s t o m i z a t i o n c o n f i g u r a t i o na n dd e s i g nf o rc o s ti np a p e r t h ei n n o v a t i o np o i n t so ft h ep a p e ra r e d i s c u s s e d a tl a s t ，t h ea u t h o rp r o s p e c tt h er e s e a r c hd i r e c t i o no fm a s sc u s t o m i z a t i o n c o n f i g u r a t i o na n dd e s i g ni nf u t u r e k e y w o r d s ：c o n f i g u r a t i o na n dd e s i g n ，m a s sc u s t o m i z a t i o n ，o n t o l o g y , f u z z y m a t h e m a t i c s ，c o s to p t i m i z a t i o n ，k n o w l e d g er e u s e ，p r o d u c tf a m i l yt e m p l a t e ， p r o d u c t c o s tm o d u l e ， i v 第一章绪论 【本章摘要】阐述制造业生产技术的演变历史，分析了先进制造技术的出现 扣发展。概述大批量定制技术、产品设计中成本工程的研究现状、大批量 定制设计的使能技术等。指出目前研究存在的不足，提出本丈的研究主题 一面向戍本的大批量配置设计技术，给出本文主要研究内容、技术特点和 组织结构。 1 1 课题背景 1 1 1 制造业生产技术的演变 进入二十一世纪以来，全球经济一体化的趋势目益明显，特别是我国加入w t o 组织以后，已经发展成为世界制造中心，中国制造业参与国际化竞争和合作的趋 势日益明显。产品生命周期不断缩短，生产批量越来越小，客户对产品的个性化 需求不断增加，对产品质量和性能要求越来越高。二十世纪初期以福特汽车公司 为代表的大批量生产( m a s sp r o d u c t i o n ) 模式，采用标准化制造过程和标准化零部 件，进行高效率的自动化作业，以规模效应实现低成本高质量的生产制造。大批 量生产模式在制造业的普及，大大提高了产品的生产效率和产量，使得产品由卖 方市场转向买方市场。进入本世纪后，客户对产品的个性化需求开始受到广泛重 视，以客户为中心的产品设计和生产运作成为企业的共识，为客户定制个性化的 产品成为企业在激烈市场竞争中取胜的关键。回顾制造业生产模式的演变历程， 从手工生产到机械化批量生产再到自动化大批量生产，制造业机械化和自动化程 度的提高实现了产品数量不断增加，产品质量不断提高，但是传统生产模式固有 的刚性，无法满足客户个性化的需求，现有产品的开发设计和生产运转方式无法 提供低成本客户化产品。 纵观制造业生产方式的演变过程，可以发现市场需求、技术水平和管理方式 三者之间的互动关系推动生产水平不断前进：市场中客户需求推动企业进行产品 开发，提高企业的技术水平和管理效率，生产出具有竞争力的产品，市场上的成 功使得企业得到利润回报，企业进一步提高产品创新。市场需求是企业技术进步 和生产方式演变的动力源泉，市场经济是由客户和需求共同组成的统一体，市场 需求包括客户需求和企业需求，客户需求是物美价廉的产品，企业需求是实现产 品的利润最大化。企业在设计生产产品时充分考虑了客户的需求，客户在选择产 第一章绪论 品时考虑了企业的技术水平和生产能力，只有在两者之间形成良好的互动关系才 能实现双赢。 因此企业为实现产品利润最大化目标必然采用先进的开发设计技术和生产运 作方式，同时用户也希望先进制造技术能够生产出满足自己特定需求的产品。目 前制造业企业面临的现状和发展趋势如下【1 【3 】【5 1 】【5 2 】【5 3 1 i ”1 ： l 、产品设计和制造的全球化趋势。随着信息技术、交通运输的发展，地域 空间的限制已经大大缩小。特别是中国加入世界贸易组织( w t o ) 以后，大大地加 快了融入国际经济一体化的进程，低成本劳动力和广大的市场吸引了巨大的国际 资本投资，我国已经发展成为世界制造工厂。跨国公司不但把制造基地转移到中 国大陆，而且纷纷在中国设立了产品研发中心和技术支持中心，产品开发设计和 生产呈现出全球化合作趋势。利用先进的信息通讯技术实现全球范围内企业联 合、协作生产，可以达到以晟快的速度、最低的成本制造用户满意的产品，也跨 国公司实现本土化制造的目的。 2 、客户需求的个性化、多样化日益明显。客户对产品的需求呈现多样化， 使得产品生命周期不断缩短，企业对市场需求趋势的预测更加困难。市场需要的 不再是规格统一的标准化产品，而是大量的客户个性化产品和服务。传统大批量 制造模式下单一规格的消费市场逐渐演变为一系列满足不同需求的多样化市场， 产品制造中多品种小批量生产比例增大。客户挑选产品的同时也挑选企业，这使 传统大批量生产模式下企业独立决定产品设计和生产方式，逐步转化为由客户定 单驱动的按定单生产方式。 3 、企业在市场竞争中取胜因素的多样化。大批量生产模式下企业主要关注 产品成本和生产效率，而现在制造业企业在产品开发和生产中必须综合考虑产品 生命周期、质量检测、加工成本、维修服务、绿色环保、生产线柔性等要素。在 市场竞争环境中，为快速响应客户需要，企业开发产品时间周期的竞争将越来越 突出，同时必须保证产品低成本和高质量。市场需求的新趋势是客户需求日益强 化，客户对产品的要求不只是局限于产品质量和价格，更加强调交货期和特定的 客户需求，相应的附加增值足以补偿由此导致的产品成本上涨。同时企业如果能 够快速响应客户，产品的知名度和客户满意度越高，企业在市场中竞争能力也大 大增强。 4 、生产运作管理的数字化、知识化。在客户需求不确定的市场环境中，能否 快速制造出低成本个性化产品投入市场，是制造企业生产的目标。生产运作管理 包括客户信息管理、供应商管理、生产计划管理、工程维护管理、企业信息化管 理。在大批量生产模式下，传统企业的金字塔式管理模式逐步向扁平化矩形管理 模式转变，充分利用已有的产品开发设计、工艺装配、市场销售、维护服务等方 面积累的经验知识，快速组织生产，实现零距离管理、准时管理、协同管理等管 理目标。 浙江大学硕士学位论文：面向成本的大批量定制配置设盐垫查堑塞 1 1 2 先进制造技术的出现和发展 在面对瞬息万变的新市场，传统大批量生产在新环境下出现许多不适应性： 客户的多品 o o d , 批量需求使得大批量生产模式无法发挥以规模获取生产效益的 优势，其固有的高效单一生产特点无法发挥；而且传统生产模式中的管理僵化、 产品开发周期过长、制造技术的刚性使其在无法灵敏适应市场环境的动态变化。 采用先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a t m ) 是制造业发展 的必然趋势，“先进制造技术是传统制造业不断吸收机械、信息、材料和现代管 理技术等方面最新成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理 和使用维护等全制造过程。优质、高效、低耗、及时地制造出满足市场需求产品 的先进工程技术的总称”p “。 表l 对大批量生产技术和先进制造技术进行全方位的比较川 5 2 1 5 3 1 。 表i 大批量生产技术和先进制造技术的比较 内容大批量生产技术先进制造技术 企业地区性的企业，相对封闭的管理模式，在信息技术的支持下，实现全球化、协同 模式追求企业产品的市场份额；向客户提供设计和异地制造：不断降低成本，追加无 标准化产品和有限的定制产品；废品、零库存和产品的多样化； 开发顺序开发按照传统的技术角色分工，面向产品全生命周期并行开发，充分利用 设计动态响应速度慢：信息技术使用不多；信息技术( c a d c a p p c a m 、c a e 等) ； 生产面向物料需求的生产计划编制；采用批面向订单组织生产过程：采用m r p ，m r p i i 管理量生产，白项向下制定的生产计划；原理制定主生产计划和车间作业计划； 供应零件成本最低原则，注重成本核算，总成本最低的采购管理；面向整个生产过 链以降低成本为目标；提高产品质量同时程的成本管理，质量自检，提高产品质量； 增加产品成本： 组织组织结构以集中式或多级控制为主；面组织结构以分布式或者多级控制为主，强 结构向功能划分部门：被动管理，以物为中调组织结构的扁平化；面向过程按过程 管理心；划分组织项：主动管理，以人为中心： 随着信息技术的飞速发展和广泛应用，制造业不断向信息化、敏捷化和智能 化的方向发展，精益生产( l e a np r o d u c t ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、现 代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、网络化制造 ( n e t w o r km a n u f a c t u r e ) 等先进生产模式不断出现，制造业企业必须采用先进的 技术才能在激烈的市场竞争中生存。融合大批量生产的低成本、高质量、短交货 期和定制生产满足客户个性化、多样化需求优点，大批量定制( m a s s c u s t o m i z a t i o n ) 生产模式应运而生，其目标是以接近大批量生产的成本和速度， 提供满足客户个性化需求的产品和服务【1 1 2 1 ，为制造业适应激烈的市场竞争提供 了发展方向。 第一章绪论 1 2 大批量定制设计技术和产品成本问题的研究现状 1 2 1 大批量定制技术的研究现状 s t a nd a v i s 在未来的理想生产方式( f u t u r ep e r l e c t ，1 9 8 7 ) 书中提出一种 生产方式“m a s sc u s t o m i z a t i o n ”，即以接近于大批量生产的成本和时间提供 满足客户个性化需求的产品和服务。1 9 9 5 年，约瑟夫派恩二世在大规模顾 客定制化：商业竞争的新前沿一书中作了比较完整的定义：大批量定制( m a s s c u s t o m i z a t i o n ，m c ) 是在全球经济一体化的背景下，满足面向客户个性化并且重 复利用大批量生产的低成本高生产率特点的生产方式，通过面向产品平台的结构 重组和生产制造过程的优化，把客户对产品不同阶段的定制要求全部或部分转化 为批量生产，为客户小批量多品种市场定制任意数量的产品川1 2 。大批量定制技 术研究主要包括两个部分：m c 产品配置设计技术和m c 生产运作管理，前者是 后者的基础，因为生产运作管理的对象和目标是产品，建立合理的产品平台和产 品结构模型，是实现大批量定制生产的前提和基础；同时合理重组产品结构和零 部件，充分利用大批量生产模式的低成本优势进行生产运作，是实现大批量定制 生产目标的保证。 香港科技大学的m i t c h e l l 等人 3 1 【4 i 口】提出了一种面向大批量定制生产的设计 方法( d 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 ) ，建立协同设计系统进行面向产 品族的定制设计。在产品的概念设计阶段考虑产品制造生产方式和规模效益，面 向产品全生命周期进行全局规划，其核心思想建立合理的产品平台或者产品族结 构，向用户提供的是满足其个性化需求的多样化产品，而在企业内部是对产品平 台的组合设计或者变形设计。m i t c h e l l 提出采用了基于事例的推理( c b r ) 解决配 置设计知识重用的困难，利用已有产品的中设计知识积累，在产品方案库中搜索 选择与用户需要相近的方案。 d u r a y 等人【6 1 认为大批量定制以合理的价格向客户提供了个性化的产品，企业 以批量生产产品同时满足客户各自的需求，把定制生产和大批量生产两种看似矛 盾的生产方式有机结合起来，提供大批量、低成本和个性化的产品。 f r e e k 等人【7 】【8 】对于大批量定制中产品族的表达提出了以产品功能模型、技 术模型、物理模型三个领域来表达产品族结构。功能单元、原理单元和结构单元 分别是上述种模型的构成单元，分别实现对产品的设计功能、解原理、实现结构 的定义和表达。产品开发设计的实质就是针对客户的需求，将产品功能抽象分解 为不同层次的功能单元描述，建立产品的功能模型。通过功能原理映射单元对 每基本功能单元进行解原理映射，进而组合成产品的原理模型。通过原理一结 构映射单元的映射建立具有不同层次结构单元的产品结构模型。 浙江大学硕士学位论文：面向成本的犬批量定制配置设计技术研究 祁国宁、顾新建等人口6 7 】在大批量定制技术及其应用中阐述了大批量定 制的基本原理：相似性原理、重用性原理、全局性原理，分析了其机理和优化模 型。研究大批量定制开发设计技术、管理技术和制造技术的特点。比较了大批量 定制和其他先进制造技术的关系和区别，同时列举了大批量定制在机械产品、汽 车、飞机、电子产品、服装和软件行业中应用案例【5 ”。 大批量定制技术与其他先进制造技术的比较如表2 。 表2 大批量定制技术与其他先进制造技术的比较 内容大批量定制敏捷制造精益制造 l目标 以接近大批量生产的成快速组建敏捷企业联 不断改进各个生产环节，提 本来生产满足客户个性盟，围绕定制产品的整高产品的质量、降低成本， 化需求的产品；个过程集成相告企业：满足客户需求： 与信息充分利用计算机辅助设基础条件：通过网络技利用信息技术简化企业流 技术的计和网络技术，协调各子术和信息技术迅速找到程，提高运行效率。 关系系统的运转和工作； 腊滞 队i p 客户定以产品平台为基础，通过可以完全根据客户的需提供多样化小批量产品，可 化程度组合设计、变形设计和生求进行定制：以满足客户部分的定制要 产重组来实现；求： 实现通过建立面向产品族的迅速将最具竞争力的企不断改进各个生产环节，提 ；方法配置设计结构，生产过程业集成，利用信息技术高产品的质量，不断降低成 中重组和优化产品结构，快速生产客户的产品；本，提供满足客户需求的产 减少客户定制程度。品： 国内外研究衰明，大批量定制是大批量生产模式发展的必然趋势，在先进制 造技术的支持下，对制造业将产生巨大的变革。一些工业发达国家把大批量定制 的思想和技术作为实现企业战略的重要方法。目前对大批量定制生产模式的研究 主要集中在产品设计和生产运作：对于产品设计主要是对设计方法的优化，从产 品平台出发构造产品结构的具体实现方法较少，特别是面向客户定制产品结构。 面向大批量定制产品优化设计和生产组织运作管理的结合，二者缺一不可，要从 产品的研发、设计、制造、装配、销售和服务等全生命周期去考虑产品设计的优 化方法。大批量定制不仅仅是一种产品设计思想的体现，与敏捷供应链等先进制 造管理思想是互相组合的，充分利用网络信息化高度发展，大批量定制才能真正 实现。 大批量定制的开发设计技术以相似性原理、重肘洼原理和全局性原理为基础， 充分考虑到产品零部件的结构、工艺过程和生产设备使用等方面的相似性和重用 性，在建立产品族结构模型时尽可能减少产品零部件数量、加工工艺方法和设备 数量，减少产品的内部多样化，增加产品的外部多样化口”。目前m c 设计技术的 研究主要集中在以下两个主题： 第一章绪论 面向m c 的产品族建模。产品族结构建模是从企业产品规划全局的角度出发， 以产品之间相似性为基础，实现产品的模块化设计和标准化设计，提高产品设计 知识的重用性。产品族由功能相似、结构相似和制造技术相似的产品系列，采用 有效的产品信息分类编码如物料编码和功能结构编码，建立模块化的产品平台主 模型。产品开发人员在开发产品时，利用信息分类编码，快速搜索到已有相关产 品的资料和信息，在产品间共性结构的基础上对于客户个性化需求进行设计。 面向产品全生命周期的m c 设计。大批量定制设计技术要求对产品设计全生命 周期出发，考虑产品的设计、加工、装配、使用和维护回收等阶段的时间和费用， 提高产品质量，缩短开发设计周期和制造周期。大批量定制设计必须考虑产品定 制点后移，在产品开发设计中实现模块化设计可以减少设计工作量，有利于产品 结构的简化和生产过程中流程重组与优化。眦设计要求设计人员具有更广的知 识面，因为全生命周期设计涉及工程设计、制造工艺、生产运作、市场策划和用 户信息等更广的知识领域，与此同时产品设计师具备良好的协作能力和沟通能 力，善于与不同技术人员的交流和协作。 1 2 2 产品配置技术的研究现状 产品配置是综合产品开发设计、人工智能和软件技术的研究领域，常用的定 义是以客户需要为输入要求，根据预先定义的产品部件集、零件集以及相互之间 约束来组合成满足客户需求的产品设计过程。在二十世纪八十年代，随从信息技 术和人工智能技术的快速发展，专家系统、决策系统和专用的配置软件等开始应 用于产品配置设计领域，使配置设计得到了快速发展。配置设计的领域扩展到机 电产品、医疗、书籍出版等 1 2 1 1 3 1 1 4 l 。 随着信息技术的快速发展，工业企业对产品配置的研究不断深入，专用产品 的配置器软件相继开发，如s a p 公司的s a pp l m 2 0 0 0 ，m a x t r i x 2 0 0 0 和面向客户定 制的b 2 b 、b 2 c 的等。在市场竞争日益自热化的情形下，制造企业采用产品配置 设计向客户提供个性化设计和服务，一方面企业吸引客户参与到产品的设计过 程，在市场中的竞争力大大增强，另一方面客户参与产品设计，增加了设计师与 客户之间的信息交流，降低了产品开发的周期，降低了企业的运行成本。 产品配置设计的常用内容包括：配置设计对象、方法、原则和结果。具体的 描述如下： 配置设计对象：是固定的、预先定义的一系列产品结构集合，每一个产品结 构包括功能属性、结构属性、技术属性、零部件之间的约束关系。 配置设计方法和原则：以客户需求为输入集合，根据配置过程需要遵循的优 化选择原则。配置设计过程中产品结构的关系是固定的、预知的，配置设计过程 中生成的新零部件约束必须是明确的。 浙江大学硕士学位论文：面向成本的大批量定制配置设计技术研究 配置设计的结果：一个或者多个配置解，结果中包括产品结构集合，零部件 之间的相互关系及其描述。 如何设计出快速、高效配置出符合客户需求的产品是配置设计研究目标，研 究的主要内容包括配置设计知识库建模、配置知识和规则表达方法、问题求解方 法等。知识库建模理论为产品配置设计知识库的建立提供了方法指导。知识库中 知识级别分类包括：专业领域知识、推理知识和规则表达、任务知识等，这对建 立通用的产品配置设计系统有很好的指导意义。基于本体论的知识库系统支持知 识重用性，可实现快速地系统扩充和修改。知识库系统框架如图1 1 所示： 图1 1 知识库系统框架 配置设计对象建模和软件构建中应用u m l ( 标准建模语言) 建模工具，u m l 是一种采用面向对象技术，可用建立预定义的类库提供针对特定意义的框架。在 面向对象思想的指导下，系统被分解为一些对象的集合。对象成为系统中最主要 的要素，并且对象概念贯穿于分析、设计到实现的始终，使分析、设计和实现的 过程变得自然且连贯、可重用性、可维护性等特点，进行描述、定义、构造和建 立文档的可视化建模语言。它通过用例图、类图、交互图、活动图等模型来描述 复杂系统的全貌及其相关部件之间的联系。u m l 由视图、图、模型元素和通用机 制等几个部分构成f 叫【”】1 6 。 配置知识和规则表达方法包括面向对象的知识建模、逻辑规则表达、基于本 体论的知识表达等。面向对象的知识建模以面向对象的思想为指导，通过知识表 达概念，对象之间的泛化关系、继承关系、聚集关系、实例化关系等基于本体 论的知识表达适用领域知识的表达和重用，通过强调用领域中公认的概念来描述 领域知识，提取和抽象了领域知识概念【”】。逻辑规则表达综合了对象表示法、语 义规则表达和框架表达等。逻辑规则善于推理，在配置过程中对产品零部件知识 的推理可以用多规则表示 1 7 ”j 。 配置求解方法包括基于实例的推理、基于概念的推理、逻辑程序、约束规范 和满足等。实例推理以领域知识为基础，减少搜索空间，提高求解效率。配置结 果可以在一系列知识库实例中选择得到，按照一定的匹配规则进行结果搜索，根 第一章绪论 据产品相似性贴近度的高低进行选择，检测配置结果与需求约束的满足程度，并 且进行冲突消减。 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 ) 是一种对制造企业中产品全 生命周期中所有信息和过程进行统一管理的技术，p d m 技术已经从最初的部门级 电子文档管理、版本管理和配置管理发展为企业级产品数据管理，其内容扩大到 产品结构管理、项目管理、工作流管理、图档管理、与c a d 和e r p 等系统集成， 提供了企业级的产品开发设计、生产运作和经营管理等集成环境【6 ”。p d m 系统包 括配置管理、产品结构管理、规则库和选择对象库，主要是依据客户需求进行产 品变型配置、文档配置，一般不涉及创新设计开发，因此p d m 系统为大批量定制 配置设计提供了产品信息的平台。 大批量定制向客户提供了大批量生产成本的个性化定制产品。产品配置技术 是大批量定制的核心技术，充分考虑零部件以及工艺过程、设备能力的可重用性， 尽可能减少零部件的数量和设备的种类。m c 配置设计比p d m 系统中配置管理更 为复杂，p d m 中配置管理主要是产品变型设计的配置和文档配置，它的产品功能 模型、技术模型和结构模型都是明确的，配置过程中主要根据客户需求对零部件 组合和结构的参数化，一般为手动配置或者半自动配置；而配置设计包括配 置和设计两部分，一方面进行产品组合设计和变型设计；另一方面当已有的产品 结构模型无法满足客户需求时，配置设计将提示启动新零部件设计项目，同时配 置设计整个过程采用项目管理模式，对配置设计流程进行通用管理和协调。在 m c 配置设计中，充分利用产品结构和工艺过程中大量的相似性，实现对产品结 构、生产过程和组织结构的简化等方式，获得了低成本效应。m c 配置设计的内 容包括：在产品族结构、主文档的基础上，根据客户的需求快速提供精确报价： 利用在开发过程中建立产品模型和过程模型，选用标准零部件，快速设计产品和 制造过程，缩短定制产品的交货周期。 1 2 3 产品设计中成本工程的研究进展 大批量定制的关键目标为以大批量生产模式的生产成本提供满足客户化需 求的产品，因此产品成本是配置设计研究的主要内容之一。分析产品成本发生的 动因，发现不必要的成本并避免，需要在进行产品设计时不仅满足功能结构上的 要求，还要使得产品的成本实现最优。二十世纪七八十年代，日本企业生产的产 品之所以能在世界各国市场纵横驰骋，其在产品开发设计中对产品成本的控制分 析起了关键作用，不仅可以大大降低成本，而且通过价值工程提高产品的性能价 格比。在八十年代很多欧美企业也纷纷效仿日本公司重视产品成本工程，如福特 汽车、戴尔电脑、汤姆逊等公司加强对产品成本研究，采取相应策略来降低成本 取得巨大成功。影响产品成本的因素贯穿于产品的整个生命周期，准确有效解决 浙江大学硕士学位论文：面向成本的大批量定制配置设计技术研究 产品成本问题，有必要采用一些方法和技术来实现对产品配置设计的经济性评 价，实现产品经济性能和技术性能的综合优化f 6 ”。 国内外一些学者研究了产品成本的组成结构、数学建模和估算方法等，面向 成本的设计( d e s i g n f o rc o s t ，d f c ) 是目前产品设计中成本问题研究热点。在满 足客户需求的同时，通过分析、研究和评价产品全生命周期中成本组成，优化产 品结构和生产过程重组降低成本。如图1 2 为制造业产品生命周期中各阶段对成 本影响的曲线： 1 0 0 9 0 8 0 7 0 l o 时间 开发设计加工装配市场销售使用维护回收 图1 2 产品各个阶段中成本比侧 面向成本的产品设计要求考虑产品在开发设计、工艺加工、装配检测、使用 维护、材料及回收等领域，综合分析产品全生命周期中成本。根据产品的类型、 结构和客户需求不同，