（车辆工程专业论文）面向大规模定制的专用车参数化设计系统研究与开发.pdf

武汉理j 1 = 大学硕士学位论文 摘要 零文首先分缮了两向大巍攘定制豹专愆车参数纯设计系统开发顼秘的背豢 和目的意义，根据研究需要较详细分析了国内外大规模定制模式和汽车c a d 技 术的研究及应用发展现状，认为开展这方面的研究是必须的和及时的。 接羲较全瑟奔缓了瑟蠢大栽攘定割设诗豹壤念、大撬攘定籁及大麓镤定期设 计的内涵和作用，分析了产品配凝设计、模块化设计和并行设计等面向大规模定 制的设计方法。同时，阐述了专用汽车的地位和作用，分析了我国专用车窳业所 皤蠛的澎势帮当前专用车设计的特点帮要求，认为大规模定制秘专用车设计生产 可敬鸯枫静结合起来。 在此基础上提出了面向大规模定制的专用车设计的概念、阐述了其基本思 想。随聪分析了面向大规模定制的专用车设计的作用和经济性，研究了蔼向大规 模定潮豹专曩车浚诗豹基本淡撩、基本方法，著姨其傣静专麓车产鑫慰蒙入手较 其体的研究了面向大规模定制的专用车产品配嚣和参数化设计问题，提出了有关 的具体算法和实现过程。研究表明面向大规模定制的专用擎设计在理论上是可行 的，实际上也是可以实现的。 为了给面向大溉模定镧静专溺车设诗提擞工其，本文歼菠了专用车参数纯设 计系统。文中分析了面向大规模定制的专用攀参数化设计系统的基本需求、基本 体系结构、数据流阁、功能结构和流程，介绍了系统的编程实现，包括菜单设计、 霹话糕设诗巍主要麓裁模块莰诗等，并显鏊零毽鼹式革爻铡绘逡了其嚣疲震实 例。 文章最后对所旃的研究工作进行了总结，对面向大规模定制的专用军设计研 究领域秘方向进行了展望，认为艨浚胰面向大艇模定制的专用车设计鳃产赫族分 类、零部 牛的标准纯和焱范纯、可交型数字模瀣懿建立等忍个方面避一疹送行较 完善的研究，同时为了使面向大规模定制的专用车参数化设计系统逐步实现商品 化，还濡要加强对本系统的智能化、三维化、熊成化、网络化和协调性等问题的 臻究。 关键谰：大规模定制专用牟参数化设计二次开发 武汉理i c 大学硕士学能论文 a b s t r a c t t 嫩sp a p e rf l 】r s t l yi n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dt h ep u r p o s eo ft h er e s e a r c h p r o j e c t i no r d e rt o f i l lt h en e e do ft h er e s e a r c hw o r k ，t h er e s e a r c hs t a t ea n d d e v e l o p i n g 仃e n do f t h em a s sc u s t o m i z a t i o nm o d e la n dt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g no f t h ev e h i c l ea r es u m m a r i z e di nd e t a i l i ti n d i c a t e st h a ti ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho i lt h e s p e c i a lv e h i c l ed e s i g n f o rm a s sc u s t o m i z a t i o n + t h e nt h ec o n c e p t i o n ，c o n n o t a t i o na n df u n c t i o no ft h em a s sc u s t o m i z a t i o na n d t h ed e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h eb a s i cd e s i g nm e t h o d s a b o u tp r o d u c t sc o n f i g u r e ，m o d u l a r i z a t i o na n dp a r a l l e ld e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n a r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e re x p a t i a t e dt h es t a t ea n dt h ef u n c t i o no f t h e s p e c i a lv e h i c l e ，a n a l y z e dt h e s i t u a t i o no ft h e s p e c i a l v e h i c l ec o r p o r a t i o na n dt h e f e a t u r e so f d e s i g no f t h es p e c i a lv e h i c l ei no u l c o u n t r y i tc a nb ec o m b i n e da b o u tm a s s c u s t o m i z a t i o na n ds p e c i a lv e h i c l ed e s i g ni naw a y o nt h eb a s eo fa b o v e ，t h ep a p e rm e n t i o n e dt h ec o n c e p t i o no ft h es p e c i a lv e h i c l e d e s i g nf o r p a s sc u s t o m i z a t i o na n de x p a t i a t e dt h eb a s i ci d e o l o g y , t h e na n a l y z e dt h e f u n c t i o n sa n dt h ee c o n o m yo fs p e c i a lv e h i c l e sd e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n 霸1 e p a p e rr e s e a r c h e dt h eb a s i cp r o g r e s sa n dm e t h o d so f t h es p e c i a lv e h i c l ea n d p r o d u c t s c o n f i g u r a t i o n a n dt h e p a r a m e t e f i z e dd e s i g nu s i n gs p e c i a l v e h i c l e sa s e x a m p l e ， m e n t i o n e ds o m ec o n c r e t ea l g o r i t h m sa n dp r o c e s s t h e s er e s e a r c h e si n d i c a t et h a t s p e c i a lv e h i c l e sd e s i g n f o rm a s sc u s t o m i z a t i o ni sa v a i l a b l ei nt h e o r ya n di nr e a l i t y i no r d e rt o s u p p l y t h e d e s i g n t o o l sf o rt h e s p e c i a l v e h i c l e d e s i g n f o rm a s s c u s t o m i z a t i o n ，t h e p a r a m e t e r i z e dd e s i g ns y s t e mu s i n g f o r s p e c i a l v e h i c l e si s d e v e l o p e d t h e n t h e p a p e ra n a l y z e d b a s i c r e q u i r e m e n t s ，s y s t e ma r c h i t e c t ，d a t a s t r u c t u r e s ，f u n c t i o n s t r u c t u r e sa n dt e c h n o l o g i c a l p r o c e s s ，i n t r o d u c e d t h e p r o c e s s c o d i n go f t h es y s t e m ，i n c l u d i n gm e n u s d e s i g n , d i a l o g sd e s i g n , m a i n f u n c t i o n sd e s i g n a n d p r o v i d e d a n e x a m p l e w h i c hi sb a s e do nv a l l i nt h ee n d ，t h ep a p e rs u m m a r i z e da l lo ft h er e s e a r c hw o r k sa n dl o o k e di n t ot h e f u t u r eo ft h es p e c i a lv e h i c l ed e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n t h e s er e s e a r c h e si nt h e f u t u r es h o u l db ei n f a c e t sw i t hc l a s s e dt h e f a m i l y o fp r o d u c t s ，f o u n dt h e 2 武汉理t ：大学硕士学位论文 s t a n d a r d i z a t i o na n dn o r m a l i z a t i o na n dc r e a t e dd i g i t a lm o d e l m e a n w h i l ei no r d e rt o m a k es p e c i a lv e h i c l e sd e s i g ns y s t e m 协b e c o m ec o m m e r c i a ls y s t e m i ti ss h o u l db e c o n s i d e r e dt or e s e a r c hs o m ei s s u e sa b o u ti n t e l l i g e n t , 3 d ，i n t e g r a t e d ，n e t w o r ka n d c o o r d i n a t 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 ，s p e c i a lv e h i c l e , t h ep a r a m e t e r l z e dd e s i g n ， s e c o n dd e v e l o p m e n t 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和研究目的及意义 1 1 1 研究背景 随着信息技术、制造技术的迅速发展和世界市场由相对封闭到日益开放的转 变，现代汽车制造企业的竞争环境发生了巨大的变化，主要表现在产品生命周期 缩短、客户需求多样化和个性化、交货期缩短、多品种小批量的生产比例增大和 市场的动态多变等方面。 国外汽车制造业随着竞争环境的变化正逐步采用大规模定制生产，汽车制造 业的大规模定制生产时代正在到来。汽车企业从过去的预测型生产向按订单生产 方式转变，在提高质量、满足用户定制化要求的同时千方百计降低汽车成本。这 种制造模式重大转变的背景主要是： ( 1 1 汽车市场已是买方市场，用户需求变化加快，企业问的竞争e t 益激烈。 ( 2 ) 用户需求多样化和个性化已是一种普遍的趋势，导致市场的多样化和细 化。 ( 3 ) 技术更新换代速度加快，产品生命周期缩短。 ( 4 ) 制造的全球化，使零部件生产企业迅速发展，为整车厂的定制生产提供 了价廉物美的零部件。 ( 5 ) 计算机及网络技术的发展，使企业与用户的交流、企业与企业的合作更 加便捷。 专用车品种多、批量小和变化快，从用户需求角度讲是一种个性化产品。近 些年来，随着人们对环保、安全、效率和审美等方面要求的不断提高，专用车的 个性化特点越来越明显【9 l 。为了满足用户日益增长的个性化的需求，选择合适的 设计和制造方式以使专用车设计效率和效益最大化显得越来越重要。在此背景 下，某专用车企业与武汉理工大学汽车学院合作进行专用汽车现代设计生产方法 研究，并开发出相应的专用车参数化设计系统。本课题就是该校企合作项目的一 部分。 1 1 2 研究目的和意义 面对激烈的市场竞争，用户对产品需求趋向多样化和个性化，制造企业必须 武汉理工大学硕士学位论文 利用有限的资源，为市场提供大量的和多样化的变异产品，以满足不同的市场需 求。为满足这种多样化的市场需求，同时又能缩短产品开发周期、降低开发及生 产成本，很多国内外企业和学者对先进制造哲理进行了研究【3 “。大规模定制生产 就是在这样的环境下产生的，它将表面上看似相互矛盾的观点组合起来，既具有 大规模生产的高效率和低成本，又能像单件生产那样满足顾客定制需求。 本文的研究目的是将大规模定制的概念和专用车设计有机的结合起来，根据 项目委托企业的要求和现代设计制造技术的发展趋势，使得专用车设计满足用户 同益增长的个性化需求的同时能提高企业的经济效益，以最快的速度和最好的质 量进行专用车总体布置设计和主要零部件的设计。 本文的研究意义在于：通过本课题的研究，对专用车设计的思维模式从传统 设计方式向现代设计方式转变进行理论探索和初步实践，为面向大规模定制的专 用车设计方法的研究及其实现提供参考，解决企业的t q c s e 问题，即以最快的 上市速度t ( t i m et om a r k e t ) 、最好的质量q ( q u a l i t y ) 、最低的成本c ( c o s t ) 、最好 的服务s ( s e r v i c e ) 及最清洁的环境e ( e n v i r o n m e n 0 来满足顾客的个性化需求和社 会可持续发展的要求，提高在加入w t o 后我国专用车生产企业的竞争力。在此 基础上，开发出面向大规模定制的专用车参数化设计系统，为专用车的设计提供 有力的工具，并产生良好的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外大规模定制模式的现状 1 2 1 1 国内外学术界的研究现状 大规模定制生产概念的产生，可以向前追溯到2 0 世纪8 0 年代 3 7 , 3 8 , 3 9 1 。1 9 8 0 年，美国著名的未来学家阿尔温托夫勒( a t o f l l e 0 出版了著名的著作第三次浪 潮，首次提出了一种理想化的生产系统，称之为“非大量化”，意即这种生产系 统能满足客户个性化的需求m 】。该观点引起了许多读者特别是企业经营管理者和 学者的广泛关注。1 9 8 7 年，美国著名教授戴维斯( s d a v i s ) 写了未来完美的震 荡( t h ef u t u r es h o c kp e r l e e t ) 一书，书中提到了托夫勒的观点和概念，并对其 进行了更具体的发展，并命名为“m a s s c u s t o m i z a t i o n ”印j ，即大规模定制。1 9 9 3 年，约瑟夫派恩二世( j o s e p h p i n ei i ) 对大规模定制的内容进行了完整的描述： 大规模定制生产方式是一种面向客户个性化和竞争全球化而产生的新型生产方 式，通过产品结构和制造过程的重组，运用现代信息技术、新材料技术和柔性制 造技术等一系列高新技术，把产品的定制生产问题全部或部分转化为批量生产， 2 武汉理：c 大学硕士学位论文 疆大筑攘懿叟产戒零襄速凄，为擎个客户或，l 、撤鬟多瑟霉孛枣凝定嚣l 饪意数爨戆产 品，并与d m a n d s e r s o n 合作论述了为大规模宠制生产开发敏捷产品的问题。 在阑内，“十五8 6 3 ”现代集成制造主题也列出了这方嘲的研究课题1 4 l 】。浙 江大学睾嚣莺宁教授、鼷耨建教授，大连理工大学刘唆冰教授，中国科学院耱隶生 研究樊等许多专家帮学者结合中潜蘑情对大娩模定截的理论和实麓应用等方面 进行了大量有成效的研究【4 2 巧”。有关文献对大规模定制的蜜施方法进行了分析 研究 3 8 , 3 q l ，文献 3 8 1 1 3 9 1 分析总缩了西方企业焱从产品设计、制造、装配、供应 强及销售黢务等产翥不霜生鑫蠲期玲羧实凌大瓣模定裁熬熬零方法。 从学术界的研究上看，对大规模定制生产模式的研究可以分为两个部分：研 究大规模定制下产赫设计开发技术与产品建横理论和大规模定制生产的众业组 织与运馋罄理，这辩个邦势是提辏耀成款。一方露对露向丈斑模定铡的产菇设诗 开发技术的碜 究是擞产组织运作的基础，因为众渡生产组织静核心藏是企旺的产 品，如何设计出适于大规模定制的产品结构并窟现产品模型合理表达，是大规模 定制成蒜先考虑的f 嘲题：另一方麟，如何进行产品的开发过程的组织以及产品的 囊产逶佟是实瑰大麓模定铤的耄黉手毅，设诗方法学瓣理论秘交纣客户戆定割产 品都簧通过先进制造理论支持的环境来实现。 1 2 ，1 2 企业的研究与实施现状 豫了学末赛遘行大矮模定翻豹疆究拜，蠢哭企整氇遗行了这方嚣豹尝试秽l ， 很多翻际著名的大公司，通过大规模定制生产模式为客户定制产品，获得了巨大 的竞争优势1 4 1 1 ，面向大规模定制模式的采用已成为现代企业，圭产模式的主流。 ( 1 ) 戴尔公司 戴尔公司采用了大规模定铡生产模式，楚个人计算枫制造行监的楷模。戴尔 公司成晶库存为零，只生产定制产品。客户可以通过拨打8 0 0 免费电话或髓录公 司的网页，提出机器配置并经确认之后，供应鼹会在一小时之内将配件送剥戴尔 公司，公司在2 4 小时内将定麓产鑫装上车，邋赞上f l ，势受责安装调试。裁尔 公司通过采用大规模定制模式，使其在个人计算机市场中的份额上升到第二位， 销售额从1 9 8 8 年的1 5 9 亿美元獭增到1 9 9 8 年的1 8 0 亿美元。 ( 2 ) 摩托罗按 在8 0 年代，摩托罗拉采纳了待续改善酌聪想，使废品翠酶到了3 4 ，而当 日本的竞争对手仍在仿效摩托罗j 立的做法增强竞争力的时候，摩托罗拉公司则通 过大娥模定制，再次在竞争中占摄了领先地拽。摩托罗拉公嗣开发了一个几乎全 蠡动静翻造系统，这经销售我表翔餐携式诗葵税签下定擎豹一令半枣露之蠹，工 厂就w 以制造出2 9 0 0 万种不同缀合的寻呼机巾的任 可一种，这增强了摩托罗拉 武汉理工人学硕士学位论文 的竞争实力，使摩托罗拉成为美国唯一的寻呼机制造商，占有全世界市场份额的 4 0 以上。 ( 3 ) 波音公司 波音公司的7 3 7 系列从早期的7 3 7 1 0 0 发展到7 3 7 - - 8 0 0 ，其中7 3 7 1 0 0 为基本型，其他型号的机身加长或者缩短，或采用更先进的发动机和电子设备， 使得不同型号的7 3 7 客机航程和载客量各不相同，以满足不同用户的需求。如加 长型7 3 7 - - 4 0 0 ，载客量为1 5 6 人；缩短型7 3 7 ，5 0 0 ，载客量为1 0 8 人；而7 3 7 8 0 0 为最近开发的型号，采用了最新技术。不同型号客机虽性能各异，但零部件 绝大部分相同，可利用相同设备加工装配，因而提高了生产效率，降低了生产成 本。目前波音7 3 7 系列的产量已近4 0 0 0 架，成为目前世界上最大的喷气客机产 品族，波音公司的这一作法取得了巨大成功。 ( 4 ) 微软公司 另一一个范例是微软公司的w i n d o w s 9 5 9 8 系列的开发。w i n d o w s 9 5 最初是 主要针对美国市场的英文界面，在此基础上针对世界各国不同用户，微软公司又 推出了不同语言版本的w i n d o w s 9 5 产品，占据了不同的细分市场；在w i n d o w s 9 5 的基础上，微软公司进一步开发了w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 系列，同样取得 了巨大的成功。 另外还有许多其它的世界知名企业在这方面进行了有效的工作，比如生产牛 仔裤的李维斯、日本的松一1 r 自行车公司。 目前，国外许多公司正在更新设备，转变管理模式，实现生产和管理的数字 化，进一步改善大规模定制的基本条件。据有关资料统计，目前美国和欧洲的大 公司中有7 0 在按这种生产方式重新经营和规划其生产系统p 剐。在国内，北京 第一机床厂、石家庄天同拖拉机厂【3 9 】、海尔集团1 6 s , 6 9 等也在采用不同的方式实施 大规模定制生产，并且取得了初步的成效。 总的来看，国内在这方面的研究尚处于初始阶段，除了前述少数著名企业外， 大多数企业对它还不了解。可以说，即使当前一些较为具有成果性的基于典型企 业实施大规模定制( m c - - m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 的案例研究，大多数只是提出了 一些企业思想或方法层次上的探讨，很少触及到企业实施m c 时在设计、制造与 管理方面的具体措施或策略；国外汽车制造业正在从大规模生产向大规模定制生 产转变，汽车制造业的新时代大规模定制生产时代正在到来，但国内对把大 规模定制的思想运用于汽车制造业还处于起步阶段，文献【1 4 】仅从宏观上分析汽 车制造业如何实施大规模定制，尚没有文献系统分析如何把大规模定制运用于专 用车设计。现阶段只是从使用用途上对专用车进行分类，而面向产品族的专用车 4 武汉理工大学硕士学位论文 分类和参数提取设计还是处于零阶段，更没有相关的手段和工具。 1 2 2 国内外c a d 研究开发现状 先进信息技术和制造技术的发展使汽车企业的竞争环境发生了很大的变化， 竞争环境的变化推动了大规模定制模式的出现，大规模定制模式的实施需要先进 设计与制造技术的支持，比如现代c a d c a e c a m 技术。 1 2 2 1 国内外c a d 技术的发展和现状 计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术在国外出现于6 0 年代。在美国， 率先应用c a d c a m 技术的是飞机制造和汽车制造等大型企业。8 0 年代是 c a d c a m 技术迅速发展的时期，在这一时期，不但c a d 技术不断向高水平发 展，同时相应的软件技术如数据库技术、有限元分析、优化设计等技术也迅速提 高【3 l 。在上述计算机辅助技术的基础上，国外在8 0 年代就已经致力于计算机集 成制造系统的研究。9 0 年代，c a d c a m 技术已不仅停留在单一模式、单一功 能和单一领域的水平，而向着标准化、集成化和智能化的方向发展【3 。与此同时， 面向对象技术、并行工程思想、分布式环境技术以及人工智能技术的研究，都有 利于c a d 技术向高水平发蒯1 9 1 。近年来，国际标准化组织( i s o ) 提出了把图 形与非图形数据统一起来的s t e p 草案，因此，研制统一、集成、高性能c a d 系统已成为c a d 领域的一个重要研究方向。 我国在c a d 技术方面的研究始于7 0 年代中期，当时主要是研究开发二维 绘图软件，并利用绘图机输出二维图形。8 0 年代中后期，我国的c a d 技术有了 较大的发展，部分单位已较好地应用了c a d 技术，提高了设计质量和社会经济 效益。批高等院校和研究院( 所) 也对c a d 技术的理论和软件开发进行了大 量的研究，包括清华大学、浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、西安 交通大学、华中科技大学和中科院等在内的许多单位都取得了许多成果。进入 9 0 年代后，国家科委、各工业部门都十分重视c a d 技术的发展，使我国的c a d 技术有了一个较大的发展和提耐引。据不完全统计，到1 9 9 8 年，全国甲乙级设 计院的c a d 普及率已达到9 5 。目前，我国的c a d 研究取得了长足的进步， 许多有实力的研究单位在计算机辅助设计和图形学方面有深入研究，并经常性地 进行有组织的学术交流活动。2 0 0 0 年9 月2 5 2 7 日在杭州举行了由国家自然科 学基金委员会、中国计算机学会、中国自动化学会、中国工程图学学会、中国电 子学会、中国图像图形学会、中国系统仿真学会、香港多媒体及图像计算学会联 合主办的第3 届中国图形学大会。在这样的大环境下，我国自主开发了一些符合 武汉理工大学硕士学位论文 国情的二维以至于三维的设计软件，如华中科技的开目c a d 、浙江大天公司的 g s c a d 、天喻公司的i n t e s o l i d 、北航海尔公司的三维电子图板等。虽然这些软 件在技术水平、具有的功能和商品化程度上都与国外软件有差距，但在价格上有 绝对优势1 2 0 l ，它们不仅满足了我国企业不同程度的c a d 需求，同时还促进了我 国c a d 技术的发展。随着技术进步我国各行业对于c a d 技术又有了新的需求， 不再满足于只解决绘图问题的c a d 软件和一般通用c a d 系统，而且还需要集 成度高的多功能c a d 软件和专用c a d 系统。 1 2 2 2 汽车c a d 技术及应用发展现状 世界著名的计算机公司美国商业机器公司( i b m ) 曾指出，制造业的飞速发 展变化正给整个制造业施加前所未有的压力，要求改善企业的各个方面。这一情 形在汽车工业中尤为突出。事实上，国外9 0 年代的汽车开发已接近全面依赖于 计算机辅助技术。在现代轿车开发过程中，计算机辅助设计已得到普遍应用，如 计算机辅助造型、计算机辅助设计、计算机辅助工程分析和计算机辅助测试及计 算机辅助制造。为了在产品开发中更有效地应用计算机辅助技术，进一步改善企 业的经营、提高企业的竞争力，国外各大汽车公司都制定了有关的战略和发展目 标。福特公司提出了“促进产品开发系统的信息技术”战略，实施c 3 p ( 即 c a d c a m c a e ，p l m ) 计划【3 】这是一个将几何设计和制造数据以及其它关键的 产品信息集成在一起，以支持和全面优化产品开发过程的综合工具集合。 而克莱斯勒公司采用c a t i a 作为c a d c a m 系统的核心【7 ”，通过与数据管 理系统和一些特殊的专用应用软件的结合，最大限度地发挥其效率和一体化的作 用。以上生产开发技术已经相当成熟的国际汽车生产企业仍然斥巨资不断增强和 改善自身计算机辅助设计系统的功能，说明了现代c a d 技术在现代汽车行业竞 争中不可替代的重要作用。面对中国入世贸的机遇和挑战，为应付日益激烈的竞 争，我们也需要不断研究和完善符合我国情况的汽车c a d 系统。 在我国，汽车行业是c a d 技术应用得较早的行业之一。从8 0 年代中期起， 为了改变我国汽车工业过去那种以经验设计为主，单一车型生产几十年不变的旧 模式，实现多品种、高质量、短周期、低成本的生产方式，国内主要的汽车生产 厂家，就陆续从国外引进了c a d c a m 技术。在此基础上，对于汽车专用c a d 系统的研究与开发也得到了发展。专用c a d 系统的研究是计算机辅助设计研究 的一部分，它与通用c a d 系统相结合，能更有效地发挥c a d 系统的作用，对 进一步提高产品设计质量和设计效率具有现实的意义。1 9 9 4 年，西安交通大学 机械工程学院研究开发了大型圆柱齿轮减速器箱体焊接结构的c a d 系统，该系 统是用f o r t r a n 7 7 语言开发的，用于大型减速器箱体焊接结构的计算机辅助设 6 武汉理1 ：大学硕十学位论文 计与绘图，能为用户提供经济、合理的结构参数。但是，由于当时的软、硬件条 件的限制，这个系统在今天看来，功能已是不够的了。而很多研究单位通常采用 在已有的通用c a d 软件的基础上二次开发的方式，用参数化的手段来构筑符合 自身情况的专用c a d 系统。吉林工业大学1 9 9 5 年用a u t o c a d 软件二次开发出 汽车变速箱c a d 系统。1 9 9 7 年，吉林工业大学又通过对a u t o c a dr 1 2 的二次 开发和对汽车座椅的参数化设计，实现了汽车座椅的理论计算和设计制图口“。这 个系统应用于丹东汽车配件厂，取得了很好的效果。1 9 9 9 年，中南工学院机械 系实现了齿轮参数化c a d 系统，该系统采用多种计算机语言和f o x b a s e 数据库 管理系统，结合a u t o c a d 内部的接口形式d x f 格式来设计用户界面、完成设计 计算、数据库管理以及绘图接口和数据传递等功能，实现了齿轮的参数化计算与 绘图2 刀。随着我国c a d 技术的进步和我国自行开发的c a d 软件的出现，在机 械行业出现了以我国优秀c a d 软件为基础的专用c a d 系统。1 9 9 8 年华中科技 大学开发了基于凯图软件的通用机械零件c a d 系统，该系统在华中科技大学二 维绘图软件凯图( c a d t 0 0 1 ) 的基础上，研究开发了通用机械零件设计系统 c m d s ( c o m m o n m e c h a n i c a lc o m p o n e n td e f i g ns y s t e m ) ，该系统的特点是基于国内 c a d 软件上的二次开发，拥有完全自主版权，价格合理，针对性强，符合中国 工程师的设计习惯【2 引。同时，清华大学、北京理工大学、华中理工大学以及我校 等许多院校、研究单位和许多汽车厂家都在二维汽车专用c a d 系统上投入了很 大精力，作了很多研究开发工作，在二维汽车专用c a d 系统和参数化设计上形 成了比较成熟的方法。 但是我国在专用汽车c a d 技术的开发上还存在明显不足，使工厂的设计部 门难以摆脱新产品开发项目多、变型品种多等压力，严重影响了产品的更新换代， 也制约了专用汽车的发展。参数化设计是当今c a d 技术的发展方向之一，它不 仅可使c a d 系统具有交互绘图功能，而且可以实现绘图自动化。利用参数化设 计可减轻设计人员的工作强度、提高设计速度并减少信息的存储量。 大规模定制旨在以大规模生产的成本与时间，提供满足客户个性需求的产品 和服务，是大规模生产与定制生产相结合的产物，大规模定制设计是实施大规模 生产的关键。面向大规模定制的专用车设计是解决目前专用车企业设计问题的有 效方式，因此，研究面向大规模定制的专用车参数化设计系统，不但对专用车设 计生产方式的研究有一定研究价值，也是目前专用车生产企业所需的有效工具。 1 3 本文的主要研究内容 本文紧密结合大规模定制模式和专用车设计的特点并根据项目合作企业的 7 武汉理工人学硕士学位论文 具体要求于r 展研究，主要内容包括： ( 1 瑟齑大麓模定麓翡产瀑设诗方渣分析 ( 2 ) 专用车设计与大规模定制的关系研究 ( 3 ) 将大规模定铜模式应翔于专用车设计中的具体方法研究 ( 4 ) 巅向大艘模定锚的专羽车参数化设计系统的总体设计 ( 5 ) 面向大规模定制的专埔车参数化设计系统的程序实现 本文第一章主要阐述谂文魏疆究鸷景、分援困痰努翱关磁究现状、舟缨论文 的研究意义和研究内容等：第二章主蒙分析大规模定制模式的相关理论，并对面 蠢大蕊模定潮静产鑫设计方法进行了探讨。 第三窜对我困专用车生产设计现状进行了分析，阐述了专用汽车的地位和作 用，介绍了我国专用汽车企业蕊临的形势和发展现状，分析了当前专用汽车设计 的特点秘要求：第四章进幸亍了覆向大煺模定到的专用车设计的研究，从鳃决专用 汽车生产捷业的t q c s e 问题和经济性两个方面分析了面向大规模定制的专用车 设诗弱馋溺，分专蠢疆襄了瑟良大援壤定裁鹣专鬟攀设诗实现方法，磅瓷7 瑟翔大 规模定制的专用车设计的基本流程。 第五章详缡论述了面囱大蔑模迩稍麴专霜车设诗静产鑫懿鬟窝参鼗诧设计 问题，描述了专用车的产品配鼹问题和参数化设计的概念，并以自卸车举升机构 设计和鞲试车参数纯总体设计为例分析研究了专掰车产品配置及参数纯闯题。 第六颦进行了蘧向大规模定割的专用擎参数纯设计系统的分析与设计；第七 章介绍参数化设计系统的具体程序实现和设计实例。 最后，第八灌对本文进嚣了葱结帮攫蘩，对论文戆特点窝寒寒熬发震逡行_ 分析归纳。 g 武汉理。i ：大学硕士学位论文 第二耄面向大规模定制的产品设计方法 2 。 零l 言 随着产品生命周期的缩短和用户个性化需求的不断增长，传统的犬规模生产 模式醴经无法满足现代化竞争的潴要，薪的生产模式的诞生与发展成为社会和工 篷发袋靛妊熬。大篾模定翻生产楚镬造筵发袋鹩登然趋势，跫来来生产豹主要模 式，不同于以往大规模生产，太规模定制主要解决生产的高效率、低成本和客户 定制需求个性化之间的矛盾。 大疑摸定毒4 涵羲了产鑫茨订魏、开发、设诗、裁造、镑僚、交 寸与嫒瘸麴全 生翕j 建程，其面稿的最大撬战是成本与速度。大规模定铡簧求所设计的产晶具有 种类多、可快速变型和零部件规澈的特点，而传统面向大规模生产的设计方法远 远不自遁应这静要求。由于产品设计决定着产黯最终的性熊、可靠性、可维护性 与环绦佳，嚣且磷究表明产鑫畿本静6 0 一8 0 是赉设计除羧决定静，斑魏， 大规模定制重点要解决的问题魑面向大规模定制设计( d f m c ，d e s i g n f o rm a s s c u s t o m i z a t i o n ) ，要炎现面向大规模定制的专用车设计，必须首先对大规模定制 设诗夔惑恕、方法秘爨薅悫窖邀嚣充分夔分砉隧。 2 2 躺前设计技术所面临的问题 尽簿产螽设诗淑褥了籀当大蕊成裁，毽楚爨令蕊没诗按寒帮正覆浚餐这样一 个矛盾：一方面，由于市场的动态多变使得产品的生命周期越来越短，从而要求 设计周期越来越短；另一方面，由于产品的功能越来越复杂、性能要求越来越高， 使缛设谴袋震要的瞻闻龆越来越长。尽管通过簿设诗方法以及兵俸设诗鼓寒的研 究翻激进，飙裙当程度上改变了传统酶人工设计，已经有效缝提高了设计质量、 缩短了设计周期、降低了产品开发成本。但是，现有的设计技术仍然不能很好地 解决上述矛盾。现代设计技术不熊很好地满足新型生产模式骚求，主要原因在于： f 1 ) 长絮疆寒，囊淘大褒模生产戆大王浚毒卡采瘸戆是甏离：蓬翟翡维缀方式， 设计方法体现着人工操作的特征，由此归纳和总结所得出的设计模型也量现面向 过程的特点，并且所提出的设计方法对于在设计过程中使用计算机技术和信息处 理披零戆研究还不够兖分和系绫，放两捷褥这烧设计模型秘方法姨爽在梳髑上缺 乏对熬成性、并行饿和自适应褴熟支持。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 虽然嚣蘩羧攘瑗式生产壤式窝售惑簸瑗酌特征毽掇遗了一些耨戆设谤 方法，但是由于理念、方法和现有的支持技术不能有机协调而难以在实际中很好 地应用。 f 3 一些在实鼯审褥鼓应用鲍具体设诗按本，如c a d 秘c a p p 等，楚在使 用计算枫辅助入工设计酶背景下发展起来的，这些技术还不能很好地满慰新型生 产模式和设计方法的需求。此外，这些技术相飘之间的协调性和衔接性目前也存 在一烘问题，这给纂于这些技术丽构造的设计系统在信息的集成和共享、数据的 并行簸灌等方覆带来了蠢难，程巍递裁造技米豹维动下c a d 中存在鹣这鍪溺题 是可以解决的。 问题最终主要袭现在设计周期长、产品的多样性和变型能力差而使得企业提 供定制产品的糍力缺乏。要解决设诗技术艨存程麴这些阚题，震要一秘撅瓣产品 生产模式和稻应静设计方法。 2 。3 大规模定制模式和面向大规模宠制的设计 大规模定制生产模式的宗旨“以大规模生产的效率和成本提供定制的个性纯 产品”，表明大规模定制意在解决现代设计生产面临的问题。要有效实施大规模 定制裁必须首先瓣决露向大规模定制的设计鲻鼷。 2 3 1 大规模定制模式的内涵 大娥模定制是企业使尾现代技术和管理学段实现对每个顾客的个性化定制， 露其裁本帮霎誊阕鞫大怒模生产产赫一致熬一魏熏产模式。这耱生产模式怒在系统 总想指导下，用熬体优化的观点，通过充分挖撅企业的潜力，在标准化技术、现 代设计方法学、并行工程、计算机技术和可重组制造系统等技术和思想的支持下， 最终蜜璇棂豢窖户豹特臻定制黉求黻大援模生产的效率：； 鞋效益提供定裁产燕翡 过程。它把大规模生产和定制生产这两种生产横式的优势寄梳的结合起来，同对 它也体现了从顾客出发思考企业问题的一种思维方式。 大规模定制生产企业通过在同一条生产线上生产出多种产品的方法达到满 足不蠲客户掰疆磁戆产嚣瞧戆稻矮燕要求，并且摄证产鏊豹藏本绦置设计裳产速 度快。大规模定制生产模式的思想认为产品成本、产品利润、竞争能力的主要因 素是开发和生产该产品所需知识的价值，而不照材料、设备溅劳动力。够迅速 把知识融遴产品、转交炎剥滤跫成臻实瑷大娥模定铡生产棱式的关键，大矮摸定 箭的众业是面向订肇的，它将先进制造技术、动态联盟静缀织管理思想与离素质 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的员工全颟集成。这种能满足顾客的真正需求而又不牺牲效益和成本的新的生产 方式譬蓠褥到了较抉鹣发展，并作为耱蠢效静竞争手蔽逐渐被金鼗繇采纳。 如图2 1 所示，大规模定制生产综合了大规模生产低成本的优点和定制生 产满足客户个性纯、多样化 需求的优点，具体表现在： ( 1 ) 使企业的产品是客 户囊正辑慈要弱产燕。大援 模定制生产能使客户得到自 己囊正戆黉翡产赭，并菇其 太规模生产： 产品的羝瘫本 定制生产： 产晶的多群链 大规模定制生产： 娃丈援攮鲍效蕊避疗定刳生产 有吸引力的价格，从而为企 。 。m 。，：露2 一l 丈燕搂定髑综合了犬篾模生产纛定懿生产镜轰 业产品我翻新的市场； 主j 于 “。“、“”4 “”8 1 ”。4 。“ 有受赢的销售颡、更广阔市场、更葵 质量和低成本，企渡效益姆德到显著掇藤。 ( 2 ) 使企业生产能适应市场的快速变化。大规模定翻生产嶷有很商的柔性， 主要蠢毒殇驱动，嚣不1 叉纹楚l ；垂预测驱动。 ( 3 ) 缩短了交货期。由于充分利1 h ! j 了企业的资源，并且采用模块化的方法， 缩短了产灏的交黛麓。 ( 4 ) 有科于生产成本的降低。可以实现零成品库存，减少了积压产品所造成 的资金损失。 ( 5 ) 蠢裁子过程和产是的连续改蛰。大擐模宠铡生产是客户导向型的生产模 式，客户不断的新需求，导致企业不断对其过程和产品进行改蒋，在这种外在压 力下，金攮崮拽誉颧搿型完瞽，其竞争裁力越来越强。 ( 6 ) 有利于众业的生存和发展。在美国，钢铁制造业中增长最快的、利润最 大的部门，不再怒积聚了大螯员工、长期生产钢锭的工厂，丽戆黧望生产特殊钢 材的部门，因为这些部门能够向客户提供个性化产品。定制生产企业之所以可获 利，一方面因为客户愿意高价购买那些准确地满怒它们需要的商品和服务，弼一 方露是因为高馀傻产业不易被高产鬃产业竞争者轻易复制。 ( 7 ) 摁高了钕业的经济效益。由于定制满足客户的个性需求增加了成本，但 是客户愿意多出钱，鼹噬镬褥产菇黪剥澜一芝! t - 。 2 。3 。2 嚣翔大规模定剃设计豹内涵 任馋生产横式部需要设计方法的支持，大规模定制设计就是支持大规模定到 生产的产晶设计方法，是解决大规模定制生产过程中成本与速成这两个核心问题 鹣骞效手段。大援摸宠涮设诗是在瑷有没谤方法黪基磁上发展瓣寒，宅继承7 丈 武汉理“i ：大学硕士学僦论文 褒搂生产靛设诗孛兔遘静方法，懿劳雩亍设诗、纛按设诗、攘块位设诗、拣壤纯帮 规范化等，又对一些不符合大规模生产要求的设计方法在流糨和具体做法上加以 改进和提高，形成了一种符合新范式要求的新嬲设计方法。根据大规模定制生产 的特点，其产鑫设诗可以分或薮产品开发和变爨产暴设计鼹令镊环，产熬配置设 计是大规模定裁生产中产品快速变型设计阶段的重要设计方法，它在充分利用按 大规模定制设计方法设计产生的定制资源的基础上，为销售人晟定义客户的个性 化需求掇供选择，为客户展示产黯和提供产品的价格。 瑟翔大褒摸定髑设计的孩心戆建立产晶羧髂系。产品族髂系蠹设诗爨门耪镑 售部门特征化用户需求提供了基础，其方法是系统化的模块配置，实现产品设计 能力的粱性。大规模定制设计采用_ 并：行流程围绕产品族进行设计，建立合理的产 品族攥燮来有效满足客户定割 ；蕈求。是大趣摸宠利设计的关键。这秘方法瓣蟊标 是在产箍设计的早 期阶段进行整体概 念设计的同时考虑 范烫缀济毪窝褒骥 经济憾；其重点为 销售，设计 建立合理的产品族 制造，服务 结构，箴对完成一 组产潞的设计而不 设诤t 铡造 是单个产品。为了 产品设计 有效的实现大规模 定锈，设诗裁要魏 捉并定义个体客户 对产晶的需求，设 设计领域 谩诗单卞产菇设诗一缒产瑟 粪鳖鬟型 图2 2 设计流程领域扩展图 计必须扶传统懿设诗剿造集成扩艇至4 销售嚣l 受务等部门，嚣囱丈趣模定露设诗在 设计领域和产品族方面的扩震参觅鞠2 2 。 为了通过设计达到大规模定制的目标，设计流程需要在以下几方面进行改 进： f 1 ) 产品开茇与茯速设诗分凑。产品开发羧段辩金整豹客户嚣逶雩亍宠佼，分 析己缀拥有的客户需求并预测未来的客户需求，建立相应产品族结构，形成完善 的变型机制。而快选设计阶段在产品开发阶段的基础上，以产品配制器为主要工 其，缝合定割设诗，快速实现夔眩至i 来豹窖户霪求。 ( 2 工作流程亨 行。著行工程是缩短产晶设计周期，穗篱竞争力的一种方法， 武汉理u ：大学硕士学位论文 它逶逡势行产晶设诗褪羲造等疆域活动来缨怒产菇开发簿闽。为疆毫设诱h 速度， 大规模定制设计需要并行工作模式，并使其成为大规模定制设计流程的熏要一 环，而并行范围进一步扩展到产品的销售和服务领域，成为产晶生命周期的并行。 f 3 ) 翱强漉翟阅的会俸。产菇羧结构不麓瀵楚窖户需袋辩，就露要遴行定制 设计，流程间的合作裔翻于尽快产生漫计愚想。企业如果存程不同的产醅族，在 产品族的开发阶段应加强流程之间的合作，在产品的模块划分和零部件设计中