（计算机应用技术专业论文）基于单件小批量产品设计集成信息模型的研究.pdf

摘要 摘要 随着消费者需求的逐渐多样化和个性化，产品生产逐渐向多品种、单件、小批量生 产的方向发展，单件小批量生产类型的企业在我国国有大中型企业中的比例也在不断的 扩大。产品设计作为企业中采购生产营销等制造活动的基础，具有及其重要的地位，8 0 的生产成本是在产品设计阶段被决定的，而产品设计的质量将对后续生产产生影响，在 日益激烈的市场竞争的形势下，产品的设计方法和手段成为体现企业综合竞争力的主要 标尺。采用模块化设计模式，可以实现产品的多品种、小批量和个性化生产，同时可以 降低产品设计的成本、产品复杂度，提高产品的设计效率、创新能力与企业的市场应变 能力。 本文以单件小批量制造类型企业为基本对象，首先概述了一些先进的产品设计方 法，综述了模块化设计的基本概念和研究状况。在分析企业设计信息及其信息建模的必 要性的基础上，介绍了企业信息建模的常用技术，给出了与设计活动有关的一些数据模 型。根据单件小批量制造类型企业的生产管理特点，详尽介绍了基于可重构模块化设计 方法的产品配置设计过程的一些关键问题如可重构模块化设计原理、模块划分方法等， 深入研究了s t e p 标准和i d e f l x 信息建模理论，并构建了以p l m 为管理工具的集成框 架，实现了系统关键技术的集成。最后研发了一个具有一定先进性和实用性的基于模块 化的单件小批制造类型产品的设计原型系统，对模块化设计原型系统的核心需求、功能 结构设计及各功能模块划分进行了分析，构建了完善的数据库信息，从而验证了前述的 模块化设计方法的实用性和信息建模的必要性。 关键词：单件小批量；模块化；i d e f l x ；x m l ；p l m 大连交通大学t 学硕十学何论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r a d u a ld i v e r s i f i c a t i o na n dp e r s o n a l i z a t i o no fc o n s u m e rd e m a n d ，a n dt h e g r a d u a ld e v e l o p m e n tt o w a r d st h em u l t i - s p e c i e s ，s i n g l e - p i e c ea n ds m a l lb a t c hp r o d u c t i o n ，t h e p r o p o r t i o no ft h e s ek i n d so fe n t e r p r i s e si sa l s oe x p a n d i n gc o n s t a n t l yi nl a r g ea n dm e d i u m s t a t e - o w n e dc h i n e s ee n t e r p r i s e s p r o d u c td e s i g n ，a st h ep r o d u c t i o nb a s i si na ne n t e r p r i s ei n t e r m so fp u r c h a s i n g ，p r o d u c t i o na n d m a r k e t i n g ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e d u r i n gt h ep r o c e s so f p r o d u c td e s i g n ，8 0 o ft h ep r o d u c t i o nc o s tw i l lb ed e t e r m i n e d ，t h eq u a l i t yo fp r o d u c td e s i g n w i l lh a v ea ni m p a c to nt h ef o l l o w i n gp r o d u c t i o n ，a n dt h ew a y sa n dm e a n so fp r o d u c td e s i g n w i l lb et h em a i ny a r d s t i c kt or e p r e s e n tt h ec o m p r e h e n s i v ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e n e s su n d e r t h eb a c k d r o po fi n c r e a s i n g l yi n t e n s em a r k e tc o m p e t i t i o n b ya d o p t i n gm o d u l a r d e s i g np a t t e r n ， m o r ed i v e r s i f i e d ，s m a l lb a t c ha n d p e r s o n a l i z e dp r o d u c t i o nc a n b er e a l i z e d ，t h ec o s to fp r o d u c t d e s i g na n dt h ec o m p l e x i t yo fp r o d u c tc a nb er e d u c e d ，a n dt h ea n dt h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t d e s i g n 、i n n o v a t i v ec a p a b i l i t ya n dt h ee n t e r p r i s em a r k e tr e s p o n s i v e n e s sc a nb ei m p r o v e d t h eb a s i co b j e c t si n t h i s p a p e ra r es i n g l e p i e c ea n ds m a l lb a t c hm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s ，f i r s t l ys u m m a r i z i n gan u m b e ro fa d v a n c e dm e t h o d so fp r o d u c td e s i g n ，a n dt h e b a s i cc o n c e p t sa n dr e s e a r c hs i t u a t i o no fm o d u l a rd e s i g n b a s e do nt h ea n a l y s i so fe n t e r p r i s e d e s i g ni n f o r m a t i o na n dt h en e c e s s i t yo fi n f o r m a t i o nm o d e l ，s o m ec o m m o nt e c h n i q u e so f e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nm o d e l i n gw i l lb ei n t r o d u c e d ，a n ds o m ed a t am o d e l sr e l a t e dt od e s i g n a c t i v i t i e sw i l lb e g i v e no u t a c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n to f s i n g l e - p i e c e a n ds m a l l b a t c hm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s ，s o m ek e y i s s u e sl i k et h e r e c o n f i g u r a b l e m o d u l a rd e s i g n p r i n c i p l e ，t h em o d u l ed i v i s i o nm e t h o di n t h ep r o c e s so f c o n f i g u r a t i o nd e s i g nb a s e do nt h er e c o n f i g u r a b l em o d u l a rd e s i g na p p r o a c ha r es p e c i f i e d ；t h e s t e ps t a n d a r d sa n di d e f l xi n f o r m a t i o nm o d e l i n gt h e o r ya r es t u d i e di nd e t a i l ；a ni n t e g r a t i o n f r a m e w o r ku s i n gp l ma sam a n a g e m e n tt o o li sc o n s t r u c t e d ，a n dt h e nt h ei n t e g r a t i o no fk e y s y s t e mt e c h n o l o g i e si sa c h i e v e d f i n a l l yd e v e l o pa na d v a n c e da n dp r a c t i c a lp r o d u c td e s i g n p r o t o t y p es y s t e mb a s e do nm o d u l a rm e t h o di np r o d u c t so fs i n g l e - p i e c ea n ds m a l lb a t c h m a n u f a c t u r e ，m a k ea na n a l y s i so ft h ec o r er e q u i r e m e n t s 、f u n c t i o n a ls t r u c t u r ed e s i g na n dt h e d i v i s i o no ff u n c t i o n a lm o d u l eo ft h ep r o t o t y p es y s t e m ，b u i l da ni n t a c ti n f o r m a t i o nd a t a b a s e ， t h u sv e r i f yt h ep r a c t i c a l i t yo ft h em e n t i o n e dm e t h o do fm o d u l a rd e s i g na n dn e c e s s i t yo f i n f o r m a t i o nm o d e l i n g k e yw o r d s ：s i n g l ea n ds m a l lb a t c h ：m o d u l a r i t y ；i d e f l x ：x m l ：p l m 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：写，步、二亚 日期：加叼年见月2 2 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通盍堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整褒通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权盘董銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：鸳，、乏五钠签名：缛玩 日期：移拶号年f 月2 z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 日期2 胡年j2 ，月泌日 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 研究的背景 制造业是国民经济的支柱产业，2 1 世纪是全球加快推进信息化的时代，推进制造业 信息化，成为参与国际合作和竞争的关键。随着产品需求的多样化、复杂化，产品生命 周期的缩短以及市场的全球化，企业生产越来越具有明显的单件、多品种与小批量制造 模式的特征。代表性的行业有航空、航天工业、船舶工业、建筑机械工业、机床工业等。 产品设计作为生产制造过程的基础具有非常重要的地位，是产品开发的整个生命周 期中降低成本的重要环节，产品的设计在很大程度上决定了产品的性能、成本及制造周 期，直接影响企业的经济效益。产品设计是制造环节中重要的一环，整个设计进程是最 终决定产品技术经济效果的关键阶段，产品设计的质量直接关系到后续的生产。现有研 究表明，虽然产品设计阶段的成本只占整个产品生产成本的7 ，但产品成本的8 0 都 是在产品设计与开发阶段确定蒯。因此，不少企业开始关注8 0 的既定成本，纷纷寻 求有效方法，研究产品准备生产的重要环节一产品开发设计，高效、优质的满足用户对 产品多样化、多层次的需求，使产品不断保持先进性，最大限度地提高产品质量，降低 生产成本，缩短产品开发周期，从而增强企业对市场变化的适应能力。也就是说，产品 设计是决定产品命运的最重要环节。 单件小批生产类型的特点是产品对象基本上是一次性需求的专用产品，一般不重复 生产。由于单件小批量产品的多样性及产品设计过程的复杂性，设计人员不得不把大量 的时间和精力耗费在新产品的开发上，影响了工作质量，造成设计资源的浪费；由于按 订单组织生产，企业应该尽可能重用已有的设计资源来完成客户的订单，避免重复性劳 动，来保证生产快速有效地进行。因此，这就要求制造企业能够对市场和用户需求变化 做出快速响应，才能抓住一瞬即逝的市场机遇而立于竞争的不败之地。 为了快速、低成本、高质量地开发出新产品，单件小批量生产企业产品设计过程不 仅需要企业内各个业务部门的协同，还需要不同地域的多企业合作，因此，研究这类企 业设计信息活动的过程与规律，采用先进有效的设计方法如模块化设计方法、建立合理 的单件小批量设计信息模型是实现设计信息的集成化、缩短产品开发时间、获得最大的 产品功能的有效方法，并且能够有效地支持产品创新设计过程，实现产品全生命周期数 据交换，使不同区域的企业之间能够实现设计信息的集成与共享，从而提高产品质量和 开发效率，有利于企业以最低的成本，快速向市场提供质量高且符合要求的产品。 大连交通大学t 学硕十学位论文 1 2 研究的目的和意义 随着市场竞争的加剧，单件小批量生产规模的不断扩大，用户需求逐渐多样化，市 场对于产品的品种、规格、性能、质量以及交货周期方面提出了越来越高的要求，新的 市场竞争要求企业能快速、及时和廉价地提供能满足用户特殊要求的高质量产品。模块 化设计方法是提高产品质量，缩短产品开发时间，以最低的成本获得最大的产品功能的 有效方法。通过对机械产品结构的分析，零件的结构要素9 0 是通用、标准的，只有 1 0 左右的有特殊要求。而零件有7 0 - - 8 0 是相似的，只有2 0 3 0 因产品而异 多品种、小批量生产模式( 批量定制生产模式) ，从原有的以产品为单位的设计模式，转 而以模块为单位的设计和配制管理模式，其意义主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 简化设计过程，节约生产成本。模块化产品的构成模式可以用一个简单的公式 表达：新产品= 通用模块+ 专用模块。采用模块化设计方法，通过现有的通用模块( 不变 部分) 的不同组合、模块改型或增减专用模块形成新产品，只改变少量模块及组合关系 就可以形成新品种，从而减少了单件小批量产品设计的复杂性造成的冗余工作量，降低 了产品的成本。 ( 2 ) 提高生产效率，便于产品更新换代，取得市场竞争的主动权。产品的模块化设 计由具有一定批量的模块作为基本单元，产品被淘汰之后，其模块单元还可以被继续使 用，辅之以先进的加工设备、加工工艺及c a d c a m 等技术，可以提高生产效率且加快 新产品的开发步伐。 ( 3 ) 有利于提高产品的质量和可靠性并且妥善解决了多品种小批量和大批量加工之 间的矛盾。通过不断完善模块的性能和提高模块的质量，也就提高了模块化产品的质量， 而各种模块可集中在相应的专门工厂进行批量加工，可使单件小批量生产的方式变为以 部件为单位组织生产，这就解决了多品种小批量和大批量加工之间的矛盾。 ( 4 ) 模块化产品互换性强，具有良好的可维修性。由于模块化产品是由一些具有互 换特性的标准化模块集合而成的，可以以模块为单位进行维修，以提高产品的维修速度， 缩短修理周期，节约施工修理费用，提高施工效率，提高了维修的质量。 ( 5 ) 便于实现集成化、通用化且具有良好的效费比( 效能费用) 。模块化设计是根据 产品的不同建立在模块级上的集成化，采用模块化设计可以有效地提高系列产品的集成 化、通用化程度。 ( 6 ) 模块化变型系列产品的设计制造周期短，有利于发展多品种、小批量产品。采 用模块化设计方法，可以有效地增强产品结构的重构能力，模块化产品结构有利于建立 产品平台，一次设计可满足多种需求，得到一批不同品种、规格和式样的产品。 2 第一章绪论 企业为提高市场竞争力，必须要提高产品开发能力，缩短设计周期，迅速推出新产 品。单件小批量产品通常是根据用户特殊需求专门设计和生产的产品，由于单件小批量 产品设计的多样性和复杂性，增加了新产品设计开发的难度，设计人员应该尽可能重用 企业中已有的设计资源来完成客户的订单，避免重复性劳动。对产品设计中的大量数据， 不同企业设计人员要经常对所需的数字信息、图形信息、文字信息等信息进行交流和沟 通，必然要求动态联盟中的成员企业之间能够实现信息的集成与共享，建立统一的产品 设计集成信息模型成为实现企业信息化的有效途径之一，因此，对产品设计信息建模很 有必要。计算机、网络通讯等高新技术的迅速发展，实现设计自动化及设计信息模型的 有机融合，将有利于企业全面的信息化。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 产品设计方法现状综述 所谓设计，指的是把一种计划、规划、设想、问题解决的方法，通过视觉的方式传 达出来的活动过程。研究现代设计思想和设计方法，如何借助于各种先进技术使产品达 到科学与艺术的高度统一，以模块化、数字化、集成化、并行化、网络化为基础，使企 业具有快速设计能力，对提高企业的市场竞争力有着重大的意义。产品设计的方法有多 种，主要包括： ( 1 ) 全生命周期设计 就是面向产品生命周期全过程的设计，它是一种系统化的产品设计方法，同时同步 地设计与产品生命周期有关的过程，力求使产品开发者在设计阶段就考虑到从概念设计 到投放市场的整个产品生命周期中的所有因素，包括设计、分析、制造、装配、检验、 维护、可靠性、成本和质量等，以达到提高质量、降低成本、缩短开发周期的目的。 ( 2 ) 并行设计 并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) 是并行工程在产品设计及开发活动中的应用和体现。并 行设计要求在新产品开发的设计阶段就综合考虑产品生命周期中工艺规划、制造、装配、 测试、维护甚至售后服务等其它环节的影响，通过并行( 即同时) 考虑产品生命周期中的 这些环节，来实现缩短产品开发时间、降低产品成本以及提高产品质量的目的【2 1 。 ( 3 ) 绿色设计 绿色设计( g r e e nd e s i g n ) ，又称生态设计，它源于传统设计，但又高于传统设计，是 指利用产品全生命周期过程相关的各类信息( 技术信息、环境信息、经济信息) ，采用并 行设计等各种先进的设计理论和方法，使设计出的产品除了满足功能、质量、成本等一 般要求外，还具有对环境的负面影响小、资源利用率高等良好的环境协调特性【3 l 。 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 ( 4 ) 价值设计 价值设计( v a l u ed e s i g n ) 是价值工程在产品设计中的应用和体现。价值设计的实质， 一方面，是在开发产品时，针对提高性能和降低成本两个方面同时采取有效措施，以便 更有效地提高产品的价值；另一方面，是利用创造性等方法来寻找合理方案，向顾客提 供物美价廉的产品，以促进企业增加效益。价值设计中，提高产品价值的途径通常从功 能分析、性能分析以及成本分析中获得。 ( 5 ) k b e 智能化设计 知识工程k b e ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) n - - i 看成是人工智能在知识信息处理 方面的发展，在设计过程中，知识工程技术通过知识的管理，并和c a x 系统集成，实 现了产品的设计自动化，提高了产品的知识含量和附加值，提高了产品设计开发的质量 并节约了开发成本1 4 l 。k b e 的关键技术包括：知识获取、知识表示和知识推理。 ( 6 ) 网络化协同设计 产品开发过程往往是一个多学科人员共同参与协同工作的过程，协同设计技术强调 产品设计及其相关过程协同进行，将计算机技术、多媒体技术和网络通信技术与先进制 造技术相结合，使设计人员在异地分布的网络共享环境下协同工作、交互协商、分工合 作，协作开发同一产品，共同完成设计任务，从而最大限度地缩短产品开发周期1 5 j 。 ( 7 ) 特征设计方法 基于特征设计，直接利用特征来定义零件几何体，即将特征库中定义的特征实例化， 以实例特征为基本单元建立产品的特征模乳从而完成产品的设计或定义【6 1 。 ( 8 ) 模块化设计 模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能，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，通过模块的选择和组合可以构成 不同的产品，以满足市场不同需求的产品设计方法。模块化设计是以快速、经济的手段 设计出具有竞争能力的最优产品的有效途径，是值得大力发展的一种产品设计方法。 1 3 2 模块化方法在国内外研究现状 产品的模块化设计( m o d u l a rd e s i g n ) 始于2 0 世纪初，首先在欧洲出现了模块化家具， 然后扩展到机床等行业，随着科学技术的不断完善和发展，模块化设计才开始在其它行 业应用与发展起来，并日益显示出其强大的优越性。 ( 1 ) 国外发展情况1 7 1 【8 l ： 德国的一个家具公司于1 9 0 0 年用模块化原理设计出所谓的“理想书架”。该设计 是设计了几种不同尺寸的架体、底座和顶板模块，用户根据要求选择不同的架体组成适 4 第一章绪论 合自己需要的书架。这种书架就是我们已知的最早的按模块化原理设计的产品之一。此 后，这种原理思想逐渐为其他行业所采用，进而总结出模块化设计这一新的概念和方法。 模块化设计首先是针对机床产品设计所提出来的，诸如模块化机床、铣床等等。1 9 2 0 年左右，在欧洲，特别是德国的些厂家首先把模块化原理应用于铣床和车床等机床的 机械系统设计中。如德国的弗里茨一维尔纳公司设计的铣床，就是按功能将其划分成模 块而进行设计和制造的，这些模块可供用户选择以便很快捷的组装出符合客户需求的产 品【9 】。 2 0 世纪5 0 年代，欧美的一些国家正式、系统地提出“模块化设计”概念，自此以 后，随着其理论和应用技术的进展和完善，模块化设计愈来愈受到重视，模块化设计也 成为机械制造行业产品研发中普遍采用的一种现代化设计方法。 2 0 世纪6 0 年代，出现了模块化的工业气轮机，模块化集装箱也开始在运输行业中 出现。 2 0 世纪7 0 年代，模块化产品在建筑机械行业也得到迅速发展。例如，法国的p o t a i n 等公司用有限的模块有机组合成适用于各种具体施工需要的塔机。同时，由于大规模集 成电路的发展，模块化在电子行业也得到了成功的应用。 2 0 世纪8 0 年代，随着用户需求及市场环境的不断变化，工业发达国家竞相开发模 块化系列机电产品，进一步的加深了对模块化设计理论的研究，在新的环境下，模块化 设计又被提到了一个新的高度。 ( 2 ) 国内应用情况 模块化思想的萌芽早在我国古代的时候就己经出现，人们发现，几百年前的城砖就 是构成城墙的基本模块元素。 作为一种先进的设计方法，2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，模块化设计开始在我国 受到重视，并逐步得到应用。例如，组合家具就是按模块化进行设计、制造和组装的。 我国机床行业中不少厂家应用模块化设计原理进行新产品的开发或系列设计，取得不少 成果。除机床外，国内开始在其他机械产品开发上应用模块化设计原理：在减速器、变 速器的系列产品开发过程中，也大量应用了模块化结构。 1 3 3 一般信息建模方法简介 模型是人们为了研究和解释客观对象，而对客观对象进行思维、抽象后，用文字、 图表、符号、关系式以及实体模样描述所认识到的客观对象的一种简化的表示形式【1 0 j 。 面向产品生命周期的集成产品模型是一种对几何模型、特征模型及其相应建模技术进一 步加以综合和扩展，并融合了产品设计全过程的完整意义上的产品信息模型。目前常见 5 大连交通大学- f - 学硕十学付论文 的几种信息建模方法有e r 图、u m l 、i d e f 系列、d f d 图、s t e p 建模技术等。下面 先简单介绍一下各个方法。 ( 1 ) e - r 图 e r 数据模型( e n t i t y r e l a t i o n sd a t am o d e l ) 是信息建模的一个主要方法，旨在分析组 织中的数据，主要是从面向数据的角度来理解问题域。e r 图为实体联系图，即实体- 联系数据模型，实体( e n t i t y ) 、属性( a t t r i b u t e ) 弄t l 联系( r e l a t i o n s h i p ) 是e r 数据模型的三个 基本要素，用来描述现实世界的概念模型，其表示方法为： 实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名； 属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来； 联系：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起 来，同时在无向边旁标上联系的类型( 1 ：1 ，1 ：1 1 或m ：n ) 。 ( 2 ) u m l 统一建模语言( u m l ) 是用来对软件密集系统进行描述、构造、可视化和文档编制的 一种标准的建模语言。它是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。 u m l 的主要内容可以由下列五类图来定义：用例图、静态图、行为图、交互图、实现 图。1 9 9 6 年底，u m l 已占面向对象技术市场的8 5 ，1 9 9 7 年1 1 月，o m g 采纳u m l1 1 作为基于面向对象技术的标准建模语言。 ( 3 ) i d e f 系列 i d e f 是用于描述企业内部运作的一套建模方法。i d e f 是由美国空军1 9 8 1 发明应 用的用于复杂系统分析与设计的方法，称为i d e f 方法，现在则根据知识基础系统开发 的。i d e f 方法适用于创建各种系统的图像表达、分析系统模块、创建系统的最佳版本 和帮助不同系统之间的转换。其中最常用的是三种建模技术：i d e f o 、i d e f l x 和i d e f 2 。 其中i d e f 0 用来进行功能建模；i d e f l x 用来进行数据建模；i d e f 2 用于仿真建模设计。 ( 4 ) d f d 图 d f d ( d a t af l o wd i a g r a m ) 訇是指数据流程图，是一种结构化分析描述模型，用来对 系统的功能需求进行建模，它可以用少数几种符号综合地反映出信息在系统中的流动、 处理和存储情况。在建立d f d 时，采用自上而下，逐层展开的分解方法。常见的数据 流程图有两种： 一种是以方框、连线及其变形为基本图例符号来表示数据流动过程。 一种是以圆圈及连接弧线作为其基本符号来表示数据流动过程。 数据流程图分多少层次应根据现实际情况而定，图中有不同的元素，用p 表示处理， d 表示数据流，f 表示数据存储，s 表示外部实体。 6 第章绪论 ( 5 ) s t e p 方法 s t e p ( s t a n d a r de x c h a n g eo fp r o d u c td a t am o d e l ) 规定了具体的数据交换和共享的实 现形式，旨在建立一个统一模型中定义产品各阶段所需要的数据模型，它采用形式化语 言e x p r e s s 作为数据模型描述工具，数据模型包括通用集成资源、应用集成资源、应用 协议；工具包括描述方法、实现方法、一致性测试方法和抽象测试套件。s t e p 标准具 有简便、可兼容性、寿命周期长和可扩展性的优点，能够很好的解决信息集成问题。 ( 6 ) m p f 该方法基于功能结构对产品族进行分解。整个产品族的各个单一功能被列在m m ( 模 块指示矩阵) 的首列，而首行则表示产品族中的每个产品。 ( 7 ) u p m f c a x 面向c a x 技术的单元产品模型( u p m f a 奴) 。依据产品形成过程，对产品信息需求、 产品对象进行抽象并结合c a x 技术原理形成的产品模型。 ( 8 ) p e t r i 网建模方法 这种建模方法是1 9 6 2 年由p e t r i 首先提出的。p e t r i 网是一种用于离散异步并发系统的 建模工具，它通过对实际问题构造p e t r i 网，并对p e t f i 进行分析，从而揭示出系统的动态 特性等重要信息。 此外，产品开发过程建模方法还有g r a i 方法、a r i s 方法、甘特 羽( g a n t tc h a a ) 、 d e m 方法等。 1 4 论文主要研究内容与组织结构 单件小批量制造类型企业在我国制造业中起着十分重要的作用，产品设计开发阶段 是此类企业降低成本的重要环节，根据德国机械工程师协会( v d i ) g j 企业的调查，虽然 产品的设计开发成本通常仅占产品生产成本的6 ，但对产品总成本的影响却在6 0 以上 1 1 1 1 。本文以单件小批量产品为基本研究对象，主要对模块化设计中的模块划分与集成技 术进行了研究，并将一部分可重构模块化设计理论应用于单件小批量产品的设计过程。 由于单件小批量产品设计过程复杂，研究分析其设计信息规律，建立产品设计信息模型， 对于企业降低生产成本，提高其核心竞争力具有重要的意义。 本文内容的组织结构具体如下： 第一章：绪论。概述了些产品设计方法如全生命周期设计、并行设计、绿色设计、 价值设计、k b e 智能化设计、网络化协同设计、特征设计、模块化设计的基本概念及模 块化设计的国内外研究状况。介绍了企业信息建模的一些基本方法，如i d e f 、s t e p 等； 阐述了模块化设计的意义及企业设计信息建模的必要性，并据此确定本文主要内容的组 7 大连交通人学r 学硕十学位论文 织结构。 第二章：单件小批量产品设计过程分析。论述了单件小批量生产类型企业的生产特 点，在对典型产品设计过程分析的基础上，提出了单件小批量产品设计过程信息流模型： 总结了产品设计信息的内容及其标准化相关技术x m l ，并构建了基于x m l 的设计信息 共享模式。 第三章：可重构模块化设计方法在单件小批量生产中的应用。对本论文中采用的模 模块化设计方法作了进一步的阐释。重点论述了可重构模块化设计的基本思想及其设计 流程、模块化设计的基本理论和方法，如模块的划分以及集成的方法等。完成了单件小 批量产品的系列规划，并介绍了可重构模块化设计定理。 第四章：单件小批量产品设计集成信息模型研究。通过对本论文中采用的设计信息 建模方法s t e p 标准、i d e f 方法的基本原理的研究，集成内容及方式的讨论，建立了 相应的单件小批量产品设计模型，为下一章原型系统的信息集成做好理论准备。 第五章：设计开发基于模块化的单件小批量产品设计原型系统，通过对有计算机辅 助的模块化设计原型系统进行核心需求分析、系统功能框架设计及系统流程分析，建立 了完善的数据库，从而验证了上述模块化设计方法的实用性和信息建模的必要性。 结论：总结本文的主要研究内容以及对后续研究工作的展望。 8 第二章单件小批带产品设计过群分析 第二章单件小批量产品设计过程分析 2 1 单件小批量生产的特点 进入2 1 世纪以来，随着世界工业经济的发展，制造业目前存在着两种生产类型： 即多品种、单件、小批量生产和少品种、大批量生产，产品需求逐渐向多样化和个性化 过渡，小批量，一般指一次投料小于1 0 0 件的批量，进行轮番生产。代表性的行业有航 空、航天工业、船舶工业、重型机械、发电设备、大型锅炉、冶金机械、矿山机械、专 用设备等工业。如今单件小批量、多品种、高质量、交货期短和低成本，已逐渐成为制 造业明显的生产特征，此类企业的一般生产活动如下流程图： 获得订单 ， 俨未晶高司 l 采购供应j 了丁 ， 生产管理 + 作业计划 j 经营管理 图2 1 单件小批量企业生产活动流程图 f i g 2 1h o w c h a r to fs i n g l e - p i e c ea n ds m a l lb a t c hp r o d u c t i o na c t i v i t y 单件小批生产类型的企业在我国国有大中型企业中占有相当的比重，这类企业具有 产品批量小，产品的零部件品种多，产品结构复杂，产品设计和制造周期长，生产过程 的组织复杂、生产不重复或重复性很低等特点，产品具有技术密集与资本密集的特征， 产品的设计、生产、交付与安装服务都具有一定的临时性特征。这种生产类型一般具有 以下特点【1 2 l ： n ) 根据订单设计和生产，什么时候订，订多少是随机的，不可能全面规划实现整 体优化，需要按项目进行组织管理。产品品种多、生产数量少、规格多变。 ( 2 ) 企业在接到订单之后要进行产品设计和工艺设计，其时间往往占到合同交货期 的一半左右，产品设计和制造周期长，工艺复杂，工艺路线具有不固定性。生产技术准 9 人连交通大学t 学硕十学位论文 备和制造周期长。 ( 3 ) 对交货期的要求较严，且每次的订单同以前完全相同的产品不多，通常是根据 用户特殊需求专门设计和生产的产品，不同的产品意味着不同的设计，因此在生产过程 中产品品种繁多，生产对象不断在变化，虽非全新产品，但可能在设计、大小、尺寸、 形状上有新的变化。 ( 4 ) 产品结构复杂、建造周期长、重复作业比率低，较难采用流水线或专用工装设 备生产。成本难以动态监控，计划制定、平衡、优化难度大，调度困难、工作量大。 ( 5 ) 由于产品的复杂性，为了保证按期交货，企业一般难以在产品技术资金全部准 备完成后才开始生产，而是边设计、边生产、边修改，这是单件小批生产企业最显著的 特点。 2 2 产品设计在制造业中的地位与作用 产品的个性化，多样化主要表现为越来越多的产品是为特定顾客、特定目的和特定 环境下的使用而生产的，经济和科技的快速发展使客户希望得到满足其个性化需求的多 样化产品。这些要求包括产品的定制如颜色、尺寸、造型和配备都是依照客户的特别期 望与需求来完成的，产品要求单件小批量，而且要求交货时间要短。产品技术含量高， 意味着产品复杂，则产品设计的工作量就很大。由于按订单组织生产，签订合同后需要 马上进行产品设计，因此设计工作量大而集中。在企业的制造活动中，产品设计已成为 从根本上保证产品的质量、性能和价格的关键环节。 图2 2 产品制造过程信息流模型 f i g 2 2i n f o r m a t i o nf l o wm o d e lo fp r o d u c tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 单件小批量产品种类多而范围广，随着计算机技术的飞速发展和现代设计技术的日 趋先进，针对单件小批量类型制造企业的特点，研究针对这类企业的设计模式，对于提 高产品创新与市场应变能力、满足客户的多样化需求、优化制造过程与降低生产成本具 有重要意义。 1 0 第二章单件小批餐产品没计过麟分析 2 3 典型产品设计进程模式分析 产品设计过程模型是对产品设计过程的合理定义与描述，是实现产品设计过程管理 的基础。由于产品开发过程十分复杂，不可能采用一个模型描述产品全生命周期，必须 分阶段和方面进行描述。为此，产品设计过程般可分为需求分析、概念设计、技术设 计、详细设计、方案生产、方案评价四个阶段。 ( 1 ) 需求分析阶段需求分析是产品设计的第一步，它是在市场预测、可行性分析的 基础上，全方位采集用户的需求，对这些需求进行归类整理、分析和评价，最后确定各 个需求之间的逻辑关系和重要性，给出详细的设计要求表，作为设计、评价、决策的依 据。 ( 2 ) 概念设计阶段产品的概念设计是产品设计过程中最重要、最复杂，同时又是最 活跃、最富于创造性的设计阶段。设计知识、设计经验及设计实例的处理是概念设计阶 段的重要特征。广义上的概念设计是建立在需求分析的基础上，定义产品概念设计的详 细任务，它包括任务定义、功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设 计，把对产品的感性需求转化成可以实际操作的理性的设计目标和约束。 ( 3 ) 技术设计阶段技术设计是将方案变成具体的产品结构和部件。目的是研究满足 客户要求的总体几何形状和结构，创建模型，并进行大致的性能预测、机构分析、强度 分析等数值模拟分析工作，以初步确定设计方案。这阶段的主要工作包括：总体设计、 结构设计、重要参数设计、用户化设计和模型试验等。在此过程中，首先，要利用非常 强的检索能力查阅以往的设计实例和文献；其次，要利用计算机来进行几何建模，并进 行必要的性能预测、机构分析、强度分析等数值模拟分析计算。 ( 4 ) 详细设计阶段目的是在前面三个阶段的基础上，进一步确定产品各部分的详细 几何形状、尺寸和材料等，以及所有部件的其它设计参数，根据存储在数据库中的设计 标准、规范等利用计算机进行细致的几何形状和结构修改与确定，并进行详细的性能预 测、机构分析、强度分析等数值模拟分析工作；同时还得进行工艺设计，编制工艺文件， 生产准备文件，完成生产图纸等，最终获得产品的详细设计结果。 ( 5 ) 方案生成最终初步设计和详细设计完成后，将设计结果存储在数据库中，并完 成设计图纸，或直接进行计算机辅助制造，利用数控机床等加工制造产品。 ( 6 ) 方案评价根据设计需求和设计任务建立相应的指标体系，对生成的产品设计方 案进行分析和评价，并形成设计反馈。设计人员在设计阶段采用各种方法通过创新构思、 搜索探求，从多个方案中经过排序优选，取得满足客户要求和设计指标的方案。产品设 计过程可大体概括成如下图所示的阶段： 大连交通人学 ：学硕+ 学位论文 采集数据 理解组织 需求 任务定义 功能设计 原理设计 设计草图 模拟分析 几何建模 细节设计 材质设计 造型设计 产品模型 设计评估 市场推广 图2 3 产品设计过程模型 f i g 2 3m o d e lo fp r o d u c td e s i g np r o c e s s 产品设计过程模型是为了将产品生产过程中最有创造性价值的、又最不确定的设计 过程加以模型化、规律化，并最终为实现产品全生命周期的c a x 一体化集成打下坚实 的基础。按照上文产品设计所划分的阶段，提出了产品概念模型、设计模型，在产品概 念设计阶段，完成产品的需求模型向概念模型的转化；在产品工程设计阶段，形成以产 品结构为中心的产品设计信息模型中的核心模型即设计模型。 其相关数据和文档存储于分布式共享数据库中，通过概念映射形成各个阶段模型， 例如，产品制造阶段的工艺模型是将产品的设计b o m 以及零部件的设计属性传递到工 艺系统，形成以工艺b o m 为基础的产品工艺模型。同样，产品制造阶段的采购模型、 装配模型和制造模型也由产品设计模型转化而来【1 3 1 。下图为单件小批量产品设计过程信 1 2 第二章单件小批餐产品设计过程分析 息流模型示意图： 图2 4 单件小批量产品设计过程信息流模型示意图 f i g 2 4i n f o r m a t i o nf l o wd i a g r a mo fs i n g l e - p i e c ea n ds m a l lb a t c hd e s i g np r o c e s s 一般来说，产品设计过程模型着重描述以下5 个方面的内容： ( 1 ) 完成产品开发的整个过程； ( 2 ) 协调各子过程的相互关系； ( 3 ) 定义产品开发的组织模式； ( 4 ) 完成一个过程的任务、动作和步骤的秩序； ( 5 ) 给出每一个过程、任务和动作所采用的工具。 在一个制造企业中，一个典型的设计流程描述如下【1 5 】：企业在签订合同以后，首先 根据客户对产品的要求进行初步方案设计，初步方案设计决定着后续的详细方案设计与 制造的方向。评审通过的设计方案由项目负责人指定资深设计师在已有经验和知识的基 础上，根据用户的产品需求，按照有规律的设计步骤和流程，再结合贯穿始终的想象力 与灵感，描述产品结构树、指定材质、确定主要件，产品结构树描述完毕完成图纸的详 细设计，后进行图纸的拼接和总体验证，并通过审核后进行工艺流程设计，然后交与其 他部门。 1 3 火连交通大学下学硕十学何论文 2 4 产品设计信息 2 4 1 产品设计信息的构成 产品由部件和零件组成，部件又由子部件和相关零件组成，产品的构成关系常常用 产品结构树表示。产品结构树是一个由系列、产品、部件及零件所组成的树状结构。如 下图所示： 图2 5 零部件产品结构树 f i