（机械制造及其自动化专业论文）敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究.pdf

南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 摘要 激烈的市场竞争、客户的多样性要求以及严格的交货期，使碍企业越来越注重提 升自身的敏捷响应能力、降低产品的生产成本和满足客户的多样化需求。正是在这种 背景下大规模定制、敏捷化产品开发、面向装配的设计等先进生产设计方法被现代企 业争相应用。本论文将敏捷化产品开发与面向装配的设计方法相结合，以大规模定制 为核心指导，以面向产品族的装配模型为中心，以系列化和可装配性为两个实现目标， 以敏捷化为最终表现形式，展开对敏捷化开发环境下产品装配设计关键技术的研究， 主要包括如下几方面： 1 ) 研究了面向大规模定制的产品模块划分方法。针对现有产品模块划分方法的 不足，提出并建立了两类( 面向刨新设计、面向优化调整及再设计) 模块划分问题的 统一数学模型( 已知模糊相似矩阵及邻接矩阵，求解最优划分矩阵的问题) ；在此基 础上考虑划分对象之间的邻接关系，以模块内聚合度和模块间的分离度作为筛选条件 构造优化目标函数；然后根据划分矩阵的特点因地制宣应用遗传算法进行优化求解， 并设计了一种新颖的避免算法过早收敛的矩阵交叉方法。 2 ) 研究了敏捷化开发环境下产品装配建模方法。针对现有装配模型难以有效支 持产品概念设计、参数化设计到详细设计进化全程的问题，以系列化和可装配性为两 个实现目标，提出并建立一种面向产品族的支持敏捷化开发的混合装配模型( 由骨架 模型、属性模型、约束关系模型、层次结构模型、参数化设计模型组成) 。通过引入 高层次的装配骨架模型反映设计意图并向下游传播设计约束( 至属性模型) ，实现自 项向下的设计方法；通过引入低层次的约束关系模型记录零部件之间的各种装配约束 关系，为后续的序列规划和可装配性分析提供信息支持；通过引入参数化设计模型完 成装配体中各模块的变型设计，实现知识的重用和再用。 3 ) 研究了基于遗传模拟退火算法的产品装配序列规划方法。分析了传统零件序 列表示方法的不足，提出了边( 接触联接关系) 序列的表示方法，在此基础上对边序 列的几何可行性分析、边序列的还原、零件可行直线装配方向推理及边序列的简化进 行了研究。从便于高效自动筛选角度，研究了影响边序列质量的工艺因素，在此基础 上建立了边序列的优化目标函数，应用遗传模拟退火算法进行装配序列的优化求解。 对于遗传模拟退火算法参数多难确定的闯题提出采用正交试验( 初步定位) 与对比试 验( 精确定位) 相结合的方法进行求解。 4 ) 研究了基于熵权与模糊优选的产品可装配性评价方法。分析了传统产品可装 配性评价方法的不足，建立了由方案层、语义层、零件层、过程层四层组成的与产品 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 设计过程并行进行的逐步求精评价体系，在此基础上引入熵的原理( 确定各层指标的 客观权重) 、最小二乘法原理( 确定各评价对象的优良隶属度) ，利用综合模糊评价方 法展开对产品装配设计各阶段的可装配性进行评价，并实时反馈阶段评价结果和改进 建议。 5 ) 研究了敏捷化开发环境下产品装配设计系统。从方法论、功能目标、组织方 式三方面进行了系统的需求分析，提出了敏捷产品装配设计系统的整体技术方案，并 在此基础上构建了基于项目管理监控的系统体系结构和基于w e bs e r v i c e s 技术的企 业应用集成框架，最后基于上述思想进行了系统原型开发，并展示了相关功能模块界 面。 关键词：敏捷化产品开发；面向装配的设计；大规模定制：模块划分；装配建模；序 列规划：可装配性评价；整体技术方案： 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 a b s t r a c t d u et of i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，d i v e r s i t yo fc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t sa n ds t r i c td a t e o fd e l i v e r y ，e n t e r p r i s e sa r ed e v o t i n gm o r e , a n dm o r ea t t e n t i o nt op r o m o t et h ea g i l er e s p o n s e c a p a b i l i t y ，l o w e rt h ep r o d u c t i o nc o s ta n dm e e ct h ed i v e r s i f i e dd e m a n d s e x a c t l yu n d e rt h i s k i n do fb a c k g r o u n d , t h et h e o r yo fm a s sc u s t o m i z a t i o n ，d e s i g nf o ra s s e m b l ya n do t h e r a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gc o n c e p t i o na r ea p p l i e da g g r e s s i v e l yb ym o d e m e n t e r p r i s e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep a t t e r no fa s s e m b l yd e s i g ni na g i l ep r o d u c td e v e l o p m e n ti sp r o p o s e d ， w h i c hc e n t e r so nt h ea s s e m b l ym o d e lf o rp r o d u c tf a m i l y ，t a k e ss e r i a l i z a t i o na n d a s s e m b l a b i l i t ya st w or e a l i z e dp u r p o s e sa n dc o n s i d e r sa g i l i t ya st h eu l t i m a t ee x p r e s s i o n t h ec o r r e l a t i v ek e yt e c h n o l o g i e si nt h i sr e s e a r c ha r ea sf o u o w s ： f i r s t l y ，m o d u l ep a r t i t i o nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n i s s t u d i e d a c c o r d i n gt o t h e s h o f t c o m i n go fc u r r e n tr e s e a r c hm e t h o d s ，t h eu n i f o r mm a t h e m a t i c sm o d e l ( f o rb o t h p r o d u c ti n n o v a t i v ed e s i g na n dp r o d u c tr e - d e s i g n ) a b o u tm o d u l ep a r t i t i o ni ss e tu p ，w h i c hi s g e n e r a l i z e dt h a th o wt oo b t a i nt h eo p t i m a lp a r t i t i o nm a t r i xg i v e nt h ef u z z ys i m i l i t u d e m a t r i xa n da d j a c e n c ym a t r i x o nt h ea b o v ef o u n d a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ea d j a c e n tr e l a t i o n s a m o n gp a r t i t i o no b j e c t s ，t h ef i t n e s sf u n c t i o ni sc o n s t r u c t e db yi n t e r n a lc l u s t i n gd e g r e ea n d e x t e r n a ld e t a c h e dd e g r e e s i n c et h ee l e m e n to f p a r t i t i o nm a t r i xo n l yh a st w on u m b e r ss u c h a s0o r1a n dt h ec o l u m ne l e m e n to fp a r t i t i o nm a t r i xo n l yh a su n i q u e l y1 ，g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sa p p l i e d - t os e a r c hf o ro p t i m a lp a r t i t i o nm a t r i x i no r d e rt oa v o i de a r l yc o n v e r g e n c e o fg a ，an o v e lm a t r i xc r o s sm e a n si sa l s op r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h ea s s e m b l ym o d e l i n gt e c h n o l o g yf o ra g i l ep r o d u c td e v e l o p m e n ti ss t u d i e d i no r d e rt os u p p o r tb o t ht h et o p - d o w na n dt h eb o a o m u pd e s i g np r o c e s s e s ，ah y b r i d a s s e m b l ym o d e lf o rp r o d u c tf a m i l yi sp r o p o s e d ，w h i c hc o n t a i n st h ea s s e m b l yf r a m e w o r k m o d e l ，t h eh i e r a r c h ym o d e l ，t h ec o n s t r a i n tr e l a t i o nm o d e l ，t h ec o m p o n e n ta t t r i b u t em o d e l a n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d e l t h el l i g h - l e v e la s s e m b l yf r a m e w o r km o d e li si n t r o d u c e d t oi m p l e m e n tt h et o p - d o w nd e s i g np r o c e s s ，w h i c hc a l lr e f l e c tt h ed e s i g n e r s i n t e n t i o na n d t r a n s f e ra s s e m b l yc o n s t r a i n t st ot h eb o t t o mp h a s e t h eb a s i cc o n s t r a i n tr e l a t i o nm o d e li s u s e dt oi m p l e m e n tt h eb o a o m - u pd e s i g np r o c e s s ，w h i c hc a nc h e c k 。m o d i f ya n dc o m p l e t e t h er e c o n s t r u c t i o no ft h ea s s e m b l ym o d e l t h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d e li sa p p l i e dt o a c c o m p l i s ht h ep r o d u c tv a r i a n td e s i g n , s oa st or e a l i z et h er e u s eo fk n o w l e d g e t h i r d l y ，t h ea s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n gb a s e do ng e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h m ( g s a a ) i sr e s e a r c h e d a f t e rt h el i m i t a t i o no fw a d i t i o n a lr e p r e s e n t a t i o no f m 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 a s s e m b l ys e q u e n c e si sa n a l y z e d ，t h ee d g es e q u e n c e , w h i c hd e n o t e st h ec o n t a c t i n gr e l a t i o n s o fa s s e m b l yc o n n e c t i o ng r a p h ，i sp r o p o s e d t h eg e o m e t r yf e a s i b i l i t yo fe d g es e q u e n c e s ， t h ed e o x i d i z a t i o no fe d g es e q u e n c e s ，t h er e a s o n i n go fp a r tf e a s i b l el i n ea s s e m b l yd i r e c t i o n s a n dt h ep r e d i g e s t i o no fe d g es e q u e n c e sa l es t u d i e d t h e nt h eo p t i m a lf i t n e s sf u n c t i o n i n c l u d i n gn u m b e ro fc o n f l i c t i n ge d g e s ，s u b - a s s e m b l ys t a b i l i t y , g r o u p i n go p e r a t i o n sa n d n u m b e ro fl i n er e o r i e n t a t i o n si ss e tu p f u r t h e r m o r e ，am o d i f i e dg s a ai sp r e s e n t e dt o o p t i m i z ea s s e m b l ys e q u e n c e s t h en e a r - o p t i m a lv a l u e so ft h i sa l g o r i t h m sp a r a m e t e r sa l e o b t a i n e db yc o m b i n i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t ( w h i c hi su s e dt 0s o r to u tt h er o l l g hv a l u e s l w i t hc o n t r a s t i v ee x p e r i m e n t ( w h i c hi su s e dt od e t e r m i n et h ep r e c i s ev a l u e s ) f o u r t h l y ，t h ea s s e m b l a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o db a s e do ne n t r o p ym e t h o da n df u z z y o p t i m i z a t i o ni ss t u d i e d a f t e rt h ed e f i c i e n c yo fp r e s e n ta s s e m b l a b i l i t ye v a l u t a t i o nm e t h o d i s a n a l y z e d ，af o u rl a y e r s e v a l u a t i n gf r a m e w o r ks y s t e mi n c l u d i n gd e s i g ns c h e m el a y e r ， s y m a n t i cl a y e r ，p a r tl a y e ra n dp r o c e s sl a y e ri sb u i l ts t e pb ys t e p ，w h i c hi sp a r a l l e lw i t h p r o d u c td e s i g np r o c e s s t h e nac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na p p r o a c hb a s e do ne n t r o p y m e t h o d ( w h i c hi su s e dt od e t e r m i n ee v e r yl a y e r i n d e x e s i n f l u e n c i n gw e i g h t s ) ，l e a s t s q u a r e s ( w h i c hi su s e dt og e tt h eo p t i m a lm e m b e r s h i pd e g r e e ) a n df u z z ys e ti sp r o p o s e dt o e v a l u a t ep h a s ea s s e m b l a b i l i t yd u r i n gp r o d u c td e s i g np r o c e s s ，a tt h es a m et i m et h ep h a s e e v a l u a t i n gr e s u l t sa n ds u g g e s t i o n sa l ep r o v i d e d f i n a l l y ，t h ea g i l ea s s e m b l yd e s i g ns y s t e m i sr e s e a r c h e d a f t e rt h e s y s t e m s r e q u i r e m e n ti sa n a l y z e df r o mt h ev i e w p o i n to fm e t h o d o l o g y ，f u n c t i o nt a r g e t ，o r g a n i z a t i o n m o d e ，t h et o t a lt e c h n i c a ls o l u t i o n ，w h i c hc e n t e r so nt h ea s s e m b l ym o d e l ，t a k e ss e r i a l i z a t i o n a n da s s e m b l a b i l i t ya sr e a l i z e dp u r p o s e s ，c o n s i d e r sa g i l i t ya st h eu l t i m a t ee x p r e s s i o n ，i s p r e s e n t e da n dp l a n n e d t h e n ，t h es y s t e mf r a m e w o r kb a s e do np r o j e c tm a n a g e m e n ta n d e n t e r p r i s ea p p l i c a t i o ni n t e g r a t e df r a m e w o r kb a s e do nw e bs e r v i c e st e c h n o l o g ya l eb u i l tu p o nt h ea b o v ef o u n d a t i o n ，t h es y s t e mp r o t o t y p ei sd e v e l o p e d ，a n dt h er e l a t i v ef u n c t i o n i n t e r f a c e sa l ea l s od i s p l a y e d k e yw o r d s ：a g i l ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t ( a d p ) ：d e s i g nf o ra s s e m b l y ( d f a ) ；m a s s c u s t o m i z a t i o n ( m c ) ；m o d u l ep a r t i t i o n ；a s s e m b l ym o d e l i n g ；a s s e m b l ys e q u e n c e s p l a n n i n g ( a s p ) a s s e m b l a b i l i t ye v a l u a t i o n ；t o t a lt e c h n i c a ls o l u t i o m i v 南京理工大学博士学位论文 敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 图清单 图1 1 论文总体研究思路5 图1 2 论文组织结构图1 7 图2 1s t o n e 总结的三种流判断准则2 1 图2 2 面向创新设计的模块划分求解流程2 5 图2 3 面向优化调整及再设计的模块划分求解流程2 6 图2 4 种群两染色体交叉示意图3 3 图2 5 机油泵功能结构图3 5 图2 6 物料流、信号流、能量流邻接矩阵及客户需求与功能单元之间的相关矩阵，3 5 图2 7 相对于客户需求的功能模糊相似矩阵3 6 图2 8 优化目标函数值与初始种群、运行代数之间的关系3 6 图2 9 平均聚合度与种群大小、运行代数之间的关系3 6 图2 1 0 平均分离度与种群大小、运行代数之间的关系3 7 图3 1 装配语义分类层次结构4 l 图3 2 轴一键一体装配结构示意图4 2 图3 3 轴一衬套( 带轴房) 一体装配结构示意图。4 3 图3 4 标准圆柱直齿传动装配结构示意图4 4 图3 5 面向产品族的混合装配模型信息组成及各子模型之间的关系4 6 图3 6 装配形状特征之间的装配关系矩阵5 3 图3 7 机油泵设计方案原理布局图5 4 图3 8 机油泵中存在的主要装配语义5 4 图3 9 机油泵装配骨架模型，5 5 图3 1 0 装配语义传递的主动轴装配形状特征5 5 图3 1 1 详细设计完成后的主动轴属性模型5 7 图3 1 2 机油泵主要装配语义传递装配约束进化示意图5 7 图3 1 38 e 1 5 0 z 。c 柴油机机油泵装配图5 8 图4 1 非单调装配示意图及其联系图“剐6 l 图4 2 基于遗传模拟退火算法的装配序列规划流程图6 8 图4 38 e 1 5 0 z 。c 柴油机机油泵装配图与联系图( 去除调压阀分部件) 7 0 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 图4 4 交叉概率与最优结果运行代数之间的关系7 6 图4 5 变异系数p m 与最优结果运行代数之间的关系7 6 图4 6 初始温度与最优结果运行代数之间的关系7 6 图4 7 种群大小与最优结果运行代数之间的关系7 7 图4 8 衰减系数与最优结果运行代数之间的关系7 7 图4 9 最优近优参数下算法迭代过程7 7 图5 i 产品可装配性逐步求精评价思路8 1 图5 2 产品可装配性四层评价指标体系8 2 图5 3 产品可装配性逐步求精评价流程9 2 图5 48 e 1 5 0 z 。c 柴油机机油泵设计方案一示意图9 3 图5 58 e 1 5 0 z 。c 柴油机机油泵设计方案二示意图9 4 图5 68 e 1 5 0 z 。c 柴油机机油泵设计方案三示意图9 4 图5 78 e 1 5 0 z 。c 柴油机机油泵设计方案四示意图9 4 图6 1 敏捷化开发环境下产品装配设计的整体技术方案i 0 0 图6 2 敏捷产品装配设计系统体系结构图1 0 2 图6 3 基于w e bs e r v i c e s 技术的企业应用集成框架1 0 4 图6 4 敏捷化开发环境下产品装配设计系统功能结构图1 0 5 图6 5 敏捷装配设计系统w e bs e r v i c e s 服务页面1 0 7 图6 6 集成系统登录界面1 0 7 图6 7 任务分解、人员资源分配界面1 0 8 图6 8 项目管理务执行甘特图1 0 8 图6 9 设计人员查看分配任务开始进行设计1 0 8 图6 1 0 敏捷装配设计系统主界面1 0 8 图6 1 l 客户注册登录界面1 0 9 图6 1 2 用户需求信息输入1 0 9 图6 1 3 客户需求分析1 0 9 图6 1 4 产品功能结构分解1 0 9 图6 1 5 相对于客户需求的功能相关矩阵建立1 0 9 图6 1 6 面向创新设计的功能模块划分1 0 9 图6 1 7 设计人员进行原理方案布局设计1 1 0 图6 1 8 设计人员进行装配骨架模型设计1 1 0 x 南京理工大学博士学位论文 敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 图6 1 9 设计人员进行零件属性模型设计1 1 0 图6 2 0 辅助工具集中的公差查询界面1 1 0 图6 2 l 机油泵进行实体装配运动仿真1 1 0 图6 2 2 联系图维护管理界面1 1 0 图6 2 3 接触联接优先矩阵建立1 1 1 图6 2 4 稳定性聚合性矩阵建立1 1 l 图6 2 5 基于遗传模拟退火算法的产品装配序列优化方法1 1 1 图6 2 6 基于熵权与最小二乘法的设计方案可装配性评价1 1 1 x i 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 表清单 表2 。l 客户需求表。3 4 表2 2p o p s i z e = 4 0 ，p m = 0 1 0 时算法迭代过程3 7 表3 1 产品层次模型表结构5 1 表3 2 产品模块划分表结构5 l 表4 1 机油泵联系图边与边之间的优先关系矩阵( 1 - 2 1 ) 7 0 表4 2 机油泵联系图边与边之间的优先关系矩阵( 2 2 4 2 ) 7 1 表4 3 机油泵稳定联接矩阵7 2 表4 4 机油泵联系图各边与零件之问的对应关系矩阵7 3 表4 5 各参数因子及相应的水平7 4 表4 6 正交试验表7 4 表5 1 四种设计方案的指标评价值9 5 表5 2 四种设计方案的评价结果9 6 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 缩略词表 a d p a g i l ed e v e l o p m e n to f p r o d u c t ( 敏捷化产品开发) a e m a s s e m b l a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d ( 可装配性评价方法) a m a g i l em a n u f a c t u r i n g ( 敏捷制造) a o p d a s s e m b l y - o r i e n t e dp r o d u c td e s i g n ( 面向装配的产品设计方法) a p i a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ( 应用程序接e 1 ) a s a s s e m b l ys e m a t i c s ( 装配语义) a s p a s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g ( 序列规划) c e c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ( 并行工程) d a c d e s i g nf o r a s s e m b l yc o s t - e f f e c t i v i n e s s ( 面向装配成本效率的设计) d f a d e s i g n f o r a s s e m b l y ( 面向装配的设计) e s e d g es e q u e n c e ( 边序列) g a g e n e t i c a l g o r i t h m ( 遗传算法) g saa g e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ( 遗传模拟退火算法) h q h o u s eo f q u a l i t y ( 质量屋) m c m a s sc u s t o m i z a t i o n ( 大规模定制) m p m o d u l ep a r t i t i o n ( 模块划分) m t m m o d u l e i n d i c a t i o n m a t r i x ( 模块指示矩阵) m f d m o d u l a rf u n c t i o nd e p l o y m e n t ( 模块功能配置) n i s t n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ( 美国国家标准及技术研究所) n p n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ( 非多项式确定) p m p r o j e c tm a n a g e m e n t ( 项目管理) q f d q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ( 质量功能配置) s a a s i m u l a t e da n n e a l i n gm g 嘶t l l ( 模拟退火算法) s o a p s i m p l e o b j e c t a c c e s sp r o t o c o l ( 简单对象访问协议) v a v i r t u a la s s e m b l y ( 虚拟装配) v a d e v i r t u a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ( 虚拟装配设计环境) v e v w m a le n t e r p r i s e ( 虚拟企业) v m v t r m a lm a n u f a c t u r i n g ( 虚拟制造) v r v i r t u a lr e a l i t y ( 虚拟现实) 硼 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，。也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 1 似 年f 月r 日 | 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：僻月j e t 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建摸与可装配性研究 1 1 引言 1 绪论 科学技术的飞速发展，特别是信息技术的发展，给制造业带来了前所未有的挑战， 同时也带来了巨大的发展机遇。传统的相对稳定的市场己逐渐变成了动态多变的市 场：( a ) 产品生命周期明显缩短，产品更新加快；( b ) 客户多样性需求明显增多，产品 品种增加，批量减少；( c ) 产品的质量、价格、交货期己成为增强企业竞争力的三个 决定性因素，特别是缩短和信守交货期日益受到重视。为了能在这种混沌多变的市场 环境中求得生存和发展，企业必须加快新产品的上市时间t ( t i m et om a r k e t ) ，改善 产品质量q ( o u a li t y ) ，降低产品成本c ( c o s t ) 以及提供更好的服务s ( s e r v i c e ) 和更 环保e ( e n v i r o n m e n t ) 的产品。但是追求更完善的t 、q 、c 、s 、e 是永无止境的过程， 企业为了达到这些目标就必须不断对生产经营过程的各个方面进行改进和优化，以提 高自身适应无法预测、持续快速变化的竞争环境的能力，即敏捷化竞争能力。 产品开发是制造业中最为重要的组成部分之一，现代企业的技术创新能力、新产 品的开发能力和开发速度已成为企业核心竞争力的重要体现。尽管产品开发活动本身 的成本只占产品总成本的很小一部份，但却对产品总成本有很大的影响。m o u o y 等 研究表明“1 ：产品生命周期中约8 5 的费用是由产品开发阶段所决定的，而这一阶段 本身所需要的费用仅占总费用的5 。进一步的研究表明0 1 ；不仅产品成本绝大部分 是由设计开发阶段所决定的，而且其中很大部分是由设计的早期阶段，即概念设计阶 段所决定的，概念设计方案的缺陷几乎不可能由后续的详细设计来克服，在概念设计 阶段所做的决策对于产品的装配、制造、成本、性能、可靠性、安全性及环境有着重 大的影响。由于产品开发过程的交叉性、叠代性，在设计早期进行修改显然要比在设 计后期进行修改容易且所付出的代价也会小得多，从面能缩短新产品投入市场的时 间。p o r t 等研究表明。：最先推出下一代新产品的头两名制造商将拥有8 0 的市场份 额。新产品上市早将使企业有更大的机会获取巨额的附加利润，从而使企业占据更为 有利的地位。因此研究和实施敏捷化产品开发方法，在设计过程中及早兼顾考虑产品 下游阶段的一些生产活动，不仅可以有效降低产品开发成本、提高企业新产品开发速 度，而且还能达到提高企业敏捷化竞争能力的目的。 1 2 课题背景 制造业的新技术、新概念往往都是围绕着市场需求的变化而诞生的。自2 0 世纪 1 绪论 博士论文 7 0 年代以来，越来越丰富的商品供应带来了越来越激烈的市场竞争，同时也促进了 客户需求的多样化。为了适应这种变化，许多发达国家开展了大量的对策研究。研究 认为在产品的上市时间、质量、成本和服务四大关键竞争因素中，质量已不再是市场 竞争的最大优势。创新周期缩短和全球化市场的形成，企业面临着不可预测和不断变 化的市场，只有快速响应市场需求，提供满足用户个性需求的产品，才能在竞争中占 据有利地位m 。 敏捷制造和大规模定制就是在这种背景下提出的。敏捷制造着眼于小规模、模块 化组合和企业间合作生产，发挥众多特长企业的优势来适应变化多端的市场需求，把 宏观的国际需求与具体的公司生产密切结合，充分发挥人的因素，及时抓住机遇，快 速响应市场“1 。敏捷制造被认为是下一代制造策略而得到美国、日本和欧共体等国家 和地区的普遍重视，并就敏捷制造的实现方法和途径开展了广泛的研究和探索。大规 模定制是一种试图将大规模生产的高速度、低成本同定制生产所具有的满足客户个性 化需求统一起来实现的一种新型生产模式。由于产品首先是设计出来的，m i t c h e l lm 于1 9 9 6 年提出了大规模定制设计( 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 ) 的概念： 利用并行工程的流程管理方式和产品族设计的思想进行产品设计，在产品设计的早期 阶段就考虑范围经济性和批量经济性，以便能有效地满足客户需求”。由于新产品开 发是一场新的关于时间的战争。6 3 ，针对敏捷化竞争，d m a n d s e r s o n 和b j o s e p hp i n e i i 合作于1 9 9 7 年出版了专著大规模定制下的敏捷产品开发，详细论述了大规模 定制下敏捷产品开发问题，并建议采用参数化、模块化、标准化等方法来提高产品开 发的敏捷性、缩短产品开发的周期”：。尽管敏捷化产品开发是从大规模定制延伸而来， 但是在敏捷制造理念下，敏捷化产品开发被描述为一种基于速度竞争的产品开发模 式。面对敏捷化竞争环境，在产品的功能和结构日趋复杂、人们追求个性化产品的意 愿日益强烈的情况下，敏捷化产品开发以先进的设计、生产和组织方式为工具，着眼 于持续地的改善产品开发过程，采用产品开发和市场投入的速度领先战略，以求得产 品开发的领先优势43 。 装配是产品开发活动中最具影响力的一个环节。现代产品的竞争是性能、质量、 价格、上市时间、外观形状、售后服务等多种因素的综合竞争，所有这些因素无不与 装配存在密切的联系。1 9 9 0 年，w o m a c k 等“在一项耗资$ 5 0 0 万的调查中发现：产品的 装配劳动量约占产品生产总工时的2 0 3 0 ，装配成本约占生产总成本的4 0 。自动 化装配程度的高低，不是影响生产率高低的直接因素，装配费用成为许多制造企业费 用的最大组成部分，形成了“装配瓶颈”现象。研究还发现：在提高生产率方面，产 品的可制造性和易装配性比自动化程度更为重要。如果产品设计本身存在不足或缺 陷，在后续制造或装配工艺方面的任何改善( 包括采用先进制造工艺、提高自动化程 度、增加机器人等) 都不可能最有力地提高生产率和降低生产成本，使这个产品具有 2 南京理工大学博士学位论文敏捷化开发环境下产品装配建模与可装配性研究 很强的竞争性。为了达到缩短产品开发周期的目的，不仅要求在设计阶段就考虑产品 的可装配性，而且要求在设计时考虑得越早越好。面向装配的设计( d e s i g nf o r a s s e m b l y ，d f a ) 正是这样一种在装配设计阶段统筹兼顾的设计思想和方法，在产品 设计过程中利用各种技术手段，如分析、评价、规划、仿真等，充分考虑产品的装配 环节及其相关的各种因素的影响，在满足性能与功能的条件下改进产品装配结构，使 设计出来的产品是可以装配的，并尽可能降低装配成本和产品总成本“”。 基于上述认识，本论文将敏捷化产品开发与面向装配的设计方法结合在一起，融 合形成敏捷化开发环境下产品装配设计方法，该装配设计方法以大规模定制理念作为 指导，以面向产品族的装配建模为中心，以系列化和可装配性为两个实现目标，以敏 捷化作为最终表现形式。其实现方式就是组织利用全球丰富的开发资源和高素质人 才，采用模块化设计、面向装配的设计思想和并行工程流程管理的理念进行产品设计， 以达到既能快速响应市场变化、满足客户的多样化要求，又能降低装配成本和产品总 成本的目的。本质是大规模定制、敏捷制造、面向装配的设计等先进理念的紧密结合 和升华。 1 3 国内外研究现状 2