（机械设计及理论专业论文）基于网络的机床产品大规模定制方法的研究.pdf

摘要 随着大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 生产模式的产生，大规模定制企业的核心 能力表现为其能够低成本、高效率地为顾客提供充分的商品展示，从而最终满足顾客的个 性化需求。我国大部分企业至今仍然采用传统的大批量生产模式，显然这种模式已经不能 与国外先进的生产模式相竞争。 以我国机床行业为研究背景，选择雕刻机f 1 5 0 4 0 为具体研究实例，阐述了大规模定 制的原理和相关技术。文章的主要内容如下： ( 1 ) 研究了国内外大规模定制生产的发展现状，阐述了大规模定制原理和实现大规模 定制的关键技术。 ( 2 ) 构建了机床产品定制系统的体系结构。具体阐述了系统的功能需求、基于模块化 的产品族、系统的体系结构、工作流程等，给出了实现定制系统的关键技术。 ( 3 ) 阐述了m c 环境下机床产品族零部件的建模过程、定制产品的实现过程以及基 于实例推理技术的基本原理。在此基础上利用s o l i d w o r k sa p i 以及s o c k e t 通信技术实现 了机床产品族的二次开发。 ( 4 ) 研究了快速原型技术的基本原理和特点，以雕刻机r 5 0 4 0 为例，给出了快速原 型技术的实际加工过程。 ( 5 ) 在上述研究理论的基础上，实现了基于网络的雕刻机产品定制系统，验证了基于 网络的机床产品大规模定制方法的可行性与正确性。 关键词：大规模定制，产品族，基于实例的推理，s o l i d w o r k s a p i ，快速原型 a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g i n go fm a s sc u s t o m i z a t i o n , t h ec o r ec o m p e t e n c eo fm a s sc u s t o m i z a t i o n e n t e r p r i s eh a sb e e ns h o w na sl o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c yt op r o v i d et h ec u s t o m e r ss u f f i c i e n t c o m m o d i t ya n dt h e nm e e tt h ei n d i v i d u a ln e e d so ft h ec u s t o m e r s w h e r e a s ，am a j o r i t yo f n a t i o n a le n t e r p r i s e sh a v ea d o p t e dt h et r a d i t i o n a lm o d ew i t l lm a s sp r o d u c t i o ny e t t h a tc a nn o t a l r e a d yc o m p e t e 、析mf o r e i g na d v a n c e dp r o d u c t i o nm o d e b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fm a c h i n et o o li n d u s t r yi nc h i n a ，t h ec a r v i n gm a c h i n ef 1 5 0 4 0 w a ss e l e c t e da st h es p e c i f i ce x a m p l et or e s e a r c h ，t h ep r i n c i p l ea n dc o r r e l a t e dt e c h n o l o g i e so f m a s sc u s t o m i z a t i o nw e r ee x p o u n d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo fm a s sc u s t o m i z a t i o na th o m ea n da b r o a dw e r er e s e a r c h e d ， a n dt h em a s sc u s t o m i z a t i o np r i n c i p l ea n di t sk e yt e c h n o l o g yw e r ee l a b o r a t e d ( 2 ) t h ea r c h i t e c t u r eo fm a c h i n et o o lp r o d u c t i o nc u s t o m i z a t i o ns y s t e mw a sb u i l t t h e f u n c t i o nd e m a n do fs y s t e m ，t h ep r o d u c tf a m i l yb a s e do nm o d u l a r i z a t i o n , t h es y s t e ms t r u c t u r e ， t h ew o r k i n gp r o c e s se t c w e r ed e s c r i b e di nd e t a i l e d ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e a l i z i n gt h e c u s t o m i z a t i o ns y s t e mw e r ee x p r e s s e d ( 3 ) t h em o d e l i n gp r o c e s so fm a c h i n et o o lp r o d u c tf a m i l yp a n su n d e rt h em ce n v i r o n m e n t ， t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fc u s t o m i z e dp r o d u c t s ，a n dt h ek e y s t o n eb a s e do nt h ec a s e b a s e d r e a s o n i n gt e c h n o l o g yw e r ee x p o u n d e d o nt h i sb a s i s ，t h es o l i d w o r k sa p ia n ds o c k e t c o m m u n i c a t et e c h n o l o g yw e r eu s e dt or e a l i z ef o rd e v e l o p i n gt h em a c h i n et o o l p r o d u c t i o n f a m i l i e s ( 4 ) t h eb a s i cp r i n c i p l eo fr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n dc h a r a c t e r i s t i cw e r es t u d i e d t a k eac a s eo fc a r v i n gm a c h i n ef i 5 0 4 0 ，t h ea c t u a lm a c h i n i n gp r o c e s so fr a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g yw e r ee x p r e s s e db yc o m b i n gt h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y 、析t 1 1m ct e c h n o l o g y ( 5 ) o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c ht h e o r i e s ，i n t e r n e t - b a s e dc a r v i n gm a c h i n ep r o d u c t s c u s t o m i z a t i o ns y s t e mw a sr e a l i z e d t h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so fi n t e m e t - b a s e dm a c h i n e t o o lp r o d u c tm cm e t h o dw e r ev e r i f i e d k e yw o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n ，p r o d u c tf a m i l y , c b r ( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ) ，s o l i d w o r k s a p i ，r a p i dp r o t o t y p i n g i i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 鞭论文作者c 枞签触杏壅砷年 占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、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( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密影 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 乃p 、d 月月 年年 呷哼 夕 毋 致谢 本学位论文是在刘英导师的悉心指导下完成的。从资料的搜集、论文的选题、构思 和方案的确定，到论文的完成都得到了导师的悉心指导。导师渊博的知识、严谨的治学态 度，求实的工作作风使我受益匪浅。谨此，向刘老师致以诚挚的谢意! 同时，在读研期间，学校的许多老师、领导和同学都在学习和生活上给予我很大的 帮助。在此，感谢机械电子工程学院的陈惠明老师、黄小平老师在学习上对我的指导和帮 助。感谢赵元新、张磊、许杰、陈丽娇、杜荣、张良、晏芳、费叶琦、蔡俊等同学的帮助! 最后，感谢家人在我攻读硕士阶段的大力支持，他们的支持和关爱是我前进的动力， 感激他们最无私的付出! 感谢我的女友赵洁对我的关心和照顾! 我将在他们的关爱中继续 前进! 作者：李杰 2 0 0 9 年6 月于南京林业大学 1 1 研究背景和研究目的 1 绪论 制造业是国民经济的支柱产业，是社会进步发展的推动力之一。随着全球经济一体化 的迅猛发展，全世界的制造型企业规模越来越大、越来越国际化。中国已经加入w t o ， 我国企业也就不可避免地参与到国际竞争之中，他们正经受着前所未有的挑战。在这变幻 莫测的市场环境下，企业原有的那种各自为阵的工作模式显然不能满足现代信息社会发展 的要求。为了适应迅速变化的市场要求，提高企业的竞争力，现代制造企业必须解决t q c s 难题，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 ) 和最优的服务( s ，s e r v i c e ) 来满足不同顾客的需求【l j 。 与此同时，计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术也取得了迅速发展，特别是计算 机技术、网络技术、信息处理技术等取得了意想不到的进步。二十多年来的实践证明，将 信息技术应用于制造业、对传统制造业进行改造，是现代制造业发展的必由之路。因此， 如何利用计算机网络的优点，实施产品的数字化集成制造，建立按市场需求驱动的、具有 快速响应机制的网络化制造模式就显得相当重要了。 过去，企业通常采取的策略不是追求低成本，就是追求产品多样化。大规模定制这种 新管理模式的诞生，可以说是对人们传统思想观念的一次巨大变革，它使人们摆脱了传统 的鱼与熊掌不可兼得的思想。通过大规模定制，企业既可以降低成本，又可以满足客户个 性化的需求。大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n m c ) 简言之，就是个性化定制产品和 服务，其核心是产品品种的多样化和定制化。在未来理想中提出“大规模定制”这个术 语的斯坦戴维斯说：“一般说来，与其竞争对手相比，一个企业越能在大规模基础上提供 定制化的产品，就越能获得更大的竞争优势。”【z j 图1 1 某装配式产品的大规模定制流程 图1 是某装配式产品的大规模定制流程，在大规模定制进行以前，首先建立客户与生 产者之间的信息交换体系。客户的需求通过信息体系终端反映到订单登录数据库，相应的 配置软件很快响应客户的需求，生成报价单，当客户使用配置软件优化并同意订单时，订 单信息就会通过网络传输到工厂，然后进入订单登录数据库，订单登录数据库接受信息并 把它转变为不同的数据包，再传到在线装配指令监控器，监控器会告诉工人如何装配每个 产品；也可以传到参数化的c a d c a m 工作站。c a d c a m 工作站通过d n c 接口控制各 种加工设备，加工不同的零件，在此基础上，通过完备的自动化的物流系统完成装配过程。 在实际加工阶段，在厂际联盟的基础上，可以采用成组技术，用大规模生产的方式加工零 件，以降低成本。 1 2 大规模定制 1 2 1 大规模定制的基本概念 大规模定制是指以大规模生产的成本和速度，为单个客户或特殊需求的市场定制生产 任意数量的产品。大规模定制模式能够降低因产品多样化所增加的成本，减少企业的库存， 并从客户那里得到更大的收益，从而使企业在竞争中处于更有利的地位。多数的大规模定 制企业发现，虽然在开发产品、工艺和技术方面需要有很大的投资，但是市场分化到一定 程度，大规模生产技术不再能够有效地预测客户的需求时，大规模定制产品的成本几乎与 大规模生产的产品成本相当，甚至更低。 大规模定制生产是适应现代市场需求多样化和需求变化加快的产物。它沿用了标准 化、通用化、模块化、成组技术等原有技术，又引入了现代制造技术、信息技术和先进的 企业组织形式。它的核心是将产品设计分为两个层次：满足一定时期需求的产品通用模块 设计和满足特定用户需求的模块变型设计。通用模块是基础，在此基础上补充少量的专用 模块或是变型模块即可组装出满足特定需求的产品。 大规模定制既能满足顾客的多样化和个性化需求，又能保持大规模生产的高效率和 低成本。因此，它是企业参与竞争的利器，是企业经营的必然趋势。大规模定制和大规模 生产的特征区别如表1 1 所示 表1 1 大规模定制与大规模生产的特征区别 大规模定制大规模生产 按客户个性化需求组织生产，是一种“牵引式生 通过预测来组织生产，是一种“推进式生产 产方式”方式” 一对一地满足客户个性化需求生产方式多为轮番生产类型 供应商之间是一种战略伙伴关系没有正式的供应商伙伴 客户参与产品设计 几乎没有客户伙伴 供应与需求几乎同步经常变动生产作业计划 2 1 2 2 大规模定制的主要特征 大规模定制的主要特征有： ( 1 ) 以个性化客户为中心 在传统的大规模生产模式中，是先生产后销售。而在大规模定制中，企业是以个性化 客户为中心，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，为客户提供定制化的产品和服务。 ( 2 ) 以模块化设计和零部件标准化为基础 产品结构和功能的模块化、标准化，是企业推陈出新、快速更新产品的基础。通过模 块化设计、零部件标准化，可以批量生产模块和零部件，减少定制产品中的定制部分，从 而大大缩短产品开发周期和降低定制产品的成本。 ( 3 ) 以快速反应为标志 在如今竞争白热化的时代，面对变化瞬息万变的市场，企业能否快速反应已成为决定 其成败乃至生死存亡的关键因素。大规模定制的哲理就是快速满足不同客户的需求，以抢 占市场，掌握竞争主动权。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外的研究现状 1 9 9 3 年，美国哈佛大学的b j o s e p h p i n e 系统地阐述了大规模定制生产的概念，并在 1 9 9 7 年与d m a n d s e r s o n 合作论述了为大规模定制生产开发敏捷产品的问题【3 。7 】。 d u r a y 等认为大规模定制是以大批量生产的价格向客户提供个性化的产品。它将定制 生产与大量生产这两种似乎矛盾的方式有机地结合在一起，提供以大批量、低成本方式生 产的独特产品i 引。 t s e n g 认为大规模定制的目的是以大批量的效率生产出满足客户个性化需求的产品。 这种新的生产方式全面考虑了关于制造运作系统控制的需求集合，包括产品品种的迅速增 加、批量变小等。在制造系统中，存在着工具、生产计划和产品设计的大量相似性，如果 对这些相似性正确地加以利用，将有助于减少制造系统的复杂性 9 1 。 在8 0 年代，摩托罗拉采纳了持续改善的思想，使废品率降到了百万分之三点四，当 日本的竞争对手仿效摩托罗拉的做法增强竞争力的时候，摩托罗拉公司通过大规模定制， 再次在竞争中占据了领先地拉。摩托罗拉开发了一个几乎全自动的制造系统，在销售代表 用便携式计算机签下定单的一个半小时之内，工厂就可以制造出2 9 0 0 万种不同组合的寻 呼机中的任何一种，这彻底改变了竞争的本质，使摩托罗拉占有全世界市场份额的4 0 以上。 戴尔( d e l l ) 公司是个人计算机制造行业采用大规模定制生产模式的楷模。通过大规模 定制模式，戴尔公司在个人计算机市场中的份额现已上升到世界第一位，从1 9 8 8 年到现 在，销售额从1 5 9 亿美元猛增到3 2 1 亿美元【l 啦! 1 j 。 综上所述，国外率先提出了大规模定制的概念，研究了相关技术，并在一些行业展开 了应用，并取得了突出的社会效益，增强了企业竞争力，不过在机床方面的大规模定制应 用的文献报道还不多。 1 3 2 国内的研究现状 我国大多数企业的设备和管理水平仍处在大规模生产的水平，机器设备陈旧，生产线 柔性不足。曾经热闹一时的柔性制造系统( f m s ) ，由于过分强调生产过程中技术因素的改 进和产品生产过程的自动化控制、忽视基础工作的完善和组织、管理工作的配套改进，致 使企业生产成本大幅度提高，未能取得预期的效果。 实行大规模定制，首先要求企业的生产制造系统具有柔性制造的特点，这本身与我国 企业现状存在着矛盾。其次，大规模定制还要求企业在柔性制造的前提下取得规模效益。 大部分实行柔性制造企业失败的主要原因是无法解决成本激增的问题。多数企业采取 规模效益来降低成本。如何使规模生产的企业具备柔性，使具备柔性生产特征的企业成本 不再提高或增加不多，如何将两者有机统一于同一企业，是企业向大规模定制转变时所面 临的挑战。面向大规模定制的产品设计关键技术国内并没有解决，研究有效的大规模定制 设计方法迫在眉睫。 在生产层面上，我国只有为数不多的企业真正实现了大规模定制，其中具有代表性的 如：大连机车车辆厂、北京第一机床厂、石家庄天同拖拉机厂、海尔集团等实现了大规模 定制生产，并且取得了初步的成效。我国企业之所以在大规模定制生产模式上相对落后于 外国企业其原因在于面向大规模定制的产品设计关键技术国内并没有解决，企业对此还是 传统的经验设计方法。因此，提出适合我国企业特点的面向大规模定制的产品设计技术， 并在企业推广应用，是我国企业采用大规模定制模式的前提。可喜的是河北省有很多定货 型生产企业( 或企业中的主要产品) ，如特种变压器( 保定大威) 、特种泵( 石家庄泵业) 、特种 车辆( 唐山特种车辆厂) 、特种阀门( 石家庄阀门一厂) 、煤矿机械( 张家口煤矿机械厂) 等，这 些企业的部分或大部分产品采取大规模定制的设计及生产模式是适用的。初步的调研表 明，这些企业对大规模定制的设计技术需求十分强烈。 在技术层面上，天津大学的刘冠权在分析大规模定制生产需求的基础上，结合市场客 户需求和并行生产方式特点，对产品族进行分解和集成，对产品结构进行可重构模块化设 计，经过各模块优化、组合、评价，最后实现协同加工制造。为最终实现可重构模块化设 计提供理论基础【l 引。 吉首大学的龙剑友在研究大规模定制、标准化、技术标准化以及模块制造网络的定义 与特征的基础上，进一步对标准化和大规模定制之间，技术标准化与标准化之间，技术标 准化与模块化之间的关系进行了分析，在此基础上指出模块化网络可有效地强化网络中企 业的核心竞争力l i 川。 湖南大学单泪源等人通过对大规模定制质量链的相关研究，提出了大规模定制质量链 结构模型，并对其进行定制过程协同评价、协同质量改进。指出企业可以采用先进的技术、 管理经验及创新观念来提高大规模定制质量链过程的管理水平，特别是其关键节点的协同 质量管理水平，从而有效减少整个价值链上的质量成本，最终提高产品核心竞争力【l 引。 浙江工业大学的肖刚，李伟欣，探讨了大规模定制生产模式下如何快速、有效地解决 4 大批量生产的关键问题。他们从订单入手，提出订单重组的概念，建立起m c 订单重组模 型，并对重组算法进行研究。对个性化的客户订单进行重组，得到适合大批量生产的批量 订单。使企业可以按照大批量生产方式制定生产计划、部署生产策略，为企业提高生产效 率、降低成本提供决策支持。这一研究成果已在浙江某定时器厂家得到了有效应用i l5 1 。 河北工业大学的李杰、徐勇、王云峰分析了面向大规模定制的个性化推荐的特征，并 给出了基于关联规则挖掘的个性化推荐模型。针对现有关联规则研究应用的关联规则存在 知识冗余、规则数量太多的问题，提出最强关联规则的概念并将其应用于大规模定制的个 性化推荐【1 6 】。 中山大学的邱杰、陈志祥提出研究面向大规模定制的基于协同商务的客户需求的聚类 分析方法，运用自组织映射神经网络( s o m ) ，通过对不同企业的不同指标数据分析来进 行聚类，从而形成了具有不同特征的客户群体【l 丌。 湖南文理学院机械工程系杨继荣、廖德刚、李志刚、向东指出在大规模定制生产时， 解决既要对外展现产品具有个性化的多样性，又不能因产品内部多样化而导致额外的成本 和时间的延误矛盾的关键是在产品设计中采用绿色模块化设计思想。他们将绿色设计思想 与模块化设计方法有机结合，形成先进的绿色模块化设计方法。研究了绿色设计理念在面 向大规模定制生产的产品模块化设计中的地位和作用，给出面向大规模定制生产的绿色模 块化设计的具体步骤和方法【l 引。 上海外国语大学图书馆的梁曦分析了我国汽车工业目前的形势，指出我国汽车工业应 实行大规模定制生产，并提出了相应的策略l l 9 1 。 中国计量学院经济与管理学院的谭凌波从三个方面具体分析了我国装配型企业面向 大规模定制变革的障碍，包括组织结构障碍、流水线生产方式障碍、供应链管理障碍 2 0 l 。 此外，清华大学、浙江大学、大连理工大学等高等院校对大规模定制设计也进行了一 定程度的研究1 2 卜川。 总的来看，国内在大规模定制方面的研究尚处于起步阶段，高校与研究机构正陆续展 开对大规模定制技术的研究，主要侧重于理论研究或者是典型企业实施m c 的案例研究， 尚未推广应用，企业对大规模定制的认识和实施也远远不够。因此，大规模定制不论在技 术还是在生产上都有待我们广大的科研人员和企业家们去不断地研究与探索，寻找一条适 合我国企业的大规模定制道路。 1 4 实现大规模定制生产的关键技术 大规模定制技术是伴随着计算机、网络技术和信息处理技术一起成长起来的。要完成 一项大规模定制任务是一项非常庞大的系统工程，这其中包括的相关技术有： ( 1 ) 现代产品设计技术。如何快速响应用户订单已经成为信息环境下传统制造企业 所面临的生死攸关的问题。产品的设计开发阶段已经成为快速响应用户订单的关键，因此， 现代产品设计技术是大规模定制生产的关键技术。 ( 2 ) 质量功能配置( q f d ) 。大规模定制的产品设计是面向产品族的设计，其设计结 果形成可变型的产品模型，为快速设计阶段进行产品配置，针对单个客户需求进行设计的 实现提供了基础。而成功的产品族的获得需要对客户的需求进行系统的分析。质量功能配 置( q f d ) 就是一种工具，它能系统地将客户主观的需求转化为产品族设计的详细说明以及 资源的优选，使设计人员能够利用它来进行产品设计。 ( 3 ) 产品数据管理技术。产品数据管理( p d m ) 是面向大规模定制设计( d f m c ) 的产品 建模、产品数字化预装配、产品分类管理和产品过程管理的集成框架。 ( 4 ) 模块化管理技术。模块化结构是大规模定制策略的关键要素。模块化过程就是 对功能元器件进行模块化，然后将其进行跨产品族的重复使用。从而能快速设计定制的产 品，节省设计成本，而且很大程度上增加了业务过程的灵活性，使它能够更好的满足工程 管理的需要。 ( 5 ) 面向m c 的供应链管理技术。供应链管理是通过前馈的信息流和反馈的物料流 及信息流，将供应商、制造商、分销商、零售商，直到最终用户连成一个整体的管理模式。 它把不同企业集成起来，以增加整个供应链的效率，注重与企业之间的合作。 ( 6 ) 业务流程重组技术。业务流程重组是根据企业的战略目标和企业文化，重新设 计和优化企业的业务过程，为客户创造更大的价值，并通过信息技术( i t ) 的使用和持续的 过程改进，实现企业的持续发展，它是实现大规模定制的重要的流程管理规则。 ( 7 ) 产品与过程的标准化技术。标准化技术是进行大规模定制的前期步骤和必要条 件。标准化技术就是对零件、特征、工具、工艺和材料进行标准化，来提高生产的柔性， 加快响应速度，降低生产成本，保证产品质量。 1 5 主要研究内容 1 5 1 研究特色 以数控雕刻机为研究对象，确立基于数控机床产品的虚拟设计制造技术研究的解决方 案，对数控机床的典型零部件进行参数化设计，应用三维c a d 软件及其配套开发软件建 立虚拟装配系统平台并进行调试运行，建立基于零件特征信息的数据库，建立基于网络的 机床产品配置平台，并与快速原型技术相结合，使自己设计的产品能在很短的时间内按照 一定的比例生产出来，最大限度地满足客户个性化以及产品快速响应市场需求的要求。 1 5 2 主要内容 全文共分为六章，各章主要研究内容如下： 第一章是全文的绪论，介绍了大规模定制的基本概念、国内外研究现状及关键技术。 第二章研究机床产品定制系统体系结构，具体从系统的功能要求、基于模块化的产品 族、系统的体系结构、实现系统所涉及的关键技术和基础理论知识进行了研究。 第三章详细阐述了机床产品产品族零部件的建模过程、基于网络定制系统的关键技术 和定制产品的实现过程，应用基于实例的推理技术研究了雕刻机的基于实例推理检索中的 相似度量方法。 第四章着重介绍快速原型技术在机床产品定制中的应用实例。分析比较了各种快速原 6 型工艺及其优缺点，以雕刻机f 1 5 0 4 0 为实例，详细地说明了快速原型技术从c a d 设计到 最终成型的详细过程。 第五章以雕刻机f 1 5 0 4 0 为例，实现了基于网络的客户驱动的产品定制系统，验证了 上述理论方法的正确性。 第六章总结全文，对以后的工作进行了展望。 论文的总体结构如图1 2 所示： 图1 2 论文组织结构图 7 2 机床产品定制系统体系结构的研究 基于网络及m c 的客户驱动产品定制设计系统的体系结构是其技术体系的核心。本 章从产品族定制系统的功能需求、设计原则和产品族设计的理论基础入手，对机床产品定 制系统的体系结构进行了详细研究，搭建了满足机床产品定制系统要求的功能结构、框架 体系结构和网络拓扑结构等，并阐述了实现定制系统所需的关键技术。 2 1 系统的功能需求 为了满足客户个性化的需求、实现产品设计的低成本与高效率，并为生产和销售提供 服务，达到客户与企业“共赢”的目标，需要研究机床产品定制系统的功能需求，应用网络 技术与计算机技术，使顾客与企业定制系统之间进行相互交流，表达自己的需求并实现产 品定制。网络环境下的定制系统应具有以下功能： ( 1 ) 分布性：系统的分布性可以使开发成员实时地集成设计成果，同时也可以使项目 管理人员集中管理各类数据，提高工作效率。 ( 2 ) 开放性：系统的开放性可以保证系统在运行过程中得到灵活、动态的扩展和升级 而不会影响到原来的功能。 ( 3 ) 集成性：系统的集成性不仅能够帮助开发人员顺利地完成各自的任务，还能使管 理人员在整个过程中对项目进行实时监控和管理。 ( 4 ) 共享性：能够实现与产品定制有关的所有网络信息的共享。 ( 5 ) 远程服务性：能够实现远程定制服务，包括机床产品的远程定制、远程浏览和远 程咨询订单的查询等服务。 ( 7 ) 可浏览性：能够让客户通过定制系统的主页直观地浏览到定制产品的三维模型， 使客户对产品有个初步的印象。 综上所述，本文对基于网络的客户驱动产品定制设计系统进行了定义：首先针对某一 范围内的产品，根据现有的和未来的可预测的客户需求，建立由该类相似产品组成的产品 族：然后在产品族模型的基础上，利用网络技术和信息技术，根据客户的具体需求来快速 生成定制产品。因此系统主要由两部分组成：产品族模型的建立、定制产品的生成。产品 族模型是定制产品生成的关键和基础，定制产品是产品族建立的最终目的。因此，系统应 同时满足产品族模型和定制产品的功能需求。可见，产品族的建立对于大规模定制系统有 着举足轻重的作用，下面将着重介绍产品族的建立方法。 2 2 基于模块化的产品族 2 2 1 模块化设计的概念 模块化设计最早是在欧洲被提出，2 0 世纪初首先在德国的一个家具公司诞生了最早 的按照模块化设计原理而制造的产品，随后这种设计原理和方法在很多行业被广泛应用。 但是直到2 0 世纪中叶人们才将模块化的定义正式提出：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，创建并设计出一系列功能模块， 通过功能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设计方法1 2 孓2 6 j 。 模块( m o d u l e ) 就是系统中结构独立，彼此之间存在定义好的标准接口，且具有一些功 能的零件、组件或部件。 模块化设计的目的就是为了提高产品的设计效率。缩短产品周期，降低生产成本，并 使设计经验能够传承和继续，以利于进一步提高设计和生产水平，使企业在竞争中获得主 动权。它强调以功能分析为基础，以市场预测为导向，把功能不同或者功能相同而性能不 同的模块进行组合和互换，产生多元化的产品以满足客户个性化的需求。 2 2 2 产品族 企业在实际设计生产过程中，大多是面向产品族的产品变型设计。面向产品族的变型 设计是一种以最小的开发、制造、服务等成本获取最多产品品种的方法。e r e n s l l 7 对产品 族的定义是：“它是这样一组产品，具有相同的内部接口，这些接口在设计的各个领域( 功 能域、技术域、物理域) 中必须为标准接口，以使产品的部件能够完全互换。”因此，可 以得出：产品族实际上就是一个产品平台，它把具有相同的内部接口而性能和特征不同的 产品集合起来以满足不同用户需求。产品族的设计主要在功能域、原理域和结构域中进行， 其主要设计内容如下。l 】： ( 1 ) 功能域( f u n c t i o nd o m a i n ) ：描述产品对象所具有的功能，功能组成及性能。 ( 2 ) 原理域( t e c h n o l o g yd o m a i n ) ：描述设计过程中所用的作用原理，确定产品功 能的不同效应和作用，构思产品行为，以体现该原理或方案的各种设计约束和对设计过程 中的控制等设计知识。 ( 3 ) 结构域( p h y s i c a ld o m a i n ) ：按照产品所要求的行为和预定功能，设计其载体， 完成功能或作用原理向结构的映射。 对应的产品族模型，分别由三个域内的模型组成。如图2 1 所示 图2 i 产品族模型组成 ( 1 ) 功能模型：描述产品对象所具有的功能，功能组成和性能等。功能模型的作用 除了为原理模型的构造提供设计要求外，其内部还存储了设计过程中概念层的知识。设计 人员利用这些知识可以进行知识的重组和实现创新设计。 ( 2 ) 原理模型：描述由功能模型到结构模型的设计过程所使用的作用原理或方案， 它体现原理或方案的各种设计约束，载荷作用分析计算关系以及设计过程中的控制等相关 9 设计知识。 ( 3 ) 结构模型：描述了产品族的装配层次关系以及所有可能模块的结构。结构模块 是根据功能模块通过设计过程的映射而得到的。 产品旗模型通过功能、原理和结构三个不同的视图。完整地表达产品族的信息。因此 产品族模型称为多视图模型。借助原理模型将功能模型和结构模型有机的衔接起来，使产 品模型支持快速变型设计；同时，由功能模型将产品模型的外沿延伸到客户空间，支持客 户对产品功能的直接配置，可以使产品设计充分满足客户的需求。 2 2 3 基于模块化的产品族设计 基于模块化的产品族设计是大规模定制体系的核心，它通过在产品族公共平台上增 加、替换或去除模块来实现产品族的设计。因此模块化是实现大规模定制的关键因素它 为产品组件重复使用提供了一种有效的方法。通过组合、修改、增减模块等手段能够快捷 地生成新产品，能够使企业在最大程度上节约设计成本并快速满足客户的个性化需求，增 加竞争力，因而是实现大规模定制的最有效途径之一，在产品族设计中占有着重要地位。 基于模块化的产品族设计最主要的优势在于：它通常以现有产品为基础是经过标准化、 规范化的模块，模块的建立过程同叫也是其标准化、规范化的过程；产品族中的模块化实 现过程与产品族模型相对应首先是功能模块化，然后是结构模块化。模块化主要有六种 分类方法：共享型、替抉型、量体裁衣型、总线型、拼接型和混合型等类型”1 ，如图2 - 2 所示。 口 口 替换型 口一口 p 基z 总线型拼接型 混台型 图2 - 2 模块化类型 ( 1 ) “共享型”元件模块化即通用模块被用于许多不同的产品( 或被称许多不同的产 品所共享) ，通常所说的提高产品中所用零部件通用性的思想实际上就是鼓励共享元件 的模块化。 ( 2 ) “量体裁衣型”元件模块化主要针对不同的客户需求改变元件的尺寸规格一这种 参数化是在保证元件的各种机械性能的前提一f 进行的。 ( 3 ) “替换型”元件模块化，可以通过元件的各种不同选择实现一个产品的定制。这些 9 斛 缨船 元件被“换进”或者“换出”，就像计算机各种大小不同的硬盘一样。 ( 4 ) “总线型”元件模块化，可以把带有标准接口的元件附着或者插入一种标准结构中。 例如计算机的主板就可以安插多种不同的元器件。 ( 5 ) “拼接型”元件模块化，主要通过元件的拼接实现不同的组合，主要用于空间布局。 ( 6 ) “混合型”元件模块化，可以通过模块的适当组合构成整个产品或系统，最简单的 例子就是l e g o s 玩具。 综上所述，基于模块化产品族设计方法的本质是在顾客需求和产品模块化基础上将模 块划分为公共模块和个性化模块，在公共模块组成的产品平台上依据配置机制，通过增加、 替换或去除一个或多个个性化模块来生成具体的派生产品。个性化模块的组合方式不同， 获得的产品也不同。 2 3 系统体系结构 系统的体系结构主要是指以产品族模型为基础的定制产品生成过程的体系结构。体系 结构主要由两部分组成：产品族模型和定制产品设计。其中产品族模型在体系结构中表现 为产品族数据库，是利用模块化设计方法进行产品族建模的最终表现形式，包括产品族的 功能模型、结构模型、组成产品的零部件库、特征库、表征零部件特征属性的事物特性表， 具体建模过程将在第三章中详细论述；定制产品的实现主要是通过零部件建模、基于实例 的推理、s o c k e t 通信来实现定制产品的过程，定制产品的设计实现过程是系统的关键部分。 从上述分析可以看出，产品族模型、定制产品设计过程两者之间存在严格意义上的时间先 后顺序，可以看成是产品规划、设计和评价三大过程。产品族模型为定制产品设计提供条 件和基础，是为生成合理的定制产品进行服务。实现两者的技术路线以及两者之间的逻辑 关系如图2 3 所示 图2 3 系统体系结构中各部分之间的逻辑关系 2 3 1 功能结构 以产品的定制设计为核心建立的系统功能结构如图2 4 所示，根据客户权限的不同主 要包括产品定制、订单管理、客户需求等几大模块。 产品定制功能 系统的主要功能，包括变型设计子系统和参数化c a d 子系统。普通客户输入自己的 产品需求，变型设计子系统将产品需求转换为产品设计参数，并通过决策推理和评价优化 获得满足设计需求的产品信息，参数化c a d 子系统根据产品设计信息进行产品零部件修 改和装配，最终将满足客户需求的产品信息包括产品三维图形、产品订单信息等提交给客 户，完成产品定制。 订单管理功能 当客户完成产品定制时，如对产品满意则提交订单。企业根据订单信息与客户进行联 系并核实，然后进行快速生产，客户则可以查询订单信息并了解订单的进度。 客户需求功能 目的是为了更好的了解客户对产品的需求信息，并实现客户需求到产品设计参数的转 换。 = 刮客户需求吲需求转换系统 客 企户 业a登 = 刮产品定制 酬变形设计系统h 参数化c a d 系统h 仿真模型主 叫 录 页界 面 = 刮订单管理矧 订单查询 2 3 2 网络拓扑结构 图2 4 系统功能结构 本系统采用三层的b s 结构( 浏览器服务器结构) ，包括w e b 浏览器、w e b 服务器 和数据库服务器。用户通过w e b 浏览器浏览定制系统，并将信息数据提交给w e b 服务器； w e b 服务器是系统核心层，提供了基于网络的各种服务，完成用户与系统的数据传输和 信息交互；数据库服务器存储了系统所需的各种数据，包括产品族模型信息、产品特征信 息等，而且只能由w e b 服务器进行数据访问，保证了系统数据的完整性和安全性。系统 的网络拓扑结构如图2 5 所示。 1 2 。 2 3 3 框架体系结构 图2 5 产品族定制系统网络拓扑结构 系统的平台框架结构采用b s 结构。一共有用户层、服务器层和数据库层，操作系统 层和硬件层，四层结构。结构如图2 6 所示。首先用户需要通过用户层( 浏览器) 登陆用 户定制界面确认身份，用户的身份验证被通过后，服务器会将用户所需的机床产品相关数 据传送给用户，用户通过浏览器对机床产品进行浏览和定制；中间层为服务器层，它是联 系浏览器和数据库服务器的纽带；第三层是数据层，即后端数据源，存储着机床产品族所 有数据；第四层是操作系统层和硬件层。 图2 - 6 产品族定制系统框架体系结构 2 4 定制系统的工作流程 定制系统的工作流程如图2 7 所示。具体实现时，通过浏览器登录产品族定制设计网 页，由定制子系统将定制信息提交发送到服务器；服务器中的变型设计系统进行推理，即 搜索数据库中与用户需求最为接近的机床产品族，获取设计实例并将利用参数化c a d 系 统获得的产品三维装配图以v r m l 形式显示在客户端浏览器。用户需求所产生的新的产 品族将会被保存到机床产品族数据库中。客户对产品做出评价，如果客户满意，系统便会 将信息传递给生产部门，生产部门会通过快速原型系统，在第一时间将产品的微缩模型交 给客户，如果模型能达到客户需求，便能放心地生产实物机床，这样就会节省许多设计和 加工成本。如果客户对搜索出来的产品族不满意，可以重新输入机床数据进行二次搜索， 直到产生客户满意的机床产品族为止。 图2 7 定制系统工作流程 2 5 定制系统的关键技术 ( 1 ) 虚拟现实v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术：与传统的模拟技术相比，虚拟现实技术的 主要特征是：操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生 互动，进行交流。机床产品定制系统采用虚拟现实技术作为系统集成浏览模块的基础，提 1 4 壶囱 供可视化的虚拟场景，开发人员或是客户可以利用此场景浏览产品设计及装配过程，观察 并感受虚拟产品的外观和内部结构。 ( 2 ) 参数化设计技术：用c a d 方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定 整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配 验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。 参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变 量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。本文以v b 作为基础 开发语言，充分利用三维设计软件s o l i d w o r k s 所提供的a p i 进行机床零部件的二次开发， 最终形成产品参数化设计模板，可以达到快速自动化设计开发机床产品的目的。大型的开 发项目可以通过网络平台协同建模，并进行任务分解，从而使各企业间形成各自的优势互 补。开发出的阶段性成果可以谁用a c t i v e x 或c o m 技术封装在本平台上共享。通过这种 方式可以显著加快产品开发速度，避免重复相同的工作。 ( 3 ) 数据库技术：企业的网站必然有大量的产品需要展示和买卖，那么通过网络数据 库可以方便地进行分类，使产品更有条理、更清晰地展示给客户。更重要的是通过程序与 数据库的结合，我们可以统计出一些相当重要的信息，如产品的关注程度、评价信息、销 售情况、质量投诉等等，根据这些信息企业可以迅速做出相应的举措。本文采用s q l s r e v e r 数据库，在图形存储方式的选择上，考虑到网络化三维图形系统本身的特点， 采用文件指针的存储方式，即减少了数据存储和传输量，又保证了图形数据管理的方便快 捷，提高工作效率。 ( 4 ) a s p 技术：它是微软开发的一种类似h t m l 、s c r