（机械制造及其自动化专业论文）基于qfdad集成模型的模块设计方法研究.pdf

摘要 模块化技术包括模块的划分技术、模块的组合技术、模块的接口标准化技术 三个部分，本文在研究了模块化设计、质量功能配置( q f d ) 、公理设计原理与 方法的基础上对模块划分以及模块的组合做了较为深入的研究，提出了在 q f d a d 集成的基础上进行模块化设计的方法。论文的主耍内容如下： ( 1 ) 综述了模块化设计方法、q f d 技术、公理设计的研究现状以及存在的 问题。 ( 2 ) 对q f d 技术的核心理念、系统屋模型、公理设计的框架进行了研究， 在此基础上提出了q f d a d 的集成模型，并把该模型融入到模块化设计中，提 出了基于q f d a d 集成的模块化设计方法。 ( 3 ) 将模糊聚类方法以及相似性理论引入到模块划分中，同时基于f 数理 统计方法以及模块的接近度，提出了模块的适合度概念，用于确定最佳的复合阈 值，对模块进行合理划分。 ( 4 ) 将基于q f d a d 集成的模块化设计方法应用到双柱龙门立式磨床上， 对双柱龙门立式磨床进行了模块划分并利用a n s y s 分析软件对龙门磨的主轴 进行了建模和分析，为完善龙门磨的设计提供了理论依据。 关键词：模块化设计质量功能配置系统屋公理设计模块划分 a b s t r a ct t h em o d u l a rd e s i g n i n c l u d i n gt h et e c h n o l o g yo fm o d u l ed i v i d ea n dm o d u l e c o m b i n a t i o na n dt h es t a n d a r d i z a t i o na b o u tt om o d u l ei n t e r f a c e t h er o o d u l ed a r t i t i o n a n dm o d u l ec o m b i n a t i o na r es t u d i e dw h a ta r eb a s e do nt h ei n d e p t hs t u d y a b o u tt ot h e m o d u l a rd e s i g na n dq f d p r i n c i p l ea n da d s ot h a tt h eq f da d i n t e g r a t i o nm o d e li s p u tf o r w a r da n da p p l yt ot h em o d u l a rd e s i g nm e t h o d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec u r r e n t i n gs i t u a t i o na n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fm o d u l a rd e s i g nm e t h o d q f da n da d h a v eb e e nd e p t hs t u d y ( 2 ) m a k i n gad e e pr e s e a r c ha b o u tt ot h ec o r ec o n c e p to f t e c h n o l o g yo fq f da n d a n a l y s i sm o d e l ，e s p e c i a l l ys y s t e mh o u s em o d e l ，m e a n w h i l et h ea d 仔a m e w o r ka r e s t u d i e d s ot h eq f d _ a d i n t e g r a t e dm o d e li sp u tf o r w a r da n da p p l yt ot h em o d u l a r d e s i g nm e t h o d ( 3 ) t h ef u z z yc l u s t e r i n gm e t h o da n dt h es i m i l a r i t yt h e o r ya r ei n t r o d u c e dt o m o d u l ep a r t i t i o n t h e c o n c e p to fm o d u l ef i t n e s si sp r o p o s e db a s e do nt h e f m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sa n dm o d u l en e a r n e s s t h em o d u l ef i t n e s sc a nb eu s et o d e t e r m i n et h eb e s tc o m p o s i t et h r e s h o l dv a l u e 九，a n dg e tar e a s o n a b l em o d u l ep a r t i t i o n r e s u l t s ( 4 ) t h em o d u l a rd e s i g nm e t h o dw h a tb a s e do nt h eq f da d i n t e g r a t e dm o d l ei s a p p l i e dt ot h ed o u b l ec o l u m nl o n g m e nv e r t i c a l ，a n dh a v eg e tt h em o d u l ed a r t i t i o n r e s u l t sa b o u tt ol o n g m e ng r i n d e r t h ea n s y s a n a l y s i ss o f t w a r ei su s et oa n a l y s i st h e l a r g ep a r t so fl o n g m e ng r i n d e r , p u r p o s i n gt op r o v i d et h e o r yb a s i st o i m p r o v et h e d e s i g no ft h el o n g m e ng r i n d e r k e yw o r d s ：m o d u l a r d e s i g n ，q f d ，s y s t e mh o u s e ，a d ，r o o d u l ed i v i d e 第一章绪论 第一章绪论 当今制造业领域的科技迅速发展，使传统的生产模式面临巨大的挑战，机械 产品发展的趋势是多品种少批量。企业为了生存发展，必须缩短产品的开发周期、 满足客户的个性化需求，提高企业的灵活性和市场响应能力，这是一个持续创新 过程【】j 。为了给客户提供及时、满意的个性化商品，企业迫切需要在设计过程c r 具备一系列通用的零部件及子装配操作，以达到资源共享、缩短产品成型时间和 节省成本的目的，基于模块化的产品设计技术可以有效地满足上述要求，模块化 提供了产品组件的重复使用，通过组合或修改模块来生成新产品是实现定制的最 有效途径之一【2 j 。 同时产品的水平决定了企业的市场竞争力，而产品的设计则是产品水平的关 键所在。所以产品设计工作的优劣，直接影响了产品的性能、质量、研制的周期、 经济效益等【3 j 。因此，在科技竞争日趋激烈的当今形势下，为了获得市场份额， 企业就一定要以市场为向导，以最快的速度响应客户的需求，率先推出质量上乘、 功能多样和价格合理、服务完善并且满足环保要求的产品，也就是说要是产品拥 有最优的指标，所以，现代的快速设计方法与工具的应用，对企业的产品的研发 以及企业的市场竞争力具有至关重要的作用【4 。 1 1 模块化设计的发展、研究现状及问题分析 1 1 1 模块化设计的发展 近年来，模块化设计方法是工业发达的国家广泛利用的一种现代快速设计方 法，具有设计和试制周期短、产品适应性好、产品性能稳定可靠、维修方便、成 本低廉等特点，能够快速的响应市场的需求，提高产品的市场竞争力【5 1 。 模块化设计是对产品的功能进行分析，然后按照某种规则对产品进行划分并 得到相应的功能模块，这些产品具有不同功能或者具有相同的功能但是具有不同 的性能、规格1 6 j 。通过对得到的功能模块进行科学组合就可以得到不同类型产品， 从而满足了客户多样性的需求。对功能模块进行标准化后就会产生模块效应，这 样就大大的降低了产品设计的复杂度，使产品的设计可以像拼积木那样“随心所 欲”和方便。 第一章绪论 在二十世纪初期，产品的模块化思想首先在德国出现，并应用于家具产业， 然后逐渐拓展到其他行业，特别是制造业。近年来，我国很多企业也尝试采用模 块化设计方法进行产品设计并取得了良好的成果。 在德国的家具行业率先提出了模块化设计思想后，“模块化设计”概念正式 被欧美国家的科学家提出并随着实践应用的成功，逐渐拓展到各个行业中【7j 。模 块化设计被越来越多的学者以及企业昕接受，他们对模块化进行了深入的研究并 应用到自己所在的行业中1 8 j 。 在8 0 年代初，模块化设计原理就被我国的机床行业引进，用来实现对新产 品的研发，取得了巨大的成果。例如由多家单位所组成的“小型精密机床模块化 技术研究”课题组，对仪表车床进行模块化的设计：南京机床厂利用模块化设计 方法对n 0 3 8 型高效自动车床系列进行了设计，一共设计出4 8 个模块，可以组 成8 种不同类型的机床【9 j ；北京第一机床厂和北京第二机床厂分别对龙门铣床和 高精度外圆磨床进行了模块化设计等等，这些实践都证明了模块化设计的优越 性，它不仅缩短了产品的设计周期，还能极大限度的满足客户的需求，提高企业 在市场竞争中的能力。 除此之外，国内在其他机械产品上对模块化原理的应用也已经取得了一定的 效果，例如在减速箱、变速器的系列产品的开发过程中，也大量的应用了模块化 原理，在国内，模块化设计的思想越来越多的扩展到各行各业中，例如电器、电 子、计算机和家具等行业中，模块化设计思想正逐渐成为产品设计的一种主流趋 势。 1 1 2 模块化设计的研究现状 由于模块化设计的优越性，使得模块化设计在产品设计方法中变得越来越突 出。随着成组技术、c a d 技术、柔性d h i 技术的发展，模块化设计逐渐和精益 生产、敏捷制造融合在一起，并成为设计方法中的主流形式，因此可以说进入了 “模块化”的产品设计时期。同时i n t e r n e t 技术的发展，降低了设计、测试不同 模块的成本，也为模块化设计提供了一个很好的平台，使产品的设计更好的满足 【1 0 1 。 例如德国的b r e m e rv u l r a n 集团把模块化设计思想应用到d o r r i e ss c h a r m a n n 系列中，该系列中的高速卧式加工中心就是结合了s c h a r m a n n 的工作台和w e r o 的刀库与d r o o p & r e i n 的高速主轴和n c 回转头，以及a s c h e r s l e b e n 的立柱和床 身j ；美国的i n d e x 公司把模块化思想引用到r a t i o n a 系列的车削加工中心的研 发中，通过该模块化设计，用户可以自己决定所需功能，从而除去了一些沉冗的 第一章绪论 标准功能【1 2 j 。 在国内，天津一机床厂根据模块化思想，已经完成三种类型的数控机床系统 的模块化设计，以及将近6 0 种零部件的模块化，他们所研发的模块化3 w q - 中心 不仅达到了高精度的要求，而且还同时体现了组合机床的高效率以及模块组合的 优判”j ；武汉重型机床厂通过引进的模块化设计技术研发了f b 系列的落地镗铣 床，该系列包含1 6 种落地镗铣床，因此有多种类型以供市场进行选择，从而大 大的提高了产品的适应度。 在现阶段，模块化和模块化设计的应用已经拓展到多种行业的设计和制造 中，例如飞机、造船、机器人、家电行业，甚至到企业的经营和组织等等方面l m 】。 虽然模块化设计技术在不同的行业中所应用的程度不同，但它为满足多样化的市 场需求提供了一种主要的解决方法，因此模块化技术的研究及应用已经成为了一 种不可避免的趋势，同时对新环境下的企业经营有着重要的意义【l 5 | 。 1 1 3 模块化设计中存在的问题 虽然利用模块化设计进行产品设计时存在很多的优点，但是它也同样存在一 些问题如： ( 1 ) 随着机械产品的品种变得越来越复杂，越来越多样化，现有的设计方 法已经很难满足现代市场对产品设计的需求。 ( 2 ) 随着i n t e m e t 技术的发展，可以利用计算机进行模块化设计，而现在对 于这样的工具和平台较为稀少。 ( 3 ) 对于同一类产品，如何展开模块化设计，如何保证产品的设计水平， 也是现在需要解决的问题之一。 1 2q f d 技术的发展、研究现状及问题分析 1 2 1q f d 技术的产生和发展 质量功能配置( q f d ) 是一种由客户来驱动的产品开发技术，通过对客户需 求进行规范化、系统化的分析研究，然后将这些客户需求转化为零部件特征、工 艺特征、产品特征等技术需求，从而真正的满足客户的需求1 6 ： ( 1 ) q f d 技术在日本的产生和发展 在2 0 世纪6 0 年代的后期，日本三菱重工神户造船厂针对产品质量与可靠性 第一章绪论 问题，提出了质量表的雏形，通过这种质量表将客户需求与如何实现这些需求的 控制措施联系起来，用于定制的货轮的客户需求分析和优化研制生产资源的配置 【17 | 。这标志着质量功能展开( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ) 技术的问世。此后， 日本著名的质量专家赤尾洋二教授等对q f d 技术进行了理论上的深化和扩展性 的研究，并积极开展在企业的推广和应用 1 8 1 。同时，日本科学技术联盟于1 9 8 8 年成立了q f d 研究会，促使q f d 技术在方法研究与实际应用的结合过程中得以 不断深化和扩展。 q f d 技术在日本经过多年的推广，其应用的领域从机械制造发展到了电子 仪器、家用电器、建筑设备、集成电路等行业中。据统计，q f d 技术的成功应 用可以为企业平均节约工程费用3 0 、缩短设计周期3 0 、降低项日启动费刚 2 0 、降低产品投放市场时间3 0 i l 引。 ( 2 ) q f d 技术在全球的传播与应用 q f d 技术在美国的传播始于1 9 8 3 年福特汽车公司邀请日本著名质量专家 石川磬带领日本科学技术联盟成员对美国公司的全面质量管理进行指导。由此， o v d 技术被逐步的传播到美国 2 。1 9 8 4 年美国质量专家b o bk i n g 从日本归国 后，率先在福特汽车上推行q f d 技术。除福特公司外，其他许多著名的公司也 成功应用了q f d 方法，如宝洁公司( p & g ) 应用q f d 技术改进销售工作；数字 设备公司( d e c ) 应用q f d 技术改进内部的客户、供应商关系；惠普公司( h p ) 将q f d 应用于改进硬件和软件产品的设计等。 目前，q f d 技术已经在全球得到推广。美国三大汽车公司共同制定的质量 管理体系标准及在此基础上形成的汽车工业质量管理体系的国际标准也将q f d 技术的应用作为要求纳入其中1 2 1 | 。同时，风靡全球的6 6 管理和并行工程都把q f d 技术作为一种重要的技术。随着全面质量管理的深入和6 6 管理的推广，q f d 技 术已经在全球范围，由其是发达工业国家广发推行。 ( 3 ) q f d 技术在我国的引入与推行 1 9 7 9 年，由我国质量管理专家刘源张先生率领的质量管理实习团赴日本小 松制造所学习全面质量管理，代表着q f d 技术在我国传播的开始。自2 0 世纪 9 0 年代初，我国对q f d 技术开展了，1 系列的研究和实践活动。2 0 0 5 年，中国质 量协会成立了q f d 研究会，2 0 0 8 年，中国质量协会成功举办了第4 届q f d 国 际研讨会，并且从2 0 0 8 年开始，每年进行一次中国质量协会质量技术奖q f d 优 秀项目的评选1 22 | 。这些活动有效推动了国内对q f d 的研究和推广应用工作。 随着我国企业界对q f d 了解不断深入，许多企业应用q f d 技术来提升质量 竞争力，狭取竞争优势。q f d 应用领域不断拓展，从国防科技上业到民用制造 业、软件工程及系统开发、服务业、房地产、大学教育、政府职能运作等行业中。 第一章绪论 1 2 2q f d 技术的研究现状 ( 1 ) q f d 技术的应用现状 近些年来，q f d 的应用领域和范围不断扩大，最为突出的是在制造业中的 应用。世界著名的公司如美国的福特公司、日本的丰田公司、惠普公司、麦道公 司、克莱斯勒公司等都相继的应用了q f d 技术，同时在家用电器、汽车、农业 机械、建筑设备、集成电路等领域中同样拥有成功应用q f d 技术的实例。除了 制造业，q f d 技术在计算机软件业、服务业、建筑业以及企业的战略规则中同 样得到了广泛的应用。 例如朱祖平等将企业发展战略作为需求，构成了质量屋结构中的“行”，将 组织职能作为手段，构成了质量屋结构中的“列”，由此得到了组织职能质量屋， 由这个质量屋就可以确定企业的供应链结构以及组织结构。郑大兵、黄丽华等将 q f d 应用到企业的过程优化中，利用q f d 技术对过程需求进行分析以及找出重 点环节进行优化，并给出一个关于行政采购的过程进行案例分析。由此给出了企 业在过程优化中利用q f d 技术的框架以及具体的实施步骤。赵彩凤、陈玉宝等 还将q f d 技术应用到医疗服务以及航空运输等服务行业中。 ( 2 ) q f d 技术的研究现状 国内外很多专家学者针对传统的q f d 方法提出了一些新的理论，包括针对 传统q f d 方法在需求输入的方面的模糊性和主观性问题，提出了新的模型即模 糊质量功能配置模型；在无法适应复杂系统以及动态系统的缺陷方面，提出了提 出了增强型的质量功能配置模型：在关系矩阵和相对权重的确定过程中过多依赖 于人为因素这方面，提出了人工神经网络模型以及模糊逻辑推理模型。 c e c i l i at e m p o n i 等学者对模糊质量功能配置模型进行了深入的研究，他们将 模糊的需求表达通过模糊逻辑转化为具有一定语言规则的方式来表达，同时根据 此模型可以推导出每个需求之间所隐含的关系的关系推理框架；徐亚斌等学者对 以树形结构为基础的两级质量功能配置模型进行了深入的研究，该模型把系统设 计以及产品开发的层次阶梯关系通过树形结构表达出米，动态的、分层的表达了 产品开发的全局过程，使产品开发及开发过程中的管理与质量功能配置模型有机 的结合起来；j a h a r d i n g 等学者提出了以q f d 为基础的市场驱动设计系统，它 是针对q f d 模型中不同设计小组关于设计信息的共享方面而提出的，首先设计 人员通过该系统对质量屋所需要的信息进行收集和整理，然后再通过一个产品模 型对质量屋中的信息进行描述，同时吖i 同的设计小组都可以通过这个系统进行设 计信息的共享： 第一章绪论 因此，现代的q f d 技术实际上就是在传统的q f d 技术基础之上加入了决策 技术以及多种分析方法，例如鲁棒设计方法、因果图、多指标评价、层次分析、 优化技术、灵敏度分析等等方法。 1 2 3q f d 理论中存在的问题 虽然q f d 技术对于企业缩短产品开发周期、提高产品的质量、提高客户的 满意度以及降低产品的生产成本有很大的帮助，但是它也存在一定的问题。 例如q f d 的矩阵很容易变得过大，从而导致工作量大增，比如，若有”项 客户需求以及m 项工程特征，就组成了一个由胛行、m 列组成的关系矩阵，该 矩阵中包含了# i x m 个元素，q f d 小组需要对每个元素都进行判断，从而对于q f d 小组来说工作量过大；由于巨型的矩阵图标过于复杂，即使它能够比较全面的描 述产品的整个开发过程，也很难使q f d 的优点充分发挥，并且比较复杂的参数 从一个阶段转换到另外一个阶段时就变得更加复杂；由于在客户或市场需求的分 析阶段，市场信息纷繁复杂、种类繁多，设计人员往往不知从何开始，而且设计 人员由于缺乏对信息的处理方法或缺少客户驱动的意识，往往使有价值的信息没 有得到利用；在产品性能开发的阶段，设计人员往往忽略了客户需求，而把大部 分精力放在与竞争产品的性能指标的攀比上，即使这些性能优于与他们竞争的产 品，但是这些性能并不是客户所关心和需要的。 1 3 公理设计的发展、研究现状及问题分析 1 3 1 公理设计的产生和发展 产品设计是运用科技知识和方法，有目标的创造工程产品构思和计划的过 程，设计理论与方法是依据设计哲学的研究结果及设计的实践，建立分步的或细 分化的设计过程模型、研究过程模型的支持工具、开发工具软件【2 3 】。在2 0 世纪 8 0 年代，设计理论领域的主要研究内容是对于产品的整个设计过程如何进行科 学有效的表达，在众多学者中美国麻省理工大学n a mp s u h 教授的观点受到学者 的广泛支持，他在多年的研究的基础上提出了公理设计理论。公理化设计将传统 的以经验为主的设计，转变到以科学公理、法则为基础的公理体系，它并没有将 设计活动和设计群体的一般性活动联系在一起，而是把重点放在设计中如果正确 的进行设计决策1 2 4 | 。 第一一章绪论 虽然公理设计在8 0 年代已经正式提出，但是直到9 0 年代才得到重视，逐步 应用到制造系统的设计领域中，并且在企业中得到推广。后来相继推出的公理设 计网站、公理设计国际会议、以及公理设计理论研究团体等使公理设计理论的研 究、拓展以及应用得到了工业界、大学、研究机构的广泛关注和重视，逐渐发展 为设计领域研究的热点，已经成为现代产品设计方法中重中之重1 2 川。公理设计在 欧美日等国家快速的发展，已经广泛的应用在机械及电子、设备包装、软件、人 机工程、金融等各个产业中，例如，m i t 的帕克复杂系统中心( p c c s ) 将复杂 性科学引入到a d 理论中，并以此来完善a d 理论，从而研究其在系统生物学、 内燃机设计、成本工程等方面应用口6 j ；美国的a x i o m a t i cd e s i g ns o l u t i o n s 公司主 要的业务就是将a d 理论的研究成果进行传播，为客户提供a d 的相关培训、咨 询、a d 相关软件以及a d 的相关资料。 a d 的国际组织会定期召开国际会议，为a d 的研究成果提供交流的平台。 例如，在2 0 0 0 年6 月，第一届公理设计国际研讨会议( i c a d ) 在美国的马萨诸 塞州召开，研讨了公理设计在产品的设计及研发过程、概念综合与评价、设计自 动化、工业设计、商业策略、组织设计、软件设计、制造领域、系统工程等领域 中的应用，以及公理设计与t r i z 、q f d 等其他设计方法的集成【27 | 。随后每隔两 年都会举行一届公理设计国际研讨会。 1 3 2 公理设计的研究现状 目前，学者对公理设计的研究主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 公理设计理论的扩展与完善研究 现有的公理设计方法是以独立公理为基础的，设计方法必须满足独立公里的 需求，它并没有考虑到功能需求之间的耦合程度问题，也没有提出如何解决和处 理耦合的设计方法，因此，针对耦合的问题，例如解耦的方法、如何对耦台的测 度进行评定以及在耦合设计问题的迭代过程中如何寻求最优等等，是目前主要的 研究内容之一【28 | 。例如，j o h n n e s s o n 通过图形来分析和研究了产品设计中所遇到 的功能耦合问题，将设计矩阵进行调整，把耦合分为四类，即空间、信息、能量、 材料，然后对这四类耦合关系进行定量评价，从而得到各功能间的耦合度，再对 所得到的耦合度值进行相应的处犁2 9 j ；k a n g 等提出利用t r i z 的逻辑系统化手 段来对产品设计中的耦合进行解耦；c a i 等提出利用系统创新思维的结构化对耦 合设计进行解耦。 ( 2 ) 公理设计与其他产品设计方法的集成及关系的研究 公理设计是一种在概念层次上的表达，因此在实际的应用过程中存在很大的 第一章绪论 局限性，例如用户域和功能域之间的映射关系很难得到明确的确定，而且对下游 的详细设计缺乏相应的指导；在不同的应用领域中存在不同的设计方法和理论， 以上这些因素都是促成公理设计与其他设计方法与理论相集成的原副川j 。通过对 公理设计与其他设计方法的集成，可以在产品设计的各个阶段实现他们之间的优 势互补，以适应产品设计的要求。例如c o n c a l v e s c o e l h o 采用z 字型分解以及独 立公理来改进q f d ；檀润华等将t r i z 、公理设计以及q f d 集成，形成了技术 化驱动的关于产品概念设计的宏观过程模型【3 l j ；y a n g 等人在d s f f 框架中引入 公理设计，为设计人员在产品设计中提供框架指导；陈永亮将公理化设计与模块 化设计方法相结合，对提模块化柔性生产线的设计过程进行了分析和研究p 2 j ； e 1 h a i k 提出了公理质量集成框架，它将稳健设计、公理设计以及六西格玛设计 方法集成，建立了信噪比、质量损失函数以及复杂性之间的联系。 ( 3 ) 信息量的确定以及基于信息公理对决策方案进行评价的研究 许多学者对信息量的确定方法进行了研究，f 歹| j p he 1 h a i k 对信息量与复杂性 之间的关系进行了研究，提出了信息量的确定方法；f r e y 和s h i n 分别对准耦合 以及耦合设计进行了研究，从而确定信息量【3 3 j ：k a r 利用s h a n n o n 信道、熵定义 以及k u l l b a c k 信息测度来计算信息量；h i l a r i o 对信息公理进行了适当的修正， 从而实现六西格玛的设计p 4 | 。 信息公理的目的是为设计的优劣进行评价，在这方面，很多专家学者进行了 研究，例如k u l a k 和h e l a n d e r 等针对工艺或者设备的选择利用信息公理进行评价 【35 j ；童一飞等利用信息公理将信息论和模糊数学相结合，从而对网络资源的模糊 多属性进行优选；肖人彬等将信息公理与模糊数学方法想结合，提出了以模糊信 息公理为基础的设计方案评价法。 1 3 3 公理设计中存在的问题 虽然公理设计已经广泛应用于各个领域，并且被越来越多的技术人员和学者 所重视，但无论是从a d 的应用扩展方面还是从a d 的理论深化方面，仍然存在 着一些问题以待解决。 ( 1 ) a d 重点研究的是理论框架的建立，而对于具体的解决问题的方法则 研究的相对较少。也就是说，在产品的设计过程中，a d 理论主要是用来进行决 策，即指导设计者哪种设计方案最优，而对于如何指导设计者产生一个好方案以 及对不满意的方案如何进行改进则相对较少。 ( 2 ) 根据独立公理的要求，当对产品进行多功能需求设计时，必须满足无 耦合设计或者准耦合设计，然而在实际中，大多数的产品设计都为耦合设计，做 第一章绪论 到无耦合设计或者准耦合设计很困难。 ( 3 ) 缺乏有效的信息量计算方法，而且信息公理仅仅是度量概率和重复事 件。 ( 4 ) a d 与其他设计方法的集成，虽然取得了一定的成果，但是比较零散 缺乏系统性。而且大部分的研究是理论上的探讨，缺乏是实际的应有扩展，特别 是缺乏相关的计算机辅助设计软件。 1 4 基于q f d a d 集成模型的模块化设计方法的提出及研究意义 由于模块化设计方法、q f d 、a d 理论中存在的问题，本文提出了在q f d a d 集成模型的基础上进行模块划分的方法。基于q f d a d 集成的模块化的设计方 法与传统的设计方法相比，具有如下几方面的优势： ( 1 ) 产品的研制开发周期缩短； ( 2 ) 满足了产品的客户化需求； ( 3 ) 降低的产品的生产成本，同时提高了生产效率； ( 4 ) 提高了产品的质量； ( 5 ) 使产品的设计更加标准化： ( 6 ) 缩短了产品的订购周期。 1 5 论文研究内容的体系结构 本论文是对模块化设计方法中的模块划分理论进行了相关的研究，引用了公 理设计、q f d 技术、模糊理论、相似性原理，在保证了产品的设计水平的基础 上满足了客户多样性的需求，并根据该理论对双柱龙门立式磨床进行了模块化设 计。全文一共五章，论文的结构如图1 1 所示。论文的主要内容按照下述章节进 行阐述： 第一章绪论。重点对模块化设计、q f d 理论、公理设计进行了研究，包括 它们的发展历程、研究现状、以及存在的问题，在以上研究的基础上提出了以 q f d a d 集成模型为基础的模块化设计方法，并总结了该方法的研究意义。 第二章q f d a d 集成模型的研究。介绍了利用q f d 理论中的系统屋模型对 用户需求进行分析和研究，同时确定各元素的相关度和权重。建立q f d a d 集 成模型，在满足独立公理的基础上利用q f d 进行功能的分解。 第一章绪论 第三章模块划分的研究。介绍了在功能分解的前提下，以关系矩阵为研究 对象，利用模糊聚类分析方法、相似相原理、f 数理统计分析方法以及构造的模 块接近度算法进行模块的划分。 第四章基于q f d a d 集成模型的模块化设计方法的应用实施。以双柱龙门 立式磨床为例，根据上述的基本方法和原理，对龙门磨进行模块初步划分。并利 用a n s y s 对龙门磨的部件进行有限元分析，从而可以根据分析结果来完善龙门 磨的设计。 第五章对本论文的研冗内容进行了总结，并提出了进步需要研究解决的 问题。 图1 1 论文体系结构 第二章q f d a d 集成模型的研究 第二章q f d a d 集成模型的研究 本章利用q f d a d 集成方法对客户需求进行分析和研究，然后将客户需求 转化为功能需求并进行分解，从而得到零部件之间关于客户需求的相关矩阵以及 各元素之问的相关度和权重，为后续的模块化设计做准备： 2 1 引言 利用q f d a d 集成方法对产品功能进行分解的流程如图2 1 所示。首先，建 立q f d a d 集成模型( 如图2 - 8 所示) ，以公理化设计为主体框架，利用q f d 技 术，在建立质量屋的基础上建立系统屋，确定各元素之间的相关度以及权重，确 定零部件之间的关系矩阵；其次依照公理化设计的设计过程对q f d 的关系矩阵 进行配置并进行功能的分解。 羊| i n o f t ) 技术在质量屋的基 础上建立系统屋模型 1 l 相互作用 夕 利用公理设计方 能的分解及零部 丰确定产品总功能 、 确定 7 2 2q f d 技术的理论研究 图2 1功能分解流程图 2 2 1q f d 的概念及其核心理念 日本质量专家水野滋、赤尾洋二等提出的q f d 分析模型，给出了广义的q f d 概念。广义的q f d ，即q f d 是由综合的质量展开和狭义的质量展开组成。综合 的质量展开中质量的含义是多方面的，包括质量、成本和可靠性 3 6 】。赤尾洋二教 授将其定义为：将客户的需求质量转换成代用质量特性，进而确定产品的设计质 第二章q f d a d 集成模型的研究 量，经过各功能部件的质量，直到每个零件的质量和工序要素，系统的展丌他们 之间的关系。 美国专家l 科伦认为：q f d 是一种结构化的产品计划与开发方法，该方法 使得产品开发小组能够清楚的了解客户的需求，并能对所提出的产品或服务的性 能，根据其对客户需求的满足程度系统的进行评价【3 7 】。 通过分析国外质量专家对q f d 的论述认为，q f d 技术是一种直观的把客户 或市场的需求逐步转化、展开、分解的多层次演绎分析方法。它是通过建立用图 形表示点的一一系列量化评分表、相关矩阵的组合，对客户需求、工程措施、需求 条件等影响质量的因素和指标进行细化分析、加权评分、相关分析、权衡分析以 及反复迭代，最后达到系统优化、逐步展开和综合权衡。 2 2 2q f d 的分析模型 ( 1 ) 质量式的q f d 分析模型 日本质量专家赤尾洋二教授认为：q f d 可以看作是由一系列关系组成的网 络，通过这一网络，客户需求被转化为产品质量特征，产品的设计则通过客户需 求与质量特征之间的关系被系统的展开到产品的每个功能组成中，并进一步展开 到每个零部件和生产流程中，通过这一过程，最终实现产品设计。他提出的q f d 分析模型如图2 2 所示。它包括两个方面：一是综合的质量展开，即针对产品的 综合质量展开式从客户和市场对产品语言性调研信息出发，以质量表的质量展开 为起点，横向经过技术展开、可靠性展开、成本展开、纵向经过功能展开、零部 件展开、工业方法展开；二是狭义的质量功能展开，又称质量职能的展开，是指 有关质量管理的业务职能的展开。 ( 2 ) 质量屋式的q f d 分析模型 美国质量专家认为q f d 是指把客户的期望和需求，即“客户的声音”转换 为公司内部的语言并加入传递的一个系统。美国质量专家并不是简单的照搬日本 的q f d 分析模型，而是不断提出新的q f d 模型，采用易懂的术语，将其分析模 型的结构以房屋结构加以描述，将其形象的称作为“质量屋”。目前，在全球多 种q f d 分析模型中，质量屋是最通用的分析模型。 第二章q f d a d 集成模型的研究 ：广丢磊j “云；、6 主赢“磊磊_ ，磊、 ： 7 7 7 、 一7 弋一弋一弋了一一 r - 一一l 一一一 ：女：。，一! 一 质 二。二一 量 功弋弋1 设 计 准 备 一厂五磊i 二i 忑、 堡义的质量展开( 职能展开) ) 一一 图2 2 日本质量专家提出的q f d 概念的基本构成 服 务 质量屋的结构如图2 3 所示。按照质量屋的结构来构建质量屋的过程，就是 应用q f d 技术进行分析的过程，根据图2 3 的内容，质量屋包括以下几个部分： 1 ) 左墙：用于分析和确定客户需求及其重要度k i ； 2 ) 天花板：用于提出工程措施； 3 ) 房间：用于分析客户需求与工程措施的关系度h ； 4 ) 地板：用于确定工程措施指标及其重要度h j ： 5 ) 屋顶：用于分析工程措施之间的相关度，形成三角形的相关矩阵； 6 ) 右墙：用于分析市场竞争能力坛； 7 ) 地下室：用于分析技术竞争能力t , - 。 应用q f d 的工作程序主要就是构建质量屋的过程，以下是质量屋的构建过 程。 ( 1 ) 确定应用q f d 的项目 ( 3 ) 客户需求的确定 ( 5 ) 市场竞争力的分析 ( 7 ) 关系矩阵的建立 ( 9 ) 相关矩阵的确定 ( 1 1 ) 工程措施重要度的确定 ( 2 ) 成立多功能综合q f d 小组 ( 4 ) 客户需求重要度的确定 ( 6 ) q - 程措施的确定 ( 8 ) 技术竞争能力分析 ( 1 0 ) 工程措施指标的确定 ( 1 2 ) 质量屋的全面评估 第二章q f d a d 集成模型的研究 【“左墙” “房间”关系度 “右墙”1 i n l 市场竞争能力 指数_ “地板” 图2 3 质量屋的结构 2 2 3 扩展型q f d 分析模型系统屋 虽然q f d 应用于产品开发具有许多的优越性，但将其分析模型一二维结构 的质量屋应用于作为系统工程的大型复杂产品研制却有很大的局限性：( 1 ) 质量 屋的二维结构限制了多因素相关分析和综合权衡；( 2 ) 质量屋的二维结构限制了 a h p 等定量分析方法的应用；( 3 ) 质量屋系列中结构与内容和步骤合为一体限 制了其应用的灵活性。 因此，针对多因素、多层次的复杂系统分析，通过对二维结构的质量屋进行 扩展性研究，提出了一种多维结构的q f d 分析模型，由于它更加适合多因素的 系统分析，但仍然采用房屋结构的形象比喻，所以，称其为“系统屋”。系统屋 具有多因素的分析、展开、综合权衡等功能，也适用于多因素的决策支持分析、 多目标管理等。 第二章q f d a d 集成模型的研究 横梁” ! 一 “墙面” f 立 一 。j | 柱j f ? | l r 1 ，厂“阳台”l f ? 厂丌、 7 , ，j | 图2 - 4 系统屋的框架图 ( 1 ) 系统屋的建立 系统屋结构的框架图如图2 4 所示：其中“立柱”由输入冈素构成的：“横 梁”是由输出因素构成的；“阳台”是由输入因素所包含的各个元素之间的相关 矩阵构成的；“屋顶”是由输出因素所包含的各个元素之间的相关矩阵构成的； “墙面”是由任何两个因素的相关矩阵构成的；“墙面”上的点是由相对应的相 关矩阵中的两因素所包含元素之问的相关度构成的。 系统屋是多维结构的，图2 - 4 只给出了一个输入因素和一个输出因素及其相 关分析的模型，即它只是一个系统屋分析模型的侧面，这时质量屋作为二维结构 的矩阵分析模型，可以认为是系统屋的一部分，系统屋可以认为是质量屋从二维 到多维的扩展。 应用系统屋分析模型对产品研制的某个环节进行系统分析和综合权衡的过 程，可以描述为建立系统屋的过程。建立系统屋大体有以下几个方面： 1 ) 确定系统屋的“立柱”，即明确系统屋中各输入因素： 2 ) 确定系统屋的“阳台”，即明确每个输入因素中所包含的各元素的相关矩 阵，以及个各元素所占的比重： 3 ) 确定系统屋的“横粱”，即明确系统屋中的各输出因素以及每个输出因素 所包含的元素的内容和重要度； 第二章q f d a d 集成模型的研究 4 ) 确定系统屋的“屋顶”，即明确每个输出因素中所包含的各元素的相关矩 阵，以及个各元素所占的比重； 5 ) 确定系统屋的“墙面”，即明确在系统屋中需进行相关性分析的两因素之 间所建立的相关矩阵。 建立系统屋有一个从建立“立柱”、“阳台”、“墙面”、“横梁”和“屋顶”的 火体顺序，然而也是不断修改和反复迭代的过程： ( 2 ) 系统屋的分析方法 系统屋技术的分析方法主要采用层次分析法，具体步骤如下： 1 ) 通过a h p 方法中的层次单排序方法来确定输入因素所包含的各元素所占 的比重，即建立“阳台”。 1 明确输入因素4 中所包含的各个元素对该因素的重要度以及相对于该因 素而言各个元素之间的相对重要度，从而得到的胛阶判断矩阵b 。 其形式为 彳b ib 2b l b n 6 jb l jb 1 2 b l j b l ” 6 2 t ) 2 1 b 2 2 b 2 ，b 2 ” 巧 b j ib | 2 b i b j n b 。 6 ”，b 以b n ，b ” 其中参表示a 中所包含的各元素对该因素的重要度；b , j 表示输入因素a 中 包含的元素? 相对于元素，的重要度， 非常重要，取值分别为3 、5 、7 、9 ， 在矩阵b 中有 岛，= 1 ， 1 2 万 分为四个等级，即一般、重要、比较重要、 相反元素相对于元素，的为的倒数。 ( 2 1 ) 因此，对，7 阶矩阵，仅需对n ( n 1 ) 2 个元素给出判断。 2 确定矩阵b 的最大特征根以及最大特征向量 输入因素爿中的各元素所占的比重构成了特征向量的分量，可以采用线性代 数的方法来确定最大特征向量，但一些近似算法计算起来更为方便，本文采用方 第二章q f d a d 集成模型的研究 根法。 若矩阵b = ( 6 一) 为玎阶矩阵，特征向量的计算公式如下： 将其规范化后 彬。 ：疆 ( 2 - 3 ) 式中彬特征向量w 的第i 个分量。 然后计算最大特征根五一，即 。喜等 陋4 ， 2 ) 检验矩阵b 的一致性 验证一致性的目的是判断两两元素间的重要度取值是否符合一致性。要对一 致性进行判断，首先要计算致性指标c i ： c 】2 等( 2 - 5 )”一j 若a 取值为零，则最大特征值为玎，此时矩阵b 具有完全一致性；根据式 ( 2 - 5 ) 可知，分母的值越大，a 值越大，则矩阵具有较差的一致性。为了考虑 判断矩阵b 不同阶数对一致性的影响，还需要引进随机一致性指标脚，从一阶 到十阶的平均脚取值如表2 1 所示。 表2 1 平均脚的取值 令 矩阵阶数123456 7891 0 平均彤值 o 0 00 0 00 5 70 9 11 1 1 1 2 31 3 31 4 21 4 51 4 9 c r ：c i r ( 2 6 ) 若得到的c r 值小于0 1 0 时，就可以判断此矩阵的一致性符合要求；若得到 的c r 值大于0 1 0 时，就必须对该矩阵进行恰当的调整，直至符合一致性的要求： 当c r o 1 0 时，判断矩阵具有满意的一致性；否则就需要对判断矩阵进行调整。 3 ) 两因素相关分析 兰驴 j i 一嘭 第二章q f d a d 集成模型的研究 建立系统屋的“墙面”，即两因素相关分析可采用a h p 层次总排序方法。具 体步骤如下： 1 层次单排序的确定 若因素彳中包含的各元素为a i ( i = 1 ，2 ，m ) ，因素b 中包含的各元素 为b j ( 产l ，2 ，? ) ，贝0 通过b 对a ，( i = 1 ，2 ，m ) 分别进行层次单排序， 就可以得到元素目( 产1 ，2 ，”) 针对a ，的的相关度_ ，进而得到相关矩 阵r ， 2 层次总排序的确定 根据公式( 2 7 ) 计算元素b ，针对因素a 的相关重要度h ，( 即层次总排序) 哆= k ，o ( 2 7 ) 式中，彳，的权重岛已知。计算见表2 - 2 3 对层次总排序进行一致性检验 层次总排序一致性指标为： c i - - z i c i | 、) 式中c l 对应判断矩阵b 的一致性指标。 层次总排序随即一致性指标为：