（机械设计及理论专业论文）面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 摘要 大批量定制结合了定制生产和大规模生产的优势，在保持低成本的同时，以较 短的交货期满足客户的个性化需求。产品族技术是实现大批量定制生产方式的重要 手段。为解决产品族规划中模块化和产品平台的确定问题，本文以大批量定制思想 为指导，研究了模块化产品族规划的相关方法。本文的主要研究内容包括以下几个 方面： ( 1 ) 阐述课题研究的相关技术和研究现状，分析模块化和产品族技术存在的问 题，提出论文的研究内容，概述论文的特色和组织结构。 ( 2 ) 采用层次分析法对客户需求进行研究，建立产品技术参数和客户需求的映 射，根据产品技术参数的相似性对产品进行分类。 ( 3 ) 基于遗传算法对产品族模块划分问题进行研究。以产品零部件在结构和功 能上的关联值为主要依据，综合分析零部件在产品生命周期不同阶段的相关性，根 据模块划分的原则，构造模块划分模型，采用遗传算法对模块划分模型进行了求解。 ( 4 ) 建立了模块聚合、聚类以及模块共用三个不同规划层次和目标的支持多产 品族设计的模块化产品族整体优化模型，确立产品平台的模块组成；研究了分层遗 传算法在产品族规划问题中的应用。 ( 5 ) 以自卸汽车产品为实例对规划方法进行了验证。 ( 6 ) 总结论文的研究内容，对下一步工作进行展望。 关键词：大批量定制；模块划分；产品族；产品平台；遗传算法 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 r e s e a r c ho nm o d u l a rp r o d u c tf a m i l y p l a n n in gf o rm a s sc u s t o m l z a t i o n a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o nc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fm a s sp r o d u c t i o na n dc u s t o m i z a t i o n p r o d u c t i o n ,m a i n t a i n sl o wc o s t ， s h o r t e rd e l i v e r yt i m ea n ds a t i s f i e st h ec u s t o m e r s i n d i v i d u a lr e q u i r e m e n t s p r o d u c tf a m i l yt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e a n so fp r o d u c t i o n m e t h o d st oa c h i e v em a s sc u s t o m i z a t i o n i no r d e rt od e t e r m i n et h ep r o d u c tp l a t f o r ma n d m o d u l a r i z ef o rp r o d u c tf a m i l yp l a n n i n g ，w i t ht h eg u i d eo fm a s sc u s t o m i z a t i o na n dt h e g o a lo fd e s i g nr e s o u r c e sr e u s e ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h em e t h o do ft h em o d u l a rp r o d u c t f a m i l yp l a n n i n g ，a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h er e l a t e ds u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e sa n ds i t u a t i o nw e r ee x p a t i a t e d ；t h ec u r r e n t m o d u l ep a r t i t i o np r o b l e ma n dp r o d u c tf a m i l yt e c h n o l o g i e sw e r ep o i n t e d ；t h er e s e a r c h c o n t e n t sw e r ep r e s e n t e d ；t h ef e a t u r ea n dt h es t r u c t u r eo f t h i st h e s i sw e r ed i s c u s s e d ( 2 ) a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sw a su s e dt oa n a l y z et h ec u s t o m e rr e q u i r e m e n t s t h e r e l a t i o n s h i pm o d e lo fc u s t o m e rr e q u i r e m e n ta n dp r o d u c t st e c h n i c a lp a r a m e t e r sw a sb u i l t a l lp r o d u c t sw e r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t y o f p r o d u c tt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ( 3 ) r e s e a r c ho nm o d u l ep a r t i t i o np r o b l e mf o rp r o d u c tf a m i l yb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m t h em a i nf o u n d a t i o no fm o d u l ep a r t i t i o nw a sa c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a la n d f u n c t i o n a la s s o c i a t e dv a l u eb e t w e e np r o d u c t c o m p o n e n t s ，t h er e l e v a n c e b e t w e e n c o m p o n e n t si nt h ep r o d u c tl i f ec y c l ea td i f f e r e n ts t a g e sw a sa n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y t h ep a p e rp r e s e n t e da no b j e c t i v ef u n c t i o nf o rm o d u l ep a r t i t i o na c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o fm o d u l e p a r t i t i o n g e n e t i ca l g o r i t h mw a su s e dt or e s o l v et h em o d u l ep a r t i t i o np r o b l e m ( 4 ) m o d u l a rp r o d u c tf a m i l yp l a n n i n gm o d e lw i t ht h r e ed i f f e r e n tl e v e l so fa n d o b j e c t i v e si n c l u d i n gm o d u l ea g g r e g a t i o n , c l u s t e r i n ga n dm o d u l es h a r i n gw a sb u i l t p r o d u c tp l a t f o r mm o d u l e s w e r ee s t a b l i s h e d t h eh i e r a r c h i c a l g e n e t i ca l g o r i t h mf o r s o l v i n gp r o d u c tf a m i l yp l a n n i n gp r o b l e m sw a sr e s e a r c h e d ( 5 ) t h ep l a n n i n gm e t h o dh a sb e e nv a l i d a t e db yt h ed u m pt r u c ki n s t a n c e ( 6 ) s u mu pt h er e s e a r c hc o n t e n t so f t h et h e s i s ，p r o s p e c tt h ef o r w a r ds t u d y k e yw o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n ；m o d u l ep a r t i t i o n ；p r o d u c tf a m i l y ；p r o d u c tp l a t f o r m ； g e n e t i ca l g o r i t h m 青岛科技大学研究生学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 目录 1 绪论，1 1 1 引言1 1 2 大批量定制与产品族2 1 2 1 大批量定制2 1 2 2 产品平台与产品族技术，3 1 3 相关技术研究现状4 1 3 1 大批量定制与产品族研究现状4 1 3 2 模块化技术研究现状7 1 3 3 产品族规划技术研究现状8 1 4 论文研究内容。9 1 4 1 课题确立依据一9 1 4 2 研究内容1 0 1 5 论文特色及创新点1 1 1 6 论文组织结构1 l 1 7 本章小结1 2 2 基于客户需求和产品技术参数的产品划分方法研究1 3 2 1 引言1 3 2 2 客户需求与产品技术参数映射：。1 3 2 2 1 层次分析法概述1 3 2 2 2 需求分析评价模型的建立1 7 2 2 3 客户需求权重确定一18 2 3 客户需求与产品技术参数的映射关系研究2 0 2 4 基于客户需求和产品技术参数相似的产品族划分2 l 2 5 本章小结2 4 3 基于遗传算法的产品族模块划分技术研究2 5 3 1 引言2 5 3 2 产品零部件关联矩阵建立2 5 3 2 1 产品功能分解2 5 3 2 2 系列产品零部件关联矩阵的建立2 6 3 3 模块划分问题描述与建模2 7 h i 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 3 3 1 模块划分问题描述2 8 3 3 2 基于遗传算法模块划分问题建模。3 0 3 4 模块划分问题的遗传算法设计3 1 3 4 1 模块编码形式3 3 3 4 2 模块划分过程的算法描述3 4 3 5 烟草机械输送机的模块划分3 5 3 6 本章小结3 9 4 模块化产品族整体规划技术研究4 0 4 1 引言4 0 4 2 模块化产品族规划问题描述4 0 4 3 模块化产品族规划模型的建立4 l 4 3 1 产品族模块聚类方法的研究4 1 4 3 1 1 基于接口关系的模块聚类方法研究4 2 4 3 1 2 基于模块变型的模块聚类方法研究4 3 4 3 2 产品族整体规划方法研究4 7 4 4 应用分层遗传优化算法解决产品族规划问题4 8 4 4 1 分层遗传算法4 8 4 4 2 模块化产品族规划问题的遗传算法设计5 1 4 4 3 求解过程描述5 3 4 4 3 1 模块编码设计5 3 4 4 3 2 低层遗传算法求解过程5 3 4 4 3 3 高层遗传算法求解过程5 4 4 4 4 面向大批量定制的模块化产品族构建5 5 4 4 4 1 产品族建模方法研究5 5 4 4 4 2 面向大批量定制的产品族模型5 6 4 5 本章小结5 8 5 自卸汽车产品的模块化产品族规划5 9 5 1 引言5 9 5 2 自卸汽车产品简介5 9 5 3 自卸汽车产品族规划6 1 5 3 1 自卸汽车产品分类6 1 5 3 2 模块划分6 4 5 3 3 模块聚类分析6 9 5 4 自卸汽车产品族结构建立7 l 5 5 本章小结7 4 总结与展望7 5 全文总结7 5 工作展望7 6 i v 青岛科技大学研究生学位论文 参考文献7 7 致谢8 1 攻读硕士学位期间完成及录用的学术论文8 2 v 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着市场竞争的加剧和计算机技术在现代工业中的广泛应用，传统的制造业 正面临着一场极其深刻的变革。正在从传统的相对稳定型市场向着动态多变的市 场演变，同行业、跨行业之间的竞争随着经济的全球化变得更加激烈，主要表现 在用户需求越来越多样化和个性化、产品的生命周期和交货期缩短成为主要的竞 争要素，多品种、小批量生产比例增大等【l l 。 一一 在这种形势下，传统的大批量生产方式己不再适应快速多变的市场需要，大 批量定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，简称m c ) 生产方式应运而生。大批量定制生产 方式很好的解决了企业在产品的交货期( t ) 、成本( c ) 、质量( q ) 、环境( e ) 、 服务( s ) 等方面所面临的问题，而且可以充分管理利用各种资源，消除企业内 部的信息化孤岛，加快制造类企业的信息化进程【m 】。大批量定制生产方式吸取了 大批量生产方式和定制生产方式的优点，既保证了产品的低成本、较短的交货期 又满足了客户的个性化需求，有利于企业的发展。大批量定制的目标就是以尽可 能少的技术多样性去实现尽可能多的功能多样性，以尽可能减少产品的内部多样 化增加产品的外部多样化，产品平台和产品族技术为大批量定制提供了有效了技 术支持。 在大批量定制环境下，产品开发策略从过去面向单一产品转变为面向系列产 品，产品平台和产品族是进行大批量定制开发的基础。产品平台是一组产品共享 设计与零部件的集合，以此为基础可以衍生出一系列产品，这些共享一个产品平 台，但具有不同的性能与特征，以满足不同细分市场需求的一系列产品就是产品 族。在全面分析和研究客户( 包括潜在客户) 需求的基础上，开发一些具有独立 功能的模块，由这些模块组成完整的产品族，模块化的产品族是实现大批量定制 的关键环节【4 】。 一 产品平台与产品族是为了适应当前快速多变的市场以及客户对产品需求的 多样化而产生的，所以它要根据市场及客户的变化及时的进行优化、调整。产品 族规划的目标，一是要能够满足目标市场上客户的个性化需求，并且能够覆盖整 个目标市场；另一个是产品族模型要尽可能做到模块化和标准化，以满足大批量 定制的低成本、高效率和快速响应市场的需求。建立最优的产品平台和产品族能 够极大地提高企业的经济效益，所以，应用现代优化算法对其进行优化处理具有 巨大的理论及现实意义。 随着制造业竞争的日益全球化以及市场对产品要求的不断提高，数字化、知 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 识化、网络化、集成化、协同化等技术对世界经济产生巨大的影响，传统的工业 经济模式正逐渐向知识经济模式转变，企业的知识资产在企业保持竞争优势中所 起的作用也越来越重要。随着市场竞争的激烈以及客户多样化和个性化的需求， 逐渐多元化的细分市场，低成本、高质量、定制化的产品和服务，短的产品开发 周期和生命周期已成为企业发展的必然趋势。 1 2 大批量定制与产品族 1 2 1 大批量定制 大批量定制又称为大规模定制、大规模客户化生产、批量定制和批量客户化 生产等。它是一种集企业、客户、供应商和环境等于一体，在系统思想指导下， 用整体优化的观点，充分利用企业已有的各种资源，在标准化技术、现代设计方 法学、信息技术和先进制造技术等的支持下，根据客户的个性化需求，以大批量 生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的生产方式。具体而言，它 是以大批量、大范畴、大联合作为有效实施的根本条件；以人、组织、技术等制 造资源有效集成为获取企业核心能力；以实现产品高度个性化、能够快速响应动 态变化的市场需求和具有较低甚至为零的变异成本为根本特征，以达到生产的有 效性和经济性的协调统一为基本目标的一种先进生产方式【3 1 。大批量定制的基本 思想是，基于相似性原理、重用性原理和全局性原理，将定制产品的生产问题通 过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量生产问题，尽可能减少产品的内 部多样化，增加产品的外部多样化，实现以大批量生产的低成本、高质量和短交 货期向客户提供个性化的定制产品。大批量定制的技术体系如图l l 所示： 大批量定制的基本原理 相似性重用性全局性 面向大批量il 面向大批 定制的开发li 量定制的 设计技术ll 管理技术 面向大批 量定制的 制造技术 图1 - 1 大批量定制的技术体系 f i g 1 1t h et e c h n i c a ls y s t e mo f m c 大批量定制总的目标是低成本、高质量、快速地满足客户个性化需求，它首 先是一种指导企业参与市场竞争的哲理；其次，大批量定制是一种企业组织和管 2 青岛科技大学研究生学位论文 理模式；第三，大批量定制是一种指导企业进行产品客户化定制设计和制造的准 贝l j t 4 j 。 1 2 2 产品平台与产品族技术 产品族是指共享通用技术并且定位于一系列相互关联的市场应用的一组产 品【5 】。产品平台是给用户提供一个应用集成框架、一些应用开发工具和应用程序 接口【6 川，使得用户在此框架下，利用平台提供的工具和接口，能够方便地将各种 应用集成到此平台上来。产品族以产品平台为基础，通过选择不同的个性模块， 以满足不同客户的个性化需求。建立产品族的目的是针对一定范围的顾客群，折 衷用户需求种类和产品设计、制造效益的平衡，最大限度地实现设计参数和生产 过程的可重用性，以最小的产品变异来适应市场的竞争。 产品平台和产品族的关系如图1 2 【8 】所示： 图1 - 2 产品平台与产品族 f i g 1 - 2p r o d u c tp l a t f o r ma n dp r o d u c tf a m i l y 目前，对于产品平台还没有一个统一、权威的定义。一般意义上讲，产品平 台是一组产品共享设计与零部件的集合，以此为基础可以衍生出一系列产品。广 3 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 义上讲，这一系列产品共享的元素可以分成四类： 模块：包括零件设计、制造工装夹具、电路设计、程序模块等； 知识：包括设计专利、数学模型等； 过程：包括制造模块或装配产品的设备，工艺等； 组织：包括开发团队及相互之间的联系等。 1 3 相关技术研究现状 1 3 1 大批量定制与产品族研究现状 企业根据自身的性质和条件，选取不同的生产模式以满足生产需要，与之对 应的产品开发设计方法也各有不同。研究调发现，产品开发设计所需的成本仅仅 占到总成本的6 ，但设计成本对产品总成本的影响却占到了7 0 。实施大批量 定制生产模式成功与否的关键在于面向大批量定制的产品设计技术 d f m c ( d e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n ) ，基于平台战略的产品族设计被认为是解决 面向大批量定制产品设计的有效解决方法。围绕这一思想，国内外的学术界和工 业界对其进行了大量研究，并取得了一定的研究成果。下面从大批量定制的产品 开发技术、产品族规划、产品平台和产品族设计等角度对大批量定制关键技术的 现状进行概括总结。 8 0 年代末，美国国防分析研究所提出了并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ， c e ) 的思想，并在其所发表的r - 3 3 8 报告中对并行工程进行了定义：并行工程是 对产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行的集成设计的一种系 统化的工作模式，这种工作模式使产品开发人员从一开始就考虑到从概念形成到 产品报废的产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求， 以减少设计过程中不必要的返工，力争产品设计开发一次成功。大批量定制的设 计不是针对单一的产品，而是以一系列产品即产品族为对象，在产品的概念设计 阶段就考虑一族产品的设计，更加需要采用并行工程的方法来保证一族产品的可 制造性、可装配性和可维护性等，这种思想始终贯穿于产品生命周期的各个阶段， 成为产品全生命周期的并行。 m i t c h e l l 1 0 提出采用并行工程围绕大批量定制的设计流程，以有效地满足客 户需求。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段进行整体概念设计的同时，考 虑范围经济性和批量经济性；其重点为建立合理的产品族结构，同时完成一组产 品的设计，而不只是一个产品。 s i m p s o n 等人针对多目标优化存在的计算量大的问题，利用遗传算法进行产 品族和产品平台的优化设计，针对产品平台设计要求确定共享零件以及评估该零 4 青岛科技大学研究生学位论文 件的共享对产品的个性化的潜在影响【1 1 】；p e d e r s e n 利用基于决策的设计，开发了 一个层次化的产品平台实现方法( h p p r m ) 【1 2 】，有效地实现了面向订单的制造。 阴向阳【”】认为，对传统的设计流程进行改进，使产品开发与快速设计过程分 离、采用并行的工作流程、强调流程间的相互合作，以实现大批量定制的目标； 将大批量定制设计过程分为产品开发过程和快速设计过程，其中产品开发过程是 对客户需求的汇总，两个过程交流的基础是产品族模型。 刘晓冰等【1 4 】依据设计方法学，将产品族模型看作是由功能模型、原理模型和 结构模型三个具有映射关系的视图组成，认为准确地定义顾客需求、模块化设计、 标准化与规范化技术等是产品族建模的关键技术。 一一 孙伟等人 1 5 。1 6 】将面向大批量定制的产品设计流程分成新产品开发和变型产 品设计两个过程，并且将两者彻底分离。第一个过程是针对产品族进行设计，由 产品开发人员分析已有的客户需求，并且据此预测未来的客户需求，来确定合理 的客户群，并以此为基础运用相关知识，根据产品族中采用的定制方法提取变型 参数，其设计结果不是一个具体的产品实例，而是一个覆盖整个产品族功能要求 的动态产品族模型；第二个过程即产品配置的过程，变型产品设计过程是针对客 户的需求，在上一过程中建立的动态产品模型基础上，充分利用现有的设计资源， 以配置器为主要工具进行快速产品配置，或通过对产品部分或局部的改变，进行 相关功能、结构或参数的设计。 刘达斌等【1 7 】提出了面向系列产品平台的产品开发流程，认为基于平台的产品 开发策略能够满足大批量定制生产的需要，通过比较基于单独产品的策略与基于 产品平台的产品开发策略的特点，将基于平台策略的产品开发分为原形产品开发 设计、产品平台开发设计和产品族开发设计三个阶段。 赵继云等人【1 8 4 9 1 将面向大批量定制的产品设计流程分为两个阶段。首先进行 新产品开发，建立覆盖客户群总体需求的动态产品模型；然后根据具体的客户需 求，在动态产品模型基础上，通过实例匹配，获取相近产品进行变型设计，得到 满足该客户个性化需求的具体产品。 t h o m a s 2 0 】针对大批量定制产品设计的复杂性，提出了一个基于i d e f o 模型 的大批量定制产品生产系统( m c p ) 建模工具，该模型可清晰地描述从客户需求信 息的捕捉、产品定单的获取、产品的设计和开发、制造规划、生产加工到产品配 送整个过程中的活动及其相互之间的关系，以辅助设计人员进行产品的开发。 王玉【2 1 】等基于软件重用的思想，提出了基于重用的新产品开发方法，采用对 现有设计进行结构化表示、设计检索和设计解的修改等关键技术，实现设计过程 中的知识和信息的重用，以有效地缩短新产品开发周期，提高设计质量。 基于生产过程的不同，祁国宁掣4 】按照五个环节( 研制、设计、制造、装配、 5 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 销售) 把大批量定制技术划分成五种类型，即按定单销售( s a l et oo r d e r ，s t o ) 、 按定单装配( a s s e m b l et oo r d e r ，a t o ) 、按定单制造( m a k et oo r d e r ，m t o ) 、按定 单设计( e n g i n e e rt oo r d e r ，e t o ) 以及按订单研带l j ( r e s e a r c ht oo r d e r ，r t o ) ，在客 户订单分离点之前的生产经营活动是根据预测进行的，在分离点之后的生产经营 活动需要根据客户订单的实际需求而定。产品交付提前期是从客户订单分离点开 始计算的。为了降低产品生产过程的复杂程度，减少设计、制造以及装配等环节 的额外费用，客户订单分离点应该尽可能地向生产过程的下游移动。祁国宁等【2 2 1 还从合理化工程的角度阐述了产品标准化与规范化的意义、内容与实施步骤，指 出建立完善的编码体系、零部件的a b c 分析、零部件的分类、零部件名称分析、 零部件功能分析、零部件几何形状分析、零部件参数分析和建立事物特性表是产 品标准化与规范化的重要内容，是实施产品结构重组的技术基础。 l e ew b t 2 3 】认为要保证产品族中模块的有效性，必须为模块划分设计一个决 策支持算法，利用层次分析法，将复杂设计问题分解为几个简单问题，结合模糊 逻辑确定各影响因素的相对重要程度，从而构造一个模糊判断矩阵，为产品的模 块选择提供决策信息支持。 。 高广达【2 4 】等分析了产品计算机辅助模块化设计中模块选择的过程与选择策 略，提出了可用模块的概念与判别方法，以树形模块存储结构为基础，给出了模 块选择的详细算法，通过引入模糊数学中相似优先比的有关理论，提出了一种对 各属性因素进行综合定量考虑的“最相似模块 查找算法。 平台设计方法也为许多企业所接受和采用，广泛应用于汽车、家电、计算机 等行业中。典型的代表如日本索尼( s o n y ) 公司使用三个平台，开发了上百种不同 型号、共享类似录音机构的随身听；波音公司的7 3 7 系列以早期的7 3 7 1 0 0 为基 型，通过机身加长或者缩短，或采用更先进的发动机和电子设备，发展到了 7 3 7 8 0 0 。不同型号的7 3 7 客机航程、载客各不相同，以满足不同用户的需求，波 音公司已成为目前世界上最大的喷气客机家族。f o r d 公司通过使用基于产品平台 的产品设计方法取代传统的一次性产品设计，极大地降低了其引擎的设计、生产 成本。在我国也有一些企业采用基于产品平台的产品族设计，中国一汽实施了“红 旗平台”战略，基于该平台开发了几十种车型。大连机车车辆厂以东风4 b 型内燃 机车为平台，根据不同市场的需求进行配置，开发出一系列车型。 面向大批量定制的产品族的规划问题在学术界与工业界均受到相当的重视。 其中，j i a o 掣2 5 。2 6 】还通过应用面向对象的技术建立了一个通用的信息建模框架， 采用模块化设计思想并借助类的概念进行产品设计，以达到合理规划产品族的目 的；s i d d i q u e t 2 7 】在此基础上提出基于图论的产品族推理方法，以产品族成员的共 性特征为基础，从数值角度实现了产品族成员的有效配置。 6 青岛科技大学研究生学位论文 顾新建等【2 8 】提出了基于因特网的大成组技术的设想，研究了成组技术和大批 量定制生产模式的关系，在大成组思想的指导下，面向区域内规划产品族，既可 以为分散的客户群提供一个选购的平台，又有利于生产企业形成更大的规模经济 效益。针对企业空间和时间个性化与软件通用化的矛盾而造成管理软件的成功率 低问题，他们又分析了管理软件的大批量定制的主要依据，归纳和提出了主要方 法，并对其中的组件技术进行了分析【2 9 1 。 重庆大学的但斌等人研究了以功能域的类功能需求( g f r ) 和物理域的类设计 参数( g d p ) 对大规模定制产品族进行描述的方法，以及基于公理设计理论的g f r 和g d p 之间的映射关系，提出了产品族功能的定制度的概念和计算方法，建立 了基于定制度的定制功能的评价和选择方法 3 0 】；提出了一种基于类物料清单 ( g b o m ，g e n e r i cb i l lo f m a t e r i a l ) 的产品族结构模型，研究了基于g b o m 的产 品族配置方法 3 1 】；并提出了面向大规模定制的产品平台管理模型的体系结构，从 功能视图、技术视图和组织视图三个方面对产品平台管理进行描述p 引。 1 3 2 模块化技术研究现状 实现大批量定制模式，模块化的产品族技术是一种行之有效的产品设计方 法，其基本思想是将产品划分为一系列模块，通过模块的不同组合得到不同功能 的产品f 3 3 】，它可以有效提高产品的配置效率，并且易于产品在全生命周期中的管 理和维修，还能够简化设计过程和产品的动态更新。模块划分是实现这一技术的 关键，近年来国内外学者对此做了大量的研究。 s t o n e 等【3 4 提出了启发式模块创建法，以产品的能量流、物料流、信号流以 及力等，再依据三种判断准则：支配性流、分支流以及转换一传输流来进行模块的 规化。但问题在于仅仅衡量能量、物料、信号以及力的处理过程，以功能实现方 式探讨模块形成，没有能体现出设计需求约束问题。g o n z a l e z z u g a s t i 0 5 通过决策 树分析不确定因素下处理产品平台的选择问题，同样缺乏探讨零部件的实体功能 关系；d a h m u s 3 6 】沿用s t o n e 所提出的启发式模块创建方法来处理产品族变型设计 中的模块创建，但是这种方法仅针对现有相关联的产品进行整合；s i d d i q u e o t j 基 于配置推理规则和图论的表示方法得到了产品族中共用模块的最佳布局。 e r i c s s o n 3 8 】给出了一种模块功能配置方法，通过分析产品全生命周期的属性 归纳出了模块驱动因素，并利用质量屋( h o u s eo f q u a l i t y ，h o q ) 来分析客户需 求与产品工程设计特征的关系。 g u 等【3 9 】考虑了产品生命周期中的多种因素，提出了一种面向产品生命周期 的多目标( 易于回收性、可升级、可重复用、重构等) 的模块划分方法。 k u s i a k 4 0 】等应用启发式的图解模块识别的方法来分析产品模块化结构，并且 7 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 给出了三种模块化结构形式：组件互换性模块化、总线型模块化与组件共享型模 块化。 王海军等 4 l 】分析了产品生命周期中影响零部件交互性的一系列因素，基于相 似性特征给出了一种对产品族进行模块化与核心平台并行优化设计的方法，运用 模拟退火算法得到了最终的产品族布局设计方案。 潘双夏等1 4 2 躬1 在模糊聚类以及信息熵理论基础上，综合考虑了客户需求、产 品的装配、成本和维修等相关因素对产品进行了模块创建，并且给出了模块形成 方案的量化评价方法。 孟祥慧等m 】基于零部件分析法，提出了面向产品族设计的模块规划准则：( 1 ) 将个性化部件分离出来，使产品差异点后移；( 2 ) 将未来易于变化的零部件与其他 零部件相分离，从而改善模块整体的通用性和稳定性；( 3 ) 力争模块的功能独立性， 并使模块之间的物理关联和几何关联最小。给出了各规划准则的量化计算方法和 模块规划的目标函数，并以基于整数编码的遗传算法对模块规划问题进行求解。 邓可等【4 5 】提出了一种基于蚁群聚类算法的模块划分方法，以零件间的物理或 功能上的相关度作为划分模块的主要依据，利用零件的指标特征值建立相关度评 价模糊关系矩阵，然后应用蚁群聚类算法得到产品模块的划分方案。 1 3 3 产品族规划技术研究现状 产品族是响应客户需求和适应市场竞争的产品集合，是共享通用技术并面向 相关市场应用的一组产品，通用技术、相关市场应用和多样化是其主要特征【4 6 】。 产品族设计与传统的产品设计的区别在于，它所考虑的对象不再是单一产品，而 是一系列产品，其目标在于：以接近大批量生产所具有的效率和质量等情况下设 计和制造满足个性化客户需求的产品，以争取更多的市场份额，实现产品的范围 经济；最大化细分产品之间的通用性，以发挥规模化经济效益。 近年来，国内外学者对产品族技术进行了大量研究，产品族设计理论主要有 两种：一是面向变型的设计方法( d e s i g nf o rv a r i e t y ，d f v ) 1 4 7 1 ，这种方法通过 采用世代变型因子和耦合指标的概念对引起产品重新设计的两类因素加以量化， 以帮助设计人员合理地进行产品模块划分及模块布局，使得当产品变型时模块的 更改量最小；二是基于核心平台( p r o d u c tp l a t f o r m ) 的设计方法【4 引，该方法的基础 是通过对核心平台添加、减少、修改相应的功能模块，实现产品族的设计。 o l i v i e r 以定量的方法，以产品族的整体利润最大为目标规划产品平台的数目 一9 】；朱斌、江平宇等人应用线性回归分析方法对设计变量与性能指标之间的隐含 和不确定关系进行分析，然后根据各设计变量对性能指标贡献的大小规划产品平 台参数及个性参数【5 0 1 。 8 青岛科技大学研究生学位论文 f u j i t a 将产品族规划问题分为三类【5 1 。5 2 1 ，把核心平台变量的选择、平台设计、 变型设计整体考虑称为第1 i i 类问题，通过杂交遗传算法、分支定界和连续二次 规划( s q p ) 来解决这类问题，分别确定平台配置和变型设计，这种方法在适应 性评价局部搜索中会导致次优的结果，并且优化算法的嵌套会导致很高的计算代 价。 王爱民 5 3 】等人应用聚类分析方法解决了产品族设计中模块划分和产品平台 的确定问题，通过分析产品开发流程，建立零部件关联矩阵，以零部件之间关联 程度的紧密作为聚类指标，计算出了零部件对不同类别产品的相对隶属度，为产 品模块划分和产品平台的确定提供了参考依据。王爱民【5 5 】等还给出了解决在面 向产品族开发中核心平台( 面向产品族规划时的核心部件) 的定量确定和分析方 法。通过分析面向产品族的用户需求，研究基于功能的产品开发过程，应用质量 功能配置矩阵进行关系映射，利用数学模型进行定量描述，实现了用户需求、功 能和实体部件层次的关联表达。 1 4 论文研究内容 1 4 1 课题确立依据 通过对本课题当前研究现状分析和相关技术实际应用情况研究，论文的研究 内容主要依据以下方面确立： ( 1 ) 以产品族的方式对产品进行管理及设计，可简化产品设计，缩短产品制 造时间，降低产品设计、制造和管理成本，是支持大批量定制生产模式的有效方 法。 ( 2 ) 面向产品族的模块化设计，以现有资源为基础，是经过标准化、规格化 的模块，是实现产品资源重用的基础，是实现产品配置设计和变型设计的关键。 ( 3 ) 以有效的方法进行产品族规划能更好发挥现有平台的作用，充分体现大 批量定制技术的先进性。 ( 4 ) 基于核心平台的模块化产品族设计技术，可以有效地促进资源公用性， 提高产品多样性，且可以节约设计、生产、装配成本，使产品易于分解、维护、 更新及重用，是实现大批量定制的前提和条件。 ( 5 ) 对模块划分的非数值方法研究已经很多，数值规划方法相对较少，已有 的一些方法可操作性不强。 以产品族产品平台为基础的大批量定制生产方式以其自身独特的优势，满足 了客户对产品多样化和个性化的需求，同时也保证了企业制造的低成本、高质量 以及较短的交货期，很好的满足了当前市场的需求。在对产品族产品平台设计的 9 面向大批量定制的模块化产品族规划技术研究 过程中或者对现有的产品族和产品平台使用过程中，对其进行优化，以使其更好 的为企业服务，对企业的发展乃至整个制造业的发展都有很重大的现实意义。 1 4 2 研究内容 本文以大批量定制为指导思想，在产品零部件标准化和规范化的基础上，结 合几种典型的机械产品来探讨一种面向大批量定制的模块化产品族规划方法。以 客户需求为基础进行产品分类，建立模块化分模型以及产品族规划模型。对企业 正在实施的模块化技术具有重要的指导意义。 具体研究内容如下： ( 1 ) 根据用户需求与产品技术参数的相似度进行产品族分类 首先对客户需求进行整理，运用层次分析法确定客户需求对应的权重；其次 建立客户需求与产品技术参数的映射关系，把客户需求对应的权重值转移给技术 参数，将模糊的用户需求转化为量化的工程技术参数；确定各工程技术参数的特 性及取值范围；按照主要技术参数的取值不同范围不同进行产品聚类，得到由基 本产品构成的产品族集合。 。 ( 2 ) 依据模块划分原则建立统一的规划模型形成模块划分方案 针对全系列、跨系列产品范围内零部件较多、相互关系复杂的特点，进一步 研究完善全系列产品基于用户需求的产品分类方法，研究全系列产品在分类基础 上的产品分解方法，进一步完善针对全系列产品的零部件在生命周期内不同阶段 相互关联程度的分析和计算方法。 研究模块划分的规则以及规则的量化方法，建立模块划分的数学模型，研究 现代优化算法在模块划分问题上的求解技术。 ( 3 ) 模块化产品平台整体优化模型研究 研究基于零部件标准化为目标能够适应全系列产品的模块变型尺度和规则， 建立面向模块变型的模块规划模型，以此为基础研究广义模块族的规划方法；进 一步研究模块聚合规则，以及模块数量、模块变型规则和零部件聚合程度之间的 相互制约关系，建立模块聚合规划模型，并研究高效率求解模型获得最优解的求 解技术。 分析全系列产品模块规划的特点，研究影响模块共用程度的主要因素，研究 全系列产品中模块聚合的模块粒度、模块组合方式等、以及模块聚类中模块的相 似程度和聚类方式等因素对模块共用程度的相互作用关系，在此基础上建立综合 了模块聚合、聚类以及模块共用三个不同规划层次和目标的支持多产品族设计的 模块化产品族整体优化模型，以获得平台规划的综合最优方案。 ( 4 ) 面向产品平台整体优化模型的求解技术研究 l o 青岛科技大学研究生学位论文 分析分析支持多