（机械设计及理论专业论文）大规模定制下汽车电子产品快速设计系统的研究与开发.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 大规模定制下汽车电子产品快速设计 系统的研究与开发 摘要 大规模定制是近年来制造业广泛关注的一种新型的生产模式 不但能够 使得产品的生产满足客户个性化的要求 又可以降低产品的生产成本并缩短 产品的交货期 提高了企业的市场竞争力 配置设计和变型设计技术是实现 大规模定制生产的关键 两者之间的融合程度将会在很大程度上影响大规模 定制的发展 因此 针对大规模定制生产的产品快速配置及其变型设计技术 的研究具有重要的意义 论文在分析大规模定制原理的基础上 对面向大规模定制的产品配置原 理 配置方法以及面向大规模定制的产品变型设计原理 方法都作了深入的 研究 结合模块化设计理论 将基于模块化实例推理的变型设计技术引入到 了产品快速配置系统中 使产品配置设计和变型设计融入到一个系统 提出 了面向大规模定制的产品快速设计系统 此系统不仅具有产品快速配置系统 所拥有的从零开始的产品配置设计 也能在基于实例的推理下 通过企业已 有的产品实例库 找出与客户需求相似的产品实例 针对相似实例为模版对 其进行变型设计 达到满足客户的需求 增加了已有产品实例的重用性 目前国内汽车电子产品已经无法满足日益增长的客户个性化需求的需 要 针对汽车电子产品特点 按照产品功能模块的划分方法 将汽车电子产 品划分了八大功能模块 应用p r o e 三维建模软件建立了汽车电子产品的模 块库和产品实例库 另外深入研究了s m a r t e a m 产品数据管理软件的概念 功能 操作方法 根据提出的产品快速配置和变型设计系统 开发了以 s m a r t e a m 软件为平台的面向大规模定制的汽车电子产品的快速设计系统 验证了产品快速配置和变型设计系统的正确性 面向大规模定制的汽车电子产品快速设计系统的实现 使得汽车电子产 品的开发周期大大缩短 提高了汽车电子产品设计的速度和质量 降低了成 本 增强了市场竞争力 关键词大规模定制 快速设计 产品配置 变型设计 汽车电子产品 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t oe l e c t r o i n c p r o u c tr a p i dd e s i g ns y s t e mf o rd f m c a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o ni san e wp r o d u c t i o nm o d e lw h i c hh a sg o te x t e n s i v e a t t e n t i o n i tc a nn o to n l ym a k ep r o d u c t i o nm e e tc u s t o m i z a t i o n b u ta l s or e d u c e c o s to fp r o d u c t i o na n dd e l i v e r yd a y s s om a r k e tc o m p e t i t i o nh a sb e e ni m p r o v e d t h ek e yo fm a s sc u s t o m i z a t i o na r ec o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dv a r i a n td e s i g n t h e a m a l g a m a t i o no fw h i c hd e p e n d so nt h ed e v e l o p m e n to fm a s sc u s t o m i z a t i o n s o t h er e s e a r c ho fr a p i dc o n f i g u r a t i o na n dv a r i a n td e s i g nh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gp r i n c i p l eo fm a s sc u s t o m i z a t i o n w ed e e p l y r e s e a r c hi t sp r i n c i p i u m m e t h o da n do fc o n f i g u r a t i o na n dv a r i a n td e s i g n c o m b i n e dw i t hm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p sar a p i dd e s i g n s y s t e m f a c e do nm a s sc u s t o m i z a t i o np r o d u c t s t h i ss y s t e mn o to n l yp o s s e s s p r o d u c t sc o n f i g u r a t i o nd e s i g n w h i c hs t a r t s f r o mz e r o b u ta l s oc a nf i n dc a s e s i m i l a rt oc u s t o m sr e q u e s t b a s e do nc a s er e a s o n t h r o u g hc o r p o r a t i o n sp r o d u c t c a s e b a s e t h e nt h r o u g hv a r i a n td e s i g n w em a k ei tm e e tc u s t o m sr e q u e s t t h i s m e t h o dc a ni n c r e a s ep r o d u c t i o n sr e u s a b i l i t y r e c e n t l y o u rc o u n t r y sa u t c r e l e c t r o n i cp r o d u c t sc a nn o t m e e tt h ee v e r i n c r e a s i n gc u s t o m i z er e q u e s t a c c o r d i n gt ot h ea u t o e l e c t r o n i cp r o d u c t s f e a t u r e a n dd i v i s i o nm e t h o do fp r o d u c t i o n sf u n c t i o nm o d u l e i ti s d i v i d e dt oe i g h t f u n c t i o nm o d u l e m o r e o v e r w ef u r t h e rs t u d yt h ec o n c e p t f u n c t i o na n do p e r a t i o n o fs m a r t e a m s o f t w a r ea b o u tm a n a g e m e n to fp r o d u c t i o n sd a t a a c c o r d i n gt o t h er a p i d c o n f i g u r a t i o na n dv a r i a n td e s i g ns y s t e m w ed e v e l o p s m a r t e a m p l a t f o r m m b a s e ds y s t e m t h i ss y s t e mv a l i d a t e sc o r r e c t n e s so fp r o d u c t i o n sr a p i d c o n f i g u r a t i o na n d v a r i a n td e s i g ns y s t e m t h er e a l i z a t i o no fa u t c y e l e c t r o n i cp r o d u c t s r a p i dc o n f i g u r a t i o na n dv a r i a n t d e s i g ns y s t e m f a c e dt om a s sc u s t o m i z a t i o n g r e a t l ys h o r t e n sd e v e l o p m e n tc y c l e i r e p r o v e s i t s d e s i g nq u a l i t y a n ds p e e d r e d u c e st h ec o s t e n h a n c em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s s i i 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 k e y w o r d s m a s sc u s t o m i z e r a p i dd e s i g n p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n v a r i a n td e s i g n a u t oe l e c t r o n i cp r o d u c t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 大规模定制下汽车电子产 品快速设计系统的研究与开发 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除 已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出 贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全 由本人承担 作者签名 雩玖孤率 日期 谰年名月白 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 大规模定制下汽车电子产品快速设计系统的研究与开发 系本人在哈 尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 论文的 研究成果归哈尔滨理工大学所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义 发表 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向有关部门提交论文和电子版本 允许论文被查阅和借阅 授权 哈尔滨理工大学可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论 文的全部或部分内容 本学位论文属于 作者签名 狐钞宇甲期 劲苫年缸月 同 导师妣葛 纱绎 珈彦年 月占同 哈尔滨理t 大学工学硕i 学位论文 1 1 制造业面临的挑战 第1 章绪论 随着社会生产力的进步 市场已经从传统的稳定性市场演变为动态多变性 市场 市场需求的变化 使机械制造业的生产方式正在向需求个性化的方向发 展 使得制造环境发生了根本性变化 制造业面临着前所未有的挑战 主要表 现为 1 市场环境变化的挑战随着市场经济的全球化 世界市场正在发生重 大的变化 从传统的相对稳定型市场演变成无法预测 动态多变型市场 物质 产品的丰富和产品竞争的加剧 市场己经从 卖方市场 转向 买方市场 这迫使企业不得不调整生产经营模式 在最短的时间内生产出满足客户需求的 个性化产品 以提高客户的满意度 2 产品生命周期缩短的挑战现代科技日新月异 客户对产品永无止境 的追求导致新产品层出不穷 产品的市场寿命大大缩短 据统计 机械电子产 品平均市场寿命己经从2 0 世纪7 0 年代后期的8 年左右缩短到2 0 世纪9 0 年代 后期的2 年 而在产品生命周期缩短的同时 由于产品结构日益复杂 功能不 断增强 新产品的平均开发周期从2 0 世纪7 0 年代后期的1 5 年延长到2 0 世纪 9 0 年代后期的4 年 如何较好地解决这一对日益尖锐的矛盾已经成为企业生死 枚关的问题 顺应客户需求的变化 迅速响应市场 己经成为压倒一切的竞争 因素 l i 3 客户需求多样化和个性化的挑战客户对产品的需求呈现多样化 使 得产品生命周期不断缩短 企业对市场需求趋势的预测更加困难 市场需要的 不再是规格统一的标准化产品 而是大量的客户个性化产品和服务 传统大批 量制造模式下单一规格的消费市场逐渐演变为一系列满足不同需求的多样化市 场 制造业必须即时调整现有的生产方式才能适应这一市场的变化 2 1 4 交货期缩短的挑战当自矿顾客的购买行为已经不再拘泥于注重价格 而是特别强调交货期 因为交货期越短 则买方得益于及早使用新产品的效益 越大 能否更快 更好 以更低的成本制造出新的产品投放市场 将是制造企 业生存和发展的关键 市场占有率的很大比例属于产品首先上市的企业 3 i 既 要满足用户的多样化需求 又要缩短产品的交货期 这将是现代企业面临的又 哈尔滨理t 大学丁学硕士学位论文 一 两难 问题 在制造业面临的挑战面前 世界各国纷纷采取对策 研究和探索适应现代 市场和社会需求的现代制造技术 提出了各种现代制造的新哲理和新模式 近 年来 大批量定制生产作为制造业先进的生产模式 得到了广泛的关注 1 2 大规模定制生产方式 随着世界经济的高速发展和人们生活水平的提高 制造业面临一个被消费 者偏好分化 变化迅速且无法预测的全球化的买方市场 传统的大规模生产方 式对这种变化束手无策 人类开始了研究和探索新的生产方式 在这种背景 下 出现了大规模定制生产方式 1 2 1 生产方式的演变 人类社会发展的历史是生产方式变革的历史 4 翔 生产方式的变革由生产力 决定 科学技术对生产力发展的决定作用推动了生产关系的变革及社会进步 纵观人类社会 生产方式的发展历程可分为以下几个阶段 如图1 1 所示1 6 单 件 产 品 生 产 规 模 产品数量 图1 1 制造业生产方式的发展趋势 f i g 1 1t r e n do fm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o n 1 作坊式生产方式作坊生产是单件定制的生产方式 作坊主按照客户 的要求进行制造 产品定制程度高 但效率低 成本昂贵 单件生产方式 以 第二次社会的大分工为代表的作坊式生产方式与1 8 世纪盛行的以瓦特蒸汽机 为代表的机械作坊是作坊式生产方式的三个阶段 2 大规模生产方式 1 9 1 3 年 以福特建立的汽车装配流水线为代表的大 规模生产方式的出现 形成了社会化的大生产 标志着生产方式的第一次巨 变 大规模生产方式以标准化 通用化 集中化为主要特征 通过高效的自动 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 化专用设备和流水线生产 缩短了生产周期 提高了生产效率 降低了成本 保证了质量 这种模式推动了工业化的进程和世界经济的高速发展 为社会提 供了大量的物质产品 促进了市场经济的形成 3 先进生产方式传统的大规模生产方式的核心思想在于提高生产效 率 因而围绕着制造的方方面面形成了配置企业内部资源和社会资源的刚性系 统 这种系统很难重新调整 随着世界经济的高速发展和人们生活水平的提 高 制造业面临一个被消费者偏好分化 变化迅速且无法预测的全球化的买方 市场 大量生产方式对此难以适应 为适应这种变化 全世界开始了对先进生 产方式的研究和尝试 二次大战后的半个多世纪里 各国结合自己的情况提出了许多新的制造概 念和生产方式 这些先进生产理念侧重于生产的不同环节 大大的推动生产力 的发展 例如 美国提出的对产品开发及其相关过程以组成多功能协同小组工 作模式为特征的并行工程 c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g c e 以简化组织和强调人的 能动性为核心的精益生产 l e a np r o d u c t i o n l p 以动态多变的组织结构和充分 发挥技术 组织人员的高度柔性集成为主导的敏捷制造 a g i l em a n u f a c t u r i n g a m 日本提出的以提高决策自动化为目的的并在整个制造过程中贯穿智能活 动的智能制造 i n t e l l i g e n m a n u f a c t u r i n g i m 德国提出的以人为主体的第二 代c i m h i m 此外 还有虚拟制造化 v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g v m 仿生制造 b m 绿色制造 g r e e nm a n u f a c t u r i n g g m 等先进的生产方式 在这些先进的 生产方式中 最具影响力的有精益生产以及敏捷制造 4 大规模定制生产方式在总结柔性自动化 精益生产 敏捷制造等模 式的基础上 大规模定制生产方式 m a s sc u s t o m i z a t i o n m c j 顷应而出 解决了 生产批量虽小 但生产率要高 质量要好 成本要低的矛盾 能够满足不同客 户的个性化需求 大规模定制将大批量生产和定制生产有机的结合起来 将企 业 客户 供应商三者联系在一起 在系统思想指导下 用整体优化的观点 充分利用了企业已有的各种设计资源 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 更好更快的响应了客户的个性化需求 1 2 2 大规模定制生产方式 新的市场竞争要求企业不但能提供优质的 能满足用户特殊要求的产品 而且必须快速 及时和价廉 传统按批量大小组织生产的原则已不适用这样需 求 针对这一矛盾 美困著名的未来学者托夫勒在1 9 8 0 年出版的 第三次浪 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 潮 中 提出了一种理想化的生产系统 称之为 非大量化 d e m a s s i f i c a t i o n 指这种生产系统可满足客户个性化的需求 1 9 8 7 年 戴维斯 s t a r td a v i s 在 t l l ef u t u r es h o c kp e r f e c t 中提到了托夫勒的观点和概念 并将其发展 重新 命名为 大批量定制生产 m a s s 1 9 9 3 年美国哈佛大学的派恩二世在 m a s s c u s t o m i z a t i o n t h en e wf r o n t i e ri nb u s i n e s sc o m p e t i t i o n 中给出了m c 的定义 7 1 指明了m c 在工业发展中的地位 并通过各种案例介绍了大规模定制的策 略 产品和服务 业务过程等问题 1 9 9 7 年 a n d e r s o n 教授以案例为主线总 结了与面向大规模定制的敏捷产品开发相关的多样化 合理化 标准化等 国 内学者祁国宁等 s l 指出大规模定制的基本原理 相似性原理 重用性原理和全 局性原理 充分识别和挖掘存在于产品和过程中的几何相似性 结构相似性 功能相似性和过程相似性 利用标准化 模块化和系列化等方法 减少产品的 内部多样化 提高零部件和生产过程的可重用性 通过产品重组和过程重组将 定制产品的生产问题 全部或部分转化为批量生产问题 从精益生产 敏捷制 造 现代集成制造和成组技术等方式 从定制点后移方法 总成本思想和产品 全生命周期管理等方法中吸取有益的思想 表1 1 大规模定制生产与大规模生产的比较 人规模定制生产大规模生产 市场情况买方市场 市场拉动企业卖方市场 企业推动需求 核心战略以客户为中心 柔性和快速以产品为中心 降低成本 反应以实现核心产品个性化提高稳定性和效率 适用范围动态变化的离散市场需求稳定的统一市场 如日 如电子产品 汽车等用品 易耗品 目标以足够的变异性和用户化成以几乎每个人都能承受的低 本和低价格开发 生产 程成本和低价格开发 生产 度开发 生产 销售和目标程度开发 生产 销售和目 销售 运送商品和服务运送标销售 运送商品和服务 几乎是每个人正想要的商品 和服务 供应链以客户增益为中心以制造为中心 关键特征以消费者需求为导向稳定的需求 以信息技术和先进制造技术人而统一的市场 为支持低成本 一致的质量 标准 以模块化 标准化为基础化的商品和服务 以敏捷为标忠 以多样化和产品开发周j 1 k 定韦0 化为核心 哈尔滨理下大学t 学硕一 学位论文 大规模定制以接近大规模生产的效率和成本 能提供满足不同的客户需求 的产品和服务 其核心是产品品种的多样化和定制化 9 1 这种管理新模式使人 们摆脱了 鱼与熊掌不可兼得 的困境 作为一种全新的 面向客户的生产方 式 大规模定制生产方式取代大批量生产方式是制造业发展的必然结果 也是 社会进步 生产力发展的具体反映 通过大规模定制 企业既可以降低成本 又可以满足用户个性化的需求 为企业提供了战略优势和经济价值 成为企业 竞争的新前沿 迄今为止 大规模定制生产的巨大潜力以及前景正在被工业界 所接受 很多大企业也投入了大量的资金去研究大规模定制 表1 1 从当今市 场情况 核心战略 适用范围 目标 供应链 关键特征等方面将传统的大规 模生产与大规模定制生产进行了比划1 0 1 1 l 1 3 大规模定制设计 大规模定制的本质就是大规模生产和定制生产的有机结合 目的是以大规 模生产的低成本和高速度 在顾客可以接受的情况下量体裁衣制造满足客户需 求的个性化产品 其中有三种含义 第一种是为顾客一次性制造他们所需要的 产品 第二种是为顾客制造可以适应任何人且对他们每个人而言都是定制的可 适应性产品 即 产品能自动适应顾客 第三种是针对大规模生产的产品 按照企业的要求在特定的时间 地点进行交货 在大规模定制下 企业 客户 企业或个人 供应商之间的良好沟通 为产品的开发设计及生产都节约了 很多时间 提高了效率 1 3 1 大规模定制设计的分类 不同的企业 大规模定制的实现层次有所不同 其具体做法就是根据市场 需求进行分析预测 在大规模生产方式生产的无个性特征的基型产品的基础 上 按照客户订单的需求对基型产品进行配置和变型 为用户提供个性化的定 制产品 大规模定制的定制方法根据不同的标准 可以进行不同的分类 1 2 1 根据定制手段分 可分为尺寸定制 调节定制 加工定制 尺寸定制是通 过模块的尺寸变化来满足定制要求 调节定制是通过其他方法使模块具有可定 制性 加工定制是通过零部件的随时加工得以实现 根据定制性质分 可以分为外观设计定制 功能选择定制 产品核心定 制 外观设计定制的基础是产品的外形 颜色等 功能选择定制是指选择产品 可以具有不同的功能模块 形成不同产品 产品核心定制是根据用户需要 将 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 产品的任意功能模块按照规则组合进行定制 根据定制时间分 可以分为核心定制 产品后定制 大批量零售定制 顾 客自定制 核心定制是指企业设计时可以随时定制 产品后定制是指企业生产 零件 由商业伙伴进行定制 大批量零售定制 指企业生产标准件 在销售时 由零售商进行定制 顾客自定制 指顾客自行选择不同的零部件进行组装配 置 多种类产品定制 指企业生产许多种产品 投放市场 提供给消费者选 择 1 3 2 大规模定制设计的基础 大规模定制设计的概念是t s e n g 于1 9 9 6 年首次提出的 其目标就是在产 品的开发设计初期考虑到产品整体设计时的范围经济性和批量经济性 在同一 类市场环境下 构造满足这一范围市场需求的产品族模型 根据不同客户的需 求 从产品族中衍生出定制化产品实例 完成产品的定制 国内外在大规模定 制设计的研究主要集中在客户需求分析 产品族设计 产品定制设计这三个方 面 客户需求分析大规模定制设计是以客户需求为驱动的 对客户需求的理 解和获取将直接决定大规模定制设计的成败 通过倾听客户声音 将客户需求 转变成产品设计和工程特征 并进一步转化为产品全生命周期信息 如零部件 特征 生产特征 工艺要求等 产品族设计产品族设计是大规模定制设计的核心思想 是将 大规模 和 定制 联系起来的纽带 对产品族设计的研究是随大规模定制的出现而开 始 主要集中在产品族模型表达 产品平台规划 产品平台下产品族开发等问 题上 并对产品平台 产品族进行了定义 产品族是一组满足一定范围市场需 求的相关产品 这些产品之间共享一组通用特征 组件 子系统 这些共享特 征 组件 子系统在产品变体之间保持为常刿1 3 产品平台是产品平台是产品 族的基础 是能够被某一系列产品共享 可重用的模块集合 一般具有相对稳 定的结构 1 4 1 产品定制设计李敏等依照定制程度将大规模定制设计分为四类 已有产 品结构和模块基础的产品配置设计 在已有产品结构和模块基础上 根据用户 需求对模块的尺寸进行变化的产品变型设计 根据用户需求选择产品结构和模 块的产品组合设计 用户需求变化较大时的产品创新设计 前两种方法 即配 置设计和变型设计 为产品定制设计的范畴 后两种即组合设计和创新设计为 哈尔滨理t 大学t 学硕t 学位论文 产品族设计范吲1 5 1 在产品定制设计中 又以配置设计为研究热点 大规模定制下 产品配置和变型设计是实现大规模定制的基础 产品配置 设计是定制设计的基础 变型设计是配置设计求解域的拓展 面对着品种多而 又批量小的客户需求 配置设计能将对订单的快速响应由变型设计上升为适应 性设计 若将配置设计和变型设计结合起来 针对不同的订单采用不同的设计 方式 将会加快产品的开发设计周期 实现产品的快速设计 1 4 国内外研究现状及存在的问题 大规模定制的核心是产品配置设计和变型设计 因此众多国内外学者对大 规模定制的研究就转变为了产品配置设计和变型设计的研究 主要集中在产品 配置设计和变型设计过程中问题的认识和表达 配置模型的建立和变型求解 产品配置器的实现以及产品配置管理等方面 周欣研究了大规模定制模式下的产品配置管理 对产品配置过程中由于产 品版本问题产生的再配置问题 以及配置的求解方法进行了说明 他认为产品 配置管理需要建立在原有产品结构的基础上 并且在配置过程中能够符合一定 的配置规则 对产品结构进行管理采用了多视图的方式 同时注重产品版本的 有效管理 1 6 1 谭建荣研究了大规模定制的特点 提出了产品功能结构单元的概念 给出 了产品配置模型的信息模型和配置模型求解策略 引入配置设计知识的混合表 的方法以适应不同产品设计类型的要求 实现了大规模定制生产的产品配置设 计系统 1 7 1 m i t e h e l l m t s e n g 和j i a n x i nj i a o 提出了一种基于实例的进化设计思想来满 足大规模定制的需要 它要求选择过去存在的产品族平台为基础 通过对原有 信息的重用和改变来完成多样化的定制 并对产品实例平台的选择和修正方法 进行了讨论 1 8 l a l e x a n d e rf e l f e r n i g 和g e r h a r df r i e d r i c h t 研究了基于知识库配置环境系统 建立了产品配置的概念模型和知识库的自动构建模型 采用基于模型的诊断技 术对知识库有效性 不合理配置要求 已有配置的合理性进行确定 并用来支 持再配置过程 讨论了如何用一种标准的设计语言对配置知识库进行建模和管 理1 9 1 孙伟 祁图宁等认为有效实施大规模定制的自仃提是对产品系列进行合理规 划 对产品中的零部件实施标准化和规范化i o i 哈尔滨理丁大学t 学硕f 学位论文 赵继云等人 将d m f c 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 2 1 2 2 l 以上的研究都从不同方面对产品配置和变型设计进行了讨论 但大多数的 研究都是将产品配茕设计和变型设计分别开来 并没有将他们有机的结合起 来 随着客户对个性化产品的追逐 以及对产品性能 价格的日益挑剔 单纯 的产品配置系统和变型设计系统已经无法满足客户的需求 这就要求我们必须 将两者有机的结合起来 来实现客户的不同需要 实现客户产品定制的快速设 计 1 5 本文研究背景及主要内容 1 5 1 研究背景 汽车电子产品的特点就是结构类型多 系列多 每个系列的产品变型也比 较多 并且用户的需求呈现多样性 产品的结构和参数特征变化范围比较多 汽车电子产品本身还拥有标准接口 因此汽车电子产品有着一定的柔性 柔性 是指两个含义 首先是产品具有自适应性 并且在品种变换时快捷方便 如汽 车电子产品在标准接口的支持下 能够适用于不同类型的汽车 其次是汽车电 子产品制造商有根据用户需求而量身定制的能力 如果不能对用户的需求做出 迅捷的有效地反应 那么就有可能失去用户 从而在竞争中处于不利地位 目前 很多汽车电子产品制造企业结合市场发展 一方面根据客户的个性 化需求对现有产品进行改型设计 另一方面将很大一部分精力投入到新产品的 开发上 由于种种原因现有新产品开发人员严重短缺 加上市场竞争压力大 开发时间紧 任务重 现有的设计和开发管理体制己经远远不能适应快速开发 新产品的需要 项目开发进度和质量常难以得到有效的控制 但是在功能相关 性模块化的基础上 面向大规模定制的产品设计系统的应用能够快速高效的对 汽车电子产品进行快速配置和变型设计 开发出汽车电子产品的新系列 它可 以提高产品设计的一次成功率 提高产品性能 质量和对用户的响应能力 适 应产品快速更新换代的要求 功能相关性的模块化设计理念的戍用是产品配置设计和变型设计的方向 也是汽车电子厂产品设计今后的发展方向 本文密切结合工厂实际 对企业的 哈尔滨理t 大学丁学硕 b 学位论文 汽车电子产品进行模块划分 建立适用于汽车电子产品的配置和变型处理 实 现了产品方案的快速配置和变型 进而使企业尽快掌握先进的产品设计技术 加快产品开发设计的速度 为我国汽车电子产品制造业提高了产品创新开发能 力 市场响应能力和市场竞争能力 提供一种有效解决方法 促进汽车电子产 品的进一步完善 可达到并满足客户的个性化需求 1 5 2 论文的主要研究内容 本文以汽车电子产品为研究对象 在功能相关性模块的基础上 采用理论 研究与实际应用相结合的方法 围绕产品配置设计和变型设计进行了研究 通 过建立基于功能相关性的模块化产品配置方法 结合基于实例推理的变型设计 方法 提出了一种基于p d m 面向大规模定制的产品快速设计系统 实现汽 车电子产品的快速设计 论文主要研究内容如下 1 从大规模定制设计基本方法出发 研究了大规模定制设计下的产品配 置设计原理 产品配置设计方法 以及大规模定制设计下的产品变型设计原理 以及变型设计方法 介绍了大规模定制设计下的产品开发流程 为论文的进一 步研究提供了理论基础 2 研究了大规模定制下产品数据管理系统的特征 并在此基础上 结合 产品配置设计和变型设计相关理论 提出了面向大规模定制的产品快速设计系 统 搭建了面向大规模定制快速设计系统体系结构 开发了面向大规模定制的 产品快速设计系统的产品开发流程 3 研究了模块化设计的划分方法 划分原则以及模块间的约束关系 在 此基础上 针对汽车电子产品的功能结构特点 对汽车电子产品进行了模块划 分 将相关性的概念引入到产品配置设计中 建立了基于功能相关的简单三角 矩阵 通过对相关矩阵的搜索来确定符合客户需求的模块 完成新产品的配置 设计 另外研究了在功能模块化的基础上 相似产品实例的提取方法 4 针对汽车电子产品的模块划分 在s m a r t e a m 环境下 用p r o e 三维软 件和s q l 数据库建立了汽车电子产品的零部件库和实例库 在此基础上 应 用v b 等编程工具开发出了汽车电子产品的快速设计系统 以验证大规模定制 下产品快速设计系统的正确性 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 第2 章大规模定制设计理论研究 在整个产品开发过程中 产品设计阶段投入的费用大概只占产品开发总成 本的5 但是却决定了7 0 8 0 的产品成本和8 0 以上的产品特性 包括产品 的功能特性 加工特性 装配特性以及使用特性等 产品开发设计阶段的错误 将在产品试制阶段付出3 0 到7 0 倍的代价 2 3 1 产品开发设计阶段在整个产品开 发的过程中是至关重要的 大规模定制设计就是在原有产品的基础上 根据产 品零部件的重用性 相似性 相关性 将产品的生产问题 通过产品结构和制 造过程的重组 加快产品设计的开发周期 减少了产品在开发设计中所犯的错 误 2 1 面向大规模定制设计的方法 大规模定制设计的目标是以大批量生产的效益来完成客户化产品的定制 对客户而言 产品符合了客户的个性化定制要求 对制造企业而言 该产品主 要是以大批量生产的方式实现的 现阶段大规模定制设计的方面主要有以下四 种 2 4 1 1 产品配置设计产品配置设计是一种特定的设计活动 是在一系列己 设计的零部件中寻找 组合出满足一定要求 符合一定约束的产品的设计方法 和过程 它具有两个关键特征 1 被配置的产品由完备定义的元件类的既定集 合的实例装配而成 2 元件以预定的方式相互作用 配置设计能够有效地利用 已有资源 快速的提供产品实例 并能够将生成的产品信息快速的提供给销售 商 批发商或客户 还可以通过标准的算法决定新产品的价格和交货日期 2 产品变型设计在机器的部件和组件的结构形状已定的情况下 仅仅 使尺寸作或大 或小变动的设计称为变型设计 在进行这种设计之前 一般先 要通过调查研究 作好这类产品对象的系列设计 设计时设计人员根据己知的 条件选择结构形式 将产品转化为部件 再把复杂部件转化为简单零件并完成 尺寸计算 然后在系列中选择相应的零件尺寸 在这类设计中 只需要系统地改变尺寸 而零件和组件仍能重复使用 在 设计过程中 不仅对零件采用变型设计方法 而且对部件这一级引入变型设计 方法也是完全必要的 它的优点是能重复使用结构合理经过实践检验的部件 减少部件的类别和便于信息处理 使设计自动化 另外 在设计过程中 要对 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 各种设计方案进行比较 使用变型设计方法 能提高计算机辅助设计的效率 减少设计人员的重复设计工作 满足用户的多样化需求 而且进一步为以后的 加工合理化提供方便 3 产品组合设计产品组合设计就是模块组合设计 也是产品配置设计 的延伸 在产品组合设计前 要根据市场需求对产品进行合理规划 对产品族 进行分析 建立产品的模块化信息模型 编写模块的信息编码 应用有关评价 方法对设计方案的技术经济效果进行定性或定量的评价和决策 模块选择后进行模块化组合是模块化设计的 瓶劲 问题 一方面考虑到 功能的要求 主要精力是投入到模块的结构连接上 虽然可以通过创建中间模 块解决整体上少变化的要求 但是作为模块自身及组合后如何满足产品的动态 性能要求仍要经过设计 试制 检测等必要步骤 另一方面 当组合后 发现 原有的模块不能满足要求 就必须进行重新设计 重新设计可通过模块的构形 元素 构形参数的变化来完成 其中包括尺寸的变化 功能面的形状变化 改 变构成零件 部件和机器的功能面零部件的数量或改变两个零件或部件的相对 位置 改变系统的功能面 零部件的顺序及连接顺序等 4 产品创新设计面向大批量定制的产品创新设计主要有基于技术平台 的衍生性创新与基于技术轨道的顺轨性创新两种类型 基于技术平台的衍生性 创新是在不改变主要生产技术和产品元件的条件下 通过局部变动产品设计改 变产品的一些辅助功能 在进行这些局部变动时 产品的一些主要结构和元器 件 尤其是利用企业关键技术生产的元器件等都是不变部分的生产技术 衍生 的系列产品是属于同一代产品 而基于技术轨道的顺轨性创新一般会伴随企业 核心技术的明显变化 形成技术水平更高的新一代产品 大规模定制设计的初期就开始考虑产品开发设计的经济性 将设计重点由 单件产品的开发转向同一类产品的开发 即产品族的开发 其核心是用尽可能 少的模块覆盖产品的宽广用户域 通过产品族 在满足客户个性化需要的同 时 实现生产规模的批量经济性 以达到低成本 高效率的目的 产品配置设 计和变型设计是大规模定制设计的核心 在配置设计和变型设计中 要对产品 的配置模型有足够的信息表达 就要对产品模块进行合理的划分 完成模块化 产品族的建立 产品族的设计 模块化设计等是配置模型建立的保障 也是大 规模定制设计的关键技术 在大规模定制设计的过程中 快速设计出满足客户需求的个性化产品方 案 产品配置设计和变型设计是必不可少的 在本文中产品配置设计和变型设 计就是我们所研究的重点 哈尔滨理t 大学t 学硕仁学位论文 2 2 大规模定制下的产品配置设计 2 2 1 产品配置设计原理 大规模定制模式下的产品配置是指在一个或若干个能覆盖产品类中既定型 号和规格变化的动态产品族模型的支持下 根据客户定制产品的要求 通过对 产品模型功能 性能 结构构型以及零部件进行选配 以及对局部零部件功能 和结构 尺寸的相应变化来快速设计出满足客户需求的个性化产品 在产品设 计的整个生命周期中 产品结构有可能按照各式各样的要求进行重新配置 但 是在配置过程中 不产生新的产品模型 现有产品模型间的接口不会被改变 大规模定制环境下 产品配置设计处在产品族设计完成以后 变型设计设 计以前的定制化阶段 从作用上来讲是大规模定制的使能器 能加强企业与客 户的联系 通过配置设计能够及时的将配置模型反馈给客户 极大地提高了对 客户需求的反馈效率 为变型设计打好了基础 同类产品通用产品结构 客户需求 匕二 配置规则 客户订单相关产品结构 图2 1 产品配置设计原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n 产品配置设计的基本原理如图2 1 是以客户需求为输入 在配置模型基 础七根据配置规则和一定的配置推理机制 对配置模型的节点进行选择和实例 化 经过评价优选 最终以产品的最佳配置结果为输出的设计活动f 2 5 1 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 2 2 2 产品配置设计方法 根据知识的表达和推理机制的不同 可以有不同的产品配置方法刚 例如 基于特征的产品配置方法 基于规则的产品配置方法 基于模型的产品配置方 法和基于实例的产品配置方法等 1 基于特征的产品配置方法最早的配置系统通常采用简单直观基于特 征的配置方法 为产品族定义几个相互独立的特征 每个特征对应几个选项 在进行客户订单输入时 由客户或销售人员从每个特征中选择一个选项 就可 以获得一个配置产品 2 基于规则的产品配置方法基于规则的配置系统采用基于规则的推理 方法 使用规则作为一致的表达领域知识和控制策略的机制 规则表现为i f 条件 t h e n 处理 的形式 基于规则的配置系统采用向前推理的方式 在每一步 系统都要检查整个规则集 当知识库中的当前状态信息符合某一规 则的所有条件时 相应的规则被激活 并执行相应的处理 这些处理一般都要 修改知识库中的状态 处理执行完毕 知识库的状态可能已经发生改变 此时 需要再搜索一个规则 如此循环往复直至得到最终的配置方案 3 基于模型的产品配置方法从大量可能的产品结构抽象出一个产品模 型 将众多产品品种用一个产品模型 一个配置规则库和一个零部件库来表 示 在客户要求的驱动下 在产品模型的基础上 在配置规则和零部件库的支 持下对产品模型的所有节点进行赋值 形成具体产品的过程 对于产品配置而 言 产品模型 配置规则的组织以及产品模型的实例化流程具有重要的意义 根据不同的模型描述 可以把基于模型的配置推理方法分为三种类型 基于逻 辑的配置推理 基于资源的配置推理和基于约束的配置推理 基于逻辑的配置推理大多数基于逻辑的配置推理方法采用描述逻辑作为 知识表示的形式化工具 系统的主要推理方式是包含推理和分类推理 描述逻 辑具有较强的表达能力 有利于知识的获取 利用包含推理和分类推理 知识 的描述能够被清晰的分类表达 并且 当新的描述被加入或者现有描述被改变 时 系统能够自动地维护知识库的一致性 基于逻辑的配置技术通过一些简单 的问题引导客户 利用客户的输入进行初始的选择 通过一系列由系统引导的 问题逐步分类细化客户需求 配置出最终的产品 在描述一些复杂的配置问题 时 基于逻辑的配置技术可能会导致描述的指数倍增加 从而降低系统的效 率 基于资源的配置推理在基于资源的配置推理方法中 组件与组件之间 哈尔滨理t 人学t 学硕十学位论文 组件与外部系统之间交互的接口都由抽象的资源来表示 基于资源的配置推理 提供了一个资源产生和消耗的模型 在这个模型中 每一个组件都将产生 消 耗一定数量的某类型资源 外部系统也将产生 消耗一定数量的某类型资源 夕 部系统表达了客户的需求 因此 配置问题可以被看成是系统资源平衡的问 题 配置的目的就是搜索一系列的组件 使整个系统资源达到平衡 在基于资 源的配置方法中 配置是从客户的资源需求开始 选择一种能够满足客户某类 资源需求的组件 将它加入配置方案中 不断重复这个过程 直到整个系统的 资源需求小于资源供给 基于资源的配置推理方法适用于以满足客户功能需求 为目的的配置工作 如 模块化产品 计算机 的配置 在这类配置工作中 每一个组件都为客户提供部分功能 所有组件的集合满足客户全部的功能需 求 基于资源的配置推理方法不适用于对组件位置存在要求的配置工作 基于约束的配置推理在基于约束的配置推理方法中 每一个组件都包含 一系列属性和端口 组件之间通过端口相互作用 组件之间存在约束 在配置 过程中 组件和它们的端口都是变量 约束限制了组件组合成产品的方式 因 此 配置问题被看成是约束满足问题 基于约束的配置系统存在一个明显的缺 陷 所有的变量都需要事先被确定 而配置问题实质上是一个动态的 多对多 的问题 因此 基于约束的配置方法限制了系统的应用范围 4 基于实例的产品配置方法这种配置方法主要采用基于实例的推理方 法 基于实例的推理方法 c a s eb a s e dr e s e a r c h c b r 实际上是一种类比推理方 法 它利用以往的配置方案 实例 来求解与之相似的新的配置问题 基本配 置过程是 根据客户需求检索相似配置方案 并调整使之适应新的配置问题 最后把新的配置方案存储于实例库 基于实例的推理系统对知识 经验及信息 的完备程度的要求远低于专家系统 且推理效率较高 综上所述 不同的配置方法都具有各自的特点 为了综合发挥产品配置的 优势 将不同的配置方法应用到同一个配置系统中 就会更好的对产品进行配 置设计 2 3 大规模定制设计下的产品变型设计 产品设计是产品开发过程中最重要的一个环节 是制造业的灵魂 现代产 品设计的中心也由传统的基于经验的设计转变为基于知识的设计 根据设计活 动的基本特点和实际应用情况 制造行业中的产品设计活动一般分为以下三种 类型 创造性设计 适