面向大规模定制的产品族设计关键技术研究

摘要

大规模定制(MC，Mass Customization)作为21世纪最主要的一种生产模式，是解决目前企业发展过程中所面临如何以大规模生产方式生产个性化产品问题的有效途径。其中面向大规模定制设计(DFMC，Design for Mass Customization)是实施MC关键环节，而产品族设计(PFD，Product Family．Design)是实现：DFMC的重要、有效方法。由于缺乏系统性的理论、方法及工具支持，PFD作用还未能充分发挥出来，这已经成为实施、应用DFMC及MC的瓶颈。本文在综合国内外相关研究基础上，按照“理论探讨一方法技术研究一系统开发及工程应用”策略对“面向大规模定制的产品族设计关键技术”进行了重点研究。 系统提出了PFD方法体系，深入探讨了PFD基本思想、PFD研究问题、PFD理论依据和PFD方法体系框架，为面向MC的PFD研究提供了理论、方法支持，形成了从理论到技术再到实际应用的完整PFD体系结构。 针对PFD过程中模块定制性要求问题，把客户定制需求信息引入模块划分，提出了面向MC的PFD多约束模块划分方法(MCMPA，Multi-Constrained ModularPartition Approach)。从产品结构、功能和客户定制需求多个角度提出产品零部件模块划分准则，基于该准则分别构建产品结构、功能和客户定制三种相关性矩阵；采用AHP方法计算三种相关性矩阵之间的权重系数，依据公式对三种相关性予以整合，得到产品零部件两两之间模块化综合相关度数值，并构建综合相关度矩阵；建立产品零部件多约束模块划分算法流程，输入模块划分阈值，将综合相关度矩阵元素数值与阈值进行比较，根据结果生成相应模块划分方案。以装载机工作装置为例进行MCMPA应用分析，结果表明MCMPA使划分模块同时具备客户定制性、结构独立性和功能独立性，并把模块划分定性问题转化为可定量计算问题，提高了模块划分效率和合理性。 针对PFD过程中产品通用平台辨识问题，在并行考虑产品结构、功能和客户定制需求基础上，提出了产品通用平台耦合空间跨域辨识方法(CDIPCP，Cross-Dommn Identification of Product Common Platform)。通过提出产品通用平台辨识规则和当量距离概念，为产品通用平台跨域辨识提供了理论方法基础。把图*本研究得到了国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAF02A01)和山东省优秀中青年科学家科研奖励基金计划项目(2006BS05010)资助。 论和矩阵有关理论应用到CDIPCP研究中，定义和构建了产品结构域无向图模型、功能域有向图模型、用户需求域向量表模型以及各模型对应关联矩阵，并在此基础上构建了多约束耦合空间模型，将产品零部件转化为空间中的点，通过计算、比较各点与原点当量距离大小进行CDIPCP。将CDIPCP方法应用于轮式装载机进行了分析验证，结果表明产品通用平台辨识规则、多约束耦合空间模型和多约束耦合空间矩阵是产品通用平台辨识的有效方法，能并行考虑产品结构、功能以及客户定制因素，并能把产品通用平台辨识定性问题转变为定量计算问题，有效地解决了产品通用平台在多域中统一、定量辨识问题。针对PFD过程中产品信息、客户定制信息和企业资源信息集成表达问题，提出了产品族结构无向图模型(UGMPFA，Undirected Graph Model for Product FamilyArchitecture)。采用图论方法，以产品通用平台、差异化模块及其之间相互配置关系作为主要构成单元，定义了两类顶点和三类边，在充分考虑产品族模型内涵基础上把客户信息、产品信息和企业资源信息集成在一起。并以UGMPFA为基础提出了个性化产品定制算法流程，将客户定制需求信息作为驱动，通过平台选择和模块匹配定制个性化产品。以工程机械装载机为例进行UGMPFA建模研究，结果表明UGMPFA可合理表达企业生产能力、顾客个性化需求、差异化产品变型能力、系列相似产品之间关系以及个性化产品定制所蕴涵知识，筛选掉定制过程中冗余信息，为企业充分利用生产资源、快速响应细分市场和产品族设计软件系统的开发奠定基础。 针对PFD辅助支持工具开发问题，以PFD方法及其关键技术为基础，把PFD思想和CAD技术相结合，提出面向MC的产品族设计软件系统(PFDSS，ProductFamily Design Software System)开发技术。以CAD系统为PFD开发平台，以UGMPFA为信息集成、传递桥梁，通过构建统一外部数据库并结合CAD内部数据库进行资源信息管理。在PFDSS中输入客户定制信息，将其转化、传递和映射为设计信息，通过平台选择、模块匹配，最终输出个性化定制方案和个性化产品。最后以工程机械装载机工作装置为例，对PFD方法及PFDSS进行实际应用研究，并取得了初步成效。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1MC实施过程中面临问题

1.1.2MC面临问题解决方法分析

1.2面向MC的产品族设计研究现状

1.2.1模块划分方法研究

1.2.2产品通用平台辨识研究

1.2.3产品族设计建模研究

1.2.4产品族设计系统开发研究

1.3面向MC的产品族设计研究现状分析及课题提出

1.4本课题研究目的、意义和主要研究内容

第2章 面向MC的产品族设计方法体系

2.1PFD方法基本思想

2.1.1产品族概念内涵

2.1.2PFD原理分析

2.1.3PFD基本思想

2.2PFD研究问题

2.3PFD理论依据

2.4PFD方法体系

2.5本章小结

第3章 面向MC的产品族设计多约束模块划分

3.1多约束模块划分准则

3.1.1产品零部件客户定制相关性

3.1.2产品零部件功能相关性

3.1.3产品零部件结构相关性

3.2多约束模块划分方法

3.2.1产品零部件客户定制相关性矩阵

3.2.2产品零部件功能相关性矩阵

3.2.3产品零部件结构相关性矩阵

3.2.4产品零部件多约束模块化相关度矩阵

3.2.5产品零部件模块划分流程图

3.3应用实例

3.3.1装载机工作装置实例结构简图

3.3.2装载机工作装置零部件定制相关性分析

3.3.3装载机工作装置零部件功能相关性分析

3.3.4装载机工作装置零部件结构相关性分析

3.3.5装载机工作装置零部件模块化相关度矩阵

3.3.6装载机工作装置模块划分方案

3.4本章小结

第4章 面向MC的产品族设计通用平台辨识

4.1产品通用平台辨识方法

4.2产1品通用平台辨识建模

4.2.1产品结构域无向图模型、邻接矩阵

4.2.2产品功能域有向图模型、功能关联矩阵

4.2.3用户需求域向量表模型、关联矩阵

4.2.4产品多约束耦合空间及耦合矩阵

4.3应用实例

4.3.1轮式装载机几何结构的简化

4.3.2轮式装载机各域相关模型的建立

4.3.3轮式装载机各域关联矩阵的建立

4.3.4轮式装载机多约束耦合矩阵和多约束耦合空间分析

4.4本章小结

第5章 面向MC的产品族设计结构无向图建模

5.1产品族结构无向图模型

5.1.1产品族结构无向图模型研究问题

5.1.2产品族结构无向图模型定义

5.1.3产品族结构无向图模型定制约束关系矩阵

5.2产品族结构无向图模型定制流程图

5.3实例分析

5.3.1装载机结构简图

5.3.2装载机结构无向图模型

5.3.3装载机定制实现

5.4本章小结

第6章 面向MC的产品族设计软件系统开发

6.1面向MC的PFDSS总体框架

6.1.1设计信息获取、转换及映射

6.1.2通用平台确定

6.1.3个性化模块选择与定制

6.1.4辅助模块、零部件的匹配

6.1.5定制产品及方案输出与评价

6.2面向MC的PFDSS开发环境、工具

6.3面向MC的PFDSS开发关键技术

6.3.1 PFDSS数据库开发技术

6.3.2 PFDSS的CAD技术

6.3.3面向PFD的CAE分析技术

6.3.4面向PFD的流程管理技术

6.4本章小结

第7章 面向MC的PFD工程应用

7.1装载机工作装置基本结构与功能

7.1.1装载机基本外形和性能参数

7.1.2装载机工作装置基本结构和典型工况

7.2装载机工作装置主要设计约束条件

7.2.1装载机工作装置性能要求

7.2.2装载机工作装置工作指标

7.3装载机工作装置设计过程

7.4装载机工作装置产品族设计

7.4.1装载机工作装置几何模型建立

7.4.2装载机工作装置产品族设计CAD软件二次开发

7.4.3装载机工作装置模块划分

7.4.4装载机工作装置通用平台辨识

7.4.5装载机工作装置产品族建模及个性化产品定制

7.4.6定制化工作装置CAE分析

7.5本章小结

第8章 结论与展望

8.1全文总结

8.2工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文及科研情况

发表论文1

发表论文2

致谢