基于设计模板的产品快速设计方法研究

摘要

企业为提高产品的市场占有率，提高产品质量、降低成本和缩短开发周期是切实有效的解决途径。目前顾客的个性化需求越来越普遍，导致了批量与成本之间的矛盾日益突出，可重构设计理论在一定程度上有效地解决了小批量多品种产品的成本与批量之间的矛盾，而缩短产品设计制造周期和提高设计效率仍是目前亟待解决的关键问题。为提高产品设计效率，国内外学者对模块化技术、知识重用、人工智能等快速设计关键技术进行了深入的研究，并结合信息化技术将现代设计方法应用于多个领域，但现有的设计方法在一定程度上仍需要设计者具有较丰富的产品设计经验，存在一定的局限性。
　　 针对当前小批量多品种产品设计方法存在的问题，从提高产品设计效率出发，采用设计模板作为信息载体，提出了基于设计模板的产品快速配置、变型设计方法。通过产品静态信息和动态设计知识的集成，创建了基于设计模板的产品信息模型，用面向对象技术对产品信息模型进行表达，从具有相似的功能单元中提取出其共同特征组成模板，形成从产品模板→部件级模板→零件级模板→结构单元级模板的多级模板结构；用有向图的形式对产品的静态拓扑结构、约束关系和动态信息传递关系进行表达，在设计模板中通过求取最小距离的匹配对象进行静态结构匹配和约束关系校核，通过基于规则推理方法进行产品的快速配置；针对零部件之间依赖关系复杂，设计过程需要通过交互和人工干预的形式才能完成配置与变型的问题，提出了在模板框架下的快速变型设计方法。利用模板的灵活性和信息载体功能，提出了可变型单元的概念，通过可变型单元之间建立相互关联实现对象之间的参数联动，在模板定义域范围内实现产品零部件的快速变型。最后，在相关理论研究的基础上，以小型农业作业机为项目研究对象，将快速设计方法应用于小型农业作业机产品设计中，结果表明这种设计方法可有效地提高设计效率。
　　 全文的结构为：
　　 第一章，针对小批量多品种产品设计中存在的成本、批量与市场响应速度等问题，从提高市场竞争力的角度，分析了产品快速设计中的关键技术，对设计模板的研究现状以及现有的产品模型进行了归纳和总结，并阐述了本论文的研究背景、研究内容及意义。
　　 第二章，以设计模板为产品设计过程中的信息载体，具有信息可重用、柔性和可存储性。模糊理论、图论和人工智能作为主要理论基础，表达模板中包含的信息及其信息处理方法，来表达产品的快速设计过程。通过面向对象技术进行产品功能结构和设计知识的集成，以多层次结构表达模板的组成，构建了．模板体系结构。
　　 第三章，用模板表达产品族中一类产品的抽象描述，对模板对象、对象之间的约束关系和设计过程知识进行信息集成，创建模板化产品信息模型。从具有相似的功能单元中提取共同特征组成模板中的对象属性，这些参数包含所要表达的功能单元的全部变型，同时设计过程知识以标准化的格式存储在模板中，在产品设计的各阶段保持信息的统一。
　　 第四章，通过建立客户需求模型来规范客户的需求描述，在需求界面中获取客户规范化需求和需求权重。提出了以有向图来表达模板中的对象及其关系的方法，在设计模板中通过相似度求取最相近的匹配对象进行静态结构匹配，并对匹配对象进行约束关系校核，以客户满意度指标来评价配置结果。
　　 第五章，在产品族模板结构中，提出了三种不同的配置单元，针对客户的个性化需求，通过可变型单元的结构变换和几何变型，实现在模板框架内的产品变型。对于局部变型后导致约束关系与模板发生冲突的情况，通过模板对象重组和约束关系重构，达到实现模板重构的目的，在重构后的模板基础上进行产品配置，实现产品的变型设计。
　　 第六章，结合小型农业作业机产品的研究项目，开发了基于设计模板的产品快速设计平台。通过在小型农业作业机产品设计中的应用，验证了基于设计模板的快速设计理论与方法的可行性。
　　 第七章，对本文的全部研究内容作了全面的总结，并提出了未来需要进一步研究的相关问题。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 快速设计关键技术

1.2.1 模块化技术

1.2.2 可重用技术

1.3 设计模板的研究现状

1.3.1 软件模板

1.3.2 工程模板

1.3.3 设计模板

1.4 产品信息模型

1.4.1 设计过程模型

1.4.2 产品模型

1.5 论文的研究背景、内容和意义

1.5.1 研究背景

1.5.2 研究内容及意义

1.6 本章小结

第2章 设计模板体系

2.1 引言

2.2 模板化产品设计理论基础

2.2.1 设计模板概述

2.2.2 模板化设计理论基础

2.2.3 基于模板的产品设计过程

2.3 功能结构映射

2.3.1 功能分解过程

2.3.2 面向对象的知识模板FBS集成模型和数据结构

2.4 知识的获取及表示方法

2.4.1 设计知识的获取

2.4.2 知识建模

2.4.3 知识重用

2.5 设计模板体系

2.5.1 模板的组成

2.5.2 模板的表示方法

2.5.3 模板体系结构

2.6 模板应用实例

2.6.1 小型农业作业机产品规格

2.6.2 小型农业作业机产品模板体系

2.7 本章小结

第3章 模板化产品信息模型

3.1 引言

3.2 模型的表示形式

3.2.1 模型对象

3.2.2 约束关系

3.2.3 设计过程

3.3 产品模型的建立

3.3.1 模板的提取

3.3.2 产品信息模型的创建

3.4 应用实例

3.5 本章小结

第4章 基于模板的产品配置方法

4.1 引言

4.2 客户需求模型

4.2.1 客户需求分类

4.2.2 客户需求表达

4.2.3 客户需求模型

4.3 配置模板结构

4.4 产品配置方法

4.4.1 静态结构匹配

4.4.2 约束关系校核

4.4.3 客户满意度评价

4.5 应用实例

4.5.1 静态结构匹配

4.5.2 约束规则与信息传递关系校核

4.5.3 客户满意度

4.6 本章小结

第5章 基于模板的产品快速变型方法

5.1 引言

5.2 产品族模板结构

5.3 模板框架内的产品变型原理

5.3.1 可变型单元的确定

5.3.2 配置结构变型

5.3.3 几何变型

5.4 模板重构方法

5.4.1 重构理论

5.4.2 模板可重构条件

5.4.3 模板对象重组

5.4.4 约束关系重构

5.5 应用实例

5.5.1 SAM产品模板的超图表示

5.5.2 约束规则

5.5.3 变速箱结构

5.5.4 模板组成

5.5.5 变型结果

5.6 产品模板重构

5.7 本章小结

第6章 数字化快速设计平台

6.1 引言

6.2 数字化信息库的创建

6.2.1 设计模板库

6.2.2 设计知识库

6.2.3 零部件实例库

6.3 设计平台结构

6.3.1 设计系统主要功能

6.3.2 客户需求获取

6.3.3 产品配置模块

6.3.4 结构生成

6.3.5 结构变型

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间参加的科研项目及成果