面向产品族的模块化产品设计理论与方法研究

摘要

产品族设计是大批量定制设计的核心和关键，其目标是以尽可能快的速度和尽可能低的成本为客户设计出满足其个性化需求的产品。为了实现该目标，本文在国家科技攻关计划项目(2001BA201A56)、安徽省十五科技攻关计划项目(40120513)、国防科技工业委托项目(2005BA201A83-01)以及合肥市重点科研项目(2007(1007))的资助下，对产品族开发过程中的复杂产品模块规划、柔性模块族的开发、模块化产品的演化、基于产品族的模块化产品快速定制以及面向协同开发的产品设计元本体模型的构建等问题进行了深入的研究。 产品的模块识别是模块化产品族构造的关键环节。论文面向复杂产品，首先提出了面向复杂产品模块划分的预处理三原则，有效地缩减了构成组件的数量，提高了规划的效率。其次从功能角度，利用RI算法，对复杂产品的功能模块进行了识别。然后从结构角度出发，提出了“问题消去法”，并对所提算法的流程和实施关键技术等进行了研究。最后，采用D-S证据理论对模块划分结果进行了评价与决策，有效地考虑到了评价过程中的不确定性和不完全性等问题。 柔性模块化以及柔性模块族的开发较传统模块化具有更宽的适用面。论文首先对柔性模块化的概念和其设计开发的特点进行了描述。其次利用事物特性表的基本原理，给出了柔性模块事物特性表的构建步骤和方法，对其进行了功能结构建模。接着采用建立面向设计主参数的回归模型，实现了其参数序列的市场纵向覆盖；采用公理化设计理论，从宏观层面，实现了其模块结构的横向拓展。再次提出了LSRM法，对关键柔性模块进行了轻量化设计，降低了企业的开发和运输成本。最后，将模块间的装配约束关系进行形式化封装，形成模块间装配语义，并提出了模块间自动装配的实现方法，有效地提高了新产品的开发效率。 模块化产品的演化和产品族的形成具有紧密的联系。论文从宏观层面，提出了一套面向产品族生成的模块化产品演化方法AMPE。该方法包含两个子过程：对于第一个子过程，提出了组合决策法AG，对客户需求的变化进行了定量锁定；对于第二个子过程，首先提出了模块化产品体系结构的五大演化活动，然后基于改进的解释结构模型，对模块化产品体系结构进行了层次化建模，最后基于层次化模型，构造了组件间的波及度计算公式，为组件的重构提供了指导。 模块化产品的快速定制研究对企业起着重要的作用。论文基于产品族，提出了一套模块化产品渐进式定制流程PCP。该流程能更好地面向企业产品的大批量定制，提高客户的参与度。首先基于公理化设计理论，实施了模块化产品的定性配置。其次采用了两步策略：FRBR->RSBC，对模块化产品族的定量粗选择进行了研究，很好地调动了客户的积极性。再次通过引入可适应性设计方法学，对模块化产品的细选择进行了研究，并提出了可适应性重用、可适应性重构和可适应性验证与优化策略。在实施可适应性重用时，面向客户需求语言和设计师设计语言之间的语义鸿沟，提出了语义适配器：对于相似性检索时的特征权重的确定，提出了组合权重法AR。在实施可适应性重构时，提出了面向设计历史和过程的结构重构实现方法，并提出了基于规则映射的柔性模块尺寸重构的流程以及构建了模块设计主参数和模块组件结构参数之间的映射公式。最后对通用零部件基于知识驱动的设计进行了研究，并首次将实例推理技术应用到其快速设计过程中，实现了以往设计知识的重用。 产品的设计开发过程是复杂的，没有很强的规律可循。论文首先基于语义网技术，总结并构建了面向协同开发的模块化产品设计元本体模型。然后以液压机产品为例，基于构建的设计元本体模型，构建了液压机领域本体模型。采用SWRL对液压机的一些常用设计知识进行了规则化表达和存储，并通过JESS推理引擎，对构建的液压机领域本体进行了推理和基于SWRLQueryBuiltIns的查询分析，有效地解决了知识获取和知识异构等问题，提高了设计知识的重用率。 为工程实际化，本文开发了模块化产品设计与管理集成系统--MPDMIS，验证了文中提出的产品族开发相关关键技术与方法在实际工程应用中的适用性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第一章 绪论

1.1论文的研究背景

1.2大批量定制生产模式概述

1.3大批量定制下产品族开发关键技术的研究

1.3.1面向产品族的模块规划

1.3.2柔性模块族的开发研究

1.3.3模块化产品的演化研究

1.3.4基于知识的模块化产品快速定制研究

1.3.5基于语义网的模块化产品设计本体模型构建与推理

1.4论文的课题来源及研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2论文的研究内容及结构安排

第二章 面向产品族的复杂产品模块划分方法研究

2.1引言

2.2复杂产品模块的预划分

2.3面向功能的复杂产品模块划分

2.3.1复杂产品的功能分解

2.3.2面向定制功能的模块识别准则

2.3.3融合启发式规则的改进免疫算法RI(Rule-Immunity)

2.3.4基于RI的复杂产品功能模块聚类

2.3.5实例分析

2.4面向结构的复杂产品模块划分

2.4.1初始影射矩阵构造

2.4.2"问题消去法"的提出

2.5基于D-S证据理论的模块创建方案评价

2.5.1模块创建方案评价问题描述

2.5.2基于D-S证据理论的双层模块化创建方案评价过程

2.6实例分析

2.6.1初始影射矩阵构造

2.6.2面向无约束的结构模块聚类

2.6.3面向有约束的结构模块聚类

2.6.4基于D-S证据理论的模块划分决策

2.7本章小结

第三章 面向产品族的柔性模块族的优化及自动装配技术

3.1引言

3.2柔性模块化相关概念

3.2.1柔性模块化概念

3.2.2柔性模块化的设计特点

3.3基于事物特性的基型柔性模块功能结构建模

3.4柔性模块族的形成

3.4.1柔性模块族的纵向拓展

3.4.2柔性模块的横向拓展

3.5基于LSRM的柔性模块优化

3.6面向产品族构建的柔性模块智能装配

3.6.1模块间基于规则的选配

3.6.2基于CAD平台的自动装配的实现方法

3.7实例分析

3.7.1 C型液压机机身模块事物特性表的构建

3.7.2液压机机身模块族的拓展

3.7.3液压机机身模块的优化

3.7.4液压机产品族模块间的自动装配

3.8本章小结

第四章面向产品族生成的模块化产品演化方法研究

4.1引言

4.2 AMPE的实施框架

4.3基于AG的客户需求变化的定量锁定

4.3.1基于ANP的客户需求转换

4.3.2基于目标规划法的重构组件决策

4.4模块化产品的演化机理及活动波及效应分析

4.4.1模块化产品体系结构的演化活动研究

4.4.2 PA演化的波及效应分析

4.5实例分析

4.5.1客户需求转换示例

4.5.2重构组件决策示例

4.5.3基于改进ISM的辅具层次化建模示例

4.5.4"波及度"计算示例

4.6本章小结

第五章面向产品族的模块化定制设计技术与方法

5.1引言

5.2基于公理化理论的模块定性配置研究

5.3基于粗集理论的模块化产品族系列粗选择

5.3.1功能规则推理(Function Rules Based Reasoning，FRBR)

5.3.2基于粗集的产品族系列选择(Rough Set Based Choose，RSBC)

5.4模块化产品的可适应性细定制

5.4.1可适应性细定制的体系结构及实施流程

5.4.2模块化产品的可适应性重用

5.4.3模块化产品的可适应性重构

5.5面向模块化产品定制的通用零部件设计

5.5.1系统体系结构

5.5.2系统实现关键技术

5.6本章小结

第六章面向产品族的协同开发本体模型构建方法

6.1引言

6.2模块化产品设计本体模型建立框架

6.3模块化产品设计元模型构建

6.3.1面向设计各阶段元本体模型的公用元概念

6.3.2模块化产品设计各阶段主要元概念

6.3.3模块化产品设计元本体模型主要属性关系

6.3.4模块化产品设计元本体模型表达与存储

6.4面向知识重用的模块化产品本体构建与推理

6.4.1液压机产品领域本体模型构建

6.4.2基于SWRL的设计知识表达和存储

6.4.3基于本体模型的推理

6.5本章小结

第七章模块化产品设计与管理集成系统的开发

7.1引言

7.2 MPDMIS的应用背景

7.3系统框架体系

7.4系统主要功能模块

7.4.1管理功能模块

7.4.2主功能模块

7.5 MPDMIS的实施结果

7.6本章小结

第八章 全文总结与展望

8.1全文总结

8.2论文的主要创新点

8.3今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加的科研项目

附录