隨著現(xiàn)代市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)始轉(zhuǎn)向基于時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)和基于客戶(hù)需求的競(jìng)爭(zhēng)。為顧客提供定制化的產(chǎn)品，全面提高顧客的滿(mǎn)意度，已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)追求新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一種必然趨勢(shì)。大批量定制(mass customization，MC)生產(chǎn)模式結(jié)合了定制生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)2種生產(chǎn)方式的優(yōu)勢(shì)，在滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化需求的同時(shí)，保持了較低的生產(chǎn)成本和較短的交貨提前期。面向大批量定制的設(shè)計(jì)是大批量定制的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段將決定產(chǎn)品生命周期累計(jì)成本的70%一80%，對(duì)定制產(chǎn)品的交貨期、總成本和質(zhì)量都有重要的影響。面向大批量定制的設(shè)計(jì)能夠根據(jù)預(yù)先定義的零部件集合以及它們之間的相互約束關(guān)系，通過(guò)配置單元?jiǎng)討B(tài)選配和進(jìn)化演繹，快速形成滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化需求的定制產(chǎn)品，因此是解決設(shè)計(jì)個(gè)性化與低成本之間矛盾的主要方法。

    國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的側(cè)面對(duì)大批量定制設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。Tseng等人認(rèn)為大批量定制技術(shù)可以在概念設(shè)計(jì)和初始開(kāi)發(fā)階段有效地實(shí)現(xiàn)，采用并行流程圍繞產(chǎn)品族進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效地滿(mǎn)足客戶(hù)需求。Wielinga等人給出了在大批量定制中配置設(shè)計(jì)的定義：在預(yù)先定義的通用化組件的基礎(chǔ)上，搜尋組件的裝配組合以滿(mǎn)足一組需求，并遵循一定約束的過(guò)程。Jiao等人提出了產(chǎn)品族建模的三視圖方案，即功能視圖、技術(shù)視圖和結(jié)構(gòu)視圖，建立了與產(chǎn)品族關(guān)聯(lián)的通用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。祁國(guó)寧等人根據(jù)大批量定制的特點(diǎn)以及我國(guó)企業(yè)的實(shí)際情況，提出了合理化工程的理論和方法，在利用企業(yè)的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程重組以適應(yīng)產(chǎn)品的快速變型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品建模、信急集成等方面開(kāi)展了較為深入的研究。李仁旺等人提出了大批量定制的可拓學(xué)模型和一維時(shí)空數(shù)學(xué)模型，通過(guò)區(qū)分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的共性和個(gè)性，將產(chǎn)品維的共性部分歸并處理，通過(guò)擴(kuò)大相似零件、部件和產(chǎn)品的優(yōu)化范圍，減少產(chǎn)品中的定制部分。孫偉等人提出了一種邏輯上由功能模型、原理模型和結(jié)構(gòu)模型組成的產(chǎn)品族動(dòng)態(tài)產(chǎn)品模型。

    本文提出了面向大批量定制的配置產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)理論和方法，將產(chǎn)品配置過(guò)程分為一級(jí)產(chǎn)品模塊準(zhǔn)配置和一級(jí)零件結(jié)構(gòu)相似配置，通過(guò)配置單元派生進(jìn)化、替換進(jìn)化和關(guān)聯(lián)進(jìn)化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)過(guò)程，達(dá)到變結(jié)構(gòu)變型設(shè)計(jì)的目的，并結(jié)合企業(yè)具體應(yīng)用將上述理論應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

1 需求驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品多級(jí)遞進(jìn)式配置優(yōu)化

1.1 基于模糊推理的配置規(guī)則遞歸演化

1.1.1 配置規(guī)則的模糊推理

    根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程具有模糊性的特點(diǎn)，將以邏輯推理為主的開(kāi)環(huán)剛性推理系統(tǒng)，拓展成遞歸的閉環(huán)柔性推理系統(tǒng)，以根據(jù)實(shí)際情況校正推理結(jié)論。將以遞歸的閉環(huán)柔性推理系統(tǒng)為特點(diǎn)的模糊推理應(yīng)用到配置規(guī)則遞歸演化的各個(gè)方面，包括配置規(guī)則的遞歸派生和遞歸聚合。

1.1.2 配置規(guī)則之間的模糊派生

    通過(guò)基于模糊相似原理的配置規(guī)則的分類(lèi)編碼方法，采用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)模糊信息，選擇合適的模糊參數(shù)，從遞歸的角度考慮配置規(guī)則的派生，在對(duì)配置規(guī)則進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行配置規(guī)則的派生，形成一個(gè)“派生一評(píng)價(jià)一再派生”的過(guò)程。

1.1.3 配置規(guī)則之間的柔性聚合

    根據(jù)工具類(lèi)知識(shí)、案例類(lèi)知識(shí)和專(zhuān)家類(lèi)知識(shí)的不同特點(diǎn)，從知識(shí)點(diǎn)形成配置規(guī)則，將分散的、某一側(cè)面的、單一學(xué)科的配置規(guī)則聚合、組合、疊加、補(bǔ)充，遞歸地形成相對(duì)統(tǒng)一的、多學(xué)科的、相對(duì)完整的配置規(guī)則，以解決復(fù)雜產(chǎn)品和復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1.2 需求驅(qū)動(dòng)的多級(jí)遞進(jìn)式配置方法

    根據(jù)大批量定制原理，產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)是分階段、分層次、自頂向下逐步進(jìn)化的，可以看作是產(chǎn)品不斷迭代和進(jìn)化以滿(mǎn)足客戶(hù)需求的過(guò)程。大型機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)一個(gè)層次上的匹配配置，為此本文提出了客戶(hù)需求驅(qū)動(dòng)的多級(jí)遞進(jìn)式配置方法，將產(chǎn)品配置過(guò)程分為一級(jí)產(chǎn)品模塊準(zhǔn)配置和一級(jí)零件結(jié)構(gòu)相似配置。

    首先根據(jù)客戶(hù)需求進(jìn)行模塊化的準(zhǔn)配置，建立配置知識(shí)的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示，獲得滿(mǎn)足客戶(hù)需求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成樹(shù)，然后根據(jù)第一級(jí)部件的配置規(guī)則進(jìn)行零部件相似配置，通過(guò)對(duì)固定參數(shù)和區(qū)間參數(shù)進(jìn)行相似性比較的模糊匹配算法，獲得組成樹(shù)的相似零部件。

1.3 基于知識(shí)重用的配置結(jié)果成本優(yōu)化

    針對(duì)大批量定制中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)工藝存在大量的相似性，分析配置設(shè)計(jì)資源的可重用性，探討以本體論為指導(dǎo)的配置設(shè)計(jì)知識(shí)重用的途徑。通過(guò)對(duì)配置設(shè)計(jì)中的知識(shí)的檢索、匹配和共享，建立基于知識(shí)重用的配置結(jié)果成本優(yōu)化估算模型，實(shí)現(xiàn)大批量定制配置設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能和成本控制目標(biāo)。

    在大批量定制配置設(shè)計(jì)中，必須綜合考慮產(chǎn)品的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段需要協(xié)調(diào)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)功能和成本，只有綜合考慮了產(chǎn)品的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能，才能設(shè)計(jì)出達(dá)到最佳性?xún)r(jià)比組合的產(chǎn)品。在對(duì)大批量定制配置設(shè)計(jì)結(jié)果的性能分析中，首先根據(jù)己經(jīng)建立的產(chǎn)品族的層次結(jié)構(gòu)，從配置設(shè)計(jì)結(jié)果中提取產(chǎn)品實(shí)例、部件、零件和特征等；其次確定產(chǎn)品功能技術(shù)信急和成本結(jié)構(gòu)，分別由產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)人員和成本分析人員并行地進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)性能和成本性能的分析。

2 基于配置關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品變結(jié)構(gòu)進(jìn)化演繹

    同一系列的零件，由于尺寸不同或制造方法不同，形狀并不完全相似，多數(shù)在局部有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變異。傳統(tǒng)參數(shù)化方法不能實(shí)現(xiàn)變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)零件的系列化設(shè)計(jì)，解決的辦法是對(duì)一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一張母圖，這樣做不利于模型的管理和使用。根據(jù)配置單元所具有的自律、互換、拼接等特點(diǎn)，研究面向設(shè)計(jì)過(guò)程的3種常見(jiàn)的配置單元進(jìn)化演繹方法，即派生進(jìn)化、關(guān)聯(lián)進(jìn)化和替換進(jìn)化，通過(guò)配置單元進(jìn)化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，達(dá)到變結(jié)構(gòu)變型設(shè)計(jì)的目的。如圖1(a)所示為圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)圖，輻板孔的個(gè)數(shù)、形狀與分度圓的大小和加工方法有關(guān)，鍛件齒輪輻板孔多采用圓形，而鑄件多采用輻射孔。

2.1 配置單元的派生進(jìn)化

    派生進(jìn)化通過(guò)被派生單元與派生單元之間的結(jié)構(gòu)運(yùn)算生成一個(gè)新的配置單元，被派生單元稱(chēng)為父單元，派生單元稱(chēng)為子單元。子單元與父單元進(jìn)行某種類(lèi)型的布爾運(yùn)算，以父單元的存在為前提。在派生進(jìn)化中，子單元的位置完全取決于父單元本身，并一般繼承父單元的部分組合特征。

    配置單元的派生進(jìn)化是表達(dá)配置結(jié)構(gòu)變異的主要進(jìn)化形式，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用十分普遍。如圖1(b)所示為在圓柱齒輪上輻板孔的派生進(jìn)化過(guò)程。首先設(shè)計(jì)齒輪架結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)派生進(jìn)化生成輻板孔。在派生進(jìn)化操作中，父單元和子單元通過(guò)布爾運(yùn)算形成有效的新單元，當(dāng)父單元變化時(shí)，子單元根據(jù)其基準(zhǔn)線、同的位置自動(dòng)定位，并重新進(jìn)行既定的布爾操作。

圖1配置產(chǎn)品變結(jié)構(gòu)進(jìn)化演繹

2.2  配置單元的關(guān)聯(lián)進(jìn)化

    關(guān)聯(lián)進(jìn)化在一個(gè)配置單元的基礎(chǔ)上生成與之特征相似的單元，被關(guān)聯(lián)單元稱(chēng)為主單元，關(guān)聯(lián)單元稱(chēng)為輔單元。主、輔單元的關(guān)系類(lèi)似兄弟，其性質(zhì)具有某種必然的聯(lián)系，輔單元的特性直接由主單元復(fù)制或推導(dǎo)而來(lái)。在關(guān)聯(lián)進(jìn)化中，主單元和輔單元同時(shí)存在，主單元和輔單元是一對(duì)多的關(guān)系。輔單元根據(jù)主單元按照關(guān)聯(lián)進(jìn)化的原理自動(dòng)生成，通過(guò)關(guān)聯(lián)要素相聯(lián)系，當(dāng)主單元發(fā)生變化時(shí)，輔單元應(yīng)隨之進(jìn)行自適應(yīng)的變化。如圖1(c)所示，關(guān)聯(lián)進(jìn)化同時(shí)也是一種特殊的組合特征。

    配置單元的關(guān)聯(lián)進(jìn)化是表達(dá)零件同性結(jié)構(gòu)的主要手段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的對(duì)稱(chēng)單元、標(biāo)準(zhǔn)配合單元、孿生(傳動(dòng)配對(duì))單元、陣列和環(huán)列單元等的產(chǎn)生都可以通過(guò)關(guān)聯(lián)進(jìn)化實(shí)現(xiàn)。如圖1(c)所示為在圓柱齒輪上輻板孔的關(guān)聯(lián)進(jìn)化過(guò)程，對(duì)鍛件齒輪，將輻板孔(圓孔)定義為被關(guān)聯(lián)單元，通過(guò)關(guān)聯(lián)進(jìn)化實(shí)現(xiàn)圓孔的環(huán)列。

2.3 配置單元的替換進(jìn)化

    替換進(jìn)化是用替換單元(自定義或來(lái)自單元庫(kù))替換產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)樹(shù)中的一個(gè)單元，替換單元繼承被替換單元在單元約束網(wǎng)絡(luò)中的組合特征以及必要的布爾運(yùn)算，并形成有效的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

    配置單元替換進(jìn)化常被用來(lái)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)的選項(xiàng)設(shè)計(jì)，例如，將原來(lái)采用球軸承的支承結(jié)構(gòu)置換為圓錐滾子軸承后，能承受更大的軸向力。如圖1(d)所示為在圓柱齒輪上輻板孔的替換進(jìn)化過(guò)程，對(duì)鑄件齒輪，將輻板孔(圓孔)定義為被替換單元，通過(guò)替換進(jìn)化將圓孔置換為輻射孔，并繼承其配置信息。

3 配置產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)集成技術(shù)應(yīng)用

    所提出的面向大批量定制的配置產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)技術(shù)在國(guó)家“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“面向大批量定制的集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)”中得到了應(yīng)用。項(xiàng)目依托單位浙江巨人電梯有限公司屬于典型的按訂單進(jìn)行制造和裝配的企業(yè)，其產(chǎn)品GP20系列乘客電梯是典型的配置產(chǎn)品。針對(duì)電梯產(chǎn)品的定制特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)企業(yè)己有客戶(hù)需求的分析以及對(duì)未來(lái)需求的預(yù)測(cè)，對(duì)電梯產(chǎn)品的核心組件進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)化。建立關(guān)鍵組件和可擴(kuò)充組件的分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置單元的定義，并建立了產(chǎn)品族的配置結(jié)構(gòu)樹(shù)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品族的功能分析，給出滿(mǎn)足產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的通用性、模塊化的組件單元庫(kù)。在一定的零部件配置約束條件下，按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次，選擇不同的配置單元組合實(shí)例。這種產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)具有完善的變型機(jī)制，能夠快速滿(mǎn)足隨時(shí)到來(lái)的客戶(hù)需求，以完成產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)配置產(chǎn)品的迅速重構(gòu)與變動(dòng)的變型設(shè)計(jì)。

    圖2所示為在企業(yè)應(yīng)用實(shí)例中多級(jí)遞進(jìn)式配置模型的可視化操作界面。配置設(shè)計(jì)人員首先從配置任務(wù)清單中選擇需要配置的任務(wù)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前客戶(hù)訂單的參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行配置規(guī)則的搜索和匹配，在自動(dòng)配置完成后可以根據(jù)配置結(jié)果的不同情況(配置成功、失敗)進(jìn)行不同的標(biāo)注，對(duì)未能配置成功的零部件進(jìn)一步進(jìn)行手工交互配置，直至完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)清單。

    產(chǎn)品配置結(jié)果無(wú)法保證所有的組件都得到選配，在獲得配置相似件后，進(jìn)一步對(duì)個(gè)性化需求進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。圖3所示為GP20電梯轎架變型設(shè)計(jì)的操作界面。

圖2 配置模型的可視化操作界面
Fig.2 Visual interface of configuration model

圖3 電梯轎架變型設(shè)計(jì)的操作界面
Fig.3 Interface of elevator car frame variant design

4 結(jié)語(yǔ)

    針對(duì)目前面向大批量定制的設(shè)計(jì)技術(shù)在配置優(yōu)化和變結(jié)構(gòu)進(jìn)化方面存在的問(wèn)題，提出了面向大批量定制的配置產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)理論與方法。在歸納總結(jié)基于模糊推理的配置規(guī)則柔性化遞歸演化機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的一級(jí)產(chǎn)品模塊準(zhǔn)配置和基于模糊匹配的二級(jí)零件結(jié)構(gòu)相似配置，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)需求驅(qū)動(dòng)的多級(jí)遞進(jìn)式配置設(shè)計(jì)并建立了優(yōu)化模型，將相似配置結(jié)構(gòu)和變結(jié)構(gòu)進(jìn)化模型重構(gòu)的進(jìn)化運(yùn)算相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)面向大批量定制的配置產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)技術(shù)集成。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴(lài)品牌。

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本文標(biāo)題：面向大批量定制的配置產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)

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