面向大批量定制的配置设计方法

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阴向阳
  
大批量定制作为一种新型的生产方式，需要设计方法的支持，其主要目标是使产品实现的成本和速度同大批量生产时相一致。配置设计作为一种设计方法，通过合理组织已有的设计成果，根据客户需求选择零部件迅速组成新产品，已成为实现大批量定制的核心方法。
  
实现配置设计的方法有基于规则的方法、基于模型的方法和基于实例的方法。由于实施大批量定制的企业一般都拥有一定的设计基础，同时考虑到机械设计的特点，本文采用基于实例的方法，并用约束条件控制实例的选择和实例的变型。
  
一、配置设计的基础
配置设计从根本上说属于对已有设计成果的再利用，在这些设计成果的基础上通过选择不同零部件进行组合，形成满足特定需求的产品。以下叙述实现配置设计的基础。
  
1.1 设计模块化
  
设计模块化指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过选择和组合不同模块构成不同的产品。设计模块化能够促进设计重用，节省设计成本，成为配置设计的重要基础。
  
模块划分必须考虑以下要求：
  
1）通过所设计的产品族和所使用的变型方法，能组合出所需产品；
  
2）在设计和制造中有较高的复用性，以便形成批量生产、降低成本；
  
3）合适的划分粒度，以便既有利于组合变型，又不增加零部件管理的工作量；
  
4）考虑所设计模块在产品全生命周期（包括设计、制造、销售、维护等）中的经济性和便利性。
  
1.2 设计标准化和规范化
  
标准化地目的是为了获得解的统一和解的确定。针对某一工业领域，由权威部门有计划地进行对物质和非物质对象的统一。标准件一般可分为国标件、部标件、厂标件等。标准零部件的使用有利于降低成本，而原材料和加工代码的标准化则有利于柔性加工的进行。
  
规范化是指对零件进行分析，将企业中相似的零件进行合并、分类，从而提高零件使用频率，减少企业内部零件数，有利于设计与制造的方法。
  
实现标准化、规范化的方法有ABC分析、产品结构分析、零件分析、参数分析、编码技术等。
  
1.3 设计参数化
  
设计参数化一般是指设计对象的结构、形状已经定型，可以用一组参数来定义尺寸和类型等关系，由参数（尺寸）驱动获得设计结果。
  
为了实现配置设计的参数化必须建立参数化的零部件CAD模型。参数化CAD模型的建立实际上是对上述模块化、标准化、规范化的数字化表述，它们一起为配置设计的实现提供了坚实的基础。
  
二、配置设计过程的数学描述
由于产品设计是每一种生产方式实现的基础，因此每个国家都对设计方法进行了研究，提出了各种理论方法，如日本东京大学工程中心的Tetsuo Tomiyanma等人提出的一般设计理论、德国学者Hans Grabowski等人提出的通用设计理论，而美国麻省理工学院（MIT）的Nam P.Suh等人提出的公理化设计理论得到了更广泛的认同。
  
该理论的基本内容以四个域(domain)和两个公理(axiom)为基础。全部产品设计过程被划分为顾客域(Customer domain)、功能域(Functional domain)、物理域(Physical domain)和加工域(Process domain)等四个相互关联的阶段域。四个域之间存在着一定的映射关系，如图1表示的是功能域与物理域的映射关系。两条公理为：
  
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  图1 设计中的映射关系  
   
  
独立性公理（The independence Axiom）：域中的元素保持独立，如功能域中的功能需求相互间是独立的。
  
信息性公理(The Information Axiom)：设计的信息量保持最小（这就是说成功几率最大的设计是最优设计）。
  
在相邻域之间进行映射时，设计解的确定遵循独立性公理；当满足独立性公理的解不唯一时，使用信息性公理选择最优的设计解。
  
以功能域到物理域的映射为例，功能需求与设计参数之间的映射可表示为：
  
  或
  
其中：
  
FR—功能要求(Function Requirement)
  
DP—设计参数（Design Parameter）
  
A—矩阵(Matrix)，表示第i个功能要求受第j个设计参数的影响，即FRi随DPj变化的程度。
  
如果满足独立性公理，则矩阵[A]应该可以转化为对角阵或三角阵，即[A]可以转化为下面两种形式：
  
   
  
同样，在设计参数与物理元件的映射可以表示为：
  
   
  
如果设计解对某一功能需求的满意度为p,那么定义其信息量为I，则I与p具有这样的关系：
  
   
  
通过该方法可以得到相对于功能域的需求集{FR}的设计参数解{DP}的信息量为：
  
   
  
从式中看出：当解集的信息量I最小时，问题域的满意度为最大，这也是信息性公理的原因所在。
  
公理化设计理论在这两条公理的基础上，得到其它一系列的推论与定理，用来指导设计的进行。
  
这种理论方法也可以用来对配置设计过程进行数学建模。配置设计在功能和已有设计成果基础上进行分析，得到功能域、设计参数和物理域之间的映射矩阵A，B，建立功能域与物理域之间的映射关系，即 。
  
当新的客户需求到来时，通过客户需求分析，得到客户需求矩阵C。由于功能需求是相互独立的，因此矩阵C是一个对角阵，即：
  
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式中：  
  
  
  
功能需求变量可以计算如下：
  
   
  
配置设计的求解就是找出一组物理解PP，使它满足：  
  
配置设计系统中，功能推理、零部件选择和零部件几何规格的确定，都是以功能需求、设计参数和物理单元之间的映射来实现的。通过变量之间约束关系的定义，可以对这种映射关系进行描述和表达。  
  
三、配置设计过程的实现
大批量定制设计为了实现对需求的预定制，将产品设计过程分为产品开发过程和快速设计过程，这两个过程的交流的基础是产品族模型，如图2所示。
  
产品族模型指通过约束条件等方法，将已有零部件设计成果进行表达，可以通过变型满足一组客户需求的产品模型。
  
产品开发过程对已有的和预测的客户需求进行分析，提出能够满足不同客户需求的产品变型方法和设计成果。根据企业特点、设计基础的不同，产品开发过程可以进行新产品的设计，也可以进行对原有设计成果的改造。进行新产品设计时，产品开发过程同普通设计过程一致，但设计考虑的对象为一族产品，而不是单一产品。
  
快速设计过程对某一客户需求进行处理，可以在产品族基础上变型，也可以进行快速的定制设计，最终提供满足客户需求的可制造产品模型。
  
   
  
图2 大批量定制的设计过程  
   
  
   
  
   
  
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图3 面向大批量定制的配置设计过程  
   
  
   
  
配置设计一般包括两个阶段：配置设计知识表达阶段和配置求解阶段。配置设计的知识表达可以有效的组织已有设计成果，建立产品族模型；配置求解可以实现快速设计，因此成为大批量定制设计的核心。面向大批量定制的配置设计对配置设计过程进行重新划分，即划分为三个阶段：产品族模型建立阶段、设计实例获取阶段和设计评价与优化阶段。图3是面向大批量定制的配置设计过程，是图2以配置设计为核心进行变型与细化的结果。
  
产品族模型建立阶段对大量客户需求和已有产品设计成果，以及两者之间的映射关系进行分析，采用一定的方法（如约束条件等）表达该映射关系和变型方法，形成产品族模型。
  
设计实例获取阶段在产品族模型的基础上，对新的客户需求进行分析和定义，采用推理和变型的方式得到符合或尽可能符合需求的设计实例。
  
设计评价与优化阶段对获得的设计实例进行评价，以选出最优设计实例；在这一阶段，可以对设计进行优化，得到符合客户需求的产品设计。如果有新设计产生，则更新产品族模型。
  
图3虚框内的快速定制设计步骤不属于配置设计的范畴。但它是实现大批量定制设计必需的部分。如果产品族模型不能通过变型满足客户需求，就必须进行定制设计。
  
配置设计的实现基础是企业资源库，也要有信息管理环境的支持。

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