隨著現(xiàn)代市場競爭的加劇，企業(yè)之間的競爭開始轉(zhuǎn)向基于時間的競爭和基于客戶需求的競爭。為顧客提供定制化的產(chǎn)品，全面提高顧客的滿意度，已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)追求新的競爭優(yōu)勢的一種必然趨勢。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，在滿足客戶個性化需求的同時，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)計是大批量定制的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品設(shè)計階段將決定產(chǎn)品生命周期累計成本的70%一80%，對定制產(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，通過配置單元動態(tài)選配和進化演繹，快速形成滿足客戶個性化需求的定制產(chǎn)品，因此是解決設(shè)計個性化與低成本之間矛盾的主要方法。

    國內(nèi)外學(xué)者從不同的側(cè)面對大批量定制設(shè)計技術(shù)進行了研究。Tseng等人認為大批量定制技術(shù)可以在概念設(shè)計和初始開發(fā)階段有效地實現(xiàn)，采用并行流程圍繞產(chǎn)品族進行設(shè)計，可以有效地滿足客戶需求。Wielinga等人給出了在大批量定制中配置設(shè)計的定義：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足一組需求，并遵循一定約束的過程。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)。祁國寧等人根據(jù)大批量定制的特點以及我國企業(yè)的實際情況，提出了合理化工程的理論和方法，在利用企業(yè)的設(shè)計業(yè)務(wù)流程重組以適應(yīng)產(chǎn)品的快速變型設(shè)計、產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品建模、信急集成等方面開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)模型和一維時空數(shù)學(xué)模型，通過區(qū)分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的共性和個性，將產(chǎn)品維的共性部分歸并處理，通過擴大相似零件、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)計理論和方法，將產(chǎn)品配置過程分為一級產(chǎn)品模塊準(zhǔn)配置和一級零件結(jié)構(gòu)相似配置，通過配置單元派生進化、替換進化和關(guān)聯(lián)進化實現(xiàn)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性設(shè)計過程，達到變結(jié)構(gòu)變型設(shè)計的目的，并結(jié)合企業(yè)具體應(yīng)用將上述理論應(yīng)用于實際產(chǎn)品開發(fā)中。

1 需求驅(qū)動的產(chǎn)品多級遞進式配置優(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)計過程具有模糊性的特點，將以邏輯推理為主的開環(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)為特點的模糊推理應(yīng)用到配置規(guī)則遞歸演化的各個方面，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

    通過基于模糊相似原理的配置規(guī)則的分類編碼方法，采用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型表達模糊信息，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，在對配置規(guī)則進行模糊評價的基礎(chǔ)上進行配置規(guī)則的派生，形成一個“派生一評價一再派生”的過程。

1.1.3 配置規(guī)則之間的柔性聚合

    根據(jù)工具類知識、案例類知識和專家類知識的不同特點，從知識點形成配置規(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、補充，遞歸地形成相對統(tǒng)一的、多學(xué)科的、相對完整的配置規(guī)則，以解決復(fù)雜產(chǎn)品和復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計問題。

1.2 需求驅(qū)動的多級遞進式配置方法

    根據(jù)大批量定制原理，產(chǎn)品配置設(shè)計是分階段、分層次、自頂向下逐步進化的，可以看作是產(chǎn)品不斷迭代和進化以滿足客戶需求的過程。大型機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，難以實現(xiàn)一個層次上的匹配配置，為此本文提出了客戶需求驅(qū)動的多級遞進式配置方法，將產(chǎn)品配置過程分為一級產(chǎn)品模塊準(zhǔn)配置和一級零件結(jié)構(gòu)相似配置。

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

1.3 基于知識重用的配置結(jié)果成本優(yōu)化

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

    在大批量定制配置設(shè)計中，必須綜合考慮產(chǎn)品的技術(shù)性能和經(jīng)濟性能。在產(chǎn)品的設(shè)計階段需要協(xié)調(diào)產(chǎn)品的實現(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)濟性能，才能設(shè)計出達到最佳性價比組合的產(chǎn)品。在對大批量定制配置設(shè)計結(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)計結(jié)果中提取產(chǎn)品實例、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)計人員和成本分析人員并行地進行產(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)在局部有拓撲結(jié)構(gòu)的變異。傳統(tǒng)參數(shù)化方法不能實現(xiàn)變拓撲結(jié)構(gòu)零件的系列化設(shè)計，解決的辦法是對一種結(jié)構(gòu)設(shè)計一張母圖，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，研究面向設(shè)計過程的3種常見的配置單元進化演繹方法，即派生進化、關(guān)聯(lián)進化和替換進化，通過配置單元進化實現(xiàn)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性設(shè)計，達到變結(jié)構(gòu)變型設(shè)計的目的。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 配置單元的派生進化

    派生進化通過被派生單元與派生單元之間的結(jié)構(gòu)運算生成一個新的配置單元，被派生單元稱為父單元，派生單元稱為子單元。子單元與父單元進行某種類型的布爾運算，以父單元的存在為前提。在派生進化中，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。

    配置單元的派生進化是表達配置結(jié)構(gòu)變異的主要進化形式，在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計階段應(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化過程。首先設(shè)計齒輪架結(jié)構(gòu)，然后通過派生進化生成輻板孔。在派生進化操作中，父單元和子單元通過布爾運算形成有效的新單元，當(dāng)父單元變化時，子單元根據(jù)其基準(zhǔn)線、同的位置自動定位，并重新進行既定的布爾操作。

圖1配置產(chǎn)品變結(jié)構(gòu)進化演繹

2.2  配置單元的關(guān)聯(lián)進化

    關(guān)聯(lián)進化在一個配置單元的基礎(chǔ)上生成與之特征相似的單元，被關(guān)聯(lián)單元稱為主單元，關(guān)聯(lián)單元稱為輔單元。主、輔單元的關(guān)系類似兄弟，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。在關(guān)聯(lián)進化中，主單元和輔單元同時存在，主單元和輔單元是一對多的關(guān)系。輔單元根據(jù)主單元按照關(guān)聯(lián)進化的原理自動生成，通過關(guān)聯(lián)要素相聯(lián)系，當(dāng)主單元發(fā)生變化時，輔單元應(yīng)隨之進行自適應(yīng)的變化。如圖1(c)所示，關(guān)聯(lián)進化同時也是一種特殊的組合特征。

    配置單元的關(guān)聯(lián)進化是表達零件同性結(jié)構(gòu)的主要手段，產(chǎn)品設(shè)計中的對稱單元、標(biāo)準(zhǔn)配合單元、孿生(傳動配對)單元、陣列和環(huán)列單元等的產(chǎn)生都可以通過關(guān)聯(lián)進化實現(xiàn)。如圖1(c)所示為在圓柱齒輪上輻板孔的關(guān)聯(lián)進化過程，對鍛件齒輪，將輻板孔(圓孔)定義為被關(guān)聯(lián)單元，通過關(guān)聯(lián)進化實現(xiàn)圓孔的環(huán)列。

2.3 配置單元的替換進化

    替換進化是用替換單元(自定義或來自單元庫)替換產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)樹中的一個單元，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算，并形成有效的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

    配置單元替換進化常被用來進行局部結(jié)構(gòu)的選項設(shè)計，例如，將原來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化過程，對鑄件齒輪，將輻板孔(圓孔)定義為被替換單元，通過替換進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)計技術(shù)在國家“863”計劃重點項目“面向大批量定制的集成設(shè)計系統(tǒng)”中得到了應(yīng)用。項目依托單位浙江巨人電梯有限公司屬于典型的按訂單進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。針對電梯產(chǎn)品的定制特點，根據(jù)對企業(yè)己有客戶需求的分析以及對未來需求的預(yù)測，對電梯產(chǎn)品的核心組件進行層次結(jié)構(gòu)化。建立關(guān)鍵組件和可擴充組件的分類，實現(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，通過對產(chǎn)品族的功能分析，給出滿足產(chǎn)品族設(shè)計的通用性、模塊化的組件單元庫。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例。這種產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)具有完善的變型機制，能夠快速滿足隨時到來的客戶需求，以完成產(chǎn)品的快速開發(fā)，實現(xiàn)配置產(chǎn)品的迅速重構(gòu)與變動的變型設(shè)計。

    圖2所示為在企業(yè)應(yīng)用實例中多級遞進式配置模型的可視化操作界面。配置設(shè)計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)前客戶訂單的參數(shù)，自動進行配置規(guī)則的搜索和匹配，在自動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)進行不同的標(biāo)注，對未能配置成功的零部件進一步進行手工交互配置，直至完成產(chǎn)品的設(shè)計清單。

    產(chǎn)品配置結(jié)果無法保證所有的組件都得到選配，在獲得配置相似件后，進一步對個性化需求進行變型設(shè)計。圖3所示為GP20電梯轎架變型設(shè)計的操作界面。

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)計的操作界面
Fig.3 Interface of elevator car frame variant design

4 結(jié)語

    針對目前面向大批量定制的設(shè)計技術(shù)在配置優(yōu)化和變結(jié)構(gòu)進化方面存在的問題，提出了面向大批量定制的配置產(chǎn)品變型設(shè)計理論與方法。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理的基礎(chǔ)上，通過基于語義網(wǎng)絡(luò)的一級產(chǎn)品模塊準(zhǔn)配置和基于模糊匹配的二級零件結(jié)構(gòu)相似配置，實現(xiàn)客戶需求驅(qū)動的多級遞進式配置設(shè)計并建立了優(yōu)化模型，將相似配置結(jié)構(gòu)和變結(jié)構(gòu)進化模型重構(gòu)的進化運算相結(jié)合，實現(xiàn)面向大批量定制的配置產(chǎn)品變型設(shè)計技術(shù)集成。

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