基于网络分析法的模块化产品平台中零部件模块通用性分析

为了更加科学地评价模块化产品平台中零部件模块的通用性,运用网络理论建立产品族的结构网络,提出一种基于网络分析法的模块通用性分析方法.以零部件或零部件模块为节点,以零部件或零部件模块之间的隶属关系为边,构建产品族结构的零部件网络和零部件模块网络;分析零部件模块的出度、人度、介数、使用产品数和使用次数的物理意义和计算方法;分析五个参数的相关性,设计基于网络模型的零部件模块通用性指标.在工业汽轮机产品族的应用中,对汽轮机模块的通用性进行计算和分析,并与企业中零部件的实际应用情况比较,结果表明网络分析法和通用性指标能定量、合理地进行零部件模块通用性分析.     

面向可适应性的模块化产品族层次关联优化设计

考虑到产品族设计中产品平台的可适应性,将产品模块分为公共模块、可适应性模块和定制模块。针对平台模块与个性化模块间的层次关联特性,建立了产品族层次关联优化模型,上层模型以产品族的设计成本为目标,用于对平台模块的优选;下层模型在上层平台模块的制约下以各个变型产品的设计成本为目标,用于对各个变型产品个性化模块的优选。利用基于遗传算法的混合算法对模型进行求解。最后以卷扬机产品族实例验证了该模型和算法的可行性,同时,制造商可以在较低成本的前提下快速响应不同客户对产品性能的要求。     

产品族通用性决策、评价及其应用研究

作为产品族规划或再设计的关键环节,通用性决策有效缓解产品系列繁殖的负面效应,成为企业资源整合的重要手段。通过研究产品族通用性相关文献,回顾了产品族通用性的基本概念并分析了通用性决策在产品族设计中的关键作用;基于通用性决策过程,着重从零部件层次、正反两个方面论述了通用性对产品族全生命周期各阶段成本的影响,总结了基于产品族体系结构的通用性评价指标和面向参数化产品族的通用性评价指标,分析了通用性与产品性能、通用性与市场绩效之间的权衡模型及其应用;最后讨论了目前研究中的不足之处并指出了产品族通用性的未来研究方向。     

基于混合协同进化算法的可调节产品族优化设计

针对产品族设计中平台通用性与实例产品性能的平衡问题,在分析可调节平台产品开发特点的基础上,基于多平台产品族设计空间的二维染色体表达方式,提出了混合协同进化的产品族优化设计方法.将通用性与设计变量种群的进化分别放入主一附两个相关过程,主过程使用第二代非支配排序遗传算法求解平台通用性与产品性能的Pareto前沿,附过程使用粒子群优化算法,以并行方式搜索每个通用性等级下满足约束的产品族优化方案,避免了两类种群同步进化带来的数据扰动问题.通用性种群对设计变量种群施加约束,保证二者变量共享的一致性.通过单相异步电动机产品族优化设计实例.验证了优化方法与算法的有效性.     

基于可调节参数的产品族设计多阶段方法

提出了基于可调节参数的产品族设计多阶段方法.利用产品族通用性最大化设计方案以及各变形产品单独优化设计方案中所隐含的相关设计信息,将产品族全局优化设计所要求的通用性最大和性能损失最小这样两个相互冲突的目标进行合理分解,得到了两者相平衡的多阶段方法.通过通用电机产品族实例验证了该方法的有效性.     

配置产品零部件分析方法及其应用研究

针对复杂定制产品结构复杂、零部件数量多、配置设计效率低等问题,对已有产品的零部件类模块及其实例模块的使用次数随产品数变化情况进行了分析,提出了一种零部件用量预测方法;对零部件类模块及其实例零部件的通用性进行了分析,提出一种产品族结构合理化方法。以某工业汽轮机产品为倒对上述方法进行了应用验证。     

基于知识和可视化技术的油泵设计研究

提出了基于知识和可视化技术的油泵设计方法。在方案设计阶段，可采用基于实例的设计方法或基于模型的设计方法，实例的设计方法将利用大量方案设计实例库支持主参数的设计，基于模型的方案设计是利用长期总结出来的设计流程、设计模型设计的。由于燃油喷射系统的复杂性，设计模型中存在大量的经验系数。我们利用数据库知识发现技术，从以往的设计任务、产品结构及调试评价等数据库中挖掘设计知识，找出设计经验系数的选取规律。燃油喷射过程以动画形式表现，喷射性能结果以模型评价技术进行评判，并由模糊再设计专家系统辅助进行再设计。提出了基于约束的产品族设计方法来支持详细设计，并以装配仿真来评价。本文研究了这些关键技术，开发了相应的软件，并在工厂得到应用。     

产品平台模块通用性评价与分析

产品平台是大批量定制企业为客户提供多样化产品与减少内部多样化矛盾的重要产品开发策略。在产品零部件实例库基础上,以复杂网络理论和方法为工具,构建复杂产品模块关系网络,运用简单路径的搜索算法,对各个模块重用数和模块实例零部件数等参数进行统计。提出产品平台模块通用性评价方法。实例研究中,用某企业工业汽轮机产品族进行验证,最后对通用模块进行分析。     

大规模定制模式下绿色设计产品信息模型研究

为实现大规模定制模式下的绿色设计,基于产品配置技术,结合绿色产品设计方法,提出了绿色产品族的概念,并详细分析了其内部的继承关系.通过绿色产品族的三元组表述,建立了绿色产品族到零部件族的映射关系,抽象表述了基于继承的绿色产品族.在此基础上,给出了大规模定制模式下的绿色产品信息模型,详细分析了该信息模型对大规模定制模式下绿色设计的支持过程.最后,通过电冰箱产品的绿色设计进行了该信息模型的实例验证.     

基于模块属性组合的产品族主从关联设计

可选模块需要在必选模块的基础上进行配置,同时最优的必选模块配置也是依赖于可选模块配置的。为解决产品设计中属于不同层次结构的两类模块设计问题,在主从模型中引入0-1变量,实现了对模块属性档级的选择,以制造商成本和客户效用的比值及产品族通用性指数作为上层目标,以产品可选属性效用最大化作为下层目标,实现了两类模块的优化组合。最后用自行车产品族案例验证了该方法的可行性和有效性。     

On the module identification for product family development

Modularity is the key to improve the cost-variety trade-off in product family development. This paper presents a methodology for identifying the constituent modules of product family. The methodology includes the following principles: (1) identify and isolate the individualized components into one module so that the product’s differentiation point is postponed; (2) identify and isolate the components with high possibility of being changed in the future into one module in order to improve the stability and commonality in the product family; (3) improve the functional independency of the modules so as to support the module configuration process and the functional extension of the product family; and (4) improve the structural independency of the modules so as to achieve higher efficiency in the module manufacturing process. These four principles are incorporated into a mathematical model and therefore the module identification problem is translated into a multi-objective combinatorial optimization problem. The problem is solved using genetic algorithm (GA). A case study is carried out on a gear reducer. Sensitivity analyses show that relative weights of each principle and different initial numbers of modules result in different module schemes.     

MODIFIED GENETIC ALGORITHM APPLIED TO SOLVE PRODUCT FAMILY OPTIMIZATION PROBLEM

The product family design problem solved by evolutionary algorithms is discussed.A successful product family design method should achieve an optimal tradeoff among a set of compet- ing objectives,which involves maximizing commonality across the family of products and optimizing the performances of each product in the family.A 2-level chromosome structured genetic algorithm (2LCGA)is proposed to solve this class of problems and its performance is analyzed in comparing its results with those obtained with other methods.By interpreting the chromosome as a 2-level linear structure,the variable commonality genetic algorithm(GA)is constructed to vary the amount of plat- form commonality and automatically searches across varying levels of commonality for the platform while trying to resolve the tradeoff between commonality and individual product performance within the product family during optimization process.By incorporating a commonality assessing index to the problem formulation,the 2LCGA optimize the product platform and its corresponding family of products in a single stage,which can yield improvements in the overall performance of the product family compared with two-stage approaches(the first stage involves determining the best settings for the platform variables and values of unique variables are found for each product in the second stage). The scope of the algorithm is also expanded by introducing a classification mechanism to allow mul- tiple platforms to be considered during product family optimization,offering opportunities for supe- rior overall design by more efficacious tradeoffs between commonality and performance.The effec- tiveness of 2LCGA is demonstrated through the design of a family of universal electric motors and comparison against previous results.     

基于可拓理论的产品配置设计

为实现计算机支持下的产品快速响应设计,提出了一种基于物元模型和可拓理论的产品快速配置设计方法.该方法首先建立形式化表达模块和模块族的物元模型.以产品族为基础,针对具体的客户需求,利用质量功能配置瀑布式分解方法对期望产品进行层次性展开,以获得期望模块物元.基于期望模块物元,采用相似匹配算法从模块族中模糊匹配出相似存在模块,以形成产品的初步配置方案.通过解析结构建模方法,确定相似存在模块变换的结构层次.通过相似存在模块的可拓变换,得到具体的期望模块,以建立产品结构方案.最后,以堆垛机为例,验证了产品快速配置设计方法的可行性.     

ADAPTABLE DESIGN OF MACHINE TOOLS STRUCTURES

Adaptable design aims to extend the utilities of design and product. The specific methods are developed for practical applications of adaptable design in the design of mechanical structures, including adaptable platform, interface and module designs. Adaptable redesign problems are formulated as adaptable platform design under adaptability bound constraints. Analysis tools are then suggested for the implementation of the redesign of machine tool structures, including variation techniques based sensitivity analysis, similarity-based commonality analysis, performance improvement, and adaptability measures. The specific measure of adaptability for machine tool structures is measured through the quantification of the structural similarity and performance improvement gained from adaptable design. The method provides designers with an approach that brings adaptability into the design process, with considering the cost and benefits of such adaptability. The redesign of CNC spiral bevel gear cutting machine structures has been included to illustrate these concepts and methods.     

基于监测诊断的在役机床个性化再设计技术体系

在役机床再制造具有典型的个性化特征。在分析在役机床再制造个性化需求的基础上,提出了在役机床个性化再设计的概念,并分析了多重个性化内涵;从机床产品生命周期、机床整机及零部件性能演化与损伤等理论基础,运行状态数据采集与监测、数据存储与处理、状态诊断与决策分析、个性化再设计支持工具等支撑技术以及个性化匹配、可再制造性评价、质量提升再设计、智能化提升再设计、绿色化提升再设计等关键技术三个方面构建了基于监测诊断的在役机床个性化再设计技术体系;最后,结合某在役重型卧式车床再设计过程进行了案例分析。     

基于功构单元的产品族规划方法

为更好地支持面向客户的产品多样化设计,提出了一种基于功构单元的产品族规划方法。该方法中,针对聚类细分的产品族客户需求,对其基本功能、扩展功能展开FBS(功能-行为-结构)进行功构分解,建立不同层次的功构单元;通过质量功能配置方法确定产品族及其功构单元的特征参数及其取值范围;采用功能流和IDEF0相结合的方法建立产品族FBS功构分解的底层功构单元的功能模型;基于该功能模型,通过谱系聚类建立产品族的不同层次的功构模块,确定基本功构模块、扩展功构模块;并由此通过功构单元结构及其特征参数的综合而建立基本模块族、扩展模块族,从而实现产品族规划。该方法应用于堆垛机的产品族规划,建立了堆垛机的功构模块及其产品族结构模型,从而验证了其可行性和有效性。     

基于功构单元的产品族规划方法

为更好地支持面向客户的产品多样化设计,提出了一种基于功构单元的产品族规划方法。该方法中,针对聚类细分的产品族客户需求,对其基本功能、扩展功能展开FBS(功能-行为-结构)进行功构分解,建立不同层次的功构单元;通过质量功能配置方法确定产品族及其功构单元的特征参数及其取值范围;采用功能流和IDEF0相结合的方法建立产品族FBS功构分解的底层功构单元的功能模型;基于该功能模型,通过谱系聚类建立产品族的不同层次的功构模块,确定基本功构模块、扩展功构模块;并由此通过功构单元结构及其特征参数的综合而建立基本模块族、扩展模块族,从而实现产品族规划。该方法应用于堆垛机的产品族规划,建立了堆垛机的功构模块及其产品族结构模型,从而验证了其可行性和有效性。
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Integrated approach to modularize the conceptual product family architecture

To meet the increasingly heterogeneous market, a product family strategy is needed to determine how customized variants can be derived from a common product platform within acceptable cost and time. Toward this, a suitably conceived and developed product family architecture (PFA) is important for implementing mass customization. In this paper, we present a systematic approach to modularize PFA at the early design phase, which is the conceptual design stage. The PFA can be viewed as a conceptual structure with the following three interrelated elements: module, variant, and coupling interface. Identifying variant as the external driver of architectural variation, this paper develops a variety index (VI) method to estimate effects of customization on the conceptual modules. Rather than just identification of module boundary in the product architecture, the proposed modularization method translates the variety source generated from requirements analysis into a dynamic configuration of the conceptual PFA, involving variety analysis, product modularization, and generation of product portfolio architecture. An example of a power tool design is used to demonstrate the proposed method.     

基于公理设计和模块关联矩阵的产品族设计耦合分析

针对产品族设计耦合问题,分析比较了其与单一产品设计耦合的异同之处,提出了一种基于公理设计和模块关联矩阵的耦合分析方法。以公理设计为指导,进行功能需求分析及类型划分;分析了产品族客户需求、功能要求、设计参数和模块之间的对应关联关系,考虑适应性设计参数的影响度并将其分为两类以确定产品族的共性和差异性;从策略层面减弱产品族设计的耦合性。从操作层面的角度,根据设计参数零部件间的综合关联关系,通过聚类重构生成几个相互之间具有较小依赖度的模块,分析设计参数间的变更传播关系,建立产品族模块关联矩阵;从模块内部的耦合和模块之间的耦合两方面探讨了关联特性。最后通过电力液压盘式制动器实例阐述了产品族设计耦合分析过程。