面向大批量定制的产品族模块化动态设计研究论文(编辑修改稿)

面向大批量定制的产品族模块化动态设计研究论文(编辑修改稿)内容摘要：

必要的成本，而且也是企业的货存自己周转起来十分困难。 模块化的生产，在减少产品数量和种 类的同时，减少 了产品库存，也间接的减少了这些成本。 这样看来传统模式下的零部件占用大多数空间和很多机会成本的问题也将得到它的解决。 其原因也可以解释为模块化生产的组合性，使其每个都是有独立功能的实体。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 9 页 9 族 模块 动态 划分研究 通过对产品的需求量进行预算，结合产品功能分析将产品分成一些小的模块，并将相同的模块进行大批量的生产，或设计出一系列通用的功能模块。 根据模块间功能、性能以及规格等之间的特点结合消费者需求选择不同的模块进行组合，形成客户所需要的产品设计方法就是本文所说的模块划分技术。 这是模块划分技术的延伸，在产品族研究中意义重大。 本文依据产品零部件构和功能上的关联值对零部件在产品生命周期不同阶段的相关性进行分析。 根据模块划分的原则进行模块划分模型的构造。 产品族与模块演化 根据产品族演进不同的驱动模式和大批量定制规模，产品族演进创新表现出三种形式：跳跃式、渐进式以及快速突破式。 在这种表现形式下，产品定制程度也由深变浅，创新风险由高变低，如机床产品批量小，品种多，定制程度深，演进创新模式多数表现为跳跃式，轮式装载机批量一般，品种多，定制程度较浅，演进创新模式多数表现为渐进式，手机等电子产品生产批量大，定制程度浅，通常在较短时间内快速突破。 产品演进创新无论是哪一种模式和表现形式，产品族演进。 产品升级换代不但可以直接增加产品的销量、增强市场的竞争力、加大产品成本和价格上的优势，而且 还可以带来技术能力的供给、企业管理水平的提升等间接经济效益。 因此，产品族演进及实施过程终究是一个“矛盾体”，主要表现为产品族实施过程企业的综合绩效与成本之间的平衡关系。 产品族演进及实施整个过程始终都伴随着矛盾，在产品族生命周期中，当相对稳定的市场客户需求出现时，产品族运行处于稳定状态，企业的利润逐渐达到最大，当新的产品出现或者潜在需求变为现实需求时，当前产品渐渐走向衰退，制造企业该采取怎样的的应对措施来保证尽量用最低的成本来实现综合绩效最大化，还是要靠产品演进创新。 产品族实施过程模式的选取成为制造企业赢得 市场的关键点。 同时分析内外部因素是解决产品族演进及实施环节过程中的矛盾的首要问题。 在产品族实施过程中，市场需求的种类和数量与企业的生产能力存在矛盾，贵州大学本科毕业论文（设计） 第 10 页 10 即批量 成本问题，核心技术指标与现有技术存在矛盾，即通用性 个性矛盾以及模块化 集成化等之间的矛盾。 另外，同行业之间存在竞争矛盾，新技术注入到新产品中往往会引起现有产品份额缩减，给企业带来较大的竞争压力和销售冲击。 因此，企业需要在产品研发方面投入大量人力财力填补同行业新产品竞争带来的不良影响，同时企业需要在产品族结构上做战略调整。 市场需求、同行业之间的竞争、核 心技术应用以及政策与投资环境等是产品族演进过程中的外部影响因素，即产品族演进及实施过程外部影响因素即为产品族演进外部动因。 这些因素一方面既限制了当前产品族结构的发展，同时也是企业产品族发展的能力考验，并诱发了产品族的一系列权衡问题。 产品族演进驱动力除外部影响因素外，产品族内部动因也是产品族演进的重要动力，组成产品的模块或子系统之间接口及其关系是维持产品族结构稳定的重要指标，同时也是产品族面向不同的细分市场快速配置的保障，如 IBM 利用模块化技术对笔记本电脑进行设计，在相同的主授平台上可以快速配置出客户满意的 产品。 此外，企业内部资源配置、产品族实施过程优化能力、产品协同制造能力、现代信息技术应用能力以及企业内部管理能力等都会直接影响到产品族的演进创新过程。 产品族演进创新是内因和外因共同作用的结果。 相对于产品族演进外部动因，内因更具有能动性和可控性。 产品族实施过程及演进创新动力机制如下图所示： 产品族演进动力机制 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 11 页 11 产品族在很大程度上受客户需求 、核心技术、市场竞争的影响，并在此影响的驱动下，产品族不断向高要求高目标演进发展，反馈到产品族层次模型中，体现了功能需求在核 心技术的推动下的改变，从而导致产品物理结构的变化，使对应的物理模块也要发生变化，进而模块逐渐且不断的改进、更新和完善。 产品族随时间演进过程如下图所示： 产品族的演变最终导致产品模块结构的进化，根据模块的定义，模块在产品系统中是一种具有特定的功能且能独立存在的单元，并且其具有的功能一般不依附于其它功能而相对独立的存在，同时也不受其它功能的影响。 因此，产品族模块的演化是根据市场需求，企业内外部因素的变化情况而变化的。 综合各种因素，模块演化如下表所示： 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 12 页 12 产品模块动态划分因素分析 以模块化 、产品技 术为基础的产品族随时间的变化逐渐向高层次演进，它的核心思想就是通过共用模块或零部件，充分简化产品设计复杂性并减少生产成本，在此前提下，生产出一系列相似产品使客户的多样化定制需求得到充分的满足。 产品族受许多因素的影响，为了获得更多更优质的市场需求，在原有产品的基础上，升级、扩展或者更新换代产品模块、零部件，同时充分利用当前核心技术、学习了解市场知识情况以及提升制造能力，最终实现企业的低投入高回报，并促使产品族不断的向前演进。 产品族演化过程的实质就是使组成产品的模块不断“升级 扩展 创新 再升级 再扩展 又创新 ”周而复始的动态过程。 因此，在产品族演化过程中，客户需求、核心技术、行业竞争以及市场环境成为了关键因素。 在特定的市场环境下，市场需求的变化、核心技术的发展以及激烈的市场竞争成为驱动产品族演进的关键点，决定了产品族演化过程的模式。 客户需求、行业竞争、核心技术、市场环境与产品族演进的逻辑关系如下图所示：贵州大学本科毕业论文（设计） 第 13 页 13 需求、技术、市场环境与产品演进之间的关系 需求驱动的产品族演进模式是一种产品由内而外的，连续的，循序渐进的变化过程，在可预知市场需求的情况下，产品族设计者将以客户需求作为产品设 计的理念，打造出适合当前市场的创新产品。 因此，客户需求是促进产品演进创新的根本动力也是最终目的，成为了产品族生命周期中最关键的影响因素之一。 核心技术发展使产品族演进模式出现跃进式变化，企业充分利用目前核心科技对产品族进行创新，从而很好的满足市场客户对新产品的潜在需求。 在模块化产品族设计中具体体现为产品模块零部件的升级更换或用更高层次的组件替换原用零部件，从而生产出质量更优越，成本更低的多样化产品，最终使企业获得更多利益。 行业竞争主要表现为同类企业对市场占有率、产品优势以及销售利润的争夺，也是促进产品族升级，更好满足客户需求的动力所在。 企业要想获利并且在激烈的市场竞争中获得优势，只有不断更新升级产品，从而驱动产品族不断演进。 客户需求定制化、产品创新技术日新月异、行业竞争越来越激烈，产品族创新所涉及的因素也随之增加，越来越复杂。 因此，很难明确判断是哪种因素影响产品族演进变化，本质上来说，产品族演进过程是一种极其复杂、不确定的市场条件下的综合作用模式，其创新过程图如下所示： 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 14 页 14 产品族演 进驱动模式 总之，产品族演进及实施过程是一种以客户需求为导向，以核心技术为支撑，在行业激烈竞争形势下的动态过程。 产品模块动态划分方法 模块划分原则 不论是在模块化设计初期还是后来的模块化改造，模块划分都具有共同的特 点。 据此，建立模块划分的原则： (1)功能独立性原则。 模块之间不能存在功能耦合，功能的独立性是模块化设计的基本原则，功能模块之间相对独立、较少耦合有助于设计、制造、装配过程的并行进行，能够缩短产品开发周期、降低产品成本； (2)结构完整性原则。 在保证功能独立性的前提下，应使划分得到的模块在结构上相对独立，以便于产品的设计、制造和装配； (3)模块内部的强耦合性原则。 通常，一个产品有几个子系统组成，而模块划分则是组合这些子系统。 ； (4)模块之间的弱耦合性原则。 模块之间的弱耦合性有利于模块的变型、升级，还有利于模块化产品的装配和多样化； (5)模块数量适度原则。 过多的模块数量虽然易于实现变型设计，但是模块之间接口的复杂性也随之增加，不利于快速装配。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 15 页 15 最重要的是模块单元的设计与制造成本以及装配成本都受到模块划分的影响，而且影响程 度相对比较大。 因为模块越是分解的细致，那么相对应的模块的数量也将增多，这样的一个最大的好处就是能够满足不同用户的个性化要求，同时也相当程度上提升整个模块系统柔性，然而缺点不但导致增加设计的复杂程度而且无形之中增加了装配接口同时引起装配以及制造的成本剧增。 相反，如果分解的过粗，不但降低了模块数量而且降低了转配以及制造的成本，但这也无形之中减少了产品的多样性，进而直接降低客户对产品的满意程度。 对于公司中已经制造成熟了的产品，应该充分的利用这些资源与工艺技术，以此来降低设计的成本以及制造装配成本。 因此，在划分模块 数目时鼻祖要考虑到以最廉价的方式获得最大的收益。 产品族模块划分的基本思路为：依据模块划分原则，将系列产品分解为若干 基本元素→进行相关度计算→建立零部件关联矩阵→求解模块划分模型→聚合成模块。 功能模块往往只表明一种特定的功能，并没有特定的结构模式。 产品的功能一般都分为不同的等级，结合这一特性，为了更好地了解产品的功能结构，掌握产品的功能子单元，我们往往需要对产品进行功能分解。 分解需要注意产品的功能独立性，结合相关知识，从上向下进行产品功能的分解。 分级特性使产品均具有一系列的子功能，我们就可以对产品逐层进 行分解，不同层次间采用树状结构进行区分。 零件是功能模块的组成部分，最下方的子功能是整个功能模块的基础，一般由少量的零件实现。 如图 31 所示，将功能模块分成 i 个子功能， T 表示产品的全部功能需求，子功能分别采用 T T2 Ti表示 ，由 R 表示由不同子功能组成的零件，由R1 、 R2 Rj 对 不 同 零 部 件 进 行 表 述。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 16 页 16 产品功能分解 功能分解能够最大化的实现产品功能的细分，这些子功能之间体现出了产品功能间的整体框架。 在原理域内结合功能的粒度进行持续分级分解，如果该子功能原理简单则停止分解。 关联矩阵的建立 采用数值的方案进行模块整体规划来进行产品零部件之间的关联操作。 为了得到产品元件之间的交互数值进行相关性分析，用元件之间的关联关系对 [0,1]之间的数值进行定义。 这个的含义就是 0 代表零关联， 1 代表关系很大， 0 到 1代表关系性越来越强，零部件自身的关联关系即为 1。 通过这些关联值来确定零部件的关联矩阵。 下表根据 [0,1]之间的不同等级级别的数值来确定各个部件之间的相关性。 关联度数值定义 序号 关系类型 相关度数值 关系描述 1 极强 二者不可拆分 2 较强 二者联接密切，关联度高 3 适度 二者有一定联系和关联 4 一般 二者相互连接少，关联性低 产品总 功 能 T 子 功能 T1 子 功能 T2 子 功能 Tr 零部件R1 零部件R2 零部件Rk 零部件Rj 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 17 页 17 5 较弱 二者基本相互独立 6 无 0 二者互不影响 结合零部件的具体特性， 功能由设计者定制后，根据表 １ 给出的零部件与功能的关联度， 即可确定相互关联矩阵 Ａ ， 1 矩阵Ａ中，Ｆｊ（ｊ＝１，２，„，ｍ）表示产品要实现的功能，Ｃｉ（ｉ＝１，２，„，ｎ）表示组成的零部件，ｃｆ iｊ（ｉ＝１，２，„，ｎ，ｊ＝１，２，„，ｍ）表示零部件ｉ对功能ｊ的支持程度。 零部件模糊等价聚类 为了建立分类零部件（ 简称组件） 集合上的模糊等价关系 Ｒ ｅ， 首先计算各个组件之间的相似性。 在组件集合上的模糊相似关系定义为 Ｒ～ｓ ＝ ［ ｒｉ ｊ］ｎ ｎ０ ≤ ｒ ｉ ｊ≤ １ ， ｉ ， ｊ ＝ ０ ， １ ， „，ｎ ， ｒｉ ｊ表示。