机械产品模块化设计优化通用系统的研究与实现.pdf

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云整王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：鹫沧签字日期：7)1 1 年 2 J l 以日学位论文版权使用授权书j本学位论文作者完全了解云洼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学

2、校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：黎他导师签名签字日期：?ol f 年。月汨签字日期，h“。“一一一，-q*日。-1 -咔州一一7r。一。-7 一-；-一譬Jt主要创新点 1 1 1 1 1 1ILqllII11l 1 L l l1 1 1 1 1 1L I I L I I I l Y 18 7 8 9 3 3l、提出了支持多样化机械产品进行模块化设计优化的通用软件系统概念，并解决了相关关键技术，开发了相应的软件系统；2、通过对商用C A D 系统的二次开发、及A N S Y S 的A P D L 编程，在同一软件平台中实现

3、了C A D C A E 模块化设计优化集成。摘要在当前市场对产品多样化、个性化需求形势下，产品投放市场时间已成为决定产品竞争力的重要因素。模块化设计作为可适应设计和大规模定制中重要设计方法和核心技术，在缩短产品设计与试制周期、提高产品质量、降低成本等诸多方面有很大的优越性，可以快速、经济地设计出满足用户个性化需求、具有市场竞争力的优质产品，已逐渐在各行各业深入发展，但在机械产品的设计优化中，其推广和应用仍然存在很大的困难，由于机械产品的多样化，机械结构各不相同，如果需要针对每一类产品都开发出一套支持模块化设计的软件工具，无疑给模块化的发展形成了极大的障碍，因此，研究支持多样化机械产品模块化设

4、计优化的通用系统的研究，对模块化的推广实施，从而提高企业竞争力，具有非常重要的意义。本文在分析多种机械产品模块化设计，优化过程和原理的基础上，总结出设计的一般流程，将操作的“共性”与产品的“个性相结合，研究了机械产品广义模块化设计优化的通用系统模型，提出了支持多样化机械产品广义模块化设计广优化的通用系统结构框架方案，并从产品模块统一信息模型、开放式数据存储机制、C A D 参数化造型、C A D C A E 集成等方面阐述了实现该系统的若干关键技术，在此基础上，开发了广义模块化设计优化的通用软件系统，结合具体的实例，验证了本文所提理论的正确性和可靠性。所开发的系统已经在一些机床企业实际应用，实

5、践证明，该系统可以显著地提高设计速度、改善设计手段，为企业创造经济价值。关键词：机械产品；模块化；通用系统；多样化产品；开放式存储模式A b s t r a c t sA tp r e s e n t,a st h em a r k e tr e q u i r e sd i v e r s i t ya n dp e r s o n a l i z e dp r o d u c t s，t h et i m et om a r k e tb e c o m e sak e yi s s u ef o rac o m p a n y Sc o m p e t i t i v e n e s s

6、 M o d u l a rd e s i g n a ni m p o r t a n ta n dc o r et e c h n o l o g yo ft h ea d a p t a b l ed e s i g na n dM a s sC u s t o m i z a t i o n，h a sg r e a ta d v a n t a g e si nr e d u c i n gt h el i f e-c y c l et i m e，i m p r o v i n gq u a l i t ya n dd e c r e a s i n gc o s te t c B

7、 ye m p l o y i n gm o d u l a rt e c h n i q u e，an e wc o m p e t i t i v ep r o d u c tc a nb er a p i d l ya n de c o n o m i c a l l yd e v e l o p e dt om e e tt h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s，t h e r e f o r e，t h em o d u l a rd e s i g ng r a d u a l l ye n t e r se v e r yi n

8、 d u s t r yi nr e c e n ty e a r s M e a n w h i l e i ti Sab i gc h a l l e n g et os p r e a dt h i st e c h n o l o g yt h r o u g h o u tt h em e c h a n i c a li n d u s t r y,s i n c ei ti sd i v e r s i t yf o rm e c h a n i c a lp r o d u c tv a r i e t i e sa n dn e c e s s a r yt od e v e

9、 l o pa ni n d i v i d u a lp r o g r a mf o re v e r yv a r i e t y T h u s，t h er e s e a r c ho naG e n e r a l-P u r p o s eS o f t w a r eS y s t e mo nM o d u l a rD e s i g na n dO p t i m i z a t i o no fM e c h a n i c a lP r o d u c t s w h i c hC a ni m p r o v eac o m p a n y Sc o m p e

10、t i t i v e n e s s，b e c o m e su r g e n ti nn o w a d a y s O nt h eb a s i so fa n a l y s i so fs e v e r a Im o d u l a r o p t i m i z a t i o np r o c e s s e sa n dp r i n c i p l e so fm e c h a n i c a lp r o d u c t s，ag e n e r a ld e s i g nw o r k f l o wi so u t l i n e di nt h i sp

11、a p e r,a n dt h e nc o m b i n e dw i t ht h ec o m m o n a l i t yo fo p e r a t i o na n di n d i v i d u a l i t yo fp r o d u c tv a r i e t y,t h es y s t e mm o d e lo fG e n e r a l P u r p o s eS o f t w a r ei ss t u d i e da n daf r a m e w o r ks c h e m ai sp r o p o s e d A tt h es a m

12、 et i m e，s e v e r a lk e yt e c h n i q u e st os o l v et h ep r o p o s e dt h e o r ya r ep r e s e n t e df r o mt I l ep e r s p e c t i v e so ft h eg e n e r a li n f o r m a t i o nm o d e l o p e nd a t as t o r a g em e c h a n i s m。C A Dp a r a m e t e r i z a t i o n。C A D C A Ei n t

13、e g r a t i o ne t c A tl a s t,aG e n e r a l P u r p o s eS o f t w a r ei sd e v e l o p e da n di l l u s t r a t e dw i t hp r a c t i c a ld e s i g nc a s e s T h es o R w a r es y s t e mi sa p p l i e di nc e r t a i nm a c h i n et o o lf i r m s I ts h o w st h a t t h i ss y s t e mC a n

14、g r e a t l yi n c r e a s et h ed e s i g nv e l o c i t ya n di m p r o v e st h ed e s i g nm e t h o d，a n df i n a l l yt a r g e t st h eg o a lo fa d d i n gt h ee c o n o m i c a lv a l u ef o rt h em a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e s K e yw o r d s：M e c h a n i c a lP r o d u c t s；

15、M o d u l a r；G e n e r a l-P u r p o s eS o f t w a r eS y s t e m；M u l t iP r o d u c tv a r i e t i e s；O p e nd a t as t o r a g em o d e l，目录第一章绪论11 1 机械产品模块化设计优化的发展现状及问题11 1 1 模块化设计11 1 2 广义模块化设计21 1 3 模块的C A D C A E 集成31 1 4 产品平台51 1 5 机械产品模块化设计中存在的问题91 2 模块化设计通用系统研究91 3 课题的提出及研究意义91 4 本文的研究

16、内容与结构1 0第二章机械产品模块化设计优化案例分析及体系结构1 32 1 液压机的模块化设计优化1 32 1 1 液压机广义模块化中模块及产品族规划1 32 1 2 液压机产品及模块信息建模1 62 1 3 液压机快速设计及价格估算1 82 2 基于聚类算法的龙门铣床的模块化产品族设计2 42 2 1 龙门铣床的基型产品映射问题2 42 2 2 聚类建模2 62 3 纺织机械的模块化设计3 02 3 1 纺织机械的快速设计问题3 02 3 2 纺织机械的模块划分及其快速设计过程3 12 4 机械产品广义模块化设计优化的系统建模3 32 4 1 系统体系结构原理3 42 4 2 系统的关键技术

17、3 62 5 本章小结3 8第三章面向机械产品模块化设计优化的通用系统的构建3 93 1 系统的功能结构框架3 93 2 通用系统的关键技术4 0I3 2 1 统一信息模型4 03 2 2 开放式数据存储机制技术4 23 2 3 基于黑板结构的子系统交互模式4 33 3C 仰参数化造型技术4 43 4A N S Y S 参数化设计语言A P D L 及C A D C A E 集成 4 53 5 本章小结4 7第四章面向机械产品模块化设计及优化的通用系统的实现4 94 1 机械产品模块化设计优化通用软件系统软件主要界面介绍4 94 1 1 支持多样化产品操作的主界面4 94 1 2 模块化设计优

18、化系统主界面5 32 1 3 液压机快速设计及价格估算1 84 2 运行实例5 5第五章结论与展望5 9参考文献6 1发表的论文及科研项目6 7致谢6 9第一章绪论第一章绪论1 I 机械产品模块化设计优化的发展现状及问题在当前市场对产品多样化、瞬变性等需求形势下，产品投放市场时间目益成为决定产品竞争力的重要因素。当前国际市场需求快速变化的特点和2 l 世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展u 1。2 0 世纪8 0 年代以来，产品多样化逐步成为制造业的重要特征，也成为T Q C S之外的重要竞争因素。标准化设计是较早提出的一种设计方法，能够大大提高产品的可重用性和交互性。但是

19、随着需求的多样化，标准化设计方法无法满足用户的个性化需求。面向大规模定制的设计成为设计发展的主要趋势1 2 J。多数学者意识到在概念设计晚期与详细设计的早期对后续环节的设计变更影响较大，使得产品实现配置设计逐渐成为研究的主流 3 1。产品配置是沟通设计和制造并且满足用户需求的重要环节。传统的配置设计不能有效地区分其所面对的对象，展现在用户面前的是大量的产品特征和与部件相关的具体参数的混合体，不仅造成了主体特征的迷惑(用户面对众多选择反而无所适从)，而且增加了企业实施大规模定制模式的难度。模块化设计方法旨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

20、一系列功能模块、通过选择或组合模块或小范围修改产品参数来构成不同的产品，以满足市场的不同需求；它提供了产品组件重复使用的方法，通过组合或修改模块来生成新产品。模块化设计是实现大规模定制的最有效途径之一，同时也成为产品配置设计的基础。1 1 1 模块化设计模块化设计最早是在5 0 年代由欧美国家的学者提出【4 J，同时也是可适应设计和大规模定制中重要设计方法和核心技术，在缩短产品设计与试制周期、提高产品质量、降低成本等诸多方面有很大的优越性，可以快速、经济地设计出满足用户个性化需求、具有市场竞争力的优质产品，它已经成为产品设计广泛使用的技术，是值得研究和推广的一种产品快速设计方法。2 0 世纪9

21、 0 年代至今，国内外不少学者致力于模块化设计原理的研究 5-7 ，对模块的定义、划分、接口及产品族等理论进行了较深入的研究，并在很多国家被广泛采用，我国不少企业也进行了有效的尝试并取得了良好的成果。1天津工业大学硕士学位论文如文献【】对数控机床进行了模块化的原型系统开发，文献【9 1 在A U T O C A D环境下对膜产品进行了模块化设计的尝试，文献【协1 1】针对纺织机械产品的特点进行了模块化设计理论及应用的探索。就机械行业而言，由于机床的结构相对稳定，受功能以外的其它因素影响较小，因此机床结构模块化设计在国外应用十分普遍，已使企业从产品设计、工艺到制造形成一整套模块化管理体系。以上模

22、块化设计方法中，模块划分是模块化设计的前提与基础，模块划分的结果直接影响模块化设计系统的功能、性能和成本，一般是将产品划分为多个模块，从功能角度描述模块特征，其模块结构的尺寸大小和拓扑形式相应的表达为一定功能的函数，其模块可称之为刚性模块。但由于大多数机械产品，如液压机等，在设计过程中对强度、刚度等要求严格，这些产品无明显的系列化分级特性，产品除受功能和几何约束外，还受载荷、材料等工程参数的约束。不能随意根据功能简单地确定产品的结构，因此难于用上述传统的模块化设计方法进行快速设计，导致模块化设计理论和方法不能在更多的企业中得到推广和应用。I I 2 广义模块化设计以上模块化设计方法中，模块划分

23、是模块化设计的前提与基础，模块划分的结果直接影响模块化设计系统的功能、性能和成本，一般是将产品划分为多个模块，从功能角度描述模块特征，其模块结构的尺寸大小和拓扑形式相应的表达为一定功能的函数，其模块可称之为刚性模块。针对上述问题，近年来本课题组 1 2-1 9 分析了传统模块化设计的不足之处，提出了模块化、参数化和变量化集成设计的广义模块化设计方法与理论，考虑了产品的结构、功能以及工程特性，发展了模块化理论。广义模块化设计的基本思想是：以传统模块化设计基本理论为基础，通过对一系列产品进行功能分析并结合其在设计、制造、维护中的特点，扩展模块化设计方法及所涉及的产品范围，考虑许多产品的结构除受功能

24、和几何约束外，还受载荷、材料等工程参数的约束等特点，将产品划分为尺寸参数可变、拓扑结构可调的广义模块，并以广义模块为基础构建产品族，从而根据用户需求，通过调整模块的结构和模块之间的连接关系而由产品族中的典型产品派生出新的符合用户要求的产品，进而完成快速设计。广义模块化设计中的研究重点是柔性模块的创建原理、方法等相关内容。柔性模块模型是多个模块经过抽象、归纳后形成的参数化结构，在一定范围其结构可以变化，从而形成新的模块模型。以广义模块化设计理论为指导，分别结合液压机、汽车覆盖件模具等产品对广义模块化设计理论进行了实践，取得了良好的效果，目前已受到国际学术界的2第一章绪论高度重视。1 1 3 模块

25、的C A D C A E 集成C A D 技术C A D(C o m p u t e rA i d e dD e s i g n)且P 计算机辅助设计，是先进制造设计技术的重要组成部分。近年来，随着电子技术及计算机外围设备的发展，C A D 在建筑、机械、航天、电子、汽车、造船等领域得到了广泛应用，成为全球最杰出的工程技术成果之一【1 9】。C A D 技术的发展大致如下【2 0】：I)2 0 世纪5 0 年代，C A D 技术开始出现，处于简单的图形处理阶段。2 12 0 世纪6 0 年代，C A D 技术逐步得到应用，出现了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等理论，为C A D

26、 技术的进一步发展和应用奠定了理论基础。3 1)2 0 世纪7 0-9 0 年代，C A D 技术得到了广泛的发展。1 9 8 0 年，美国波音公司和G E 公司共同制定了数据交换规范I G E S(1 n i t i aG r a p h i c sE x c h a n g eS p e c i f i c a t i o n s)，从而实现C A D C A M 的融合。C A D C A M 技术逐步从大型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从而，C 燃A M 系统广泛用于各种设计活动中。4 12 0 世纪9 0 年代后，C A D 技术走向标准化、集成化和智能化发展时期。

27、具有良好的开放性，图形接口、图形功能也日益标准化。现代智能算法，如人工智能、多媒体技术、专家系统逐渐融入C A D 系统，使C A D 系统日益完善和强大。C A E 技术构建产品模拟模型和工程绘图主要利用的是C A D 技术，从而可以显著缩短产品设计周期，并减轻设计人员的负担，但C A E(C o m p u t c rA i d e dE n g i n e e r i n g)技术却可以用来真正改善产品性能、提高产品品质、降低成本等。C A E 技术是借助计算机来求解复杂工程的力学特性和结构性能等相关问题的一种近似数值分析方法。采用C A E 技术对产品结构性能、安全可靠性、稳定性等进行

28、判断，模拟工程中实际的运行状态，在设计阶段及时发现设计缺陷，并进行优化设计。近年来，C A E 技术在工程设计和分析中应用十分广泛，已成为解决工程性能问题的有效途径。C A E 技术的研究技术主要如下【1 9 J：1)网格处理3天津工业大学硕士学位论文C A E 分析过程一般包括前处理、分析求解、后处理三部分。前处理中网格划分是非常重要的一步，网格的质量直接影响到分析求解的时问和结果的精度，当前一些C A E 软件公司都在网格处理能力方面投入了较大的财力、物力，使得网格生成的效率和质量显著提高。2)非线性问题的解决能力由于实际工程中，很多问题不仅仅是线性问题，因此线性理论已不能满足工程设计的需

29、要，而需要非线性知识才能解决。目前一些C A E 软件在解决非线性问题方面已逐渐加大投入，加强和提升非线性问题解决的能力。3)与C A D 软件的集成由于大多数C A E 软件中需要重新建立C A D 模型，C A D C A E 不能很好地集成，导致分析过程中大量的重复建模劳动、或与原C A D 模型存在差异，因此，C A E 软件与C A D 软件的集成是以后的发展趋势，才能使在C A D 软件中完成产品部件或零件，能直接输出到C A E 软件进行分析计算。4)开放性由于用户的要求、使用的环境都彼此不同，因此要求软件自身必须给用户一个开放性的环境，允许用户根据自己的特定要求对软件进行定制和

30、扩展。C A D C A E 集成由于C A D 属于专业的产品建模工具，而C A E 的特长是工程计算和分析，因此两者的集成将极大地促进工程设计的发展。目前，一些C A E 软件提供了与C A D 软件集成的接口，方便与C A D 软件集成，可以更好地发挥C A D 与C A E各自的优势。图1 1 简单地表示了C A D C A E 集成的意义【2 l】。第一章绪论1 1 4 产品平台近年来，由于剧烈的市场竞争和客户对产品越来越多的个性化要求，产生了一种新型的生产模式大规模定制(M C)，它被认为是2 l 世纪最主要的生产模式，而其核心是产品的模块的快速配置设计，这使以模块化为核心技术的产

31、品平台 2 2-2 4 1、产品配带I。2 5,2 6 1、产品族【2 7】等适应M C 的快速响应设计理论和技术引起了研究人员极大的兴趣，得到了人们的重视，分别在产品族的规划L 2 3 J、产品族结构进化2 9 1 与优化 3 0 l、供应链管理【3 1 1、客户需求拓展分析【3 2】等多方面进行了深入研究，为快速生成产品结构方案作出了重要贡献。(1)产品平台体系产品平台作为一种以大批量生产效率来满足个性化市场需求的企业经营战略，在过去的2 0 多年受到国内外学术界的广泛关注和研究【3 34 7 ，并在一些企业获得成功应用。产品平台研究中主要包括产品平台体系、产品族、产品配置、模块性、通用性

32、、产品优化设计等关键技术。基于产品平台的大规模定制能够提高产品开发速度，降低产品开发成本，提高产品可靠性，增加品种及降低管理复杂性，增强商业策略的灵活性。很多学者从不同角度对产品平台进行了定义，目前被广泛认可的定义可以分为两类：o产品平台是一个产品族中公共元素(特征、元件、子系统及参数等)的5天津工业大学硕士学位论文集合，特别是核心技术的集合。开发公共产品平台的目的和核心思想就是利用一组产品之间功能与物理结构的相似性和通用性，通过基本元件和生产过程的最大标准化集合来获得产品的最大集合，为产品族提供可用于设计、开发和生产多重产品的一个公共基础，使得在提供产品多样性的同时，减少设计、生产的成本与时

33、间。产品平台的构建通常需要考虑产品功能的相1 蹦相异性的平衡【4 3】，其核心问题包括变量设计【3 6】与管理【4 8】、体系设计和产品变型设计M、以及平台的公共需求分析、体系构架形式化表达、平台元素及约束的识别与提取等 4 9,5 0】关键技术。例如，D u 5 1 j 等提出了运用属性图形文法来识别产品平台和定义差异化产品的方法；M a r t i n 5 2】通过衡量零部件的通用性指标来创建产品平台，采用质量功能配置来描述客户需求和产品设计特征的关系，形成了基于平台的最佳产品族的布局方案，描述了产品性能与零部件通用性的关系；刘芳【5 3】等提出了一种建立功能相似产品平台的方法，该方法以已

34、有产品的功能结构为基础，通过划分产品模块、分析模块性矩阵得到产品平台；但斌瞰】等通过对目标市场中消费者需求数据的分析，构建多目标决策模型，并应用结合分析模型的结果，综合考虑产品平台的多个影响因素，对产品平台的扩展方案进行排序，进而做出决策；林毅等【5 5】分析了基于产品生命周期管理(P L M)的产品平台新特点，提出了以关系配置和多层抽象为主的产品平台建模方法，论述了基本结构单元模型及相关建模过程。此外，T a e 即】和M o o n 5 7】等在考虑产品完备与形态特征的基础上，将产品平台的概念扩展到不同领域的产品品种，如软件、服务及面向过程类产品等。产品平台是构成一个通用框架的一组子系统和

35、接口，利用该框架可以有效派生出产品变型，一个产品族是从产品平台上产生的、享有共同技术并说明相关市场应用的一组个体产品。其主要任务是构建框架底层的共享逻辑和内在连带体系。S i m p s o n 和M i s t r e e 等人讨论了产品族的健壮设计【5 引，研究了具有扩展和可调节特点的核心平台设计方法，提出了产品平台概念开发方法P P C E M(p r o d u c tp l a t f o r mc o n c e p te x p l o r a t i o nm e t h o d)来开发可调节的C P P。可调节C P P 是可以按一个规范来调节以提供必需的多样性的平台，将可调

36、节因子看作需被指定的平台设计变量，其它定义不同变型的所有设计变量被建模为“噪音”变量。使用健壮设计方法，将可容纳整个范围“噪音”变量的平台变量设置看作是可行的方案。然后通过优化不同组合或平衡可行方案空间的各目标，来找到一组方案。P P C E M的输入是整个设计需求，输出是产品平台，该方法的步骤是：创立市场划分的网格图；分类因素和范围；建立和确认变型模型；汇总产品平台说明；开发产品平台体系结构。实践证明用P P C E M 方法来设计一族产品的效率与设计单个产品的6第一章绪论效率差不多。S i m p s o n 等人又提出了基于变型的产品平台法(、m P D M)【5 9】，该方法延伸了P

37、P C E M 方法，提供了更灵活的建模方法。在给定产品变量、变量与性能参数之间关系后，确定产品族中引起产品变化的设计变量(可调因子)，通过可调因子的参数值改变来满足用户的需求。V B P D M 方法分为：从产品族中的所有产品设计变量中选择公共平台；围绕公共平台设计具体的产品。此外在平台的评价上已逐步从对平台单一性能的评价朝平台综合性能的评价【4 5 舶】发展，使评价过程更具客观性，同时兼顾了指标间的关联性，并综合单项指标与多项指标两个方面对平台各阶段进行评价，以做出正确的平台决策。产品平台不仅要包涵企业积累的成熟的资源，更重要的是要如何将这些资源有序地组织起来以方便重用。产品结构村是一种特

38、产品资源进行有序组织的合适形式，结构树的叶子结点存储着企业成熟的产品资源模块，结构树的枝干表达了一类产品(产品族)的逻辑构成，可通过一定的规则通过对结构树的“裁剪一来快速配置形成某一具体产品。由此可见，搭建和维护产品平台的很大一部分工作是构造合理的产品结构树并对它进行管理和维护。有人1 6 0 从功能视图、技术视图和组织视图三个方面对产品平台管理进行了描述。以上这些方法和研究极大地促进了产品平台的应用和发展，但存在的个共同的不足：它们都假定产品平台模型是静态不变的，而实际上，产品平台模型本身是动态演化的，针对动态演化的产品平台理论及相关关键技术仍需进一步深入研究。(2)产品族在结构和功能上具有

39、一定相似关系并满足特定用户需求的一组产品称为产品族。针对特定的用户需求，产品族将派生出产品实例，所有的产品实例共享产品平台中共同的结构、接口或核心技术。从不同的角度产品族的含义不同：从市场和销售的角度，产品族是一组共享功能和结构的产品集；从设计制造的角度，产品族则是一组共享设计技术和制造特性的产品集。产品族的结构和构造方法是产品平台的关键，构成产品及产品族的基础元件是模块，大多数产品族建立的依据是模块的通用性与专用性指标，或考虑两者平衡1 6 1 1，或将两者折中1 2 5 1；也有一些产品族根据细分市场和用户需求而建立【4 1 1。产品族一经建立，其成员和结构相对稳定，族与族之间的联系较松散

40、，不能有效促进种族的演化，对于当今个性化的市场需求，难于通过有限的模块组合满足无限的用户需求。(3)产品配置现代产品设计是基于知识的设计瞄】，包括知识的获取和大规模知识的运用。产品配置作为一种产品设计方法，一般可以被理解为一个根据产品族内预定义的7天津工业大学硕士学位论文零部件集合以及它们之间的相互约束关系，通过合理的组合，形成满足客户个性化要求的产品设计过程。产品配置的前提是一组已经建立的、模块化的零部件集合，约束条件是外部的客户需求以及内部的零部件之间的结构关系。产品配置需要大量知识，以保证组合成的产品及其零部件能相互兼容，产品配置也因此长期成为人工智能在实际中的一个成功应用。最早的产品配

41、置系统是8 0 年代D E C 公司著名的基于规则的计算机配置系统R 1 X C O N t 6 2 1，从此以后产品配置在国外得到了广泛的研究，并在计算机软硬件、电梯、汽车、电话交换机、组合家具、重型柴油机、森林收割机、照相机、牙科医生的椅子等方面得到了巨大的应用。早期的产品配置是独立研究和发展的，主要目的是为了完成个性化的产品订单，但是配置作为数据组织与管理的一种形式，近年来也越来越与产品数据管理(P D M)结合在一起，并因此而产生了巨大的优势。在目前的一些商用P D M 系统中，有的已经集成或部分集成了产品配置的功能。虽然近年来产品配置的研究获得了很大的发展，但这一领域仍然有很多挑战性

42、的问题需要解决。例如，传统的配置设计不能有效地区分其所面对的对象，展现在用户面前的是大量的产品特征和与部件相关的具体参数的混合体，不仅造成了主体特征的迷惑(用户面对众多选择反而无所适从)，而且增加了企业实施大规模定制模式的难度。此外，大型产品配置知识的维护、产品配置模型的动态演化、已配置产品的再配置、如何设计可配置的产品、配置设计的重用、产品配置与其它系统的集成等问题，如何结合大规模定制生产模式，针对机械产品的特点进行产品的配置设计，并寻求更为简单有效的配置方法，仍然是迫切需要解决的问题。(4)模块性模块化产品体系结构显然易于实现快速设计和产品配置，满足大批量定制对时间和成本的要求。模块化是产

43、品平台研究以及大批量定制产品开发中的关键之一。模块自身的扩展优化与变型、模块的划分及粒度、模块之间的接口等的研究仍需要进一步深化和发展，从而适应变化的市场和动态的产品平台。(5)通用性开发产品平台的核心思想是通过基本元件和生产过程的最大标准化集合来获得产品的最大集合，因此，通用性和标准化是产品平台的基本和核心特征。然而，在实践中既要严格按照客户的个性化要求，又要保持产品的通用性和规模经济是比较困难的，即产品是独特性与通用性的矛盾统一体。因此，建立合理的通用化平台是产品族设计的关键问题之一。平台战略运用最广泛的是汽车行业，事实上，平台战略适用于很多装配产品8第一章绪论工业，譬如各种家用电器、机床

44、和通讯设备等，都可以通过合理运用平台战略为公司带来巨大效益。在实践中已有一些基于平台开发产品族的成功例子，如V o l k s w a g e n 公司、F i a t 公司、F o r d 公司、S o n y 公司、B l a c k&D e c k e r 公司、B o e i n g公司和H u g h e s 公司等。1 1 5 机械产品模块化设计中存在的问题尽管模块化理论和相关技术已经广泛发展，在我国平台战略的应用也进行了许多探索【6 3 1，但目前真正应用的企业并不多见。从广义模块化设计、以及以模块为核心单元技术的产品平台在不同领域、不同产品的研究及实施应用过程中可以发现仍然存在

45、一些问题：a)开发周期长：机械产品品种多样、形式各异，需要针对不同类型产品分别进行模块化规划，造成模块化的开发和实施周期长、成本高、不易推广应用；b)缺乏计算机辅助模块化设计的工具和平台冈：计算机辅助模块化设计的过程非常复杂，从底层数据库的设计，到用户G U I 界面的设计需要大量的人力，尤其需要既了解产品设计技术又熟悉软件开发的设计人员参与。针对上述问题本文在研究各种模块化设计方法及其具体实例的基础上，提出模块化设计的一般方法并构建出满足一般产品的模块化通用设计软件平台。通用设计思想是一种可以提高设计信息和资源重用的重要方法，通用性指设计要求改变的情况下，已有设计资源适应新的设计需求的能力。

46、1 2 模块化设计通用系统研究为使模块化设计系统能够适应不同品种的产品，便于在实践中推广和实施，一些研究者 6 4-6 6 1 在某些特定产品族中进行了尝试，如C a f f r e y s 等【6 7】提出了航空系统中的飞机开放式平台，但对于其它类型产品，如数控机床等却需要从底层开始重新构建系统。因而，很少人提到一种真正意义上的、面向所有产品类型开放的模块化软件系统，因此该类系统的开发仍然有待深入研究，以使模块化的优势充分发挥、扩展到各类机械产品的设计中，从而提高设计速度、保证设计质量、更进一步改善设计手段。1 3 课题的提出及研究意义鉴于计算机辅助模块化设计系统的复杂性，为了缩短模块化设计

47、系统的开发时间，提出支持多样化机械产品进行模块化设计优化的通用软件平台的构建技9天津工业大学硕士学位论文术。其目的就是每当面对新机械产品的模块化设计时，不必再从底层数据库的构建开始做起，而是从该通用设计平台开始搭建，设计人员不必过多地关注于数据库设计和软件结构设计，设计人员也不必具备很多计算机专业知识，从而可以更多地关注于所要设计的机械产品。通用模块化设计厂优化系统具有很强的可适应性，可适应性是指系统能够被调整以用于一个特定的设计环境，从而使系统可以满足不同产品的模块化设计要求。这种适应是两方面的适应，即系统本身做自我调节以适应具体机械产品的模块化设计，同时该机械产品也要调整自身的知识库结构和

48、设计流程，以便更好地发挥该通用系统的作用。本文在深入研究不同类型机械产品的模块化设计优化方法和过程的基础之上，找出其相同点与不同点，构建一个可适用于多样化产品设计优化的快速设计软件平台。该系统主要包括设计资源管理和产品方案设计两大部分，利用该系统可以实现多样化产品模块化快速设计及优化。设计资源管理部分提供统一的数据结构，实现无需从最底层构建数据库开始搭建平台，可以直接从已划分的模块开始构建，节省了建立数据库结构的开发时间。产品方案设计提供统一的设计流程，使用时只需添加模块接口部分算法，即可完成这一部分的构建。该通用平台软件是在研究了多种模块化设计方法的基础上构建的，它提供统一的底层知识库结构，

49、提供统一的设计流程。使用时只需要添加接口算法即可完成一个模块化设计平台的构建，其主要作用就是要将设计人员从繁重软件设计工作中解脱出来，使其更专注于对具体机械产品模块划分、及模块设计规划。以该平台为基础进行模块化设计软件平台的搭建，将极大的提高设计系统的质量，减少人员投入，同时缩短设计系统所花费的时间。1 4 本文的研究内容与结构本文针对机械产品模块化快速设计优化在实施和推广中的困难，提出了能够支持多类产品模块化的通用平台概念，对分析多种不同类型机械产品模块化设计优化过程的基础上，提取模块划分、接口、参数化等共性特征，构建了开放的数据库及C A D C A E 集成系统，并实现了多样化产品的模块

50、化快速设计优化。全文分为五章，论文的体系结构如图1-2 所示。具体研究内容如下：1 0第一章绪论I第一章：绪论IUl第二章：机械产品模块化设井优化案例分析及系统建模I上羔上羔I 第三章：面向机械产品模块化I第四章：面向机械产品模块化Il 设计及优化的通用系统的构建l设计及优化的通用系统的实现IU0I第五章：结论与展望l图l-2 论文的体系结构第一章对机械产品模块化设计优化的国内外研究现状以及相关关键技术的发展进行了研究，分析了目前研究的进展及问题，在此基础上提出本文的研究内容，并阐述了研究的意义。第二章分析了机械产品模块化设计，优化的基本设计过程，结合液压机、数控机床、包装机械、纺织机械等产品