基于可適應(yīng)產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品族配置方法研究

程賢福，吳國棟，蘭光英

(華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013)

當(dāng)前以用戶需求為導(dǎo)向的大規(guī)模定制生產(chǎn)模式逐漸成為先進(jìn)制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢［1］。以“平臺戰(zhàn)略”為核心的產(chǎn)品族規(guī)劃是快速響應(yīng)用戶個(gè)性化需求的有效途徑，許多研究者圍繞產(chǎn)品平臺定義及規(guī)劃方法進(jìn)行了大量的研究工作，歸納起來主要有兩種類型:基于模塊化的產(chǎn)品平臺和基于參數(shù)化的產(chǎn)品平臺［2］。隨著用戶需求的多變，單一的調(diào)節(jié)方式不能滿足復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品平臺規(guī)劃中模塊替換和參數(shù)調(diào)節(jié)的集成需求，主要在于核心平臺的適應(yīng)能力不足，從而導(dǎo)致動態(tài)需求響應(yīng)遲緩，產(chǎn)品系列化和組件可重用度弱［3］，亟需可適應(yīng)產(chǎn)品平臺規(guī)劃方法的支持。此外，當(dāng)前多數(shù)研究預(yù)先指定產(chǎn)品平臺類型存在較多的主觀性［4］，將模塊與設(shè)計(jì)參數(shù)嚴(yán)格區(qū)分對于開發(fā)人員來說比較困難，對企業(yè)來說產(chǎn)品族不能很好地滿足細(xì)分市場需求。

陳永亮等［5］基于相似度分析、聚類分析和變量化分析技術(shù)，建立了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化元模型，提出了一種面向可適應(yīng)性的參數(shù)化產(chǎn)品平臺規(guī)劃方法。楊亞楠等［6］將可適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于紡機(jī)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)中，規(guī)劃了可適應(yīng)模塊化產(chǎn)品平臺，并提出了基于規(guī)劃了可適應(yīng)模塊化產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)方法。陳興玉等［7］將可適應(yīng)設(shè)計(jì)方法學(xué)理論應(yīng)用于液壓機(jī)的設(shè)計(jì)，提出了可適應(yīng)性重用、可適應(yīng)模塊重構(gòu)和可適應(yīng)性優(yōu)化策略。上述工作為基于可適應(yīng)產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品族配置提供了有益的參考。

電力液壓塊式制動器廣泛應(yīng)用于各種起重運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸、冶金、礦山、港口裝卸及建筑機(jī)械中，其主要功能是實(shí)現(xiàn)停車和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度。它具有結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、系列性分級特性比較明顯、用戶定制面廣等特點(diǎn)，其變型主要是根據(jù)機(jī)構(gòu)傳動力矩、機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況及配套的限制決定的。如果利用一般的參數(shù)化或模塊化產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)方法，則會導(dǎo)致產(chǎn)品通用性較差，平臺數(shù)量較多，不利于設(shè)計(jì)知識的重用。為快速響應(yīng)市場變化，縮短制動器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，降低成本，研究其產(chǎn)品平臺的建立、實(shí)現(xiàn)快速配置是有必要的。

1 可適應(yīng)產(chǎn)品平臺

企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品族，一般會較大程度地重用已有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，往往只需對一部分設(shè)計(jì)進(jìn)行更新。保持產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理不變，通過對已有產(chǎn)品的功能、性能和結(jié)構(gòu)的繼承與演化而滿足多樣化的用戶需求，也就是對已有產(chǎn)品的一種可適應(yīng)設(shè)計(jì)?？蛇m應(yīng)設(shè)計(jì)(Adaptable Design)是針對產(chǎn)品的更新?lián)Q代加快、產(chǎn)品的個(gè)性需求加強(qiáng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求具有適應(yīng)未來需要的特點(diǎn)而提出的一種設(shè)計(jì)理念。該方法考慮產(chǎn)品成本和環(huán)境變化時(shí)，要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)可通過零部件更換或修改以及柔性調(diào)節(jié)便能適應(yīng)新的需求，從而降低產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和成本，提升設(shè)計(jì)效率，是企業(yè)應(yīng)對市場競爭的有效設(shè)計(jì)方式［8］。

模塊化產(chǎn)品平臺和參數(shù)化產(chǎn)品平臺各有特點(diǎn)，前者主要用于配置設(shè)計(jì)，后者更適用于新設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)，很難指導(dǎo)一些功能相同或相似、模塊化程度較高且結(jié)構(gòu)隨設(shè)計(jì)參數(shù)靈活變更的產(chǎn)品設(shè)計(jì)［9］。可適應(yīng)產(chǎn)品平臺綜合了這兩種平臺的優(yōu)點(diǎn)，是由公共參數(shù)和可適應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)組成的可定制的產(chǎn)品平臺，并且在平臺內(nèi)部封裝了通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的可適應(yīng)參數(shù)，在不改變公共參數(shù)的情況下，通過添加定制參數(shù)、調(diào)節(jié)可適應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)值、驅(qū)動生成相應(yīng)的可適應(yīng)模塊結(jié)構(gòu)，得到一系列產(chǎn)品變型和產(chǎn)品族。其功能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同或相似，但功能映射的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)可有多種。

根據(jù)可適應(yīng)產(chǎn)品平臺的含義，可將產(chǎn)品分解成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

圖1 產(chǎn)品平臺的結(jié)構(gòu)分解

(1)公共參數(shù)是指具有比較固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族基本功能要求、不受用戶需求影響或影響很小，且在同一產(chǎn)品族中可以重用的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2)可適應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)是指具有一定功能、結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立、接口參數(shù)化、模塊內(nèi)部特征具有完整約束關(guān)系，并且封裝了一系列具有可適應(yīng)性的設(shè)計(jì)參數(shù)?？蛇m應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值受一定范圍的約束，既不能破壞物理結(jié)構(gòu)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也不能超出設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)格的應(yīng)用范圍。它包含可適應(yīng)平臺參數(shù)和變型參數(shù)兩部分。

①可適應(yīng)平臺參數(shù)是指產(chǎn)品族內(nèi)不同變型產(chǎn)品之間取值基本相同的或可在較小允許范圍內(nèi)變動的、對產(chǎn)品性能差異性影響較小或可以忽略不計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

②變型參數(shù)是指產(chǎn)品族內(nèi)的變型產(chǎn)品在較大的允許范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的、對產(chǎn)品性能差異性有較大影響但不影響變型產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)定制參數(shù)是指產(chǎn)品族內(nèi)某變型產(chǎn)品為滿足用戶特殊的需求或?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品特定的功能要求而設(shè)置的一組類型不一致的設(shè)計(jì)參數(shù)或類型一致但取值不盡相同的設(shè)計(jì)參數(shù)。這些參數(shù)為該變型產(chǎn)品所獨(dú)有，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制，以滿足用戶個(gè)性化要求。

2 電力液壓塊式制動器產(chǎn)品族配置方法

合理確定產(chǎn)品族開發(fā)的定制點(diǎn)，提高產(chǎn)品族中產(chǎn)品的通用性，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，同時(shí)最大程度地實(shí)現(xiàn)用戶的個(gè)性化需求，是可適應(yīng)產(chǎn)品平臺規(guī)劃的目標(biāo)。構(gòu)建可適應(yīng)產(chǎn)品平臺的關(guān)鍵是從設(shè)計(jì)參數(shù)中識別并確定產(chǎn)品平臺中的公共參數(shù)、可適應(yīng)平臺參數(shù)、變型參數(shù)和定制參數(shù)?；诳蛇m應(yīng)產(chǎn)品平臺的電力液壓塊式制動器產(chǎn)品族配置主要包括以下幾個(gè)步驟:

(1)根據(jù)當(dāng)前制動器市場調(diào)研、用戶的反饋及設(shè)計(jì)者的分析，用戶對制動器的功能/性能和品質(zhì)需求是有一定差異性的，當(dāng)制動力矩改變時(shí)，要求所設(shè)計(jì)的制動器具有一定的可適應(yīng)性。基于公理設(shè)計(jì)指導(dǎo)框架，采用“Z”字型映射方法對制動器進(jìn)行功能分解，得到如圖2所示的功能分解圖，其中左半部分表示的是功能要求FRs的層次結(jié)構(gòu)，右半部分表示的是相對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)DPs的層次結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)各層級的功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，建立設(shè)計(jì)矩陣，經(jīng)重新排列后的設(shè)計(jì)矩陣如圖3所示。

(2)由功能分解圖和設(shè)計(jì)矩陣及產(chǎn)品用戶需求和市場定位分析，首先可確定定制參數(shù)中類型不一致的設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)在產(chǎn)品族內(nèi)不同變型產(chǎn)品之間是各異的，即DP24、DP41、DP42、DP43、DP45、DP46為實(shí)現(xiàn)制動器附加功能要求的定制參數(shù)，這些設(shè)計(jì)參數(shù)不會影響制動的基本功能要求，可滿足當(dāng)前用戶的個(gè)性化需求。

同時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)DP12、DP15、DP16、DP22可視為公共參數(shù)，因?yàn)檫@些參數(shù)為制動器的基本構(gòu)件，只影響制動器的基本功能要求，而且它們不依賴于其他設(shè)計(jì)參數(shù)，在產(chǎn)品系列中(一定的制動力矩范圍內(nèi))數(shù)值可保持不變。然后對剩下的設(shè)計(jì)參數(shù)再進(jìn)行分析。

圖2 電力液壓塊式制動器的功能要求－設(shè)計(jì)參數(shù)映射圖

圖3 電力液壓塊式制動器設(shè)計(jì)矩陣

(3)可適應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)對應(yīng)的功能要求受其他設(shè)計(jì)參數(shù)的影響較小，且該參數(shù)的變動對其他設(shè)計(jì)參數(shù)變化影響也較小。同時(shí)，可適應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)對應(yīng)的功能要求不受定制參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)參數(shù)DP11、DP13、DP14、DP21雖可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，但仍是制動器的基本構(gòu)件，只影響制動器的基本功能要求，它們不依賴于其他設(shè)計(jì)參數(shù)，而部分其他設(shè)計(jì)參數(shù)會受其影響，因此應(yīng)該視為可適應(yīng)平臺參數(shù)，再對剩下的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)分析。因?yàn)樵O(shè)計(jì)矩陣是一般的“布爾”形式矩陣，不能精確描述設(shè)計(jì)參數(shù)對功能要求的影響程度，且不能表示設(shè)計(jì)參數(shù)之間的依賴關(guān)系，因此，需進(jìn)一步分析。

借鑒文獻(xiàn)［10］的方法將設(shè)計(jì)矩陣轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(Design Structure Matrix，DSM)。DSM 提供了一種簡單、緊湊和形象化的描述方法用于支持設(shè)計(jì)，以直觀、形象的分析形式表示系統(tǒng)各組成之間的關(guān)系。傳統(tǒng)DSM 中的元素用“X ”標(biāo)識信息依賴關(guān)系，或者用布爾變量標(biāo)識“0”和“1”來表示，只是定性地表示各設(shè)計(jì)參數(shù)之間是否存在耦合，而不能從量的角度進(jìn)行分析及詳細(xì)地描述各設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)程度。文獻(xiàn)［4］以關(guān)聯(lián)程度及其導(dǎo)致的變化為量化參照基礎(chǔ)，將各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)值填入到的量化的DSM 圖中，構(gòu)造設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)矩陣，如圖4所示。

圖4 制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)矩陣

由圖4 可知，DP31與DP33的列匯總值較大且行匯總值為0，表示它們的變化對其他設(shè)計(jì)參數(shù)有較大影響同時(shí)又不依賴于其他設(shè)計(jì)參數(shù)，因此，這兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)可作為可適應(yīng)平臺參數(shù)。對于DP32，要根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況可在可適應(yīng)平臺參數(shù)和變型參數(shù)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，因?yàn)槠鋵ζ渌O(shè)計(jì)參數(shù)有一定的影響而只依賴于平臺參數(shù)。其余設(shè)計(jì)參數(shù)都作為變型參數(shù)。

(4)根據(jù)以上的分析，可以得到可適應(yīng)平臺參數(shù)和個(gè)性化參數(shù)。隨著時(shí)間的推移，某些設(shè)計(jì)參數(shù)會因升級或變型的需要發(fā)生轉(zhuǎn)變，如DP32可在可適應(yīng)平臺參數(shù)和變型參數(shù)之間轉(zhuǎn)變，DP43可在變型參數(shù)和定制參數(shù)之間轉(zhuǎn)變，如圖5所示。當(dāng)用戶根據(jù)自身情況需要不同的制動器產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)者只需柔性調(diào)節(jié)可適應(yīng)平臺參數(shù)值及部分變型參數(shù)值，再根據(jù)添加或改變定制參數(shù)值，便可快速配置出適應(yīng)市場需求的產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，對那些相似的產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，并對當(dāng)前配置結(jié)構(gòu)中接口參數(shù)進(jìn)行規(guī)范化處理，利用已有模塊的配置或變型參數(shù)的調(diào)節(jié)或添加、修改、刪除定制參數(shù)，可快速設(shè)計(jì)出適應(yīng)市場多樣性化需求的產(chǎn)品族。

圖5 電力液壓塊式制動器平臺參數(shù)規(guī)劃圖

3 結(jié)束語

在大規(guī)模定制的生產(chǎn)模式下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)在產(chǎn)品的各個(gè)設(shè)計(jì)階段都要考慮一族產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，即產(chǎn)品族設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)不同產(chǎn)品間的相似性的挖掘和知識的重用。而基于產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品族規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的有效途徑。依據(jù)可適應(yīng)設(shè)計(jì)理論，在分析電力液壓塊式制動器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了可適應(yīng)產(chǎn)品平臺的概念及電力液壓塊式制動器產(chǎn)品族配置方法，通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性重構(gòu)來滿足用戶的多樣化需求，有助于提高該產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)過程的柔性，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，提高了工作效率。

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