基于公理化設(shè)計與成本控制的鞭炮機械產(chǎn)品設(shè)計研究

唐 峰， 許弟洪

(湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計學(xué)院，長沙 410081)

作為我國一個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，鞭炮生產(chǎn)有其獨特的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和市場發(fā)展需求，已經(jīng)成為一些地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。但是，制造鞭炮的機械產(chǎn)品存在著制造、設(shè)計不規(guī)范以及產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象非常嚴(yán)重等問題，有些企業(yè)為了控制成本，降低了產(chǎn)品安全系數(shù)，已嚴(yán)重制約鞭炮機械產(chǎn)品發(fā)展。

公理化設(shè)計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計與概念設(shè)計，是設(shè)計領(lǐng)域的科學(xué)準(zhǔn)則和設(shè)計者的思維方法[1]。韓軍等[2]把公理化設(shè)計理論運用到無人式微耕機造型設(shè)計中。田雨等[3]在液壓機參數(shù)化系統(tǒng)開發(fā)過程中，運用公理化設(shè)計理論，建立面向?qū)ο筌浖O(shè)計的開發(fā)流程和功能結(jié)構(gòu)模塊，減少設(shè)計過程中的耦合與迭代，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。屠立等[4]在公理化設(shè)計理論基礎(chǔ)上，對叉車產(chǎn)品進行配置設(shè)計，縮短了設(shè)計時間。Peck等[5，6]將公理化設(shè)計理論應(yīng)用于醫(yī)療組織設(shè)計中，提高了組織決策運行效率。Shin等[7]將公理化設(shè)計理論應(yīng)用于汽車座椅系統(tǒng)設(shè)計中，通過機構(gòu)的重組，快速構(gòu)成不同需求的汽車座椅。Jang等[8]將公理化設(shè)計理論應(yīng)用于船舶設(shè)計中。程幼明和馬魯強[9]運用公理設(shè)計指導(dǎo)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計，提高農(nóng)業(yè)機械設(shè)計效率。王昊琪等[10]對基于本體的公理化系統(tǒng)設(shè)計語義建模與推理規(guī)則進行了研究，提高了衛(wèi)星太陽翼設(shè)計效率。陳曉川等[11]研究了公理化理論與DFX集成問題，解釋面向成本設(shè)計工具(DFC)內(nèi)涵，確定DFC中的一個重要參數(shù)-生命周期，并建立了針對成本設(shè)計的成本估算計算模型。張書博等[12]提出了基于功能的產(chǎn)品成本估算模型，對成本進行分類，為面向成本設(shè)計提供了技術(shù)支持。胡仕成等[13]提出成本優(yōu)化控制設(shè)計模型。但從已經(jīng)有的文獻來看，很少涉及到鞭炮機械產(chǎn)品設(shè)計，所以本文結(jié)合市場調(diào)查，針對鞭炮機械產(chǎn)品的特殊性與用戶需求，基于公理化設(shè)計理論與目標(biāo)成本控制方法，解決鞭炮紙筒捆扎機設(shè)計效率低、設(shè)計不規(guī)范及制造成本高等問題。

1 公理化設(shè)計與目標(biāo)成本控制

1.1 公理化設(shè)計簡述

圖1 公理化設(shè)計模式 Fig. 1 Axiomatic design model

公理化設(shè)計(Axiomatic design，AD)是指在產(chǎn)品設(shè)計過程中存在可以歸納的控制設(shè)計過程的原則與法則，并把這些原則與法則抽象為設(shè)計公理的一種通用設(shè)計準(zhǔn)則，依據(jù)設(shè)計存在階段性特點，把整個設(shè)計過程劃分為用戶域(customer domain)、功能域(functional domain)、結(jié)構(gòu)域(physical domain)與工藝域(process domain)4個域，每個域都是該階段特性要求的集合，同時域間轉(zhuǎn)換關(guān)系是一個 “Z形映射”過程，這種映射過程不是域自身簡單的上下關(guān)系轉(zhuǎn)變，而是按照合理性和最優(yōu)化集中，具有最佳性，所以公理化設(shè)計克服了系統(tǒng)學(xué)設(shè)計目標(biāo)模糊的問題，設(shè)計過程具有結(jié)構(gòu)化與層次化，因而設(shè)計流程更加清晰。如圖1所示。

域與域之間映射還可用功能要求與設(shè)計參數(shù)間的特征向量來描述，其數(shù)學(xué)表達為

{FR}m×1=Am×n{DP}n×1，

(1)

由于設(shè)計具有多樣性，而基于獨立公理化設(shè)計只能解決初步設(shè)計方案問題，所以最優(yōu)設(shè)計只能按照信息公理的最小化信息量獲得，數(shù)學(xué)表達式為

(2)

式中：P代表設(shè)計成功滿足功能要求的概率。信息可以是公差、成本與裝配等等。

1.2 目標(biāo)成本控制模式

產(chǎn)品的成本主要由設(shè)計階段控制，而成本與功能存在一定映射關(guān)系，由價值工程理論[14]可知，V(價值)=F(功能)/C(成本)。要創(chuàng)造出產(chǎn)品總體價值最高的產(chǎn)品，就要提高產(chǎn)品功能，同時降低產(chǎn)品成本。要達到這種目標(biāo)，設(shè)計時需要把功能與成本作為一個整體來研究，從產(chǎn)品設(shè)計到制造再到回收，整個產(chǎn)品生命周期考慮，把產(chǎn)品總成本分解到每一層次，再到具體零部件設(shè)計上，形成零部件與目標(biāo)成本對應(yīng)關(guān)系，而這關(guān)系需要通過構(gòu)建參數(shù)矩陣實現(xiàn)，并通過多次求解，實現(xiàn)最佳設(shè)計方案求解。根據(jù)公理化設(shè)計理論，通過參數(shù)矩陣的變換，實現(xiàn)域間轉(zhuǎn)換關(guān)系，即通過目標(biāo)成本可以約束設(shè)計。其控制過程如圖2所示。

1.3 目標(biāo)成本控制產(chǎn)品設(shè)計過程分析

由上分析可知，產(chǎn)品設(shè)計過程是從分析用戶需求開始的，是一個耦合設(shè)計問題。為確保產(chǎn)品設(shè)計過程滿足公理獨立，應(yīng)根據(jù)用戶需求，選擇相應(yīng)設(shè)計參數(shù)，通過方程式(1)解耦，可得結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，求解流程為

(3)

{FRi}=A{PDi}，{PDi}=[B]{PVi}，

(4)

由于構(gòu)成產(chǎn)品成本信息量多，所以必須解決全生命周期成本估算中的耦合問題[10]。需要把設(shè)計階段、制造階段與回收維修成本包含進去，而目標(biāo)成本估算可以通過用戶與專家系統(tǒng)來確定。所以通過公理化設(shè)計理論能解決結(jié)構(gòu)求解和成本耦合問題。對矩陣的求解是要得到一個非耦合設(shè)計矩陣，才滿足獨立公理性，如果是耦合設(shè)計，不具有公理的獨立性，需要對矩陣進行解耦，以使各參數(shù)保持獨立，所以，控制A，B和C設(shè)計矩陣參數(shù)就可以控制相應(yīng)映射過程，再通過分析、評價和計算，達到優(yōu)化零部設(shè)計要求，確定產(chǎn)品最佳設(shè)計方案。

圖2 設(shè)計過程與成本控制流程Fig. 2 Design process and cost control process

2 建立成本參數(shù)矩陣

要實現(xiàn)面向成本設(shè)計，就必須建立產(chǎn)品成本模型，而確定目標(biāo)成本及建立成本參數(shù)矩陣是關(guān)鍵，所以科學(xué)地確定與動態(tài)市場相適應(yīng)，并滿足約束條件的目標(biāo)成本是產(chǎn)品成本設(shè)計的核心內(nèi)容[15]。但由于產(chǎn)品的成本形成涉及許多環(huán)節(jié)，因此目標(biāo)成本方案的確定需要集合多方面信息才能完成。目前有兩種方法，一種是倒算法，它是在產(chǎn)品生命周期過程中，以預(yù)期的銷售價格銷售具有特定功能和質(zhì)量的目標(biāo)產(chǎn)品，同時能達到預(yù)期的利潤水平的成本確定方法[16]，這種方法計算簡單，但需要大量的信息量決策；另一種是匯總法，就是用統(tǒng)計的方式把產(chǎn)品的所有層次零部件成本進行匯總的方法，這種方法比較直接，但前提條件是必須要已知各層次成本組成要素。上述二種方法在目標(biāo)成本確定上還受到多種條件制約。針對這種情況，根據(jù)本設(shè)計需求，本文提出綜合法確定目標(biāo)成本，即根據(jù)具體產(chǎn)品特點采用倒算法完成，如鞭炮機械推送部件；有些采用匯總法計算，如標(biāo)準(zhǔn)件等。另外，建立設(shè)計團隊知識庫，因為專家或設(shè)計團隊來源不同制造部門，信息量全面，能清晰了解各零部件成本與價值，因而具有全面性與科學(xué)性。再把所確定的目標(biāo)成本與估算成本進行比值，量化為設(shè)計矩陣。具體計算如下：

(1)設(shè)新產(chǎn)品可分解功能有Fi=(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)m)項。

(2)采用匯法，設(shè)每個專家或設(shè)計人員對產(chǎn)品功能的評價權(quán)重為Wi，則i個專家權(quán)重集為

(5)

(3)功能加權(quán)評價值計算

第K個專家對第i個產(chǎn)品功能的加權(quán)評價值(Lki)，則功能加權(quán)評價值為

Lki=Wi×ai，

(6)

ai表示專家對第i個功能的評價值，具有獨立性，所以用算術(shù)平均值作為第A項功能評定指標(biāo)(φi)

(7)

(4)為了表達對A項功能評價精確度及評價的合理性，用標(biāo)準(zhǔn)值表示

ΔL=Lki-φi，

(8)

(5)采用倒算法確定產(chǎn)品總目標(biāo)成本[16]

CF=P-G，

(9)

式中，P為產(chǎn)品總目標(biāo)成本，G為目標(biāo)邊際利潤。

(6)各功能模塊分配的理想目標(biāo)成本CFi為

(10)

式中，CF為產(chǎn)品最低售價。

根據(jù)用戶對產(chǎn)品需求分析，對全自動鞭炮洗筒捆扎機需要滿足的功能要求分為：CA1=質(zhì)量好；CA2=效率高；CA3=易操作；CA4=噪聲?。籆A5=低能耗；CA6=全自動、多功能；CA7=安全；CA8=成本低。選取6位專家(或設(shè)計人員)對全自動鞭炮洗筒捆扎機功能需求進行評分。根據(jù)式(6)計算，確定全自動鞭炮洗筒捆扎機功能需求，功能加權(quán)評分見表1。

表1 用戶需求報告

根據(jù)公理化獨立性原理與最小原則，確定全自動鞭炮洗筒捆扎機由二大主功能模塊組成，九大子功能模塊分別為：運輸模塊；洗筒模塊；紙筒移動模塊；鎖緊模塊；推出模塊；捆扎模塊；機架模塊；控制模塊；動力模塊。并按式(10)分配各自的目標(biāo)成值，用以選擇確定零件形狀及數(shù)目，見表2。

表2 用戶需求與功能配制及目標(biāo)成本值

(11)

x1為功能模塊設(shè)計所消耗的資源成本，c1為該功能模塊零部件數(shù)量，x1由資源庫提供。

(8)假設(shè)矩陣為是j×j維，則功能要求參數(shù)的獨立程度得出

(12)

從上可知，01，則映射關(guān)系標(biāo)為X，是耦合設(shè)計，還需要進一步求解，得到設(shè)計矩陣。則由式(1)得，建立兩者設(shè)計矩陣方程為

(13)

3 應(yīng)用實例分析

3.1 鞭炮紙筒捆扎機公理化設(shè)計過程

根據(jù)公理設(shè)計原理，通過對用戶域的分析，分為FR1=機架；FR2=動力系統(tǒng)；FR3=輸送機構(gòu)；FR4=捆扎機構(gòu)。相應(yīng)的策略為：DP1=機架設(shè)計；DP2=動力系統(tǒng)設(shè)計；DP3=輸送機構(gòu)設(shè)計；DP4=捆扎機構(gòu)設(shè)計。根據(jù)式(13)求解得

(14)

式(14)中設(shè)計信息方案較多，此方程屬于準(zhǔn)耦合設(shè)計，滿足公理設(shè)計要求，還需要進一步求解。對式(14)中的各參數(shù)，按照各自功能需求還可以進一步分解可得相應(yīng)的策略，直到上述各項設(shè)計參數(shù)可獨立制訂出相應(yīng)設(shè)計規(guī)范，滿足功能需求，參數(shù)之間相互關(guān)系弱為止。同時，輸送機構(gòu)是鞭炮紙筒捆扎機設(shè)計重要部件，有多種方案，還需要進一步分解。

根據(jù)式(3)求解FR3得：FR31為運輸模塊；FR32為洗筒模塊；FR33為紙筒移動模塊；FR34為推出模塊；DP31為運輸模塊設(shè)計；DP32洗筒模塊設(shè)計；DP33為紙筒移動模塊設(shè)計；DP34為推出模塊設(shè)計。

(15)

式(15)為準(zhǔn)耦合設(shè)計，符合公理化變換，對FR33，F(xiàn)R34進一步求解，得FR331鏈條傳動方案；FR332齒輪齒條傳動方案；FR333皮帶輪傳動方案，而DP331鏈條傳動方案設(shè)計；DP332齒輪齒條傳動方案設(shè)計；DP333皮帶輪傳動方案設(shè)計。

3.2 確定鞭炮洗筒捆扎機設(shè)計方案

在鞭炮洗筒捆扎機設(shè)計方案中，變化較多的模塊為洗筒模塊；鎖緊模塊；推出模塊；捆扎模塊；機架模塊與控制模塊，根據(jù)公理化設(shè)計最小原則，確定最優(yōu)的2種設(shè)計方案。見表3所示。

表3 設(shè)計方案

據(jù)計算產(chǎn)品總成本方案一要低于方案二，而且評價標(biāo)準(zhǔn)偏差非常小，表示精確度較高，所以這兩個方案都為最佳設(shè)計方案。但在這兩個方案中，具體選用哪個方案，需要根據(jù)用戶對象來確定，如果用戶為大型自動化流水作業(yè)企業(yè)，可以選取第二種設(shè)計方案；如果是家庭生產(chǎn)企業(yè)，則可選擇第一種方案。按上述方案所得部分部件的設(shè)計圖，如圖3，4和5所示。

1．紙筒移送通道 2．電機 3．皮帶曲柄 4．皮帶輪 5．連桿 6．搖斗圖3 單連桿紙筒排序機構(gòu)Fig. 3 Single link sort paper drum mechanism

1．搖斗 2．連桿 3．滾動軸承座4．曲軸 5．帶輪 6．連桿7．電機圖4 雙連桿紙筒排序機構(gòu)Fig. 4 Double link sort paper drum mechanism

圖5 全自動鞭炮洗筒捆扎機三維模型Fig. 5 3D model of automatic firecrackers paper drum strapping machine

4 結(jié)論

(1)本文在分析公理化設(shè)計理論基礎(chǔ)上，分別建立了以功能模塊為核心的產(chǎn)品設(shè)計過程模型和相對應(yīng)的各功能模塊成本組成要素模型。通過對設(shè)計過程模型求解，可確定滿足功能需求和成本約束條件的最佳設(shè)計方案；通過對成本組成要素模型計算，可以優(yōu)化鞭炮機械產(chǎn)品設(shè)計方案，特別適合這種低成本生產(chǎn)要求。

(2)該設(shè)計方法相對傳統(tǒng)設(shè)計方法，思維更加清晰，容易操作，并通過某鞭炮企業(yè)的應(yīng)用表明，該設(shè)計方法可以明顯地提高了設(shè)計效率與鞭炮機械產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，所建立的模型簡單，易于編程實現(xiàn)，具有較高實用價值。