基于大批量定制化的電火花成形機床參數(shù)化設(shè)計

趙蒞龍，劉永紅，于重?zé)?，王新?/p>

（ 中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島 266580 ）

縱覽不同經(jīng)濟發(fā)展時期的制造業(yè)生產(chǎn)模式，共有單一品種小批量生產(chǎn)、 單一品種大批量生產(chǎn)、多品種小批量生產(chǎn)及多品種大批量生產(chǎn)等四類生產(chǎn)模式。 其中，大批量生產(chǎn)結(jié)合了實用、高效、經(jīng)濟的優(yōu)勢，一直是生產(chǎn)的最優(yōu)解，為社會提供了大量的廉價商品，極大地滿足了人民的基本生活需求[1]。 隨著社會進(jìn)步、人民生活水平不斷提高，市場競爭越來越激烈，單一性產(chǎn)品的生產(chǎn)方式已無法滿足人們的生產(chǎn)、生活需要，也不能為企業(yè)帶來更高利潤。 于是，如何將大批量生產(chǎn)與定制化生產(chǎn)有機地結(jié)合起來，成為企業(yè)突破自身生產(chǎn)局限的重要方向[2]。

1 大批量定制化與Kano 模型

對于電火花成形機床，將大批量定制化設(shè)計策略與之相結(jié)合，尋找能提高電火花成形機床個性化定制水平的新道路， 以更好地捕捉客戶心心理、應(yīng)答客戶需求，有助于迅速、有效地提高企業(yè)產(chǎn)品競爭力。

應(yīng)用大批量定制化設(shè)計策略，需對電火花成形機床的功能作深入了解，將機床功能與客戶需求緊密結(jié)合起來， 以客戶需求為切入點， 引入Kano 模型， 有效地分解了電火花成形機床的功能要求。Kano 模型包括基本型需求、期望型需求、魅力型需求、無差異型需求、反向型需求五類需求[3]。 本文通過Kano 模型分析產(chǎn)品特性滿足情況與客戶滿意度之間的關(guān)系，對客戶需求進(jìn)行分類，以此幫助企業(yè)了解不同層次的客戶需求。 Kano 模型見圖1。

圖1 需求類型與客戶滿意度關(guān)系

由圖1 可知，企業(yè)在實際生產(chǎn)中首先要盡可能地滿足客戶的基本型需求，以確?？蛻籼岢龅男枨蟮玫礁窘鉀Q；在滿足基本型需求后，企業(yè)應(yīng)盡可能滿足客戶的期望型需求， 以體現(xiàn)產(chǎn)品的競爭力；提供客戶期望的額外服務(wù)或產(chǎn)品功能，使企業(yè)自身服務(wù)或產(chǎn)品優(yōu)于競爭對手并與之區(qū)別，以此加深客戶對企業(yè)的印象，提高客戶滿意度；最后，企業(yè)應(yīng)盡可能實現(xiàn)客戶的興奮型需求， 建立忠實的客戶群體、提升產(chǎn)品粘性。

2 Kano 模型建立與信息獲取

建立Kano 模型依靠對客戶需求信息的獲取及分類，而獲取客戶需求信息的主要途徑有問卷調(diào)查和市場調(diào)研。 針對模型設(shè)計的問卷通常包括正反兩個方向的問題，每個問題設(shè)置五個選項，通過調(diào)查問卷對象的選擇結(jié)果來判斷客戶對產(chǎn)品是否具有某種功能的需求及相應(yīng)的程度；最后整理有效的調(diào)查問卷，并根據(jù)調(diào)查對象對產(chǎn)品某項功能滿意度的調(diào)查結(jié)果對產(chǎn)品功能進(jìn)行歸類，以此達(dá)到將需求信息轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品功能的最終目的。

問卷調(diào)查的具體步驟為：

（1）制作 Kano 模型問卷調(diào)查表

Kano 模型問卷調(diào)查表以某種需求為前提，設(shè)置五種滿足或不滿足該客戶需求時的客戶態(tài)度選項，包括非常喜歡、理應(yīng)如此、無所謂、勉強接受及很不喜歡[4]。 問卷形式見表1。

表1 Kano 模型問卷調(diào)查表

（2）需求分類對照

問卷調(diào)查表以線上或者線下的形式發(fā)放給調(diào)查對象，當(dāng)調(diào)查對象完成問卷后，按照表2 對問卷所填內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計分類。 其中，字母Q 代表可疑結(jié)果，字母R 代表反向型需求，字母A 代表興奮型需求，字母I 代表無關(guān)型需求，字母O 代表期望型需求，字母M 代表基本型需求。

表2 需求分類對照表

（3）問卷數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計

完成需求分類表后，對表格進(jìn)行匯總后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表3。 其中，在功能需求一欄中，A、B、C、D、E、F、G、H、I、J 等字母分別代表一種調(diào)查需求，n為需求功能總數(shù)。

表3 問卷數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計表

根據(jù)調(diào)查問卷結(jié)果進(jìn)行Kano 模型二維屬性歸屬分析，可得出基本型屬性、期望型屬性、興奮型屬性、無關(guān)型屬性、反向型屬性和問題型屬性的功能屬性歸類百分比。

對于同一類需求， 可根據(jù)Better-Worse 系數(shù)來判斷該類需求的重要程度，如式（1）、式（2），分別表示某項功能可增加客戶滿意度或消除客戶很不滿意的影響程度[5]。

增加后的滿意度系數(shù)：

消除后的不滿意度系數(shù)：

根據(jù)Better-Worse 系數(shù)， 對系數(shù)絕對分值較高的功能或服務(wù)需求應(yīng)當(dāng)優(yōu)先實施。

在實際使用中，電火花成形機床常見的客戶需求包括工作臺尺寸、刀具工作行程、工作液槽尺寸、加工精度、機床整體尺寸、機床外觀、維修性、綠色環(huán)保性、性價比、售后服務(wù)、可替換性及操作臺高度等12 個方面，具體如下：

（1）工作臺尺寸：電火花成形機床工作臺的尺寸，包括工作臺長、工作臺寬。

（2）刀具工作行程：刀具 X、Y、Z 軸的最大移動量。

（3）工作液槽尺寸：包括工作液槽長、寬、高。

（4）加工精度：電火花成形機床加工的最大精度。

（5）機床整體尺寸：包括機床整體最大的長、寬、高。

（6）機床外觀：如機床顏色、機床標(biāo)識（logo）、機床裝飾等。

（7）維修性：在規(guī)定的條件、時間、方法等約束下完成機床維修的能力。

（8）綠色環(huán)保性：包括且不限于降低冷卻液、鐵屑等廢物對環(huán)境的影響。

（9）性價比：機床性能與價格之比，體現(xiàn)機床的經(jīng)濟性。

（10）售后服務(wù)：指企業(yè)在機床售出后提供的各種服務(wù)。

（11）可替換性：機床各零部件的可替換能力。

（12）操作臺高度：根據(jù)不同地區(qū)、國家的不同平均身高定制操作臺高度。

針對以上12 個方面，制作調(diào)查問卷，由調(diào)查對象根據(jù)題干選出匹配和不匹配時態(tài)度的交點字母，以便于后續(xù)統(tǒng)計和計算。 本文共選取50 份不同身份對象的有效問卷調(diào)查，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 線上調(diào)查問卷結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)需求分類對照表，對需求進(jìn)行分類，分類結(jié)果見表5。

表5 需求分析結(jié)果表

對照表 2 和表 4，根據(jù)式（1）、式（2）可計算各個客戶需求的Better-Worse 系數(shù)公式，具體如下：

（1）工作臺尺寸

（2）刀具工作行程

（3）機床整體尺寸

（4）機床外觀

（5）加工精度

（6）維修性

（7）綠色環(huán)保性

（8）性價比

（9）售后服務(wù)

（10）可替換性

（11）操作臺高度

（12）工作液槽尺寸

根據(jù)計算結(jié)果繪制的Better-Worse 系數(shù)分析坐標(biāo)散點圖見圖2。由此可得到各類需求的分類情況，該結(jié)果與表2~表5 所示結(jié)果一致。 同時，對于同一類型的功能，由前文可知，Better 系數(shù)和Worse 系數(shù)的絕對值越接近1，則表示該功能越不可或缺。

圖2 Better-Worse 系數(shù)分析坐標(biāo)散點圖

對于基本性需求（必備屬性），工作臺尺寸、刀具工作行程、加工精度三個功能的Worse 系數(shù)基本相同，故三者在不滿足需求時，客戶的態(tài)度均特別強烈，即不滿足時，企業(yè)產(chǎn)品無法正常銷售；但是從Better 系數(shù)看， 加工精度＞刀具工作行程＞工作臺尺寸，這說明前者功能具備時的客戶滿意度更高。

對于期望型需求（期望屬性），工作液槽尺寸功能的Worse 系數(shù)最大、Better系數(shù)最小， 說明該功能相對于其他三種功能更接近于基本型需求（必須滿足，但不會大幅提高客戶滿意度）；其他三種功能的Better系數(shù)基本相同，在滿足功能需求時，均能大幅度提高客戶滿意度。 而從Worse系數(shù)看，性價比＞維修性＞售后服務(wù)，說明在這三者之間，前者比后者更重要且不能不被滿足，在產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮前者對應(yīng)模塊的大批量生產(chǎn)。

對于興奮型需求（魅力屬性），綠色環(huán)保性Better-Worse系數(shù)的綜合得分最高，說明滿足該功能可以大幅提高客戶滿意度， 重要性高于其他三者，在產(chǎn)品設(shè)計時可優(yōu)先考慮設(shè)計匹配該功能的模塊，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)；而另外三者的Better系數(shù)大體一致，從Worse系數(shù)看， 機床整體尺寸＞可替換性＞機床外觀，說明前者比后者更重要，在產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先考慮實現(xiàn)前者對應(yīng)模塊的大批量生產(chǎn)。

3 模塊化配置及參數(shù)化設(shè)計

模塊化配置是指合理選擇具有獨立功能的零件或模塊來組合成多樣化的新部件[6]。 在大規(guī)模定制實施過程中，根據(jù)客戶提供的個性化需求，企業(yè)可將模塊化的零部件進(jìn)行特定組合，以提供滿足客戶要求的個性化產(chǎn)品。 在此過程中，零部件依然是使用傳統(tǒng)批量化生產(chǎn)模式生產(chǎn)，而定制化產(chǎn)品則是根據(jù)客戶提供的需求按照模塊組合。 模塊化配置設(shè)計流程見圖3。

圖3 機床產(chǎn)品模塊化配置設(shè)計流程

為了更好地實現(xiàn)對客戶需求以及產(chǎn)品功能的判斷與選擇，需將產(chǎn)品按照功能模塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)定。 參數(shù)化設(shè)計是一種依托計算機技術(shù)將設(shè)計因數(shù)變量化，并建立各個設(shè)計因數(shù)間的邏輯關(guān)系，通過不斷調(diào)整變量得出最終設(shè)計方案的動態(tài)設(shè)計過程。參數(shù)化技術(shù)是輔助設(shè)計師設(shè)計的工具，這些工具如Pro/Engineer、UGNX、CATIA 和 SolidWorks 等，其設(shè)計結(jié)果具有精確性和確定性的特征。 參數(shù)化設(shè)計工具可快速生成和修改可視化模型， 相較于傳統(tǒng)設(shè)計，其設(shè)計效率大大提高，能輔助設(shè)計師更好地進(jìn)行設(shè)計方案的創(chuàng)造和表現(xiàn)。 參數(shù)化技術(shù)使之前復(fù)雜的設(shè)計關(guān)系變得清晰，更快速準(zhǔn)確的表達(dá)設(shè)計師的想法，并輔助設(shè)計活動的推進(jìn)[7]。

本文利用SolidWorks 軟件實現(xiàn)電火花成形機床的參數(shù)化設(shè)計。 在SolidWorks 尺寸定義中，用戶可使用方程式建立尺寸驅(qū)動的參數(shù)化模型，其方法是通過前期統(tǒng)計計算確定各尺寸參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過確定一個自變量參數(shù)并以其他相關(guān)尺寸為因變量， 建立自變量與因變量之間的函數(shù)關(guān)系，使全局參數(shù)得到控制，實現(xiàn)一個參數(shù)控制所有參數(shù)的目的[8]。

通過Kano 模型及模塊化配置對功能需求的分析和結(jié)構(gòu)的分解，可將電火花成形機床分解成工作槽模塊、電極模塊、操作臺模塊、刀具伺服進(jìn)給模塊、工作液箱模塊、溫度控制模塊、電源箱模塊、底座支撐模塊和其他模塊等九大模塊，具體如下：

（1）工作槽模塊：安裝加工零件的主要部件，主要有工作臺、工作液槽、底座、前箱蓋、側(cè)箱蓋等。

（2）電極模塊：加工電極。

（3）操作臺模塊：電火花成形機床操作系統(tǒng)，主要有顯示屏、升降軸等。

（4）刀具伺服進(jìn)給模塊：刀具伺服運動結(jié)構(gòu)，主要有立柱、滑枕、滑板、主軸頭等。

（5）工作液箱模塊：這是工作液循環(huán)系統(tǒng)，主要有工作液箱、過濾箱、工作液供給電機、加工液供給管線。

（6）溫度控制模塊：加工液體溫度控制裝置，主要有散熱器、降溫箱等。

（7）電源箱模塊：操作臺等構(gòu)件的電源供給系統(tǒng)，主要有電源箱、內(nèi)部電路等。

（8）底座支撐模塊：刀具伺服系統(tǒng)底座。

（9）其他模塊：如電源穩(wěn)壓器、滅火箱等。

4 參數(shù)化設(shè)計實例

根據(jù)相關(guān)尺寸要求（如工作液箱的容積需是工作液槽容積的2~3 倍）以及對在售電火花成形機床各型號尺寸間關(guān)系對各模塊進(jìn)行尺寸約束，使之變成全局變量（工作臺長×工作臺寬）的因變量。

全局變量為自變量， 定義工作臺長與工作臺寬，將兩個全局變量賦值給工作液槽模塊中的工作臺尺寸（長、寬），通過更改電火花成形機裝配體中全局變量（工作臺長、工作臺寬），即可實現(xiàn)電火花成形機床整體尺寸更改與輸出。

在初始狀態(tài)尺寸時， 工作臺尺寸為500 mm×320 mm。各模塊尺寸見圖4。在更改尺寸狀態(tài)時，在方程式界面更改全局變量“工作臺長”及“工作臺寬”，使工作臺參數(shù)變?yōu)?30 mm×400 mm。電火花成形機床模型及相關(guān)尺寸見圖5。

圖4 電火花成形機床初始狀態(tài)尺寸

圖5 工作臺尺寸630 mm×400 mm 的電火花成形機床模型輸出

如上，通過對全局變量的控制，可實現(xiàn)對該電火花成形機尺寸的控制并進(jìn)行輸出， 能快速設(shè)計、輸出滿足客戶對于電火花成形機模塊尺寸需求的模型，即實現(xiàn)客戶需求的快速定制化，同時也減少了機床零部件大規(guī)模生產(chǎn)的種類，提高了零部件的相似性，降低生產(chǎn)成本。

5 結(jié)束語

根據(jù)Kano 模型， 本文進(jìn)行了電火花成形機床客戶需求調(diào)研，并統(tǒng)計整理了50 份有效問卷，獲取電火花成形機床各功能的態(tài)度。 根據(jù)獲得的調(diào)研結(jié)果和需求分析對照表，計算了Better-Worse系數(shù)，繪制了Better-Worse 系數(shù)分析坐標(biāo)散點圖， 對電火花成形機床各功能需求做出了分類與解釋，為模塊化配置和參數(shù)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 本文從前期問卷調(diào)查、分析客戶需求與產(chǎn)品功能、對產(chǎn)品進(jìn)行基于功能分類的模塊化配置，到實現(xiàn)模塊化與功能的匹配及大批量生產(chǎn)，再到對模塊進(jìn)行建模和組裝、組成完整的電火花成形機床、通過SolidWorks 的尺寸方程式實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，已形成了完整設(shè)計鏈。