基于功能独立性分析的产品平台设计

基于功能独立性分析的产品平台设计

0产品族设计方法基于产品平台的产品序列的设计是一种新的设计理念，它提高了生产制造能力，降低了设计和制造成本。以“平台战略”为核心的产品族产品开发方法以及技术具有很高的研究价值。产品平台是指一组产品所共享的保持不变部分，产品平台体现了产品的通用性，是降低产品定制成本的基础，减少了产品定制时的重复性工作。企业针对不同用户需求，通过在产品平台基础上添加、去除、替换一个或多个模块可以衍生出满足个性化客户需求的不同产品，或者通过扩展平台的一个或多个尺寸来满足特殊的市场需求，推出新的衍生或扩展产品。当前研究产品族的设计方法主要分为两类：基于参数的产品族(自顶向下产品平台方法)和基于模块的产品族(自底向上产品平台方法)。基于参数的产品族设计受到产品结构和客户需求变化的限制，只有结构相对稳定，客户需求变化较少，才能通过鲁棒性方法，建立产品族的优化模型；基于模块的产品族设计相对灵活，适用于各种结构和客户需求变化，能更好地体现出产品相似性、通用性和多样性。两种产品平台设计方法都是从产品功能和物理结构分析入手，确定产品的模块化结构，在此基础上采用不同的通用性判断规则，确定出产品族中所有产品所共享、保持不变的部分，从而设计出产品族的产品平台，并建立通用的产品平台物理结构。在当前的产品平台设计方法中，通常采用功能结构分解的方法将产品总功能细化为子功能，并建立产品功能结构，通过子功能之间的能量、信息和物料之间的传递和交换确定出功能模块。但是，产品功能和物理结构分析缺乏一种有效的指导方法来保证设计分解的合理性；模块化结构要求产品独立地实现其功能，即产品功能之间的实现方式或原理没有产生相互影响，这样才能保证不同功能模块组合成一个有机的整体，更好地满足个性化客户需求。但是目前的产品族设计法中缺乏一种有效的方法来保证功能模块之间的独立性；产品平台设计是根据模块化和通用性两个特性进行分析，但是当前产品平台设计方法中的缺乏判断产品族结构通用性的原则和依据。1产品功能模块的独立性分析，符合产品模块化设计的要求公理设计中的功能分析是面向客户需求，根据客户需求确定产品基本功能；在此基础上应用功能独立性分析框架建立相互独立的功能结构，保证产品功能模块之间的独立性，符合产品模块化设计的要求；通过分析设计矩阵描述的功能之间的影响关系建立产品模块化结构，并通过功能模块实现的客户需求来判断产品平台和个性化模块。1.1产品平台设计过程中，设计矩阵与功能要求互互影响关系公理设计是20世纪90年代美国麻省理工大学的NamSuh教授提出的关于设计领域的科学理论，总结设计制造领域的理论规律。公理设计规范了设计分析过程，指导设计人员正确进行设计决策，判断设计质量优劣。公理设计理论的体系框架如图1所示。在功能—物理结构变换的过程中，同时在两个设计域并行进行设计决策，并以功能独立性公理作为理论依据判断设计的合理性和最优化。通过相邻的设计域之间的“之字形”映射变换，就可以建立功能要求、设计参数的等级结构，而且也相应地分析了每一级的设计变量的相互影响关系，确保其满足功能独立性公理的要求。公理设计定义了设计矩阵通过设计参数来间接描述功能要求之间的相互影响关系。即根据矩阵形式，将设计分为三类：非耦合设计(对角阵)、准耦合设计(三角阵)和耦合设计(一般矩阵)。非耦合设计表明功能要求通过自身的设计参数实现并满足其独立性原理，所以其相关的功能结构可以进行任意组合；准耦合设计要求设计参数必须按某一适当的顺序排列才能满足独立性原理，其功能结构的变化必须按照该顺序在考虑其他设计活动的影响下进行；耦合设计表明设计出现不可控因素，需要通过解耦或者其他的分析方法将设计转换出非耦合或者准耦合设计。除此之外，公理设计定义完整设计矩阵来保证设计分解过程中上下级之间的一致性关系，它是伴随着设计的一级级分解不断变化的，根据设计等级结构和每一级的设计矩阵，可以建立产品的完整设计矩阵来描述整个产品叶功能要求之间的关系。因此，在“之字形”映射变换过程中，设计矩阵和完整设计矩阵通过间接分析设计参数对功能要求的影响来确定了功能之间的相互作用，为产品平台结构模块化提供分析依据。功能独立性是设计活动必须遵循的公理，在产品平台设计过程中，确定准耦合功能关系的产品方案是建立“严格”功能和物理结构模块的前提。“严格”模块化产品结构的产品要求功能和物理部件非常明确，因为这种情况下产品的每一个模块独立地实现产品各个分功能，公理设计的功能独立性公理保证产品功能准耦合性，这样保证了设计质量，而且产品的功能独立性越高，其功能结构的模块化程度也越大。1.2确定设计任务和设计约束本文引入公理设计进行产品平台设计的目的是结合功能独立性公理和产品模块化结构的特点，模块化结构要求尽可能保证其实现功能的独立性，功能独立性公理要求产品是准耦合或者非耦合设计，两者目的一致。因此，公理设计进行产品族分析是产品平台设计的基础，保证产品族功能结构和物理结构的合理性。本文研究的产品平台设计过程是在产品概念设计阶段，应用公理设计分析框架，建立产品需求—功能结构—物理结构之间的关系，在此基础上分析产品功能结构和物理结构，建立产品平台及其通用物理结构，如图2所示。基于公理设计的产品平台设计过程大致分为客户需求分析、产品功能结构分析、产平台设计三个主要部分，具体设计过程如下。(1)明确客户需求：市场调查和客户调研所获得的顾客对产品的要求和期望是最直接的信息，也是客户对产品的主观需求。主观客户需求可能和自身对产品的真正要求(客观需求)存在一定的差距，因此，企业必须明确并满足客户对产品的客观需求，才能实现最大限度的顾客满意度。在明确客观客户需求后，根据客户对产品族要求的特点将客观客户需求分为通用客户需求和个性客户需求。通用客户需求是指顾客对所有该类产品的要求，即顾客购买该类产品都会提出的要求；个性客户需求是指顾客根据自身喜欢和使用环境等对所购买产品提出的特殊要求。(2)确定设计任务：设计任务是指通过分析通用和个性化客户需求，确定出产品功能要求以及设计时要考虑的约束条件或者限制因素，满足客户的要求或期望。这些功能是对产品的基本功能要求，后续的产品功能结构分析是以实现产品基本功能为目标，应用“之”字形映射变换，将功能要求分解为子功能要求并同时确定实现该功能要求的设计参数。设计约束是产品设计过程中的限制或制约，它是选择设计参数实现功能要求时必须考虑的因素。为了便于设计人员理解客户需求，设计约束描述为对产品性能参数的具体要求。(3)建立产品的功能-物理等级结构：公理设计的功能独立分析框架并行地进行产品功能和物理结构分析，同时分解功能要求和设计参数。在每一级分解完成后，根据设计参数变化对产品功能要求的影响间接确定两个功能要求之间的影响关系，建立设计矩阵描述产品功能结构和物理结构之间的相互关系，设计矩阵必须是对角阵或三角阵，即产品功能结构应该是非耦合或准耦合；同时通过一致性分析保证产品的上下级分解时设计决策的一致。最终分析结果是建立非耦合或准耦合的产品功能、物理等级结构、记录每一级产品功能要求的设计矩阵和描述整个产品的叶设计参数和叶功能要求关系的完整设计矩阵。(4)建立模块化产品结构：根据上一步产品功能结构分析的结果，通过分析完整设计矩阵确定产品的叶功能要求之间的相互影响关系，按照它们之间存在能量、物料、信息和结构的相互传递关系，按照影响程度进行量化(分为“必须”、“应该”、“可有可无”、“不需要”和“禁止”五个等级，对应数值为“+2”、“+1”、“0”、“–1”和“–2”)，将完整设计矩阵转换为明确度量叶功能要求间相互影响的功能影响矩阵，选择主导的影响关系类型，通过成组矩阵变换方法(图3)，将有联系的功能要求组合成功能模块。(5)产品平台设计：从满足客户需求角度分析，产品平台实现顾客对产品的最基本要求，也是产品设计开发出来就必须具备的基本功能，而个性模块所满足客户需求是顾客根据自己喜好或者实际使用情况等，对产品提出的个性化要求。所以，通过分析功能模块与其实现客户需求之间的关系，将实现通用客户需求的功能模块确定为产品平台；满足个性客户需求的功能模块定义个性化模块。(6)建立通用产品平台物理结构：通用产品平台物理结构一方面要保证设计参数最大程度集成，降低产品复杂性和设计制造成本，一方面又要保证产品物理结构重用性，能够实现以最少设计变化满足最大程度个性客户需求。产品平台物理结构由模块和标准接口组成，在建立物理结构时，应该在保持产品功能要求独立性的基础上，实现产品物理结构的集成和物理结构重用的折中，在考虑结构分离因素的情况下，根据设计参数物理集成原则，将产品的物理结构组合成有机的整体，同时保持了功能模块间的独立性和物理结构的重用性，产品平台物理结构设计的分离原则如表1所示。2重压力阀的密封结构蝶阀是用于开启或关闭管道内的介质，也可作调节用。三偏心蝶阀名称是从其产品密封形式而来的，蝶阀产品的密封结构经历无偏心、一偏心、二偏心和三偏心三种进化过程，其作用也从最初的流量控制阀转变为切断阀，实现管路的开启和关闭。2.1控制管路的通断当前三偏心蝶阀作为切断阀主要应用在冶金、发电等行业，用于钢厂高炉煤气管路和电厂排尘管路的控制，主要控制管路的通断。三偏心蝶阀的客户需求获取主要是通过和该厂销售部门的销售人员和设计人员座谈，获取他们和客户交流的经验作为客户需求信息。三偏心蝶阀的客户需求主要是对产品性能参数提出不同要求，通过需求信息分析，确定出客户的客观客户需求，明确通用需求和个性化需求，转换为产品性能参数，具体分析结果如表2所示。2.2产品族结构的分解蝶阀要满足客户需求必须具备的基本功能要求就是控制管路的通断，此外为了达到客户对蝶阀的要求，设计时必须考虑“保证蝶阀整体结构的密封性”这一设计约束。在确定产品的基本功能要求之后，应用“之”字形映射变换进行分解蝶阀的功能要求和设计参数，蝶阀产品族结构分解为三级，蝶阀产品族的等级结构树(图4)；在分解过程中每一级都要进行功能独立性分析，各级别设计方程(表3)均符合满足功能独立要求；在分解完成后，根据各级设计方程和设计等级结构树建立完整设计矩阵(图5)，表示产品族结构组成(叶设计参数和叶功能要求)之间的相互作用。图5中深颜色部分表示同一分支的叶功能要求和叶设计参数的关系，浅颜色表示不同分支的叶功能要求和叶设计参数的关系。2.3功能结构模块以功能结构分解结果为基础，分析蝶阀各个叶功能要求影响作用的产生原因，确定四种类型的影响作用的度量值，建立蝶阀的功能影响作用度量表(表4)，将完整设计矩阵转换为功能影响矩阵，如图6所示，图6中深颜色部分表示含义同图5ㄢ蝶阀功能结构非常简单，功能之间主要是物理空间结构和能量传递两种影响作用，而且必须存在物理结构的影响作用才能保证蝶阀功能的实现。因此，在进行蝶阀功能结构模块时，以空间作用作为标准进行矩阵成组变换，以空间度量作为标准变换后的结果如表5所示。蝶阀功能模块和客户需求的关系表明了两者之间实现关系，如图7所示。分析结果表明三偏心蝶阀的活动和固定结构是其产品平台，即阀板和阀体；动力源、驱动、连接以及密封模块都是为了满足不同客户需求的个性化模块。图7中元素“1”表示模块实现客户需求，反之“0”表示模块和该客户需求的实现无关，其中深颜色代表个性化客户需求。2.4产品结构的组合由于蝶阀功能的实现方式已知，在建立产品结构之前首先要将产品的设计参数和蝶阀的具体结构相关联，在此基础上根据表1中设计参数集成和分离准则将某些产品结构重新合并为一个整体。蝶阀通用产品平台物理结构如图8所示。3基于功能的分析设计(1)基于公理设计的产品平台设计方法以功能独立性公理为产品族功能-物理结构分析的理论依据，