基于可適應產品平臺的產品族配置方法研究

程賢福，吳國棟，蘭光英

(華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西南昌330013)

當前以用戶需求為導向的大規模定制生產模式逐漸成為先進制造領域的發展趨勢［1］。以“平臺戰略”為核心的產品族規劃是快速響應用戶個性化需求的有效途徑，許多研究者圍繞產品平臺定義及規劃方法進行了大量的研究工作，歸納起來主要有兩種類型:基于模塊化的產品平臺和基于參數化的產品平臺［2］。隨著用戶需求的多變，單一的調節方式不能滿足復雜機械產品平臺規劃中模塊替換和參數調節的集成需求，主要在于核心平臺的適應能力不足，從而導致動態需求響應遲緩，產品系列化和組件可重用度弱［3］，亟需可適應產品平臺規劃方法的支持。此外，當前多數研究預先指定產品平臺類型存在較多的主觀性［4］，將模塊與設計參數嚴格區分對于開發人員來說比較困難，對企業來說產品族不能很好地滿足細分市場需求。

陳永亮等［5］基于相似度分析、聚類分析和變量化分析技術，建立了產品結構的優化元模型，提出了一種面向可適應性的參數化產品平臺規劃方法。楊亞楠等［6］將可適應設計技術和模塊化設計技術應用于紡機產品方案設計中，規劃了可適應模塊化產品平臺，并提出了基于規劃了可適應模塊化產品平臺的產品族設計方法。陳興玉等［7］將可適應設計方法學理論應用于液壓機的設計，提出了可適應性重用、可適應模塊重構和可適應性優化策略。上述工作為基于可適應產品平臺的產品族配置提供了有益的參考。

電力液壓塊式制動器廣泛應用于各種起重運輸、皮帶運輸、冶金、礦山、港口裝卸及建筑機械中，其主要功能是實現停車和調節機構的運行速度。它具有結構較復雜、系列性分級特性比較明顯、用戶定制面廣等特點，其變型主要是根據機構傳動力矩、機構運行狀況及配套的限制決定的。如果利用一般的參數化或模塊化產品平臺設計方法，則會導致產品通用性較差，平臺數量較多，不利于設計知識的重用。為快速響應市場變化，縮短制動器設計和生產周期，降低成本，研究其產品平臺的建立、實現快速配置是有必要的。

1 可適應產品平臺

企業開發產品族，一般會較大程度地重用已有產品的設計信息，往往只需對一部分設計進行更新。保持產品設計原理不變，通過對已有產品的功能、性能和結構的繼承與演化而滿足多樣化的用戶需求，也就是對已有產品的一種可適應設計。可適應設計(Adaptable Design)是針對產品的更新換代加快、產品的個性需求加強、產品設計要求具有適應未來需要的特點而提出的一種設計理念。該方法考慮產品成本和環境變化時，要求產品設計可通過零部件更換或修改以及柔性調節便能適應新的需求，從而降低產品的開發時間和成本，提升設計效率，是企業應對市場競爭的有效設計方式［8］。

模塊化產品平臺和參數化產品平臺各有特點，前者主要用于配置設計，后者更適用于新設計和變型設計，很難指導一些功能相同或相似、模塊化程度較高且結構隨設計參數靈活變更的產品設計［9］。可適應產品平臺綜合了這兩種平臺的優點，是由公共參數和可適應設計參數組成的可定制的產品平臺，并且在平臺內部封裝了通用化、系列化、標準化的可適應參數，在不改變公共參數的情況下，通過添加定制參數、調節可適應設計參數的數值、驅動生成相應的可適應模塊結構，得到一系列產品變型和產品族。其功能和拓撲結構相同或相似，但功能映射的物理結構參數可有多種。

根據可適應產品平臺的含義，可將產品分解成如圖1所示的結構。

圖1 產品平臺的結構分解

(1)公共參數是指具有比較固定的拓撲結構、實現產品族基本功能要求、不受用戶需求影響或影響很小，且在同一產品族中可以重用的設計參數。

(2)可適應設計參數是指具有一定功能、結構相對獨立、接口參數化、模塊內部特征具有完整約束關系，并且封裝了一系列具有可適應性的設計參數?？蛇m應設計參數的取值受一定范圍的約束，既不能破壞物理結構模型的拓撲結構，也不能超出設計參數規格的應用范圍。它包含可適應平臺參數和變型參數兩部分。

①可適應平臺參數是指產品族內不同變型產品之間取值基本相同的或可在較小允許范圍內變動的、對產品性能差異性影響較小或可以忽略不計的設計參數。

②變型參數是指產品族內的變型產品在較大的允許范圍內可調節的、對產品性能差異性有較大影響但不影響變型產品功能的設計參數。

(3)定制參數是指產品族內某變型產品為滿足用戶特殊的需求或實現產品特定的功能要求而設置的一組類型不一致的設計參數或類型一致但取值不盡相同的設計參數。這些參數為該變型產品所獨有，可根據用戶需求進行定制，以滿足用戶個性化要求。

2 電力液壓塊式制動器產品族配置方法

合理確定產品族開發的定制點，提高產品族中產品的通用性，減少產品設計的復雜性和成本，同時最大程度地實現用戶的個性化需求，是可適應產品平臺規劃的目標。構建可適應產品平臺的關鍵是從設計參數中識別并確定產品平臺中的公共參數、可適應平臺參數、變型參數和定制參數?；诳蛇m應產品平臺的電力液壓塊式制動器產品族配置主要包括以下幾個步驟:

(1)根據當前制動器市場調研、用戶的反饋及設計者的分析，用戶對制動器的功能/性能和品質需求是有一定差異性的，當制動力矩改變時，要求所設計的制動器具有一定的可適應性?；诠碓O計指導框架，采用“Z”字型映射方法對制動器進行功能分解，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的層次結構，右半部分表示的是相對應的設計參數DPs的層次結構。然后根據各層級的功能要求和設計參數之間的關系，建立設計矩陣，經重新排列后的設計矩陣如圖3所示。

(2)由功能分解圖和設計矩陣及產品用戶需求和市場定位分析，首先可確定定制參數中類型不一致的設計參數，這些參數在產品族內不同變型產品之間是各異的，即DP24、DP41、DP42、DP43、DP45、DP46為實現制動器附加功能要求的定制參數，這些設計參數不會影響制動的基本功能要求，可滿足當前用戶的個性化需求。

同時，設計參數DP12、DP15、DP16、DP22可視為公共參數，因為這些參數為制動器的基本構件，只影響制動器的基本功能要求，而且它們不依賴于其他設計參數，在產品系列中(一定的制動力矩范圍內)數值可保持不變。然后對剩下的設計參數再進行分析。

圖2 電力液壓塊式制動器的功能要求－設計參數映射圖

圖3 電力液壓塊式制動器設計矩陣

(3)可適應設計參數對應的功能要求受其他設計參數的影響較小，且該參數的變動對其他設計參數變化影響也較小。同時，可適應設計參數對應的功能要求不受定制參數的影響。設計參數DP11、DP13、DP14、DP21雖可以在一定范圍內調節，但仍是制動器的基本構件，只影響制動器的基本功能要求，它們不依賴于其他設計參數，而部分其他設計參數會受其影響，因此應該視為可適應平臺參數，再對剩下的設計參數進行設計關聯分析。因為設計矩陣是一般的“布爾”形式矩陣，不能精確描述設計參數對功能要求的影響程度，且不能表示設計參數之間的依賴關系，因此，需進一步分析。

借鑒文獻［10］的方法將設計矩陣轉換成設計結構矩陣(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計，以直觀、形象的分析形式表示系統各組成之間的關系。傳統DSM 中的元素用“X ”標識信息依賴關系，或者用布爾變量標識“0”和“1”來表示，只是定性地表示各設計參數之間是否存在耦合，而不能從量的角度進行分析及詳細地描述各設計參數間的關聯程度。文獻［4］以關聯程度及其導致的變化為量化參照基礎，將各個設計參數之間的關聯值填入到的量化的DSM 圖中，構造設計關聯矩陣，如圖4所示。

圖4 制動器結構參數設計關聯矩陣

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計參數有較大影響同時又不依賴于其他設計參數，因此，這兩個設計參數可作為可適應平臺參數。對于DP32，要根據產品實際情況可在可適應平臺參數和變型參數之間進行協調，因為其對其他設計參數有一定的影響而只依賴于平臺參數。其余設計參數都作為變型參數。

(4)根據以上的分析，可以得到可適應平臺參數和個性化參數。隨著時間的推移，某些設計參數會因升級或變型的需要發生轉變，如DP32可在可適應平臺參數和變型參數之間轉變，DP43可在變型參數和定制參數之間轉變，如圖5所示。當用戶根據自身情況需要不同的制動器產品時，設計者只需柔性調節可適應平臺參數值及部分變型參數值，再根據添加或改變定制參數值，便可快速配置出適應市場需求的產品。在此基礎上，對那些相似的產品配置結構進行整合，并對當前配置結構中接口參數進行規范化處理，利用已有模塊的配置或變型參數的調節或添加、修改、刪除定制參數，可快速設計出適應市場多樣性化需求的產品族。

圖5 電力液壓塊式制動器平臺參數規劃圖

3 結束語

在大規模定制的生產模式下，產品設計時在產品的各個設計階段都要考慮一族產品的設計，即產品族設計，強調不同產品間的相似性的挖掘和知識的重用。而基于產品平臺的產品族規劃是實現大規模定制的有效途徑。依據可適應設計理論，在分析電力液壓塊式制動器特點的基礎上，提出了可適應產品平臺的概念及電力液壓塊式制動器產品族配置方法，通過產品設計的可適應性重構來滿足用戶的多樣化需求，有助于提高該產品開發與設計過程的柔性，縮短了產品的設計開發時間，提高了工作效率。

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【5】陳永亮，褚巍麗，徐燕申.面向可適應性的參數化產品平臺設計［J］.計算機集成制造系統，2007，13(5):877－884.

【6】楊亞楠，史明華，肖新華.基于可適應模塊化產品平臺的產品族設計方法研究［J］.機床與液壓，2008，36(5):260－263.

【7】陳興玉，趙韓，董玉德.YH30 型液壓機的可適應性設計［J］.農業工程學報，2009，25(3):55－59.

【8】GU P，XUE D，NEE A Y C.Adaptable Design:Concepts，Methods，and Applications［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers:Part C:Journal of Engineering Manufacture，2009，223:1367－1387.

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【10】程賢福，陳誠.基于設計關聯矩陣與可拓聚類的產品模塊劃分方法［J］.機械設計，2012，29(1):5－9.