基于可适应产品平台的产品族配置方法研究

程贤福，吴国栋，兰光英

(华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌330013)

当前以用户需求为导向的大规模定制生产模式逐渐成为先进制造领域的发展趋势［1］。以“平台战略”为核心的产品族规划是快速响应用户个性化需求的有效途径，许多研究者围绕产品平台定义及规划方法进行了大量的研究工作，归纳起来主要有两种类型:基于模块化的产品平台和基于参数化的产品平台［2］。随着用户需求的多变，单一的调节方式不能满足复杂机械产品平台规划中模块替换和参数调节的集成需求，主要在于核心平台的适应能力不足，从而导致动态需求响应迟缓，产品系列化和组件可重用度弱［3］，亟需可适应产品平台规划方法的支持。此外，当前多数研究预先指定产品平台类型存在较多的主观性［4］，将模块与设计参数严格区分对于开发人员来说比较困难，对企业来说产品族不能很好地满足细分市场需求。

陈永亮等［5］基于相似度分析、聚类分析和变量化分析技术，建立了产品结构的优化元模型，提出了一种面向可适应性的参数化产品平台规划方法。杨亚楠等［6］将可适应设计技术和模块化设计技术应用于纺机产品方案设计中，规划了可适应模块化产品平台，并提出了基于规划了可适应模块化产品平台的产品族设计方法。陈兴玉等［7］将可适应设计方法学理论应用于液压机的设计，提出了可适应性重用、可适应模块重构和可适应性优化策略。上述工作为基于可适应产品平台的产品族配置提供了有益的参考。

电力液压块式制动器广泛应用于各种起重运输、皮带运输、冶金、矿山、港口装卸及建筑机械中，其主要功能是实现停车和调节机构的运行速度。它具有结构较复杂、系列性分级特性比较明显、用户定制面广等特点，其变型主要是根据机构传动力矩、机构运行状况及配套的限制决定的。如果利用一般的参数化或模块化产品平台设计方法，则会导致产品通用性较差，平台数量较多，不利于设计知识的重用。为快速响应市场变化，缩短制动器设计和生产周期，降低成本，研究其产品平台的建立、实现快速配置是有必要的。

1 可适应产品平台

企业开发产品族，一般会较大程度地重用已有产品的设计信息，往往只需对一部分设计进行更新。保持产品设计原理不变，通过对已有产品的功能、性能和结构的继承与演化而满足多样化的用户需求，也就是对已有产品的一种可适应设计。可适应设计(Adaptable Design)是针对产品的更新换代加快、产品的个性需求加强、产品设计要求具有适应未来需要的特点而提出的一种设计理念。该方法考虑产品成本和环境变化时，要求产品设计可通过零部件更换或修改以及柔性调节便能适应新的需求，从而降低产品的开发时间和成本，提升设计效率，是企业应对市场竞争的有效设计方式［8］。

模块化产品平台和参数化产品平台各有特点，前者主要用于配置设计，后者更适用于新设计和变型设计，很难指导一些功能相同或相似、模块化程度较高且结构随设计参数灵活变更的产品设计［9］。可适应产品平台综合了这两种平台的优点，是由公共参数和可适应设计参数组成的可定制的产品平台，并且在平台内部封装了通用化、系列化、标准化的可适应参数，在不改变公共参数的情况下，通过添加定制参数、调节可适应设计参数的数值、驱动生成相应的可适应模块结构，得到一系列产品变型和产品族。其功能和拓扑结构相同或相似，但功能映射的物理结构参数可有多种。

根据可适应产品平台的含义，可将产品分解成如图1所示的结构。

图1 产品平台的结构分解

(1)公共参数是指具有比较固定的拓扑结构、实现产品族基本功能要求、不受用户需求影响或影响很小，且在同一产品族中可以重用的设计参数。

(2)可适应设计参数是指具有一定功能、结构相对独立、接口参数化、模块内部特征具有完整约束关系，并且封装了一系列具有可适应性的设计参数。可适应设计参数的取值受一定范围的约束，既不能破坏物理结构模型的拓扑结构，也不能超出设计参数规格的应用范围。它包含可适应平台参数和变型参数两部分。

①可适应平台参数是指产品族内不同变型产品之间取值基本相同的或可在较小允许范围内变动的、对产品性能差异性影响较小或可以忽略不计的设计参数。

②变型参数是指产品族内的变型产品在较大的允许范围内可调节的、对产品性能差异性有较大影响但不影响变型产品功能的设计参数。

(3)定制参数是指产品族内某变型产品为满足用户特殊的需求或实现产品特定的功能要求而设置的一组类型不一致的设计参数或类型一致但取值不尽相同的设计参数。这些参数为该变型产品所独有，可根据用户需求进行定制，以满足用户个性化要求。

2 电力液压块式制动器产品族配置方法

合理确定产品族开发的定制点，提高产品族中产品的通用性，减少产品设计的复杂性和成本，同时最大程度地实现用户的个性化需求，是可适应产品平台规划的目标。构建可适应产品平台的关键是从设计参数中识别并确定产品平台中的公共参数、可适应平台参数、变型参数和定制参数。基于可适应产品平台的电力液压块式制动器产品族配置主要包括以下几个步骤:

(1)根据当前制动器市场调研、用户的反馈及设计者的分析，用户对制动器的功能/性能和品质需求是有一定差异性的，当制动力矩改变时，要求所设计的制动器具有一定的可适应性。基于公理设计指导框架，采用“Z”字型映射方法对制动器进行功能分解，得到如图2所示的功能分解图，其中左半部分表示的是功能要求FRs的层次结构，右半部分表示的是相对应的设计参数DPs的层次结构。然后根据各层级的功能要求和设计参数之间的关系，建立设计矩阵，经重新排列后的设计矩阵如图3所示。

(2)由功能分解图和设计矩阵及产品用户需求和市场定位分析，首先可确定定制参数中类型不一致的设计参数，这些参数在产品族内不同变型产品之间是各异的，即DP24、DP41、DP42、DP43、DP45、DP46为实现制动器附加功能要求的定制参数，这些设计参数不会影响制动的基本功能要求，可满足当前用户的个性化需求。

同时，设计参数DP12、DP15、DP16、DP22可视为公共参数，因为这些参数为制动器的基本构件，只影响制动器的基本功能要求，而且它们不依赖于其他设计参数，在产品系列中(一定的制动力矩范围内)数值可保持不变。然后对剩下的设计参数再进行分析。

图2 电力液压块式制动器的功能要求－设计参数映射图

图3 电力液压块式制动器设计矩阵

(3)可适应设计参数对应的功能要求受其他设计参数的影响较小，且该参数的变动对其他设计参数变化影响也较小。同时，可适应设计参数对应的功能要求不受定制参数的影响。设计参数DP11、DP13、DP14、DP21虽可以在一定范围内调节，但仍是制动器的基本构件，只影响制动器的基本功能要求，它们不依赖于其他设计参数，而部分其他设计参数会受其影响，因此应该视为可适应平台参数，再对剩下的设计参数进行设计关联分析。因为设计矩阵是一般的“布尔”形式矩阵，不能精确描述设计参数对功能要求的影响程度，且不能表示设计参数之间的依赖关系，因此，需进一步分析。

借鉴文献［10］的方法将设计矩阵转换成设计结构矩阵(Design Structure Matrix，DSM)。DSM 提供了一种简单、紧凑和形象化的描述方法用于支持设计，以直观、形象的分析形式表示系统各组成之间的关系。传统DSM 中的元素用“X ”标识信息依赖关系，或者用布尔变量标识“0”和“1”来表示，只是定性地表示各设计参数之间是否存在耦合，而不能从量的角度进行分析及详细地描述各设计参数间的关联程度。文献［4］以关联程度及其导致的变化为量化参照基础，将各个设计参数之间的关联值填入到的量化的DSM 图中，构造设计关联矩阵，如图4所示。

图4 制动器结构参数设计关联矩阵

由图4 可知，DP31与DP33的列汇总值较大且行汇总值为0，表示它们的变化对其他设计参数有较大影响同时又不依赖于其他设计参数，因此，这两个设计参数可作为可适应平台参数。对于DP32，要根据产品实际情况可在可适应平台参数和变型参数之间进行协调，因为其对其他设计参数有一定的影响而只依赖于平台参数。其余设计参数都作为变型参数。

(4)根据以上的分析，可以得到可适应平台参数和个性化参数。随着时间的推移，某些设计参数会因升级或变型的需要发生转变，如DP32可在可适应平台参数和变型参数之间转变，DP43可在变型参数和定制参数之间转变，如图5所示。当用户根据自身情况需要不同的制动器产品时，设计者只需柔性调节可适应平台参数值及部分变型参数值，再根据添加或改变定制参数值，便可快速配置出适应市场需求的产品。在此基础上，对那些相似的产品配置结构进行整合，并对当前配置结构中接口参数进行规范化处理，利用已有模块的配置或变型参数的调节或添加、修改、删除定制参数，可快速设计出适应市场多样性化需求的产品族。

图5 电力液压块式制动器平台参数规划图

3 结束语

在大规模定制的生产模式下，产品设计时在产品的各个设计阶段都要考虑一族产品的设计，即产品族设计，强调不同产品间的相似性的挖掘和知识的重用。而基于产品平台的产品族规划是实现大规模定制的有效途径。依据可适应设计理论，在分析电力液压块式制动器特点的基础上，提出了可适应产品平台的概念及电力液压块式制动器产品族配置方法，通过产品设计的可适应性重构来满足用户的多样化需求，有助于提高该产品开发与设计过程的柔性，缩短了产品的设计开发时间，提高了工作效率。

【1】DAVIS S.From Future Perfect:Mass Customizing［J］.Planning Review，1989，17(2):16－21.

【2】JIAO J，MA Q，TSENG M M.Towards High Value-added Products and Services:Mass Customization and Beyond［J］.Technovation，2003，23(10):809－821.

【3】李中凯，朱真才，程志红，等.基于联合分析和定量指数的柔性产品平台多目标规划方法［J］.计算机集成制造系统，2011，17(8):1757－1765.

【4】肖人彬，程贤福，陈诚，等.基于公理设计和设计关联矩阵的产品平台设计新方法［J］.机械工程学报，2012，48(11):93－103.

【5】陈永亮，褚巍丽，徐燕申.面向可适应性的参数化产品平台设计［J］.计算机集成制造系统，2007，13(5):877－884.

【6】杨亚楠，史明华，肖新华.基于可适应模块化产品平台的产品族设计方法研究［J］.机床与液压，2008，36(5):260－263.

【7】陈兴玉，赵韩，董玉德.YH30 型液压机的可适应性设计［J］.农业工程学报，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.

【9】史康云，江屏，闫会强，等.基于柔性产品平台的产品族开发［J］.计算机集成制造系统，2009，15(10):1880－1889.

【10】程贤福，陈诚.基于设计关联矩阵与可拓聚类的产品模块划分方法［J］.机械设计，2012，29(1):5－9.