随着现代市场竞争的加剧，企业之间的竞争开始转向基于时间的竞争和基于客户需求的竞争。为顾客提供定制化的产品，全面提高顾客的满意度，已经成为现代企业追求新的竞争优势的一种必然趋势。大批量定制(mass customization，MC)生产模式结合了定制生产和大批量生产2种生产方式的优势，在满足客户个性化需求的同时，保持了较低的生产成本和较短的交货提前期。面向大批量定制的设计是大批量定制的重要环节，产品设计阶段将决定产品生命周期累计成本的70%一80%，对定制产品的交货期、总成本和质量都有重要的影响。面向大批量定制的设计能够根据预先定义的零部件集合以及它们之间的相互约束关系，通过配置单元动态选配和进化演绎，快速形成满足客户个性化需求的定制产品，因此是解决设计个性化与低成本之间矛盾的主要方法。
国内外学者从不同的侧面对大批量定制设计技术进行了研究。Tseng等人认为大批量定制技术可以在概念设计和初始开发阶段有效地实现，采用并行流程围绕产品族进行设计，可以有效地满足客户需求。Wielinga等人给出了在大批量定制中配置设计的定义：在预先定义的通用化组件的基础上，搜寻组件的装配组合以满足一组需求，并遵循一定约束的过程。Jiao等人提出了产品族建模的三视图方案，即功能视图、技术视图和结构视图，建立了与产品族关联的通用产品结构。祁国宁等人根据大批量定制的特点以及我国企业的实际情况，提出了合理化工程的理论和方法，在利用企业的设计业务流程重组以适应产品的快速变型设计、产品的标准化、产品建模、信急集成等方面开展了较为深入的研究。李仁旺等人提出了大批量定制的可拓学模型和一维时空数学模型，通过区分产品结构中的共性和个性，将产品维的共性部分归并处理，通过扩大相似零件、部件和产品的优化范围，减少产品中的定制部分。孙伟等人提出了一种逻辑上由功能模型、原理模型和结构模型组成的产品族动态产品模型。
本文提出了面向大批量定制的配置产品变型设计理论和方法，将产品配置过程分为一级产品模块准配置和一级零件结构相似配置，通过配置单元派生进化、替换进化和关联进化实现产品配置结构的创造性设计过程，达到变结构变型设计的目的，并结合企业具体应用将上述理论应用于实际产品开发中。
1 需求驱动的产品多级递进式配置优化
1.1 基于模糊推理的配置规则递归演化
1.1.1 配置规则的模糊推理
根据设计过程具有模糊性的特点，将以逻辑推理为主的开环刚性推理系统，拓展成递归的闭环柔性推理系统，以根据实际情况校正推理结论。将以递归的闭环柔性推理系统为特点的模糊推理应用到配置规则递归演化的各个方面，包括配置规则的递归派生和递归聚合。
1.1.2 配置规则之间的模糊派生
通过基于模糊相似原理的配置规则的分类编码方法，采用相关的数学模型表达模糊信息，选择合适的模糊参数，从递归的角度考虑配置规则的派生，在对配置规则进行模糊评价的基础上进行配置规则的派生，形成一个“派生一评价一再派生”的过程。
1.1.3 配置规则之间的柔性聚合
根据工具类知识、案例类知识和专家类知识的不同特点，从知识点形成配置规则，将分散的、某一侧面的、单一学科的配置规则聚合、组合、叠加、补充，递归地形成相对统一的、多学科的、相对完整的配置规则，以解决复杂产品和复杂系统的设计问题。
1.2 需求驱动的多级递进式配置方法
根据大批量定制原理，产品配置设计是分阶段、分层次、自顶向下逐步进化的，可以看作是产品不断迭代和进化以满足客户需求的过程。大型机械产品结构层次复杂，难以实现一个层次上的匹配配置，为此本文提出了客户需求驱动的多级递进式配置方法，将产品配置过程分为一级产品模块准配置和一级零件结构相似配置。
首先根据客户需求进行模块化的准配置，建立配置知识的语义网络表示，获得满足客户需求的产品结构组成树，然后根据第一级部件的配置规则进行零部件相似配置，通过对固定参数和区间参数进行相似性比较的模糊匹配算法，获得组成树的相似零部件。
1.3 基于知识重用的配置结果成本优化
针对大批量定制中产品结构和设计工艺存在大量的相似性，分析配置设计资源的可重用性，探讨以本体论为指导的配置设计知识重用的途径。通过对配置设计中的知识的检索、匹配和共享，建立基于知识重用的配置结果成本优化估算模型，实现大批量定制配置设计的产品性能和成本控制目标。
在大批量定制配置设计中，必须综合考虑产品的技术性能和经济性能。在产品的设计阶段需要协调产品的实现功能和成本，只有综合考虑了产品的技术性能和经济性能，才能设计出达到最佳性价比组合的产品。在对大批量定制配置设计结果的性能分析中，首先根据己经建立的产品族的层次结构，从配置设计结果中提取产品实例、部件、零件和特征等；其次确定产品功能技术信急和成本结构，分别由产品技术设计人员和成本分析人员并行地进行产品技术性能和成本性能的分析。
2 基于配置关联的产品变结构进化演绎
同一系列的零件，由于尺寸不同或制造方法不同，形状并不完全相似，多数在局部有拓扑结构的变异。传统参数化方法不能实现变拓扑结构零件的系列化设计，解决的办法是对一种结构设计一张母图，这样做不利于模型的管理和使用。根据配置单元所具有的自律、互换、拼接等特点，研究面向设计过程的3种常见的配置单元进化演绎方法，即派生进化、关联进化和替换进化，通过配置单元进化实现产品配置结构的创造性设计，达到变结构变型设计的目的。如图1(a)所示为圆柱齿轮的结构图，辐板孔的个数、形状与分度圆的大小和加工方法有关，锻件齿轮辐板孔多采用圆形，而铸件多采用辐射孔。
2.1 配置单元的派生进化
派生进化通过被派生单元与派生单元之间的结构运算生成一个新的配置单元，被派生单元称为父单元，派生单元称为子单元。子单元与父单元进行某种类型的布尔运算，以父单元的存在为前提。在派生进化中，子单元的位置完全取决于父单元本身，并一般继承父单元的部分组合特征。
配置单元的派生进化是表达配置结构变异的主要进化形式，在零件结构设计阶段应用十分普遍。如图1(b)所示为在圆柱齿轮上辐板孔的派生进化过程。首先设计齿轮架结构，然后通过派生进化生成辐板孔。在派生进化操作中，父单元和子单元通过布尔运算形成有效的新单元，当父单元变化时，子单元根据其基准线、同的位置自动定位，并重新进行既定的布尔操作。
图1配置产品变结构进化演绎
2.2 配置单元的关联进化
关联进化在一个配置单元的基础上生成与之特征相似的单元，被关联单元称为主单元，关联单元称为辅单元。主、辅单元的关系类似兄弟，其性质具有某种必然的联系，辅单元的特性直接由主单元复制或推导而来。在关联进化中，主单元和辅单元同时存在，主单元和辅单元是一对多的关系。辅单元根据主单元按照关联进化的原理自动生成，通过关联要素相联系，当主单元发生变化时，辅单元应随之进行自适应的变化。如图1(c)所示，关联进化同时也是一种特殊的组合特征。
配置单元的关联进化是表达零件同性结构的主要手段，产品设计中的对称单元、标准配合单元、孪生(传动配对)单元、阵列和环列单元等的产生都可以通过关联进化实现。如图1(c)所示为在圆柱齿轮上辐板孔的关联进化过程，对锻件齿轮，将辐板孔(圆孔)定义为被关联单元，通过关联进化实现圆孔的环列。
2.3 配置单元的替换进化
替换进化是用替换单元(自定义或来自单元库)替换产品配置结构树中的一个单元，替换单元继承被替换单元在单元约束网络中的组合特征以及必要的布尔运算，并形成有效的产品结构。
配置单元替换进化常被用来进行局部结构的选项设计，例如，将原来采用球轴承的支承结构置换为圆锥滚子轴承后，能承受更大的轴向力。如图1(d)所示为在圆柱齿轮上辐板孔的替换进化过程，对铸件齿轮，将辐板孔(圆孔)定义为被替换单元，通过替换进化将圆孔置换为辐射孔，并继承其配置信息。
3 配置产品变型设计集成技术应用
所提出的面向大批量定制的配置产品变型设计技术在国家“863”计划重点项目“面向大批量定制的集成设计系统”中得到了应用。项目依托单位浙江巨人电梯有限公司属于典型的按订单进行制造和装配的企业，其产品GP20系列乘客电梯是典型的配置产品。针对电梯产品的定制特点，根据对企业己有客户需求的分析以及对未来需求的预测，对电梯产品的核心组件进行层次结构化。建立关键组件和可扩充组件的分类，实现产品配置单元的定义，并建立了产品族的配置结构树，通过对产品族的功能分析，给出满足产品族设计的通用性、模块化的组件单元库。在一定的零部件配置约束条件下，按照产品结构层次，选择不同的配置单元组合实例。这种产品族结构具有完善的变型机制，能够快速满足随时到来的客户需求，以完成产品的快速开发，实现配置产品的迅速重构与变动的变型设计。
图2所示为在企业应用实例中多级递进式配置模型的可视化操作界面。配置设计人员首先从配置任务清单中选择需要配置的任务，系统根据当前客户订单的参数，自动进行配置规则的搜索和匹配，在自动配置完成后可以根据配置结果的不同情况(配置成功、失败)进行不同的标注，对未能配置成功的零部件进一步进行手工交互配置，直至完成产品的设计清单。
产品配置结果无法保证所有的组件都得到选配，在获得配置相似件后，进一步对个性化需求进行变型设计。图3所示为GP20电梯轿架变型设计的操作界面。
图2 配置模型的可视化操作界面
Fig.2 Visual interface of configuration model
图3 电梯轿架变型设计的操作界面
Fig.3 Interface of elevator car frame variant design
4 结语
针对目前面向大批量定制的设计技术在配置优化和变结构进化方面存在的问题，提出了面向大批量定制的配置产品变型设计理论与方法。在归纳总结基于模糊推理的配置规则柔性化递归演化机理的基础上，通过基于语义网络的一级产品模块准配置和基于模糊匹配的二级零件结构相似配置，实现客户需求驱动的多级递进式配置设计并建立了优化模型，将相似配置结构和变结构进化模型重构的进化运算相结合，实现面向大批量定制的配置产品变型设计技术集成。
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本文标题：面向大批量定制的配置产品变型设计
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