毕业设计论文汽车制造面向大规模定制的产品设计方法分析加翻译 模板Word下载.docx
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大规模定制生产就是在这样的环境下产生的,它将表面上看似相互矛盾的观点组合起来,既具有大规模生产的高效率和低成本,又能像单件生产那样满足顾客定制需求。
文章的研究目的是将大规模定制的概念和专用车设计有机的结合起来,根据项目委托企业的要求和现代设计制造技术的发展趋势,使得专用车设计满足用户日益增长的个性化需求的同时能提高企业的经济效益,以最快的速度和最好的质量进行专用车总体布置设计和主要零部件的设计。
1.1.3研究意义
本文的研究意义在于:
通过本课题的研究,对专用车设计的生产模式从传统设计方式向现代设计方式转变进行理论探索和初步实践,为面向大规模定制的专用车设计方法的研究及其实现提供参考,解决企业的TQCSE问题,即以最快的上市速度T(timetomarket)、最好的质量Q(quality)、最低的成本C(cost)、最好的服务S(service)及最清洁的环境E(environment)来满足顾客的个性化需求和社会可持续发展的要求,提高在加入WTO后我国专用车生产企业的竞争力。
在此基础上,开发出面向大规模定制的专用车参数化设计系统,为专用车的设计提供有力的工具,并产生良好的经济效益和社会效益。
1.2国内外大规模定制模式的现状.
1.2.1国内外学术界的研究现状
大规模定制生产概念的产生,可以向前追溯到20世纪80年代[15]。
1980年,美国著名的未来学家阿尔温托夫勒(A.Toffler)出版了著名的著作《第三次浪潮》,首次提出了一种理想化的生产系统,称之为“非大量化”,意即这种生产系统能满足客户个性化的需求[4]。
该观点引起了许多读者特别是企业经营管理者和学者的广泛关注。
1987年,美国著名教授戴维斯(S,Davis)写了《未来完美的震荡》(TheFutureShockPerfect)一书,书中提到了托夫勒的观点和概念,并对其进行了更具体的发展,并命名为“MassCustomization”[15],即大规模定制。
1993年,约瑟夫•派恩二世(JosephPineII)对大规模定制的内容进行了完整的描述:
大规模定制生产方式是一种面向客户个性化和竞争全球化而产生的新型生产方式,通过产品结构和制造过程的重组,运用现代信息技术、新材料技术和柔性制造技术等一系列高新技术,把产品的定制生产问题全部或部分转化为批量生产,以大规模的生产成本和速度,为单个客户或小批量多品种市场定制任意数量的产品,并与D.M.Andserson合作论述了为大规模定制生产开发敏捷产品的问题。
在国内,“十五863”现代集成制造主题也列出了这方面的研究课题[20]。
浙江大学祁国宁教授、顾新建教授,大连理工大学刘晓冰教授,中国科学院韩永生研究员等许多专家和学者结合中国国情对大规模定制的理论和实施应用等方面进行了大量有成效的研究[7]。
有关文献对大规模定制的实施方法进行了分析研究[13],文献[18]分析总结了西方企业在从产品设计、制造、装配、供应以及销售服务等产品不同生命周期阶段实现大规模定制的基本方法。
从学术界的研究上看,对大规模定制生产模式的研究可以分为两个部分:
研究大规模定制下产品设计开发技术与产品建模理论和大规模定制生产的企业组织与运作管理,这两个部分是相辅相成的。
一方面对面向大规模定制的产品设计开发技术的研究是生产组织运作的基础,因为企业生产组织的核心就是企业的产品,如何设计出适于大规模定制的产品结构并实现产品模型合理表达,是大规模定制应首先考虑的问题;
另一方面,如何进行产品的开发过程的组织以及产品的生产运作是实现大规模定制的重要手段,设计方法学的理论和交付客户的定制产
品都要通过先进制造理论支持的环境来实现。
1.2.2企业的研究与实施现状
除了学术界进行大规模定制的研究外,有关企业也进行了这方面的尝试[25],很多国际著名的大公司,通过大规模定制生产模式为客户定制产品,获得了巨大的竞争优势[31],面向大规模定制模式的采用已成为现代企业生产模式的主流。
(1)戴尔公司
戴尔公司采用了大规模定制生产模式,是个人计算机制造行业的楷模。
戴尔公司成品库存为零,只生产定制产品。
客户可以通过拨打800免费电话或登录公司的网页,提出机器配置并经确认之后,供应商会在一小时之内将配件送到戴尔公司,公司在24小时内将定制产品装上车,送货上门,并负责安装调试。
戴尔公司通过采用大规模定制模式,使其在个人计算机市场中的份额上升到第二位,销售额从1988年的159亿美元猛增到1998年的180亿美元。
(2)摩托罗拉
在80年代,摩托罗拉采纳了待续改善的思想,使废品率降到了3.4%,而当日本的竞争对手仍在仿效摩托罗拉的做法增强竞争力的时候,摩托罗拉公司则通过大规模定制,再次在竞争中占据了领先地拉。
摩托罗拉公司开发了一个几乎全自动的制造系统,这使销售代表用便携式计算机签下定单的一个半小时之内,工厂就可以制造出2900万种不同组合的寻呼机中的任何一种,这增强了摩托罗拉的竞争实力,使摩托罗拉成为美国唯一的寻呼机制造商,占有全世界市场份额的40%以上。
(3)波音公司
波音公司的737系列从早期的737--100发展到737--800,其中737--100为基本型,其他型号的机身加长或者缩短,或采用更先进的发动机和电子设备,使得不同型号的737客机航程和载客量各不相同,以满足不同用户的需求。
如加长型737--400,载客量为156人;
缩短型737--500,载客量为108人;
而737--800为最近开发的型号,采用了最新技术。
不同型号客机虽性能各异,但零部件绝大部分相同,可利用相同设备加工装配,因而提高了生产效率,降低了生产成本。
目前波音737系列的产量己近4000架,成为目前世界上最大的喷气客机产品族,波音公司的这一作法取得了巨大成功。
(4)微软公司
另一个范例是微软公司的城ndows95/98系列的开发。
Windows95最初是主要针对美国市场的英文界面,在此基础上针对世界各国不同用户,微软公司又推出了不同语言版本的Windows95产品,占据了不同的细分市场;
在Wnidows95的基础上,微软公司进一步开发了Windows98和WindowsZ000系列,同样取得了巨大的成功。
另外还有许多其它的世界知名企业在这方面进行了有效的工作,比如生产牛仔裤的李维斯、日本的松下自行车公司。
目前,国外许多公司正在更新设备,转变管理模式,实现生产和管理的数字化,进一步改善大规模定制的基本条件。
据有关资料统计,目前美国和欧洲的大公司中有70%在按这种生产方式重新经营和规划其生产系统。
在国内,北京第一机床厂、石家庄天同拖拉机厂[39]、海尔集团[26]等也在采用不同的方式实施大规模定制生产,并且取得了初步的成效。
总的来看,国内在这方面的研究尚处于初始阶段,除了前述少数著名企业外,大多数企业对它还不了解。
可以说,即使当前一些较为具有成果性的基于典型企业实施大规模定制(MC--MassCustomization)的案例研究,大多数只是提出了一些企业思想或方法层次上的探讨,很少触及到企业实施时在设计、制造与管理方面的具体措施或策略;
国外汽车制造业正在从大规模生产向大规模定制生产转变,汽车制造业的新时代—大规模定制生产时代正在到来,但国内对把大规模定制的思想运用于汽车制造业还处于起步阶段,文献[14]仅从宏观上分析汽车制造业如何实施大规模定制,尚没有文献系统分析如何把大规模定制运用于专用车设计。
现阶段只是从使用用途上对专用车进行分类,而面向产品族的专用车分类和参数提取设计还是处于零阶段,更没有相关的手段和工具。
1.3小结
本文紧密结合大规模定制模式和专用车设计的特点并根据项目合作企业的具体要求开展研究,主要内容包括:
(1)面向大规模定制的产品设计方法分析;
(2)专用车设计与大规模定制的关系分析;
(3)将大规模定制模式应用于专用车设计中的具体方法研究;
(4)面向大规模定制的专用车产品平台与模块化关系问题;
(5)专用车模块化设计的方法问题;
(6)面向大规模定制的专用车模块化设计中存在的问题和解决方法。
2面向大规模定制的产品设计方法分析
2.1引言
随着产品生命周期的缩短和用户个性化需求的不断增长,传统的大规模生产模式己经无法满足现代化竞争的需要,新的生产模式的诞生与发展成为社会和工业发展的必然。
大规模定制生产是制造业发展的必然趋势,是未来生产的主要模式,不同于以往大规模生产,大规模定制主要解决生产的高效率、低成本和客户定制需求个性化之间的矛盾。
大规模定制涵盖了产品的订购、开发、设计、制造、销售、交付与使用的全生命过程,其面临的最大挑战是成本与速度。
大规模定制要求所设计的产品具有种类多、可快速变型和零部件规范的特点,而传统面向大规模生产的设计方法远远不能适应这种要求。
由于产品设计决定着产品最终的性能、可靠性、可维护性与环保性,而且研究表明产品成本的60%--80%是由设计阶段决定的,因此,大规模定制重点要解决的问题是面向大规模定制设计(DFMC,DesignForMassCustomization),要实现面向大规模定制的专用车设计,必须首先对大规模定制设计的思想、方法和具体内容进行充分的分析。
2.2大规模定制模式和面向大规模定制的设计
2.2.1大规模定制模式的内涵
大规模定制是企业使用现代技术和管理手段实现对每个顾客的个性化定制,而其成本和时间同大规模生产产品一致的一种生产模式。
这种生产模式是在系统思想指导下,用整体优化的观点,通过充分挖掘企业的潜力,在标准化技术、现代设计方法学、并行工程、计算机技术和可重组制造系统等技术和思想的支持下,最终实现根据客户的特殊定制需求以大规模生产的效率和效益提供定制产品的过程。
它把大规模生产和定制生产这两种生产模式的优势有机的结合起来,同时它也体现了从顾客出发思考企业问题的一种思维方式。
大规模定制生产企业通过在同一条生产线上生产出多种产品的方法达到满足不同客户所提出的产品性能和质量要求,并且保证产品的成本低且设计生产速度快。
大规模定制生产模式的思想认为产品成本、产品利润、竞争能力的主要因素是开发和生产该产品所需知识的价值,而不是材料、设备或劳动力。
能够迅速把知识融进产品、转变为利润是成功实现大规模定制生产模式的关键,大规模定制的企业是面向订单的,它将先进制造技术、动态联盟的组织管理思想与高素质的员工全面集成。
这种能满足顾客的真正需求而又不牺牲效益和成本的新的生产方式目前得到了较快的发展,并作为一种有效的竞争手段逐渐被企业所采纳。
如图2-1“大规模定制综合了大规模生产和定制生产”所示,大规模定制生产综合了大规模生产低成本的优点和定制生产满足客户个性化、多样化需求的优点,具体表现在:
(1)使企业的产品是客
户真正所需要的产品。
大规模定制生产能使客户得到自真正图2-1大规模定制综合了大规模生产和定制
生产优点己想要的产品,并且具有
吸引力的价格,从而为企业产品找到新的市场;
由于有更高的销售额、更广阔市场、更好质量和低成本,企业效益将得到显著提高。
(2)使企业生产能适应市场的快速变化。
大规模定制生产具有很高的柔性,主要由市场驱动,而不仅仅是由预测驱动。
(3)缩短了交货期。
由于充分利用了企业的资源,并且采用模块化的方法,缩短了产品的交货期。
(4)有利于生产成本的降低。
可以实现零成品库存,减少了积压产品所造成的资金损失。
(5)有利于过程和产品的连续改善。
大规模定制生产是客户导向型的生产模式,客户不断的新需求,导致企业不断对其过程和产品进行改善,在这种外在压力下,企业由此不断得到完善,其竞争能力越来越强。
(6)有利于企业的生存和发展。
在美国,钢铁制造业中增长最快的、利润最大的部门,不再是积聚了大量员工、长期生产钢锭的工厂,而是那些生产特殊钢材的部门,因为这些部门能够向客户提供个性化产品。
定制生产企业之所以可获利,一方面因为客户愿意高价购买那些准确地满足它们需要的商品和服务,另一方面是因为高价值产业不易被高产量产业竞争者轻易复制。
(7)提高了企业的经济效益。
由于定制满足客户的个性需求增加了成本,但是客户愿意多出钱,所以使得产品的利润上升。
2.2.2面向大规模定制设计的内涵
任何生产模式都需要设计方法的支持,大规模定制设计就是支持大规模定制生产的产品设计方法,是解决大规模定制生产过程中成本与速度这两个核心问题的有效手段。
大规模定制设计是在现有设计方法的基础上发展而来,它继承了大规模产的设计中先进的方法如并行设计虚拟设计模块化设计标准化规范化等,又对一些不符合大规模生产要求的设计方法在流程和具体做法上加以改进和提高,形成了一种符合新范式要求的新型设计方法。
根据大规模定制生产的特点,其产品设计可以分成新产品开发和变型产品设计两个循环,产品配置设计是大规模定制生产中产品快速变型设计阶段的重要设计方法,它在充分利用按大规模定制设计方法设计产生的定制资源的基础上,为销售人员定义客户的个性化需求提供选择,为客户展示产品和提供产品的价格。
面向大规模定制设计的核心是建立产品族体系。
产品族体系为设计部门和销售部门特征化用户需求提供了基础,其方法是系统化的模块配置,实现产品设计能力的柔性。
大规模定制设计采用并行流程围绕产品族进行设计,建立合理的产品族模型来有效满足客户定制需求,是大规模定制设计的关键。
这种方法的目标是在产品设计的早期阶段进行整体概念设计的同时考虑范围经济性和规模经济性;
其重点为
建立合理的产族
结构,同时完成一组产品的设计而不是单个产品。
为了有效的实现大规模定制,设计就要捕捉并定义个体客户对产品的需求,设计必须从传统的设计制造集成扩展到销售和服务等部门,面
向大规模定制设计图2-2“设计流程领域扩展图
在设计领域和产品族方面的扩展参见图2-2“设计流程领域扩展图”。
为了通过设计达到大规模定制的目标,设计流程需要在以下几方面进行改进:
(l)产品开发与快速设计分离。
产品开发阶段对企业的客户群进行定位,分析己经拥有的客户需求并预测未来的客户需求,建立相应产品族结构,形成完善的变型机制。
而快速设计阶段在产品开发阶段的基础上,以产品配制器为主要工具,结合定制设计,快速实现随时到来的客户需求。
(2)工作流程并行。
并行工程是缩短产品设计周期,提高竞争力的一种方法,它通过并行产品设计和制造等领域活动来缩短产品开发时间。
为提高设计速度,大规模定制设计需要并行工作模式,并使其成为大规模定制设计流程的重要一环,而并行范围进一步扩展到产品的销售和服务领域,成为产品生命周期的并行。
(3)加强流程间的合作。
产品族结构不能满足客户需求时,就需要进行定制设计,流程间的合作有利于尽快产生设计思想。
企业如果存在不同的产品族,在产品族的开发阶段应加强流程之间的合作,在产品的模块划分和零部件设计中取得一致,尽量采用相同的设计成果,促进设计成果重用,增加可同时制造的零件数量,形成规模经济性。
产品进行功能分析,划分并设计一系列功能模块,通过模块的选择和组合构成不同的产品,以满足市场的不同需求。
随着市场需求变化的加快和先进制造技术的发展,模块化设计具有能够缩短产品开发周期、快速响应市场变化、有利于产品的维修、升级和再利用、方便企业和产品的重组、相对延长产品生命周期、促进设计重用和节省设计成本等优点,己经成为大规模定制的重要方法。
提取产品模块是实现大规模定制设计的关键,因为从顾客角度看,模块化设计能够定制自己的特定需求;
从企业角度看,使用这些规划好的、或已经标准化且易于变型的零部件模块进行组装,就容易实现成本的降低和速度的提高。
从以上的分析不难看出,模块化设计具有如下意义:
(l)产品的模块化能够减少产品设计时间,降低产品设计成本,同时模块分离可以使企业在同一时间内制造各个模块,从而缩短产品的交货期。
(2)产品的模块化能够使新产品的质量得到了充分保证。
设计新产品时,尽量直接采用以往使用的具有成熟技术的模块,或者在原有模块上进行变型设计,各部门可以专注于特定模块的设计和制造,因此能有效的提高产品质量。
(3)产品的模块化设计能够满足用户的多样化需求。
产品由不同模块组成,用户的个性化需求可以通过不同模块的组合得到。
不过,模块划分的大小要十分注意,过细或过粗的粒度划分都会影响大规模定制的效率,要具体产品具体分析。
2.2.3大成组技术
大规模定制生产通过扩大产品中标准件和通用件的比例,降低产品中定制件的比例来提高速度,并降低成本。
而成组技术是充分利用产品和制造过程中的相似性,将不同产品中相似的零部件,或对零件中部分结构信息归类处理,形成“成组批量”,从而取得规模效益。
因此,实施大规模定制生产中,成组技术将发挥重要的作用。
大成组技术将传统的成组技术和最新的网络技术相结合,通过自组织和分布式的发展模式,在大范围内实施成组技术,显著扩大相似件的成组范围,使现有的信息资源和制造资源有序化,并能被充分再利用,支持企业高速度、高质量和低成本地制造出客户满意的产品。
大成组技术中的关键问题包括:
基于网络的可扩展和维护,面向全国的和开放的产品信息分类编码系统;
开放式,分布化的设计信息资源库;
具有柔性结构的特征语义编码方法;
产品参考模型的构建;
基于网络的分散信息的集成和分散企业的协调控制等。
2.2.4产品族设计
大规模定制生产是一种先进的制造哲理,需要有先进的产品设计方法支持。
这种环境下的产品设计不再是针对单一的产品进行,而是在产品的概念设计阶段就考虑一组产品的设计即产品族(Productfamily)设计,在满足客户个性化需求的同时,实现生产规模的规模经济性,以达到低成本、高效率的目的。
产品族设计的基本思想是开展“平台战略”,它旨在利用一个通用、成熟的产品平台(Platform)通过匹配功能、色彩和性能等不同的定制模块,以最短的开发周期和最低的成本,向市场提供不同系列的产品,以满足不同客户群的需求。
如图2-3所示:
产品组图2-3产品族设计流程
设计流程。
产品族设计是制造企业快速开发产品和降低成本,实现大规模定制生产的有效途径,已广泛被汽车、家电和计算机等生产企业所采用,并取得了良好的经济效益和社会效益。
2.2.5并行设计
并行工程的主要组成部分是并行设计,并行工程在某种意义上可以称作产品的并行设计。
并行设计是一种面向产品开发过程的新设计模式和系统方法,以缩短产品开发周期、降低成本和提高质量为目标,把先进的管理思想和先进的自动化技术结合起来,采用集成化和并行化的思想设计产品及其相关过程。
传统的串行设计是按阶段顺序进行工作的,一个阶段工作完成后,下一个阶段的工作才开始,各个阶段依次排列。
这个设计方法的缺点是:
设计时间长、满足不了市场变化的需求;
经常的设计修改,增加了产品设计生产费用;
在设计后期发现错误越晚,代价越高。
并行设计要求在产品开发的早期就充分考虑产品生命周期中相关环节的影响,特别注重产品早期阶段的并行协调。
并行设计追求的目标是最终产品由完善的设计而确定,其方法通过在设计阶段对后续生产制造等阶段的需求尽可能地综合、平衡考虑而使最终产品的设计能够达到企业的经营目标。
因此,为了保证大规模定制生产的良好实施和其经济性要求,要充分利用并行设计方法,从设计到制造的各个阶段着手降低产品设计开发以及修改维护的成本,从根本上保证定制产品的低成本要求。
2.2.6虚拟产品开发
虚拟产品开发是在真实产品尚未制造出来之前,借助于CADC/AE/CAM和多媒体等高新技术利用计算机实现虚拟产品的设计和制造包括虚拟产品的造型设计、色彩、光照效应、材质的纹理甚至运动学和动力学仿真。
虚拟产品开发使人们不仅可以从不同的角度观察到未来产品的外观、结构,还可以看到它运动的情况并进行功能和性能分析。
利用三维建模技术,设计产品内部的各个零部件,并可虚拟装配过程和拆卸过程。
通过CAE技术,对虚拟产品进行性能分析。
利用CAM技术则可模拟虚拟产品的加工过程等。
虚拟产品开发是用数字方式确定工作任务,再用数字方式在各部门、各地区以及公司的合作者之间进行任务分派。
在虚拟开发环境中的产品实际上是一种数字模型,可以使大家同时在同一个产品模型上工作,对它进行观察、分析、通信和即时更新。
这就要求做到实时采集信息,将这些信息分配给参加新产品开发过程的每个人或传送到各个场所。
虚拟产品和过程模型及其各种迭代模型在整个产品开发过程中不断地循环使用,并使用相关的应用规程。
总之,通过虚拟产品开发技术使顾客在产品制造之前就能充分地了解所需产品的外观、结构、性能、可加工性、价格和交货期等。
若客户有不满意之处,可实时地修改,最大限度地满足顾客需求、保证产品质量和降低产品成本。
由于该方法具有速度快、成本低、效果直观、操作方便等诸多优点,己经成为大规模定制生产的重要产品设计方法。
2.2.7后延技术
后延设计是大规模定制设计的重点技术,它为增加产品种类,提高客户满意度和制造效率而提出的一种设计方法。
制造过程可分为多个阶段,每阶段需要不同的零部件,提高早期阶段零件的通用性,在后期阶段进行定型,可以减轻供应链负担,降低生产成本,这里的通用性质不同的产品使用同一组件。
采用产品变型后延概念的设计方法称为后延设计,如图2—4所示:
产品结构的后延与不后延,后延设计对零件进行分析,将零件分解为几个零件的装配组合,以增强通用性。
后延设计的基本方法是
在对零件进行分析的基础上,将某些复杂零件分解为几个零件的装配组合,从而增强零件的重用性。
图2-4(a)产品结构不后延(b)产品结构后延
2.2.8产品配置设计
产品配置是实现大规模客户化生产模式下变型设计的手段,它在前面提到的产品族动态产品模型的基础上,根据产品工程特征目标值对产品模型进行变型,通过参数化CAD系统向客户展示定制产品,并提供报价,如果客户满意,产品配置系统可以生成可供制造的产品模型;
否则产品配置系统向设计人员提供最接近客户需求的实例,使定制设计有较高的起点,缩短工作时间。
为此,产品配置对产品建模提出如下要求:
进行配置的基本构件应具备相应的参数化数字模型;
基本构件之间的几何约束、物理约束已经得到保证;
基本构件如果发生变型,应该给出其影响链,即哪些基本
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