面向大规模定制的产品模块化设计方法研究

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 790.75KB 68 页 15积分

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摘要

大规模定制生产模式，是为适应市场从卖方市场到买方市场的转变，以满足

客户个性化需求为生产目的的新型生产模式。大规模定制生产模式的三个基本要

素是：时间、成本和多样性。快速、准确地对客户的个性化需求做出反应是实现

大规模定制的首要条件，而低廉的生产成本和多样化的产品则是赢得客户的必备

条件。

实现大规模定制生产模式的途径有多种，产品模块化是其中重要的一种。与

传统生产模式下的单一产品设计不同，大规模定制生产模式下的产品设计是一个

多产品变量的产品族的设计，其过程是一个并行的、快速协同设计的过程。

本文重点研究了面向大规模定制的产品模块化设计方法，具体工作如下：

(1) 阐述了面向大规模定制的模块化的基本思想，并把设计公理体系应用到

产品模块化的领域，提出了基于设计公理的产品模块化表达方式；

(2) 基于对大规模定制生产模式下产品的上市时间、成本和多样化的分析，

建立了一种以构件模块化为核心，以计算机网络、现代管理技术为支撑，综合多

种产品设计方法的产品设计模式；

(3) 在面向大规模定制产品模块化设计模式的基础上，阐述了从客户需求获

取、分析，产品族、产品平台定义，产品功能模块划分及其详细设计，以及产品

变量配置、产品族构件模块管理的整个流程；

(4) 基于产品在功能域和物理域内的表达和映射关系，提出了一种通过比较

产品在功能域的功能需求(FR)以及物理域的设计参数(DP)的相似程度来划分产品

族的方法，并详细阐述了应用该方法划分产品族的步骤。

(5) 基于大规模定制下产品模块化设计模式，以A公司的产品速度型仪表P的

设计过程为例，进行了案例分析，并提出了产品设计过程的改进方法。

关键词：大规模定制模块化产品设计设计公理

ABSTRACT

Mass customization is new product mode for the change from seller's market to

buyer's market and the satisfaction the individual requirement of customer. The three

essential factors of mass customization are time, cost and variety. It is important for the

enterprise response for individual requirement of customer quickly and actually, and the

low cost and various products is a essential factor for gaining customer.

Component modularity is one means to realize mass customization. Compared

with module of traditional production, product design under mass customization is a

design process for product family with multi-product variety.

The main researches in this paper are as follows:

It describes the basic idea of product modular for mass customization and applies

the axiom system to the product modular.

Based on the analysis of the requirement for low-cost, various products in mass

customization, it constructs a mode for product design which based on modularity

component and supported by internet/intranet and mode management technology.

It describes the design process, including: obtaining and analysis of requirement of

customization, definition of product family and product platform, classifying and detail

design of functional module, configuring for product variety and management of

functional module.

Based on the products represent and mapping relations in functional domain and

physical domain, a method of classifying product family is presented by comparing

similarity of both functional requirements in functional domain and design parameters

in physical domain. The process of classifying product family by virtue of this method

is discussed too.

At last, based on the model of modular component design in mass customization,

the method for improving the process of product design is discussed through the process

of product design in enterprise A.

Keywords: mass customization, modularity, product design, axiom

system

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题研究的意义 ............................................. 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................. 2

§1.3 本文的主要工作及内容 ....................................... 4

第二章实施大规模定制的途径 .......................................... 7

§2.1 产品重组 ................................................... 7

§2.1.1 产品合理化 ............................................ 7

§2.1.2 产品多样化和专业化 .................................... 7

§2.1.3 产品模块化 ............................................ 8

§2.2 过程重组 ................................................... 8

第三章面向大规模定制的产品模块化表达方式 ............................ 9

§3.1 面向大规模定制的产品模块化的思想 ............................ 9

§3.2 基于设计公理的产品模块化表达 .............................. 11

§3.2.1 设计公理 ............................................. 11

§3.2.2 基于设计公理的产品模块化表达方式 ..................... 13

第四章基于模块化的产品族设计 ....................................... 17

§4.1 面向大规模定制的产品模块化设计模式 ........................ 17

§4.1.1 大规模定制下产品设计的特征 ........................... 17

§4.1.2 基于模块化的产品设计模式 ............................. 18

§4.2 面向大规模定制的产品模块化设计流程 ........................ 20

§4.2.1 客户需求信息的获取和分析 ............................. 21

§4.2.2 客户需求的分类 ....................................... 22

§4.2.3 产品功能及产品族的功能设计 ........................... 23

§4.2.4 产品平台的建立 ....................................... 26

§4.2.5 产品族构件模块的划分 ................................. 30

§4.2.6 产品族构件模块的设计 ................................. 31

§4.2.7 产品族产品变量配置 ................................... 35

§4.2.8 产品族模块构件的管理 ................................. 38

§4.2.9 产品模块化设计流程小结 ............................... 39

§4.3 基于模块化的产品族及其生成方法 ............................ 41

§4.3.1 建立一个全新的产品族 ................................. 41

§4.3.2 在原有产品族的基础上建立新产品族 ..................... 43

§4.3.3 在原有非产品族产品的基础上建立产品族 ................. 44

第五章面向大规模定制的产品模块化设计案例分析 ....................... 47

§5.1 产品构成及各构成部分功能 ................................... 47

§5.2 现行产品设计过程及存在的问题 .............................. 50

§5.2.1 现行产品设计过程 ..................................... 50

§5.2.2 现行产品设计过程存在的问题 ........................... 53

§5.3 改进的产品设计过程 ........................................ 55

第六章结论与展望 ................................................... 59

参考文献 ............................................................ 61

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 65

致谢 ............................................................... 67

第一章绪论

§1.1 课题研究的意义

近年来，随着科学技术的飞速进步，社会生产力得到了很大的提高，商品供

应也越来越丰富。随之而来的是，市场竞争越发激烈，原来以企业生产为导向的

卖方市场被以客户需求为导向的买方市场逐步取代；同时丰富的商品供应也使客

户在进行商品购买的时候，有了更多的选择余地，诱发了客户对能满足其个性化

需求的产品的追求。客户这种对能满足自己个性化需求的产品的追求也从最初被

动地从企业提供的众多产品中进行挑选，发展到直接向企业提出所需产品的基本

功能以外的特殊功能的定制化要求。

市场及客户需求的变化，在为企业提供了市场机遇的同时也为企业的产品生

产提出了巨大的挑战。它不仅要求企业能向市场和客户提供个性化的产品，并且

要求提供的产品的销售价格能够尽量地低，产品的上市时间要尽量短，否则企业

就有可能会错过市场机遇，影响企业的经济效益和企业的发展。

大规模定制（Mass Customization，MC）生产模式正是在这种市场环境下被

提出并得到学术界和企业界的认可。大规模定制生产模式以大规模生产的速度和

效益生产出满足特定市场和客户需求的个性化(多样化)产品。大规模定制生产模

式的实现需要相应的应用技术的支持，如多样化的产品设计技术、多样化的产品

生产技术、产品信息获取技术以及产品营销模式等。产品的设计决定了产品成本

的80%，一种良好的产品设计方法不仅可以快速地设计出满足客户需求的个性化产

品，还可以最大限度地降低产品的生产成本，提高产品的质量。特别是在这种快

速变化、不稳定的市场环境下，合适的产品设计方法就显得尤为重要了。

模块化作为实现大规模定制生产模式的关键技术(策略)之一，它利用模块化

构件的通用性、兼容性和标准化等优点可以快速地设计和生产出满足客户需求的

个性化产品，但是与传统生产模式下的构件模块化不同，大规模定制生产模式下

的产品构件模块化及产品构件的模块化设计具有自身的特点和运行模式。探讨大

规模定制生产模式下基于模块化的产品设计方法及其运行模式，对企业从原来的

大规模生产模式向大规模定制生产模式转变具有深刻和重大的意义。

(1) 对企业适应市场快速的需求变化并迅速做出反应，以多样化的产品/服务

面向大规模定制的产品模块化设计研究

满足客户不断变化的个性化需求具有重要意义。

大规定制生产模式下的企业面对的是一个不稳定的、快速变化的市场。企业

准确地获取市场客户需求并对其做出快速的反应是大规模定制对提供产品/服务

的企业的要求，面向大规模定制的产品模块化设计以现代的计算机、网络技术为

支撑，能快速地获取、分析和传递客户需求，并以构件模块化作为基础进行产品

设计，能快速实现企业的产品设计、生产等过程。

(2) 提高产品设计质量和企业设计人员的业务水平

大规模定制下的产品设计是一种基于计算机网络的快速设计过程，它要求能

融合以往产品设计方法/模式的优点，而这些产品设计方法/模式都是在以往的产

品设计实践中经过长时间使用得以验证的行之有效的产品设计方法/模式。通过对

这些方法/模式的使用可以提高产品设计的质量，并且这些方法模式的应用还有助

于提高企业产品设计人员对大规模定制产品设计的实质的认识，并掌握这些设计

方法，从而提高自身的业务水平。

(3) 增强企业产品在市场上的占有率，实现企业的生产目的

企业生产符合客户/市场需求的产品是大规模定制生产的目的。产品设计对产

品的整个产品生命周期有着决定性的作用，如对产品生产成本的影响。研究大规

模定制下产品的设计方法膜式，对指导企业在这种生产模式下，怎样重新审视企

业在市场/客户以及企业自身环境和条件之间的位置，并以怎样的策略来应对企业

所处环境的变化，以怎样的方式在新的环境下形成新的核心竞争力，实现企业的

利润和发展有着重要的意义。

§1.2 国内外研究现状

大规模定制(Mass Customization，或大批量定制)是指在大规模的基础上生

产和销售满足客户需求的定制化产品或服务。1971年Toffler在其名著Future

Shock[1] (《未来的冲击》)中对大规模定制作了预言。1987年，Davis将大规模(Mass)

和定制(Customization)合成，提出了大规模定制的概念[2]。Pine通过大量的事例

对大规模定制的生产模式进行了论证，认为它是“透视企业竞争的新方法，它将

识别并实现个性化客户的需求作为重点，同时不放弃效率、效力和低成本” [3]。

作为一项技术，大规模定制被看成是利用信息技术、柔性的制造过程和组织

结构，以接近大量生产的成本提供能满足客户特殊需求的一系列产品和服务。它

第一章绪论

是一个贯穿产品营销、开发、生产和递送(即从客户选择到收到最终产品)全过程

的系统的概念[4，5]。实施大规模定制面临的三项挑战是：成本、时间和品种[5，6，7]。

迎接这三项挑战的必要因素是产品平台和产品族、柔性/集成的制造系统以及敏捷

的供应链网络[5-10]。

大规模定制是剩余经济和过渡竞争条件下企业扩大市场、赢得消费者的一个

重要创举[11]，它以大规模生产的成本和速度为单个客户或特殊需求的市场定制生

产任意数量的产品[12]，是一种以客户需求为导向的需求拉动型生产模式[13]。它的

实现需要准确获取客户信息，柔性的制造系统和供应链为基础。大规模定制生产

模式对时间、成本、多样化的要求，给企业的产品设计、生产制造以及企业的营

销提出了挑战。其中产品设计决定了产品整个生命周期80%的成本，并决定了企业

的产品能否顺利地被制造出来，并及时地送到客户手中。因此，大规模定制下产

品的设计流程、设计方法和产品设计的支撑环境等成为了研究的重点。

大规模定制对产品上市时间及设计效率的要求决定了，产品的开发是一种基

于计算机网络和多功能设计团队的快速设计模式，产品的开发过程是一个协同和

并行的过程[14-16]。面向大规模定制的产品设计(Design for Mass Customization,

DFMC)被提出作为大规模定制下的产品设计方法，是针对一个产品类构件产品模

型，它具有动态制造需求、产品分类延缓、柔性工艺路线等特点[17]。

由于大规模定制模式下的产品设计将原来的单一产品设计转换到多产品变量

的系列产品设计上，产品平台是产品族的核心，因此，产品平台的设计是大规模

定制中产品设计的重中之中，有关产品平台建立的方法和开发策略及其建立过程

中应注意的问题都被提出，作为研究对象[18-21]。产品族的开发是多产品变量的系

列产品开发，所以产品的多样化设计是开发产品族的关键，因此多种产品变量的

开发方法被提出，如：基于成本的产品多样化设计方法[22]，基于产品平台结构的

产品多样化设计方法[23]，基于多产品变量和单个基本平台进行产品族设计的理论

方法[24]。

大规模定制的两个实现策略是产品构件的模块化和产品多样化的延迟[25，26]。

大规模定制要实现产品的低成本和快速设计并保证产品质量，就要尽可能地增加

产品构件的可重用性。而模块化的产品构件因为具有功能独立性、兼容性和通用

性等优点，并且还可以提高产品质量，增加产品构件在不同产品变量中的使用，

提高产品构件的范围效应，增加产品生产制造的敏捷性[27-32]，使其成为实现大规

模定制生产模式的关键技术之一。通过在基产品的基础上添加(attaching)、剥离

(detaching)、替换(swapping)和缩放(scaling)相应的功能模块或是部件就能生

成具有不同附加功能的产品变量[33]，并且在相同条件下，通过在产品间共享构件

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摘要：

摘要大规模定制生产模式，是为适应市场从卖方市场到买方市场的转变，以满足客户个性化需求为生产目的的新型生产模式。大规模定制生产模式的三个基本要素是：时间、成本和多样性。快速、准确地对客户的个性化需求做出反应是实现大规模定制的首要条件，而低廉的生产成本和多样化的产品则是赢得客户的必备条件。实现大规模定制生产模式的途径有多种，产品模块化是其中重要的一种。与传统生产模式下的单一产品设计不同，大规模定制生产模式下的产品设计是一个多产品变量的产品族的设计，其过程是一个并行的、快速协同设计的过程。本文重点研究了面向大规模定制的产品模块化设计方法，具体工作如下：(1)阐述了面向大规模定制的模块化的基本思想，并...

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