基于功能獨(dú)立性分析的產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)

基于功能獨(dú)立性分析的產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)

0產(chǎn)品族設(shè)計(jì)方法基于產(chǎn)品平臺的產(chǎn)品序列的設(shè)計(jì)是一種新的設(shè)計(jì)理念，它提高了生產(chǎn)制造能力，降低了設(shè)計(jì)和制造成本。以“平臺戰(zhàn)略”為核心的產(chǎn)品族產(chǎn)品開發(fā)方法以及技術(shù)具有很高的研究價值。產(chǎn)品平臺是指一組產(chǎn)品所共享的保持不變部分，產(chǎn)品平臺體現(xiàn)了產(chǎn)品的通用性，是降低產(chǎn)品定制成本的基礎(chǔ)，減少了產(chǎn)品定制時的重復(fù)性工作。企業(yè)針對不同用戶需求，通過在產(chǎn)品平臺基礎(chǔ)上添加、去除、替換一個或多個模塊可以衍生出滿足個性化客戶需求的不同產(chǎn)品，或者通過擴(kuò)展平臺的一個或多個尺寸來滿足特殊的市場需求，推出新的衍生或擴(kuò)展產(chǎn)品。當(dāng)前研究產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)方法主要分為兩類：基于參數(shù)的產(chǎn)品族(自頂向下產(chǎn)品平臺方法)和基于模塊的產(chǎn)品族(自底向上產(chǎn)品平臺方法)?；趨?shù)的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)受到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和客戶需求變化的限制，只有結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，客戶需求變化較少，才能通過魯棒性方法，建立產(chǎn)品族的優(yōu)化模型；基于模塊的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)相對靈活，適用于各種結(jié)構(gòu)和客戶需求變化，能更好地體現(xiàn)出產(chǎn)品相似性、通用性和多樣性。兩種產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)方法都是從產(chǎn)品功能和物理結(jié)構(gòu)分析入手，確定產(chǎn)品的模塊化結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上采用不同的通用性判斷規(guī)則，確定出產(chǎn)品族中所有產(chǎn)品所共享、保持不變的部分，從而設(shè)計(jì)出產(chǎn)品族的產(chǎn)品平臺，并建立通用的產(chǎn)品平臺物理結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前的產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)方法中，通常采用功能結(jié)構(gòu)分解的方法將產(chǎn)品總功能細(xì)化為子功能，并建立產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)，通過子功能之間的能量、信息和物料之間的傳遞和交換確定出功能模塊。但是，產(chǎn)品功能和物理結(jié)構(gòu)分析缺乏一種有效的指導(dǎo)方法來保證設(shè)計(jì)分解的合理性；模塊化結(jié)構(gòu)要求產(chǎn)品獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)其功能，即產(chǎn)品功能之間的實(shí)現(xiàn)方式或原理沒有產(chǎn)生相互影響，這樣才能保證不同功能模塊組合成一個有機(jī)的整體，更好地滿足個性化客戶需求。但是目前的產(chǎn)品族設(shè)計(jì)法中缺乏一種有效的方法來保證功能模塊之間的獨(dú)立性；產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)是根據(jù)模塊化和通用性兩個特性進(jìn)行分析，但是當(dāng)前產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)方法中的缺乏判斷產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)通用性的原則和依據(jù)。1產(chǎn)品功能模塊的獨(dú)立性分析，符合產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的要求公理設(shè)計(jì)中的功能分析是面向客戶需求，根據(jù)客戶需求確定產(chǎn)品基本功能；在此基礎(chǔ)上應(yīng)用功能獨(dú)立性分析框架建立相互獨(dú)立的功能結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品功能模塊之間的獨(dú)立性，符合產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的要求；通過分析設(shè)計(jì)矩陣描述的功能之間的影響關(guān)系建立產(chǎn)品模塊化結(jié)構(gòu)，并通過功能模塊實(shí)現(xiàn)的客戶需求來判斷產(chǎn)品平臺和個性化模塊。1.1產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)矩陣與功能要求互互影響關(guān)系公理設(shè)計(jì)是20世紀(jì)90年代美國麻省理工大學(xué)的NamSuh教授提出的關(guān)于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的科學(xué)理論，總結(jié)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的理論規(guī)律。公理設(shè)計(jì)規(guī)范了設(shè)計(jì)分析過程，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員正確進(jìn)行設(shè)計(jì)決策，判斷設(shè)計(jì)質(zhì)量優(yōu)劣。公理設(shè)計(jì)理論的體系框架如圖1所示。在功能—物理結(jié)構(gòu)變換的過程中，同時在兩個設(shè)計(jì)域并行進(jìn)行設(shè)計(jì)決策，并以功能獨(dú)立性公理作為理論依據(jù)判斷設(shè)計(jì)的合理性和最優(yōu)化。通過相鄰的設(shè)計(jì)域之間的“之字形”映射變換，就可以建立功能要求、設(shè)計(jì)參數(shù)的等級結(jié)構(gòu)，而且也相應(yīng)地分析了每一級的設(shè)計(jì)變量的相互影響關(guān)系，確保其滿足功能獨(dú)立性公理的要求。公理設(shè)計(jì)定義了設(shè)計(jì)矩陣通過設(shè)計(jì)參數(shù)來間接描述功能要求之間的相互影響關(guān)系。即根據(jù)矩陣形式，將設(shè)計(jì)分為三類：非耦合設(shè)計(jì)(對角陣)、準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)(三角陣)和耦合設(shè)計(jì)(一般矩陣)。非耦合設(shè)計(jì)表明功能要求通過自身的設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)并滿足其獨(dú)立性原理，所以其相關(guān)的功能結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行任意組合；準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)參數(shù)必須按某一適當(dāng)?shù)捻樞蚺帕胁拍軡M足獨(dú)立性原理，其功能結(jié)構(gòu)的變化必須按照該順序在考慮其他設(shè)計(jì)活動的影響下進(jìn)行；耦合設(shè)計(jì)表明設(shè)計(jì)出現(xiàn)不可控因素，需要通過解耦或者其他的分析方法將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換出非耦合或者準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)。除此之外，公理設(shè)計(jì)定義完整設(shè)計(jì)矩陣來保證設(shè)計(jì)分解過程中上下級之間的一致性關(guān)系，它是伴隨著設(shè)計(jì)的一級級分解不斷變化的，根據(jù)設(shè)計(jì)等級結(jié)構(gòu)和每一級的設(shè)計(jì)矩陣，可以建立產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)矩陣來描述整個產(chǎn)品葉功能要求之間的關(guān)系。因此，在“之字形”映射變換過程中，設(shè)計(jì)矩陣和完整設(shè)計(jì)矩陣通過間接分析設(shè)計(jì)參數(shù)對功能要求的影響來確定了功能之間的相互作用，為產(chǎn)品平臺結(jié)構(gòu)模塊化提供分析依據(jù)。功能獨(dú)立性是設(shè)計(jì)活動必須遵循的公理，在產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)過程中，確定準(zhǔn)耦合功能關(guān)系的產(chǎn)品方案是建立“嚴(yán)格”功能和物理結(jié)構(gòu)模塊的前提?！皣?yán)格”模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品要求功能和物理部件非常明確，因?yàn)檫@種情況下產(chǎn)品的每一個模塊獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品各個分功能，公理設(shè)計(jì)的功能獨(dú)立性公理保證產(chǎn)品功能準(zhǔn)耦合性，這樣保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且產(chǎn)品的功能獨(dú)立性越高，其功能結(jié)構(gòu)的模塊化程度也越大。1.2確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)約束本文引入公理設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)的目的是結(jié)合功能獨(dú)立性公理和產(chǎn)品模塊化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，模塊化結(jié)構(gòu)要求盡可能保證其實(shí)現(xiàn)功能的獨(dú)立性，功能獨(dú)立性公理要求產(chǎn)品是準(zhǔn)耦合或者非耦合設(shè)計(jì)，兩者目的一致。因此，公理設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品族分析是產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，保證產(chǎn)品族功能結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)的合理性。本文研究的產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)過程是在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用公理設(shè)計(jì)分析框架，建立產(chǎn)品需求—功能結(jié)構(gòu)—物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上分析產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，建立產(chǎn)品平臺及其通用物理結(jié)構(gòu)，如圖2所示?；诠碓O(shè)計(jì)的產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)過程大致分為客戶需求分析、產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)平臺設(shè)計(jì)三個主要部分，具體設(shè)計(jì)過程如下。(1)明確客戶需求：市場調(diào)查和客戶調(diào)研所獲得的顧客對產(chǎn)品的要求和期望是最直接的信息，也是客戶對產(chǎn)品的主觀需求。主觀客戶需求可能和自身對產(chǎn)品的真正要求(客觀需求)存在一定的差距，因此，企業(yè)必須明確并滿足客戶對產(chǎn)品的客觀需求，才能實(shí)現(xiàn)最大限度的顧客滿意度。在明確客觀客戶需求后，根據(jù)客戶對產(chǎn)品族要求的特點(diǎn)將客觀客戶需求分為通用客戶需求和個性客戶需求。通用客戶需求是指顧客對所有該類產(chǎn)品的要求，即顧客購買該類產(chǎn)品都會提出的要求；個性客戶需求是指顧客根據(jù)自身喜歡和使用環(huán)境等對所購買產(chǎn)品提出的特殊要求。(2)確定設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)任務(wù)是指通過分析通用和個性化客戶需求，確定出產(chǎn)品功能要求以及設(shè)計(jì)時要考慮的約束條件或者限制因素，滿足客戶的要求或期望。這些功能是對產(chǎn)品的基本功能要求，后續(xù)的產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)分析是以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品基本功能為目標(biāo)，應(yīng)用“之”字形映射變換，將功能要求分解為子功能要求并同時確定實(shí)現(xiàn)該功能要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)約束是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的限制或制約，它是選擇設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能要求時必須考慮的因素。為了便于設(shè)計(jì)人員理解客戶需求，設(shè)計(jì)約束描述為對產(chǎn)品性能參數(shù)的具體要求。(3)建立產(chǎn)品的功能-物理等級結(jié)構(gòu)：公理設(shè)計(jì)的功能獨(dú)立分析框架并行地進(jìn)行產(chǎn)品功能和物理結(jié)構(gòu)分析，同時分解功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)。在每一級分解完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)變化對產(chǎn)品功能要求的影響間接確定兩個功能要求之間的影響關(guān)系，建立設(shè)計(jì)矩陣描述產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，設(shè)計(jì)矩陣必須是對角陣或三角陣，即產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)應(yīng)該是非耦合或準(zhǔn)耦合；同時通過一致性分析保證產(chǎn)品的上下級分解時設(shè)計(jì)決策的一致。最終分析結(jié)果是建立非耦合或準(zhǔn)耦合的產(chǎn)品功能、物理等級結(jié)構(gòu)、記錄每一級產(chǎn)品功能要求的設(shè)計(jì)矩陣和描述整個產(chǎn)品的葉設(shè)計(jì)參數(shù)和葉功能要求關(guān)系的完整設(shè)計(jì)矩陣。(4)建立模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：根據(jù)上一步產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，通過分析完整設(shè)計(jì)矩陣確定產(chǎn)品的葉功能要求之間的相互影響關(guān)系，按照它們之間存在能量、物料、信息和結(jié)構(gòu)的相互傳遞關(guān)系，按照影響程度進(jìn)行量化(分為“必須”、“應(yīng)該”、“可有可無”、“不需要”和“禁止”五個等級，對應(yīng)數(shù)值為“+2”、“+1”、“0”、“–1”和“–2”)，將完整設(shè)計(jì)矩陣轉(zhuǎn)換為明確度量葉功能要求間相互影響的功能影響矩陣，選擇主導(dǎo)的影響關(guān)系類型，通過成組矩陣變換方法(圖3)，將有聯(lián)系的功能要求組合成功能模塊。(5)產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)：從滿足客戶需求角度分析，產(chǎn)品平臺實(shí)現(xiàn)顧客對產(chǎn)品的最基本要求，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)出來就必須具備的基本功能，而個性模塊所滿足客戶需求是顧客根據(jù)自己喜好或者實(shí)際使用情況等，對產(chǎn)品提出的個性化要求。所以，通過分析功能模塊與其實(shí)現(xiàn)客戶需求之間的關(guān)系，將實(shí)現(xiàn)通用客戶需求的功能模塊確定為產(chǎn)品平臺；滿足個性客戶需求的功能模塊定義個性化模塊。(6)建立通用產(chǎn)品平臺物理結(jié)構(gòu)：通用產(chǎn)品平臺物理結(jié)構(gòu)一方面要保證設(shè)計(jì)參數(shù)最大程度集成，降低產(chǎn)品復(fù)雜性和設(shè)計(jì)制造成本，一方面又要保證產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)重用性，能夠?qū)崿F(xiàn)以最少設(shè)計(jì)變化滿足最大程度個性客戶需求。產(chǎn)品平臺物理結(jié)構(gòu)由模塊和標(biāo)準(zhǔn)接口組成，在建立物理結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該在保持產(chǎn)品功能要求獨(dú)立性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)的集成和物理結(jié)構(gòu)重用的折中，在考慮結(jié)構(gòu)分離因素的情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)物理集成原則，將產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)組合成有機(jī)的整體，同時保持了功能模塊間的獨(dú)立性和物理結(jié)構(gòu)的重用性，產(chǎn)品平臺物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分離原則如表1所示。2重壓力閥的密封結(jié)構(gòu)蝶閥是用于開啟或關(guān)閉管道內(nèi)的介質(zhì)，也可作調(diào)節(jié)用。三偏心蝶閥名稱是從其產(chǎn)品密封形式而來的，蝶閥產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)經(jīng)歷無偏心、一偏心、二偏心和三偏心三種進(jìn)化過程，其作用也從最初的流量控制閥轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛嚅y，實(shí)現(xiàn)管路的開啟和關(guān)閉。2.1控制管路的通斷當(dāng)前三偏心蝶閥作為切斷閥主要應(yīng)用在冶金、發(fā)電等行業(yè)，用于鋼廠高爐煤氣管路和電廠排塵管路的控制，主要控制管路的通斷。三偏心蝶閥的客戶需求獲取主要是通過和該廠銷售部門的銷售人員和設(shè)計(jì)人員座談，獲取他們和客戶交流的經(jīng)驗(yàn)作為客戶需求信息。三偏心蝶閥的客戶需求主要是對產(chǎn)品性能參數(shù)提出不同要求，通過需求信息分析，確定出客戶的客觀客戶需求，明確通用需求和個性化需求，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品性能參數(shù)，具體分析結(jié)果如表2所示。2.2產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)的分解蝶閥要滿足客戶需求必須具備的基本功能要求就是控制管路的通斷，此外為了達(dá)到客戶對蝶閥的要求，設(shè)計(jì)時必須考慮“保證蝶閥整體結(jié)構(gòu)的密封性”這一設(shè)計(jì)約束。在確定產(chǎn)品的基本功能要求之后，應(yīng)用“之”字形映射變換進(jìn)行分解蝶閥的功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)，蝶閥產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)分解為三級，蝶閥產(chǎn)品族的等級結(jié)構(gòu)樹(圖4)；在分解過程中每一級都要進(jìn)行功能獨(dú)立性分析，各級別設(shè)計(jì)方程(表3)均符合滿足功能獨(dú)立要求；在分解完成后，根據(jù)各級設(shè)計(jì)方程和設(shè)計(jì)等級結(jié)構(gòu)樹建立完整設(shè)計(jì)矩陣(圖5)，表示產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)組成(葉設(shè)計(jì)參數(shù)和葉功能要求)之間的相互作用。圖5中深顏色部分表示同一分支的葉功能要求和葉設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系，淺顏色表示不同分支的葉功能要求和葉設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。2.3功能結(jié)構(gòu)模塊以功能結(jié)構(gòu)分解結(jié)果為基礎(chǔ)，分析蝶閥各個葉功能要求影響作用的產(chǎn)生原因，確定四種類型的影響作用的度量值，建立蝶閥的功能影響作用度量表(表4)，將完整設(shè)計(jì)矩陣轉(zhuǎn)換為功能影響矩陣，如圖6所示，圖6中深顏色部分表示含義同圖5ㄢ蝶閥功能結(jié)構(gòu)非常簡單，功能之間主要是物理空間結(jié)構(gòu)和能量傳遞兩種影響作用，而且必須存在物理結(jié)構(gòu)的影響作用才能保證蝶閥功能的實(shí)現(xiàn)。因此，在進(jìn)行蝶閥功能結(jié)構(gòu)模塊時，以空間作用作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行矩陣成組變換，以空間度量作為標(biāo)準(zhǔn)變換后的結(jié)果如表5所示。蝶閥功能模塊和客戶需求的關(guān)系表明了兩者之間實(shí)現(xiàn)關(guān)系，如圖7所示。分析結(jié)果表明三偏心蝶閥的活動和固定結(jié)構(gòu)是其產(chǎn)品平臺，即閥板和閥體；動力源、驅(qū)動、連接以及密封模塊都是為了滿足不同客戶需求的個性化模塊。圖7中元素“1”表示模塊實(shí)現(xiàn)客戶需求，反之“0”表示模塊和該客戶需求的實(shí)現(xiàn)無關(guān)，其中深顏色代表個性化客戶需求。2.4產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的組合由于蝶閥功能的實(shí)現(xiàn)方式已知，在建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之前首先要將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)和蝶閥的具體結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)表1中設(shè)計(jì)參數(shù)集成和分離準(zhǔn)則將某些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重新合并為一個整體。蝶閥通用產(chǎn)品平臺物理結(jié)構(gòu)如圖8所示。3基于功能的分析設(shè)計(jì)(1)基于公理設(shè)計(jì)的產(chǎn)品平臺設(shè)計(jì)方法以功能獨(dú)立性公理為產(chǎn)品族功能-物理結(jié)構(gòu)分析的理論依據(jù)，