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面向产品设计变更与制造系统协同演进的方法研究

摘要

在制造行业中，复杂产品的设计和制造能力是企业的核心竞争力。近年来，

随着客户对产品认知水平的提升，其对产品的个性化需求也随之增加。为了满足

客户的个性化需求，在复杂产品研制过程中，产品设计变更的发生不可避免。复

杂机械产品的零件很多，零件之间的关联性很复杂，如果一个零部件发生改变，

与其相关的零部件也可能会发生改变，通过传播效应，变更影响会波及众多零部

件，而零部件的更改又影响到了制造系统的配置与设计，且变更波及的零部件数

量越多，需要响应的时间越长，需要付出的代价越大。目前，如何能够准确的预

测变更带来的影响，并使制造系统有效并快速地做出响应，是企业亟待解决的问

题。

通过对国内外相关学者关于产品设计变更和制造系统设计技术研究成果的

总结与分析，针对当前产品设计变更与制造系统协同演进过程中存在的问题，本

文对产品设计变更及制造系统协同演进的方法进行了研究。为了使企业在接受变

更需求之后，能够提前对产品设计变更可能造成的影响做出反应，降低产品设计

变更对企业带来的风险，本文利用设计结构矩阵对产品的结构进行表达，通过零

件的逻辑运算关联关系定量预测产品设计变更的影响，根据预测结果对变更风险

进行评估。为了能够准确，快速地使制造系统对产品设计变更做出响应，进行了

产品设计变更与制造系统协同演进方法的研究。

本文的研究内容如下：

（1）研究了产品设计变更与制造系统协同演进的分析框架。首先，根据产

品和制造系统设计中不同层级的变更模式，提出了产品设计变更与制造系统协同

演进分析框架。其次，从不同角度进行分析，建立了产品设计变更与制造系统协

同演进模型。最后，建立了产品设计变更与制造系统协同演进流程图。

（2）研究了复杂产品结构的表达方法。首先，按照复杂产品设计过程中的

行为，建立了基于任务的设计结构矩阵（DSM）模型；按照复杂产品的功能模块，

建立了基于功能结构的DSM模型；按照复杂产品零部件的关联关系建立了基于

零部件的DSM模型。其次，介绍了DSM模型的三种分析方法。

I

（3）研究了如何预测产品设计变更的影响。首先，根据公理化设计理论划

分产品的层次结构，由分层法建立了复杂产品零部件的全局DSM模型。采用遍

历法和划分法分析了产品设计变更的影响范围。然后，根据产品设计变更传播链

图和传播树，通过逻辑运算建立产品设计变更综合风险矩阵。最后，定量预测了

变更对复杂产品的影响。对照综合影响矩阵与零件变更影响标准，做出产品设计

变更的评估分析。

（4）对产品设计变更与制造系统的协同演进进行了研究。提出了一种族群

协同进化的方法，建立产品特征与机器特征的矩阵映射关系，通过矩阵变换，能

够确定出制造系统中具有较高加工能力，满足各种产品变体核心特征的机器族机

器。机器族机器和非机器族机器合成的制造系统能够满足原产品及其变体中所有

产品特征的生产。

（5）将本文的研究成果应用到企业生产实践中。以某公司汽车发动机气缸

体的产品设计变更与制造系统响应为案例，对该发动机曲柄连杆机构进行了产品

设计变更影响预测，并根据定量预测结果对发动机气缸体的设计变更做出了评估

分析和变更决策。用族群协同进化方法对制造系统的机器族机器进行了选择和排

序，合成的制造系统能够同时满足原产品和其变体的生产需求，证明了产品设计

变更与制造系统协同演进方法的有效性。

综上所述，本文提出了产品设计变更影响预测与制造系统协同演进的方法，

以期提升产品设计变更决策和制造系统响应的科学性和高效性，同时为复杂机械

产品制造系统设计提供了新的研究思路。

关键词：

复杂机械产品，设计变更，设计结构矩阵，制造系统响应、协同演进

II

ResearchonMethodsforCollaborativeEvolutionofProductDesign

ChangesandManufacturingSystems

Abstract

Inthemanufacturingindustry,