基于功能流的产品设计过程技术研究与应用（可编辑）

基于功能流的产品设计过程技术研究与应用（可编辑） 基于功能流的产品设计过程技术研究与应用 上海大学 硕士学位论文 基于功能流的产品设计过程技术研究与应用 姓名:史德化 申请学位级别:硕士 专业:机械制造及自动化 指导教师:李莉敏 20060201上海大学硕士学位论文 摘 要 产品设计是产品生命周期中的首要环节,是最具有创新性和挑战性的 部分。对产品设计过程的研究是当今研究的热点。本文以汽车电子线束全 自动双端压接机设计为背景,提出了基于功能流的产品设计过程思想,研 究了从最初的用户需求获取到最终的产品装配功能保证的设计过程集成方 法与应用。 本文在分析产品设计过程的基础上,提出了产品设计系统的模型。将 产品概念设计过程和详细设计过程以功能流为纽带统一起来,建立了基于 功能流的产品设计集成框架,以更好的支持产品设计。 针对复杂多态的用户需求信息,建立了用户需求分析模型。对用户需 求信息进行了定量和基于方法的定性的规范化处理。利用和信息 熵方法确定用户需求权重,实现了用户需求的功能转化。 在设计需求功能分析的基础上,提出了概念设计过程中的功能??结 构模型。利用概念产品原理结构建模方法建立了概念产品方案求解过程模型 图。提出了基于灰色关联分析的概念产品方案评价方法,实现了对可 行方案的优选。 建立了产品可装配性评价指标。利用基于广义键的装配难度评价方法 和装配成本评价模型,进行了产品的可装配性评价,确保了产品装配功能 的实现。 最后用全自动线束机的设计为综合实例验证了上述理论的正确性。 用户需求分析 关键词:功能流 概念产品方案求解及评价 可装配 性评价 上海大学硕士学位论文 ????????????????一,. .., . ,.? .. . 印. . ? , . . ..上海大学硕士学位论文,: 上海人学硕士学位论文 原创性声明 本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已发 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名:害整型日期: 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定,即: 学校有权保留论文及送交论文复印件,允许论文被查阅和借阅;学 校可以公布论文的全部或部分内容。 保密的论文在解密后应遵守此规定 /磊招日期: 签名:邀垒型导师签名: 塑生:主:上海人学硕士学位论文 第一章绪论 .引言 经济全球化进程的加快导致了产品市场的竞争日益激烈。企业为了更好的 满足用户的需求,同时又能快速响应市场,必须要以最短的开发时间、 最好的质量、最低的成本、最优的服务干最清洁的环 境设计开发出优质产品来满足不同用户的个性化需求。产品设 计是产品整个生命周期中极为重要的一环。在产品全生命周期中,设计阶段 约 占总成本的%左右 。因此,对产品设计阶段的研究,尤其是概念设计过程 的研究,愈来愈受到国内外的高度重视。积极开展现代设计理论与方法的研究 并应用于实践,具有及其重要的意义。 .课题来源 本课题来源于上海市重点产学研科技攻关项目“汽车电子线束全自动双端 压接机简称全自动线束机产品的研究与开发”。 .课题研究的目的和意义 产品设计过程是产品信息从抽象到具体、逐步细化、反复迭代的过程,它 从用户需求功能分析开始,经过概念设计和详细设计,最终得到满足用户需求 的产品。在该过程中,产品功能贯穿设计过程的始终。任何阶段的设计活动围 绕功能进行,故产品设计过程的本质就是基于功能的设计过程。在产品的各 个阶段,产品功能的表现形式是不一样的。在概念设计过程中,表现为如何把 用户需求功能转换成设计人员可以认知的设计需求功能,并由此功能推理出相 应的概念产品方案。在详细设计中,考虑如何根据概念产品方案,从以装配功 能为中心的多个功能来满足设计需求,最终达到符合用户需求的目的。因此, 产品设计是一个从定性到定量的求解过程口。在这一过程中,功能的传递、转上海大学硕学位论文 换贯穿了整个设计过程。在以往的产品设计中人们往往看重产品的详细设计 阶 段,忽视了具有重要意义的产品概念设计阶段,特别是用户需求分析阶段。而 现有的系统也基本上不支持产品全生命周期的设计,这样产品的前端需求 功能不能随着设计的进程进行较好的延续,修改设计也很不方便,有时因为需 求的变化要导致整个设计方案的推倒重来。 针对上述问题,本课题研究目的就是以在各个设计阶段中功能的不同表现 形式所形成的功能流为纽带,立足于概念设计阶段和详细设计阶段两个方面, 从系统的角度对产品设计过程进行研究。使得用户需求在设计过程各个环节中 得到充分的满足,保证功能在各个设计阶段平滑过渡和转化,最终保证用户需 求在产品中的实现。本文主要通过用户需求功能到设计需求功能,再到产品装 配功能这一功能流的表现形式,将设计过程的两个重要阶段,即概念设计阶段 和详细设计阶段衔接起来,研究一种支持产品自顶向下设计的一种新方法,并 用此方法进行具体产品的开发设计。 本课题的研究对产品开发具有深远的意义,具体体现如下: 从一个完整的角度对产品设计过程中功能的产生、转换、求解、评价、 保证进行了研究,为产品设计过程的研究开辟了新的思路。 对概念设计过程中设计需求功能的获取、产品概念方案的求解和评价 进行了探讨,为计算机辅助概念设计的实现探索了一种新的方法。 在详细设计阶段,对面向装配功能的产品可装配性评价进行了分析, 确保了产品在功能和结构上保持一致性。并通过对装配难度和装配成本的评 价 分析向实际的产品设计提供有价值的设计建议。 .国内外研究概况 ..现代产品设计过程的研究 设计就是为满足某种需求而进行的有目的创造性活动,但针对具体的产品 来讲,对设计的内涵和外延有刁同的认识。目前比较有影响的产品设计理论 主 要可以分为以下三大类:上海大学硕士学位沧文 公理化设计理论【】:主要是由等人提出的产品设计的全局原理或 公理,应用于产品设计过程中的决策。该理论主要内容包括顾客域、功能域、 物理域、工艺域等四个域和独立性公理、信息公理等两个公理。 ~般设计理论及其扩展【:由日本的、等学者提 出,是一种对设计过程的数学表达,并认为设计是通过知识操作来实现的。提 出了精细设计过程模型作为对一般设计理论的扩展。 通用设计理论【】:由德国研究所等学者提出,该理论 将设计过程分为需求建模、产品功能建模、物理建模、详细设计四个阶段, 通 过各个阶段内模型的冲突和相互约束来不断改善和修正模型本身,并通过对 现 有基本元素的重新组合来实现设计过程的创新。 对产品设计过程的研究就是对产品设计理论和设计方法实验进行研究的基 础上,总结产品设计过程的本质,用科学、系统的方法来表达和分析产品设计 过程。国际上从上世纪年代开始对设计过程进行研究,一般可分为:描述性 的设计过程、规范化的设计过程和可计算的设计过程”。 描述性的设计过程。揭示了设计过程的本质。提出了“通 用设计理论”,把设计过程看成是一种从功能空间到属性空间的映射。和 意图给出整个设计过程的形式化描述,强调对设计过程动态抽象,并把 这作为改进设计模型通用性的前提。 规范化的设计过程。等用系统的观点,将产品作为设计对象,将 物质、能量和信息的输入转换为相应的输出,并强调基于功能分解和原理解 搜 索的设计步骤。利用系统分析方法,利用“形态学”矩阵获取多种可行 的技术方案,并提出了设计过程的一般模型。将设计过程分为产品规划、 功能设计、定性设计和定量设计四个阶段。 可计算的设计过程。基于计算机技术提出了可计算的过程模型, 通过设计矩阵,将功能要求领域映射到设计参数领域.从而将没计过程中定 性 的概念需求转变为定量的物理参数。的研究主要是通过不断加强“优化 算法库”、“知谚库”及“专家系统”的建设,来操作设计过程,提高产品质量 上海大学硕士学位论文 和市场竞争能力。 自上世纪八十年代后,国内对产品设计过程的方法、本质等相关内容也进 行了大量的探索性研究。总体来看,国内学者大多是从实际设计活动和工 程实际应用的角度出发对设计过程进行分析和理解。 ..产品设计过程中功能方面的相关研究 功能在产品设计中是最基本、最重要的因素。功能研究已有年的历史。 由于各个研究者的研究角度不同,对功能的理解众说纷纭,,目前学术界仍然没 有一个共识,只能根据问题性质以及系统的特点,对功能进行定义。 等将功能定义为能量、信息的输入和输出之间的关系。 等认为功能是物体所产生的作用和效应的一种描述,即它做 什么。 和在研究元件功能表达方法的基础上发 展了功能建模方法。显式地表达装置的功能和它的结构元件,并用功能知识组 织有关目的知识和因果知识,以实现功能的分解和建立功能因果网络。和 在其他人理论基础上提出结构??行为??功能模型来表达装 置设计的结构??功能映射,并应用在适应设计中。 ”等认为功能与行为不能独立,将功能定义为行为的一种描述, 将功能描述为符号和一组行为的组合。 功能在研究发展中,借鉴了其他领域的方法和工具,如价值工程的功能分 解法、键合图等,形成了许多功能的表达、分析和推理方法。 价值工程提供了一种系统的分析方法??功能分析【 把功能分 析方法发展成为功能分析系统。等给出了一个从功能角度表达 设计的形式化方法功能块图。上位功能说明了下位功能存在的理由,下位功能 说明了如何实现上位功能。 流图方法:”】等将功能定义为能量、材料、信息的输入和输出 之间的关系。将功能表示为能量、物质、信息流的转换,用流图表达设计。上海大学硕士学位论文 键合图方法:由?】提出,现已成为系统分析与设计的有力工具。键 合图本身具有简明的拓扑结构。和基于键合图将功能描述为 .流来支持定性设计方案的产生和方案的具体设计。 在国内,武汉科技大学黄国萍等提出基于功能的空间布置设计理论和三个 设计求解层次。华中科技大学邹光明等利用功能基研究产品概念设计模型。山 东大学霍志璞等提出功能表面的思想,利用功能表面重构研究产品信息模型。 西安电子科大冯力将功能设计过程分为功能辨识和功能抽象两个阶段。 .论文的主要研究内容及组织结构 ..论文研究的主要内容 本文对基于功能流的产品设计过程进行研究。以功能在设计过程中的不断 演变和关联为核心和纽带,将产品概念设计过程和详细设计过程的两个阶段联 接起来,完成从用户最初需求功能的获取到最后产品装配功能的实现。为产品 设计过程一体化研究探索一条新的思路。本文主要进行以下几个方面的工作: 将产品概念设计过程和详细设计过程以功能流为纽带统一起来,建立 整个设计过程的整体集成框架,以实现满足用户需求功能为起点,以满足装配 功能为检验指标为终点的产品设计要求。 分析用户需求的特点,建立用户需求分析模型,对用户需求信息进行 规范化处理,用和信息熵方法进行用户需求权重的确定。 对从用户需求功能获得来的设计需求功能进行描述和表达,并构建产 品原理结构模型,得到概念产品方案,并利用灰色关联理论中的灰色关联方法 进行概念产品方案评价。 以保证产品装配功能为核心,建立产品可装配性评价指标。对产品装 配难度和装配成本进行评价,以满足产品装配功能要求。论文的组织结构上海人学硕士学位论文 图.论文的组织结构 上海大学硕士学位论文 第二章基于功能流的产品设计过程集成框架 .引言 以往的产品设计过程注重的是产品详细设计的结果,即实际的产品,往往 忽视对产品概念设计过程,及其概念设计和详细设计间衔接或集成方面的研究。 一个新产品的设计,特别是产品的概念设计,是一个发散思维和创新设计的过 程,是一个求解实现功能、满足各种技术和经济指标的、可能存在多种方案的 过程。因此,从总体上对产品设计过程的研究,以功能作为依托,将整个设计 过程集成起来,对实现概念设计阶段定性信息向详细设计阶段定量信息平滑、 无失真转换,保证设计过程的起始点最大程度的一致,减小设计成本,提高设 计效率等具有一定的现实意义。 .产品设计描述 产品设计可以看作是有步骤的分析与综合,不断从定性到定量的问题求解 过程。在设计中涉及到多种因素影响,这些因素以产品约束的形式集成到产品 约束中去”。在产品全生命周期内考虑设计问题时,往往是多个目标函数同时 ? 得到满足,即 或 窆见. 窆, 其中是目标函数的个数,.是目标函数.的权重。 从市场和用户需求角度看,产品设计过程就是以用户需求为起点,以满足 用户需求功能为目标的一个有粗到精,定性到定量的产品描述过程‘”】。它 可以 表达为:,如图.所示。 从上面论述可以看出产品设计具有如下特点,这些特性在设计的初期阶段 表现的最为明显。 创新性:根据市场和用户需求,结合设计中的相关理论、方法和知识 及控制约束,可以设计出满足用户需求的、有竞争力的新产品,表现出了设计 彭上海人学硕士学位论文 创新性。 系统复杂性,产品设计是一个系统工程,不是从某一阶段或部门的微 观角度出发的,而是追求系统整体的最大效应;设计对象又是一个时变系统, 而且满意的设计结果可能需要反复迭代,从而使设计过程表现出复杂性。 图.产品设计的一般模式 .产品设计过程的定义与建模 产品设计过程是将产品用户需求映射成产品功能要求,并将功能要求转化 成能实现该功能要求的产品工程结构的过程。 在产品设计过程中,从用户需求到摄后满足解的设计产品的获得,有许多 处于中间阶段的设计结果??状态。中间设计状态的形成过程,在功能上表现 为一系列设计步骤,称之为活动或活动环节。活动环节从前到后其抽象度不 断 降低,后续环节是前~环节的精化、进化与展开,从而在宏观上表现为一连串 相连的问题求解活动??设计过程的行为状态。 ..产品设计系统的模型表示 产品设计系统是实现产品设计过程的技术系统,可用图.模型‘”来表示。 其中为产品设计系统;/为输入输出集;为过程集,包含有子过程元素 ,,?.;为状态集,包含有予状态元素,,:。,,与对应, 状态存在于一定的约束条件下:中为映射集,它包含有子映射元素印。,?,. ,中.与.相对对应,映射是在一定的约束和控制条件下发生的。上海大学硕士 学位论文 图.产品设计系统模型 ,,,,中 状态经过映射发生转换,表现为子过程,即:.哼。,,,?.,; 予过程的有机结合形成设计过程:巴,,,.,:输入经过设计 过程得到输出:×斗 针对具体情况,各集合的内容如下: 市场需求,材料,资金,设备,人员,法律化,经济性,时间要求,社 会,环境,?.,:,? 图样,说明书,信息,? 需求分析过程,概念设计过程,详细设计过程,, 需求描述,概念产品方案,详细产品,,:,, ..产品设计过程阶段划分 在以往的研究中,大多将设计过程分为多个阶段,如产品规划、功能设计、 定性设计和定量设计等四个阶段,或者是产品规划、原理方案设计、技术设计 和施工设计四个阶段等等,这些传统的划分方法划分的过多,存在人为干预的 可能性很大,用户需求信息和设计信息随着人的主观意识出现流失或发生歧义 的可能性很大。此外设计过程的划分大多数没有把如何获取用户需求的信息这 一阶段包含进来,只是以设计人员总结出的设计需求作为起始点,这样很不符 合实际情况。本文以确保用户的需求功能为基础,把产品设计过程划分为两大 阶段,即概念设计阶段和详细设计阶段。在整个过程中,前者是一个定性设计 阶段,而后者是定量的设计阶段,如图.所示。图中将用户需求置于整个设上海大学硕士学位论文 计过程的首要地位,保证了设计过程中的需求功能明确化。 枣 概 用户罐水功能簸取与转化 详 装配殴计 细 用 念 设 户 ??、 ?\ 设计需求功能描述与分折 ? ?/ 需 计 萋装四; 阶 阶 求【 段 敦 概念产品方案求解与讲份 装配评价 剁 图.产品设计过程 .产品设计过程中的功能和功能流 ..产品设计过程中的功能 产品的功能是产品的效能和作用,代表着一定的行为属性,是一种抽象的 描述九。产品功能是用户希望的“产品功能”,通过认识产品来分析产品功能的 不同层次,如主要功能、次要功能、次次要功能。主要功能解决产品能做什么 的问题,是用户是否需要这种产品的根本点;次要功能主要解决产品怎么作的 问题,主要功能是有多个次要功能的组合来实现的;次次要功能解决为什么要 这么做的问题,是针对次要功能提出下一步更具体的解决方案,为概念爆发提 供更多的空间。 功能的行为属性代表了一种变化,而这种变化也表明功能随着设计过程的 延续,其自身也在发生相应变化,这为下面功能流的概念提供了一定的理论基 础。 ..产品设计过程中的功能流 功能在设计过程中被正确的获取、推理和演变对于设计活动至关重要。在 产品设计过程内部存在着数据的交互、控制操作的转换、信息的迭代等等相关 的设计活动过程,分别形成了所谓的数据流、控制流、信息流,这些都使得设 计过程中的功能也在不断演化、渐变。随着设计阶段的不同,功能的内在要求 和外在形式都在发生相应的变化,即功能的内涵和外延【随着设计进程的延续上海人学硕士学位论文 也不断变化,这也符合功能本身具备行为属性的特点。在整个设计过程中,功 能是不断变化的,可用功能流的概念来描述这种变化的特性。 功能流 :在产品设计过程中,以满足用户需求为目标,以 产品为核心,基于系统输入输出流的观点,将设计过程中各个阶段层次中功 能 的各自表现形式融入到产品设计进程中的中间产品上,形成功能随产品设计的 推进而进行不同的传递变换,这样的传递变换过程就是功能流。 利用功能流的概念描述产品功能在设计中的转变,有以下优点: 通过功能流的形式将整个设计过程中最能反应用户本质需求的多个不同 类型的功能联接起来,贯穿于设计过程的始终,最大程度的避免了设计进程发 生偏差。 这种功能流的形式可以更好的实现在设计过程中功能的修改,使得下游 功能在传递过程中回溯到上游功能步骤成为可能,使得设计的效率得到大大的 提高。 在功能流中以中间产品的形式来体现不同的功能,这使得产品设计过程 更为直观,也有利于对设计过程的控制。 为了更好的描述功能流在产品设计进程中的表现形式,图.所示为在产 品控制结构环境下所建立的产品设计过程中的功能流。由此也可以看出,功能 流就是在同一个进程中各个中间产品所体现出来的不同功能随着进程的延伸表 现出的类似流动的功能传递形式。其中产品工程环境类似一个组织产品设计, 完善产品结构,确保设计的平台。 图.产品设计过程中的功能流 .基于功能流的产品设计过程集成框架 设计与过程集成的目的在于协调配合、缩短产品开发周期。建立产品设计上海大学硕士学位论文 和过程的集成不仅使开发的产品能够保证性能要求,而且能够保证快速有效、 经济的完成整个产品设计过程。因此实现产品的设计与过程的集成十分重要。 产品设计过程集成就是在计算机系统的支持环境下,在产品全生命周期中, 把整个设计进程中各个不同的过程阶段中的设计活动和产品集成起来,通过一 定的信息交换和相互交互机制,得到符合要求的功能产品的方法【。 基于功能流的产品设计过程集成就是利用功能流将产品设计过程中产品概 念设计和详细设计两方面的内容在保障功能的前提下集成到一起,构建从概念 设计到详细设计的集成化过程,以满足用户最初的需求。如图.为基于功能 流的产品设计过程集成运行框架。 图.基于功能流的产品设计过程集成运行框架 .本章小结 本章在分析产品设计过程特点的基础上,提出了产品设计系统的模型,构 建了包含产品概念设计和详细设计两阶段的产品设计过程。描述了产品设计 过 程中的功能和功能流。运用产品设计过程集成方法,建立了基于功能流的产品 设计过程集成框架,以更好的支持产品设计。上海大学硕士学位论文 第三章产品需求敏捷获取与功能转化 .引言 随着时代的发展,人们对产品的要求越来越体现个性化,这就对企业的生 产提出了产品多样化和用户化的要求。如何系统、全面、准确地获取用户对产 品的需求,以此指导产品的设计开发,真正生产出用户满意的产品,这是企业 必须解决的关键问题。 产品需求建模是连接市场、用户和产品开发过程的桥梁。对产品设计过程 的分析,可以发现产品需求建模活动是产品生命周期的开始,产品的初始构想 的产生,以及产品开发过程的进行在很大程度上依赖于对产品需求的分析,而 产品设计方法大多数都起源于对产品需求的认识【?。准确地理解和分析产品需 求是顺利开发产品的基础。由于市场需求用户需求的抽象性、复杂性和变动 性,给设计者正确识别和掌握市场需求的具体形态带来了一定的困难,直接影 响产品的设计质量和新产品开发的成功率。因此,对市场或用户需求的获取、 分析和理解并在设计中准确地定义产品的功能要求,已引起众多国外企业和研 究机构的关注】。 .用户需求分析 用户的需求是产品设计的原始驱动信息,这些信息的源泉来自产品的最终 用户??消费者。消费者的需求主要表现为对产品所能提供的功能要求,与传 统设计不同,现代设计强调产品生命周期的观点,即在最终用户功能需求的基 础上,进一步综合考虑与产品相关的所有用户群体的需求,以实现真正的用户 满意。因此,产品用户的概念是广义的,它应该包括与产品相关的所有参与者。 ..需求分析的概念 产品需求分析是指在产品不发过程中,对产品的功能、形状、可制造性及 产品市场等涉及产品整个生命周期的有关问题进行详细探讨,以期详尽描述待上海人学硕士学位论文 开发的产品‘”。需求分析是产品开发人员、制造者及经营者对产品的需求进行 具体分析,从而提出可供产品设计使用的漫计任务信息以及其他设计需求的过 程。 ..需求分析的特点 产品需求的模糊性 模糊性就是产品需求的不确定性,这是产品需求信息的基本特征。模糊性 的根源取决于度量指标的模糊性和需求来源的模糊性。 产品需求的动态性 指在产品生命周期的各个阶段,产品需求是变化的【”。产品需求的动态性 还表现在需求的不断变更上,一旦有新的产品需求提出来,需要对设计任务 及 时更新,对产品进行新的开发。 产品需求的多样性 产品需求的多样性主要表现需求的来源和表现形式上。 .用户需求分析模型建立 用户需求分析在产品设计过程中就是从用户域到功能域的映射‘ 。从现代 设计的角度,产品需求分析是涉及产品整个生命周期的信息,即可制造性、可 装配性、可靠性、可维护性、环保等,它是产品开发过程中各个活动的设计 目 标。因而,从广义上讲,产品的用户不仅是产品的使用者,还包括制造、销售、 安装、修理和回收人员。产品需求分析包括需求信息即顾客呼声: 的获取、解释、分析、评价,并转换为产品的功能要求,从而形成产 品技术要求文档,即设计任务书,此过程是决定产品最终用户满意的关键。产 品需求分析过程模型如图.所示。 从产品生命周期的角度考虑,力求使需求模型不仅输出必要的没计要求, 而且使需求分析的输出有利于进行产品的功能??结构之怕的映射,从而为产 品自顶向下设计的自动化建立必要的理论基础和实用的手段和方法。上海人学硕士学位论文 图.产品需求分析过程模型 .用户需求的转化技术 . 需求信息的规范化处理 用户需求信息的表述具有较强的用户化倾向,用户化语言对同一内容的用 户需求可以由不同的表达形式。用户需求的转换就是将用户需求信息规范化, 目的是获得用户需求信息的标准化描述,也就是产品设计需求技术特征。下面 将对定量需求信息和定性需求信息采用不同的途径进行规范化处理。 定量需求信息规范化 对定量需求信息采用无量纲、归一化处理【”。 定量需求是产品设计过程 中最重要的一类信息,是满足用户化产品设计的关键信息。对于定量需求,其 性质和量纲也不相同。可将定量需求分为三种类型:越大越好型、越小越好型 和具有最佳值型。正是各项需求量纲和性质的不同,造成了各项需求的不可共 度性,这就要求通过某一效用函数进行无量纲化映射到一个有限的区间,即进 行归一化处理。为了将它们转化为闭区,上的无量纲需求属性值,首先 要在各自的论域上确定它们的最大值。。。和最小值。。。设对应的需求集分 别为,,:,,,。,则相应的无量纲化属性值如下: ?越大越优型需求上海大学硕七学位论文 对于任意的、 、, ‘。一/。。。一。。 ?越小越优型需求 对于任意的,:, ?一/?一。。 ?区间型需求 对于任意的 ,, 当。?【,。】,。一/。一一 。.‰,?/。一。 当为其它值时,‘ 例如:全自动线束机加工线束的直径参数范围为.,第项用户 要求是线束最大直径为。用户要求是区问型需求,按?计算:其中,。, ., 眦.,一, 因为?,.,所以,;/.?. 定性需求信息规范化 对于定性需求信息的规范化,本文采用方法进行处理。由于此过程比 较复杂,为条理清晰,下一节将从方法的简介述起。 .. 方法的描述 品质功能配置是从用户立场出发定义客户需求的一种方法,将这些 用户需求按优先顺序排序,再将其转化成工程要求定量要求,然后建立满足 需求的相应目标。也给出了一种定义待解决的“正确”问题确定范围 的工具,即用一些列矩阵来组织信息和文件【“。其中每一个矩阵就称为品质屋。 最初由 提出的,三菱的 于世纪年代首 次将其应用于大型复杂轮船的后勤管理设计中,壬见在已经有多种产业都采用了 ,包括汽车业和电子行业。支持基准设定和客户需求分析过程,最大 限度地提高产品质量。这意味着从客户的体验中总结经验教训,阶调客户需求上海大学硕士学位论文 和工程可实现性。同时,意味着协调应用不同的学科知识努力创建整个产品。 的一个最用价值的、也是最易于获得的成效是要求客户将其偏爱按照“相 对重要性”的顺序进行排序,其结果是排列出客户认为最重要的和最不重要的 队列,便于设计人员参考。 品质屋的构成【如图.所示。 ? ’??? ??‘ ? ? ? ?”一 ?? 一? 一。 ~一 ? 图. 品质屋的构成 图中数字的含义解释如下: ?用户需求及其权重:它是品质屋最基本的输入。 ?产品技术特征:为了满足获取的用户需求而必须予以保证和实施的最终 产品所应具有的技术特征,是用户需求赖以实现的手段和措施。 ?用户需求与产品技术特征之间的关系矩阵:表明了产品技术特征和用户 需求的相关程度。 ?市场竞争性评估。?产品技术特征之间的相关矩阵 ?技术竞争性评估。?技术特征重要度及目标值的确定。 .. 法和信息熵法确定用户需求权重 用户需求的权重是在规划过程中有效地分配资源和进行决策的重要依 据,它表明了客户对各个产品属性的重视程度和偏好。它对于后续阶段的配 置 决策有着重要的作用。。 在用户需求权重的确定上,主要有专家打分法和用户调查法两种途径‘ 专家打分法带有主观性,易造成偏差。用户调查法会增加成本、加长产品开 发 周期,也不易形成正确一致的结论。因此,应该把用户调查获得的用户需求权 重作为基本权重,再与其它的权重信息融合在一起。本文研究中把用户需求最 终权重确定为由用户调查所获得的基本权重和根据市场竞争性评估分析获得的 竞争优势作为修正用户需求权重两部分的合成。 首先用层次分析法 确定用户需求基本权重;然 后,确定考虑市场竞争性评估的用户需求修正重要度。 法确定用户需求基本权重 法是由美国运筹学家..最先提出来的【】,该方法的主要功能为: 将要研究的问题所含的各类因素按一定隶属关系分为相互联系的若干层次,再 利用特定的数学方法来计算和确定每一层次的因素相对重要程度及其权重值, 最后以计量值从高至低排出主次顺序来分析解决该问题的实质,并得出正确的 结论。法的基本步骤如下【】: ?建立评价模型:将客户需求进行分解组合,建立递阶层次结构。各层次 间的递阶结构及各需求的从属关系可用框图的形式来表述,该框图称为层次结 构图。图.是压接机的用户需求层次结构图。 ?构造判断矩阵:在上述评价模型中,每一层次所含各因素均可用上一层 次的一个因素作为比较准则来作相互比较,为方便起见,往往采用两两比较 的 形式进行。当以上一层次某因素作为比较准则时,可用一个比较标准.,来表 述某一层次中第个元素与第个元素的相对重要性。,,的取值一般取正整数 ??及其倒数。这样的构成的矩阵称为比较判断矩阵。。有关.,取值 的规则如下:。,以上~层次某因素为准则,本层次因素与因素相比, 具有同等重要性;,以上一层次某因素为准则,本层次因素与因素相 比,比稍微重要;.., 以上一层次某因素为准则,本层次因素与因素 相比,比明显重要:,以上一层次某因素为准则,本层次因素与因素上海人学 硕十学位论文 相比,比强烈重要:,以上一层次某因素为准则,本层次因素与因素 相比,比极端重要。 , 。取值也可取上述各数的中值,, 及其倒数。此外,若因素与因 素比较得?,则因素与相比较可得一/。 ?层次单排序及其一致性检验:对于每一个比较判断矩阵,显然可对应 。 一个特征方程? 求解特征方程的最大特征根五。对应的特征向量,然后将特征向量 归一化,得到的向量即可认为是同一层次各因素以上一层次因素为比较准则 时作相互比较后的权重。这一过程称为层次单排序。为了避免出现甲比乙极 端 重要,乙比丙极端重要,而丙又比甲极端重要的情况,在对每一层次作单排序 时,均需作一致性检验。进行一致性检验可通过计算一致性比例..来决定, 即 .:旦, .血攀 式中:.为计算一致性比例:..为一致性指标;..为平均随机一致性 指标;九。,为特征方程的最大特征根;为比较判断方阵的阶数,也即该 层次所含的因素个数。..的取值见表。若...,则认为该层次单排序 的结果有满意的一致性,否则需要调整的元素取值。 表.平均随机一致性指标 .. . . . . . . 用信息熵的方法确定用户需求最终重要度 考虑市场竞争性评估来修正用户需求重要度。当用户对一些产品或是厂家 不同用户需求进行评估时,若各个厂家在此需求上的评估值比较一致,那么 该 项需求应该给予较多的重视,从而赋予较高的改善优先级。由此看出,确定用 户需求项改善优先序中的考虑依据与信息熵的概念非常一致【】。 熵是信息论中的一个基本概念,表示一组不确定事物中提供信息量的多少, 上海人学硕士学位论文 是随机事件中信息的量度。对于一个离散概率分布,..,。中所包含的信息 熵概念认为:。波动越大,意味着其中含有较丰富的信息;.波动越小,则其 中的信息量也越小。进一步地,这种用于信息量测度的信息熵由仙 。 农’定义为:?,。一庐毛,,, 其中九苦 可以看出’一,。越大,包含在一,中的信息量就越少。如果任何一个 .,其余的都是等于零,则,一,。,因为这时我们可以对结果作出决 定性预言,而不存在任何不确定性;反之,如果事先对结果一无所知,则所有 的。都相等,这时,.一, 达到极大值。对于项客户需求个厂家进行 市场竞争性评估获得的评估矩阵中包含了关于这项客户需求的信息。因而 可以把熵作为一种手段来进行用户需求改善优先序的确定。对于用户需求项 .,用户对个厂家进行竞争性评估的结果为’?,令。??,把 “/.看作是个厂家关于,的离散概率分布子样,因此把关于。评估信息的熵可 以定义为,一九?一九??/。/。,对 .进行归一化处理:,./?。,就可以获得相应的向量 ,.,。。当不考虑其他因素时,该向量表达了从市场竞争性评估角度出发 用户需求项改善的相对优先序。因此可以作为用户需求基本权重的修正。对 用 户需求基本权重和修正重要度进行合成,即可以得到用户需求的最终权重向 量 ?.,:。.。 ..实例 以全自动线束机中压接部件用户需求信息为例,来说明用户需求权重的求 上海大学硕士学位论文 解过程。 建立用户需求层次信息结构图,如图.。 求解用户需求基本权重 把第~层的用户总需求作为第二层的比较准则,根据调查分析用户需求可得 比 较判断矩阵如表?。 通过求矩阵的特征向量,并作归一化处理,得到的向量就是总需求 作为比较准则下的第二层各类用户需求的权重。 图.压接部件用户需求层次结构图 表?比较判断矩阵 。 / / / / // / / / 其中,为第二层的第类用户需求;.为适用范围::为主要参数范围;, 为主要性能:。为辅助性能;,为其他要求。上海人学硕二仁学位论文 . ‘ 归一化处理后的向量为: . . . 其中五。。.;...;...;....。 把第二层的各类用户需求分别作为比较准则,则得到第三层各项用户需求在 第 二层比较准则下的权重。比较判断矩阵为表?所示。 表?比较判断矩阵/ / 】 / / 其中。为定位精确;:为调节精确;,为振动小:。为噪声低。 . . 同理归一化处理后的向量为: . . 其中五一;..;...;...。 用得到的两个向量的对应项相乘,就得到主要性能下的四项具体用户需求 相对于用户总需求的权重,作为用户需求的基本权重。结果如下: ,,,.,.,.,. 求解最终用户需求权重 根据主要性能中的四项用户需求,对四个厂家进行调查,获得竞争评估矩阵 为:上海大学硕士学位论文 . . . . , . . 【】 . . .. . . 利用信息熵对评估矩阵进行分析: ..... /./. .;】 .; .;. 第一项用户需求,的评估信息熵为: 。:一丸宝% ...?邶.. . 同理::. ,:. 。:. 因此?,,.,.,.,. 由.。,得到四项用户需求的最终权重为: . ,.,. ,. 由此可知,用户对压接部件中定位精度,调节精度,振动和噪声需求的最 终权重分别为.,.,.,.。 .本章小结 本章介绍了用户需求的概念和特点,并建立了用户需求分析模型。重点研 究了用户需求转化技术。讨论了用户需求信息定量和定性规范化处理的方 法。 用方法处理定性需求信息时,采用了和信息熵法相结合的方法确定用 户需求最终的权重,并结合实例进行了说明。上海大学硕士学位论文 第四章面向设计需求功能的概念产品方案 求解与评价 .引言 概念设计是以用户需求为出发,生成概念产品的一系列有序的设计活动, 它是产品设计中最重要、最不确定的阶段,也是产品形成价值过程中最有决 定 意义的阶段。它决定了产品的基本特征和主要框架,在它结束之后,设计的主 要方面己经被决定,而后续的过程只是保证概念设计的结果更具体化,以便更 好地完成用户功能的实现。 .概念产品方案求解 在产品概念设计中,从设计需求功能到生成概念产品,是一个从抽象到具 体,逐步精化、进化与展开的推理与决策过程。在宏观上表现为功能分析、原 理求解和结构求解三个集合之问的逐级映射‘】。如图.所示。由用户需求得 到的设计需求功能,进行功能分解;由分解的子功能找出匹配的单元原理零部 件????二一 料?》封嚣 一一一二一一一一一一一二一一一一?二,一 图.功能、原理、结构映射图 解:由每一个单元原理解所承载的功能和所起的作用,推理出所对应的物理零 部件的一系列特征单元。根据“功能特征构形禁区”‘均造其非功能表面 自由表面,从而生成其零部件的基本外形结构;以单元原理解之间的连接关 系及单元解所承载的配合功能和所起的作用作为输入,将它们转化为一系列装 配特征和装配约束,完成产品的装配结构布局,从而形成概念产品。 上海犬学硕一学位论文 ..功能分析 产品功能分析法”是一种强有力的设计技术,它是以用户为中心的设计技 术,功能的分解为概念爆发提供了更多的空间。也能降低系统的复杂程度,以 利于设计决策。 由用户需求得到的设计需求功能,是设计过程中设计人员面对的设计需求 总功能。对于该总功能,不可能也现实立即找到单一的实体结构来满足它,需 要进行分层的功能逐级递阶分解,形成具有一定层次结构的功能模型。当产品 功能分析清楚后,新产品的概念就可以根据“如何用不同的方式和形态实现这 些功能”而产生出来。 本文站在系统整体的高度,利用功能分解法将设计需求功能自上而下依次 分解成三层,即总功能、子功能和功能元,形成产品的功能结构树,如图. 所示。它们也构成了产品概念设计过程的功能层次结构或功能视图。其中,不 同抽象程度的功能表示处于不同的层次,下一层次的功能和上一层次的功能之 间有从属关系。最顶层是总功能,是进行求解的产品功能。位于最底层的是功能 元,它是功能结构中最基本的功能对象。子功能位于功能层次结构的中层,是 图.功能结构树 总功能中包含多项功能元的一部分,当然,功能分解不可能无休止地进行下去, 那么功能分解至什么程度为最好这就是功能“粒化问题” 一般来说功能 “粒化”的过细,则将导致由功能到结构形式映射算法和结果相当庞大,以致 根本无法进行下去。反之,若“粒化”的过粗,则又可能失去一些真正具有创 造性的设计概念。最佳的功能“粒化”程度是只要能够求得子功能的技术原理 解作为分解依据,如果某一个子功能的实现可以找到确定的物理作用原理和相上海大学硕士学位论文 应的物理结构,那么,这个子功能就是一个功能元。否则,为一子功能,并需 要继续分解成多个功能元。如下图所示全自动线束机中压接部件进行功能 分解结果。 图.压接部件功能分解 ..概念产品原理结构建模 以设计需求为起点进行产品原理结构建模是概念设计阶段的重要一环,它 为以后的概念产品方案评价、修改、仿真提供了基础。 概念设计过程中的功能??结构模型 上一节功能分析是从功能角度对产品的分解形成了具有明显层次关系的机 械产品功能视图。但是机械功能需要通过物理结构实现,建立功能到结构的 映 射来形成产品功能??结构对应关系,不同的功能层次又对应着不同的结构, 从而产品的功能视图和结构视图存在一定的对应关系。这种从功能到结构的对 应关系就构成了功能??结构本体库【”,它是一种方法库。由功能分解、功能 视图和本节的结构视图就可以建立产品设计过程功能??结构模型卜模型, 如图.所示。 功能视图中的功能转换器【弋表用来进行功能分解的转换过程,而结构视 图中的系统、子系统、系统元分别代表上面所说的产品、子系统或子装配体、 部件。在宏观上,功能视图和结构视图都是具有层次化的树状结构。通过功能 和结构两个映射机制,将功能到结构的过程限定在一个特定的领域范畴内,避 免了功能到结构的映射发散性。上海人学硕士学何论文 图. 产品设计过程功能??结构模型 产品原理结构模型的描述 上述功能??结构模型中的结构视图,实际上是对结构视图上的一种原理, 称之为产品原理结构模型表达。由功能视图通过映射机制依次得到产品结构视 图中对应的全部子系统或系统元解的工作原理后,将这些工作原理组合到一起 就构成了产品功能视图中的总功能的功能载体??系统的解,印产品原理结构 模型。它是对产品设计需求功能在原理上的理论描述和结构上的表达,也是所 有工作原理及其组成部分之间配合关系的抽象集合。它由多个工作原理组成, 每个工作原理又包含实现该工作原理的功能面、原理构件和功能联接件。原理 组件和功能联接件通过功能面相互耦合,形成实现产品总功能的工作原理。 用标准定义的语言四对产品原理结构模型的对象表达为: ?。原理结构。 ?:;//产品名称 :;//产品规范说明 :: ://产品功能 :: ;//原理构件 :: ;//功能联结上海大学硕十学位论文 : ;//原理草图?工作原理 从功能分解到求解功能载体的整个过程是从一般的科学原理,经过应用技 术原理,然后寻求实现该原理的技术手段、主要结构的过程。其中科学原理和 技术原理统称为工作原理。工作原理包含物理效应和功能载体两方面内容, 物 理效应泛指普遍规律性的结果,包括科学定理、定律和法则。功能载体是指实 现物理效应的物理实体,它的构成可以用属性和材料来描述。 表达工作原理如下: ?;工作原理 :://名称 :; //对工作原理的描述 :: ?;//物理效应 :: ?;//实现物理效应的实体::;//物理属性 :: ?;//定理、定律、法则?原理构件 原理构件一方面可以定义为功能元的载体,它承载了产品功能的信息,另 一方面又可以看成是零部件几何形状的抽象,它同时又包含了产品的几何信息, 这样原理构件就将功能与形状融为一体,在功能与形状之间建立起信息的桥梁, 使得功能信息通过原理构件传递到下游的设计中,在原理构件的基础上进行零 部件几何形状的详细设计。 表达原理构件的对象如下: ?;原理构件 :;//名称 拈? ? .. 三 / .? ?怡 凡眦 豇旺 .. 述吓/ 描铂 ; //原理构件具有的功能上海人学硕士 学位论文 :: 一://组成原理构件的实体 ??;//实 ~:’【:引 体问的关系 :: ;//构件所尊循的工 作原理 ?:: ?;//构件所包含功能面 :: ??;// 功能面之间拓扑关系 //原理构件的最小几何表示 :?: 』; ?功能联结 为了得到实现总功能的整个产品原理结构,原理组件之问需要进行相互联 结。我们把原理构件之间的这种相互联结的关系用一个对象的概念来表达, 称 为功能联结。它指实现预期功能要求的原理构件之间的一种配合特征单元。 它 包含一定约束配合方式和相关的物理实体,使得原理构件之间能相互协调, 共 同完成预期的功能要求。 在机械产品的设计中,根据约束功能特性的不同,功能联结可分成固定联 结如螺栓联接、运动联结如滚动轴承和传动联结如同步带传动三种 类型。 功能联结的对象表达如下:叫一功能联结 :://名称 :; //描述 ;//联结的类型 :一 ?;//与 ?: 联结相关的两构件? ? 叽 舛 眦 ? 洲 ‖与联结相关的两 胡 一 面 功?能上海人学硕士学位论文 ? //功能面之间配合关系 ?;//形成联结 ?:: 的实体:: ?;//联结对应的形状 特征 : ://功能联结的符号表示 ?; ?功能面 系统功能的工作原理是由一系列的功能载体之间合理联接、相互配合而共 同完成的。就几何形状而言,系统功能要求由功能载体某些表面来承担。例 如, 滑块的导轨表面、轮毂与轴的配合柱面等,它们都可以完成特定的功能,把这 些承担系统功能要求的关键表面,称为功能面。 在一个零部件上,功能面可以变化的参数有形状、位置、火小、方向、数 量,以及面与面之间的空间拓扑关系,这些参数的变化将直接影响其所实现 功 能的变化,因此功能的要求决定了功能面参数的取值,它们之间存在内在的 联 系。功能面和功能面关系表达如下: ;功能面 :??;//功能面类型:联结面、工作面 :??;//形状 :://位置 ; : //方向 ;//尺寸参数 :】:概念产品方案求解过程模型 根据以上分析和描述,可以得到基于设计功能的概念产品方案求解过程: ?建立功能视图;?探索工作原理;?生成原理构件和功能联结;?建立原理 结构;?生成初始零部件形状;?生成概念产品方案。 上海大学硕士学位论文 按照以上步骤建立的概念产品方案建模过程可以用系统结构化分析图 来描述,如下图.所示。 图.概念产品方案求解过程模型图 .概念产品方案评价 从设计功能分解后生成的概念产品方案是对用户需求的结构化、基本的、 粗略的但却是全面的展示,也是衡量验证所设计的产品能否满足用户需求目 标 的主要手段。但是,由于生成的概念设计方案的多解性,必须选出最优方案。 建立全面具体的评价指标,通过方案对比与专家调查或历史数据获得相关指 标 的信息。然后对各个候选方案进行评价,最后根据评价结果进行决策,得到比 较满意的设计方案。 .方案评价决策指标体系的建立 由于影响方案的因素众多,任何一项指标只能反映概念产品的一个方面, 而要客观、全面地反应具全部情况,就需要一组指标。这些指标互相联系, 又上海大学硕士学位论文 互相制约,构成一个体系,即指标体系。它是对设计方案进行评价的依据和 标准。 方案评价指标体系一般包括技术指标、经济性指标和社会指标,这三个 方面的指标。可以建立概念产品方案评价指标体系.如下图.所示。 投东箍橱 人 功能 帆 性能 时间 成本 燕 鞲孙龠 终扩社 霹准纯 环澡性 节能性 参数 工艺牲 甜琏海 楚梅能腰 强 宴: 产。 艇 鬈黎磊一馨 粥 性 方诬?蠼 耗 等忾等性 麈 缱 【