CN110348747B - 一种产品设计的集约化设计方法及系统 - Google Patents

一种产品设计的集约化设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种产品设计的集约化设计方法，获取客户需求参数；根据客户需求检索设计知识重用库；根据检索匹配结果，判断重用或设计新方案；基于CR‑FBS模型，根据客户需求修改或设计新方案；评价产品设计新方案；根据评价结果判断应用或修改方案；将方案录入设计知识重用库；输出设计方案。本发明还公开了一种产品设计的集约化设计系统,能帮助新产品快速设计，实现产品功能与组装的有机集中。在建立基于客户需求CR的FBS模型的基础上，综合利用形态分析法与价值分析法实现产品功能的集约，缩短产品集约化设计的周期，提高产品集约化设计的效率。

Description

一种产品设计的集约化设计方法及系统
技术领域
本发明涉及产品集约化设计领域，具体涉及一种产品设计的集约化设计方法及系统。
背景技术
集约化是一种新的设计理念，是设计的一个发展趋势。伴随着产品设计复杂性的日益增加，集约化生产、设计的理念在产品规划、设计与生产过程中无处不在。集约化设计有助于提高产品设计的质量与效率，实现企业的规模效益，达到降低成本的目的。但目前针对集约化并没有一个系统有效的设计方法。
构建适用的集约化设计的知识重用系统有助于产品的快速设计，设计知识的准确表达与有效检索是两大关键，但是现有技术仍有欠缺，一个适合产品集约化设计的知识重用策略对实现产品设计的集约化至关重要，对提高产品设计的效率与质量意义重大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种产品设计的集约化设计方法及系统，能够缩短产品集约化设计的周期，提高产品设计的效率与质量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种产品设计的集约化设计方法，其特征是，
1)获取客户需求参数；
2)根据客户需求检索设计知识重用库；
3)根据检索匹配结果，判断是否重用设计方案，若重用设计方案，转8)，若修改方案参数或设计新方案，转4)；
4)基于CR-FBS模型，根据客户需求修改或设计新方案；
5)评价产品设计新方案；
6)根据评价结果判断是否应用，若应用，转7)，若不能应用，修改后转5)；
7)将方案录入设计知识重用库；
8)输出设计方案。
进一步地，所述检索设计知识重用库的方法具体为：
基于规则的推理对产品的型号及其他非数值参数的内容进行匹配；
基于案例的推理对匹配的具体方案的规格数值参数进行相似度计算；
相似度最高的方案为最终的匹配设计方案。
进一步地，所述相似度计算的方法具体为：
设输入参数实例N＝{n1，n2，...ni}，设计知识重用库已有实例M＝{m1，m2，...mi}，其中，ni，mi代表设计参数；
第i个参数ni和mi的相似度计算：
Figure GDA0003292823610000021
输入参数实例与设计知识重用库已有实例的相似度计算：
Figure GDA0003292823610000022
其中wi是设计参数的相对权重，权重之和等于1。
进一步地，设计新方案的方法具体为：
41)建立客户需求CR与功能需求F的映射，通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案；
42)建立行为-结构集映射，通过质量功能展开建立客户需求CR与产品结构S之间的CR-S关联度矩阵SCR，通过计算得到产品的组装集约化方案；
43)将产品的功能集约方案与组装集约化方案汇总，形成产品集约化设计方案。
进一步地，所述通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案的方法具体为：
建立产品功能矩阵：[F1，F2…，Fm，δ1Fm+1，δ2Fm+2...，δnFm+n]，F为产品功能，m，n分别表示核心功能与辅助功能的数量，δi为系数，当该辅助功能被选择时，δi＝1，当该辅助功能未被选择时，δi＝0；所有的功能集约方案通过排列组合最多可以形成L种产品，
Figure GDA0003292823610000031
其中，Ti为需求总数量为i时所有可能满足需求的功能数，i＝1，2，3，…m+n；
对每种组合方案的功能进行相容性分析，分析各个功能间的实现是否冲突，剔除技术不相容或不满足约束条件的功能，利用价值分析法对入选方案进行评价，分析具体产品方案功能的使用价值、性能、效用及其满足用户需要的程度，筛选最佳功能集约方案。
进一步地，所述计算得到产品的组装集约化方案的方法具体为：
计算比较产品结构S之间的相对重要性rTIW：
TIWi＝SCRj×wCRi；
Figure GDA0003292823610000032
Figure GDA0003292823610000033
wCOVi＝rTIWi×VCi；
其中，i表示设计矩阵中的结构数量，TIWi是产品结构重要度，SCRj表示客户需求与产品结构之间的相关值，wCRi是客户需求权重，VCi是产品结构的变异系数，ECj是顾客需求的预期变化值，wCOVi是产品结构的变异系数重要度；
根据产品结构的变异系数重要度wCOVi规划产品的模块，wCOVi＜30％为基础通用模块B，30％＜wCOVi＜60％为定制模块C，60％＜wCOVi＜100％为个性化模块P。
本发明还提供了一种产品设计的集约化设计系统，其特征是，包括：
设计任务管理模块：用于实现设计任务的创建、编辑与查询功能；
设计知识管理模块：用于对设计知识进行收集与存储，包含设计知识录入、查询与编辑修改功能；
辅助功能模块：用于实现个人信息、设计知识或任务的收藏，以及个人操作的设置。
进一步地，所述设计任务管理模块包括：
获取客户需求的客户需求参数录入模块；
存储设计方案的设计知识重用库；
基于CR-FBS模型的新方案设计模块；
输出产品设计方案的设计方案输出模块。
本发明的有益效果是：
本发明通过一种产品设计的集约化设计方法及系统，帮助新产品快速设计，实现产品功能与组装的有机集中。在建立基于客户需求CR的FBS模型的基础上，综合利用形态分析法与价值分析法实现产品功能的集约，通过质量功能展开(QFD)实现产品组装集约；通过基于本体的知识重用技术构建集约化设计知识重用系统，结合框架的本体表达方法以及混合推理技术实现产品集约化设计的知识重用，缩短产品集约化设计的周期，提高产品集约化设计的效率。
附图说明
图1是本发明产品设计的集约化设计方法的流程示意图；
图2是本发明产品设计的集约化设计系统的结构示意图；
图3是本发明实施例的焊机关键部件图；
其中，1-后面板，2-底板，3-滚轮，4-前面板，5-旋钮，6-拨断开关，7-功能选择旋钮，8-数显表，9-共模电感，10-电解电容，11-滤波电感，12-IGBT模块PCB板，13-IGBT模块，14-输出电抗器，15-主变压器，16-空气开关，17-PWM板，18-主控板，19-变压器，20-绝缘柱，21-全封闭风道，22-焊接电缆，23-压力表，24-气管，25-气瓶，26-送丝机，27-焊枪。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
本发明提供了一种产品设计的集约化设计方法，该方法流程图如图1所示。
一、系统创建集约化设计新任务。
二、通过客户需求参数录入模块获取客户需求参数。
三、根据客户需求检索设计知识重用库。
所述检索方法可以是基于规则的推理(CBR)与案例的推理(RBR)的混合推理。由于产品类型等非数值参数涉及的知识繁杂，无法精确的理论模型，因此首先采用基于规则的推理(RBR)对产品的型号及其他非数值参数的内容进行匹配；然后基于案例的推理(CBR)对检索出的具体方案的规格等数值参数进行相似度计算，相似度最高的方案为最终的匹配设计方案。
相似度计算的方法具体为：
设输入参数实例N＝{n1，n2，...ni}，设计知识重用库已有实例M＝{m1，m2，...mi}，其中，ni，mi代表设计参数；
第i个参数ni和mi的相似度计算：
Figure GDA0003292823610000061
输入参数实例与设计知识重用库已有实例的相似度计算：
Figure GDA0003292823610000062
其中wi是设计参数的相对权重，权重之和等于1。
四、根据检索匹配结果，判断是否重用设计方案，若重用设计方案，通过设计方案输出模块将设计方案输出；若不能重用设计方案，则进行修改或新方案设计，新方案设计基于CR-FBS模型进行：
1)建立客户需求CR与功能需求F的映射，通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案；
首先，建立产品功能矩阵：[F1，F2…，Fm，δ1Fm+1，δ2Fm+2...，δnFm+n]，F为产品功能，m，n分别表示核心功能与辅助功能的数量，δi为系数，当该辅助功能被选择时，δi＝1，当该辅助功能未被选择时，δi＝0；所有的功能集约方案通过排列组合最多可以形成L种产品，
Figure GDA0003292823610000063
其中，Ti为需求总数量为i时所有可能满足需求的功能数，i＝1，2，3，…m+n；
然后，对每种组合方案的功能进行相容性分析，分析各个功能间的实现是否冲突，剔除技术不相容或不满足约束条件的功能，利用价值分析法对入选方案进行评价，分析具体产品方案功能的使用价值、性能、效用及其满足用户需要的程度，筛选最佳功能集约方案；
2)建立行为-结构集映射，通过质量功能展开建立客户需求CR与产品结构S之间的CR-S关联度矩阵SCR，通过计算得到产品的组装集约化方案；
计算比较产品结构S之间的相对重要性rTIW：
TIWi＝SCRj×wCRi；
Figure GDA0003292823610000071
Figure GDA0003292823610000072
wCOVi＝rTIWi×VCi；
其中，i表示设计矩阵中的结构数量，TIWi是产品结构重要度，SCRj表示客户需求与产品结构之间的相关值，wCRi是客户需求权重，VCi是产品结构的变异系数，ECj是顾客需求的预期变化值，wCOVi是产品结构的变异系数重要度；
根据产品结构的变异系数重要度wCOVi规划产品的模块，wCOVi＜30％为基础通用模块B，30％＜wCOVi＜60％为定制模块C，60％＜wCOVi＜100％为个性化模块P；
3)将产品的功能集约方案与组装集约化方案汇总，形成产品集约化设计方案。
五、评价产品设计新方案。
对总的产品集约化方案进行模糊综合评价，根据评价结果判断是否应用，若应用，则将设计方案录入设计知识重用库，通过设计方案输出模块输出，若不能应用，则将方案修改后重新进行评价。
如图2所示，本发明还提供了一种产品设计的集约化设计系统，包括设计任务管理模块、设计知识管理模块和辅助功能模块。
设计任务管理模块：用于实现设计任务的创建、编辑与查询功能；
设计知识管理模块：用于对设计知识进行收集与存储，包含设计知识录入、查询与编辑修改功能；
辅助功能模块：用于实现个人信息、设计知识或任务的收藏，以及个人操作的设置。
其中，设计任务管理模块还包括获取客户需求的客户需求参数录入模块；存储设计方案的设计知识重用库；基于CR-FBS模型的新方案设计模块；输出产品设计方案的设计方案输出模块。
下面以某型号逆变式电弧焊机的概念设计过程为例具体说明上述方法及系统。
具体步骤如下：
表1客户需求-功能需求映射结果
Figure GDA0003292823610000081
建立客户需求与功能需求的映射，表1为客户需求-功能需求映射结果。
通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案。对满足客户同一需求的多种功能建立形态学矩阵，见表2，通过排列组合可得到18种功能组合方案，通过专业人士对各功能需求间的相容性及各功能的价值分析筛选出的最佳功能集约方案。本发明对表2中三种需求的最终功能选择：STT功能，自保焊，氩弧自动焊接。
表2部分客户需求及对应的可选功能类型
Figure GDA0003292823610000091
建立FBS中的“B-S”行为-结构集映射，见表3，通过质量功能展开QFD建立客户需求CR与对应结构S之间的关联度矩阵，通过计算得到产品组装集约化方案，见表4。
表3功能-行为-结构映射结果
Figure GDA0003292823610000092
表4电焊机产品结构的模块分类
Figure GDA0003292823610000093
Figure GDA0003292823610000101
根据电焊机的具体结构(如图3所示)，结合表2中部分结构部件的模块类型划分结果，最终建立电焊机的具体组装集约的方案，见表5。
表5电焊机模块规划与零部件关系
Figure GDA0003292823610000102
汇总电焊机的功能与组装集约化方案，直接应用或修改后应用。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种产品设计的集约化设计方法，其特征是，
1)获取客户需求参数；
2)根据客户需求检索设计知识重用库；
3)根据检索匹配结果，判断是否重用设计方案，若重用设计方案，转8)，若修改方案参数或设计新方案，转4)；
4)基于CR-FBS模型，根据客户需求修改或设计新方案；
设计新方案的方法具体为：
41)建立客户需求CR与功能需求F的映射，通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案；
所述通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案的方法具体为：
建立产品功能矩阵：[F1，F2…，Fm，δ1Fm+1，δ2Fm+2...，δnFm+n]，F为产品功能，m，n分别表示核心功能与辅助功能的数量，δi为系数，当该辅助功能被选择时，δi＝1，当该辅助功能未被选择时，δi＝0；所有的功能集约方案通过排列组合最多可以形成L种产品，
Figure FDA0003292823600000011
其中，Ti为需求总数量为i时所有可能满足需求的功能数，i＝1，2，3，…m+n；
对每种组合方案的功能进行相容性分析，分析各个功能间的实现是否冲突，剔除技术不相容或不满足约束条件的功能，利用价值分析法对入选方案进行评价，分析具体产品方案功能的使用价值、性能、效用及其满足用户需要的程度，筛选最佳功能集约方案；
42)建立行为-结构集映射，通过质量功能展开建立客户需求CR与产品结构S之间的CR-S关联度矩阵SCR，通过计算得到产品的组装集约化方案；
所述计算得到产品的组装集约化方案的方法具体为：
计算比较产品结构S之间的相对重要性rTIW：
TIWi＝SCRj×wCRi；
Figure FDA0003292823600000021
Figure FDA0003292823600000022
wCOVi＝rTIWi×VCi；
其中，i表示设计矩阵中的结构数量，TIWi是产品结构重要度，SCRj表示客户需求与产品结构之间的相关值，wCRi是客户需求权重，VCi是产品结构的变异系数，ECj是顾客需求的预期变化值，wCOVi是产品结构的变异系数重要度；
根据产品结构的变异系数重要度wCOVi规划产品的模块，wCOVi＜30％为基础通用模块B，30％＜wCOVi＜60％为定制模块C，60％＜wCOVi＜100％为个性化模块P；
43)将产品的功能集约方案与组装集约化方案汇总，形成产品集约化设计方案；
5)评价产品设计新方案；
6)根据评价结果判断是否应用，若应用，转7)，若不能应用，修改后转5)；
7)将方案录入设计知识重用库；
8)输出设计方案。
2.根据权利要求1所述的产品设计的集约化设计方法，其特征是，所述检索设计知识重用库的方法具体为：
基于规则的推理对产品的型号及其他非数值参数的内容进行匹配；
基于案例的推理对匹配的具体方案的规格数值参数进行相似度计算；
相似度最高的方案为最终的匹配设计方案。
3.根据权利要求2所述的产品设计的集约化设计方法，其特征是，所述相似度计算的方法具体为：
设输入参数实例N＝{n1，m2，...ni}，设计知识重用库已有实例M＝{m1，m2，...mi}，其中，ni，mi代表设计参数；
第i个参数ni和mi的相似度计算：
Figure FDA0003292823600000031
输入参数实例与设计知识重用库已有实例的相似度计算：
Figure FDA0003292823600000032
其中wi是设计参数的相对权重，权重之和等于1。
4.一种产品设计的集约化设计系统，其特征是，包括：
设计任务管理模块：用于实现设计任务的创建、编辑与查询功能；
设计知识管理模块：用于对设计知识进行收集与存储，包含设计知识录入、查询与编辑修改功能；
辅助功能模块：用于实现个人信息、设计知识或任务的收藏，以及个人操作的设置；
所述设计任务管理模块包括：
获取客户需求的客户需求参数录入模块；
存储设计方案的设计知识重用库；
基于CR-FBS模型的新方案设计模块；
输出产品设计方案的设计方案输出模块；
新方案设计模块设计新方案的方法具体为：
建立客户需求CR与功能需求F的映射，通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案；
所述通过形态学矩阵与相容性分析得到功能集约方案的方法具体为：
建立产品功能矩阵：[F1，F2…，Fm，δ1Fm+1，δ2Fm+2...，δnFm+n]，F为产品功能，m，n分别表示核心功能与辅助功能的数量，δi为系数，当该辅助功能被选择时，δi＝1，当该辅助功能未被选择时，δi＝0；所有的功能集约方案通过排列组合最多可以形成L种产品，
Figure FDA0003292823600000041
其中，Ti为需求总数量为i时所有可能满足需求的功能数，i＝1，2，3，…m+n；
对每种组合方案的功能进行相容性分析，分析各个功能间的实现是否冲突，剔除技术不相容或不满足约束条件的功能，利用价值分析法对入选方案进行评价，分析具体产品方案功能的使用价值、性能、效用及其满足用户需要的程度，筛选最佳功能集约方案；
建立行为-结构集映射，通过质量功能展开建立客户需求CR与产品结构S之间的CR-S关联度矩阵SCR，通过计算得到产品的组装集约化方案；
所述计算得到产品的组装集约化方案的方法具体为：
计算比较产品结构S之间的相对重要性rTIW：
TIWi＝SCRj×wCRi；
Figure FDA0003292823600000042
Figure FDA0003292823600000043
wCOVi＝rTIWi×VCi；
其中，i表示设计矩阵中的结构数量，TIWi是产品结构重要度，SCRj表示客户需求与产品结构之间的相关值，wCRi是客户需求权重，VCi是产品结构的变异系数，ECj是顾客需求的预期变化值，wCOVi是产品结构的变异系数重要度；
根据产品结构的变异系数重要度wCOVi规划产品的模块，wCOVi＜30％为基础通用模块B，30％＜wCOVi＜60％为定制模块C，60％＜wCOVi＜100％为个性化模块P；
将产品的功能集约方案与组装集约化方案汇总，形成产品集约化设计方案。
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Assignor: Qilu University of Technology

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Denomination of invention: A Intensive Design Method and System for Product Design

Granted publication date: 20211126

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