面向可重构制造系统的产品族设计技术研究

论文摘要

可重构制造系统(Reconfigurable Manufacturing System,RMS)结合了定制生产和大规模生产的优势,必将成为21世纪最具有生命力的制造模式之一。产品族和模块化设计是可重构制造生产实施的关键支撑技术,而目前企业通常依据工程师和设计人员的经验和简单的零部件使用数量的统计分析将产品分类,缺乏一定的定量分析和科学依据,并且不够直观。因此,在产品模块化设计的基础上,进行产品族的设计,得到多种可行的产品族的分类方式,从中选出最合适的产品族分类方法,将产品族模型的设计与可重构制造系统的设计结合起来,就成为了亟待解决的问题。本文首先对产品族在可重构制造系统中扮演的重要角色进行了阐述,对可重构制造系统的现状及其发展趋势、产品族设计的现状及发展趋势,进行了分析,得出了在目前产品族分类中所遇到的问题。其次,对制造系统的相关理论进行了论述,对产品族的概念及其产品族的属性进行了分析,证实了以这些属性作为产品族分类方法的可行性。随后,对产品模块化设计的理论基础、模块化的设计方法进行了分析,并通过对描述性算法、数学规划算法、聚类算法及人工智能算法等这些数学算法的优缺点分析,根据本文对产品族研究问题的特点,得出相比其它算法应用平均连接算法的能较好的解决问题。重点对产品族设计方法进行了研究,提出了一个基于产品属性的产品族分类方法。这种方法是:先将产品的各个属性特征进行量化形成相关矩阵,运用层次分析法得出各个属性的权重向量,由此得到产品的综合系数矩阵,并运用平均连接聚类算法对综合系数矩阵逐步拟合,直到将全部产品拟合成一个产品族,最终将拟合的结果在柱状图中表示出来。在以上研究的基础上,本文以某企业的摩托车和主板产品为例,对提出的算法进行了验证。算例生成了多种产品族的分类方式,并将拟合结果在柱状图中清晰、直观的显示出来,在设计可重构制造系统时,可选择最适合其企业的产品族分类,从而证实了此算法的科学性、有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 制造业在21 世纪面临的挑战
• 1.1.2 RMS 是面向21 世纪的关键制造技术
• 1.1.3 产品族设计是实现可重构制造生产的重要支撑技术
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 RMS 在国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.2 产品族设计在国内外研究现状
• 1.3 拟解决的关键问题
• 1.4 本文研究意义及主要研究内容
• 1.4.1 本文研究意义
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 1.5 小结
• 2 基于产品属性的产品族建模方法
• 2.1 可重构制造系统相关理论
• 2.1.1 组态原理
• 2.1.2 拓扑相似性
• 2.1.3 重构
• 2.1.4 RMS 的基本概念
• 2.2 产品模块化
• 2.2.1 模块化设计理论基础
• 2.2.2 产品模块化设计方法
• 2.3 产品族的概念及产品属性分析
• 2.3.1 产品族的概念
• 2.3.2 产品属性分析
• 2.4 基于产品属性的产品族建模
• 2.5 小结
• 3 产品属性参数集合构建
• 3.1 产品属性相关矩阵实现
• 3.1.1 模块性系数矩阵
• 3.1.2 通用性系数矩阵
• 3.1.3 兼容性系数矩阵
• 3.1.4 可重复利用性系数矩阵
• 3.1.5 产品的需求量系数矩阵
• 3.2 综合系数矩阵建立
• 3.2.1 层次分析法概况
• 3.2.2 实现步骤
• 3.2.3 实现结果
• 3.3 小结
• 4 产品属性综合系数拟合
• 4.1 产品族规划方法研究
• 4.1.1 描述性方法
• 4.1.2 数学规划方法
• 4.1.3 人工智能算法
• 4.1.4 算法分析
• 4.2 本文采用算法
• 4.2.1 聚类算法
• 4.2.2 算法实现过程
• 4.2.3 实现结果
• 4.3 小结
• 5 工程应用算例
• 5.1 工程应用算例一
• 5.1.1 求各个产品属性的相关矩阵表
• 5.1.2 权重系数的确定及求解综合系数矩阵表
• 5.1.3 运用平均连接聚类算法拟合矩阵及画出柱状图
• 5.2 工程应用算例二
• 5.2.1 求各个产品属性的相关矩阵表
• 5.2.2 权重系数的确定及求解综合系数矩阵表
• 5.2.3 运用平均连接聚类算法拟合矩阵及画出柱状图
• 5.3 小结
• 6 结束语
• 6.1 结果与结论
• 6.2 后续工作研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录