毕业设计(论文)汽车制造面向大规模定制的产品设计方法分析(加翻译) .doc
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1、天津工程师范学院2009届本科生毕业论文1 绪论1.1研究背景和目的、意义1.1.1研究背景随着信息技术、制造技术的迅速发展和世界市场由相对封闭到日益开放的转变,现代汽车制造企业的竞争环境发生了巨大的变化,主要表现在产品生命周期缩短、客户需求多样化和个性化、交货期缩短、多品种小批量的生产比例增大和市场的动态多变等方面。国外汽车制造业随着竞争环境的变化正逐步采用大规模定制生产,汽车制造业的大规模定制生产时代正在到来。汽车企业从过去的预测型生产向按订单生产方式转变,在提高质量、满足用户定制化要求的同时千方百计降低汽车成本。这种制造模式重大转变的背景主要是:(l)汽车市场己是买方市场,用户需求变化加
2、快,企业间的竞争日益激烈。(2)用户需求多样化和个性化已是一种普遍的趋势,导致市场的多样化和细化。(3)技术更新换代速度加快,产品生命周期缩短。(4)制造的全球化,使零部件生产企业迅速发展,为整车厂的定制生产提供了价廉物美的零部件。(5)计算机及网络技术的发展,使企业与用户的交流、企业与企业的合作更加便捷。专用车品种多、批量小和变化快,从用户需求角度讲是一种个性化产品。近些年来,随着人们对环保、安全、效率和审美等方面要求的不断提高,专用车的个性化特点越来越明显1 。为了满足用户日益增长的个性化的需求,选择合适的设计和制造方式以使专用车设计效率和效益最大化显得越来越重要。 1.1.2研究目的面对
3、激烈的市场竞争,用户对产品需求趋向多样化和个性化,制造企业必须利用有限的资源,为市场提供大量的和多样化的变异产品,以满足不同的市场需求。为满足这种多样化的市场需求,同时又能缩短产品开发周期、降低开发及生产成本,很多国内外企业和学者对先进制造哲理进行了研究8 。大规模定制生产就是在这样的环境下产生的,它将表面上看似相互矛盾的观点组合起来,既具有大规模生产的高效率和低成本,又能像单件生产那样满足顾客定制需求。文章的研究目的是将大规模定制的概念和专用车设计有机的结合起来,根据项目委托企业的要求和现代设计制造技术的发展趋势,使得专用车设计满足用户日益增长的个性化需求的同时能提高企业的经济效益,以最快的
4、速度和最好的质量进行专用车总体布置设计和主要零部件的设计。1.1.3研究意义本文的研究意义在于:通过本课题的研究,对专用车设计的生产模式从传统设计方式向现代设计方式转变进行理论探索和初步实践,为面向大规模定制的专用车设计方法的研究及其实现提供参考,解决企业的TQCSE问题,即以最快的上市速度T(time to market)、最好的质量Q(quality)、最低的成本C(cost)、最好的服务S(service)及最清洁的环境E(environment)来满足顾客的个性化需求和社会可持续发展的要求,提高在加入WTO后我国专用车生产企业的竞争力。在此基础上,开发出面向大规模定制的专用车参数化设计
5、系统,为专用车的设计提供有力的工具,并产生良好的经济效益和社会效益。1.2国内外大规模定制模式的现状.1.2.1国内外学术界的研究现状大规模定制生产概念的产生,可以向前追溯到20世纪80年代15 。1980年,美国著名的未来学家阿尔温托夫勒(A. Toffler)出版了著名的著作第三次浪潮,首次提出了一种理想化的生产系统,称之为“非大量化”,意即这种生产系统能满足客户个性化的需求4 。该观点引起了许多读者特别是企业经营管理者和学者的广泛关注。1987年,美国著名教授戴维斯(S,Davis)写了未来完美的震荡(The Future Shock Perfect)一书,书中提到了托夫勒的观点和概念,
6、并对其进行了更具体的发展,并命名为“Mass Customization”15 ,即大规模定制。1993年,约瑟夫派恩二世(Joseph Pine II)对大规模定制的内容进行了完整的描述:大规模定制生产方式是一种面向客户个性化和竞争全球化而产生的新型生产方式,通过产品结构和制造过程的重组,运用现代信息技术、新材料技术和柔性制造技术等一系列高新技术,把产品的定制生产问题全部或部分转化为批量生产,以大规模的生产成本和速度,为单个客户或小批量多品种市场定制任意数量的产品,并与D.M.Andserson合作论述了为大规模定制生产开发敏捷产品的问题。在国内,“十五863”现代集成制造主题也列出了这方面
7、的研究课题20 。浙江大学祁国宁教授、顾新建教授,大连理工大学刘晓冰教授,中国科学院韩永生研究员等许多专家和学者结合中国国情对大规模定制的理论和实施应用等方面进行了大量有成效的研究7 。有关文献对大规模定制的实施方法进行了分析研究13 ,文献18 分析总结了西方企业在从产品设计、制造、装配、供应以及销售服务等产品不同生命周期阶段实现大规模定制的基本方法。从学术界的研究上看,对大规模定制生产模式的研究可以分为两个部分:研究大规模定制下产品设计开发技术与产品建模理论和大规模定制生产的企业组织与运作管理,这两个部分是相辅相成的。一方面对面向大规模定制的产品设计开发技术的研究是生产组织运作的基础,因为
8、企业生产组织的核心就是企业的产品,如何设计出适于大规模定制的产品结构并实现产品模型合理表达,是大规模定制应首先考虑的问题;另一方面,如何进行产品的开发过程的组织以及产品的生产运作是实现大规模定制的重要手段,设计方法学的理论和交付客户的定制产品都要通过先进制造理论支持的环境来实现。1.2.2企业的研究与实施现状除了学术界进行大规模定制的研究外,有关企业也进行了这方面的尝试25 ,很多国际著名的大公司,通过大规模定制生产模式为客户定制产品,获得了巨大的竞争优势31 ,面向大规模定制模式的采用已成为现代企业生产模式的主流。(1)戴尔公司戴尔公司采用了大规模定制生产模式,是个人计算机制造行业的楷模。戴
9、尔公司成品库存为零,只生产定制产品。客户可以通过拨打800免费电话或登录公司的网页,提出机器配置并经确认之后,供应商会在一小时之内将配件送到戴尔公司,公司在24小时内将定制产品装上车,送货上门,并负责安装调试。戴尔公司通过采用大规模定制模式,使其在个人计算机市场中的份额上升到第二位,销售额从1988年的159亿美元猛增到1998年的180亿美元。(2)摩托罗拉在80年代,摩托罗拉采纳了待续改善的思想,使废品率降到了3.4%,而当日本的竞争对手仍在仿效摩托罗拉的做法增强竞争力的时候,摩托罗拉公司则通过大规模定制,再次在竞争中占据了领先地拉。摩托罗拉公司开发了一个几乎全自动的制造系统,这使销售代表
10、用便携式计算机签下定单的一个半小时之内,工厂就可以制造出2900万种不同组合的寻呼机中的任何一种,这增强了摩托罗拉的竞争实力,使摩托罗拉成为美国唯一的寻呼机制造商,占有全世界市场份额的40%以上。(3)波音公司波音公司的737系列从早期的737-100发展到737-800,其中737-100为基本型,其他型号的机身加长或者缩短,或采用更先进的发动机和电子设备,使得不同型号的737客机航程和载客量各不相同,以满足不同用户的需求。如加长型737-400,载客量为156人;缩短型737-500,载客量为108人;而737-800为最近开发的型号,采用了最新技术。不同型号客机虽性能各异,但零部件绝大部
11、分相同,可利用相同设备加工装配,因而提高了生产效率,降低了生产成本。目前波音737系列的产量己近4000架,成为目前世界上最大的喷气客机产品族,波音公司的这一作法取得了巨大成功。(4)微软公司另一个范例是微软公司的城ndows95/98系列的开发。Windows95最初是主要针对美国市场的英文界面,在此基础上针对世界各国不同用户,微软公司又推出了不同语言版本的Windows95产品,占据了不同的细分市场;在Wnidows95的基础上,微软公司进一步开发了Windows98和WindowsZ000系列,同样取得了巨大的成功。另外还有许多其它的世界知名企业在这方面进行了有效的工作,比如生产牛仔裤的
12、李维斯、日本的松下自行车公司。目前,国外许多公司正在更新设备,转变管理模式,实现生产和管理的数字化,进一步改善大规模定制的基本条件。据有关资料统计,目前美国和欧洲的大公司中有70%在按这种生产方式重新经营和规划其生产系统。在国内,北京第一机床厂、石家庄天同拖拉机厂39 、海尔集团26 等也在采用不同的方式实施大规模定制生产,并且取得了初步的成效。总的来看,国内在这方面的研究尚处于初始阶段,除了前述少数著名企业外,大多数企业对它还不了解。可以说,即使当前一些较为具有成果性的基于典型企业实施大规模定制(MC-Mass Customization)的案例研究,大多数只是提出了一些企业思想或方法层次上
13、的探讨,很少触及到企业实施时在设计、制造与管理方面的具体措施或策略;国外汽车制造业正在从大规模生产向大规模定制生产转变,汽车制造业的新时代大规模定制生产时代正在到来,但国内对把大规模定制的思想运用于汽车制造业还处于起步阶段,文献14 仅从宏观上分析汽车制造业如何实施大规模定制,尚没有文献系统分析如何把大规模定制运用于专用车设计。现阶段只是从使用用途上对专用车进行分类,而面向产品族的专用车分类和参数提取设计还是处于零阶段,更没有相关的手段和工具。1.3小结本文紧密结合大规模定制模式和专用车设计的特点并根据项目合作企业的具体要求开展研究,主要内容包括:(1)面向大规模定制的产品设计方法分析;(2)
14、专用车设计与大规模定制的关系分析;(3)将大规模定制模式应用于专用车设计中的具体方法研究;(4)面向大规模定制的专用车产品平台与模块化关系问题;(5)专用车模块化设计的方法问题;(6)面向大规模定制的专用车模块化设计中存在的问题和解决方法。2 面向大规模定制的产品设计方法分析2.1引言随着产品生命周期的缩短和用户个性化需求的不断增长,传统的大规模生产模式己经无法满足现代化竞争的需要,新的生产模式的诞生与发展成为社会和工业发展的必然。大规模定制生产是制造业发展的必然趋势,是未来生产的主要模式,不同于以往大规模生产,大规模定制主要解决生产的高效率、低成本和客户定制需求个性化之间的矛盾。大规模定制涵
15、盖了产品的订购、开发、设计、制造、销售、交付与使用的全生命过程,其面临的最大挑战是成本与速度。大规模定制要求所设计的产品具有种类多、可快速变型和零部件规范的特点,而传统面向大规模生产的设计方法远远不能适应这种要求。由于产品设计决定着产品最终的性能、可靠性、可维护性与环保性,而且研究表明产品成本的60%-80%是由设计阶段决定的,因此,大规模定制重点要解决的问题是面向大规模定制设计(DFMC,Design For Mass Customization),要实现面向大规模定制的专用车设计,必须首先对大规模定制设计的思想、方法和具体内容进行充分的分析。2.2大规模定制模式和面向大规模定制的设计2.2
16、.1大规模定制模式的内涵大规模定制是企业使用现代技术和管理手段实现对每个顾客的个性化定制,而其成本和时间同大规模生产产品一致的一种生产模式。这种生产模式是在系统思想指导下,用整体优化的观点,通过充分挖掘企业的潜力,在标准化技术、现代设计方法学、并行工程、计算机技术和可重组制造系统等技术和思想的支持下,最终实现根据客户的特殊定制需求以大规模生产的效率和效益提供定制产品的过程。它把大规模生产和定制生产这两种生产模式的优势有机的结合起来,同时它也体现了从顾客出发思考企业问题的一种思维方式。大规模定制生产企业通过在同一条生产线上生产出多种产品的方法达到满足不同客户所提出的产品性能和质量要求,并且保证产
17、品的成本低且设计生产速度快。大规模定制生产模式的思想认为产品成本、产品利润、竞争能力的主要因素是开发和生产该产品所需知识的价值,而不是材料、设备或劳动力。能够迅速把知识融进产品、转变为利润是成功实现大规模定制生产模式的关键,大规模定制的企业是面向订单的,它将先进制造技术、动态联盟的组织管理思想与高素质的员工全面集成。这种能满足顾客的真正需求而又不牺牲效益和成本的新的生产方式目前得到了较快的发展,并作为一种有效的竞争手段逐渐被企业所采纳。如图2-1“大规模定制综合了大规模生产和定制生产”所示,大规模定制生产综合了大规模生产低成本的优点和定制生产满足客户个性化、多样化需求的优点,具体表现在:(1)
18、使企业的产品是客户真正所需要的产品。大规模定制生产能使客户得到自真正 图2-1大规模定制综合了大规模生产和定制生产优点己想要的产品,并且具有吸引力的价格,从而为企业产品找到新的市场;由于有更高的销售额、更广阔市场、更好质量和低成本,企业效益将得到显著提高。(2)使企业生产能适应市场的快速变化。大规模定制生产具有很高的柔性,主要由市场驱动,而不仅仅是由预测驱动。(3)缩短了交货期。由于充分利用了企业的资源,并且采用模块化的方法,缩短了产品的交货期。(4)有利于生产成本的降低。可以实现零成品库存,减少了积压产品所造成的资金损失。(5)有利于过程和产品的连续改善。大规模定制生产是客户导向型的生产模式
19、,客户不断的新需求,导致企业不断对其过程和产品进行改善,在这种外在压力下,企业由此不断得到完善,其竞争能力越来越强。(6)有利于企业的生存和发展。在美国,钢铁制造业中增长最快的、利润最大的部门,不再是积聚了大量员工、长期生产钢锭的工厂,而是那些生产特殊钢材的部门,因为这些部门能够向客户提供个性化产品。定制生产企业之所以可获利,一方面因为客户愿意高价购买那些准确地满足它们需要的商品和服务,另一方面是因为高价值产业不易被高产量产业竞争者轻易复制。(7)提高了企业的经济效益。由于定制满足客户的个性需求增加了成本,但是客户愿意多出钱,所以使得产品的利润上升。2.2.2面向大规模定制设计的内涵任何生产模
20、式都需要设计方法的支持,大规模定制设计就是支持大规模定制生产的产品设计方法,是解决大规模定制生产过程中成本与速度这两个核心问题的有效手段。大规模定制设计是在现有设计方法的基础上发展而来,它继承了大规模产的设计中先进的方法如并行设计虚拟设计模块化设计标准化规范化等,又对一些不符合大规模生产要求的设计方法在流程和具体做法上加以改进和提高,形成了一种符合新范式要求的新型设计方法。根据大规模定制生产的特点,其产品设计可以分成新产品开发和变型产品设计两个循环,产品配置设计是大规模定制生产中产品快速变型设计阶段的重要设计方法,它在充分利用按大规模定制设计方法设计产生的定制资源的基础上,为销售人员定义客户的
21、个性化需求提供选择,为客户展示产品和提供产品的价格。面向大规模定制设计的核心是建立产品族体系。产品族体系为设计部门和销售部门特征化用户需求提供了基础,其方法是系统化的模块配置,实现产品设计能力的柔性。大规模定制设计采用并行流程围绕产品族进行设计,建立合理的产品族模型来有效满足客户定制需求,是大规模定制设计的关键。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段进行整体概念设计的同时考虑范围经济性和规模经济性;其重点为建立合理的产族结构,同时完成一组产品的设计而不是单个产品。为了有效的实现大规模定制,设计就要捕捉并定义个体客户对产品的需求,设计必须从传统的设计制造集成扩展到销售和服务等部门,面 向大规模定制
22、设计 图2-2“设计流程领域扩展图在设计领域和产品族方面的扩展参见图2-2“设计流程领域扩展图”。为了通过设计达到大规模定制的目标,设计流程需要在以下几方面进行改进:(l)产品开发与快速设计分离。产品开发阶段对企业的客户群进行定位,分析己经拥有的客户需求并预测未来的客户需求,建立相应产品族结构,形成完善的变型机制。而快速设计阶段在产品开发阶段的基础上,以产品配制器为主要工具,结合定制设计,快速实现随时到来的客户需求。(2)工作流程并行。并行工程是缩短产品设计周期,提高竞争力的一种方法,它通过并行产品设计和制造等领域活动来缩短产品开发时间。为提高设计速度,大规模定制设计需要并行工作模式,并使其成
23、为大规模定制设计流程的重要一环,而并行范围进一步扩展到产品的销售和服务领域,成为产品生命周期的并行。(3)加强流程间的合作。产品族结构不能满足客户需求时,就需要进行定制设计,流程间的合作有利于尽快产生设计思想。企业如果存在不同的产品族,在产品族的开发阶段应加强流程之间的合作,在产品的模块划分和零部件设计中取得一致,尽量采用相同的设计成果,促进设计成果重用,增加可同时制造的零件数量,形成规模经济性。产品进行功能分析,划分并设计一系列功能模块,通过模块的选择和组合构成不同的产品,以满足市场的不同需求。随着市场需求变化的加快和先进制造技术的发展,模块化设计具有能够缩短产品开发周期、快速响应市场变化、
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