基于成本元的产品概念设计方案经济性评价方法研究

2015-02-19姜少飞柴国钟

浙江工业大学学报 2015年3期

关键词：经济性评价

宋　淼，姜少飞，柴国钟

(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州 310014)

基于成本元的产品概念设计方案经济性评价方法研究

宋淼，姜少飞，柴国钟

(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州 310014)

摘要：为了使设计过程中概念设计方案的评价充分考虑方案的经济性因素，提出一种基于扩展成本元的产品概念设计方案评价的新方法.该方法基于动态设计过程中经济性信息，对成本元定义进行扩展，将成本元作为产品经济性设计的基本元素，初步建立了成本元的框架模型.然后结合相关知识模型在设计早期阶段尽可能多的获取产品经济性信息，阐述了将成本元作为经济性评价的智能体，建立了与概念设计并行的经济性模型.最后详细描述了成本元方法对概念设计方案经济性评价的流程.以土豆收获机概念设计方案的经济性评价为例验证了该方法的有效性.

关键词：概念设计方案；成本元；评价；经济性

Schemes economic evaluation methods of product conceptual

design based on cost unit

SONG Miao, JIANG Shaofei, CHAI Guozhong

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of

Education, Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014, China)

Abstract:An evaluation method of product conceptual design based on expand cost unit was proposed to give due consideration to schemes economic factors during products design process. Based on the economic information of dynamic design process, this method expand the definition of cost unit and establish the framework model of cost unit as the basic elements of product economy design. Then, combined with the related knowledge model, product economy information was got at the early design stage as much as possible. Economic model was founded based on the design information of the current design process. Economic evaluation on the conceptual design scheme using cost unit method was considered finally. A potato harvester conceptual design scheme economic evaluation example was present to verify the feasibility of this method.

Keywords:conceptual design schemes; cost unit; evaluation; economy

概念设计方案的评价是产品取得市场竞争力的重要一步.对于概念设计方案评价方法,国内外学者做了大量的研究：Wang等[1]借助模糊二元语义计算，实现了产品开发过程中主观评估整合.Akay等[2]提出改进区间模糊信息公理方案的评价方法.李家杰等[3]利用灰色关联分析模型对产品的概念设计方案进行优劣排序；李善仓等[4]利用层次分析法(AHP)对概念设计方案进行评价研究；Gulfen等[5]采用网格分析法、模糊聚类相结合的评价方法优化了材料处理设备选择问题.杨涛等[6]从客户的需求偏好角度，提出基于客户聚类分析的产品概念设计方案评价决策方法.上述评价方法虽然解决了方案的选择问题，但评价方法集中于从技术性的角度评价概念设计方案，没有从经济性角度去评价设计方案，没有从设计的角度剖析经济性与设计的关系.

姜少飞等[7]对成本元理论和方法已经进行了前期的探索研究，在降低成本设计中得到了应用.成本元建模理论是在这个的基础上对成本元涵义的深入扩展以及对成本元知识进行表达，并应用成本元方法对产品概念设计方案进行经济性评价.

1成本元方法

1.1成本元描述及定义扩展

成本元是产品设计过程中经济性信息的一个抽象化说明，存在于设计过程的各个阶段，是对产品各个设计元素所包含的经济性信息及其关系的一种描述.

成本元定义扩展:成本元是时间维和空间维的一个组合值，它依附于设计过程中的动态信息而存在，用以表征产品设计过程中所有能量转换、物料转换、信号转换、原理、结构、工艺、决策等行为所涉及的与经济性有关的信息,且能够被惟一标识的实体单元.对一个成本元形式化描述为

CE=

其中：Index为成本元标识，取值为时间维和空间维分类的组合值，用以表征成本元类型，便于匹配与推理；C为成本知识集，用以表征产品成本的形成过程，即原理解、结构、工艺等设计进程元素衍生的成本信息集合，如原理解-成本知识，结构-成本知识，工艺-成本知识；A为C的属性集，用以表达C的内部状态或属性参数；R为关系集，用以表达成本元与成本元之间的关系层次，如一些常用逻辑关系如等于、不等于、包含、被包含等；E表示成本元评价对象的关系，在对概念设计方案经济性评价中，评价单元是成本信息的承载主体；M为对象的方法集，包括对象所具有的内部处理方法及受理消息的操作，它反映了成本元的自身职能行为；MI为成本知识集的消息接口，用于对所接收的外部信息与有关的内部方法间建立关联的惟一接口.

1.2成本元模型的构建

概念设计阶段后期对方案经济性评价时，某一方案的结构会涉及到多种类型的成本元，在构建成本元模型时应该考虑不同类型成本元之间的关联与组合.成本元形式化的主要任务是建立零件/物料知识库，成本元知识库以及元关系知识库.首先以成本元知识库为中心，根据零件/物料知识库寻找相对应的关系，再根据各类型的成本元的消息接口寻找出元之间的关系，并建立成本元的框架模型，如图1所示，其中Mij为元标识，Cj为成本元知识库，C1，C2，C3，C4分别为各类型成本元，Pi，P1，P2，P3分别为各成本元对应的零件或者物料，R1，R2，R3，R4分别为元之间的作用关系.然后，按照工程设计功能构造方法，对应能量转换、物料转换、信号转换过程中分别设置这三类成本元类型.分析成本元中能量、物料以及信号的转换信息，并在初步的成本单元中引入与成本元知识库直接相关的能量、物料以及信号转换流得到完善化的成本元，图1中M—M′表示物料流，S—S′表示信号流，E—E′表示能量流.

图1　成本元框架模型Fig.1　The framework model of cost unit

2基于成本元方法概念设计方案经济性评价

2.1概念设计过程中经济性模型研究

在概念设计过程中，一个功能可能有多种原理解，一个原理解可能有多种虚结构，这样就会产生多套设计方案，如何确定最经济性方案，可以采用以下方法：由功能推理原理求解虚结构解过程中，加入成本元作为经济性参考，缩小解的空间.成本元只是设计过程中产品经济性的载体，必须以某种方法建立起与设计并行的经济性求解体系才能够发挥其在概念设计过程中方案经济性评价中的作用.建立如图2所示设计过程中经济性总体研究方案.

图2　产品设计过程中经济性总体研究方案Fig.2　 The overall of economy research plan in design process

经济性总体研究方案分为三大模块：

模块1(概念设计过程)：根据用户需求，利用功能输入输出i—o关系(例如：用户脚的直线移动，旋转运动)建立产品的功能模型.通过知识数据系统(KBS模型)寻找匹配的概念设计方案，进行虚结构设计.

模块2(经济性建模)：根据设计过程中功能-虚结构-经济性的映射信息可建立起如图2所示的包含材料元、结构元、加工元等经济性知识的动态成本元知识库.然后根据当前的设计进程的设计信息进行经济性建模.因一个功能可有多个原理解，每个原理解又有多个虚结构解，每个虚结构解又有一个或多个成本元解，所以此时得到的是多个经济性求解模型(多套经济性决策方案)，对每个求解模型进行成本元知识推理，或继续建立成本元与具体经济性的关联模型，可以实现设计早期阶段的多设计方案的动态经济性评价决策.

模块3(成本元模型)：从成本元分类看，评价成本元模型有材料元模型、加工元模型、结构元模型、装配元模型等.每一种模型作为一个独立的智能体，设计者可根据设计进程的动态信息添加和提取所需要的经济性信息.它们有各自的知识表示规则和自己的领域知识库，每个评价模型可以独立完成某一方面经济性评价，评价过程完全独立进行.

2.2基于成本元方案经济性评价模型

建立概念设计阶段方案的经济性评价模型是一个复杂的任务，拟采用基于成本元分析法来完成这一任务，即通过不同类型的成本元分别对概念设计方案进行评价.如图3所示的基于成本元方法产品概念设计方案经济性评价模型中，各设计方案层和目标层之间加入成本元，运用成本元方法评价方案的经济性.

图3　基于成本元产品概念设计方案经济性评价模型Fig.3　Economic evaluation model based on cost unit

其中目标层为方案的经济性C，一级评价准则为成本总元，如材料元(C1)、结构元(C2)、加工元(C3)、装配元(Cm)、标准化元(Cj)等;二级准则层为一级准则层的成本子元，如材料子元1—选材元(C11)，加工子元1—毛坯工艺与成形方法元(C32)等；评价时，依据产品设计过程中所涉及的经济性信息选取该方案的成本元，先按二级评价准则将每一成本子元进行模糊综合评价，得出各成本子元的评价结果；再将各成本子元的评价结果进行模糊综合，得出所有成本总元的综合评价结果.

2.3概念设计方案经济性评价流程

在概念设计阶段对方案的经济性评价分为5个步骤，下面将从材料元和加工元两个方面对方案进行经济性评价，具体的经济性评价过程如图4所示.

步骤1选择某一概念设计方案，构建虚结构模型.在概念设计过程中，每个原理解有多个虚结构解.

步骤2将虚结构方案分解为组件.每个虚结构方案是由很多部件或组件构成，在对方案进行评价时先将其分解，分别对其子组件进行评价，最后再对方案总体进行考虑.

步骤3分别选取每一子组件，确定其制造过程材料.为了使评价结果具有客观性，在对组件进行某一成本元的经济性进行比较时，必须满足其他类的成本元相同.在确定了组件的制造方法的情况下，通过剑桥大学开发的多材料选择软件(CSE)选择多种材料方案，将其抽象为不同的材料子元.

步骤4在确定组件的材料元制造元后，利用知识数据系统(KBS)里面的规则检测特征的可制造性，如果特征可制造，则通过成本估算模型估算其制造时间，成本及相关经济性值.如果特征和知识数据库里的规则不匹配，则需要修改组件模型.

步骤5待估算完每一组件的制造时间、成本及相关值之后，然后对总体方案进行经济性评价.输出评价结果，选择相对经济性的方案.

图4　概念设计方案经济性评价过程Fig.4　Economic evaluation process at conceptual design

3实例分析

3.1基于成本元的土豆收获机概念设计过程分析

以土豆收获机为例来验证所提方法的可行性和有效性.土豆收获机是实现土豆挖掘、分离输送和装袋的复合机构，其功能结构如图5所示.

图5　土豆收获机的功能结构Fig.5　The function structure of potato harvester

根据功能结构图，可建立土豆收获机形态学矩阵，如表1所示.从表1可得到：一个分功能有多个原理解，每个原理解对应多个虚结构.实现土署分离功能的虚结构解有以下3种：钩杆式、链杆式、带杆式；其工作原理是当被挖起的土壤、薯块、茎秆等被向上输送时，在输送链的作用下，土壤被疏松，通过间隙被筛出.各方案的经济性分析如下：

方案一(钩杆式)：采用普通圆钢，价格低廉；采用折弯的方法加工而成，制造工艺简单；杆的两端弯成钩，每个杆的连接是一个单独的零件；装配简单.

方案二(链杆式)：常采用的材料有钢、铸铁、及非金属材料，选用材料为铸铁；制造方法复杂；一个零件是由相邻两杆和连接节组成，比钩杆式结构复杂；装配复杂.

方案三(带杆式)：杆条采用普通圆钢；两端采用冲压的方法冲成平面，然后在平面上冲孔；将杆条的两端固定在橡胶带上，用铆钉联接；装配较复杂.

综合以上成本元分析，得出各方案的经济性评价结果，其方案一钩杆式经济性最好，表2为土署分离的各方案经济性的语言变量描述.

表1　土豆收获机形态学矩阵

表2　土署分离各方案经济性评价

3.2经济性方案组合选择

同理，其他分功能方案用同样的方法进行评价，经分析该土豆收获机选用的经济性方案为A2B5C1D2E3F5G2H1，其总结构如图6所示.

1—机架；2—万向节传动轴；3—变速箱；4—集薯箱；5—齿轮箱；6—茎秆分离器；7—挖掘铲；8—抖动分离输送器；9—抖动轮；10—地轮；11—升运链图6　土豆收获机结构图Fig.6　Potato harvester structure

4结论

针对复杂机电产品设计过程中的经济性决策与技术性能的设计存在不同步、不协调，经济性总是滞后于技术性问题.在研究的基础上，对成本元的涵义深入扩展，构建了成本元框架模型，探索将之应用于概念设计过程中的策略，为后续的概念设计方案的经济性评价打下坚实的基础.通过土豆收获机实例分析表明，运用成本元方法对设计者在概念设计早期阶段经济性方案的选择方面有一定的参考意义.

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(责任编辑：刘岩)

中图分类号：TH122

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)03-0265-05