面向复杂装备的稳健产品平台设计方法及其应用研究

In this project, robust design theory and technology together with modular and parametric combination ideas are introduced into the product platform design process. The method of the design for the robust product platform is researched in order to make product family structure variables insensitive to uncontrolled changes in demand. Firstly, the sensitive product platform design variables analysis identification technology is studied. The dynamic customs' requirement mapping and sensitivity analysis are used to identify the sensitive parameters that affect the key components and to classify series. This study can effectively improve the robustness of product platform. Secondly, planning techniques of multi-scale product platform module unit is researched. Module planning model is constructed according to rules of multiscale and robustness. Then the module planning model is solved by multi-objective algorithm. Internal aggregation, external coupling and the overall robustness of the platform module are further optimized. Core platform module is identified by sensitivity analysis of the modular units and information entropy evaluation to increase the robustness of the product platform. Thirdly, product platform coupled variable decoupling collaborative robust optimization techniques is studied. Coupled design parameters of the product platform are identified. The decomposition and coordination theory and variable decoupling matrix are used to achieve coupled variable decoupling. Then collaborative robust evolutionary algorithm is improved to complete collaborative optimization of platform module structure and design variables. Finally, the related technologies in this project are applied in the design and development of large numerical control grinder product platform.

本项目面向复杂装备，将稳健设计理论及方法引入到产品平台设计过程中，融入模块化与参数化相结合的思想，研究稳健产品平台的设计方法，提出稳健产品平台设计就是使产品族结构变量对不可控的需求变化不敏感。首先研究动态需求映射的敏感设计参数识别技术，通过现有和潜在需求的分析、映射及设计参数的敏感度分析，识别影响复杂装备关键部件的敏感参数，进行平台系列划分，提高产品平台的稳健性；然后研究产品平台模块单元的多尺度规划技术，通过模块单元的多尺度规划建模和多目标优化求解，优化平台模块的内部聚合性、外部耦合性和整体稳健性，并通过模块的敏感度分析、柔性模块映射和信息熵评价识别核心平台模块；进一步研究产品平台耦合变量解耦的协同优化技术，识别稳健产品平台的耦合设计参数，通过分解协调原理进行耦合变量解耦, 并改进协同进化算法实现变结构、变参数的协同优化；最后,将研究的相关技术在大型数控磨床产品平台的设计中进行应用验证。

产品平台设计是实现大规模定制的一种有效方法。本项目面向复杂装备，将稳健设计理论及方法引入到产品平台设计过程中，研究稳健产品平台的设计方法,建立了产品平台稳健设计模型，提出产品平台稳健设计的实质就是使产品族结构变量对不可控的需求变化不敏感。首先研究了基于动态需求映射的复杂装备敏感设计参数识别技术，提出了面向配置设计的需求建模与映射方法，通过研究分析需求变更，提高了产品平台对市场需求变化的适应性，通过设计参数的敏感度分析，识别影响复杂装备关键部件的敏感参数，进行平台系列划分，降低客户需求变化对产品族结构变量的影响，提高产品平台的稳健性；然后开展了产品平台模块单元的多尺度规划技术研究，提出了模块单元的多尺度规划准则，建立了复杂装备产品平台模块单元的多尺度规划数学模型，通过多目标优化算法及模糊集合选优技术寻求模块单元最优粒度划分方案，提高了产品平台模块的内部聚合性、外部耦合性和整体稳健性；课题还同时开展了基于人工免疫改进算法的稳健产品平台模块划分方法研究和基于环境资源因子的产品平台模块单元构建过程研究，利用公理化设计理论和二次聚类识别出稳健产品平台中的柔性模块、公共模块和个性模块。课题进一步开展了产品平台耦合变量解耦的协同优化技术研究，分别研究了基于模块化产品平台的产品结构多目标配置优化、基于参数化产品平台的产品性能多目标优化和基于柔性产品平台的模块结构与设计参数协同优化方法，建立了基于柔性产品平台的模块结构与设计参数协同优化过程模型，利用分解协调原理约简特征参数进行耦合变量解耦，通过改进混合进化算法实现主附过程的协同进化，实现了模块结构与变量调节的协同优化，提高了稳健产品平台设计的柔性。最后，开发了稳健产品平台设计在原型系统，将项目研究中的关键技术在系统中进行了应用验证，并结合企业需求，将系统应用于复杂机床产品的设计开发过程中。