基于產(chǎn)品和過程融合集成的產(chǎn)品開發(fā)方法研究

劉志成，陳 亮

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

基于產(chǎn)品和過程融合集成的產(chǎn)品開發(fā)方法研究

劉志成，陳 亮

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

為了實(shí)現(xiàn)融合模型中產(chǎn)品模型與過程模型間的交互關(guān)系在計(jì)算機(jī)下的表達(dá)，對(duì)產(chǎn)品對(duì)象信息和設(shè)計(jì)活動(dòng)信息的內(nèi)容進(jìn)行研究，提出了產(chǎn)品對(duì)象信息約束關(guān)系類型以及設(shè)計(jì)活動(dòng)初始化條件概念，并說明了產(chǎn)品對(duì)象信息約束關(guān)系類型、產(chǎn)品對(duì)象信息、設(shè)計(jì)活動(dòng)初始化條件和設(shè)計(jì)活動(dòng)的表達(dá)方法，最后通過設(shè)計(jì)實(shí)例分析和說明表達(dá)方法的可行性。

信息交互;實(shí)體;融合模型;產(chǎn)品開發(fā)

隨著計(jì)算機(jī)工程系統(tǒng)的發(fā)展，為了開發(fā)能完全融合到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的模型，需要統(tǒng)一地描述和組織產(chǎn)品對(duì)象信息和設(shè)計(jì)活動(dòng)。20世紀(jì)90年代初，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的模型只針對(duì)產(chǎn)品對(duì)象信息建模，或者只針對(duì)設(shè)計(jì)活動(dòng)建模，而且這兩類模型使用不同的建模概念進(jìn)行建模，如 Richard Sause等人開發(fā)了一種主要針對(duì)設(shè)計(jì)活動(dòng)建模的模型［1］。近年來(lái)，Hong提出了基于實(shí)體的模型開發(fā)理論，基于實(shí)體的方法以語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型以及抽象機(jī)制為基礎(chǔ)，允許使用統(tǒng)一的方法開發(fā)產(chǎn)品和過程模型，Hong使用一個(gè)桌子設(shè)計(jì)實(shí)例完整地概述了融合實(shí)體模型的所有重要概念［2］，本文所使用到的融合實(shí)體模型概念可參考Hong的系列文章，近來(lái)，研究者們對(duì)融合模型做了很多細(xì)致的研究，如將模型應(yīng)用于表達(dá)設(shè)計(jì)選擇以及設(shè)計(jì)過程控制［3－4］，基于實(shí)體的融合模型理論已經(jīng)較成熟，下一步的研究重點(diǎn)將是如何將融合模型在計(jì)算機(jī)下合理地表達(dá)。

1 產(chǎn)品對(duì)象信息約束關(guān)系及產(chǎn)品對(duì)象信息表達(dá)

1.1 產(chǎn)品對(duì)象信息的約束關(guān)系

產(chǎn)品中的任何組件都無(wú)法獨(dú)立存在，組件(產(chǎn)品)對(duì)象信息之間很自然存在約束關(guān)系，融合模型中的產(chǎn)品模型存在兩種約束關(guān)系:邏輯關(guān)系和交互關(guān)系。

a.邏輯關(guān)系表達(dá)產(chǎn)品對(duì)象信息之間存在大于、小于或差值介于某兩個(gè)值之間等關(guān)系，例如齒輪組兩齒輪齒寬差要保持在5～10mm之內(nèi)。邏輯關(guān)系的約束類型只包括邏輯約束。

b.交互關(guān)系表達(dá)產(chǎn)品對(duì)象信息之間確切的關(guān)系，交互關(guān)系的約束類型包括要求約束、獨(dú)立約束、依賴約束。

產(chǎn)品對(duì)象信息由設(shè)計(jì)活動(dòng)創(chuàng)建，同時(shí)設(shè)計(jì)活動(dòng)也使用產(chǎn)品對(duì)象信息，那么產(chǎn)品對(duì)象信息間到底存在何種約束很大程度取決于設(shè)計(jì)活動(dòng)執(zhí)行順序;反之，如果確定了產(chǎn)品對(duì)象信息間的約束關(guān)系，也將影響到設(shè)計(jì)活動(dòng)的執(zhí)行順序。

1.2 產(chǎn)品對(duì)象信息表達(dá)

為了表達(dá)產(chǎn)品對(duì)象信息與設(shè)計(jì)活動(dòng)之間存在的約束關(guān)系，產(chǎn)品對(duì)象信息應(yīng)包含5項(xiàng)內(nèi)容:

其中:MN為產(chǎn)品對(duì)象信息名稱;S為信息的內(nèi)容，其取值類型與模型中信息的取值類型屬性一致;T為約束類型，其取值包括邏輯約束、要求約束、獨(dú)立約束、依賴約束;E=＜EN，D ＞，EN為一個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)，并且EN產(chǎn)生約束對(duì)象信息，D為優(yōu)先等級(jí)，優(yōu)先等級(jí)有3類——優(yōu)先、滯后以及并行;C=＜G，EL，EX ＞，G為約束對(duì)象，EL= ＜ eli＞，i=1，2，3，…，n，為約束要素，EX為計(jì)算表達(dá)式，將產(chǎn)品對(duì)象信息內(nèi)容S以及約束要素EL代入計(jì)算表達(dá)式EX中可計(jì)算得到約束對(duì)象G。

約束類型取值與優(yōu)先等級(jí)的值存在以下的關(guān)系:當(dāng)約束類型為邏輯約束或依賴約束時(shí)，優(yōu)先等級(jí)為并行;當(dāng)約束類型為要求約束或獨(dú)立約束時(shí)，優(yōu)先等級(jí)為優(yōu)先。

2 設(shè)計(jì)活動(dòng)表達(dá)

2.1 初始化條件

理論上過程模型中的屬性活動(dòng)可以按任意順序進(jìn)行初始化，但屬性活動(dòng)的初始化順序必須要符合特定的設(shè)計(jì)流程以及滿足特定的初始化條件，其中初始化條件包含3項(xiàng)內(nèi)容:

a.AC= ＜ aci＞，i=1，2，3，…，n，為一組活動(dòng)條件，其可以使用以下三維數(shù)組表示:

其中:joinflag 的取值為 null，and，xor。當(dāng)取值為null時(shí)意味著活動(dòng)具有單一的活動(dòng)輸入;當(dāng)取值為and時(shí)，活動(dòng)具有多個(gè)活動(dòng)輸入;當(dāng)取值為xor時(shí)，活動(dòng)的前置活動(dòng)任何一個(gè)完成，活動(dòng)都滿足活動(dòng)條件。E為設(shè)計(jì)活動(dòng)的前置設(shè)計(jì)活動(dòng)。ac為活動(dòng)條件，其為布爾值，ac的取值取決于前置活動(dòng)E的執(zhí)行情況。

b.MC= ＜ mci＞，i=1，2，3，…，n，為一組信息條件，其可以使用以下二維數(shù)組表示:

其中:M為設(shè)計(jì)活動(dòng)的輸入信息;mc為信息條件，其為布爾值，mc的取值取決于設(shè)計(jì)活動(dòng)與信息M中設(shè)計(jì)活動(dòng)EN的優(yōu)先級(jí)別，當(dāng)EN優(yōu)先于此設(shè)計(jì)活動(dòng)，那么只有當(dāng)EN執(zhí)行完成，mc的取值才能為true;當(dāng)優(yōu)先級(jí)別為并行或滯后時(shí)，mc默認(rèn)為true。

c.sc為布爾值，其取值視Esc內(nèi)所有ac、mc和joinflag取值而定，只有sc取值為true時(shí)，活動(dòng)才具備初始化條件。

2.2 設(shè)計(jì)活動(dòng)表達(dá)

過程實(shí)體中的屬性活動(dòng)涉及到數(shù)據(jù)輸入、輸出以及屬性活動(dòng)間的交互，為了使設(shè)計(jì)者了解設(shè)計(jì)活動(dòng)的執(zhí)行條件、關(guān)聯(lián)產(chǎn)品實(shí)體類以及實(shí)現(xiàn)方式［5］，對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)都將以下方式進(jìn)行表達(dá):

其中:MO= ＜ MOi ＞，i=1，2，3，…，n，為設(shè)計(jì)活動(dòng)的輸出信息，產(chǎn)品對(duì)象信息的表達(dá)見1.2小節(jié);Ie= ＜ iinput，ioutput＞，其中:iinput= ＜ entityi＞，i=1，2，3，…，n，為一組產(chǎn)品實(shí)體類，entityi為 E 輸入產(chǎn)品對(duì)象信息，ioutput= ＜ entityj＞，j=1，2，3，…，n，也為一組產(chǎn)品實(shí)體類，entityj中包含某個(gè)或多個(gè)輸出產(chǎn)品對(duì)象信息;T= ＜ ti＞，i=1，2，3，…，n，為完成此設(shè)計(jì)活動(dòng)需要使用的設(shè)計(jì)工具。

3 融合模型間交互應(yīng)用實(shí)例

本文在Windows平臺(tái)下，采用Java編程語(yǔ)言、以SQL Server 2008作為底層數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)融合模型在計(jì)算機(jī)下的表達(dá)，融合模型的計(jì)算機(jī)表達(dá)必須能實(shí)現(xiàn)模型間的交互［6］。如何實(shí)現(xiàn)融合模型在計(jì)算機(jī)下的表達(dá)不是本文的重點(diǎn)，有關(guān)內(nèi)容將在今后的論文中進(jìn)一步闡述。下面以減速器傳動(dòng)組件中齒輪副的設(shè)計(jì)為例，說明產(chǎn)品和過程模型的交互。

3.1 制定設(shè)計(jì)流程

初始化條件保證了屬性活動(dòng)一旦初始化便能執(zhí)行完成，避免了重復(fù)初始化同一個(gè)屬性活動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率，初始化條件也是制定設(shè)計(jì)流程的主要依據(jù)，合理的設(shè)計(jì)流程為屬性活動(dòng)的初始化順序提供基礎(chǔ)。下面對(duì)齒輪1設(shè)計(jì)建議在流程中的位置做說明。

使用上述理論將齒輪1初步開發(fā)實(shí)體屬性活動(dòng)設(shè)計(jì)建議 E= ＜ EN，Esc，MO，Ie，T ＞ 表達(dá)為以下形式，其中等號(hào)表示內(nèi)容項(xiàng)的值:

以上設(shè)計(jì)活動(dòng)表達(dá)由于篇幅的原因沒有將所涉及的所有設(shè)計(jì)活動(dòng)E以及產(chǎn)品對(duì)象信息M完整地表達(dá)出來(lái)，只使用設(shè)計(jì)活動(dòng)以及產(chǎn)品對(duì)象信息的名稱進(jìn)行簡(jiǎn)化表達(dá)。

其他屬性活動(dòng)的表達(dá)類似于齒輪1的設(shè)計(jì)建議的表達(dá)。分析圖1中齒輪1設(shè)計(jì)建議在流程中的位置:齒輪1設(shè)計(jì)建議Esc中活動(dòng)條件AC只包含ac1(Esc中的joinflag取值為null)，即齒輪1詳細(xì)分析;信息條件MC包含mc1(轉(zhuǎn)速)，mc2(功率)，mc3(材料)，由于上述3個(gè)輸入信息由設(shè)計(jì)活動(dòng)傳動(dòng)組件設(shè)計(jì)建議和齒輪1詳細(xì)分析產(chǎn)生，那么傳動(dòng)組件設(shè)計(jì)建議以及齒輪1詳細(xì)分析必須先于齒輪1設(shè)計(jì)建議初始化并完成。根據(jù)齒輪1幾何尺寸中的齒數(shù)屬性的產(chǎn)品對(duì)象信息表達(dá)可知，齒輪1齒數(shù)與齒輪2齒數(shù)存在獨(dú)立約束關(guān)系，并且優(yōu)先級(jí)別為優(yōu)先，此約束關(guān)系約束了齒輪1設(shè)計(jì)建議先于齒輪2設(shè)計(jì)建議初始化并完成，即產(chǎn)品對(duì)象信息(齒輪1齒數(shù)與齒輪2齒數(shù))之間的約束關(guān)系影響設(shè)計(jì)活動(dòng)(齒輪1設(shè)計(jì)建議與齒輪2設(shè)計(jì)建議)的初始化順序。分析結(jié)果可以制定如圖1所示的設(shè)計(jì)流程［7］。圖1中實(shí)線箭頭表示活動(dòng)條件，虛線箭頭表示信息條件。

圖1 設(shè)計(jì)流程

圖2 模型交互舉例

3.2 模型信息交互

設(shè)計(jì)活動(dòng)創(chuàng)建和使用產(chǎn)品對(duì)象信息是融合模型交互的另一種形式，圖2(a)為齒輪1初步開發(fā)實(shí)體與產(chǎn)品模型交互的某個(gè)步驟，圖2(a)中粗實(shí)線圓角四邊形表示過程實(shí)體初始化［8］。下面是對(duì)此步驟的簡(jiǎn)要解釋:

a.齒輪1初步開發(fā)初始化后產(chǎn)品實(shí)體齒輪1解決方案被創(chuàng)建。

b.齒輪1詳細(xì)分析初始化，圖2(b)中虛線框內(nèi)為屬性活動(dòng)詳細(xì)分析在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的執(zhí)行情況，虛線框中菱形表示選擇器(計(jì)算機(jī)程序)，圓角矩形表示數(shù)據(jù)庫(kù)，矩形表示產(chǎn)品對(duì)象信息集。選擇器以齒輪1的設(shè)計(jì)要求為依據(jù)，如齒面組合、可能失效的形式等，從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇合適的材料，如圖3系統(tǒng)截圖所示，根據(jù)齒輪1詳細(xì)分析表達(dá)中的Ie和輸出信息MO創(chuàng)建并更新齒輪1解決方案的材料實(shí)體屬性為40Cr。

c.齒輪1設(shè)計(jì)建議初始化，選擇器材料選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢出與齒輪1設(shè)計(jì)要求最接近的齒輪，查詢結(jié)果如圖4所示。設(shè)計(jì)者以查詢出的齒輪信息作為起點(diǎn)執(zhí)行設(shè)計(jì)任務(wù):齒輪1設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)新的齒輪，最后根據(jù)齒輪1設(shè)計(jì)的

ioutput以及MO進(jìn)一步完善齒輪1解決方案中實(shí)體屬性幾何尺寸信息，包括幾何尺寸的以下數(shù)值屬性:齒數(shù) (z)、模數(shù)(m)、壓力角(α)、齒頂高系數(shù)(c*)、齒根系數(shù)以及齒數(shù)(h*)，并通過工具菜單欄調(diào)用工具SolidWorks完成齒輪三維設(shè)計(jì)。

圖3 材料查詢

圖4 齒輪查詢結(jié)果

d.齒輪1檢查初始化后，設(shè)計(jì)者檢查客戶是否提出新的設(shè)計(jì)要求，如沒有新的設(shè)計(jì)要求，齒輪1設(shè)計(jì)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于實(shí)體的理論使用相同的概念以及相同的圖形符號(hào)對(duì)產(chǎn)品模型和過程模型建模，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品模型和過程模型的融合，為了說明融合模型中產(chǎn)品模型和過程模型間存在的緊密交互，本文使用可在計(jì)算機(jī)下表達(dá)的形式實(shí)現(xiàn)了融合模型中產(chǎn)品對(duì)象信息以及設(shè)計(jì)活動(dòng)信息的表達(dá)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品模型和過程模型間的交互，這些理論將為下一步實(shí)現(xiàn)融合模型的計(jì)算機(jī)表達(dá)提供基礎(chǔ)。

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The Product Development Method Based on the Model Merging Product and Process

LIU Zhicheng，CHEN Liang
(Fuzhou University，F(xiàn)ujian Fuzhou，350108，China)

In order to express the interaction between product model and process model，it analyzes the content of product information and design activities，proposes the constrained type of product informations and the initialization condition of design activities.It explains the expression of the constrained type of product informations，product information，the initialization condition of design activities and design activities.The example proves the feasibility of this method.

Information Interaction;Entity;Merged Model;Product Development

TP311.1

A

2095－509X(2013)04－0020－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.005

2012－12－27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(50875049)

劉志成(1988—)，男，江西撫州人，福州大學(xué)碩士研究生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)等方面的研究。