基于產(chǎn)品配置的快速設(shè)計(jì)開發(fā)研究*＊1

朱永真 仲梁維

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

隨著制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，傳統(tǒng)制造環(huán)境下的企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由于用戶的個(gè)性化需求而變得愈來(lái)愈復(fù)雜，個(gè)性化帶來(lái)的多品種小批量生產(chǎn)導(dǎo)致設(shè)計(jì)開發(fā)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高。而且隨著市場(chǎng)由需方市場(chǎng)向供方市場(chǎng)轉(zhuǎn)變，要提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力必須對(duì)用戶

* 國(guó)家自然科學(xué)基金(10905052)需求做出快速響應(yīng)。產(chǎn)品配置可以作為解決這種矛盾的途徑之一。產(chǎn)品配置可以理解為根據(jù)預(yù)定義的零部件集及它們之間的相互約束關(guān)系，通過(guò)合理的組合，形成滿足客戶個(gè)性化要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程［1］。以往關(guān)于產(chǎn)品配置的研究主要集中于產(chǎn)品大規(guī)模定制情況下，限于產(chǎn)品系列下的產(chǎn)品配置［2－4］或CAD參數(shù)化建模中在零部件模板模型和與之對(duì)應(yīng)的工程圖模板上進(jìn)行配置產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)［5－7］。本文主要通過(guò)在PDM中建立特征譜表，找到合適的搭配，并通過(guò)產(chǎn)品遺傳變異、模塊化物料清單和全系列重組3個(gè)方面進(jìn)行產(chǎn)品配置，盡可能利用已有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源，把復(fù)雜繁瑣的邏輯運(yùn)算交給計(jì)算機(jī)，縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的周期，以實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶需求的個(gè)性化快速響應(yīng)。

1 產(chǎn)品配置模型的建立

1.1 劃分產(chǎn)品系列

產(chǎn)品系列是指主要特征選項(xiàng)基本相同的產(chǎn)品范圍。例如，對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，可以按額定電壓來(lái)劃分產(chǎn)品系列，1 000 V以下劃分為低壓系列，1 000 V以上劃分為高壓系列。當(dāng)某些客戶需求的產(chǎn)品具有很多共同特性時(shí)，也可以按照客戶劃分產(chǎn)品系列。本系統(tǒng)通過(guò)先劃分高壓、低壓一級(jí)系列，然后在一級(jí)系列的基礎(chǔ)上再根據(jù)客戶劃分二級(jí)系列。在建立產(chǎn)品系列時(shí)還需要注意:依據(jù)產(chǎn)品的銷量、銷售利潤(rùn)額、零件的通用性、企業(yè)的核心能力、未來(lái)的潛力等對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行合理化［8］。

1.2 特征選項(xiàng)，特征譜表

特征選項(xiàng)是指某個(gè)產(chǎn)品系列的特征屬性和相關(guān)屬性值。在一個(gè)產(chǎn)品系列里邊，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化的決定因素就是這些產(chǎn)品的屬性值。功率就是電機(jī)的一個(gè)屬性，具體的功率值(11 kW、15 kW、18.5 kW)就是對(duì)應(yīng)的屬性值。電機(jī)的主要特征選項(xiàng)示例如表1所示。

表1 電機(jī)的主要特征選項(xiàng)

特征選項(xiàng)譜表包含本公司的所有產(chǎn)品規(guī)格或范圍，對(duì)于已經(jīng)實(shí)例化的產(chǎn)品，特征選項(xiàng)的屬性值一定是某個(gè)具體的值(包含整型、實(shí)型、字符型、布爾型等)。

1.3 主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的建立

產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息是通過(guò)產(chǎn)品明細(xì)表來(lái)描述的，必須先建好產(chǎn)品明細(xì)表中所涉及的物料主文件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品信息:產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品圖號(hào)、產(chǎn)品版本、產(chǎn)品名稱、規(guī)格和型號(hào);物料信息:物料編碼、圖號(hào)、物料名稱、材料、牌號(hào)、物料類型、設(shè)計(jì)修改號(hào)、生效日期、失效日期和設(shè)計(jì)人;

一個(gè)產(chǎn)品是由若干個(gè)“單層結(jié)構(gòu)”組成的，單層結(jié)構(gòu)中有父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各單層結(jié)構(gòu)父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的相互關(guān)系，自動(dòng)逐層把所有相關(guān)的單層結(jié)構(gòu)掛接起來(lái)，最后形成完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)［9］。

1.4 產(chǎn)品遺傳變異

在對(duì)已有產(chǎn)品建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的過(guò)程中都有可能用到產(chǎn)品遺傳變異。

在圖1中，產(chǎn)品 a的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)先生成，產(chǎn)品b在產(chǎn)品a的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改得到，產(chǎn)品b遺傳繼承了a的一部分產(chǎn)品零部件，同時(shí)又可以變異擴(kuò)展自己的零部件，同時(shí)b也可以作為模板衍生其他產(chǎn)品。圖1表示了產(chǎn)品實(shí)例a、b、c之間的遺傳變異過(guò)程。

1.5 建立產(chǎn)品母模板

產(chǎn)品母模板包含一個(gè)系列下所有產(chǎn)品零部件信息(包括零部件明細(xì)、工藝及圖紙)的完整表達(dá)，該系列所有產(chǎn)品均脫胎于母模板，也可說(shuō)成每個(gè)具體的產(chǎn)品都是該母模板的實(shí)例化，母模版結(jié)構(gòu)如圖2，母模版P和具體產(chǎn)品(實(shí)例1、實(shí)例2、實(shí)例3)的關(guān)系如圖3。

我們把構(gòu)成母模版P的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都作為一個(gè)配置單元，用三元信息表達(dá)模型表示 P_Mol=(Pid，PType，Rep(Attr Name，DataType，InCons［Domain］))其中:P_Mol為配置單元。Pid為配置單元的惟一標(biāo)識(shí)碼。PType表示該單元的類型，配置單元被劃分為3類:(1)通用件:本系列所有產(chǎn)品用到的相同的物料，如電機(jī)一個(gè)系列中相同的聯(lián)軸器、軸承前蓋。(2)特征件:特征件是一個(gè)系統(tǒng)中必不可少的，而且是區(qū)別該系列下產(chǎn)品不同的關(guān)鍵要素。但是特征件中有多種選擇，可以任選其一。如銘牌，材料可以是L4，也可以是鈦金面不銹鋼。如圖2中的A1、A2、A3是特征件，有3種選擇。(3)可選件:是指那些產(chǎn)品中可以有，也可以沒有的物料，屬于動(dòng)態(tài)添加的零部件，可以隨電機(jī)一起裝配，也可以顧客自行購(gòu)買。如電機(jī)中的加熱帶、熱敏電阻、繞阻測(cè)溫、軸承測(cè)溫、編碼器、接地裝置等。

Attr Name表示該配置單元的屬性名稱，配置單元的屬性有兩類:(1)與幾何、材料等相關(guān)的內(nèi)部屬性，這類屬性用戶一般不能選擇，其屬性值由系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和配置單元之間的相互依賴關(guān)系所確定;(2)外部屬性，如顏色，這類屬性用戶可以進(jìn)行選擇，如在電機(jī)外觀顏色的確定，用戶可以要求電機(jī)是紅色的。Data Type表示屬性的取值類型，如整型、字符型、布爾型、實(shí)型等。InCons表示屬性的取值限定約束，分為:(1)必須從域中選一個(gè)作為其值;(2)不選或可從域中選一個(gè)作為其值;(3)可在給定的區(qū)間內(nèi)取值。Domain表示該屬性的值域，可以是離散值或連續(xù)值。Rep表示可以有若干個(gè)這樣的屬性定義。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表達(dá)了產(chǎn)品零部件之間的結(jié)構(gòu)信息，母模板則非常清晰地表達(dá)了該系列所包含的通用件、特征件、可選件。

目前產(chǎn)品母模版的建立一般需要對(duì)產(chǎn)品特別熟悉的人員概括整理得出，它的弊端是一開始就進(jìn)行總結(jié)，勢(shì)必占用大量的人力物力財(cái)力?？梢韵冉⒕唧w的產(chǎn)品，母模版由具體的產(chǎn)品自動(dòng)抽象出來(lái)，母模版隨著具體產(chǎn)品數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)而充實(shí)，等到數(shù)據(jù)形成規(guī)模的時(shí)候，借助數(shù)據(jù)庫(kù)去分析系列的規(guī)律，更容易確定零部件哪些是通用件、特征件、可選件。建立母模板的一般情況如圖4和母模版自動(dòng)生成情況如圖5。

1.6 全系列重組

當(dāng)新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品主要關(guān)鍵特征不在任何一個(gè)已經(jīng)有的系列里邊，而且它的構(gòu)成可能有幾個(gè)系列的零部件節(jié)點(diǎn)重組得到，對(duì)于這種更有創(chuàng)造性的開發(fā)需要用到全系列重組。圖6中表達(dá)了從L1系列和L2系列中各一個(gè)實(shí)例產(chǎn)品重組形成L3系列的一個(gè)產(chǎn)品。

2 產(chǎn)品配置功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 需求的獲取

和本文相關(guān)的需求主要分為公司推出新產(chǎn)品和客戶需求。公司推出新產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)人員能提供較準(zhǔn)確的特征參數(shù)，但是客戶往往是以比較模糊的語(yǔ)言表達(dá)其需求。使用基于事例推理(CBR)的方法，讓客戶回答一些有關(guān)產(chǎn)品主特征的參數(shù)及規(guī)范化的客戶需求，然后從客戶需求事例庫(kù)中選擇一個(gè)與客戶要求最接近的客戶需求集，基于該客戶需求集，進(jìn)行修改補(bǔ)充，從而得到精確描述的特征參數(shù)。

2.2 算法的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)特征屬性值，首先在特征選項(xiàng)譜表中遍歷是否有符合要求的組合，假如沒有的話進(jìn)入步驟二，有的話進(jìn)行步驟一。

步驟一:

(1)在產(chǎn)品信息表中建立新產(chǎn)品信息。

(2)判斷該產(chǎn)品是否屬于某一系列，假如否的話直接進(jìn)入全系列重組，根據(jù)特征值選定各個(gè)系列下的零部件，形成新產(chǎn)品。假如屬于某個(gè)系列進(jìn)入(3)。

(3)判斷是否可以有某個(gè)母模版得到，假如否的話根據(jù)目前已經(jīng)有的產(chǎn)品實(shí)例進(jìn)行遺傳變異，得到一個(gè)新產(chǎn)品。假如是的話進(jìn)入(4)。

(4)進(jìn)入該系列母模版，按照BOM樹遞歸搜索算法依次判斷各個(gè)層次節(jié)點(diǎn)是否屬于通用件、特征件、可選件。假如是通用件直接選定;假如是特征件，判斷是否滿足給定的特征項(xiàng)，假如滿足被選定，假如不滿足舍棄;可選件根據(jù)可選特征項(xiàng)進(jìn)行判斷取舍。最后把選定的零部件添加到新生成的產(chǎn)品樹里。

步驟二:

假如特征選項(xiàng)譜表中沒有符合要求的組合，則根據(jù)特征的權(quán)重進(jìn)行最接近的選擇，最后給出選出的特征值和原始值對(duì)照表。最后再進(jìn)行步驟一。步驟一算法流程如圖7。

2.3 與ERP和CAD的集成

(1)和ERP的集成。產(chǎn)品配置的結(jié)果是為了生產(chǎn)，一個(gè)產(chǎn)品配置結(jié)果是其他形式的BOM的基礎(chǔ)，如PBOM(Planning Bill of Materials)和MBOM(Manufacturing Bill of Materials)的生成。

(2)和CAD的集成。產(chǎn)品樹上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅包含物料明細(xì)，而且包含圖紙文檔等信息，通過(guò)與CAD系統(tǒng)可參數(shù)化設(shè)計(jì)的集成，可以直接利用配置的設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)驅(qū)動(dòng)CAD系統(tǒng)，完成零部件的草圖設(shè)計(jì)或幾何設(shè)計(jì)，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間的目的。

3 電機(jī)產(chǎn)品配置應(yīng)用實(shí)例

由項(xiàng)目組自行研發(fā)的關(guān)于工業(yè)電機(jī)的PDM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了上述算法，只截取其中的界面:

電機(jī)參數(shù)選擇界面如圖8，母模版明細(xì)表如圖9，全系列重組如圖10。

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了一個(gè)基于PDM產(chǎn)品配置的快速設(shè)計(jì)開發(fā)策略，操作簡(jiǎn)單，易于用戶交互，極大地提高新產(chǎn)品開發(fā)的速度。基于J2EE流行框架Struts+Hibernate+Spring技術(shù)，使系統(tǒng)能夠重用容易維護(hù)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的BOM樹配置功能更容易與企業(yè)的 CAD、CAPP、CAM、MRP進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)多種BOM信息共享與數(shù)據(jù)一致性。目前該系統(tǒng)的配置決策能力還不足，需要進(jìn)一步完善。

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