面向定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同的集成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品建模研究

馬 軍，路 迪，張 秀，王明義，郭長(zhǎng)江

MA Jun,LU Di,ZHANG Xiu,WANG Ming-yi,GUO Chang-jiang

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

在客戶需求多樣化和市場(chǎng)全球化的背景下，發(fā)展現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)是企業(yè)獲得生存和持續(xù)發(fā)展的重要選項(xiàng)[1]，在上述背景下通過整個(gè)供應(yīng)鏈的設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)定制產(chǎn)品的快速形成，提高供應(yīng)商企業(yè)對(duì)核心企業(yè)的快速響應(yīng)能力。

馮培恩等[2]通過對(duì)生物基因工程與產(chǎn)品原理方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)類比，建立了基于產(chǎn)品基因遺傳和重組的概念設(shè)計(jì)框架。邱清盈[3]提出了一種協(xié)同優(yōu)化進(jìn)程規(guī)劃策略，該規(guī)劃包含求解進(jìn)程規(guī)劃和分解建模規(guī)劃兩個(gè)核心環(huán)節(jié)。然而上述研究主要針對(duì)產(chǎn)品在企業(yè)內(nèi)部集成一體化的設(shè)計(jì)。針對(duì)設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同這一新的市場(chǎng)需求，焦建新等[4]通過分析OEM（Origin Entrusted Manufacture）企業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，研究了通過大批量定制增加產(chǎn)品服務(wù)附加值提升企業(yè)利潤(rùn)的可行性。顧新建等[5]提出了產(chǎn)品與服務(wù)高度集成、整體優(yōu)化的新型生產(chǎn)系統(tǒng)—產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)。但上述研究缺乏可操作性的設(shè)計(jì)方法支持。

本文針對(duì)企業(yè)聯(lián)盟背景下的設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同環(huán)境，融合現(xiàn)有產(chǎn)品建模標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，提出集成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的產(chǎn)品信息模型，研究事物特性表驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同方法，并實(shí)現(xiàn)不同企業(yè)間產(chǎn)品設(shè)計(jì)資源的共享和重用。

1 定制產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同過程

企業(yè)在開發(fā)滿足客戶要求的新產(chǎn)品的同時(shí)，也必須降低企業(yè)內(nèi)部成本，這需要最大限度地降低零部件的種類，提高設(shè)計(jì)重用率[6]。同時(shí)，核心企業(yè)可以根據(jù)需要將部分產(chǎn)品模塊的設(shè)計(jì)研發(fā)向有關(guān)的供應(yīng)商開放，使他們通過網(wǎng)絡(luò)機(jī)制開展定制設(shè)計(jì)協(xié)同，由此將大幅度壓縮庫(kù)存，降低采購(gòu)及相關(guān)業(yè)務(wù)流程的成本和風(fēng)險(xiǎn)。這一機(jī)制包括：

1）核心企業(yè)者通過市場(chǎng)確認(rèn)機(jī)制獲取客戶的需求訂單。

2）客戶需求訂單通過設(shè)計(jì)人員的分析，形成產(chǎn)品需求模型，同時(shí)通過功能-結(jié)構(gòu)映射機(jī)制建立產(chǎn)品模型。

3）核心企業(yè)發(fā)布所需的配套零部件模塊，通過招標(biāo)選擇合適的供應(yīng)商。

4）協(xié)同企業(yè)不僅提供報(bào)價(jià)，而且還通過網(wǎng)絡(luò)化供應(yīng)商零件庫(kù)提供必要的產(chǎn)品模型，以便核心企業(yè)進(jìn)行仿真裝配，驗(yàn)證配套產(chǎn)品是否合適。

5）在產(chǎn)品模型中通過模塊配置或變型將最終實(shí)現(xiàn)滿足訂單需求的變型產(chǎn)品。

2 定制產(chǎn)品信息建模

2.1 集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的定制產(chǎn)品信息建模

目前，針對(duì)產(chǎn)品信息建模有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如ISOTC184/SC4的產(chǎn)品信息標(biāo)準(zhǔn)STEP、零件庫(kù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)PLIB和德國(guó)DIN4000標(biāo)準(zhǔn)[7]。STEP標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)關(guān)于數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的數(shù)據(jù)。德國(guó)事物特性表DIN4000標(biāo)準(zhǔn)定義了從產(chǎn)品對(duì)象組中表征和區(qū)分某個(gè)對(duì)象的決定性特性。PLIB標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是提供一種傳遞零件庫(kù)數(shù)據(jù)的中性機(jī)制，這種中性機(jī)制獨(dú)立于任何使用零件庫(kù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，為企業(yè)內(nèi)部和不同企業(yè)間建立起零部件資源共享的橋梁[8]。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性，采用上述標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法完全滿足設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同過程中產(chǎn)品信息一致性表達(dá)。而從技術(shù)層面上來(lái)說，可以考慮通過集成上述集中標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范來(lái)共同完成產(chǎn)品信息建模，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的共享，如圖1所示。

圖1 集成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品信息建模方法

2.2 集成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品信息模型的描述

1）概念層描述

面向定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同的產(chǎn)品信息模型的表示要考慮其描述能力、可理解性和可擴(kuò)充性，所涉及的邏輯單元包括產(chǎn)品、供應(yīng)商、零件類和特性。如圖2所示，借鑒PLIB標(biāo)準(zhǔn)，面向設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同的產(chǎn)品信息模型采用基本語(yǔ)義單元的三層描述機(jī)制，即概念層主要由字典元素定義，并采用基本語(yǔ)義單元（basic semantic unit，BSU）對(duì)其進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，經(jīng)過BSU標(biāo)識(shí)后的概念能夠被引用。內(nèi)容項(xiàng)給出了字典元素內(nèi)容的實(shí)例化描述。

圖2 基于PLIB標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品模型概念層描述

2）邏輯層描述

應(yīng)用層的產(chǎn)品模型面向設(shè)計(jì)過程。采用面向產(chǎn)品族的多視圖建模方法。如圖3所示，產(chǎn)品模型分為功能視圖、原理視圖和結(jié)構(gòu)視圖和產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)視圖[9]。功能視圖從客戶角度描述產(chǎn)品功能。技術(shù)視圖描述產(chǎn)品形成的物理原理，體現(xiàn)了產(chǎn)品模塊的技術(shù)領(lǐng)域及關(guān)聯(lián)約束。結(jié)構(gòu)視圖主要描述實(shí)現(xiàn)技術(shù)視圖的的產(chǎn)品拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 產(chǎn)品模型邏輯層多視圖描述

產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)視圖則是在功能、技術(shù)、結(jié)構(gòu)三視圖映射基礎(chǔ)之上，形成的與客戶訂單無(wú)關(guān)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)的模塊由事物特性表描述，每一個(gè)模塊都有關(guān)于本節(jié)點(diǎn)的裝配規(guī)則，體現(xiàn)了產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)及構(gòu)成關(guān)系。模塊事物特性描述可經(jīng)過測(cè)量、測(cè)試等手段獲得的特性信息，如模塊的尺寸或物理性能參數(shù)。產(chǎn)品模型視圖之間的聯(lián)系體現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的邏輯時(shí)序。

3 事物特性表驅(qū)動(dòng)的定制產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)

在定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同過程中，各個(gè)供應(yīng)商的零件資源上傳到網(wǎng)絡(luò)化零件庫(kù)系統(tǒng)后?？焖俣ㄖ圃O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中需要模塊事物特性表與參數(shù)化CAD系統(tǒng)進(jìn)行配合，即事先在參數(shù)化CAD系統(tǒng)中建立模塊參數(shù)模型，然后建立事物特性表中的特性與CAD系統(tǒng)中的參數(shù)表之間的映射關(guān)系，包括一對(duì)多映射（1∶N）或多對(duì)一映射（N∶1），在實(shí)現(xiàn)過程中，通過事物特性表與參數(shù)表之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，驅(qū)動(dòng)CAD系統(tǒng)中的參數(shù)化模型，在CAD系統(tǒng)中產(chǎn)生產(chǎn)品變型。其過程如圖5所示。

1）設(shè)計(jì)人員在供應(yīng)商模塊庫(kù)中通過面向案例推理的方法搜索所需要的產(chǎn)品模塊，與此同時(shí)將獲得產(chǎn)品模塊的事物特性表和參數(shù)化模型。

2）設(shè)計(jì)人員將滿足客戶需求的模塊特性值交互輸入到事物特性表行中，同時(shí)將參數(shù)化模型導(dǎo)入CAD系統(tǒng)。

圖4 事物特性表驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品定制快速設(shè)計(jì)服務(wù)

3）確定CAD系統(tǒng)中參數(shù)表與事物特性表之間的映射關(guān)系，建立事物特性表與參數(shù)表之間的映射對(duì)照表。

4）通過映射對(duì)照表，將事物特性表中的特性值將傳遞到CAD系統(tǒng)的參數(shù)表中。

5）借助于CAD系統(tǒng)的API函數(shù)功能，參數(shù)化模型將派生出滿足需求的模塊變型。

4 網(wǎng)絡(luò)化定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同平臺(tái)

4.1 平臺(tái)框架

基于上述的理論和方法，建立了面向企業(yè)聯(lián)盟的定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同平臺(tái)。如圖5所示，該平臺(tái)不僅可提高復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同能力，而且為企業(yè)聯(lián)盟間的設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同和信息交互提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的資源建模環(huán)境。該平臺(tái)的邏輯結(jié)構(gòu)分為資源層、建模層、服務(wù)層和應(yīng)用層三個(gè)層次。

圖5 網(wǎng)絡(luò)化定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

1）資源層：資源層為設(shè)計(jì)者提供豐富的設(shè)計(jì)資源。這些設(shè)計(jì)資源存儲(chǔ)在自治的分布式網(wǎng)絡(luò)化零件庫(kù)中。

2）建模層：建模層是平臺(tái)的核心，為存儲(chǔ)在資源層的設(shè)計(jì)資源提供了一個(gè)集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的公共表達(dá)規(guī)范。

3）業(yè)務(wù)層：業(yè)務(wù)層主要提供快速定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同功能，這些功能應(yīng)用WEB service封裝機(jī)制進(jìn)行服務(wù)封裝。

4）用戶層：用戶層為終端設(shè)計(jì)人員及用戶提供一個(gè)便利、安全的訪問端口。

4.2 應(yīng)用案例

可轉(zhuǎn)位螺桿成型銑刀是螺桿加工的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件。螺桿成型銑刀其結(jié)構(gòu)基本一致，主要由刀體、刀片、楔型塊、螺釘構(gòu)成。其中，銑刀刀體是螺桿成型銑刀最基本的也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的組成部分。對(duì)于同一類型的銑刀由于刀槽結(jié)構(gòu)相同，因此對(duì)螺釘、楔型塊等零部件的選用基本上是一致的，只是刀體的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā)生了變化。

如圖6所示，建立了面向設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同的螺桿成型銑刀CAD系統(tǒng)。在So1idworks系統(tǒng)中建立變量表，輸入銑刀刀體的參數(shù)，通過與銑刀刀體事物特性表關(guān)聯(lián)完成銑刀刀體的尺寸參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，對(duì)于螺釘、楔型塊等則采用標(biāo)準(zhǔn)件，可以通過該平臺(tái)系統(tǒng)的供應(yīng)商零件庫(kù)直接下載，并在CAD瀏覽器中實(shí)現(xiàn)與銑刀刀體的仿真裝配。

圖6 螺桿成型銑刀的設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同環(huán)境，集成ISO13584、STEP和DIN4000等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，建立一致性描述的產(chǎn)品模型，以適應(yīng)設(shè)計(jì)資源分布性和異構(gòu)性的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了事物特性表驅(qū)動(dòng)的定制產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)服務(wù)方法。實(shí)踐表明，該方法有效地減少了核心企業(yè)產(chǎn)品零部件的種類和數(shù)量，降低企業(yè)成本，同時(shí)促進(jìn)了企業(yè)間的定制設(shè)計(jì)服務(wù)協(xié)同和資源優(yōu)化。

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