夏偉

夏偉

摘 要：本文針對(duì)柔性模塊族設(shè)計(jì)、拓展及優(yōu)化等問(wèn)題，分析了柔性模塊化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及事物特性表的原理功能，提出了基于事物特性表的柔性模塊建模步驟與方法：功能模塊分析、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析、模塊配置分析和模塊參數(shù)分析。最后，以單柱C型液壓機(jī)機(jī)身柔性模塊建模分析為例，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性，為快速變型設(shè)計(jì)提供了支撐。

關(guān)鍵詞：柔性模塊族;事物特性表;變型設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）17-0054-04

Abstract： In order to solve the problem of design extension and optimization of flexible module family in complex product design， this paper analyzed the design features of flexible modularity and the function of transaction characteristic table. The modeling steps and methods of flexible modules based on the transaction characteristic table are proposed： functional module analysis， topological structure analysis， module configuration analysis and module parameter analysis. Finally， the validity and feasibility of the method are verified by the example of flexible module modeling and analysis of single-column C-type hydraulic press frame， which provides support for rapid variant design.

Keywords： flexible module family;transaction characteristic table;variant design

大批量定制以大批量生產(chǎn)來(lái)面向市場(chǎng)的多樣性需求。產(chǎn)品族設(shè)計(jì)是一種實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)的重要方式[1]，能夠通過(guò)添加、刪除不同模塊等實(shí)現(xiàn)多種用戶(hù)需求，具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠被一系列產(chǎn)品重用、共享，在一定程度上能夠大幅度提高生產(chǎn)線的設(shè)備利用率和自動(dòng)化程度，具有通用化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的特性。

作為產(chǎn)品族設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)——產(chǎn)品模塊化識(shí)別劃分、配置等，國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。Suh[2]提出了功能獨(dú)立性公理，為模塊劃分提供了理論支持。Stone[3]采用定性方法，從功能角度出發(fā)，提出了模塊劃分的三大啟發(fā)式規(guī)則：主流原則、支流原則和轉(zhuǎn)換/傳輸原則。Gu[4]等人從產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段考慮，如制造階段和裝配階段等，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分。劉洋[5]研究了復(fù)雜產(chǎn)品多維規(guī)劃下的模塊化設(shè)計(jì)，提出了多維規(guī)劃下融合服務(wù)的復(fù)雜產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法、實(shí)施過(guò)程、技術(shù)體系框架和關(guān)鍵技術(shù)。

雖然上述專(zhuān)家學(xué)者對(duì)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)具有了相當(dāng)深入的研究，但在越來(lái)越復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如液壓機(jī)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法略顯不足，因此，相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。徐燕申[6]等人提出了“廣義模塊化”的概念，是傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的拓展。侯亮[7]等人基于相似特征構(gòu)建了模塊化產(chǎn)品族中進(jìn)行柔性模塊化的柔性模塊矩陣和產(chǎn)品矩陣，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品族的廣義模塊化。劉玉民[8]等人提出了以虛擬柔性模塊為基礎(chǔ)構(gòu)建整體框架式液壓機(jī)廣義模塊化產(chǎn)品族的策略，為快速設(shè)計(jì)該類(lèi)產(chǎn)品提供了理論和技術(shù)支持。

以上研究主要集中在柔性模塊創(chuàng)建、柔性模塊優(yōu)化以及基于柔性模塊的產(chǎn)品族構(gòu)建等相關(guān)技術(shù)上，對(duì)于基型柔性模塊擴(kuò)展，進(jìn)而形成柔性模塊族，則缺乏相應(yīng)研究。本文在前述專(zhuān)家學(xué)者對(duì)廣義模塊化和柔性模塊化研究的基礎(chǔ)上，提出基于事物特性表的液壓機(jī)柔性模塊族建模方法。實(shí)例驗(yàn)證分析表明，該方法能有效面向大批量定制產(chǎn)品，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。

1 柔性模塊化相關(guān)概念

1.1 柔性模塊化概念

在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品模塊具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和功能，模塊之間尺寸和接口都是確定的或成系列化的，而在柔性模塊中，模塊結(jié)構(gòu)和接口都是參數(shù)化的[9]，具體表現(xiàn)為功能、幾何結(jié)構(gòu)約束和工程約束的函數(shù)，信息表達(dá)如式（1）所示：

（1）

其中，為柔性模塊結(jié)構(gòu)參數(shù);[pr]為影響模塊設(shè)計(jì)的載荷、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù);[hs]為材料特性等參數(shù)。

結(jié)構(gòu)參數(shù)是]和等物理參數(shù)的函數(shù)：

（2）

當(dāng)產(chǎn)品為整體結(jié)構(gòu)，子模塊很難劃分時(shí)，為了在CAD平臺(tái)上設(shè)計(jì)方便，可以按各部分的子功能劃分為子模塊。這種具有獨(dú)立子功能，在結(jié)構(gòu)上不可分離的子模塊，稱(chēng)為虛擬柔性模塊。圖1為各類(lèi)產(chǎn)品的模塊隸屬情況。

1.2 柔性模塊化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)中的模塊具有系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，而柔性模塊除了具有傳統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)。

①柔性模塊具有結(jié)構(gòu)上的柔性，包含拓?fù)淙嵝院蛥?shù)柔性，接口是一組具有柔性的接口。

②虛擬柔性模塊實(shí)為功能構(gòu)件，是在實(shí)際中不存在的獨(dú)立的實(shí)體結(jié)構(gòu)。借助于CAD平臺(tái)，可把虛擬柔性模塊表達(dá)成一個(gè)個(gè)三維結(jié)構(gòu)單元，建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元庫(kù)，以便于企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)。

③柔性模塊具有結(jié)構(gòu)參數(shù)的可變性，不同于傳統(tǒng)模塊的系列性。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，客戶(hù)可能提出一些個(gè)性化需求，傳統(tǒng)模塊不能很好地滿足客戶(hù)的需求。而柔性模塊的參數(shù)化結(jié)構(gòu)，可以隨著客戶(hù)的需求定制尺寸，以便快速響應(yīng)客戶(hù)，拓寬了市場(chǎng)覆蓋面。

2 基于事物特性表的柔性模塊建模概述

2.1 事物特性表原理

事物特性表指表征產(chǎn)品（包括部件、零件）的功能、幾何、制造等事物特性，并以固定格式表的形式反映出來(lái)的信息集合。事物特性表定義了從對(duì)象組中表征和區(qū)分某個(gè)對(duì)象的決定性特性，規(guī)定了特性數(shù)據(jù)的表示格式，使產(chǎn)品特性數(shù)據(jù)能夠方便地在不同系統(tǒng)之間交換。

事物特性表技術(shù)于20世紀(jì)70年代初產(chǎn)生于德國(guó)。德國(guó)利用事物特性表技術(shù)建立國(guó)家級(jí)的信息流標(biāo)準(zhǔn)，并于1985年開(kāi)始組織制定該技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)等效采用德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)，制定了事物特性表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《事物特性表定義和原理》（GB/T 10091.1—1995）及系列標(biāo)準(zhǔn)GB/10091.X[10]。在《事物特性表定義和原理》（GB/T 10091.1—1995）中明確規(guī)定了事物特性表的格式，如表1所示。

可見(jiàn)，事物特性表由表行和表列構(gòu)成。表1中第三行A～J分別代表事物的9個(gè)特性（不用字母I），第四行給出了事物特性的名稱(chēng)。表中的每一個(gè)表行代表一個(gè)具體的形狀特征或零部件;表列是構(gòu)建事物特性表的對(duì)象，存放著單位和表列的取值范圍等，表列寬度也在此被確定。

在產(chǎn)品的不同層次上，事物特性表描述不同的內(nèi)容。在零件層次上，該表描述零件的幾何特性;在裝配層次上，該表描述哪些對(duì)象參與裝配以及各對(duì)象的基準(zhǔn)定位點(diǎn)。使用事物特性表具有以下幾項(xiàng)功能：①在CAD中，通過(guò)查詢(xún)、識(shí)別、比較和選擇各種零部件和組件的特性信息，幫助開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)（包括方案的設(shè)計(jì)、計(jì)算及制圖）;②在計(jì)算機(jī)輔助計(jì)劃（CAP）中，通過(guò)查詢(xún)、識(shí)別、比較和選擇各種原材料等特性信息，進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備和檢驗(yàn)準(zhǔn)備，如編制生產(chǎn)、裝配、檢驗(yàn)計(jì)劃及數(shù)控程序等;③在計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）中，幫助了解倉(cāng)庫(kù)、生產(chǎn)、裝配和檢驗(yàn)場(chǎng)地中的各種物品情況，進(jìn)行車(chē)間控制和監(jiān)視，掌握生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)量、質(zhì)量等情況;④在計(jì)算機(jī)輔助圖書(shū)、情報(bào)、技術(shù)檔案、標(biāo)準(zhǔn)等管理中，進(jìn)行檢索、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和處理。

2.2 基于事務(wù)特性表的柔性模塊建模步驟

本文利用事物特性表技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的柔性模塊進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)建模，以便柔性模塊拓展，形成柔性模塊族。柔性模塊事物特性表的建立步驟和方法如下。

2.2.1 功能模塊分析。通過(guò)對(duì)模塊的功能進(jìn)行分析，可以使設(shè)計(jì)人員清楚了解與功能相對(duì)應(yīng)的模塊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為事物特性表中特性確定做準(zhǔn)備，避免了設(shè)計(jì)人員的盲目性。

2.2.2 模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析。確定好產(chǎn)品各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的功能后，需要對(duì)模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以便減少模塊的種類(lèi)和數(shù)量，達(dá)到減少生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的某一功能，通常會(huì)構(gòu)造多個(gè)模塊結(jié)構(gòu)形式，而這些模塊結(jié)構(gòu)形式有很多是相似的。對(duì)模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，即以模塊實(shí)現(xiàn)功能和約束為基礎(chǔ)，采用一系列相似模塊的典型結(jié)構(gòu)，并完成相應(yīng)功能要求，為后期建立模塊幾何模型作鋪墊。

2.2.3 模塊配置分析。某個(gè)模塊可能由單個(gè)零件構(gòu)成，也可能由兩個(gè)或多個(gè)零件構(gòu)成。模塊和構(gòu)成零部件事物特性表之間主要有兩種約束。①欠約束。模塊層事物特性約束零部件事物特性，但是通過(guò)這些受約束的事物特性并不能確定唯一一個(gè)零部件，而確定的是一個(gè)零部件的實(shí)例集合。此種情況下需要人工進(jìn)行交互參與，做出選擇，從而判斷某一個(gè)零部件實(shí)例。②完備約束。模塊層事物特性約束零部件事物特性，通過(guò)這些受約束的事物特性能確定唯一一個(gè)零部件的實(shí)例。若模塊層次的所有約束都為完全約束，則在模塊層次可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)，無(wú)需用戶(hù)交互參與。

2.2.4 模塊參數(shù)分析。對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)際是為了減少模塊的參數(shù)，使參數(shù)盡量精簡(jiǎn)和統(tǒng)一。模塊的參數(shù)有多種類(lèi)型，包含多種約束，大致有以下3種。

①獨(dú)立特性。這類(lèi)事物特性只是給出了取值范圍，不受其他事物特性的約束。在模塊派生新實(shí)例時(shí)，該類(lèi)特性值需要用戶(hù)進(jìn)行輸入。

②函數(shù)特性。此類(lèi)特性的取值完全依賴(lài)于其他事物特性，并通過(guò)函數(shù)關(guān)系式來(lái)表達(dá)，在模塊派生新實(shí)例時(shí)，由系統(tǒng)直接根據(jù)函數(shù)式計(jì)算得出。

③條件特性。此類(lèi)模塊特性的取值范圍受其他事物特性和派生特性的約束，只有在其他事物特性和派生特性賦值的情況下才能確定取值范圍。在模塊派生新實(shí)例時(shí)，該類(lèi)特性值需要用戶(hù)手動(dòng)輸入。

2.2.5 創(chuàng)建事物特性表。模塊對(duì)應(yīng)的各個(gè)主參數(shù)可以使用各特性對(duì)應(yīng)的代碼來(lái)標(biāo)志。在建立事物特性表時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則。①表中的事物特性應(yīng)能全面而清楚地描述模塊特性。②模塊特性參數(shù)應(yīng)盡量精簡(jiǎn)，只須將變型設(shè)計(jì)所需的可變參數(shù)列入即可。③若模塊由單個(gè)零件組成，則事物特性選擇側(cè)重于幾何尺寸、精度及材料等信息;而如果模塊由多個(gè)零部件組成，則事物特性選擇側(cè)重于裝配尺寸和配合精度等信息。

3 實(shí)例分析

本文以C型液壓機(jī)機(jī)身模塊為實(shí)例，利用事物特性表對(duì)上述柔性模塊族建立方法進(jìn)行驗(yàn)證，使用的CAD平臺(tái)為SolidWorks軟件。

3.1 C型液壓機(jī)機(jī)身模塊功能分析

根據(jù)上述給出的柔性模塊的事物特性表的構(gòu)建步驟，首先對(duì)C型液壓機(jī)機(jī)身模塊進(jìn)行功能分析。對(duì)于C型液壓機(jī)機(jī)身模塊，主要具有支撐工作臺(tái)、支撐工件、承受油缸的反作用力和包含油液等功能，在C型液壓機(jī)中起到核心模塊的作用。其中，機(jī)身主缸下支板支撐油缸，保證壓裝或校正工藝正常進(jìn)行;工作臺(tái)支撐附加工作臺(tái)或輔具，以便輔具能夠很好地夾持工件;右側(cè)板、左側(cè)板等承受滑塊執(zhí)行工藝動(dòng)作時(shí)具有反作用力，并與機(jī)身底板等零件組成封閉環(huán)境，密封油液;機(jī)身放油座和放油堵實(shí)現(xiàn)油液釋放和保持油液清潔。對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行功能建模如圖2所示。

3.2 模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

利用小型金屬薄板零件拉伸、成形、壓印等工藝;軸套類(lèi)零件的校正、壓裝工藝以及非金屬材料、塑料及粉末制品壓制等實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。采用C型液壓機(jī)機(jī)身模塊，呈現(xiàn)出單柱的C型形狀，適用于中小型噸位，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。機(jī)身結(jié)構(gòu)基本采用板材焊接而成，方便輔具更換。

3.3 模塊參數(shù)分析

模塊由單個(gè)零件組成，參數(shù)主要考慮零件的幾何尺寸、精度和材料信息。若模塊是一裝配體，則參數(shù)主要考慮其裝配尺寸和各個(gè)零件間的配合信息。該機(jī)身模塊由17個(gè)零件裝配而成，參數(shù)主要考慮各零件間的配合關(guān)系。通過(guò)與市場(chǎng)客戶(hù)進(jìn)行交流和調(diào)研，得出C型機(jī)身模塊的主要參數(shù)為公稱(chēng)力、C型開(kāi)口高度、喉深、滑塊行程、機(jī)身總長(zhǎng)、機(jī)身總寬、機(jī)身總高以及工作臺(tái)距地面距離。其中，公稱(chēng)力由工件直徑等參數(shù)計(jì)算確定，不受其他特性影響，屬于獨(dú)立特性，一般按照優(yōu)先數(shù)系進(jìn)行特性值派生，如按照R5系列，則公稱(chēng)力可以為63、100、160和250KN等。開(kāi)口高度根據(jù)工件的尺寸（如在壓裝時(shí)，工件越長(zhǎng)，則開(kāi)口高度越大）來(lái)確定，不受其他特性影響，屬于獨(dú)立特性。喉深由輔具大小決定，也屬于獨(dú)立特性。而滑塊行程則受到開(kāi)口高度限制，其值不能大于開(kāi)口高度，屬于條件特性。工作臺(tái)距地面高度，由操作工身高來(lái)設(shè)置，根據(jù)操作工的高矮決定該特性值大小，不受其他特性值影響，屬于獨(dú)立特性。

3.4 建立C型機(jī)身模塊事物特性表

經(jīng)過(guò)以上4步對(duì)機(jī)身模塊功能、結(jié)構(gòu)和參數(shù)分析，建立C型機(jī)身模塊的事物特性表。圖3為機(jī)身主缸下支板的事物特性表。每個(gè)零件的事物特性表代表一個(gè)零件族。基于所建立的零件族，可以建立機(jī)身模塊的事物特性表，形成機(jī)身柔性模塊族。圖4為機(jī)身模塊事物特性表，該表表明了機(jī)身模塊和其組成零件的約束關(guān)系，為產(chǎn)品自頂向下（Top-down）設(shè)計(jì)以及模塊重構(gòu)做了很好鋪墊。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在研究柔性模塊和事物特性表基礎(chǔ)原理基礎(chǔ)上，提出了基于事物特性表的柔性模塊建模步驟和方法，并以單柱C型液壓機(jī)為例，對(duì)機(jī)身柔性模塊進(jìn)行了基于事物特性表的建模，為后續(xù)液壓機(jī)柔性模塊族構(gòu)建和快速變型設(shè)計(jì)提供了支撐，使企業(yè)快速、高效地設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出面向客戶(hù)個(gè)性化需求的產(chǎn)品。后續(xù)將基于構(gòu)建的事物特性表模型進(jìn)行產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)研究。

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