零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳進(jìn)平，劉元朋*，王 振，馮憲章，張樹生

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院,河南 鄭州 450046；2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,陜西 西安 710072)

工程更改(engineering change, EC)在現(xiàn)代制造企業(yè)中扮演著不可或缺的角色，它主要包括：零部件設(shè)計(jì)更改、產(chǎn)品模型更改、軟件更改等[1]。零部件設(shè)計(jì)更改在整個(gè)工程更改中占有極其重要地位，企業(yè)通過對(duì)原有零部件及產(chǎn)品進(jìn)行局部設(shè)計(jì)更改，輔助繼承、重用原有部分設(shè)計(jì)結(jié)果可以顯著提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本并減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)[2]。以航空產(chǎn)品為例，航空產(chǎn)品具有輕量化、多功能、高可靠性等特點(diǎn)，其研制流程是“設(shè)計(jì)-制造-試驗(yàn)-修改設(shè)計(jì)-再制造-再試驗(yàn)”反復(fù)迭代優(yōu)化的過程。因此，航空產(chǎn)品在研制過程中不可避免的會(huì)發(fā)生設(shè)計(jì)更改現(xiàn)象，通過設(shè)計(jì)更改可以極大提高設(shè)計(jì)效率、節(jié)約研制成本。統(tǒng)計(jì)資料表明，一架中型飛機(jī)在研制過程中的設(shè)計(jì)更改數(shù)量為 4萬～6 萬項(xiàng)，所有更改處理的時(shí)間占整體研制周期的1/3～1/2[3]。由此可見，設(shè)計(jì)更改已成為助力飛機(jī)研制的重要手段。

中國(guó)工程院尹澤勇院士指出我國(guó)航空裝備研制最大的短板是設(shè)計(jì)問題[4]，其中設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)在設(shè)計(jì)問題中表現(xiàn)尤為突出，嚴(yán)重制約了我國(guó)航空裝備的研制進(jìn)程。以設(shè)計(jì)更改為主體的快速設(shè)計(jì)方法是破解我國(guó)航空裝備研制周期長(zhǎng)有效的方法之一。迄今為止，設(shè)計(jì)更改已成為航空、航天、汽車等領(lǐng)域制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的一條重要途徑[5]。制造企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)更改業(yè)務(wù)的處理通常遵循工程更改管理流程，具體流程為：(1)識(shí)別更改原因；(2)提出更改方案；(3)評(píng)估更改影響；(4)授權(quán)更改方案；(5)執(zhí)行更改方案；(6)檢查歸檔方案[1]。技術(shù)人員在對(duì)上述流程操作處理中發(fā)現(xiàn)流程(3)即評(píng)估更改影響的處理最困難且耗時(shí)間[5]。如何快速準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)計(jì)更改影響成為工程更改理論研究面臨的新課題。尤其在航空、航天、汽車等領(lǐng)域存在大量的設(shè)計(jì)更改業(yè)務(wù)活動(dòng)，對(duì)先進(jìn)適用的設(shè)計(jì)更改影響評(píng)估方法及其評(píng)估軟件的需求更為迫切。相應(yīng)的更改影響評(píng)估方法及其評(píng)估軟件的研究業(yè)已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，逐步成為工程更改理論研究的前沿和熱點(diǎn)方向。

近年來，隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、新材料技術(shù)等交叉融合，引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)革命。應(yīng)運(yùn)而生的《中國(guó)制造2025》正著力推動(dòng)低成本，高質(zhì)量的定制化生產(chǎn)模式以滿足個(gè)性化、輕量化、品質(zhì)化需求。由于個(gè)性化、輕量化需求等原因，迫切需要對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改以響應(yīng)市場(chǎng)和客戶對(duì)新產(chǎn)品的迫切需求。因此企業(yè)亟需輔助技術(shù)人員快速評(píng)估設(shè)計(jì)更改影響的系統(tǒng)軟件工具。為此，本文開展了零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究，旨在解決航空制造企業(yè)中復(fù)雜零件設(shè)計(jì)更改影響的快速評(píng)估問題。

1 評(píng)估系統(tǒng)的工作原理及框架體系

1.1 工作原理

受知識(shí)重用[6-10]理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域的啟發(fā)，將知識(shí)重用理論作為零件設(shè)計(jì)更改影響評(píng)估的基礎(chǔ)。首先，將企業(yè)以往更改案例及其影響評(píng)估的結(jié)果構(gòu)建一個(gè)知識(shí)庫；然后，輸入將待評(píng)估的案例，識(shí)別其更改特征，與知識(shí)庫中的案例快速比對(duì)，檢索出相似案例；最后，依據(jù)相似更改案例的知識(shí)，采用貝葉斯定理結(jié)合最小交叉熵求解待評(píng)估更改案例的影響值。

1.2 框架體系

根據(jù)1.1節(jié)提供的工作原理，設(shè)計(jì)了零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估框架體系，具體圖1所示。

圖1 零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估的框架體系Fig.1 A framework system for rapid evaluation of part design change impact

2 評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以服務(wù)評(píng)估人員方便、友好、快速地評(píng)估零件設(shè)計(jì)更改(主要是零件幾何更改)產(chǎn)生的影響為目標(biāo)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須遵循以下原則：

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須符合用戶的使用習(xí)慣，并且界面友好，使用操作方便；

(2)為保證企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的安全性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮權(quán)限設(shè)置，對(duì)企業(yè)中的工程更改分析評(píng)估人員、更改方案決策人員分配不同賬戶和登陸密碼；

(3)信息統(tǒng)計(jì)詳細(xì)、全面，方便用戶對(duì)相關(guān)信息的管理和更新, 使評(píng)估決策人員能根據(jù)系統(tǒng)提供的評(píng)估結(jié)果，做出有效的管理決策。

2.2 評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境為：操作系統(tǒng)平臺(tái)采用Windows 10，程序開發(fā)平臺(tái)選取Visual Studio 2020，底層數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2018，軟件開發(fā)平臺(tái)為SolidWorks 2018。評(píng)估系統(tǒng)將運(yùn)行于如下硬件環(huán)境：處理器為Inter(R) Pentium(R) Dual 2.8 GHz CPU，內(nèi)存為2 GB，硬盤為1 TB的PC機(jī)。本評(píng)估系統(tǒng)在開發(fā)過程中采用SolidWorks 2018軟件是由法國(guó)達(dá)索公司(Dassault)研制的一款三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，它相比于Pro/Engineer和CATIA等軟件，價(jià)格低廉。因此，深得國(guó)內(nèi)外中小型制造企業(yè)的歡迎，在中小型制造企業(yè)使用、普及率高。SolidWorks是一個(gè)開放性軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了開發(fā)接口。目前SoldWorks系統(tǒng)提供了兩種開發(fā)方式：VBA宏錄制和SolidWorks API函數(shù)。本文采用了SolidWorks API函數(shù)接口開發(fā)技術(shù)，以C++語言[11-14]為編程語言，進(jìn)行更改影響快速評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)。

2.3 評(píng)估系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

評(píng)估系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括6個(gè)功能模塊：系統(tǒng)登錄管理功能模塊、系統(tǒng)I/O功能模塊、增加更改案例功能模塊、識(shí)別更改特征功能模塊、檢索相似案例功能模塊和評(píng)估更改影響功能模塊。每個(gè)模塊都要實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如，系統(tǒng)管理功能模塊要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：用戶登錄、權(quán)限管理(授權(quán)新用戶賬號(hào)及密碼)和退出系統(tǒng)。依次類推，系統(tǒng)I/O功能模塊要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：輸入更改模型和輸出影響值。由于篇幅所限，其它另外三個(gè)功能模塊就不一一列舉。

圖2 評(píng)估系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The functional structure diagram of the evaluation system

2.4 評(píng)估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際評(píng)估業(yè)務(wù)需求和用戶對(duì)評(píng)估系統(tǒng)的具體功能要求，評(píng)估系統(tǒng)的主要體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，它包括應(yīng)用層(即用戶界面)、核心算法層和底層數(shù)據(jù)層，如圖3所示。其中，應(yīng)用層由系統(tǒng)主界面與各功能模塊對(duì)話框構(gòu)成，運(yùn)行在Visual Studio 2020 MFC環(huán)境中，它采用了圖形化界面與用戶交互、管理、瀏覽各種數(shù)據(jù)對(duì)象；此外，它還接收用戶輸入數(shù)據(jù)，并將評(píng)估結(jié)果顯示給用戶。算法層是在Visual Studio 2020與SolidWorks 2018軟件平臺(tái)下，采用封裝算法的形式，將各個(gè)功能模塊以特定算法保存在系統(tǒng)中，并且提供應(yīng)用程序接口，供用戶調(diào)用。本系統(tǒng)主要封裝了三個(gè)算法：識(shí)別更改特征算法、檢索相似更改案例算法和評(píng)估零件設(shè)計(jì)更改影響算法。數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，它包括工程更改知識(shí)庫與工程更改特征庫等，其涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2018來開發(fā)，數(shù)據(jù)表采用更改ID號(hào)來關(guān)聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)信息等。每個(gè)更改案例都有唯一標(biāo)識(shí)ID號(hào)，將它作為表格關(guān)聯(lián)的主鍵(primary key)，便于系統(tǒng)的查詢和檢索。

圖3 評(píng)估系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The architecture diagram of the evaluation system

2.5 評(píng)估系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

評(píng)估系統(tǒng)的登陸界面如圖4(a)所示，將用戶角色分為兩類：評(píng)估技術(shù)員和系統(tǒng)管理員。為保證系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)采用密碼訪問原則。工作人員只有在輸入正確的用戶名和密碼條件下才能訪問系統(tǒng)，才可以進(jìn)行更改影響評(píng)估或者系統(tǒng)維護(hù)工作。圖4(b)顯示的為系統(tǒng)主界面，界面上有三個(gè)功能按鈕：“增加更改案例”、“影響評(píng)估”和“退出系統(tǒng)”。圖4(c)顯示了增加工程更改案例的具體工作業(yè)務(wù)界面，圖4(d)顯示了具體的更改影響評(píng)估工作界面。

圖4 系統(tǒng)工作界面設(shè)計(jì)圖Fig.4 The design diagram of system working interface

2.6 評(píng)估系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

底層數(shù)據(jù)庫選用SQLserver 2018，主要數(shù)據(jù)表包括零件設(shè)計(jì)更改案例中的更改特征表、工作人員角色對(duì)應(yīng)賬戶管理表、更改影響值的存儲(chǔ)表等。數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)的部分E-R模型如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)E-R 模型圖Fig.5 The model diagram of data E-R

在數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)中各屬性域值(即取值范圍)根據(jù)具體的實(shí)際情況而定，各數(shù)據(jù)表的主碼依照唯一標(biāo)識(shí)、可區(qū)分原則來選取。

3 評(píng)估系統(tǒng)的驗(yàn)證

本文采用文獻(xiàn)[15]中的更改特征樣本庫(參見表1所示)作為評(píng)估系統(tǒng)仿真驗(yàn)證的數(shù)據(jù)源。從樣本中選取更改案例EC-4，進(jìn)行更改影響評(píng)估實(shí)驗(yàn)。首先，分別向評(píng)估系統(tǒng)導(dǎo)入EC-4更改前、后的零件模型；其次，通過評(píng)估系統(tǒng)的更改特征識(shí)別功能模塊識(shí)別出EC-4擁有的特征；再次，通過檢索功能模塊檢索出數(shù)據(jù)庫中與EC-4最相似的3個(gè)工程更改案例；最后，通過評(píng)估功能模塊，評(píng)估EC-4的影響值，具體結(jié)果如圖6所示。評(píng)估系統(tǒng)顯示的更改影響值為低，這與樣數(shù)據(jù)源中更改案例EC-4實(shí)際的更改影響值相同，從而驗(yàn)證了評(píng)估系統(tǒng)的正確性、可行性。

表1 更改特征樣本庫[15]中的部分案例
Tab.1 Partial cases in the change feature sample base

圖6 評(píng)估系統(tǒng)工作界面Fig.6 The working interface of evaluation system

4 結(jié)論

本文開發(fā)的零件設(shè)計(jì)更改影響智能評(píng)估系統(tǒng)，有效解決了制造企業(yè)內(nèi)部零件幾何外形更改產(chǎn)生的影響評(píng)估問題，但尚未考慮多屬性更改產(chǎn)生的影響，即零件的幾何、材料、精度等屬性共同發(fā)生更改時(shí)產(chǎn)生的影響。下一步，本研究團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)圍繞零件幾何、材料、精度等多屬性作用機(jī)理這一關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究，探索多屬性更改影響評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā)方法，從而解決制造企業(yè)的多屬性設(shè)計(jì)更改影響評(píng)估難題，助推新產(chǎn)品的研制進(jìn)程。