李新龍，盛步云，蕭　箏，張成雷

(武漢理工大學 機電工程學院，武漢　430070)

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基于產(chǎn)品族的產(chǎn)品配置設計方法的研究

李新龍，盛步云，蕭箏，張成雷

(武漢理工大學 機電工程學院，武漢430070)

企業(yè)傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模型已經(jīng)不能滿足客戶個性化和多樣化的需求,為了加快企業(yè)對市場的響應速度和競爭能力，將產(chǎn)品族的概念與配置實例相結合, 建立了基于產(chǎn)品族的實例模型。在分析模型的基礎上, 證明了產(chǎn)品配置設計實例與零部件之間的數(shù)據(jù)關系。最后,結合應用需要,并以可拆式板式換熱器產(chǎn)品為例，論證了文中研究工作的可行性，并對提出的模型進行了驗證。

產(chǎn)品族；配置設計；配置模型；大規(guī)模定制

0　引言

隨著制造業(yè)信息化技術和先進制造技術[1]的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以及大量新型技術的不斷出現(xiàn),市場對于產(chǎn)品的需求也在不斷的向新型的生產(chǎn)模式(多品種小批量)的不斷轉變[2]。單一的市場形勢已經(jīng)不能很好地滿足客戶個性化及多樣化的需求，企業(yè)為了能夠在不斷變化的市場中脫引而出，絕大部分企業(yè)已經(jīng)開始搭建多品種，大規(guī)模，低成本的生產(chǎn)模式，甚至有些企業(yè)已經(jīng)建立了面向個性化定制產(chǎn)品的生產(chǎn)模式。企業(yè)之間的競爭焦點日趨集中于如何更好地滿足用戶的個性化和多樣化的需求，如何對不斷變化的客戶需求迅速做出反應成為提高企業(yè)競爭力的關鍵[3]。

產(chǎn)品配置的設計就是在大規(guī)模定制(Mass Customization)的特定環(huán)境下慢慢成熟的，產(chǎn)品配置的過程是通過客戶需求作為起始條件，對產(chǎn)品庫中搜索，然后具像化，最終以產(chǎn)品的實例為結果的配置方法，結果精準度將和客戶需求緊密的聯(lián)系在一起，這是大批量定制的關鍵和核心[4]。在該情況下的設計過程中，可以結合企業(yè)的實際產(chǎn)品和設計經(jīng)驗，設計人員可以通過零部件之間的匹配和結合，準確的為客戶提供特性化需求的產(chǎn)品。基于產(chǎn)品族的產(chǎn)品配置設計方法能夠滿足顧客個性化需求的同時，還能為企業(yè)帶來低成本、高利潤的好處。根據(jù)相關資料的統(tǒng)計分析，在企業(yè)大部分的產(chǎn)品設計中，有80%～90%的設計是根據(jù)企業(yè)目前已有的零部件進行變型設計得來的，60 %左右的設計是在企業(yè)在產(chǎn)品原有的基礎上進行二次設計的[5]。

1　產(chǎn)品配置設計的系統(tǒng)架構

為了很精確地配置出與客戶要求相符的產(chǎn)品，運用配置知識和約束條件來搭建產(chǎn)品配置設計的框架體系，該架構包括用戶應用層、產(chǎn)品配置層和數(shù)據(jù)管理層，如圖1所示。

用戶應用界面供設計人員對客戶所提出的需求進行分解并轉化，產(chǎn)品配置參數(shù)拾取，配置規(guī)則定義和配置實例設計為整個產(chǎn)品配置層的配置約束;產(chǎn)品配置層主要任務是通過各個基本單元，以約束為基礎，進行產(chǎn)品的組合并生成;數(shù)據(jù)層負責修改、更新、添加等一系列對相關屬性或技術數(shù)據(jù)的操作。產(chǎn)品配置設計可以作為一個子功能，以菜單的方式深度集成到三維CAD中[6]，以邊設計人員進行使用。

(1)特征參數(shù)的匹配：根據(jù)構建產(chǎn)品族時所采用的的配置方法, 可以設定一個包含所有特征的集合, 用來進行篩選和匹配。

(2)實例匹配：分析客戶的個性化要求, 若能與屬性庫中信息描述相吻合，即可進行深度的檢索匹配。

(3)實例的修改：在進行配置評價時，若結果和需求不相符時, 需要對結果重新進行修正, 最終得到讓客戶相對滿意的解決方案。

通過對上述分析得出,對產(chǎn)品實例的有效表達和對配置問題的精確描述, 有助于在特征參數(shù)匹配和實例修改過程中提高實例匹配檢索的效率。

圖1　產(chǎn)品配置設計體系

2　產(chǎn)品配置設計過程

2.1基于產(chǎn)品族表的配置設計過程描述

產(chǎn)品族是具有相似的結構、特征和屬性，并且以一定規(guī)則可以歸為一類并管理的集合。歸為一類的產(chǎn)品族，它們模型采用同樣的參數(shù)化[7-8]數(shù)據(jù)結構來定義，一旦所有的結構參數(shù)賦值完成后，就能夠生成一個基于模板的實例。在公司的產(chǎn)品庫中，可能會有許多這類產(chǎn)品，利用產(chǎn)品族表可以達到優(yōu)化和管理的目的。

通過產(chǎn)品族表的方法進行配置設計，可以分為兩個層次的設計，零部件級和產(chǎn)品級的設計，后者又可在前者的基礎上，以層次結構為依據(jù)達到配置的要求[6]?？梢园旬a(chǎn)品結構以一定的規(guī)則映射一個多元化的樹狀開叉結構，每一個樹狀叉點根據(jù)層次代表不同的產(chǎn)品要素，然后對每一個叉點進行定義。其過程應該是從最底層的叉點進行約束配合，根據(jù)叉點層次結構依次進行不同配置的選擇；最后將所有的叉點以預先定義好的配置約束規(guī)則進行組合，再配合知識和經(jīng)驗的修正，實現(xiàn)不同要求的配置結果輸出，該過程如圖2所示。

圖2　產(chǎn)品配置設計過程

用Li代表零件，Lij代表Li中的每個結構特征；Bi代表部件，Bij代表組成Bi的每個零件或子部件，它們之間的連接線代表約束關系。則它們有以下關系:Li=(Li1,Li2,……,Lij)(j=1,2,……n)，Bi=(Bi1,Bi2,……,Bij)=(L1,L2,……,Lj) (若Bij全為零件，則后一個等號成立)(j=1,2,……n)。從圖2可以看出，部件叉點能夠繼續(xù)分解為零件叉點，就會形成一個完整的層次結構[9]。

故B3=(L6,L7); B1=(B3,L3)=(L6,L7,L3),通過最后一級樹狀叉點的篩選并組合，包括屬性及結構方面的匹配，依次向上得到其所有叉點的組合，最終生成符合要求的配置實例。Pi代表產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型,則Pi=(B1,B2,……,Bm;L1,L2,……,Ln)。

2.2基于產(chǎn)品族表的產(chǎn)品配置模型規(guī)則描述

以現(xiàn)在的市場形勢看，大部分中高端的三維造型軟件都具有配置和零件族功能，最為典型的一款就是達索公司開發(fā)并發(fā)行的SolidWorks建模工具。然而像這些軟件，通常只提供一般的設計功能，并不會有明確的設計規(guī)則，大部分都是借助設計人員的經(jīng)驗和理論。從前面設計過程的描述可以看出：利用軟件進行零件的配置時，考慮幾何、位置以及拓撲關系的變化[10]是非常重要的，否則其結果通常不能滿足配置要求。該過程應該符合如下一些準則：

(1)僅僅具有局部特征不同的零件視為同一族。

在考慮零件的結構特征時，應該首先把握總體形狀，然后分解到最小特征，如果兩個零件的特征集合交集的個數(shù)與原有集合個數(shù)相差很小，可以運用特征壓縮功能體現(xiàn)結構上的差異性，則應看作同一族，如圖3所示。

圖3　產(chǎn)品族實例一

(2)尺寸不同、但總體結構并無差別的零件為同一類。

如果兩個零件是同一個系列的，其結構和特征集合均相同，只是由于幾何參數(shù)不相同，它們應歸為一類零件族，如圖4所示。

圖4　產(chǎn)品族實例二

(3)主參數(shù)不能夠被另外一些參數(shù)所驅(qū)動。

在變量表中進行參數(shù)設定時，主要參數(shù)是不能通過直接或間接的方式所驅(qū)動，只能進行設計賦值。假設X是主參，A是次參，A，X之間的約束關系應為如下形式：

A=3.8×X+2-……

(4)配置實例的名稱應唯一。

在零件配置管理器中，無論是手動配置還是采用Excel設計表進行系列化配置，所有的配置實例的名稱必須不重復，否則在調(diào)用配置模型時出現(xiàn)連接關系不正確或約束錯誤。

3　產(chǎn)品族配置模板的數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型包含很多的產(chǎn)品信息，它對后期產(chǎn)品的生產(chǎn)制造起著決定性的作用，故合理的建立精確、有效的模型對產(chǎn)品配置設計工作的開展具有關鍵作用，可以減少產(chǎn)品配置設計中的數(shù)據(jù)冗余，降低其復雜程度。

配置結果與模板之間雖然存在結構上的相通性，但它們之間沒有絕對的關聯(lián)，實例可以看成是與模板同一個系列的產(chǎn)品。產(chǎn)品族模型融合了客戶需求的所有功能組合，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)具有不同功能屬性的多個產(chǎn)品集合[11]；然而其中每一個功能屬性又是由不同結構的疊加和差異實現(xiàn)的，結構的不同將使得所實現(xiàn)的功能有所不同；零部件是構成產(chǎn)品的最基本單元，連接規(guī)則是零部件之間進行組合安裝的重心，這對實現(xiàn)產(chǎn)品功能和結構具有至關重要的影響。

特別重要的一點，當i的值等于零的時候，說明此配置當前在模型中為壓縮狀態(tài)。由此，產(chǎn)品矩陣通過變形得到如下式子：

在實際的配置過程中，配置結果的總數(shù)通常與理論值會有所差別。原因在于產(chǎn)品在車間裝配制造時，會出現(xiàn)一些在理論過程中未考慮周全的因素，比如特殊的性能、模型約束關系和誤差等，這就需要經(jīng)驗和專家知識來修正，否則配置就是失敗的。配置結果建立完成后，實例與模板之間雖有結構上的相似性，但是它們沒有關聯(lián)，互不影響。

4　實例應用

本文以大型換熱設備可拆式板式換熱器為應用實例，對其進行研究和方法驗證。在參數(shù)化設計中我們的主要意圖就是將尺寸數(shù)據(jù)、配置的壓縮與解壓縮按照一定規(guī)律向草圖、模型、裝配體、工程圖中賦值，通過尺寸驅(qū)動改變設計結構。為了能更好地符合設計需要，利用SolidWorks給我們提供的API接口函數(shù)來設計程序，如圖5所示。圖中產(chǎn)品打開后就有默認項，可以依據(jù)你所需要的要求進行選擇。選擇后選擇配置產(chǎn)品，就會轉到參數(shù)設置界面。

圖5　換熱器配置設計主界面

產(chǎn)品的總體基本參數(shù)獲取的正確與否，直接影響了配置結果是否能讓客戶滿意。如圖 6 所示為基本參數(shù)輸入界面。

圖6　板式換熱器需求參數(shù)輸入界面

然后點擊下一步后，系統(tǒng)會進入到板式換熱器的各零部件的配置方法進行配置設計界面，然后將參數(shù)輸入進去，以便后續(xù)配置設計時進行調(diào)用，以固定壓板為例進行配置設計，如圖 7 所示。

圖7　固定壓板配置設計界面

在固定壓板的配置特定屬性中將圖紙編號等信息添加，驅(qū)動會自動寫入，如圖8所示。

圖8　固定壓板的工程圖

其他模塊及零部件同理，參數(shù)選擇完成后，確認無誤后，點擊確定按鈕，即可進入板式換熱器的配置設計過程中，最終得到滿足客戶需求的配置產(chǎn)品，若還有一些特殊要求，可根據(jù)配置知識及經(jīng)驗進行配置結果的修改，如圖9所示。

圖9　換熱器配置結果

5　結束語

文章建立了產(chǎn)品配置設計方法的框架體系，具體介紹了基于產(chǎn)品族表的產(chǎn)品設計過程，并結合具體的模型案例，對配置規(guī)則做了詳細的定義。論述了配置模型的矩陣表達形式，以及它在設計過程中的重要性。最后通過可拆式板式換熱器配置設計實例，詳細說明了產(chǎn)品零部件配置設計的具體方法和過程，論證了本文理論研究內(nèi)容的可行性，為配置產(chǎn)品設計方法提供了良好的理論和實踐依據(jù)。

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(編輯李秀敏)

Methods of Product Configuration Design Based on Product Family

LI Xin-long，SHENG Bu-yun，XIAO Zheng，ZHANG Cheng-lei

(School of Mechanical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

The traditional mass production of enterprise can’ t satisfy customers personalized and diversification needs. In order to accelerate the response speed of the enterprise to the market and competition ability, a product family case model was constructed, which combined the concept of product family and configuration case. Based on the analysis of the constructed model, it was proved that the data relationship of case of product configuration design and parts. Finally, with the combination of application needs, and an application example of Detachable plate heat exchanger product is given to verify the feasibility of the research work and the model.

product famliy ；configuration design ；configuration model ；mass customization

1001-2265(2015)11-0129-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.036

2015-02-02；

2015-03-14

李新龍(1989—) 男, 蘭州人, 武漢理工大學碩士研究生, 研究方向為制造系統(tǒng)集成與信息化技術，(E-mail)875736244@qq.com；盛步云(1964—)，男，湖南華容人，武漢理工大學教授，博士研究生導師，研究方向為CAD/CAM/CAPP數(shù)字制造技術等，(E-mail)shengby@whut.edu.cn。

TH166;TG506

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