【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

基于裝配關(guān)聯(lián)矩陣的產(chǎn)品族模型研究

尤楊1，陳軍1，蒲家琦1,吳晉瑜2

(1.后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶401311； 2.中國石油大學(xué) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102200)

摘要：為了解決現(xiàn)有產(chǎn)品族設(shè)計方法指導(dǎo)生產(chǎn)的產(chǎn)品可能在實(shí)際裝配時無法組裝等問題，提出了一種面向裝配的產(chǎn)品族模型；引入功能對等、組件類和功能實(shí)體的新概念，從功能對等方面入手定義組件類，從組件類到功能實(shí)體的映射層面建立裝配關(guān)聯(lián)矩陣，通過矩陣描述組件類之間的裝配關(guān)聯(lián)與裝配關(guān)系；建立的模型在滿足產(chǎn)品族具體功能需求的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品族內(nèi)產(chǎn)品的快速靈活裝配；最后對一個具體的油料裝備產(chǎn)品族——CY產(chǎn)品族，面向其裝配進(jìn)行建模。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品族；裝配關(guān)聯(lián)矩陣；功能實(shí)體；組件類

收稿日期：2014-07-27

基金項目：解放軍總后勤部項目資助(YX213L029)

作者簡介：尤楊(1990—)，女，碩士研究生，主要從事產(chǎn)品族模型設(shè)計研究；陳軍(1965—)，男，教授，主要從事油料裝備方面研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.02.040

中圖分類號：TH164

文章編號：1006-0707(2015)02-0145-04

本文引用格式：尤楊，陳軍，蒲家琦,等.基于裝配關(guān)聯(lián)矩陣的產(chǎn)品族模型研究[J].四川兵工學(xué)報，2015(2):145-148.

Citationformat:YOUYang,CHENJun,PUJia-qi,etal.ResearchonProductFamilyModelBasedonAssemblyRelevanceMatrix[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(2):145-148.

ResearchonProductFamilyModelBasedonAssembly

RelevanceMatrix

YOUYang1, CHEN Jun1, PU Jia-qi1, WU Jin-yu2

(1.DepartmentofMilitaryPetroleumSupplyEngineering,LogisticEngineeringUniversityofPLA,

Chongqing401311,China; 2.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,

ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102200,China)

Abstract:In order to solve the problem that products may not be assembled during actual assembly by the existing product family design methods and other issues, we put forward a product family model based on the assembly incidence matrix. And it introduced new concepts of functional equivalence, generic component and functional entity by the concept of functional equivalence to define generic component, and set up assembly incidence matrix from the map of generic components to functional entities. The matrix described the assembly relation and assembly relevance between generic components. The model can satisfy the specific functional requirements of product family and products can be assembled fast and flexibly by this method. In the end, a specific model of CY product family was set up.

Keywords:productfamily;assemblyrelevancematrix;functionentity;genericcomponent

用戶需求個性化與生產(chǎn)制造快速化的市場需求促使大批量定制成為制造業(yè)的發(fā)展趨勢，為此專家學(xué)者提出了產(chǎn)品族的概念[1]，文獻(xiàn)[2]定義產(chǎn)品族(PF)是一群有相似功能和相似用戶需求的產(chǎn)品，文獻(xiàn)[3]中將產(chǎn)品族定義為共享通用特征、組件、子系統(tǒng)的一類產(chǎn)品。產(chǎn)品族設(shè)計旨在提高生產(chǎn)制造效率和滿足用戶需求多樣化。

文獻(xiàn)[4]提出用物料清單表達(dá)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)的單視圖模型。但斌等[5]以此為基礎(chǔ)建立了基于類物料清單的產(chǎn)品族模型，增加了產(chǎn)品族選擇樹。文獻(xiàn)[6]提出了功能、技術(shù)、結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品族三視圖模型。秦紅斌等[7]提出了產(chǎn)品族基因模型，通過基因片段的組合表達(dá)產(chǎn)品族成員。樊蓓蓓等[8]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建立了產(chǎn)品族模型，以表達(dá)零部件及其隸屬關(guān)系?，F(xiàn)有的產(chǎn)品族模型并沒有考慮零部件裝配關(guān)聯(lián)，設(shè)計出的產(chǎn)品可能不便于裝配。

自從研究者開始研究解決裝配規(guī)劃問題(AP)以來，大量產(chǎn)品裝配模型被提出[9]。MantylaM提出了以Part-ofGraphs為代表的圖模型[10]。LeeK等[11]最早提出了層次結(jié)構(gòu)樹模型。齊峰等[12]提出了一種以裝配特征為單元體的特征圖樹模型,實(shí)現(xiàn)從功能到結(jié)構(gòu)的映射。shah[13]基于特征建立了產(chǎn)品裝配模型，基于特征分級表示裝配體。周開俊等[14]建立了零件裝配骨架模型，用矩陣記錄了零件屬性和裝配關(guān)系。這些裝配模型局限于零部件表征，并沒有運(yùn)用于產(chǎn)品族設(shè)計。

本文提出了產(chǎn)品族裝配關(guān)聯(lián)矩陣，通過關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)品族組件類到功能實(shí)體的映射，從而建立面向裝配的產(chǎn)品族模型，有利于計算機(jī)表達(dá)和實(shí)際生產(chǎn)裝配。

1面向裝配的產(chǎn)品族相關(guān)定義

為了使產(chǎn)品族規(guī)劃設(shè)計更加明確，便于第三節(jié)中建立面向裝配的產(chǎn)品族模型，本節(jié)將從裝配相關(guān)方面切入，提出以下與產(chǎn)品族有關(guān)的定義：

1) 元功能F(unitfunction)：構(gòu)成產(chǎn)品及產(chǎn)品族主功能的基本元素。

2) 元組件C(unitcomponent)：實(shí)現(xiàn)元功能的組件，一個元組件實(shí)現(xiàn)一個元功能。

3) 產(chǎn)品P(product)：由一系列元組件C通過裝配規(guī)則關(guān)聯(lián)而構(gòu)成。

4) 產(chǎn)品族PF(productfamily)：基于特定設(shè)計概念的一系列產(chǎn)品P，族內(nèi)產(chǎn)品有相同的主功能，并且裝配過程類似。

5) 功能對等(functionalequivalence)：產(chǎn)品Pj和Pk屬于同一產(chǎn)品族，Cl和Cm分別是屬于Pj和Pk的元組件，若在此PF中Cl和Cm能完成相同的元功能Fi，則它們之間是功能對等關(guān)系，記做Re{Cl,Cm}。功能對等的元組件存在于同一產(chǎn)品族的不同產(chǎn)品中，同一產(chǎn)品中的不同元組件不存在功能對等關(guān)系。

6) 組件類GC(genericcomponent)：若Cl、Cm、Cn是產(chǎn)品族PF中存在功能對等關(guān)系Rei的所有元組件，則Cl、Cm、Cn構(gòu)成一個組件類GCi，記做GCi={Cl、Cm、Cn}。若產(chǎn)品族PF中完成元功能Fj的只有元組件Cj，則Cj單獨(dú)作為一個組件類，記做GCj={Cj}。為了使組件類之間的裝配更明確，兩個不同的組件類不能包含相同的元組件。

7) 功能實(shí)體FE(functionalentity)：由一系列GC或者可能是一個GC構(gòu)成，可以在獨(dú)立的工作站或者生產(chǎn)線被裝配。為了使功能實(shí)體之間的裝配更明確，兩個不同的功能實(shí)體不能包含相同的組件類。FE又分為通用功能實(shí)體(存在于一個PF的所有P中)和特殊功能實(shí)體。

2基于裝配關(guān)聯(lián)矩陣的產(chǎn)品族模型的數(shù)學(xué)構(gòu)建

2.1基本原理

產(chǎn)品族PF由不同的功能實(shí)體FE組合而成，每個功能實(shí)體又由不同的組件類GC組合而成。本文提出一種裝配關(guān)聯(lián)矩陣，明確組件類間的裝配關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)組件類到產(chǎn)品族的映射[15]。

2.2數(shù)學(xué)模型

組件類到產(chǎn)品族的映射可建立如下數(shù)學(xué)模型：

(1)

2.3裝配關(guān)聯(lián)矩陣

若第j個組件類GCj參與第i個功能實(shí)體FEi的裝配，則Aij={GCk,Zr,/L}，GCk是與組件類GCj存在裝配關(guān)聯(lián)的組件；Zr是兩對象之間裝配關(guān)系的類型，“1”表示機(jī)械連接，“2”表示信號連接，“3”表示物料交換，“4”表示能量傳遞；/L是兩對象之間的邏輯關(guān)系，“與”用Y表示，“非”用N表示，若無邏輯關(guān)系，則/L可以省略，若GCj與多個組件存在裝配關(guān)聯(lián)，則依次列出。若GCj不參與功能實(shí)體FEi的裝配則Aij=0。

3模糊評價指標(biāo)

由于很難客觀量化的描述FE的選取和GC的組合是否最優(yōu)，所以給出2個模糊性評價指標(biāo)，若計算指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)不合理，可進(jìn)行再設(shè)計[16]。

3.1組件類適宜性指數(shù)

式中：nGC是此FE中GC的數(shù)量；VGCi是第i個組件類中所有變體的數(shù)量，若GCi是可選組件類，則VGCi=VGCi+1。指標(biāo)太低表明GC的組合有問題。

3.2功能實(shí)體適宜性指數(shù)

式中：nv(F)是PF中P的數(shù)量；nFE是PF中FE的數(shù)量；VFEi是第i個功能實(shí)體所有變體的數(shù)量，若FEi是特殊功能實(shí)體，則VFEi=VFEi+1。指標(biāo)太低表明FE的選取有問題。

4應(yīng)用實(shí)例分析

如圖1[17]所示，可以描述儲油罐GC：觀察口、信號器、透氣閥、罐體、罐腳、進(jìn)出油管、扶梯、護(hù)欄、防靜電裝置、防波板加強(qiáng)圈、油量計、沉淀槽、放沉淀管總成。分別記為：C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13。

圖1　 CY族 P

C1,C2,C3組成人孔，有密封、平衡氣壓和灌油觀察的功能，構(gòu)成一個功能實(shí)體F1；C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10完成儲油功能，構(gòu)成一個功能實(shí)體F2；C11完成計量功能，看做一個功能實(shí)體F3；C12,C13完成排放沉淀物的功能，構(gòu)成一個功能實(shí)體F4。

裝配矩陣:

其中Aij表示裝配關(guān)系，例如：

CY族的產(chǎn)品族模型如下：

5結(jié)束語

本文首先分析了現(xiàn)有產(chǎn)品族模型與裝配模型的研究現(xiàn)狀和存在的不足，提出為實(shí)現(xiàn)利于裝配的產(chǎn)品族設(shè)計，應(yīng)將產(chǎn)品族建模與裝配建模結(jié)合起來。把產(chǎn)品族看作是不同功能實(shí)體的裝配，而功能實(shí)體又可看作不同組件類的裝配，通過引入裝配關(guān)聯(lián)矩陣，最終實(shí)現(xiàn)了組件類到產(chǎn)品族的裝配關(guān)聯(lián)。產(chǎn)品族內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計可以通過功能實(shí)體的選取來確定，功能實(shí)體又能在生產(chǎn)線上獨(dú)立裝配而生產(chǎn)。此模型的建立將有利于產(chǎn)品大批量快速生產(chǎn)，并且方便組裝和拆卸維修。最后以CY族油料裝備為例進(jìn)行分析并構(gòu)建了其數(shù)學(xué)模型。

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(責(zé)任編輯蒲東)