陳進(jìn)平 劉元朋 王振 馮憲章 張樹生

摘 要：為解決航空制造企業(yè)面臨的復(fù)雜零件設(shè)計更改影響快速評估問題，設(shè)計、研制了零件設(shè)計更改影響快速評估系統(tǒng)。首先，介紹了更改影響評估的原理及方法，構(gòu)建了零件設(shè)計更改影響快速評估的框架體系;其次，闡述系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)、開發(fā)環(huán)境、功能模塊、體系架構(gòu);再次，介紹了系統(tǒng)的界面設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計;最后，通過實例驗證零件設(shè)計更改影響快速評估系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜零件;設(shè)計更改;影響評估;系統(tǒng)

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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)計更改、產(chǎn)品模型更改、軟件更改等[1]。零部件設(shè)計更改在整個工程更改中占有極其重要地位，企業(yè)通過對原有零部件及產(chǎn)品進(jìn)行局部設(shè)計更改，輔助繼承、重用原有部分設(shè)計結(jié)果可以顯著提高設(shè)計效率、降低設(shè)計成本并減少設(shè)計風(fēng)險[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，其研制流程是“設(shè)計-制造-試驗-修改設(shè)計-再制造-再試驗”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發(fā)生設(shè)計更改現(xiàn)象，通過設(shè)計更改可以極大提高設(shè)計效率、節(jié)約研制成本。統(tǒng)計資料表明，一架中型飛機在研制過程中的設(shè)計更改數(shù)量為 4萬～6 萬項，所有更改處理的時間占整體研制周期的1/3～1/2[3]。由此可見，設(shè)計更改已成為助力飛機研制的重要手段。

中國工程院尹澤勇院士指出我國航空裝備研制最大的短板是設(shè)計問題[4]，其中設(shè)計周期長在設(shè)計問題中表現(xiàn)尤為突出，嚴(yán)重制約了我國航空裝備的研制進(jìn)程。以設(shè)計更改為主體的快速設(shè)計方法是破解我國航空裝備研制周期長有效的方法之一。迄今為止，設(shè)計更改已成為航空、航天、汽車等領(lǐng)域制造企業(yè)實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的一條重要途徑[5]。制造企業(yè)對設(shè)計更改業(yè)務(wù)的處理通常遵循工程更改管理流程，具體流程為：（1）識別更改原因;（2）提出更改方案;（3）評估更改影響;（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)人員在對上述流程操作處理中發(fā)現(xiàn)流程（3）即評估更改影響的處理最困難且耗時間[5]。如何快速準(zhǔn)確評估設(shè)計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)計更改業(yè)務(wù)活動，對先進(jìn)適用的設(shè)計更改影響評估方法及其評估軟件的需求更為迫切。相應(yīng)的更改影響評估方法及其評估軟件的研究業(yè)已受到國內(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)運而生的《中國制造2025》正著力推動低成本，高質(zhì)量的定制化生產(chǎn)模式以滿足個性化、輕量化、品質(zhì)化需求。由于個性化、輕量化需求等原因，迫切需要對零件進(jìn)行設(shè)計更改以響應(yīng)市場和客戶對新產(chǎn)品的迫切需求。因此企業(yè)亟需輔助技術(shù)人員快速評估設(shè)計更改影響的系統(tǒng)軟件工具。為此，本文開展了零件設(shè)計更改影響快速評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究，旨在解決航空制造企業(yè)中復(fù)雜零件設(shè)計更改影響的快速評估問題。

1 評估系統(tǒng)的工作原理及框架體系

1.1 工作原理

受知識重用[6-10]理論在產(chǎn)品設(shè)計、制造領(lǐng)域的啟發(fā)，將知識重用理論作為零件設(shè)計更改影響評估的基礎(chǔ)。首先，將企業(yè)以往更改案例及其影響評估的結(jié)果構(gòu)建一個知識庫;然后，輸入將待評估的案例，識別其更改特征，與知識庫中的案例快速比對，檢索出相似案例;最后，依據(jù)相似更改案例的知識，采用貝葉斯定理結(jié)合最小交叉熵求解待評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)計了零件設(shè)計更改影響快速評估框架體系，具體圖1所示。

2 評估系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計要以服務(wù)評估人員方便、友好、快速地評估零件設(shè)計更改（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)計中必須遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)設(shè)計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)計系統(tǒng)時，要充分考慮權(quán)限設(shè)置，對企業(yè)中的工程更改分析評估人員、更改方案決策人員分配不同賬戶和登陸密碼;

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

2.2 評估系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

評估系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境為：操作系統(tǒng)平臺采用Windows 10，程序開發(fā)平臺選取Visual Studio 2020，底層數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2018，軟件開發(fā)平臺為SolidWorks 2018。評估系統(tǒng)將運行于如下硬件環(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。本評估系統(tǒng)在開發(fā)過程中采用SolidWorks 2018軟件是由法國達(dá)索公司（Dassault）研制的一款三維產(chǎn)品設(shè)計軟件，它相比于Pro/Engineer和CATIA等軟件，價格低廉。因此，深得國內(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)行更改影響快速評估系統(tǒng)開發(fā)。

2.3 評估系統(tǒng)功能設(shè)計

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

2.4 評估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實際評估業(yè)務(wù)需求和用戶對評估系統(tǒng)的具體功能要求，評估系統(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話框構(gòu)成，運行在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)對象;此外，它還接收用戶輸入數(shù)據(jù)，并將評估結(jié)果顯示給用戶。算法層是在Visual Studio 2020與SolidWorks 2018軟件平臺下，采用封裝算法的形式，將各個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)主要封裝了三個算法：識別更改特征算法、檢索相似更改案例算法和評估零件設(shè)計更改影響算法。數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，它包括工程更改知識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號來關(guān)聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)信息等。每個更改案例都有唯一標(biāo)識ID號，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。

2.5 評估系統(tǒng)界面設(shè)計

評估系統(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，界面上有三個功能按鈕：“增加更改案例”、“影響評估”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估工作界面。

2.6 評估系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫設(shè)計

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

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

3 評估系統(tǒng)的驗證

本文采用文獻(xiàn)[15]中的更改特征樣本庫（參見表1所示）作為評估系統(tǒng)仿真驗證的數(shù)據(jù)源。從樣本中選取更改案例EC-4，進(jìn)行更改影響評估實驗。首先，分別向評估系統(tǒng)導(dǎo)入EC-4更改前、后的零件模型;其次，通過評估系統(tǒng)的更改特征識別功能模塊識別出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個工程更改案例;最后，通過評估功能模塊，評估EC-4的影響值，具體結(jié)果如圖6所示。評估系統(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實際的更改影響值相同，從而驗證了評估系統(tǒng)的正確性、可行性。

4 結(jié)論

本文開發(fā)的零件設(shè)計更改影響智能評估系統(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)生更改時產(chǎn)生的影響。下一步，本研究團(tuán)隊將重點圍繞零件幾何、材料、精度等多屬性作用機理這一關(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)計更改影響評估難題，助推新產(chǎn)品的研制進(jìn)程。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

The Design and Realization of Rapid Evaluation System

for Part Design Change Impact

CHEN Jinping1， LIU Yuanpeng*1， WANG Zhen1， FENG Xianzhang1， ZHANG Shusheng2

（1.School of Aeronautical Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract：

In order to solve the problem about rapid evaluation of the part design change impact， a rapid evaluation system of part design change impact has been designed and developed. Firstly， the paper introduces the principle and method of change impact evaluation and constructs a framework model of part design change impact rapid evaluation. Secondly， the design objectives， development environment， functional modules and architecture of the system are described. The interface design and database design of the system are introduced again. Finally， an example is given to verify the feasibility of the system.

Key words：

complex part; design change; impact evaluation; system