O引言
大批量定制(mass customization, MC)正在成为21 世纪主流生产模式，它将批量生产和定制生产两种完全不同的生产方式有机融合在一起.通过产品结构和制造过程的重组将定制产品的生产转化为批量生产。根据产品特点和客户评单分离点(CODP)的不同.大批量定制可以分为按评单销信、按评单装配、按评单制造和面向评单设计四种方式。对于不同的定制方式.可以采用不同的开发设计技术。ETO产品的设计特点是:定制程度比较深.在产品配置过程中往往需要按照客户评单需求.重新设计满足这些需求的新零部件.或对其他种类零部件进行变型设计.其中需要大量人机交互处理.必须将配置设计与变型设计有机结合起来.才能解决定制设计问题。因此利用哪种开发设计方法.使其能在充分利用企业现有资源的基础上.通过整体优化.尽可能减少产品内部多样化.增加产品外部多样化.采用动态配置思想.得到关于评单产品完整、详尽的描述.从而满足ETO产品快速设计的需要就显得至关重要。本文着重讨论了利用事物特性表(tabular layouts of article characteristics,TLAC)技术进行的面向评单设计生产方式的产品开发和设计技术.提出了实现ETO产品批量定制的开发设计系统框架.并对其中的关键技术进行了研究。
1面向大批量定制的ETO产品开发设计系统
大批量定制环境下的面向评单设计是指企业在客户评单到达之后才开始产品设计工作的生产方式.其全部或部分产品的设计都是由评单驱动的。面向评单设计的企业大多数属于离散制造业.市场竞争导致产品交付时间逐步前移.如何在保持成本大致不变基础上缩短产品生成周期成为企业的关注焦点。设计环节的效率决定了整个产品生成周期.这要求企业具有较高的产品设计开发能力。采用基于事物特性表的产品族设计思想将产品开发过程与设计过程相分离.通过产品结构的模块化设计.零部件的标准化、规范化.可以将CODP点向生产下游移动.减少定制产品中的定制部分.在满足客户个性化需求的同时.增加零部件的预测生产.按照规模生产效率生产模块和零部件.从而大大缩短产品交货期和降低定制成本.同时拥有定制和规模生产的优势.是实现ETO产品快速定制设计的有效方法。
图1所示的实现ETO产品批量定制的开发设计系统框架分为二层.分别是基础层、产品开发设计层和应用工具层。基础层包括企业己有产品资源库和相关基础技术资源.是进行产品建模、实施产品快速设计的前提;产品开发设计层是实现ETO产品快速设计的理论基础和核心.分为产品建模和快速设计两个部分;应用工具层则是从技术层面上.利用先进的IT信息技术和工具实现ETO产品的快速设计。产品开发设计层是整个系统框架的核心.包括面向产品族的模块化产品建模、产品配置设计、变型设计等几项关键技术。产品开发的任务就是在分析市场需求和企业己有产品资源的基础上.建立产品主结构、主模型和主文档。而产品设计的任务就是根据用户的需求.在产品开发结果的基础上.进行产品的配置设计和变型设计.快速设计出满足评单需求的ETO产品。
在应用工具层.可以将PDM系统与CAD系统进行有效集成.利用PDM系统和事物特性表对产品主结构和基于几产品族的零部件主模型及其实例信息进行管理.根据产品主结构模型进行配置设计.同时通过CAD系统调用PDM系统中的零部件主模型.结合事物特性表对必要的零部件进行变型设计.生成满足评单要求的产品实例.从而实现快速产品设计.
2实现ETO产品开发设计的关键技术
2.1基于模块化产品族和事物特性表的产品建模
事物特性表定义了从对象组中表征和区分某个对象的决定性特性(事物特性).规定了特性数据的表示格式.使其能够方便地在不同系统之间交换.其他特性则可以通过标准化、规范化过程使其定量化.或通过事物特性得到其导出特性。这样不仅减少了零部件种类.提高了零部件使用频率.而且能够构建可变型模块化产品模型.支持有效的检索和变型设计。一个构建合理的事物特性表还能够有效地实现下游过程的变型响应.因此是产品建模方法的基础少。
ETO产品设计是针对产品族的设计。产品族从层次上可以分为零件族和部件族.它们都是基于几模块化思想建立的.之间是自下而上支持和自上而下引用的关系。由若干个基于功能独立的享模块组成的完各产品族可以构建起可变型的产品主结构以及描述零部件各种特点的主模型和主文档。构成产品族的模块的共享程度(产品族结构上的相似度)越大.定制产品成本的降低幅度就越大.也越能满足用户的个性化定制需求。为了能够清晰地描述构成产品族的部件族和零件族之间的关系.支持产品配置设计及变型设计.本文采用事物特性表技术来合理表达可变型产品主模型中的设计知识和层次关系。
产品模型是所有几何、技术和管理方面的产品数据的结构化集成.它可以在产品整个生命周期中对各种信息及其之间动态变化的联系进行有效管理。产品建模是在对构成产品族的模块及其零部件进行标准化、规范化的基础上.建立产品零部件主模型主文档和产品主结构二部分内容.它们是联系模块化的产品族和快速定制设计的桥梁。
零部件主模型由零部件几何模型及相应事物特性表组成。在事物特性表中利用事物特性和导出特性来描述零部件外型和尺寸之间的联系.只要在主模型中输入一组数值.就可以通过几何模型自动地派生出零部件的一个变型实例。按照对象的不同.可以将零部件主模型分成型状特征、零件和部件二个层次。图2描述了组成部件手柄的型状特征主模型、零件主模型和部件主模型实现交互式建模的过程.其中.SML-ID是零部件类事物特性表分类码.主要用于对产品和零部件进行分类.向开发人员和管理人员提供有效的分类检索手段.并且它能够通过指针将构成产品主结构的零部件主模型之间的相互关系关联起来;Part- ID是识别码.用于对同一类零部件中不同对象进行区分和标识。这种二个层次主模型之间层层调用的型式及其相互间的联系反映了产品主模型的实质。这种建模方法的最大优点是.当某一个主模型的实例发生变化时.与之相关的零件模型或部件模型也立即发生相应改变。这种功能对于ETO产品的定制设计是非常重要的.因为有时在进行变型设计时.只需要修改极少数零部件或型状特征的事物特性数值.就可以自动得到定制产品的全部技术文档。所谓主文档是各种模板的总称.如主图、主工艺过程规划和主NC程序等.它们是在主模型的基础上建立起来的.
在理论上.产品主结构完整地表达了产品的各种组合变型.其中产品基型是由基本模块组成的层次结构.而其他产品组合则是通过在产品基型基础上添加可扩充模块来实现的。因此.产品主结构是一个与评单无关的、可配置的、包括所有基本模块和可扩充模块的模块化产品系统。可扩充模块一般包括必选模块和可选模块.各种模块之间的相互约束关系及选择可以利用配置规则加以描述.并把各种规则按照简单的方式罗列在决策表里.存放在配置知识库中.这样就能够表示相关联的IF-THEN联系事物特性表描述了主结构中各种基本模块和可扩充模块以及它们之间所有可能的组成关系。产品事物特性表的各种表列不仅对其功能、几何等事物特性进行了描述.而且还可以利用SML- ID分类码指向组成该产品主结构的不同零部件主模型的事物特性表。如图3所示.在产品快速设计过程中.基于产品主结构的配置过程可以分为两个步骤:①根据产品主结构和客户需求.通过配置设计得到与评单相关的近似产品结构集.即结构设计;②在此基础上.可以利用零部件主模型通过变型设计确定各定制零部件实例.即详细设计.从而得到符合特定评单的产品结构及其相关文档。图4说明了经过简化的产品主结构与各零部件主模型主文档之间的联系。产品A1是由部件A2,A3以及可扩充零件P1,P2,P3,P4,P5尸构成的产品主结构;每个零部件都对应着一个产品主模型.部件主模型是由零件主模型构成的。主模型之间的连线与产品主结构一样说明了零部件各层次主模型之间的联系。产品主文档则是在产品主模型的基础上建立起来的
2.2 ETO产品的配置设计
配置设计是实现大批量定制快速设计的关键技术之一是缩短设计周期、提高设计效率的一种有效手段。ETO产品开发过程和快速设计过程之间交流的桥梁是利用事物特性表技术建立的基于产品族的主结构模型.在产品主结构的基础上.可以根据不同客户需求.从中派生出与评单相关的定制产品。配置设计过程一般分为配置知识表达和配置求解两个阶段.
配置知识表达能够有效地组织己有设计成果.建立基于几产品族的主结构(配置模型).其组织与管理方式直按影响了配置设计的效率和配置结果的正确性.是进行配置问题求解的前提和关键。目前常见的配置设计知识表达方法主要有基于几规则的配置设计方法基于实例的配置设计方法,、基于本体的配置设计方法等。在基于实例的配置方法中.产品配置知识是以实例的型式存储在设计知识库中的.配置时可以通过零部件的分类码和识别码找到一个相似的、己成功解决过的配置实例.对其进行变型设计以满足新的客户需求。
事物特性表通过各种特性以及特性之间的关联对一族产品和零部件进行表达.不仅描述了配置模型中有哪些模块参与装配以及各模块之间的装配关系.而且还包含了以往配置成功的设计实例.同时.它提供多种用户按口.方便用户的各种操作。事物特性及其导出特性在产品族的基础上.使其公共特性固定化.减少了日益增多的知识量.简化了配置设计的工作量。在利用产品主结构进行配置设计时.产品(部件)事物特性表的每一行都对应于几一个己有的配置实例及其识别码.零件事物特性表的每一行则对应于几一个己有零件实例及其识别码。如图2所示.配置模型中产品、零部件间的事物特性表可以通过引用指针指向对应的事物特性表.表中不仅包含了丰富的产品设计知识和己有的成功个性化配置实例.而且还可以在必要的时候通过对近似实例进行变型.从而生成满足客户需求的个性化产品.所以产品配置知识不仅包括产品族模块间的相互约束规则.而且还包括产品零部件的事物特性表。
产品的配置求解可以实现ETO产品的快速设计.它是在对基于几产品族的产品主结构(配置模型)中的配置知识进行有效表达的基础上进行的。产品配置求解的目标是找出满足配置约束条件和客户评单需求的可行方案。通过上述ETO产品开发过程和配置知识表达方法.可以有效减少和重用产品配置知识。此外.由于ETO产品的配置设计对象是复杂的机械产品.其求解过程是对设计知识和经验的智能化应用.单一的逻辑规则无法完全实现ETO产品的配置设计推理.结合事物特性表的特点.可以将基于规则的配置设计方法和基于实例的配置设计方法结合起来.降低酉己置难度.如图5所示。在配置过程中.设计人员首先利用产品分类码和识别码在产品层的事物特性表(产品实例库)中查找己有的成功配置实例。如果存在满足客户需求的相似配置实例.可以采用基于实例的推理方法.利用需修改的零部件主模型对其进行变型设计.得到满足客户需求的配置结构;如果不存在满足客户需求的相似配置实例.则可以采用基于规则的推理方法进行求解。由于几可变型产品主结构是与所有的规则对象和选择对象(包括决策表)存放在一起的.因此产品的配置不是一项独立的工作.而是产品主结构的一个智能组成部分。在需要的时候能够基于几决策表技术对配置模型(产品主结构)进行匹配设计.动态地生成近似的配置实例.则可以再次利用零部件主模型进行变型设训一生成满足特定客户需求的相应配置设计实例。由于酉己置过程是一个基于与评单无关的配置模型的动态约束求解过程.随着客户需求的不同.其可行解可能不是唯一的.因此还需要对获得的配置设计实例进行评价与优化.最终得到符合客户需求的设计文档。
2.3产品零部件的变型设计
在产品开发过程的基础上.结合事物特性表技术实现定制产品的变型设计.可以从方法学层面实现减少零部件种类、提高零部件使用频率的部多样化的目的。ETO产品的变型设计是指在零部件主模型和主文档的基础上.利用事物特性表可以派生出不同类型的文档。当事物特性表中的某一行数据(某个零部件实例).与标准模块的主图库、主工艺规划库和主NC程序库中的模型相结合以后.就可以自动生成具体零部件的工程图工艺过程规划和NC程序。由J几这些变型生成的文档与零部件主模型之间具有很强的相似性.因此可以看作是主模型的一种系列化变。
为了能够更好地在组成定制产品的各个层次上实现自上而下和自下而上的相互支持.在建立零件层主文档的同时.还应该建立型状特征和部件的主文档。将这些不同层次的主文档与产品主结构有机地结合起来.能够实现产品的变型设计。在部件的事物特性表中.通过引用指针和标识号指向下件层和零件层的事物特性表.可以有效表达部件及组成它的r部件和零件之间的构成关系。通常情祝下.只要主文档正确.则由其派生的文档也应该正确。变型设计具有自动化程度高和零缺陷的特点.提高设计质量、加快设计进度都具有重要作用。在事物特性表的支持下.变型设计技术还能自动地生成几何图型.其前提条件是必须具各3D的参数化CAD系统。
3实例分析
工业汽轮机是一种技术密集型产品.汽缸是其重要组成部件.它们的最大特点是必须按照客户需求定制.是典型的ETO产品.需要面向MC的配置设计和变型设计相结合才能够实现产品的快速定制。根据基于产品族的模块化原理.可以将汽缸分为前驱段、减压段、延氏段、过渡段、法兰段和排汽段6个标准区段.每个区段又分为上、下两半段.分别建立其主模型。图6表示了经过简化的汽轮机汽缸本体主结构(配置模型),每个模块都具有对应的事物特性表.如汽缸本体的事物特性表分类码为SML-2000.前驱段上半段的事物特性表分类码为SML-2001.表中每一行通过标识码保存着己有的成功实例.零部件之间的事物特性表通过指针进行关联。其中前驱段和排汽段为必选模块.前驱段有常压和高压两种模块;减压段为依赖性模块.当选择高压前驱段模块时必须选择;过渡段和延氏段为可选模块.可以根据汽轮机转子通流部分进行多种组合,R为存放于决策表中的配置规则。
利用前述产品开发设计系统框架和PDM,CAD系统开发了针对ETO产品的快速定制设计系统。根据客户需求.设计人员可以利用基于事物特性表的产品主结构.通过配置设计得到不同型号的汽轮机汽缸.当没有满足定制要求的零部件时.可以利用主模型经过变型设计快速得到相应的变型零部件.直至获得满足客户需求的定制产品。图7即为利用该系统在图6所示汽缸主结构(配置模型 )基础上.将基于实例和规则的推理相结合配置得到的满足客户评单需求的汽轮机汽缸。其中.中间部分是根据转r通流部分由一个延氏段和一个过渡段组合而成。通过上述方法.在满足客户需求的同时.实现了缩短设计周期、降低设计成本的目的。
为了支持面向大批量定制的ETO产品配置过程.需要具各两个必要的条件:一是根据模块化思想和事物特性表技术.开发能够进行变型设计的零部件主模型.构建一个面向产品族的可变型产品主结构;一是需要得到相应的PDM系统和CAD系统的支持.为产品模型的管理、配置设计和变型设计的进行提供平台.
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本文标题：基于MC环境的面向订单产品设计方法研究
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