0 引言
变型设计(variant design)是指在保持产品基本原理不变的前提下，对产品的某些局部功能和结构的调整、变更，以适应新的要求，或是通过对产品的结构形式和尺寸的调整、变更，以满足不同工作性能的要求。变型设计在应用已有资源的基础上可快速开发产品，在减少设计人员的重复劳动、提高工作效率和减少产品设计时间等方面起着重要作用。
变型设计的主要思想是在产品设计过程中尽可能利用以往的产品信息、现有的产品模块和零/部件，设计出满足现要求的新产品。目前，国内外相继出现了一些变型设计技术和方法，如基于相似设计理论的变型设计方法、模块化变型设计方法、变量设计的变型设计方法、基于事物特性表的变型设计方法和基于实例的变型设计方法，这些方法普遍存在没有提供已有产品资源的有效的组织管理形式和手段及缺少一个有效的支持变型设计的人机协作环境。产品数据管理(Product Data Management，PDM)是管理所有与产品相关的信息和过程的技术，其主要功能包括产品文档管理、产品结构管理和工作流管理等。PDM技术将产品的数据管理和设计过程紧密结合，为解决变型设计中产品信息库的建立和利用问题提供了一种有效途径，同时也为变型设计提供了一个良好的人机协作环境，使企业产品实现变型设计成为可能。
在国内科研单位型号产品研制开发中，型号产品及其中的分系统、组件、部件和零件设计，大部分是在现有零/部件基础上，通过对原有零/部件的修改及调整来完成设计，是典型的变型设计。针对型号产品结构相对稳定，零/部件重用率比较高，变型零/部件比较多的特点，本文基于某研究所PDM系统开发支持变型设计工具，以待设计型号、组件和部件的要求为依据，从PDM系统实例中检索出一个最相似实例，通过必要组合、修改和处理后，快速构建出变型的产品结构，并根据需要将新的和需要修改的零/部件发送给相关设计人员，进行任务分配，从而实现产品变型设计。
1 PDM环境下的变型设计流程
PDM环境下的变型设计包括产品型号的需求分析、产品变型的方案设计、变型设计的方案评审以及变型方案的详细设计四个阶段。
1)产品型号的需求分析阶段。根据产品型号的性能参数和功能要求，查询产品库，检索并提取相似产品型号的产品结构。
2)产品变型的方案设计阶段。设计者根据从产品库提取的相似产品结构，分解产品各系统、组/部件是否满足工作性能要求，进行产品方案变型设计。
3)变型设计的方案评审。对变型设计新的产品结构方案进行评审，通过后方能进行方案详细设计。
4)变型方案的详细设计阶段。设计者根据评审通过的产品结构方案，对新增加和需要修改的零/部件进行重新设计，以满足新产品的性能和功能要求。
图1所示为PDM环境下的变型设计流程，设计者登陆PDM系统，根据新产品型号的性能参数和功能要求，查询产品库，检索出相似产品的产品结构并进行变型设计，完成后进行评审，通过评审的变型方案可直接进行详细设计，未通过的应重新进行方案设计。
图1 PDM环境下的变型设计流程
2 变型设计支持关键技术
2.1 功能设计
根据PDM环境下变型设计流程，变型设计支持系统需具有以下功能才能满足变型设计，其支持功能设计示意图如图2所示。
图2 支持功能设计示意图
1)设计者根据新产品功能要求和性能指标，从产品库中检索出最大相似实例的产品。
2)获取源产品结构功能。产品开发人员在PDM系统中选择源产品结构顶层产品、部件或组件的版本，程序能自动获取产品结构，并加载到用户产品结构编辑界面中，产品结构树中包括编码、名称、类型和备注信息等。
3)编辑产品结构功能。编辑产品结构应包括引用零/部件、克隆零/部件、新建零/部件、删除零/部件、分配零/部件和保存新产品结构功能，具体描述为：(1)引用零/部件：是指原产品结构中没有但PDM产品库存在且满足新产品功能要求的零/部件，设计者可以从库中直接引用。(2)克隆零/部件：该零/部件的功能与新产品中部分功能一样，需在原零/部件基础上做些调整，设计人员将其克隆成新的零/部件进行修改。(3)新建零/部件：是指原产品结构及PDM产品库中都没有满足要求的零/部件，需新建零/部件重新设计。(4)删除零/部件：是指该新产品中不需要该零/部件的功能，因此需要将其从新产品结构中删除，但还保留在数据库中。(5)分配零/部件。设计者为克隆零/部件和新建零/部件指定产品开发人员，对零/部件进行详细的设计。(6)保存产品结构。将新产品结构树保存到PDM实例产品库中。
2.2 相似度计算
相似产品的检索及从源产品结构功能中提取相似产品结构是功能实现的关键。将新产品与产品库实例各系统相比较，计算出所有实例的相似度，提取相似度最大的实例作为变型设计的基型。产品实例i的相似度Si及最大相似度Smax分别为：
式中：wi为新产品各系统的权重，由新产品总工程师确定；Aij为实例i的系统j与新产品相同系统的相似度，由分系统总工程师确定。
计算产品库各实例相似度参数表，如表1所示。
表1 新产品与实例分系统相似度对应表
2.3 产品结构模型设计
与PDM系统产品结构模型设计相同，本方案中产品结构模型通过树模型表示，树模型需满足：1）在模型中能够获取PDM系统的相关信息，如引用零/部件能够按照条件从PDM系统中查找到零/部件信息。2）模型节点需要与PDM系统中零/部件相关联。3）模型节点需要包含零/部件的信息。变型设计的某实例产品变型设计的结构树模型如图3所示。基于以上原因，本方案设计的产品结构模型编程语句如下：
其中：appSession、item和itemlrv分别与PDM系统运行进程、PDM系统零/部件和零/部件版本相关联。在编辑产品结构时，通过这三个参数与PDM系统交互操作。
图3 某实例产品变型设计的结构树模型
3 变型设计支持系统软件总体架构设计
变型设计支持工具的开发技术是一个以PDM为核心，充分利用PDM系统对数据管理的优势，综合现代设计方法的产物，其支持变型设计软件系统体系架构如图4所示，总体上可以分为支持层、基础层、应用层和界面层四个层次。
图4 支持变型设计软件系统体系架构
系统支持层主要是PDM系统的运行环境和支持平台，包括操作系统、网络、数据库和文件管理系统，操作系统选择Windows2003，以数据库系统SQL Server 2005管理底层数据，网络以支持TCP/IP协议为基础。
基础层提供实现PDM基本功能模块，本文选择Teamcenter软件，利用文档管理、产品结构管理、SE集成、AutoCAD集成、2D/3D模型浏览和工作流管理等通用模块来构建PDM系统。
应用层根据该产品企业的业务特点和应用需求，对产品结构管理功能进行开发，实现了相似产品的检索、源产品结构获取、编辑产品结构、分配零/部件和保存新产品结构等功能。
界面层向用户提供交互式的图形界面，包括各种菜单、命令按钮等，用于支持命令的操作与信息的输入/输出。通过开发提供的Windows用户界面，可以直观芳便地完成新产品的变型设计工作。
4 系统实现
本PDM系统是以Siemens公司的Teamcenter为平台，Teamcenter是全世界使用最广泛的PDM系统，是业内首个将单个软件应用转变为在面向服务的体系结构(Service-Oriented Architecture，SOA)的基础上建立的跨专业、跨项目阶段和计划的真正集成化的PDM解决方案，为大小制造企业提供了平台可扩展性、应用丰富性以及可配置性。借助于Teamcenter产品结构管理，利用Java语言，开发的变型设计操作主界面由产品结构面板、零/部件定义面板和保存按钮组成。某产品的变形设计如图5所示。
图5 某产品的变型设计
5 结语
针对变型设计普遍存在对资源管理和人机协作环境的问题，分析了PDM环境下的变型设计流程；根据PDM对资源的有效控制和良好的人机协作环境，提出了PDM环境下产品变型设计支持技术，并针对其关键技术和系统总体架构进行了深入探讨。所研究内容已实现并得到初步验证，实践表明该系统提高了变型设计对资源的利用程度，良好的人机交互环境也提高了变型设计的速度，缩短了产品的研发周期。
本方案不仅适用于PDM环境下的产品变型设计，同样适用于三维辅助设计软件下的产品变型设计，对同类型产品开发有一定的借鉴意义和参考价值。
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