基于MC環(huán)境的面向訂單產(chǎn)品設(shè)計方法研究

1、基于MC環(huán)境的面向訂單產(chǎn)品設(shè)計方法研究     O引言大批量定制(mass customization, MC)正在成為21 世紀(jì)主流生產(chǎn)模式，它將批量生產(chǎn)和定制生產(chǎn)兩種完全不同的生產(chǎn)方式有機融合在一起.通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造過程的重組將定制產(chǎn)品的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)。根據(jù)產(chǎn)品特點和客戶評單分離點(CODP)的不同.大批量定制可以分為按評單銷信、按評單裝配、按評單制造和面向評單設(shè)計四種方式。對于不同的定制方式.可以采用不同的開發(fā)設(shè)計技術(shù)。ETO產(chǎn)品的設(shè)計特點是:定制程度比較深.在產(chǎn)品配置過程中往往需要按照客戶評單需求.重新設(shè)計滿足這些需求的新零部件.或?qū)ζ渌N

2、類零部件進行變型設(shè)計.其中需要大量人機交互處理.必須將配置設(shè)計與變型設(shè)計有機結(jié)合起來.才能解決定制設(shè)計問題。因此利用哪種開發(fā)設(shè)計方法.使其能在充分利用企業(yè)現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上.通過整體優(yōu)化.盡可能減少產(chǎn)品內(nèi)部多樣化.增加產(chǎn)品外部多樣化.采用動態(tài)配置思想.得到關(guān)于評單產(chǎn)品完整、詳盡的描述.從而滿足ETO產(chǎn)品快速設(shè)計的需要就顯得至關(guān)重要。本文著重討論了利用事物特性表(tabular layouts of article characteristics,TLAC)技術(shù)進行的面向評單設(shè)計生產(chǎn)方式的產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計技術(shù).提出了實現(xiàn)ETO產(chǎn)品批量定制的開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)框架.并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。1面向大批量

3、定制的ETO產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)大批量定制環(huán)境下的面向評單設(shè)計是指企業(yè)在客戶評單到達之后才開始產(chǎn)品設(shè)計工作的生產(chǎn)方式.其全部或部分產(chǎn)品的設(shè)計都是由評單驅(qū)動的。面向評單設(shè)計的企業(yè)大多數(shù)屬于離散制造業(yè).市場競爭導(dǎo)致產(chǎn)品交付時間逐步前移.如何在保持成本大致不變基礎(chǔ)上縮短產(chǎn)品生成周期成為企業(yè)的關(guān)注焦點。設(shè)計環(huán)節(jié)的效率決定了整個產(chǎn)品生成周期.這要求企業(yè)具有較高的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)能力。采用基于事物特性表的產(chǎn)品族設(shè)計思想將產(chǎn)品開發(fā)過程與設(shè)計過程相分離.通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計.零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化.可以將CODP點向生產(chǎn)下游移動.減少定制產(chǎn)品中的定制部分.在滿足客戶個性化需求的同時.增加零部件的預(yù)測生產(chǎn).按照規(guī)模

4、生產(chǎn)效率生產(chǎn)模塊和零部件.從而大大縮短產(chǎn)品交貨期和降低定制成本.同時擁有定制和規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢.是實現(xiàn)ETO產(chǎn)品快速定制設(shè)計的有效方法。 圖1所示的實現(xiàn)ETO產(chǎn)品批量定制的開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)框架分為二層.分別是基礎(chǔ)層、產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計層和應(yīng)用工具層?；A(chǔ)層包括企業(yè)己有產(chǎn)品資源庫和相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)資源.是進行產(chǎn)品建模、實施產(chǎn)品快速設(shè)計的前提;產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計層是實現(xiàn)ETO產(chǎn)品快速設(shè)計的理論基礎(chǔ)和核心.分為產(chǎn)品建模和快速設(shè)計兩個部分;應(yīng)用工具層則是從技術(shù)層面上.利用先進的IT信息技術(shù)和工具實現(xiàn)ETO產(chǎn)品的快速設(shè)計。產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計層是整個系統(tǒng)框架的核心.包括面向產(chǎn)品族的模塊化產(chǎn)品建模、產(chǎn)品配置設(shè)計、變型設(shè)計等幾項關(guān)鍵技術(shù)

5、。產(chǎn)品開發(fā)的任務(wù)就是在分析市場需求和企業(yè)己有產(chǎn)品資源的基礎(chǔ)上.建立產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)、主模型和主文檔。而產(chǎn)品設(shè)計的任務(wù)就是根據(jù)用戶的需求.在產(chǎn)品開發(fā)結(jié)果的基礎(chǔ)上.進行產(chǎn)品的配置設(shè)計和變型設(shè)計.快速設(shè)計出滿足評單需求的ETO產(chǎn)品。 在應(yīng)用工具層.可以將PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)進行有效集成.利用PDM系統(tǒng)和事物特性表對產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)和基于幾產(chǎn)品族的零部件主模型及其實例信息進行>' target='_blank' class='infotextkey'>管理.根據(jù)產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)模型進行配置設(shè)計.同時通過CAD系統(tǒng)調(diào)用PDM系統(tǒng)中的零部件主模型.結(jié)合事物特性表對必要的

6、零部件進行變型設(shè)計.生成滿足評單要求的產(chǎn)品實例.從而實現(xiàn)快速產(chǎn)品設(shè)計.2實現(xiàn)ETO產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)2.1基于模塊化產(chǎn)品族和事物特性表的產(chǎn)品建模事物特性表定義了從對象組中表征和區(qū)分某個對象的決定性特性(事物特性).規(guī)定了特性數(shù)據(jù)的表示格式.使其能夠方便地在不同系統(tǒng)之間交換.其他特性則可以通過標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化過程使其定量化.或通過事物特性得到其導(dǎo)出特性。這樣不僅減少了零部件種類.提高了零部件使用頻率.而且能夠構(gòu)建可變型模塊化產(chǎn)品模型.支持有效的檢索和變型設(shè)計。一個構(gòu)建合理的事物特性表還能夠有效地實現(xiàn)下游過程的變型響應(yīng).因此是產(chǎn)品建模方法的基礎(chǔ)少。 ETO產(chǎn)品設(shè)計是針對產(chǎn)品族的設(shè)計。產(chǎn)品族從層次

7、上可以分為零件族和部件族.它們都是基于幾模塊化思想建立的.之間是自下而上支持和自上而下引用的關(guān)系。由若干個基于功能獨立的享模塊組成的完各產(chǎn)品族可以構(gòu)建起可變型的產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)以及描述零部件各種特點的主模型和主文檔。構(gòu)成產(chǎn)品族的模塊的共享程度(產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)上的相似度)越大.定制產(chǎn)品成本的降低幅度就越大.也越能滿足用戶的個性化定制需求。為了能夠清晰地描述構(gòu)成產(chǎn)品族的部件族和零件族之間的關(guān)系.支持產(chǎn)品配置設(shè)計及變型設(shè)計.本文采用事物特性表技術(shù)來合理表達可變型產(chǎn)品主模型中的設(shè)計知識和層次關(guān)系。 產(chǎn)品模型是所有幾何、技術(shù)和>' target='_blank' class='

8、;infotextkey'>管理方面的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化集成.它可以在產(chǎn)品整個生命周期中對各種信息及其之間動態(tài)變化的聯(lián)系進行有效>' target='_blank' class='infotextkey'>管理。產(chǎn)品建模是在對構(gòu)成產(chǎn)品族的模塊及其零部件進行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的基礎(chǔ)上.建立產(chǎn)品零部件主模型主文檔和產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)二部分內(nèi)容.它們是聯(lián)系模塊化的產(chǎn)品族和快速定制設(shè)計的橋梁。2.1.1零部件主模型和主文檔零部件主模型由零部件幾何模型及相應(yīng)事物特性表組成。在事物特性表中利用事物特性和導(dǎo)出特性來描述零部件外型和尺寸之間的聯(lián)系.只要在主模

9、型中輸入一組數(shù)值.就可以通過幾何模型自動地派生出零部件的一個變型實例。按照對象的不同.可以將零部件主模型分成型狀特征、零件和部件二個層次。圖2描述了組成部件手柄的型狀特征主模型、零件主模型和部件主模型實現(xiàn)交互式建模的過程.其中.SML-ID是零部件類事物特性表分類碼.主要用于對產(chǎn)品和零部件進行分類.向開發(fā)人員和>' target='_blank' class='infotextkey'>管理人員提供有效的分類檢索手段.并且它能夠通過指針將構(gòu)成產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)的零部件主模型之間的相互關(guān)系關(guān)聯(lián)起來;Part- ID是識別碼.用于對同一類零部件中不同對象

10、進行區(qū)分和標(biāo)識。這種二個層次主模型之間層層調(diào)用的型式及其相互間的聯(lián)系反映了產(chǎn)品主模型的實質(zhì)。這種建模方法的最大優(yōu)點是.當(dāng)某一個主模型的實例發(fā)生變化時.與之相關(guān)的零件模型或部件模型也立即發(fā)生相應(yīng)改變。這種功能對于ETO產(chǎn)品的定制設(shè)計是非常重要的.因為有時在進行變型設(shè)計時.只需要修改極少數(shù)零部件或型狀特征的事物特性數(shù)值.就可以自動得到定制產(chǎn)品的全部技術(shù)文檔。所謂主文檔是各種模板的總稱.如主圖、主工藝過程規(guī)劃和主NC程序等.它們是在主模型的基礎(chǔ)上建立起來的.2.1.2產(chǎn)品主結(jié)構(gòu) 在理論上.產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)完整地表達了產(chǎn)品的各種組合變型.其中產(chǎn)品基型是由基本模塊組成的層次結(jié)構(gòu).而其他產(chǎn)品組合則是通過在產(chǎn)品基

11、型基礎(chǔ)上添加可擴充模塊來實現(xiàn)的。因此.產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)是一個與評單無關(guān)的、可配置的、包括所有基本模塊和可擴充模塊的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)?？蓴U充模塊一般包括必選模塊和可選模塊.各種模塊之間的相互約束關(guān)系及選擇可以利用配置規(guī)則加以描述.并把各種規(guī)則按照簡單的方式羅列在決策表里.存放在配置知識庫中.這樣就能夠表示相關(guān)聯(lián)的IF-THEN聯(lián)系事物特性表描述了主結(jié)構(gòu)中各種基本模塊和可擴充模塊以及它們之間所有可能的組成關(guān)系。產(chǎn)品事物特性表的各種表列不僅對其功能、幾何等事物特性進行了描述.而且還可以利用SML- ID分類碼指向組成該產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)的不同零部件主模型的事物特性表。如圖3所示.在產(chǎn)品快速設(shè)計過程中.基于產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)

12、的配置過程可以分為兩個步驟:根據(jù)產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)和客戶需求.通過配置設(shè)計得到與評單相關(guān)的近似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)集.即結(jié)構(gòu)設(shè)計;在此基礎(chǔ)上.可以利用零部件主模型通過變型設(shè)計確定各定制零部件實例.即詳細設(shè)計.從而得到符合特定評單的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其相關(guān)文檔。圖4說明了經(jīng)過簡化的產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)與各零部件主模型主文檔之間的聯(lián)系。產(chǎn)品A1是由部件A2,A3以及可擴充零件P1,P2,P3,P4,P5尸構(gòu)成的產(chǎn)品主結(jié)構(gòu);每個零部件都對應(yīng)著一個產(chǎn)品主模型.部件主模型是由零件主模型構(gòu)成的。主模型之間的連線與產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)一樣說明了零部件各層次主模型之間的聯(lián)系。產(chǎn)品主文檔則是在產(chǎn)品主模型的基礎(chǔ)上建立起來的2.2 ETO產(chǎn)品的配置設(shè)計配置設(shè)計是

13、實現(xiàn)大批量定制快速設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一是縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計效率的一種有效手段。ETO產(chǎn)品開發(fā)過程和快速設(shè)計過程之間交流的橋梁是利用事物特性表技術(shù)建立的基于產(chǎn)品族的主結(jié)構(gòu)模型.在產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上.可以根據(jù)不同客戶需求.從中派生出與評單相關(guān)的定制產(chǎn)品。配置設(shè)計過程一般分為配置知識表達和配置求解兩個階段.2.2.1配置知識表達配置知識表達能夠有效地組織己有設(shè)計成果.建立基于幾產(chǎn)品族的主結(jié)構(gòu)(配置模型).其組織與>' target='_blank' class='infotextkey'>管理方式直按影響了配置設(shè)計的效率和配置結(jié)果的正確性.是進行

14、配置問題求解的前提和關(guān)鍵。目前常見的配置設(shè)計知識表達方法主要有基于幾規(guī)則的配置設(shè)計方法基于實例的配置設(shè)計方法,、基于本體的配置設(shè)計方法等。在基于實例的配置方法中.產(chǎn)品配置知識是以實例的型式存儲在設(shè)計知識庫中的.配置時可以通過零部件的分類碼和識別碼找到一個相似的、己成功解決過的配置實例.對其進行變型設(shè)計以滿足新的客戶需求。事物特性表通過各種特性以及特性之間的關(guān)聯(lián)對一族產(chǎn)品和零部件進行表達.不僅描述了配置模型中有哪些模塊參與裝配以及各模塊之間的裝配關(guān)系.而且還包含了以往配置成功的設(shè)計實例.同時.它提供多種用戶按口.方便用戶的各種操作。事物特性及其導(dǎo)出特性在產(chǎn)品族的基礎(chǔ)上.使其公共特性固定化.減少了

15、日益增多的知識量.簡化了配置設(shè)計的工作量。在利用產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)進行配置設(shè)計時.產(chǎn)品(部件)事物特性表的每一行都對應(yīng)于幾一個己有的配置實例及其識別碼.零件事物特性表的每一行則對應(yīng)于幾一個己有零件實例及其識別碼。如圖2所示.配置模型中產(chǎn)品、零部件間的事物特性表可以通過引用指針指向?qū)?yīng)的事物特性表.表中不僅包含了豐富的產(chǎn)品設(shè)計知識和己有的成功個性化配置實例.而且還可以在必要的時候通過對近似實例進行變型.從而生成滿足客戶需求的個性化產(chǎn)品.所以產(chǎn)品配置知識不僅包括產(chǎn)品族模塊間的相互約束規(guī)則.而且還包括產(chǎn)品零部件的事物特性表。2.2.2產(chǎn)品的配置求解產(chǎn)品的配置求解可以實現(xiàn)ETO產(chǎn)品的快速設(shè)計.它是在對基于幾產(chǎn)

16、品族的產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)(配置模型)中的配置知識進行有效表達的基礎(chǔ)上進行的。產(chǎn)品配置求解的目標(biāo)是找出滿足配置約束條件和客戶評單需求的可行方案。通過上述ETO產(chǎn)品開發(fā)過程和配置知識表達方法.可以有效減少和重用產(chǎn)品配置知識。此外.由于ETO產(chǎn)品的配置設(shè)計對象是復(fù)雜的機械產(chǎn)品.其求解過程是對設(shè)計知識和經(jīng)驗的智能化應(yīng)用.單一的邏輯規(guī)則無法完全實現(xiàn)ETO產(chǎn)品的配置設(shè)計推理.結(jié)合事物特性表的特點.可以將基于規(guī)則的配置設(shè)計方法和基于實例的配置設(shè)計方法結(jié)合起來.降低酉己置難度.如圖5所示。在配置過程中.設(shè)計人員首先利用產(chǎn)品分類碼和識別碼在產(chǎn)品層的事物特性表(產(chǎn)品實例庫)中查找己有的成功配置實例。如果存在滿足客戶需求的

17、相似配置實例.可以采用基于實例的推理方法.利用需修改的零部件主模型對其進行變型設(shè)計.得到滿足客戶需求的配置結(jié)構(gòu);如果不存在滿足客戶需求的相似配置實例.則可以采用基于規(guī)則的推理方法進行求解。由于幾可變型產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)是與所有的規(guī)則對象和選擇對象(包括決策表)存放在一起的.因此產(chǎn)品的配置不是一項獨立的工作.而是產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)的一個智能組成部分。在需要的時候能夠基于幾決策表技術(shù)對配置模型(產(chǎn)品主結(jié)構(gòu))進行匹配設(shè)計.動態(tài)地生成近似的配置實例.則可以再次利用零部件主模型進行變型設(shè)訓(xùn)一生成滿足特定客戶需求的相應(yīng)配置設(shè)計實例。由于酉己置過程是一個基于與評單無關(guān)的配置模型的動態(tài)約束求解過程.隨著客戶需求的不同.其可行

18、解可能不是唯一的.因此還需要對獲得的配置設(shè)計實例進行評價與優(yōu)化.最終得到符合客戶需求的設(shè)計文檔。2.3產(chǎn)品零部件的變型設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)過程的基礎(chǔ)上.結(jié)合事物特性表技術(shù)實現(xiàn)定制產(chǎn)品的變型設(shè)計.可以從方法學(xué)層面實現(xiàn)減少零部件種類、提高零部件使用頻率的部多樣化的目的。ETO產(chǎn)品的變型設(shè)計是指在零部件主模型和主文檔的基礎(chǔ)上.利用事物特性表可以派生出不同類型的文檔。當(dāng)事物特性表中的某一行數(shù)據(jù)(某個零部件實例).與標(biāo)準(zhǔn)模塊的主圖庫、主工藝規(guī)劃庫和主NC程序庫中的模型相結(jié)合以后.就可以自動生成具體零部件的工程圖工藝過程規(guī)劃和NC程序。由J幾這些變型生成的文檔與零部件主模型之間具有很強的相似性.因此可以看作是主

19、模型的一種系列化變。為了能夠更好地在組成定制產(chǎn)品的各個層次上實現(xiàn)自上而下和自下而上的相互支持.在建立零件層主文檔的同時.還應(yīng)該建立型狀特征和部件的主文檔。將這些不同層次的主文檔與產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)有機地結(jié)合起來.能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的變型設(shè)計。在部件的事物特性表中.通過引用指針和標(biāo)識號指向下件層和零件層的事物特性表.可以有效表達部件及組成它的r部件和零件之間的構(gòu)成關(guān)系。通常情祝下.只要主文檔正確.則由其派生的文檔也應(yīng)該正確。變型設(shè)計具有自動化程度高和零缺陷的特點.提高設(shè)計質(zhì)量、加快設(shè)計進度都具有重要作用。在事物特性表的支持下.變型設(shè)計技術(shù)還能自動地生成幾何圖型.其前提條件是必須具各3D的參數(shù)化CAD系統(tǒng)。3實例分析 工業(yè)汽輪機是一種技術(shù)密集型產(chǎn)品.汽缸是其重要組成部件.它們的最大特點是必須按照客戶需求定制.是典型的ETO產(chǎn)品.需要面向MC的配置設(shè)計和變型設(shè)計相結(jié)合才能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的快速定制。根據(jù)基于產(chǎn)品族的模塊化原理.可以將汽缸分為前驅(qū)段、減壓段、延氏段、過渡段、法蘭段和排汽段6個標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段.每個區(qū)段又分為上、下兩半段.分別建立其主模型。圖6表示了經(jīng)過簡化的汽輪機汽缸本體主結(jié)構(gòu)(配置模型),每個模塊都具有對應(yīng)的事物特性表.如汽缸本體的事物特性表分類碼為SML-2000.