O引言
大批量定制(mass customization, MC)正在成為21 世紀主流生產模式，它將批量生產和定制生產兩種完全不同的生產方式有機融合在一起.通過產品結構和制造過程的重組將定制產品的生產轉化為批量生產。根據產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計四種方式。對于不同的定制方式.可以采用不同的開發設計技術。ETO產品的設計特點是:定制程度比較深.在產品配置過程中往往需要按照客戶評單需求.重新設計滿足這些需求的新零部件.或對其他種類零部件進行變型設計.其中需要大量人機交互處理.必須將配置設計與變型設計有機結合起來.才能解決定制設計問題。因此利用哪種開發設計方法.使其能在充分利用企業現有資源的基礎上.通過整體優化.盡可能減少產品內部多樣化.增加產品外部多樣化.采用動態配置思想.得到關于評單產品完整、詳盡的描述.從而滿足ETO產品快速設計的需要就顯得至關重要。本文著重討論了利用事物特性表(tabular layouts of article characteristics,TLAC)技術進行的面向評單設計生產方式的產品開發和設計技術.提出了實現ETO產品批量定制的開發設計系統框架.并對其中的關鍵技術進行了研究。
1面向大批量定制的ETO產品開發設計系統
大批量定制環境下的面向評單設計是指企業在客戶評單到達之后才開始產品設計工作的生產方式.其全部或部分產品的設計都是由評單驅動的。面向評單設計的企業大多數屬于離散制造業.市場競爭導致產品交付時間逐步前移.如何在保持成本大致不變基礎上縮短產品生成周期成為企業的關注焦點。設計環節的效率決定了整個產品生成周期.這要求企業具有較高的產品設計開發能力。采用基于事物特性表的產品族設計思想將產品開發過程與設計過程相分離.通過產品結構的模塊化設計.零部件的標準化、規范化.可以將CODP點向生產下游移動.減少定制產品中的定制部分.在滿足客戶個性化需求的同時.增加零部件的預測生產.按照規模生產效率生產模塊和零部件.從而大大縮短產品交貨期和降低定制成本.同時擁有定制和規模生產的優勢.是實現ETO產品快速定制設計的有效方法。
圖1所示的實現ETO產品批量定制的開發設計系統框架分為二層.分別是基礎層、產品開發設計層和應用工具層�；A層包括企業己有產品資源庫和相關基礎技術資源.是進行產品建模、實施產品快速設計的前提;產品開發設計層是實現ETO產品快速設計的理論基礎和核心.分為產品建模和快速設計兩個部分;應用工具層則是從技術層面上.利用先進的IT信息技術和工具實現ETO產品的快速設計。產品開發設計層是整個系統框架的核心.包括面向產品族的模塊化產品建模、產品配置設計、變型設計等幾項關鍵技術。產品開發的任務就是在分析市場需求和企業己有產品資源的基礎上.建立產品主結構、主模型和主文檔。而產品設計的任務就是根據用戶的需求.在產品開發結果的基礎上.進行產品的配置設計和變型設計.快速設計出滿足評單需求的ETO產品。
在應用工具層.可以將PDM系統與CAD系統進行有效集成.利用PDM系統和事物特性表對產品主結構和基于幾產品族的零部件主模型及其實例信息進行管理.根據產品主結構模型進行配置設計.同時通過CAD系統調用PDM系統中的零部件主模型.結合事物特性表對必要的零部件進行變型設計.生成滿足評單要求的產品實例.從而實現快速產品設計.
2實現ETO產品開發設計的關鍵技術
2.1基于模塊化產品族和事物特性表的產品建模
事物特性表定義了從對象組中表征和區分某個對象的決定性特性(事物特性).規定了特性數據的表示格式.使其能夠方便地在不同系統之間交換.其他特性則可以通過標準化、規范化過程使其定量化.或通過事物特性得到其導出特性。這樣不僅減少了零部件種類.提高了零部件使用頻率.而且能夠構建可變型模塊化產品模型.支持有效的檢索和變型設計。一個構建合理的事物特性表還能夠有效地實現下游過程的變型響應.因此是產品建模方法的基礎少。
ETO產品設計是針對產品族的設計。產品族從層次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系。由若干個基于功能獨立的享模塊組成的完各產品族可以構建起可變型的產品主結構以及描述零部件各種特點的主模型和主文檔。構成產品族的模塊的共享程度(產品族結構上的相似度)越大.定制產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成產品族的部件族和零件族之間的關系.支持產品配置設計及變型設計.本文采用事物特性表技術來合理表達可變型產品主模型中的設計知識和層次關系。
產品模型是所有幾何、技術和管理方面的產品數據的結構化集成.它可以在產品整個生命周期中對各種信息及其之間動態變化的聯系進行有效管理。產品建模是在對構成產品族的模塊及其零部件進行標準化、規范化的基礎上.建立產品零部件主模型主文檔和產品主結構二部分內容.它們是聯系模塊化的產品族和快速定制設計的橋梁。
零部件主模型由零部件幾何模型及相應事物特性表組成。在事物特性表中利用事物特性和導出特性來描述零部件外型和尺寸之間的聯系.只要在主模型中輸入一組數值.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.主要用于對產品和零部件進行分類.向開發人員和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成產品主結構的零部件主模型之間的相互關系關聯起來;Part- ID是識別碼.用于對同一類零部件中不同對象進行區分和標識。這種二個層次主模型之間層層調用的型式及其相互間的聯系反映了產品主模型的實質。這種建模方法的最大優點是.當某一個主模型的實例發生變化時.與之相關的零件模型或部件模型也立即發生相應改變。這種功能對于ETO產品的定制設計是非常重要的.因為有時在進行變型設計時.只需要修改極少數零部件或型狀特征的事物特性數值.就可以自動得到定制產品的全部技術文檔。所謂主文檔是各種模板的總稱.如主圖、主工藝過程規劃和主NC程序等.它們是在主模型的基礎上建立起來的.
在理論上.產品主結構完整地表達了產品的各種組合變型.其中產品基型是由基本模塊組成的層次結構.而其他產品組合則是通過在產品基型基礎上添加可擴充模塊來實現的。因此.產品主結構是一個與評單無關的、可配置的、包括所有基本模塊和可擴充模塊的模塊化產品系統�？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系及選擇可以利用配置規則加以描述.并把各種規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聯的IF-THEN聯系事物特性表描述了主結構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系。產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品主結構的不同零部件主模型的事物特性表。如圖3所示.在產品快速設計過程中.基于產品主結構的配置過程可以分為兩個步驟:①根據產品主結構和客戶需求.通過配置設計得到與評單相關的近似產品結構集.即結構設計;②在此基礎上.可以利用零部件主模型通過變型設計確定各定制零部件實例.即詳細設計.從而得到符合特定評單的產品結構及其相關文檔。圖4說明了經過簡化的產品主結構與各零部件主模型主文檔之間的聯系。產品A1是由部件A2,A3以及可擴充零件P1,P2,P3,P4,P5尸構成的產品主結構;每個零部件都對應著一個產品主模型.部件主模型是由零件主模型構成的。主模型之間的連線與產品主結構一樣說明了零部件各層次主模型之間的聯系。產品主文檔則是在產品主模型的基礎上建立起來的
2.2 ETO產品的配置設計
配置設計是實現大批量定制快速設計的關鍵技術之一是縮短設計周期、提高設計效率的一種有效手段。ETO產品開發過程和快速設計過程之間交流的橋梁是利用事物特性表技術建立的基于產品族的主結構模型.在產品主結構的基礎上.可以根據不同客戶需求.從中派生出與評單相關的定制產品。配置設計過程一般分為配置知識表達和配置求解兩個階段.
配置知識表達能夠有效地組織己有設計成果.建立基于幾產品族的主結構(配置模型).其組織與管理方式直按影響了配置設計的效率和配置結果的正確性.是進行配置問題求解的前提和關鍵。目前常見的配置設計知識表達方法主要有基于幾規則的配置設計方法基于實例的配置設計方法,、基于本體的配置設計方法等。在基于實例的配置方法中.產品配置知識是以實例的型式存儲在設計知識庫中的.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聯對一族產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系.而且還包含了以往配置成功的設計實例.同時.它提供多種用戶按口.方便用戶的各種操作。事物特性及其導出特性在產品族的基礎上.使其公共特性固定化.減少了日益增多的知識量.簡化了配置設計的工作量。在利用產品主結構進行配置設計時.產品(部件)事物特性表的每一行都對應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.配置模型中產品、零部件間的事物特性表可以通過引用指針指向對應的事物特性表.表中不僅包含了豐富的產品設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品.所以產品配置知識不僅包括產品族模塊間的相互約束規則.而且還包括產品零部件的事物特性表。
產品的配置求解可以實現ETO產品的快速設計.它是在對基于幾產品族的產品主結構(配置模型)中的配置知識進行有效表達的基礎上進行的。產品配置求解的目標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產品開發過程和配置知識表達方法.可以有效減少和重用產品配置知識。此外.由于ETO產品的配置設計對象是復雜的機械產品.其求解過程是對設計知識和經驗的智能化應用.單一的邏輯規則無法完全實現ETO產品的配置設計推理.結合事物特性表的特點.可以將基于規則的配置設計方法和基于實例的配置設計方法結合起來.降低酉己置難度.如圖5所示。在配置過程中.設計人員首先利用產品分類碼和識別碼在產品層的事物特性表(產品實例庫)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計.得到滿足客戶需求的配置結構;如果不存在滿足客戶需求的相似配置實例.則可以采用基于規則的推理方法進行求解。由于幾可變型產品主結構是與所有的規則對象和選擇對象(包括決策表)存放在一起的.因此產品的配置不是一項獨立的工作.而是產品主結構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對配置模型(產品主結構)進行匹配設計.動態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訓一生成滿足特定客戶需求的相應配置設計實例。由于酉己置過程是一個基于與評單無關的配置模型的動態約束求解過程.隨著客戶需求的不同.其可行解可能不是唯一的.因此還需要對獲得的配置設計實例進行評價與優化.最終得到符合客戶需求的設計文檔。
2.3產品零部件的變型設計
在產品開發過程的基礎上.結合事物特性表技術實現定制產品的變型設計.可以從方法學層面實現減少零部件種類、提高零部件使用頻率的部多樣化的目的。ETO產品的變型設計是指在零部件主模型和主文檔的基礎上.利用事物特性表可以派生出不同類型的文檔。當事物特性表中的某一行數據(某個零部件實例).與標準模塊的主圖庫、主工藝規劃庫和主NC程序庫中的模型相結合以后.就可以自動生成具體零部件的工程圖工藝過程規劃和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.因此可以看作是主模型的一種系列化變。
為了能夠更好地在組成定制產品的各個層次上實現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品主結構有機地結合起來.能夠實現產品的變型設計。在部件的事物特性表中.通過引用指針和標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成關系。通常情祝下.只要主文檔正確.則由其派生的文檔也應該正確。變型設計具有自動化程度高和零缺陷的特點.提高設計質量、加快設計進度都具有重要作用。在事物特性表的支持下.變型設計技術還能自動地生成幾何圖型.其前提條件是必須具各3D的參數化CAD系統。
3實例分析
工業汽輪機是一種技術密集型產品.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產品.需要面向MC的配置設計和變型設計相結合才能夠實現產品的快速定制。根據基于產品族的模塊化原理.可以將汽缸分為前驅段、減壓段、延氏段、過渡段、法蘭段和排汽段6個標準區段.每個區段又分為上、下兩半段.分別建立其主模型。圖6表示了經過簡化的汽輪機汽缸本體主結構(配置模型),每個模塊都具有對應的事物特性表.如汽缸本體的事物特性表分類碼為SML-2000.前驅段上半段的事物特性表分類碼為SML-2001.表中每一行通過標識碼保存著己有的成功實例.零部件之間的事物特性表通過指針進行關聯。其中前驅段和排汽段為必選模塊.前驅段有常壓和高壓兩種模塊;減壓段為依賴性模塊.當選擇高壓前驅段模塊時必須選擇;過渡段和延氏段為可選模塊.可以根據汽輪機轉子通流部分進行多種組合,R為存放于決策表中的配置規則。
利用前述產品開發設計系統框架和PDM,CAD系統開發了針對ETO產品的快速定制設計系統。根據客戶需求.設計人員可以利用基于事物特性表的產品主結構.通過配置設計得到不同型號的汽輪機汽缸.當沒有滿足定制要求的零部件時.可以利用主模型經過變型設計快速得到相應的變型零部件.直至獲得滿足客戶需求的定制產品。圖7即為利用該系統在圖6所示汽缸主結構(配置模型 )基礎上.將基于實例和規則的推理相結合配置得到的滿足客戶評單需求的汽輪機汽缸。其中.中間部分是根據轉r通流部分由一個延氏段和一個過渡段組合而成。通過上述方法.在滿足客戶需求的同時.實現了縮短設計周期、降低設計成本的目的。
為了支持面向大批量定制的ETO產品配置過程.需要具各兩個必要的條件:一是根據模塊化思想和事物特性表技術.開發能夠進行變型設計的零部件主模型.構建一個面向產品族的可變型產品主結構;一是需要得到相應的PDM系統和CAD系統的支持.為產品模型的管理、配置設計和變型設計的進行提供平臺.
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本文標題：基于MC環境的面向訂單產品設計方法研究
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