基于产品配置的快速设计开发研究*＊1

朱永真 仲梁维

(上海理工大学机械工程学院，上海 200093)

随着制造业市场竞争的日趋激烈，传统制造环境下的企业产品结构由于用户的个性化需求而变得愈来愈复杂，个性化带来的多品种小批量生产导致设计开发周期长、生产成本高。而且随着市场由需方市场向供方市场转变，要提高企业的市场竞争力必须对用户

* 国家自然科学基金(10905052)需求做出快速响应。产品配置可以作为解决这种矛盾的途径之一。产品配置可以理解为根据预定义的零部件集及它们之间的相互约束关系，通过合理的组合，形成满足客户个性化要求的产品设计过程［1］。以往关于产品配置的研究主要集中于产品大规模定制情况下，限于产品系列下的产品配置［2－4］或CAD参数化建模中在零部件模板模型和与之对应的工程图模板上进行配置产品的变型设计［5－7］。本文主要通过在PDM中建立特征谱表，找到合适的搭配，并通过产品遗传变异、模块化物料清单和全系列重组3个方面进行产品配置，尽可能利用已有的产品设计资源，把复杂繁琐的逻辑运算交给计算机，缩短新产品设计制造的周期，以实现对客户需求的个性化快速响应。

1 产品配置模型的建立

1.1 划分产品系列

产品系列是指主要特征选项基本相同的产品范围。例如，对于电机来说，可以按额定电压来划分产品系列，1 000 V以下划分为低压系列，1 000 V以上划分为高压系列。当某些客户需求的产品具有很多共同特性时，也可以按照客户划分产品系列。本系统通过先划分高压、低压一级系列，然后在一级系列的基础上再根据客户划分二级系列。在建立产品系列时还需要注意:依据产品的销量、销售利润额、零件的通用性、企业的核心能力、未来的潜力等对现有产品进行合理化［8］。

1.2 特征选项，特征谱表

特征选项是指某个产品系列的特征属性和相关属性值。在一个产品系列里边，其产品结构变化的决定因素就是这些产品的属性值。功率就是电机的一个属性，具体的功率值(11 kW、15 kW、18.5 kW)就是对应的属性值。电机的主要特征选项示例如表1所示。

表1 电机的主要特征选项

特征选项谱表包含本公司的所有产品规格或范围，对于已经实例化的产品，特征选项的属性值一定是某个具体的值(包含整型、实型、字符型、布尔型等)。

1.3 主要基础数据的建立

产品设计信息是通过产品明细表来描述的，必须先建好产品明细表中所涉及的物料主文件和产品结构。产品信息:产品编码、产品图号、产品版本、产品名称、规格和型号;物料信息:物料编码、图号、物料名称、材料、牌号、物料类型、设计修改号、生效日期、失效日期和设计人;

一个产品是由若干个“单层结构”组成的，单层结构中有父节点和子节点组成，系统会根据各单层结构父节点和子节点的相互关系，自动逐层把所有相关的单层结构挂接起来，最后形成完整的产品结构［9］。

1.4 产品遗传变异

在对已有产品建立基础数据和新产品设计开发的过程中都有可能用到产品遗传变异。

在图1中，产品 a的数据结构先生成，产品b在产品a的基础上进行修改得到，产品b遗传继承了a的一部分产品零部件，同时又可以变异扩展自己的零部件，同时b也可以作为模板衍生其他产品。图1表示了产品实例a、b、c之间的遗传变异过程。

1.5 建立产品母模板

产品母模板包含一个系列下所有产品零部件信息(包括零部件明细、工艺及图纸)的完整表达，该系列所有产品均脱胎于母模板，也可说成每个具体的产品都是该母模板的实例化，母模版结构如图2，母模版P和具体产品(实例1、实例2、实例3)的关系如图3。

我们把构成母模版P的每个节点都作为一个配置单元，用三元信息表达模型表示 P_Mol=(Pid，PType，Rep(Attr Name，DataType，InCons［Domain］))其中:P_Mol为配置单元。Pid为配置单元的惟一标识码。PType表示该单元的类型，配置单元被划分为3类:(1)通用件:本系列所有产品用到的相同的物料，如电机一个系列中相同的联轴器、轴承前盖。(2)特征件:特征件是一个系统中必不可少的，而且是区别该系列下产品不同的关键要素。但是特征件中有多种选择，可以任选其一。如铭牌，材料可以是L4，也可以是钛金面不锈钢。如图2中的A1、A2、A3是特征件，有3种选择。(3)可选件:是指那些产品中可以有，也可以没有的物料，属于动态添加的零部件，可以随电机一起装配，也可以顾客自行购买。如电机中的加热带、热敏电阻、绕阻测温、轴承测温、编码器、接地装置等。

Attr Name表示该配置单元的属性名称，配置单元的属性有两类:(1)与几何、材料等相关的内部属性，这类属性用户一般不能选择，其属性值由系统根据产品的结构和配置单元之间的相互依赖关系所确定;(2)外部属性，如颜色，这类属性用户可以进行选择，如在电机外观颜色的确定，用户可以要求电机是红色的。Data Type表示属性的取值类型，如整型、字符型、布尔型、实型等。InCons表示属性的取值限定约束，分为:(1)必须从域中选一个作为其值;(2)不选或可从域中选一个作为其值;(3)可在给定的区间内取值。Domain表示该属性的值域，可以是离散值或连续值。Rep表示可以有若干个这样的属性定义。

产品结构表达了产品零部件之间的结构信息，母模板则非常清晰地表达了该系列所包含的通用件、特征件、可选件。

目前产品母模版的建立一般需要对产品特别熟悉的人员概括整理得出，它的弊端是一开始就进行总结，势必占用大量的人力物力财力。可以先建立具体的产品，母模版由具体的产品自动抽象出来，母模版随着具体产品数据的增长而充实，等到数据形成规模的时候，借助数据库去分析系列的规律，更容易确定零部件哪些是通用件、特征件、可选件。建立母模板的一般情况如图4和母模版自动生成情况如图5。

1.6 全系列重组

当新设计的产品主要关键特征不在任何一个已经有的系列里边，而且它的构成可能有几个系列的零部件节点重组得到，对于这种更有创造性的开发需要用到全系列重组。图6中表达了从L1系列和L2系列中各一个实例产品重组形成L3系列的一个产品。

2 产品配置功能的实现

2.1 需求的获取

和本文相关的需求主要分为公司推出新产品和客户需求。公司推出新产品时，设计人员能提供较准确的特征参数，但是客户往往是以比较模糊的语言表达其需求。使用基于事例推理(CBR)的方法，让客户回答一些有关产品主特征的参数及规范化的客户需求，然后从客户需求事例库中选择一个与客户要求最接近的客户需求集，基于该客户需求集，进行修改补充，从而得到精确描述的特征参数。

2.2 算法的实现

根据特征属性值，首先在特征选项谱表中遍历是否有符合要求的组合，假如没有的话进入步骤二，有的话进行步骤一。

步骤一:

(1)在产品信息表中建立新产品信息。

(2)判断该产品是否属于某一系列，假如否的话直接进入全系列重组，根据特征值选定各个系列下的零部件，形成新产品。假如属于某个系列进入(3)。

(3)判断是否可以有某个母模版得到，假如否的话根据目前已经有的产品实例进行遗传变异，得到一个新产品。假如是的话进入(4)。

(4)进入该系列母模版，按照BOM树递归搜索算法依次判断各个层次节点是否属于通用件、特征件、可选件。假如是通用件直接选定;假如是特征件，判断是否满足给定的特征项，假如满足被选定，假如不满足舍弃;可选件根据可选特征项进行判断取舍。最后把选定的零部件添加到新生成的产品树里。

步骤二:

假如特征选项谱表中没有符合要求的组合，则根据特征的权重进行最接近的选择，最后给出选出的特征值和原始值对照表。最后再进行步骤一。步骤一算法流程如图7。

2.3 与ERP和CAD的集成

(1)和ERP的集成。产品配置的结果是为了生产，一个产品配置结果是其他形式的BOM的基础，如PBOM(Planning Bill of Materials)和MBOM(Manufacturing Bill of Materials)的生成。

(2)和CAD的集成。产品树上的每个节点不仅包含物料明细，而且包含图纸文档等信息，通过与CAD系统可参数化设计的集成，可以直接利用配置的设计结果参数驱动CAD系统，完成零部件的草图设计或几何设计，从而达到缩短产品设计时间的目的。

3 电机产品配置应用实例

由项目组自行研发的关于工业电机的PDM系统中实现了上述算法，只截取其中的界面:

电机参数选择界面如图8，母模版明细表如图9，全系列重组如图10。

4 结语

本文给出了一个基于PDM产品配置的快速设计开发策略，操作简单，易于用户交互，极大地提高新产品开发的速度。基于J2EE流行框架Struts+Hibernate+Spring技术，使系统能够重用容易维护，基于数据库的BOM树配置功能更容易与企业的 CAD、CAPP、CAM、MRP进行集成，实现多种BOM信息共享与数据一致性。目前该系统的配置决策能力还不足，需要进一步完善。

［1］Alexanderf，Gerhandf，Diet Marj.Conceptua modeling for configuration of mass customizable products［J］.ArtificialIntelligencein Engineering，2001，15(2):165 －176.

［2］丑文亚.基于模块化产品族的定制电信产品结构建模及配置研究［J］.电信科学，2013(1):149 －155.

［3］邱胜海，王云霞，陆云，等.PDM环境下产品配置管理技术的研究［J］.现代制造工程，2012(9):25 －28.

［4］吴先超，吕晓枫，孙吉贵，等.基于广义产品结构的配置和集成研究［J］.计算机集成制造系统，2006，12(6):868 －875.

［5］杜向党，曹银萍，王征.基于Solidworks配置技术的组合夹具参数化设计［J］.制造技术与机床，2007(3):75 －77.

［6］刘夫云，邓小林.配置产品尺寸参数修改与变型设计方法研究［J］.计算机集成制造系统，2008，14(11):2092－2096.

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［9］陈启申.ERP－从内部集成起步［M］.3版.北京:电子工业出版社，2012.