基于产品族的产品配置设计方法的研究

李新龙，盛步云，萧　筝，张成雷

(武汉理工大学 机电工程学院，武汉　430070)



基于产品族的产品配置设计方法的研究

李新龙，盛步云，萧筝，张成雷

(武汉理工大学 机电工程学院，武汉430070)

企业传统的大批量生产模型已经不能满足客户个性化和多样化的需求,为了加快企业对市场的响应速度和竞争能力，将产品族的概念与配置实例相结合, 建立了基于产品族的实例模型。在分析模型的基础上, 证明了产品配置设计实例与零部件之间的数据关系。最后,结合应用需要,并以可拆式板式换热器产品为例，论证了文中研究工作的可行性，并对提出的模型进行了验证。

产品族；配置设计；配置模型；大规模定制

0　引言

随着制造业信息化技术和先进制造技术[1]的不断发展和创新，以及大量新型技术的不断出现,市场对于产品的需求也在不断的向新型的生产模式(多品种小批量)的不断转变[2]。单一的市场形势已经不能很好地满足客户个性化及多样化的需求，企业为了能够在不断变化的市场中脱引而出，绝大部分企业已经开始搭建多品种，大规模，低成本的生产模式，甚至有些企业已经建立了面向个性化定制产品的生产模式。企业之间的竞争焦点日趋集中于如何更好地满足用户的个性化和多样化的需求，如何对不断变化的客户需求迅速做出反应成为提高企业竞争力的关键[3]。

产品配置的设计就是在大规模定制(Mass Customization)的特定环境下慢慢成熟的，产品配置的过程是通过客户需求作为起始条件，对产品库中搜索，然后具像化，最终以产品的实例为结果的配置方法，结果精准度将和客户需求紧密的联系在一起，这是大批量定制的关键和核心[4]。在该情况下的设计过程中，可以结合企业的实际产品和设计经验，设计人员可以通过零部件之间的匹配和结合，准确的为客户提供特性化需求的产品。基于产品族的产品配置设计方法能够满足顾客个性化需求的同时，还能为企业带来低成本、高利润的好处。根据相关资料的统计分析，在企业大部分的产品设计中，有80%～90%的设计是根据企业目前已有的零部件进行变型设计得来的，60 %左右的设计是在企业在产品原有的基础上进行二次设计的[5]。

1　产品配置设计的系统架构

为了很精确地配置出与客户要求相符的产品，运用配置知识和约束条件来搭建产品配置设计的框架体系，该架构包括用户应用层、产品配置层和数据管理层，如图1所示。

用户应用界面供设计人员对客户所提出的需求进行分解并转化，产品配置参数拾取，配置规则定义和配置实例设计为整个产品配置层的配置约束;产品配置层主要任务是通过各个基本单元，以约束为基础，进行产品的组合并生成;数据层负责修改、更新、添加等一系列对相关属性或技术数据的操作。产品配置设计可以作为一个子功能，以菜单的方式深度集成到三维CAD中[6]，以边设计人员进行使用。

(1)特征参数的匹配：根据构建产品族时所采用的的配置方法, 可以设定一个包含所有特征的集合, 用来进行筛选和匹配。

(2)实例匹配：分析客户的个性化要求, 若能与属性库中信息描述相吻合，即可进行深度的检索匹配。

(3)实例的修改：在进行配置评价时，若结果和需求不相符时, 需要对结果重新进行修正, 最终得到让客户相对满意的解决方案。

通过对上述分析得出,对产品实例的有效表达和对配置问题的精确描述, 有助于在特征参数匹配和实例修改过程中提高实例匹配检索的效率。

图1　产品配置设计体系

2　产品配置设计过程

2.1基于产品族表的配置设计过程描述

产品族是具有相似的结构、特征和属性，并且以一定规则可以归为一类并管理的集合。归为一类的产品族，它们模型采用同样的参数化[7-8]数据结构来定义，一旦所有的结构参数赋值完成后，就能够生成一个基于模板的实例。在公司的产品库中，可能会有许多这类产品，利用产品族表可以达到优化和管理的目的。

通过产品族表的方法进行配置设计，可以分为两个层次的设计，零部件级和产品级的设计，后者又可在前者的基础上，以层次结构为依据达到配置的要求[6]。可以把产品结构以一定的规则映射一个多元化的树状开叉结构，每一个树状叉点根据层次代表不同的产品要素，然后对每一个叉点进行定义。其过程应该是从最底层的叉点进行约束配合，根据叉点层次结构依次进行不同配置的选择；最后将所有的叉点以预先定义好的配置约束规则进行组合，再配合知识和经验的修正，实现不同要求的配置结果输出，该过程如图2所示。

图2　产品配置设计过程

用Li代表零件，Lij代表Li中的每个结构特征；Bi代表部件，Bij代表组成Bi的每个零件或子部件，它们之间的连接线代表约束关系。则它们有以下关系:Li=(Li1,Li2,……,Lij)(j=1,2,……n)，Bi=(Bi1,Bi2,……,Bij)=(L1,L2,……,Lj) (若Bij全为零件，则后一个等号成立)(j=1,2,……n)。从图2可以看出，部件叉点能够继续分解为零件叉点，就会形成一个完整的层次结构[9]。

故B3=(L6,L7); B1=(B3,L3)=(L6,L7,L3),通过最后一级树状叉点的筛选并组合，包括属性及结构方面的匹配，依次向上得到其所有叉点的组合，最终生成符合要求的配置实例。Pi代表产品数据模型,则Pi=(B1,B2,……,Bm;L1,L2,……,Ln)。

2.2基于产品族表的产品配置模型规则描述

以现在的市场形势看，大部分中高端的三维造型软件都具有配置和零件族功能，最为典型的一款就是达索公司开发并发行的SolidWorks建模工具。然而像这些软件，通常只提供一般的设计功能，并不会有明确的设计规则，大部分都是借助设计人员的经验和理论。从前面设计过程的描述可以看出：利用软件进行零件的配置时，考虑几何、位置以及拓扑关系的变化[10]是非常重要的，否则其结果通常不能满足配置要求。该过程应该符合如下一些准则：

(1)仅仅具有局部特征不同的零件视为同一族。

在考虑零件的结构特征时，应该首先把握总体形状，然后分解到最小特征，如果两个零件的特征集合交集的个数与原有集合个数相差很小，可以运用特征压缩功能体现结构上的差异性，则应看作同一族，如图3所示。

图3　产品族实例一

(2)尺寸不同、但总体结构并无差别的零件为同一类。

如果两个零件是同一个系列的，其结构和特征集合均相同，只是由于几何参数不相同，它们应归为一类零件族，如图4所示。

图4　产品族实例二

(3)主参数不能够被另外一些参数所驱动。

在变量表中进行参数设定时，主要参数是不能通过直接或间接的方式所驱动，只能进行设计赋值。假设X是主参，A是次参，A，X之间的约束关系应为如下形式：

A=3.8×X+2-……

(4)配置实例的名称应唯一。

在零件配置管理器中，无论是手动配置还是采用Excel设计表进行系列化配置，所有的配置实例的名称必须不重复，否则在调用配置模型时出现连接关系不正确或约束错误。

3　产品族配置模板的数据模型

数据模型包含很多的产品信息，它对后期产品的生产制造起着决定性的作用，故合理的建立精确、有效的模型对产品配置设计工作的开展具有关键作用，可以减少产品配置设计中的数据冗余，降低其复杂程度。

配置结果与模板之间虽然存在结构上的相通性，但它们之间没有绝对的关联，实例可以看成是与模板同一个系列的产品。产品族模型融合了客户需求的所有功能组合，是一个能够实现具有不同功能属性的多个产品集合[11]；然而其中每一个功能属性又是由不同结构的叠加和差异实现的，结构的不同将使得所实现的功能有所不同；零部件是构成产品的最基本单元，连接规则是零部件之间进行组合安装的重心，这对实现产品功能和结构具有至关重要的影响。

特别重要的一点，当i的值等于零的时候，说明此配置当前在模型中为压缩状态。由此，产品矩阵通过变形得到如下式子：

在实际的配置过程中，配置结果的总数通常与理论值会有所差别。原因在于产品在车间装配制造时，会出现一些在理论过程中未考虑周全的因素，比如特殊的性能、模型约束关系和误差等，这就需要经验和专家知识来修正，否则配置就是失败的。配置结果建立完成后，实例与模板之间虽有结构上的相似性，但是它们没有关联，互不影响。

4　实例应用

本文以大型换热设备可拆式板式换热器为应用实例，对其进行研究和方法验证。在参数化设计中我们的主要意图就是将尺寸数据、配置的压缩与解压缩按照一定规律向草图、模型、装配体、工程图中赋值，通过尺寸驱动改变设计结构。为了能更好地符合设计需要，利用SolidWorks给我们提供的API接口函数来设计程序，如图5所示。图中产品打开后就有默认项，可以依据你所需要的要求进行选择。选择后选择配置产品，就会转到参数设置界面。

图5　换热器配置设计主界面

产品的总体基本参数获取的正确与否，直接影响了配置结果是否能让客户满意。如图 6 所示为基本参数输入界面。

图6　板式换热器需求参数输入界面

然后点击下一步后，系统会进入到板式换热器的各零部件的配置方法进行配置设计界面，然后将参数输入进去，以便后续配置设计时进行调用，以固定压板为例进行配置设计，如图 7 所示。

图7　固定压板配置设计界面

在固定压板的配置特定属性中将图纸编号等信息添加，驱动会自动写入，如图8所示。

图8　固定压板的工程图

其他模块及零部件同理，参数选择完成后，确认无误后，点击确定按钮，即可进入板式换热器的配置设计过程中，最终得到满足客户需求的配置产品，若还有一些特殊要求，可根据配置知识及经验进行配置结果的修改，如图9所示。

图9　换热器配置结果

5　结束语

文章建立了产品配置设计方法的框架体系，具体介绍了基于产品族表的产品设计过程，并结合具体的模型案例，对配置规则做了详细的定义。论述了配置模型的矩阵表达形式，以及它在设计过程中的重要性。最后通过可拆式板式换热器配置设计实例，详细说明了产品零部件配置设计的具体方法和过程，论证了本文理论研究内容的可行性，为配置产品设计方法提供了良好的理论和实践依据。

[1] 陆永龙. 基于产品配置的参数化建模技术研究[D]. 石家庄:石家庄铁道大学,2014.

[2] 但斌,姚玲,经有国,等. 基于产品族实例本体模型的产品配置方法研究[J].计算机集成制造系统,2009,15(4):645-646.

[3] 魏鹏飞. 精益生产实施关键因素及评价体系研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013(4):4-5.

[4] 胡浩平，刘电霆. 数控机床主轴绿色配置设计的不确定优化模型建立与求解[J]. 组合机床与自动化加工技术,2015(1):39-40.

[5] 但斌,姚玲,经有国,等.基于本体映射面向模糊客户需求的产品配置研究[J].计算机集成制造系统,2010,16(2):225-232.

[6] 邓伟刚. 面向对象的配置产品变型设计方法研究与实现[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[7] 王书亭,吴义忠,蒋占四. 支持动态变型设计的多领域系统知识建模与推理求解[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2010, 22(1):85-93.

[8] 黄建行,林颖,刘其洪. 基于Pro/E二次开发的叶轮参数化设计[J]. 组合机床与自动化加工技术,2010(2):29-31.

[9] 周翔. 制造业PDM系统可建模的研究设计与实现[D]. 上海:同济大学,2009.

[10] 王克喜,陈为民,全春光,等.基于产品平台的参数化产品族设计方法研究综述[J].湖南科技大学学报, 2011,14(5):65-67.

[11] 胡玉兰，杨汝静. 基于知识进化与多级实例推理的复杂产品概念设计方法[J]. 组合机床与自动化加工技术,2013(10):21-22.

[12] 寿旺洁. 机械产品族规划设计技术研究[J]. 中国新技术新产品精选,2010(14):114.

(编辑李秀敏)

Methods of Product Configuration Design Based on Product Family

LI Xin-long，SHENG Bu-yun，XIAO Zheng，ZHANG Cheng-lei

(School of Mechanical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

The traditional mass production of enterprise can’ t satisfy customers personalized and diversification needs. In order to accelerate the response speed of the enterprise to the market and competition ability, a product family case model was constructed, which combined the concept of product family and configuration case. Based on the analysis of the constructed model, it was proved that the data relationship of case of product configuration design and parts. Finally, with the combination of application needs, and an application example of Detachable plate heat exchanger product is given to verify the feasibility of the research work and the model.

product famliy ；configuration design ；configuration model ；mass customization

1001-2265(2015)11-0129-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.036

2015-02-02；

2015-03-14

李新龙(1989—) 男, 兰州人, 武汉理工大学硕士研究生, 研究方向为制造系统集成与信息化技术，(E-mail)875736244@qq.com；盛步云(1964—)，男，湖南华容人，武汉理工大学教授，博士研究生导师，研究方向为CAD/CAM/CAPP数字制造技术等，(E-mail)shengby@whut.edu.cn。

TH166;TG506

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