基于装配关联矩阵的产品族模型研究

【基础理论与应用研究】

基于装配关联矩阵的产品族模型研究

尤杨1，陈军1，蒲家琦1,吴晋瑜2

(1.后勤工程学院 军事供油工程系，重庆401311； 2.中国石油大学 机械与储运工程学院，北京102200)

摘要：为了解决现有产品族设计方法指导生产的产品可能在实际装配时无法组装等问题，提出了一种面向装配的产品族模型；引入功能对等、组件类和功能实体的新概念，从功能对等方面入手定义组件类，从组件类到功能实体的映射层面建立装配关联矩阵，通过矩阵描述组件类之间的装配关联与装配关系；建立的模型在满足产品族具体功能需求的基础上，能够实现产品族内产品的快速灵活装配；最后对一个具体的油料装备产品族——CY产品族，面向其装配进行建模。

关键词：产品族；装配关联矩阵；功能实体；组件类

收稿日期：2014-07-27

基金项目：解放军总后勤部项目资助(YX213L029)

作者简介：尤杨(1990—)，女，硕士研究生，主要从事产品族模型设计研究；陈军(1965—)，男，教授，主要从事油料装备方面研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.02.040

中图分类号：TH164

文章编号：1006-0707(2015)02-0145-04

本文引用格式：尤杨，陈军，蒲家琦,等.基于装配关联矩阵的产品族模型研究[J].四川兵工学报，2015(2):145-148.

Citationformat:YOUYang,CHENJun,PUJia-qi,etal.ResearchonProductFamilyModelBasedonAssemblyRelevanceMatrix[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(2):145-148.

ResearchonProductFamilyModelBasedonAssembly

RelevanceMatrix

YOUYang1, CHEN Jun1, PU Jia-qi1, WU Jin-yu2

(1.DepartmentofMilitaryPetroleumSupplyEngineering,LogisticEngineeringUniversityofPLA,

Chongqing401311,China; 2.CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,

ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102200,China)

Abstract:In order to solve the problem that products may not be assembled during actual assembly by the existing product family design methods and other issues, we put forward a product family model based on the assembly incidence matrix. And it introduced new concepts of functional equivalence, generic component and functional entity by the concept of functional equivalence to define generic component, and set up assembly incidence matrix from the map of generic components to functional entities. The matrix described the assembly relation and assembly relevance between generic components. The model can satisfy the specific functional requirements of product family and products can be assembled fast and flexibly by this method. In the end, a specific model of CY product family was set up.

Keywords:productfamily;assemblyrelevancematrix;functionentity;genericcomponent

用户需求个性化与生产制造快速化的市场需求促使大批量定制成为制造业的发展趋势，为此专家学者提出了产品族的概念[1]，文献[2]定义产品族(PF)是一群有相似功能和相似用户需求的产品，文献[3]中将产品族定义为共享通用特征、组件、子系统的一类产品。产品族设计旨在提高生产制造效率和满足用户需求多样化。

文献[4]提出用物料清单表达产品族结构的单视图模型。但斌等[5]以此为基础建立了基于类物料清单的产品族模型，增加了产品族选择树。文献[6]提出了功能、技术、结构的产品族三视图模型。秦红斌等[7]提出了产品族基因模型，通过基因片段的组合表达产品族成员。樊蓓蓓等[8]基于复杂网络建立了产品族模型，以表达零部件及其隶属关系。现有的产品族模型并没有考虑零部件装配关联，设计出的产品可能不便于装配。

自从研究者开始研究解决装配规划问题(AP)以来，大量产品装配模型被提出[9]。MantylaM提出了以Part-ofGraphs为代表的图模型[10]。LeeK等[11]最早提出了层次结构树模型。齐峰等[12]提出了一种以装配特征为单元体的特征图树模型,实现从功能到结构的映射。shah[13]基于特征建立了产品装配模型，基于特征分级表示装配体。周开俊等[14]建立了零件装配骨架模型，用矩阵记录了零件属性和装配关系。这些装配模型局限于零部件表征，并没有运用于产品族设计。

本文提出了产品族装配关联矩阵，通过关联实现自产品族组件类到功能实体的映射，从而建立面向装配的产品族模型，有利于计算机表达和实际生产装配。

1面向装配的产品族相关定义

为了使产品族规划设计更加明确，便于第三节中建立面向装配的产品族模型，本节将从装配相关方面切入，提出以下与产品族有关的定义：

1) 元功能F(unitfunction)：构成产品及产品族主功能的基本元素。

2) 元组件C(unitcomponent)：实现元功能的组件，一个元组件实现一个元功能。

3) 产品P(product)：由一系列元组件C通过装配规则关联而构成。

4) 产品族PF(productfamily)：基于特定设计概念的一系列产品P，族内产品有相同的主功能，并且装配过程类似。

5) 功能对等(functionalequivalence)：产品Pj和Pk属于同一产品族，Cl和Cm分别是属于Pj和Pk的元组件，若在此PF中Cl和Cm能完成相同的元功能Fi，则它们之间是功能对等关系，记做Re{Cl,Cm}。功能对等的元组件存在于同一产品族的不同产品中，同一产品中的不同元组件不存在功能对等关系。

6) 组件类GC(genericcomponent)：若Cl、Cm、Cn是产品族PF中存在功能对等关系Rei的所有元组件，则Cl、Cm、Cn构成一个组件类GCi，记做GCi={Cl、Cm、Cn}。若产品族PF中完成元功能Fj的只有元组件Cj，则Cj单独作为一个组件类，记做GCj={Cj}。为了使组件类之间的装配更明确，两个不同的组件类不能包含相同的元组件。

7) 功能实体FE(functionalentity)：由一系列GC或者可能是一个GC构成，可以在独立的工作站或者生产线被装配。为了使功能实体之间的装配更明确，两个不同的功能实体不能包含相同的组件类。FE又分为通用功能实体(存在于一个PF的所有P中)和特殊功能实体。

2基于装配关联矩阵的产品族模型的数学构建

2.1基本原理

产品族PF由不同的功能实体FE组合而成，每个功能实体又由不同的组件类GC组合而成。本文提出一种装配关联矩阵，明确组件类间的装配关联关系，实现组件类到产品族的映射[15]。

2.2数学模型

组件类到产品族的映射可建立如下数学模型：

(1)

2.3装配关联矩阵

若第j个组件类GCj参与第i个功能实体FEi的装配，则Aij={GCk,Zr,/L}，GCk是与组件类GCj存在装配关联的组件；Zr是两对象之间装配关系的类型，“1”表示机械连接，“2”表示信号连接，“3”表示物料交换，“4”表示能量传递；/L是两对象之间的逻辑关系，“与”用Y表示，“非”用N表示，若无逻辑关系，则/L可以省略，若GCj与多个组件存在装配关联，则依次列出。若GCj不参与功能实体FEi的装配则Aij=0。

3模糊评价指标

由于很难客观量化的描述FE的选取和GC的组合是否最优，所以给出2个模糊性评价指标，若计算指标后发现不合理，可进行再设计[16]。

3.1组件类适宜性指数

式中：nGC是此FE中GC的数量；VGCi是第i个组件类中所有变体的数量，若GCi是可选组件类，则VGCi=VGCi+1。指标太低表明GC的组合有问题。

3.2功能实体适宜性指数

式中：nv(F)是PF中P的数量；nFE是PF中FE的数量；VFEi是第i个功能实体所有变体的数量，若FEi是特殊功能实体，则VFEi=VFEi+1。指标太低表明FE的选取有问题。

4应用实例分析

如图1[17]所示，可以描述储油罐GC：观察口、信号器、透气阀、罐体、罐脚、进出油管、扶梯、护栏、防静电装置、防波板加强圈、油量计、沉淀槽、放沉淀管总成。分别记为：C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12,C13。

图1　 CY族 P

C1,C2,C3组成人孔，有密封、平衡气压和灌油观察的功能，构成一个功能实体F1；C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10完成储油功能，构成一个功能实体F2；C11完成计量功能，看做一个功能实体F3；C12,C13完成排放沉淀物的功能，构成一个功能实体F4。

装配矩阵:

其中Aij表示装配关系，例如：

CY族的产品族模型如下：

5结束语

本文首先分析了现有产品族模型与装配模型的研究现状和存在的不足，提出为实现利于装配的产品族设计，应将产品族建模与装配建模结合起来。把产品族看作是不同功能实体的装配，而功能实体又可看作不同组件类的装配，通过引入装配关联矩阵，最终实现了组件类到产品族的装配关联。产品族内的产品设计可以通过功能实体的选取来确定，功能实体又能在生产线上独立装配而生产。此模型的建立将有利于产品大批量快速生产，并且方便组装和拆卸维修。最后以CY族油料装备为例进行分析并构建了其数学模型。

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(责任编辑蒲东)