零件设计更改影响快速评估系统的设计与实现

陈进平 刘元朋 王振 冯宪章 张树生

摘 要：为解决航空制造企业面临的复杂零件设计更改影响快速评估问题，设计、研制了零件設计更改影响快速评估系统。首先，介绍了更改影响评估的原理及方法，构建了零件设计更改影响快速评估的框架体系;其次，阐述系统的设计目标、开发环境、功能模块、体系架构;再次，介绍了系统的界面设计和数据库设计;最后，通过实例验证零件设计更改影响快速评估系统的可行性。

关键词：复杂零件;设计更改;影响评估;系统

中图分类号：TP391

文献标志码：A

工程更改（engineering change， EC）在现代制造企业中扮演着不可或缺的角色，它主要包括：零部件设计更改、产品模型更改、软件更改等[1]。零部件设计更改在整个工程更改中占有极其重要地位，企业通过对原有零部件及产品进行局部设计更改，辅助继承、重用原有部分设计结果可以显著提高设计效率、降低设计成本并减少设计风险[2]。以航空产品为例，航空产品具有轻量化、多功能、高可靠性等特点，其研制流程是“设计-制造-试验-修改设计-再制造-再试验”反复迭代优化的过程。因此，航空产品在研制过程中不可避免的会发生设计更改现象，通过设计更改可以极大提高设计效率、节约研制成本。统计资料表明，一架中型飞机在研制过程中的设计更改数量为 4万～6 万项，所有更改处理的时间占整体研制周期的1/3～1/2[3]。由此可见，设计更改已成为助力飞机研制的重要手段。

中国工程院尹泽勇院士指出我国航空装备研制最大的短板是设计问题[4]，其中设计周期长在设计问题中表现尤为突出，严重制约了我国航空装备的研制进程。以设计更改为主体的快速设计方法是破解我国航空装备研制周期长有效的方法之一。迄今为止，设计更改已成为航空、航天、汽车等领域制造企业实现新产品开发的一条重要途径[5]。制造企业对设计更改业务的处理通常遵循工程更改管理流程，具体流程为：（1）识别更改原因;（2）提出更改方案;（3）评估更改影响;（4）授权更改方案;（5）执行更改方案;（6）检查归档方案[1]。技术人员在对上述流程操作处理中发现流程（3）即评估更改影响的处理最困难且耗时间[5]。如何快速准确评估设计更改影响成为工程更改理论研究面临的新课题。尤其在航空、航天、汽车等领域存在大量的设计更改业务活动，对先进适用的设计更改影响评估方法及其评估软件的需求更为迫切。相应的更改影响评估方法及其评估软件的研究业已受到国内外学者的广泛关注，逐步成为工程更改理论研究的前沿和热点方向。

近年来，随着信息技术、人工智能技术、新材料技术等交叉融合，引发了新一轮产业革命。应运而生的《中国制造2025》正着力推动低成本，高质量的定制化生产模式以满足个性化、轻量化、品质化需求。由于个性化、轻量化需求等原因，迫切需要对零件进行设计更改以响应市场和客户对新产品的迫切需求。因此企业亟需辅助技术人员快速评估设计更改影响的系统软件工具。为此，本文开展了零件设计更改影响快速评估系统的设计与实现研究，旨在解决航空制造企业中复杂零件设计更改影响的快速评估问题。

1 评估系统的工作原理及框架体系

1.1 工作原理

受知识重用[6-10]理论在产品设计、制造领域的启发，将知识重用理论作为零件设计更改影响评估的基础。首先，将企业以往更改案例及其影响评估的结果构建一个知识库;然后，输入将待评估的案例，识别其更改特征，与知识库中的案例快速比对，检索出相似案例;最后，依据相似更改案例的知识，采用贝叶斯定理结合最小交叉熵求解待评估更改案例的影响值。

1.2 框架体系

根据1.1节提供的工作原理，设计了零件设计更改影响快速评估框架体系，具体图1所示。

2 评估系统设计

2.1 设计目标

系统设计要以服务评估人员方便、友好、快速地评估零件设计更改（主要是零件几何更改）产生的影响为目标，因此在系统设计中必须遵循以下原则：

（1）系统设计必须符合用户的使用习惯，并且界面友好，使用操作方便;

（2）为保证企业产品数据信息的安全性，设计系统时，要充分考虑权限设置，对企业中的工程更改分析评估人员、更改方案决策人员分配不同账户和登陆密码;

（3）信息统计详细、全面，方便用户对相关信息的管理和更新， 使评估决策人员能根据系统提供的评估结果，做出有效的管理决策。

2.2 评估系统开发环境

评估系统开发的软件环境为：操作系统平台采用Windows 10，程序开发平台选取Visual Studio 2020，底层数据库采用SQL Server 2018，软件开发平台为SolidWorks 2018。评估系统将运行于如下硬件环境：处理器为Inter（R） Pentium（R） Dual 2.8 GHz CPU，内存为2 GB，硬盘为1 TB的PC机。本评估系统在开发过程中采用SolidWorks 2018软件是由法国达索公司（Dassault）研制的一款三维产品设计软件，它相比于Pro/Engineer和CATIA等软件，价格低廉。因此，深得国内外中小型制造企业的欢迎，在中小型制造企业使用、普及率高。SolidWorks是一个开放性软件系统，它为用户提供了开发接口。目前SoldWorks系统提供了两种开发方式：VBA宏录制和SolidWorks API函数。本文采用了SolidWorks API函数接口开发技术，以C++语言[11-14]为编程语言，进行更改影响快速评估系统开发。

2.3 评估系统功能设计

评估系统的功能结构如图2所示，主要包括6个功能模块：系统登录管理功能模块、系统I/O功能模块、增加更改案例功能模块、识别更改特征功能模块、检索相似案例功能模块和评估更改影响功能模块。每个模块都要实现特定的功能，例如，系统管理功能模块要实现三个功能：用户登录、权限管理（授权新用户账号及密码）和退出系统。依次类推，系统I/O功能模块要实现两个功能：输入更改模型和输出影响值。由于篇幅所限，其它另外三个功能模块就不一一列举。

2.4 评估系统体系结构设计

根据实际评估业务需求和用户对评估系統的具体功能要求，评估系统的主要体系结构采用分层结构，它包括应用层（即用户界面）、核心算法层和底层数据层，如图3所示。其中，应用层由系统主界面与各功能模块对话框构成，运行在Visual Studio 2020 MFC环境中，它采用了图形化界面与用户交互、管理、浏览各种数据对象;此外，它还接收用户输入数据，并将评估结果显示给用户。算法层是在Visual Studio 2020与SolidWorks 2018软件平台下，采用封装算法的形式，将各个功能模块以特定算法保存在系统中，并且提供应用程序接口，供用户调用。本系统主要封装了三个算法：识别更改特征算法、检索相似更改案例算法和评估零件设计更改影响算法。数据层主要为系统提供数据存储服务，它包括工程更改知识库与工程更改特征库等，其涉及的基础数据库采用SQL Server 2018来开发，数据表采用更改ID号来关联相关数据信息等。每个更改案例都有唯一标识ID号，将它作为表格关联的主键（primary key），便于系统的查询和检索。

2.5 评估系统界面设计

评估系统的登陆界面如图4（a）所示，将用户角色分为两类：评估技术员和系统管理员。为保证系统安全性，系统采用密码访问原则。工作人员只有在输入正确的用户名和密码条件下才能访问系统，才可以进行更改影响评估或者系统维护工作。图4（b）显示的为系统主界面，界面上有三个功能按钮：“增加更改案例”、“影响评估”和“退出系统”。图4（c）显示了增加工程更改案例的具体工作业务界面，图4（d）显示了具体的更改影响评估工作界面。

2.6 评估系统底层数据库设计

底层数据库选用SQLserver 2018，主要数据表包括零件设计更改案例中的更改特征表、工作人员角色对应账户管理表、更改影响值的存储表等。数据表对应的部分E-R模型如图5所示。

在数据表的设计中各属性域值（即取值范围）根据具体的实际情况而定，各数据表的主码依照唯一标识、可区分原则来选取。

3 评估系统的验证

本文采用文献[15]中的更改特征样本库（参见表1所示）作为评估系统仿真验证的数据源。从样本中选取更改案例EC-4，进行更改影响评估实验。首先，分别向评估系统导入EC-4更改前、后的零件模型;其次，通过评估系统的更改特征识别功能模块识别出EC-4拥有的特征;再次，通过检索功能模块检索出数据库中与EC-4最相似的3个工程更改案例;最后，通过评估功能模块，评估EC-4的影响值，具体结果如图6所示。评估系统显示的更改影响值为低，这与样数据源中更改案例EC-4实际的更改影响值相同，从而验证了评估系统的正确性、可行性。

4 结论

本文开发的零件设计更改影响智能评估系统，有效解决了制造企业内部零件几何外形更改产生的影响评估问题，但尚未考虑多属性更改产生的影响，即零件的几何、材料、精度等属性共同发生更改时产生的影响。下一步，本研究团队将重点围绕零件几何、材料、精度等多属性作用机理这一关键科学问题开展研究，探索多属性更改影响评估系统的开发方法，从而解决制造企业的多属性设计更改影响评估难题，助推新产品的研制进程。

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（責任编辑：于慧梅）

The Design and Realization of Rapid Evaluation System

for Part Design Change Impact

CHEN Jinping1， LIU Yuanpeng*1， WANG Zhen1， FENG Xianzhang1， ZHANG Shusheng2

（1.School of Aeronautical Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract：

In order to solve the problem about rapid evaluation of the part design change impact， a rapid evaluation system of part design change impact has been designed and developed. Firstly， the paper introduces the principle and method of change impact evaluation and constructs a framework model of part design change impact rapid evaluation. Secondly， the design objectives， development environment， functional modules and architecture of the system are described. The interface design and database design of the system are introduced again. Finally， an example is given to verify the feasibility of the system.

Key words：

complex part; design change; impact evaluation; system