0 前言
產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)可以理解為根據(jù)預(yù)定義的零部件集以及它們之間的相互關(guān)系,通過(guò)合理的組合,形成滿足客戶(hù)個(gè)性化需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程。變型設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者通過(guò)提取已存在的設(shè)計(jì)方案或設(shè)計(jì)計(jì)劃,然后在其基礎(chǔ)上作相應(yīng)的修改,以產(chǎn)生一個(gè)與原設(shè)計(jì)相似的新設(shè)計(jì)方案。在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)中,除了配置模塊選擇外,配置模塊修改也是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)中,有時(shí)會(huì)遇到現(xiàn)有的配置模塊無(wú)法配置出滿足客戶(hù)個(gè)性化要求的新產(chǎn)品的情況,另外隨著技術(shù)的更新,有時(shí)需要進(jìn)行產(chǎn)品的再配置,在這些情況下,經(jīng)常需要對(duì)配置產(chǎn)品的部分模塊進(jìn)行變型設(shè)計(jì)或修改,當(dāng)配置產(chǎn)品中的某個(gè)模塊的尺寸改變以后,其他模塊如何做出相應(yīng)的改變是配置設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要而又迫切需要解決的問(wèn)題。因此,進(jìn)行配置模塊尺寸修改方法研究就具有十分重要的意義。
與產(chǎn)品配置相關(guān)的一些技術(shù)和方法,如事物特性表技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、變型設(shè)計(jì)技術(shù)、配置模塊選擇方法等都已得到較廣泛的研究。研究人員利用分層遞階模型、關(guān)聯(lián)圖、超圖等方法來(lái)進(jìn)行參數(shù)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)等研究。在上述的技術(shù)和方法基礎(chǔ)上,利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,建立產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò),利用網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)算法來(lái)研究尺寸變化在產(chǎn)品零件之間的傳遞方法,為產(chǎn)品配置的配置模塊尺寸修改與產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)提供一種新的思路和方法。
1 零件事物特性表
1.1 事物特性表技術(shù)
事物特性是指表征產(chǎn)品、部件和零件的幾何特性、功能特性和制造特性等的信息集合。事物特性表定義了從對(duì)象組中表征和區(qū)分某個(gè)對(duì)象的決定性特性,規(guī)定了特性數(shù)據(jù)的表示格式,使零部件的特性數(shù)據(jù)能夠方便地在不同的系統(tǒng)之間交換。建立事物特性表的主要目的是構(gòu)建能夠進(jìn)行變型的模塊化系統(tǒng),支持有效的檢索和變型設(shè)計(jì)。在GB/T10091.1-1995《事物特性表定義和原理》中明確規(guī)定了事物特性表的格式,如表1所示。
表1 GB/T10091.1-1995規(guī)定的事物特性表
1.2 零件事物特性表
要建立零件的事物特性表,首先需要對(duì)零件進(jìn)行參數(shù)分析。零件的參數(shù)有多種類(lèi)型,這里主要討論零件的尺寸參數(shù)。通常,可以將尺寸參數(shù)分為不變參數(shù)、可變參數(shù)和導(dǎo)出參數(shù)三種類(lèi)型。不變參數(shù)是指在零件的各種變型中始終保持不變的參數(shù);可變參數(shù)是指在零件的各種變型中可以改變的參數(shù);導(dǎo)出參數(shù)是指由其他參數(shù)計(jì)算出來(lái)的參數(shù)。在如圖1所示的聯(lián)軸器零件中,經(jīng)過(guò)分析,可將尺寸參數(shù)A、B、C歸為可變參數(shù)。將尺寸參數(shù)DAA、DAB、DAC、DAD、DAE、DAF、DAG歸為導(dǎo)出參數(shù);例如,可設(shè)DAA=C/3.0,DAB=A/3.0,DAC=C+10.0,DAD=B-30.0,DAE=C+5.0,DAF=C+22.0,DAG≈B/24且在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸系列中選用。將尺寸參數(shù)L3、R1歸為不變參數(shù)。
圖1 聯(lián)軸器零件的事物特性分析
根據(jù)事物特性表規(guī)范,可得圖1所示的聯(lián)軸器零件的事物特性表,如表2所示。
表2 聯(lián)軸器零件事物特性表
2 產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)
2.1 產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)描述了一個(gè)可配置的、包括所有標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)的組成情況,可以根據(jù)不同客戶(hù)的需求,從產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)中派生出滿足客戶(hù)需求的定制產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。
2.2 尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)
網(wǎng)絡(luò)是頂點(diǎn)與邊的集合,F(xiàn)實(shí)世界中,網(wǎng)絡(luò)形式的系統(tǒng)隨處可見(jiàn),有許多大家熟知的網(wǎng)絡(luò)形式,例如因特網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)、科學(xué)家合作網(wǎng)、電影演員合作網(wǎng)、食物鏈網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。利用網(wǎng)絡(luò)理論、算法及其統(tǒng)計(jì)參數(shù),可以解決一些用其他理論和方法難以解決的實(shí)際問(wèn)題。在制造業(yè)領(lǐng)域,也可將許多問(wèn)題抽象成網(wǎng)絡(luò)形式,利用網(wǎng)絡(luò)的分析研究方法及其相關(guān)算法來(lái)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究,尋求解決這些問(wèn)題的新理論和新方法。這里將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論引入大批量定制領(lǐng)域,以產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)和零件事物特性表為基礎(chǔ),根據(jù)產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)中各個(gè)零件之間的尺寸關(guān)聯(lián)和約束關(guān)系來(lái)建立產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。
產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法如下:以產(chǎn)品、部件以及零件主模型中的尺寸作為網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn),以尺寸間的相互約束關(guān)系為邊,邊取為有向邊,邊的方向?yàn)閺哪骋怀叽缃Y(jié)點(diǎn)出發(fā)指向受該尺寸結(jié)點(diǎn)約束的尺寸結(jié)點(diǎn),邊的權(quán)重為邊的起始尺寸結(jié)點(diǎn)與邊的終止尺寸結(jié)點(diǎn)之間的換算關(guān)系(例如,假設(shè)尺寸d1、d2與尺寸d3之間的計(jì)算關(guān)系式為d3=d1+0.5d2,則從尺寸d1到尺寸d3的有向邊的權(quán)重為1,從尺寸d2到尺寸d3的有向邊的權(quán)重為0.5),從而構(gòu)成一張加權(quán)有向網(wǎng)絡(luò)。
在如圖2所示的聯(lián)軸器裝配關(guān)系示意圖中,共有4種零件,分別為聯(lián)軸器1、聯(lián)軸器2、鉸制孔螺栓、六角薄螺母。聯(lián)軸器的事物特性如第1.2節(jié)中所述,螺栓、螺母示意圖及其各自的主要事物特性如圖3所示。在圖3中,螺栓的可變參數(shù)為A03,B,其余各個(gè)參數(shù)均為導(dǎo)出參數(shù);螺母的可變參數(shù)為A03,其余參數(shù)為導(dǎo)出參數(shù)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn),這里不再列出螺栓、螺母的事物特性表。
圖2 聯(lián)軸器裝配圖示例
1.聯(lián)軸器1 2.聯(lián)軸器2 3.鉸制孔螺栓 4.六角薄螺母
圖3 螺栓、螺母零件的事物特性分析
在圖2中,主要有以下幾種尺寸裝配關(guān)系:左右聯(lián)軸器的特性尺寸DAD,聯(lián)軸器的特性尺寸DAG和鉸制孔螺栓的外徑等。
如果已有相應(yīng)的產(chǎn)品主模型,則可以編制程序?qū)AD系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),提取CAD系統(tǒng)變量表中的尺寸約束關(guān)系,然后按照尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法編制程序構(gòu)建尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。按上述方法構(gòu)建圖2所示的聯(lián)軸器裝配體的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。在圖4中,各網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)代號(hào)中小數(shù)點(diǎn)前的數(shù)字對(duì)應(yīng)圖2中的零件序號(hào),小數(shù)點(diǎn)后的部分代表相應(yīng)零件的特性尺寸參數(shù)。例如,1.A代表聯(lián)軸器1的可變尺寸參數(shù)A,4.F代表螺母的導(dǎo)出尺寸參數(shù)F。
圖4 尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)示例
2.3 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)參數(shù)及其意義
在有向網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)點(diǎn)的入度定義為指向該結(jié)點(diǎn)的邊的條數(shù)。結(jié)點(diǎn)的出度定義為從該結(jié)點(diǎn)出發(fā)的邊的條數(shù)。最短路徑定義為從某個(gè)結(jié)點(diǎn)出發(fā),到另一指定結(jié)點(diǎn)的有向路徑中距離最短的那一條路徑。介數(shù)定義為經(jīng)過(guò)某個(gè)結(jié)點(diǎn)(或某條邊)的最短路徑的條數(shù),分別稱(chēng)為點(diǎn)介數(shù)和邊介數(shù)。簡(jiǎn)單路徑定義為路徑中除起點(diǎn)和終點(diǎn)外,其他結(jié)點(diǎn)不重復(fù)出現(xiàn)的路徑;圖4中的路徑1.B→1.DAG→3.A03→4.A03→4.F→3.B就是一條從1.B出發(fā)到3.B終止的簡(jiǎn)單路徑。結(jié)點(diǎn)的廣義介數(shù)定義為包含該結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單路徑的條數(shù)。結(jié)點(diǎn)的積聚系數(shù)定義為該結(jié)點(diǎn)的鄰居結(jié)點(diǎn)彼此之間是鄰居的概率。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)點(diǎn)的積聚系數(shù)計(jì)算公式為
式中 Ci——結(jié)點(diǎn)i的積聚系數(shù)
ki——結(jié)點(diǎn)i的鄰居結(jié)點(diǎn)數(shù),即與結(jié)點(diǎn)i通過(guò)一條有向邊直接相連的結(jié)點(diǎn)數(shù)
Ei——結(jié)點(diǎn)i的ki個(gè)鄰居結(jié)點(diǎn)中彼此直接相連的邊的數(shù)目
由產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理意義,容易得出上述各個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的物理意義。
結(jié)點(diǎn)的入度是指直接影響該結(jié)點(diǎn)所代表尺寸的結(jié)點(diǎn)數(shù)(尺寸數(shù))。在圖4所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)點(diǎn)3.B的入度為3,表明有3個(gè)尺寸直接影響尺寸3.B,分別為1.DAA、2.DAA、4.F。
結(jié)點(diǎn)的出度是指直接受該結(jié)點(diǎn)所代表尺寸影響的結(jié)點(diǎn)數(shù)(尺寸數(shù))。在圖4所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)點(diǎn)1.C的出度為4,表明受尺寸1.C直接影響的尺寸有4個(gè),分別為1.DAA、1.DAC、1.DAE、1.DAF。
結(jié)點(diǎn)的廣義介數(shù)反映該結(jié)點(diǎn)的重要程度。一般說(shuō)來(lái),廣義介數(shù)越大,和該結(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的后續(xù)(或下游)結(jié)點(diǎn)數(shù)量越多,因此在進(jìn)行變型設(shè)計(jì)或尺寸修改時(shí),要盡量選擇那些廣義介數(shù)小的結(jié)點(diǎn)。在圖4所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò),結(jié)點(diǎn)1.B,結(jié)點(diǎn)2.B,結(jié)點(diǎn)3.A03等具有較大的廣義介數(shù),而結(jié)點(diǎn)1.A、2.A、1.C、2.C等則具有相對(duì)較小的廣義介數(shù)。因此,應(yīng)盡可能避免修改尺寸參數(shù)1.B、2.B、3.A03。
積聚系數(shù)反映的是尺寸間影響關(guān)系的直接程度,積聚系數(shù)越小,說(shuō)明尺寸間彼此的影響越直接,在建立產(chǎn)品主模型時(shí),應(yīng)使結(jié)點(diǎn)具有盡可能小的積聚系數(shù)?梢钥紤]將尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的平均積聚系數(shù)作為產(chǎn)品主模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,一般說(shuō)來(lái),希望尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)具有盡可能小的平均積聚系數(shù)。在圖4所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,絕大部分結(jié)點(diǎn)的積聚系數(shù)為0,如結(jié)點(diǎn)1.A、1.B、1.C等,只有少數(shù)結(jié)點(diǎn)的積聚系數(shù)不為0,如結(jié)點(diǎn)1.DAG、2.DAG、3.A03。
兩結(jié)點(diǎn)之間的簡(jiǎn)單路徑條數(shù)表明了路徑的起始結(jié)點(diǎn)對(duì)路徑終點(diǎn)的影響途徑的多少。一般說(shuō)來(lái),希望指定的兩結(jié)點(diǎn)間的簡(jiǎn)單路徑越少越好,這樣,路徑起始結(jié)點(diǎn)對(duì)路徑終點(diǎn)的影響途徑較少,便于進(jìn)行產(chǎn)品的尺寸參數(shù)傳遞計(jì)算。在圖4所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)點(diǎn)1.C到結(jié)點(diǎn)3.B的簡(jiǎn)單路徑為1,說(shuō)明結(jié)點(diǎn)1.C對(duì)結(jié)點(diǎn)3.B的影響途徑比較單一。
在有向網(wǎng)絡(luò)中,如果某些結(jié)點(diǎn)組成一個(gè)子網(wǎng),且該子網(wǎng)的任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間都至少存在一條有向路徑可達(dá)對(duì)方,則該子網(wǎng)稱(chēng)為強(qiáng)連通子網(wǎng)。在有向網(wǎng)絡(luò)中,不是強(qiáng)連通子網(wǎng)的連通子網(wǎng)則稱(chēng)為弱連通子網(wǎng)。例如,在圖4中結(jié)點(diǎn)1.DAD、2.DAD組成一個(gè)包含兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的強(qiáng)連通子網(wǎng);結(jié)點(diǎn)2.A、2.DAB組成一個(gè)包含兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的弱連通子網(wǎng)。
由尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理意義,還可以得到以下一些有用的信息。零件事物特性表中的非裝配用的固定尺寸參數(shù),在尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中通常表現(xiàn)為孤立的結(jié)點(diǎn)(其入度與出度都為零),如圖4中的尺寸結(jié)點(diǎn)1.L3、1.R1等。零件的可變尺寸參數(shù)是進(jìn)行變型設(shè)計(jì)或模塊修改時(shí)用戶(hù)可以改變的尺寸,當(dāng)零件的可變尺寸參數(shù)不是裝配尺寸時(shí),其在尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中往往表現(xiàn)為源點(diǎn)(有向網(wǎng)絡(luò)中,只有出度沒(méi)有入度的結(jié)點(diǎn)稱(chēng)為源點(diǎn)),如圖4中的尺寸結(jié)點(diǎn)1.A、1.B、1.C等;當(dāng)零件的可變尺寸參數(shù)為裝配尺寸時(shí),其在尺寸關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中往往表現(xiàn)為中間結(jié)點(diǎn)(既有入度又有出度的結(jié)點(diǎn)),如圖4中的結(jié)點(diǎn)3.A03、4.A03。零件的導(dǎo)出尺寸參數(shù)是根據(jù)可變參數(shù)計(jì)算出來(lái)的,它要么表現(xiàn)為匯點(diǎn)(只有入度,沒(méi)有出度的結(jié)點(diǎn)),如圖4中的結(jié)點(diǎn)1.DAB、3.B等,要么表現(xiàn)為中間結(jié)點(diǎn),如圖4中的結(jié)點(diǎn)4.F等。因此,可以通過(guò)計(jì)算結(jié)點(diǎn)的入度和出度來(lái)大致判斷結(jié)點(diǎn)的性質(zhì)。
3 尺寸參數(shù)傳遞方法
3.1 算法簡(jiǎn)介
3.1.1 簡(jiǎn)單路徑搜索算法
在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中,簡(jiǎn)單路徑是指除起點(diǎn)和終點(diǎn)外,序列的中間結(jié)點(diǎn)不重復(fù)出現(xiàn)的路徑。如果一條路徑為簡(jiǎn)單路徑,且其終點(diǎn)與起點(diǎn)是同一個(gè)結(jié)點(diǎn),則稱(chēng)該簡(jiǎn)單路徑為環(huán)。在如圖5所示的有向網(wǎng)絡(luò)中,從結(jié)點(diǎn)1至結(jié)點(diǎn)27的路徑1→2→7→10→21→23→24→25→27就是一條簡(jiǎn)單路徑。為深入研究各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),經(jīng)常需要搜索有向網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間或從某個(gè)指定結(jié)點(diǎn)出發(fā)到其他所有結(jié)點(diǎn)之間的簡(jiǎn)單路徑。
圖5 有向網(wǎng)絡(luò)示例
需要說(shuō)明的是,有向有環(huán)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單路徑搜索是個(gè)NP難問(wèn)題,目前尚無(wú)好的簡(jiǎn)單路徑搜索算法。通常采用的方法是先去掉有向有環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的環(huán),然后按無(wú)環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。有關(guān)有向有環(huán)網(wǎng)絡(luò)去環(huán)的算法可以參閱文獻(xiàn),在此不加以詳細(xì)論述。
在產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,一般情形下,有兩種情況會(huì)導(dǎo)致尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)。一種是由尺寸的循環(huán)約束導(dǎo)致的,這種情況將導(dǎo)致尺寸關(guān)系的循環(huán)迭代,最后導(dǎo)致設(shè)計(jì)的無(wú)解。因此,在進(jìn)行產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)時(shí),要注意避免出現(xiàn)尺寸循環(huán)約束的情況,這也可以作為衡量設(shè)計(jì)質(zhì)量高低的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。另一種情形是由尺寸裝配關(guān)系導(dǎo)致的,如圖4中的尺寸結(jié)點(diǎn)1.DAG、2.DAG、3.A03形成的環(huán)。無(wú)論是第一種情形還是第二種情形,都會(huì)大大增加簡(jiǎn)單路徑搜索的難度,因此,必須首先將尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)去掉。
需要說(shuō)明的是,在去環(huán)時(shí)要遵循如下原則:保證網(wǎng)絡(luò)中不存在環(huán)的情況下,去掉的邊越少越好。去環(huán)時(shí),不能去掉結(jié)點(diǎn),只能去邊,并且要保證有環(huán)連通網(wǎng)絡(luò)在去環(huán)后仍然是連通網(wǎng)絡(luò),且結(jié)點(diǎn)數(shù)與去環(huán)前相同。
由第2節(jié)所述,可以得知,在尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,無(wú)論是從指定結(jié)點(diǎn)出發(fā)到另一指定結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單路徑數(shù),還是從指定結(jié)點(diǎn)出發(fā)到其他所有結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單路徑數(shù),都具有比較明顯的物理意義,因此,簡(jiǎn)單路徑搜索算法研究就具有特別重要的意義。提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的簡(jiǎn)單路徑搜索算法,并編制程序?qū)崿F(xiàn)了該算法。由于已專(zhuān)門(mén)撰文論述簡(jiǎn)單路徑搜索算法,故在本文中不再予以詳細(xì)論述。
3.1.2 連通子網(wǎng)搜索算法
在有向網(wǎng)絡(luò)中,有兩種形式的連通子網(wǎng),弱連通子網(wǎng)和強(qiáng)連通子網(wǎng)。弱連通子網(wǎng)的搜索算法比較簡(jiǎn)單,要搜索包含某指定結(jié)點(diǎn)的弱連通子網(wǎng),從該指定結(jié)點(diǎn)出發(fā),按廣度優(yōu)先順序搜索與當(dāng)前結(jié)點(diǎn)相連的且沒(méi)有被遍歷過(guò)的結(jié)點(diǎn),直至遍歷完所有搜索到的結(jié)點(diǎn)為止,所有被遍歷到的結(jié)點(diǎn)構(gòu)成一張包含指定結(jié)點(diǎn)的弱連通子網(wǎng)。
強(qiáng)連通子網(wǎng)搜索算法比弱連通子網(wǎng)搜索算法稍微復(fù)雜一些,由于受篇幅的限制,在此不詳細(xì)敘述強(qiáng)連通子網(wǎng)的搜索算法,強(qiáng)連通子網(wǎng)搜索算法可以參閱文獻(xiàn)。
需要說(shuō)明的是,弱連通子網(wǎng)中也可以包含一個(gè)局部強(qiáng)連通子網(wǎng)。在圖4所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)點(diǎn)2.B、2.DAD、2.DAG、1.DAD、1.DAG、1.B、3.A03、3.A06、3.A05、3.C、3.F、3.B1、3.E1、4.A03、4.E1、4.F、3.B、1.DAA、1.C、1.DAC、1.DAE、1.DAF、2.DAA、2.C、2.DAC、2.DAE、2.DAF組成一個(gè)弱連通子網(wǎng)。在該弱連通子網(wǎng)中,包含兩個(gè)局部強(qiáng)連通子網(wǎng),分別為1.DAD、2.DAD和1.DAG、2.DAG、3.A03、4.A03。在局部強(qiáng)連通子網(wǎng)1.DAG、2.DAG、3.A03、4.A03中還存在環(huán),如路徑1.DAG→2.DAG→3.A03→1.DAG。
3.2 尺寸參數(shù)傳遞方法
由于尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)尺寸間約束關(guān)系的復(fù)雜性,可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)的存在。因此,需要首先去掉網(wǎng)絡(luò)中的環(huán),然后再針對(duì)不同的情況采用不同的處理方法。經(jīng)過(guò)分析,可以將去環(huán)后的連通子網(wǎng)分為以下兩種不同的情形:①連通子網(wǎng)中不包含裝配尺寸對(duì)或包含的裝配尺寸對(duì)均為不變尺寸。②連通子網(wǎng)中包含裝配尺寸對(duì),且裝配尺寸對(duì)為可變尺寸或?qū)С龀叽纭O旅娣謩e針對(duì)這兩種不同的情形加以討論。
3.2.1 連通子網(wǎng)中不包含裝配尺寸對(duì)或包含的裝配尺寸對(duì)均為固定尺寸
這種情形相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單。首先分析不包含裝配尺寸對(duì)的情形,如圖4中的由節(jié)點(diǎn)1.A、1.DAB組成的弱連通子網(wǎng)。為更具一般性,不妨假設(shè)存在如圖6所示的不包含裝配尺寸對(duì)的弱連通子網(wǎng)。
圖6 不包含裝配尺寸對(duì)的弱連通子網(wǎng)示例
該弱連通子網(wǎng)由結(jié)點(diǎn)1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、4.1、4.2、4.3組成。在這種情形下,從要修改的可變尺寸結(jié)點(diǎn)出發(fā),搜索從該結(jié)點(diǎn)出發(fā)的所有簡(jiǎn)單路徑,所有簡(jiǎn)單路徑所經(jīng)過(guò)的結(jié)點(diǎn)尺寸都是可能受該可變尺寸結(jié)點(diǎn)影響的尺寸。在圖6所示的弱連通子網(wǎng)中,如果要修改的尺寸為1.1,利用簡(jiǎn)單路徑搜索算法,可得從該結(jié)點(diǎn)出發(fā)的簡(jiǎn)單路徑有三條。路徑1為1.1→1.3;路徑2為1.1→1.4;路徑3為1.1→1.2→3.4?梢(jiàn),當(dāng)修改尺寸1.1時(shí),要進(jìn)行相應(yīng)修改的尺寸有:1.3、1.4、1.2、3.4。下面介紹各個(gè)受指定的可變尺寸影響的導(dǎo)出尺寸的計(jì)算方法,其計(jì)算表達(dá)式為
式中 n——從可變尺寸到指定的導(dǎo)出結(jié)點(diǎn)尺寸的簡(jiǎn)單路徑條數(shù)
ki——第i條簡(jiǎn)單路徑所經(jīng)歷的結(jié)點(diǎn)數(shù)
wij,i(j+1)——從第i條路徑的第j個(gè)結(jié)點(diǎn)出發(fā)到第j+1個(gè)結(jié)點(diǎn)的邊的權(quán)重
d——指定的可變尺寸的尺寸值
D——指定的導(dǎo)出尺寸的尺寸值
在尺寸關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,有時(shí)存在多個(gè)可變尺寸對(duì)同一個(gè)導(dǎo)出尺寸產(chǎn)生影響的情形。例如,在圖6所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中,結(jié)點(diǎn)1.1,2.1,3.1等都可能對(duì)尺寸結(jié)點(diǎn)3.4產(chǎn)生影響?梢园瓷鲜龇椒,依次計(jì)算各個(gè)可變尺寸結(jié)點(diǎn)對(duì)導(dǎo)出尺寸(如3.4)的影響,然后進(jìn)行線性疊加即可。將此情形一般化,可得如下統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式
式中 l——對(duì)指定的導(dǎo)出尺寸結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響的可變尺寸數(shù)
mj——第j個(gè)可變尺寸到指定導(dǎo)出尺寸結(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單路徑條數(shù)
nk——第j個(gè)可變尺寸的第k條簡(jiǎn)單路徑所經(jīng)歷的結(jié)點(diǎn)數(shù)
wijk,ij(k+1)——從第i個(gè)可變尺寸第j條路徑的第k個(gè)結(jié)點(diǎn)到其第k+1個(gè)結(jié)點(diǎn)的邊的權(quán)重
di——第i個(gè)可變尺寸的尺寸值
D——指定的導(dǎo)出尺寸結(jié)點(diǎn)的尺寸值
由式(2)、(3)可以看出,要計(jì)算指定的導(dǎo)出尺寸,必須首先計(jì)算出從可變尺寸結(jié)點(diǎn)出發(fā)到導(dǎo)出尺寸結(jié)點(diǎn)的所有簡(jiǎn)單路徑所經(jīng)歷的中間尺寸結(jié)點(diǎn)的值,并且要按簡(jiǎn)單路徑中的結(jié)點(diǎn)順序依次計(jì)算,即先計(jì)算簡(jiǎn)單路徑中離路徑起點(diǎn)最近的導(dǎo)出尺寸值,依次后推,直至求出指定的導(dǎo)出尺寸為止。
如果弱連通子網(wǎng)中包含的裝配尺寸對(duì)均為固定尺寸,由于固定尺寸在零件(或產(chǎn)品)的各個(gè)變型中始終保持不變,因此,可以將連通子網(wǎng)中直接或間接只受固定尺寸影響的尺寸結(jié)點(diǎn)去掉,留下的結(jié)點(diǎn)構(gòu)成一張規(guī)模更小的弱連通子網(wǎng),按前述的方法進(jìn)行求解即可。
3.2.2 弱連通子網(wǎng)中存在裝配尺寸對(duì)且裝配尺寸對(duì)為導(dǎo)出尺寸或可變尺寸
針對(duì)這種情形,可以采用如下的尺寸參數(shù)傳遞方法。從要修改的可變尺寸結(jié)點(diǎn)出發(fā),按簡(jiǎn)單路徑搜索算法搜索出從該結(jié)點(diǎn)出發(fā)的所有簡(jiǎn)單路徑。按第3.2.1節(jié)中的方法計(jì)算上述所有簡(jiǎn)單路徑所經(jīng)歷的各個(gè)尺寸結(jié)點(diǎn)的尺寸大小。如果當(dāng)前正在處理的尺寸結(jié)點(diǎn)為裝配尺寸且與要修改的可變尺寸不屬于同一個(gè)零件,首先判斷當(dāng)前正在處理的裝配尺寸是可變尺寸還是導(dǎo)出尺寸,然后根據(jù)不同的情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。
(1)如果當(dāng)前正在處理的裝配尺寸是可變尺寸,則不需要進(jìn)行特別處理,只需根據(jù)簡(jiǎn)單路徑搜索結(jié)果按第3.2.1節(jié)中的方法進(jìn)行處理即可。如圖4中的尺寸3.A03,4.A03。
(2)如果當(dāng)前正在處理的裝配尺寸是導(dǎo)出尺寸,則先求解連通子網(wǎng)中與當(dāng)前正在處理的裝配尺寸結(jié)點(diǎn)同屬一個(gè)零件的可變尺寸結(jié)點(diǎn),然后搜索從這些可變尺寸結(jié)點(diǎn)出發(fā),到當(dāng)前正在處理的裝配尺寸結(jié)點(diǎn)的所有簡(jiǎn)單路徑,按與第3.2.1節(jié)中相同的方法計(jì)算這些可變尺寸與當(dāng)前正在處理的裝配尺寸之間的換算關(guān)系。由于裝配尺寸的大小已知,反過(guò)來(lái)可以計(jì)算得到與當(dāng)前正在處理的裝配尺寸同屬一個(gè)零件的各個(gè)可變尺寸的大小。
現(xiàn)舉例加以說(shuō)明。不妨假設(shè)存在如圖7所示的弱連通子網(wǎng)。在圖7中,共有3個(gè)不同的零件(零件1、2、3),12個(gè)不同的尺寸(1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、3.1、3.2),其中個(gè)為可變尺寸(1.1、1.2、2.1、2.2、3.1),共有2對(duì)裝配尺寸1.5↔2.5,2.5↔3.2,裝配尺寸1.5、2.5、3.2均為導(dǎo)出尺寸。
在圖7中,不妨設(shè)要修改的可變尺寸為2.1,按簡(jiǎn)單路徑搜索算法搜索出從結(jié)點(diǎn)2.1出發(fā)的簡(jiǎn)單路徑,共有4條,分別為
2.1→2.3→2.5→1.5
2.1→2.3→2.5→3.2
2.1→2.4→2.5→1.5
2.1→2.4→2.5→3.2
四條簡(jiǎn)單路徑包含的結(jié)點(diǎn)為2.1、2.3、2.4、2.5、1.5、3.2;其中2.5、1.5、3.2為裝配尺寸。
圖7 弱連通子網(wǎng)示例
假設(shè)當(dāng)前正在處理的裝配尺寸結(jié)點(diǎn)為1.5,它與結(jié)點(diǎn)2.1不屬于同一個(gè)零件,則求連通子網(wǎng)中與結(jié)點(diǎn)1.5同屬一個(gè)零件的可變尺寸,求得的結(jié)果為1.1,1.2。搜索起點(diǎn)為1.1,終點(diǎn)為1.5的簡(jiǎn)單路徑,搜索結(jié)果有兩條,分別為1.1→1.3→15,1.1→1.4→1.5;同理可得起點(diǎn)為1.2,終點(diǎn)為1.5的簡(jiǎn)單路徑為1.2→1.4→1.5,1.2→1.3→1.5。按第3.2.1節(jié)中的方法計(jì)算1.1,1.2各自與1.5之間的換算關(guān)系,反過(guò)來(lái),可以得到1.5與1.1,1.2之間的換算關(guān)系。而1.5的大小已經(jīng)通過(guò)裝配關(guān)系求得,因此可以得到尺寸1.1,1.2的大小,在求得1.1,1.2后,可得尺寸1.3,1.4的大小。同理,通過(guò)裝配尺寸3.2,可以求得零件3的可變尺寸3.1的大小。這樣,當(dāng)零件2的可變尺寸2.1改變后,通過(guò)上述方法,整個(gè)連通子網(wǎng)中需要做相應(yīng)修改的各個(gè)尺寸結(jié)點(diǎn)都可以求得。
上述就是本節(jié)要討論的通過(guò)裝配關(guān)系,求解不同零件間的尺寸參數(shù)傳遞方法。需要說(shuō)明的是,盡管所舉的實(shí)際例子不是很復(fù)雜,但上述算法是通用的,可以適用各種復(fù)雜的情形。因此,提出的算法是具有普適性的,為產(chǎn)品不同零件間的尺寸參數(shù)傳遞提供了一種新的方法。
4 配置模塊修改方法
在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)中,有時(shí)會(huì)遇到現(xiàn)有的配置模塊無(wú)法配置出滿足客戶(hù)個(gè)性化要求的新產(chǎn)品的情況。另外,隨著技術(shù)的更新,有時(shí)需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代或進(jìn)行產(chǎn)品的再配置。在這些情況下,經(jīng)常需要對(duì)配置產(chǎn)品的部分模塊進(jìn)行變型設(shè)計(jì)或修改,當(dāng)配置產(chǎn)品中的某些模塊的部分或全部尺寸改變以后,其他模塊如何做出快速準(zhǔn)確的相應(yīng)修改是配置設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要而又迫切需要解決的問(wèn)題。一些學(xué)者分別從不同的側(cè)面對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究,并取得了一些研究成果,但這個(gè)問(wèn)題至今仍然是產(chǎn)品配置中的研究熱點(diǎn)。通常,配置模塊變型設(shè)計(jì)或修改問(wèn)題又可以分為兩個(gè)方面,第一,當(dāng)修改配置產(chǎn)品的某個(gè)模塊或某個(gè)尺寸后,如何快速查找其他可能需要修改的模塊或尺寸,第二,如何確定各個(gè)相應(yīng)尺寸的具體修改值。本文將網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于大批量定制的產(chǎn)品配置領(lǐng)域,建立產(chǎn)品尺寸關(guān)系網(wǎng)絡(luò),利用網(wǎng)絡(luò)理論及其相應(yīng)的算法,提出一種新的配置模塊尺寸參數(shù)修改方法。下面針對(duì)上述問(wèn)題加以闡述,具體步驟如下。
(1)建立產(chǎn)品中各個(gè)零件的事物特性表;確定零件中各個(gè)尺寸之間的換算關(guān)系,確定零件之間的裝配關(guān)系及相應(yīng)的裝配尺寸約束關(guān)系。
(2)建立產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。
(3)根據(jù)用戶(hù)要求與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,確定要修改的模塊以及要修改的具體尺寸。
(4)利用有向網(wǎng)絡(luò)的弱連通子網(wǎng)搜索算法,從某個(gè)要修改的尺寸結(jié)點(diǎn)出發(fā),搜索包含該結(jié)點(diǎn)的弱連通子網(wǎng)。
(5)檢查弱連通子網(wǎng)中是否存在環(huán),如果存在環(huán),則按去環(huán)方法去掉弱連通子網(wǎng)中的環(huán),得到一個(gè)新的不存在環(huán)的弱連通子網(wǎng),然后轉(zhuǎn)(6)。如果弱連通子網(wǎng)中不存在環(huán),則直接轉(zhuǎn)(6)。
(6)如果弱連通子網(wǎng)中不包含裝配尺寸對(duì)或包含的裝配尺寸對(duì)為固定尺寸,則按第3.2.1節(jié)中的方法進(jìn)行尺寸參數(shù)傳遞與修改。如果弱連通子網(wǎng)中包含裝配尺寸對(duì),且其為可變尺寸或?qū)С龀叽纾瑒t按第3.2.2節(jié)中的方法進(jìn)行尺寸參數(shù)傳遞與修改。
(7)根據(jù)上述方法依次從所有要修改的尺寸結(jié)點(diǎn)出發(fā),對(duì)受其影響的尺寸參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改。最后便可求得所有要修改的尺寸參數(shù)的變化量以及這些尺寸參數(shù)所屬的零件。
5 應(yīng)用實(shí)例
由于復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品包含的零件通常比較多,零件的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,為簡(jiǎn)單清晰起見(jiàn),這里仍以圖2中的聯(lián)軸器產(chǎn)品為例,構(gòu)建的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。根據(jù)第3節(jié),第4節(jié)中的方法,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)來(lái)表達(dá)和描述各個(gè)尺寸結(jié)點(diǎn)(例如可以采用結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)表達(dá)尺寸結(jié)點(diǎn),結(jié)構(gòu)體中包含如下的變量:尺寸結(jié)點(diǎn)的名稱(chēng)、尺寸結(jié)點(diǎn)所屬的零件名、尺寸結(jié)點(diǎn)的性質(zhì)(可變尺寸,固定尺寸或?qū)С龀叽?、尺寸結(jié)點(diǎn)的類(lèi)型(裝配尺寸,非裝配尺寸)等),采用鄰接表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式來(lái)描述和表達(dá)尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò),利用C++語(yǔ)言編制程序,實(shí)現(xiàn)了所述的各個(gè)算法。
以圖4所示的尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)為例,如果要修改的可變尺寸為1.B、1.B的變化量為36,即從原來(lái)的尺寸基礎(chǔ)上增加36,不妨假設(shè)1.B從168增加到204。按第4節(jié)中的步驟進(jìn)行配置模塊修改。
(1)按弱連通子網(wǎng)搜索方法可得從1.B出發(fā)的弱連通子網(wǎng)包含的結(jié)點(diǎn)為:1.B、1.DAG、1.DAD、2.B、2.DAD、2.DAG、3.A03、3.A06、3.A05、3.C、3.F、3.B1、3.E1、4.A03、4.E1、4.F、3.B、1.DAA、1.C、1.DAC、1.DAE、1.DAF、2.DAA、2.C、2.DAC、2.DAE、2.DAF。該弱連通子網(wǎng)中所有的結(jié)點(diǎn)都是可能要修改的結(jié)點(diǎn)。
(2)由于該弱連通子網(wǎng)中存在環(huán),結(jié)點(diǎn)1.DAG、2.DAG、3.A03形成環(huán),按去環(huán)的方法,去掉連通子網(wǎng)中的環(huán),不妨假設(shè)去掉的邊為2.DAG→3.A03,3.A03→2.DAG。去掉這兩條邊以后,網(wǎng)絡(luò)中不存在環(huán)。
(3)由于去環(huán)后的弱連通子網(wǎng)中包含裝配尺寸對(duì),因此需要按第3.2.2節(jié)中的方法進(jìn)行尺寸參數(shù)傳遞與修改。利用簡(jiǎn)單路徑搜索算法,可以求得從1.B出發(fā)的簡(jiǎn)單路徑,求得的簡(jiǎn)單路徑有
1.B→1.DAG→2.DAG
1.B→1.DAD→2.DAD
1.B→1.DAG→3.A03→3.A05
1.B→1.DAG→3.A03→3.A06
1.B→1.DAG→3.A03→3.C
1.B→1.DAG→3.A03→3.B1
1.B→1.DAG→3.A03→3.E1
1.B→1.DAG→3.A03→3.F
1.B→1.DAG→3.A03→4.A03→4.E1
1.B→1.DAG→3.A03→4.A03→4.F→3.B
所有簡(jiǎn)單路徑所經(jīng)歷的結(jié)點(diǎn)尺寸都是可能要改變的尺寸。按式(2)可以求得上述簡(jiǎn)單路徑所經(jīng)歷的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的尺寸變化量。這里僅以幾個(gè)尺寸為例加以具體說(shuō)明。如果要計(jì)算3.B的變化量,可以按路徑1.B→1.DAG→3.A03→4.A03→4.F→3.B來(lái)計(jì)算3.B的變化量,經(jīng)計(jì)算,可得尺寸3.B的變化量為0.8。上述簡(jiǎn)單路徑包含的結(jié)點(diǎn)中,結(jié)點(diǎn)2.DAG、2.DAD、3.A03、4.A03為裝配尺寸,且與要修改的尺寸結(jié)點(diǎn)1.B不屬于同一個(gè)零件。由于3.A03,4.A03是可變尺寸,因此不需進(jìn)行特別處理。按照第3.2.2節(jié)中的方法,求得零件2中終點(diǎn)為2.DAG和2.DAD的所有簡(jiǎn)單路徑,求得的結(jié)果為2.B→2.DAG,2.B→2DAD。按第3.2.2節(jié)中的方法,可以求得尺寸2.B的變化量。經(jīng)計(jì)算,尺寸2.B的變化量為36。
如果要修改的可變尺寸為1.C,1.C的變化量為10,即在原來(lái)的尺寸基礎(chǔ)上增加10。根據(jù)前述方法,可以求得相應(yīng)的要修改的尺寸結(jié)點(diǎn)有1.DAE、1.DAA、1.DAC、1.DAF、3.B,按公式(2)可以計(jì)算得到上述五個(gè)尺寸的變化量依次為10、3.33、10、10、3.33,即5個(gè)尺寸各自在原來(lái)的尺寸基礎(chǔ)上增加的量依次為10、3.3、10、10、3.3。同理,如果要修改的尺寸結(jié)點(diǎn)為2.C,假設(shè)2.C的變化量為20,可得要修改的尺寸結(jié)點(diǎn)有2.DAE、2.DAA、2.DAC、2.DAF、3.B;5個(gè)尺寸相應(yīng)的變化量依次為20、6.67、20、20、6.67。
如果同時(shí)按上述變化量修改尺寸1.B,1.C,2.C。根據(jù)式(3),可得結(jié)點(diǎn)3.B的變化量為上述三者各自所引起的3.B的變化量的代數(shù)和,即為0.8+3.3+6.67=10.8。即當(dāng)1.B、1.C、2.C按上述值改變時(shí),求得的3.B的增加量為10.8。需要說(shuō)明的是,由于零件3為標(biāo)準(zhǔn)件,在實(shí)際確定3.B的變化量時(shí),還需要滿足標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸系列要求。即要求3.B的變化量大于等于計(jì)算量,且符合標(biāo)準(zhǔn)件尺寸系列要求。
6 結(jié)論
提出了產(chǎn)品尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法,闡述了尺寸約束關(guān)系網(wǎng)絡(luò)各個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法及其物理意義,并闡述了有向網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)算法,提出了配置產(chǎn)品尺寸參數(shù)傳遞方法,編制程序?qū)崿F(xiàn)了上述算法。以聯(lián)軸器產(chǎn)品為例,對(duì)上述方法加以應(yīng)用,取得了令人滿意的結(jié)果。提出的尺寸參數(shù)傳遞方法為配置設(shè)計(jì)中的模塊修改提供新的解決思路和方法,具有重要的理論意義和實(shí)際意義,將為配置產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)以及配置模塊修改提供有力的支持。盡管所舉的實(shí)例相對(duì)比較簡(jiǎn)單,但提出的方法是普適的,可以為各種復(fù)雜產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)與配置模塊修改提供有效的解決方法。
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本文標(biāo)題:配置產(chǎn)品尺寸參數(shù)傳遞方法及其應(yīng)用
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