0 引言

    變型設(shè)計(variant design)是指在保持產(chǎn)品基本原理不變的前提下，對產(chǎn)品的某些局部功能和結(jié)構(gòu)的調(diào)整、變更，以適應(yīng)新的要求，或是通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和尺寸的調(diào)整、變更，以滿足不同工作性能的要求。變型設(shè)計在應(yīng)用已有資源的基礎(chǔ)上可快速開發(fā)產(chǎn)品，在減少設(shè)計人員的重復(fù)勞動、提高工作效率和減少產(chǎn)品設(shè)計時間等方面起著重要作用。

    變型設(shè)計的主要思想是在產(chǎn)品設(shè)計過程中盡可能利用以往的產(chǎn)品信息、現(xiàn)有的產(chǎn)品模塊和零/部件，設(shè)計出滿足現(xiàn)要求的新產(chǎn)品。目前，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了一些變型設(shè)計技術(shù)和方法，如基于相似設(shè)計理論的變型設(shè)計方法、模塊化變型設(shè)計方法、變量設(shè)計的變型設(shè)計方法、基于事物特性表的變型設(shè)計方法和基于實例的變型設(shè)計方法，這些方法普遍存在沒有提供已有產(chǎn)品資源的有效的組織管理形式和手段及缺少一個有效的支持變型設(shè)計的人機協(xié)作環(huán)境。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)是管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息和過程的技術(shù)，其主要功能包括產(chǎn)品文檔管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理和工作流管理等。PDM技術(shù)將產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理和設(shè)計過程緊密結(jié)合，為解決變型設(shè)計中產(chǎn)品信息庫的建立和利用問題提供了一種有效途徑，同時也為變型設(shè)計提供了一個良好的人機協(xié)作環(huán)境，使企業(yè)產(chǎn)品實現(xiàn)變型設(shè)計成為可能。

    在國內(nèi)科研單位型號產(chǎn)品研制開發(fā)中，型號產(chǎn)品及其中的分系統(tǒng)、組件、部件和零件設(shè)計，大部分是在現(xiàn)有零/部件基礎(chǔ)上，通過對原有零/部件的修改及調(diào)整來完成設(shè)計，是典型的變型設(shè)計。針對型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，零/部件重用率比較高，變型零/部件比較多的特點，本文基于某研究所PDM系統(tǒng)開發(fā)支持變型設(shè)計工具，以待設(shè)計型號、組件和部件的要求為依據(jù)，從PDM系統(tǒng)實例中檢索出一個最相似實例，通過必要組合、修改和處理后，快速構(gòu)建出變型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并根據(jù)需要將新的和需要修改的零/部件發(fā)送給相關(guān)設(shè)計人員，進行任務(wù)分配，從而實現(xiàn)產(chǎn)品變型設(shè)計。

1 PDM環(huán)境下的變型設(shè)計流程

    PDM環(huán)境下的變型設(shè)計包括產(chǎn)品型號的需求分析、產(chǎn)品變型的方案設(shè)計、變型設(shè)計的方案評審以及變型方案的詳細設(shè)計四個階段。

    1)產(chǎn)品型號的需求分析階段。根據(jù)產(chǎn)品型號的性能參數(shù)和功能要求，查詢產(chǎn)品庫，檢索并提取相似產(chǎn)品型號的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

    2)產(chǎn)品變型的方案設(shè)計階段。設(shè)計者根據(jù)從產(chǎn)品庫提取的相似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，分解產(chǎn)品各系統(tǒng)、組/部件是否滿足工作性能要求，進行產(chǎn)品方案變型設(shè)計。

    3)變型設(shè)計的方案評審。對變型設(shè)計新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案進行評審，通過后方能進行方案詳細設(shè)計。

    4)變型方案的詳細設(shè)計階段。設(shè)計者根據(jù)評審?fù)ㄟ^的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案，對新增加和需要修改的零/部件進行重新設(shè)計，以滿足新產(chǎn)品的性能和功能要求。

    圖1所示為PDM環(huán)境下的變型設(shè)計流程，設(shè)計者登陸PDM系統(tǒng)，根據(jù)新產(chǎn)品型號的性能參數(shù)和功能要求，查詢產(chǎn)品庫，檢索出相似產(chǎn)品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并進行變型設(shè)計，完成后進行評審，通過評審的變型方案可直接進行詳細設(shè)計，未通過的應(yīng)重新進行方案設(shè)計。

    圖1 PDM環(huán)境下的變型設(shè)計流程

2 變型設(shè)計支持關(guān)鍵技術(shù)

    2.1 功能設(shè)計

    根據(jù)PDM環(huán)境下變型設(shè)計流程，變型設(shè)計支持系統(tǒng)需具有以下功能才能滿足變型設(shè)計，其支持功能設(shè)計示意圖如圖2所示。

    圖2 支持功能設(shè)計示意圖

    1)設(shè)計者根據(jù)新產(chǎn)品功能要求和性能指標，從產(chǎn)品庫中檢索出最大相似實例的產(chǎn)品。

    2)獲取源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能。產(chǎn)品開發(fā)人員在PDM系統(tǒng)中選擇源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)頂層產(chǎn)品、部件或組件的版本，程序能自動獲取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并加載到用戶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)編輯界面中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中包括編碼、名稱、類型和備注信息等。

    3)編輯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能。編輯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)包括引用零/部件、克隆零/部件、新建零/部件、刪除零/部件、分配零/部件和保存新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能，具體描述為：(1)引用零/部件：是指原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中沒有但PDM產(chǎn)品庫存在且滿足新產(chǎn)品功能要求的零/部件，設(shè)計者可以從庫中直接引用。(2)克隆零/部件：該零/部件的功能與新產(chǎn)品中部分功能一樣，需在原零/部件基礎(chǔ)上做些調(diào)整，設(shè)計人員將其克隆成新的零/部件進行修改。(3)新建零/部件：是指原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及PDM產(chǎn)品庫中都沒有滿足要求的零/部件，需新建零/部件重新設(shè)計。(4)刪除零/部件：是指該新產(chǎn)品中不需要該零/部件的功能，因此需要將其從新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中刪除，但還保留在數(shù)據(jù)庫中。(5)分配零/部件。設(shè)計者為克隆零/部件和新建零/部件指定產(chǎn)品開發(fā)人員，對零/部件進行詳細的設(shè)計。(6)保存產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。將新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹保存到PDM實例產(chǎn)品庫中。

    2.2 相似度計算

    相似產(chǎn)品的檢索及從源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能中提取相似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。將新產(chǎn)品與產(chǎn)品庫實例各系統(tǒng)相比較，計算出所有實例的相似度，提取相似度最大的實例作為變型設(shè)計的基型。產(chǎn)品實例i的相似度S_i及最大相似度S_max分別為：

    式中：w_i為新產(chǎn)品各系統(tǒng)的權(quán)重，由新產(chǎn)品總工程師確定；A_ij為實例i的系統(tǒng)j與新產(chǎn)品相同系統(tǒng)的相似度，由分系統(tǒng)總工程師確定。

    計算產(chǎn)品庫各實例相似度參數(shù)表，如表1所示。

    表1 新產(chǎn)品與實例分系統(tǒng)相似度對應(yīng)表

    2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

    與PDM系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型設(shè)計相同，本方案中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型通過樹模型表示，樹模型需滿足：1）在模型中能夠獲取PDM系統(tǒng)的相關(guān)信息，如引用零/部件能夠按照條件從PDM系統(tǒng)中查找到零/部件信息。2）模型節(jié)點需要與PDM系統(tǒng)中零/部件相關(guān)聯(lián)。3）模型節(jié)點需要包含零/部件的信息。變型設(shè)計的某實例產(chǎn)品變型設(shè)計的結(jié)構(gòu)樹模型如圖3所示。基于以上原因，本方案設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型編程語句如下：

    其中：appSession、item和itemlrv分別與PDM系統(tǒng)運行進程、PDM系統(tǒng)零/部件和零/部件版本相關(guān)聯(lián)。在編輯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時，通過這三個參數(shù)與PDM系統(tǒng)交互操作。

    圖3 某實例產(chǎn)品變型設(shè)計的結(jié)構(gòu)樹模型

3 變型設(shè)計支持系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)設(shè)計

    變型設(shè)計支持工具的開發(fā)技術(shù)是一個以PDM為核心，充分利用PDM系統(tǒng)對數(shù)據(jù)管理的優(yōu)勢，綜合現(xiàn)代設(shè)計方法的產(chǎn)物，其支持變型設(shè)計軟件系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖4所示，總體上可以分為支持層、基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和界面層四個層次。

    圖4 支持變型設(shè)計軟件系統(tǒng)體系架構(gòu)

    系統(tǒng)支持層主要是PDM系統(tǒng)的運行環(huán)境和支持平臺，包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和文件管理系統(tǒng)，操作系統(tǒng)選擇Windows2003，以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SQL Server 2005管理底層數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)以支持TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)。

    基礎(chǔ)層提供實現(xiàn)PDM基本功能模塊，本文選擇Teamcenter軟件，利用文檔管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、SE集成、AutoCAD集成、2D/3D模型瀏覽和工作流管理等通用模塊來構(gòu)建PDM系統(tǒng)。

    應(yīng)用層根據(jù)該產(chǎn)品企業(yè)的業(yè)務(wù)特點和應(yīng)用需求，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理功能進行開發(fā)，實現(xiàn)了相似產(chǎn)品的檢索、源產(chǎn)品結(jié)構(gòu)獲取、編輯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、分配零/部件和保存新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等功能。

    界面層向用戶提供交互式的圖形界面，包括各種菜單、命令按鈕等，用于支持命令的操作與信息的輸入/輸出。通過開發(fā)提供的Windows用戶界面，可以直觀芳便地完成新產(chǎn)品的變型設(shè)計工作。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

    本PDM系統(tǒng)是以Siemens公司的Teamcenter為平臺，Teamcenter是全世界使用最廣泛的PDM系統(tǒng)，是業(yè)內(nèi)首個將單個軟件應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)樵诿嫦蚍��?wù)的體系結(jié)構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)的基礎(chǔ)上建立的跨專業(yè)、跨項目階段和計劃的真正集成化的PDM解決方案，為大小制造企業(yè)提供了平臺可擴展性、應(yīng)用豐富性以及可配置性。借助于Teamcenter產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，利用Java語言，開發(fā)的變型設(shè)計操作主界面由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)面板、零/部件定義面板和保存按鈕組成。某產(chǎn)品的變形設(shè)計如圖5所示。

    圖5 某產(chǎn)品的變型設(shè)計

5 結(jié)語

    針對變型設(shè)計普遍存在對資源管理和人機協(xié)作環(huán)境的問題，分析了PDM環(huán)境下的變型設(shè)計流程；根據(jù)PDM對資源的有效控制和良好的人機協(xié)作環(huán)境，提出了PDM環(huán)境下產(chǎn)品變型設(shè)計支持技術(shù)，并針對其關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)總體架構(gòu)進行了深入探討。所研究內(nèi)容已實現(xiàn)并得到初步驗證，實踐表明該系統(tǒng)提高了變型設(shè)計對資源的利用程度，良好的人機交互環(huán)境也提高了變型設(shè)計的速度，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。

    本方案不僅適用于PDM環(huán)境下的產(chǎn)品變型設(shè)計，同樣適用于三維輔助設(shè)計軟件下的產(chǎn)品變型設(shè)計，對同類型產(chǎn)品開發(fā)有一定的借鑒意義和參考價值。

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本文標題：PDM環(huán)境下產(chǎn)品變型設(shè)計的支持技術(shù)應(yīng)用研究

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