（机械设计及理论专业论文）基于pdm并纱机模块化设计系统关键技术研究.pdf

摘要 模块化设计是实现产品多样化和快速设计的关键技术之一，其设计原理、方 法都处于不断的发展和完善之中。产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，简称 p d m ) 是- f 管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程的技术。近几 年来，随着计算机技术的迅猛发展，p d m 技术也得到了迅速的发展，成为支持 产品快速开发的有力工具。本文主要研究这两项技术，针对纺机产品中的并纱机 特点，对其进行模块划分，然后基于p d m 平台创建并纱机产品数据管理模型； 研究了模块化技术、产品族和c b r 技术，提出了并纱机产品快速配置方法。 首先基于模块化设计理论，本文研究了面向产品全生命周期的模块划分方 法，利用该方法对并纱机产品进行了模块划分，这种模块划分方法更加适合产品 生命周期管理。 通过对产品数据信息分类，本文研究了基于s m a r t e a m 平台创建并纱机产品 数据管理模型。 本文通过研究模块化技术、产品族规划技术和c b r 技术，把它们引入到并 纱机产品配置设计中，实现基于实例推理的并纱机模块化配置设计方法，进一步 实现产品快速配置过程。 随着企业信息化的发展，基于p d m 的信息集成将成为一个发展趋势。本文 结合p d m 与c a d 的集成技术，并根据它们提供的接口函数，使开发的并纱机 模块化设计系统( d o u b l ew i n d e rm o d u l a rd e s i g ns y s t e m ，简称d w m d s ) 分别 与p d m 与c a d 实现集成，实现产品数据的交换。 关键词：产品数据管理；模块化设计；产品全生命周期；c b r 技术 a 。b s t r a c t m o d u l a rd e s i g ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st oa c h i e v ep r o d u c td i v e r s i f i c a t i o n a n dr a p i dd e s i g n ，w h i c ht h e o r ya n dm e t h o d sa l eb e i n gd e v e l o p e da n da m e n d e d p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ( p d m ) i sat e c h n o l o g yb a s e do ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y f o c u s i n go np r o d u c ta n di n t e g r a t i n ga n dm a n a g i n g a l lo ft h ei n f o r m a t i o na n d p r o c e s s e sr e l a t e dt op r o d u c t i nr e c e n ty e a r s ，p d mh a sg o t t e nm o r ea n dm o r e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o na n db e c o m ea na b s o l u t e l yn e c e s s a r yt o o lf o re n t e r p r i s e s i n f o r m a t i o n 、丽l t h es w i f td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o r e s e a r c hl a r g e l yt h e s et e c h n o l o g i e s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fd o u b l ew i n d e r , c a r r i e do n t h em o d u l ed i v i s i o nt oi t ，t h e nb a s e do np d mp l a t f o r mt oc r e a t ed o u b l ew i n d e r p r o d u c td a t am a n a g e m e n tm o d e l ；h a sr e s e a r c h e dt h em o d u l a rt e c h n o l o g y , t h ep r o d u c t f a m i l ya n dt h ec b rt e c h n o l o g y , t h et h e s i sp r o p o s e dt h ed o u b l ew i n d e rp r o d u c tf a s t c o n f i g u r a t i o nm e t h o d b a s e do nt h em o d u l a rd e s i g nt h e o r y , t h i st h e s i sr e s e a r c ho nt h em e t h o do fm o d u l a r d e s i g nt h a tb a s e do np r o d u c to v e r a l ll i f e c y c l e ，a n du s et h i sm e t h o dt oc a r r yo nt h em o d u l e d i v i s i o nt ot h ed o u b l ew i n d e rp r o d u c t t h em o d u l ed i v i s i o nm e t h o dv e r ys u i tt h e p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n t t h r o u g hc a r r i e do nt h ec l a s s i f i c a t i o nt ot h ep r o d u c td a t a ，t h i st h e s i sh a sr e s e a r c h d o u b l ew i n d e rp r o d u c td a t am a n a g e m e n tm o d eb a s e do nt h es m a r t e a mp l a t f o r m ， w h i c hw a sf a v o r a b l et ot h ep r o d u c to v e r a l ll i f e c y c l em a n a g e m e n t t h r o u g ht h er e s e a r c ho fm o d u l a rt e c h n o l o g y , t h ep r o d u c tf a m i l ya n dt h ec b r t e c h n o l o g y , t h e yw e r ea d a p t e di n t h ed o u b l ew i n d e rp r o d u c tc o n f i u r a t i o nd e s i g n , w h i c hb a s e do nt h ee x a m p l e ，f u r t h e rr e a l i z e st h ep r o d u c tr a p i dc o n f i g u r a t i o np r o c e s s a l o n gw i mt h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nd e v e l o p m e n t t h ep d mi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o nw i l lb e c o m ead e v e l o p i n gt e n d e n c y t h i st h e s i si n t e g r a t ep d ma n dc a d t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ec o n n e c t i o nf u n c t i o nw h i c hp d m a n dc a d p r o v i d e sa p i ， d o u b l ew i n d e rm o d u l a rd e s i g ns y s t e mr e a l i z et h ei n t e g r a t i o nw i t hp d ma n dt h e c a d ，a n de x c h a n g ep r o d u c td a t a k e y w o r d ：p d m ；m o d u l a rd e s i g n ；p r o d u c t o v e r a l ll i f e c y c l e ；c b r 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津工业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：歹寥、工诱 签字r 期刁搬年月占同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼工些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：芩孓清 签字同期：7 唧年f 月凡同 翩躲菠蛾 互 j 签字同期：w 年，月日 学位论文的主要创新点 一、研究了产品生命周期各个阶段对模块划分的影响因素，运用层 次分析法f l i p 得到每个阶段的权重( 权重越大表示这个阶段对模块划 分越重要) 。对每个阶段建立的相关矩阵加权求和，得到总的相关矩 阵，给定阈值进行截割，得到并纱机模块划分方案。 二、研究了模块化技术、产品族规划技术和c b r 技术，把它们引入 到并纱机产品配置设计中，实现基于实例推理的并纱机模块化配置设 计方法，并采用分级检索机制，加快了并纱机产品配置过程。 三、研究了信息集成技术，利用c a d 和p d m 本身提供的接口，使开 发的并纱机模块化设计系统分别与c a d 和p d m 进行集成，实现了相应 产品数据交换。 第一章绪论 第一章绪论 企业要在激烈的市场竞争中处于有利地位，必须增强产品创新能力、缩短产 品开发周期、提高个性化程度，同时还必须降低成本，保证质量和良好的售后服 务。传统的设计方法已无法满足这些要求。而现代产品设计是面向市场、面向用 户的设计，企业制造出来的产品要面对激烈的市场竞争。企业对市场的响应速度 的快慢、产品开发一次成功率的高低，不仅决定着企业产品在市场上所占份额的 大小，更决定着一个企业的命运。模块化设计是适应现代生产模式和产品开发模 式的一种新的设计概念和方法。基于现有可利用资源，充分利用计算机辅助设计 ( c a d ) 手段，实施模块化设计，解决其中关键技术问题成为机械产品设计研究的 重要内容。 现在，越来越多的企业也已经认识到：快速和灵活的响应不断变化的顾客需 求成了企业生存和发展的决定性因素，要想在这竞争激烈的信息时代取胜，就必 须对企业实行信息化建设，努力提高企业的整体竞争力，使得产品开发和制造形 成透明的、信息技术支持下的业务流程【l 】。随着计算机在产品开发过程中的广泛 应用和信息的集成，形成了大量种类繁多、结构复杂、动态性强的产品数据和过 程数据，为了有效地集成、组织和管理这些数据，产品数据管理p d m 技术应运 而生，并日臻完善。 1 1 现代产品设计的特征 产品需求的多样化、复杂化，产品生命周期的缩短以及产品市场的全球化， 迫切要求产品设计和制造以最快的速度、最高的质量、最低的成本和最好的服务 来适应变化的市场需求，所以制造业的竞争也是围绕时间、质量、成本和服务的 竞争。在此背景下，新的设计制造思想和理念如并行工程、敏捷制造、智能制造、 全能制造等概念不断涌现。现代产品设计呈现以下特征i 1 数字化 产品在其生命周期内的数字化建模是现代设计方法的关键技术之一，它包括 全局产品的信息定义，要用计算机来支持产品生命周期的全过程，就必须用计 算机能理解的方式给出产品生命周期全过程的数字化定义；产品的数字化工 具，即广义的计算机辅助工具，它能将产品信息自动数字化；产品数据管理， 即用计算机对产品开发与生产全过程中的大量数字化信息进行全面的管理与控 第一章绪论 制。 2 设计信息的集成化和标准化 随着计算机集成制造技术的发展，集成化的c 剐d c a e c a m c a p p p d m 系 统的开发不仅是信息集成的要求，也是发展趋势。 在集成环境中系统数据的成分相当复杂，既有结构化数据信息，又有大量的 非结构化数据；既有数据源异构、又有异地分布；这些存在于各个孤岛系统的独 立进行设计的数据源之间既要进行信息的交换与共享，又要保持相对的独立性和 局部完整性。如何实现分布的应用系统之间、应用系统与多种异构数据源之间的 互联与互操作，在各种数据源的基础上实现数据的共享和分布处理，是集成技术 的关键之一。 c a d c a e c a m c a p p p d m 在过去的几十年中得到了迅速发展，并在工业 界得到了较好的应用。经过近3 0 年的发展，c a d 软件已经成为成熟的技术，目 前大多数c a d c a m 软件供应商都能提供集成化的c a d c a m 系统。但是，比 较困难的是如何解决c a d c 剐巳c a p p c a m p d m 系统之间有效的、可靠的集成。 近几年来，国内外有关集成的报道很多，综合起来主要有以下几种方法： 1 1 基于数据接口的集成方法 该集成方法可以按特定的数据接口进行，也可按标准的数据交换接口连接， 而后者可实现数据共享。 现在国际上比较流行的应用很广的产品模型数据交换标准( s t e p ) 以 e x p r e s s 语言为核心，能解决制造过程中的c a d c a e c a p p c a m p d m 等活 动的产品信息共享，这从根本上解决了制造业信息化集成问题。随着s t e p 标准 的同趋完善，它将成为制造业信息化领域信息集成的热点研究课题。 2 ) 基于特征的集成方法 特征技术是实现c a d c a e c a p p c a m p d m 信息集成的关键技术。特征涉 及产品零件形状和属性，包含了产品隐含的工程语义，得到了设计和制造领域的 充分关注和应用。从一定意义上满足了产品集成和并行运行的需求。特征技术主 要包括：交互式特征定义，基于几何模型的特征自动识别，零件特征组合描述， 基于预定义特征的特征造型和实现特征集在不同应用领域间转换的特征映射等。 近年来，三维c a d 软件发展迅速，由于三维c a d 能为c a e c a p p c a m p d m 系统提供设计的基础信息，并通过特征技术等实现c a d 与下游应用系统的信息 集成。因此基于三维设计软件的c a d 集成系统已成为相关领域的主要研究和应 用方向。 3 ) 基于p d m 的集成技术 p d m 技术是8 0 年代后期在企业计算机制造环境中数据管理及设计过程自动 2 第一章绪论 化的需求驱动下出现的。它能够提供一个产品开发的协作环境，在该环境下，能 够实现过程控制下的信息传递并实现数据的有序管理。p d m 系统一出现，就成 为企业关注和应用的热点。详细的p d m 技术介绍见1 3 节。 由于在c a d c a 聃a p p c j 蝴集成系统中，涉及的产品数据类型有三维实 体、二维图纸、b o m 表等多种形式，而产品数据管理技术是在数据库基础上发 展起来的并以管理好产品数据作为应用的出发点，能够将共享的产品数据进行有 效地管理，从而p d m 成为了企业中各系统的信息集成、功能集成和过程集成的 使能技术。基于p d m 的集成是未来c a d c a e c a p p c j 蝴集成的发展方向。 3 设计方式的并行化和协同化 随着集成技术的发展，人们逐渐意识到在集成的设计环境中，串行的设计过 程不能满足设计需求，因此研究人员提出了并行协同的设计技术。当前的大部分 产品设计都属于面向并行工程的集成产品设计。一个复杂设计过程，常常是由来 自于不同领域的专家组成的设计组完成的，其设计活动需要各个领域的专业之间 频繁交互不同形式信息的双向交流，整个设计过程具有随机性、复杂性和冲突性 的特点，许多过程中的约束和关系难以描述如图1 1 所示。因此，需要寻求一个 合适的模型对产品生命周期活动中涉及的所有相关信息进行统一的描述和表达， 充分反映与设计相关的各类确定与不确定信息，以保证产品开发过程中各种设计 活动的统一协调和并行进行。 图1 1并行设计工作模式 协同化是指不同的设计人员之间、不同的设计组织之间、不同的部门工作人 员之间，可以通过计算机网络实现实时交互协同设计。协同环境应有如下要求 设计环境不是面向单一的设计者，应面向整个设计队伍，应提供一个并行集成的 3 第一章绪论 系统框架，提供参与者入口，并行协同地完成整个设计任务。对设计信息的控 制与管理，实现设计者与设计者之间，设计者与工艺师以及其它部门的工程师之 间信息交流与共享。设计的每个环节应考虑产品全生命周期乃至产品及其零 件、部件的循环使用和回收利用的整个过程。 4 智能化设计 智能c a d 是人工智能技术( a d 、现代产品设计技术和传统c a d 技术相结合 的一门综合性研究领域。它能有效地克服传统的c a d 系统的许多不足，使c a d 系统具有较大的可变性，并促进设计的自动化。智能化产品设计支持系统能辅助 产品设计人员的设计工作，特别是经验不够丰富的产品设计人员的设计工作。必 须指出的是智能c a d 技术的发展目标不是实现“完全的设计自动化 ，而是以 一种符合设计人员习惯的方式，帮助他们完成设计工作。实现智能c a d 技术的 关键是如何将设计知识表达出来并能提供一种合适的使用这些知识的方法。 智能设计是近来讨论较多的技术，一般常采用专家系统辅助设计人员进行设 计。其中基于实例的推理、人工神经网络、遗传函数等方法得到了广泛的重视。 在大批量定制设计中有人提出采用基于实例的进化设计来实现，可在一定程度上 促进设计的重用，加快设计的速度。 1 2 模块化设计的研究现状 1 2 1 模块化设计的概念 模块化设计方法在很多国家已被广泛采用，我国不少企业也进行了有效的尝 试并取得了良好的成果。目前，还没有为大家所公认的权威性模块化设计定义。 不同的学者从不同的角度和深度对其进行了研究。 贾延林【2 】认为：“模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性 能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通 过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。” u l r i c h t 3 】认为模块化与设计中的两个特点紧密相关： 1 ) 设计中功能域与物理结构域之间地对应程度影响模块化的程度； 2 ) 产品物理结构间相互影响程度的最小化。 这两点从设计学角度指出了影响模块化设计的基本因素，首先是在系统分析 规划时，采用适当的方法对设计过程中各个部分，尤其是产品的功能域、结构域 以及二者之间映射关系的合理分析，是模块化设计技术的关键影响因素。其次， 要保证模块的功能、结构的相对独立性，即将模块之间相互影响的因素尽量减小。 文献【4 1 认为：模块化设计是综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用 4 第一章绪论 途和性能的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计部分专用模 块) 迅速组成各种要求的系统的一种方法。 以上文献对模块化设计概念的定义中可以看出，大多数学者从功能域到结构 域的模型映射来定义模块化设计的概念，都是针对可以系列化、通用化和标准化 的产品及部件提出的。模块化设计的定义都是在研究具体产品设计时，针对具体 产品的应用情况给出的。到目前为止，还没有对各类产品均可通用的定义。 天津大学徐燕申【5 “】提出柔性模块和广义模块化设计的概念，主要针对液压 机的特点，分析了传统模块化设计的不足之处，提出了模块化、参数化和变量化 集成设计的广义模块化设计方法。广义模块化设计的提出是对传统模块化设计概 念的发展和延伸。 1 2 2 产品模块化设计的应用 产品的模块化设计始于2 0 世纪初。首先在欧洲应用在家具行业，然后扩展 到机床等行业，而后在我国一些企业也获得了不同程度的应用。 1 国外发展状况【2 j 德国的一个家具公司于1 9 0 0 年用模块化原理设计出所谓的“理想书架 。该 设计是将书架划分为底座、架体和顶板三种模块，其中架体具有几种不同尺寸， 这几种尺寸的架体长度相同，而宽度和高度不同，用户根据要求选择不同的架体 组成适合自己需要的“理想书架 。这种书架就是我们己知的最早的按模块化原 理设计的产品之一。此后，这种原理逐渐为其他行业所采用，进而总结出模块化 设计这一新的概念和方法。 1 9 2 0 年左右，欧洲特别是德国的一些厂家首先把模块化原理应用于铣床和车 床等机床的机械系统设计中。如德国的弗里茨一维尔纳公司设计的铣床，就是按 功能将其划分成模块而进行设计和制造的，这些模块可供用户选择以便组合成所 需的铣床。 2 0 世纪5 0 年代，模块化设计愈来愈受到重视，瑞士肖布林( s c h a u b l i n ) 公 司对仪表机床进行了模块化，从而使其产品具有精度高、功能多及互换性好等优 点。 目前，模块化设计在国外机床行业中应用广泛。德国弗兰德( f l e n d e r ) 厂 的模块化设计的减速机达到8 个系列具有各种功率及传动比的齿轮减速机；比利 时汉森( h a n s e n ) 模块化减速机系列；西门子( s i e m e n s ) 公司用模块化原理设 计工业汽轮机。 2 国内发展状况【2 j 2 0 世纪7 0 年代末，模块化设计开始在我国受到重视，并逐步得到应用。上 5 第一章绪论 海市机床研究所、上海仪表机床厂和上海十二机床厂联合组成课题组，对仪表机 床进行模块化设计的研究；南京机床厂在n 0 3 8 高效自动车床系列设计中采用 了模块化设计方法；东方机床厂应用模块化方法设计轻型龙门铣床；齐齐哈尔第 二机床厂采用模块化方法设计万能摇臂铣床系列；上海第四机床厂对5 0 0 m m 工作 台不升降铣床进行模块化设计；北京第一机床厂1 9 8 1 年对龙门铣床进行了模块 化设计；杭州汽轮机厂把模块化设计原理应用于工业汽轮机上；天津大学先后与 天津锻压机厂合作进行液压机模块化设计和天津第一机床总厂合作进行数控机 床模块化设计研究。 1 2 3 机械产品模块化设计理论的研究现状 模块化设计已经在许多行业广泛采用，并针对各自产品的特点，形成了相应 的模块化设计制造体系。就机械行业而言，机床结构模块化设计在国外应用十分 普遍，已使企业从产品设计、工艺到制造形成一整套模块化管理体系。 s e g a l 将人工智能技术和成组技术应用到模块化夹具设计中口1 。t il b u r y 1 以 模块化设计为基础进行可重构机床设备的机械及控制集成化设计。h u a n g 阻提出 模块化设计是一个被充分明确和标准化的各个单元间的输入输出关系，接口是产 品模块化设计中各个模块间的功能、空间约束等的关系，一旦确定后，在进行产 品变形设计过程中，不能进行更改。d o b r e s c u 和r e i c h n 伽提出了用遗传算法解决 方案设计的优化问题。k u s i a k 等人1 应用了启发式的图解模块识别方法，并给 出了替换式、共享式和总线式三种模块化结构形式，综合考虑成本和功能的模糊 神经网络评价方法。北京理工大学刘辉等人n 2 1 提出了针对系统方针的集总参数建 模方法和分布参数模块化建模方法。天津大学郭津津等人n 3 3 提出了面向装配的模 块划分技术和智能模块体技术和构建策略。s a l h i e h 等人n 钔把模块的形成过程分 解成四个阶段，即通过潜在用户、供应客户、竞争对手和权威人士进行产品需求 分析和预测；将需求转化成功能目标，进行操作功能条件和功能的权重分析；将 产品按照功能和结构进行模块划分；建立相似度索引、相似矩阵进行模块组合， 并通过零件之间特征指标的关联度形成模块。g u 等人h 5 埔1 提出了面向全生命周 期的集成模块化设计方法，并对产品模块化的构建做了优化设计。t s a i 等人u 刀 根据模块间的相关性应用模糊聚类法对模块进行划分，通过制造和装配过程中的 功能设计研究，得出模块形成的最优方式，并对模块的设计顺序进行优先排序。 齐尔麦n 阳基于上述的广义模块化设计理论和方法开发了用于机械产品快速设计 的工具集，用计算机辅助进行机械产品的广义模块化设计。 6 第一章绪论 1 3 p d m 技术概述 1 3 1 产品数据管理的定义 c i m d a t a 公司总裁e d m i l l e r 在“p d mt o d a y ”一文中给出的p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ) 的定义是“p d m 是管理所有与产品相关的信息和过程的技术”【1 9 j 。 p d m 以产品结构为中心管理c a d c a p p c 舢w c a e 等与产品有关的信息，并将 产品形成的所有相关过程集成在一起，在产品开发的全生命周期中，对产品信息 进行良好的集成、有效的传递和可靠的管理，实现产品信息的共享，能对并行产 品开发提供有力的支持。 1 9 9 5 年9 月g a r t n e rg r o u p 公司的d b u r d i c k 在所作的“c i m 策略分析报告 一文中定义为：“p d m 是企业设计和生产构筑一个并行产品设计环境( 由供应、 工程设计、制造、采购、销售与市场、客户构成) 的关键使能技术【2 0 1 。一个成 熟的p d m 系统能够使所有参与创建、交流、维护设计意图的人在整个信息生命 周期中自由共享和传递与产品相关的所有异构数据 。 综上所述，产品数据管理是以产品为中心，通过计算机网络和数据库技术， 把企业生产过程中所有与产品相关的信息和过程集成起来，统一管理，使产品数 据在其生命周期内保持一致、最新和安全，为工程技术人员提供一个协同工作的 环境，从而缩短产品研发周期、降低成本、提高质量，为企业赢得竞争优势。 1 3 2 产品数据管理的研究进展 2 0 世纪的6 0 、7 0 年代后，随着c a d 、c a m 和c a p p 在企业产品开发过程 中的应用，出现了大量需要共享的异构数据，虽然各单元的计算机辅助技术已经 日益成熟，但各自动化单元自成体系，彼此之间缺少有效的信息沟通与协调，这 就是所谓的“信息孤岛 问题。在这种情况下，许多企业已经意识到：实现信息 的有序管理将成为它们在未来的竞争中保持领先地位的关键因素。p d m 正是在 这一背景下产生的一项新的管理思想和技术。它是以软件技术为基础，以产品为 核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。p d m 面向 制造企业，以数据、过程和资源为管理信息的三大要素。它进行信息管理的两条 主线是静态的产品结构和动态的产品设计流程，所有的信息组织和资源管理都是 围绕产品设计展开的。p d m 用整体优化的观念对产品设计数据和设计过程进行 描述，规范产品生命周期管理，保持产品数据的一致性和可跟踪性。p d m 的核 心思想是设计数据的有序、设计过程的优化和资源的共享。 p d m 技术的发展一般可以归纳为三个阶段： 7 第一章绪论 1 配合c a d 工具的p d m 系统8 0 年代初，第一代p d m 产品问世，其目标 主要是解决大量电子数据的存储和管理问题，提供了维护“电子绘图仓库”的功 能。第一代p d m 产品仅在一定程度上缓解了“信息孤岛”问题，仍然普遍存在 系统功能较弱、集成能力和开放程度较低等问题。 2 专业p d m 产品第二代p d m 产品是通过对早期p d m 产品功能进行扩展 而出现的专业化的p d m 产品，如s d r c 公司的m e t a p h a s e 。在第二代p d m 产品 中出现了许多新功能，如对产品生命周期内各种形式的产品数据的管理能力、对 产品结构与配置的管理、对电子数据的发布和更改的控制以及基于成组技术的零 件分类管理与查询等，同时软件的集成能力和开放程度也有较大的提高，少数优 秀的p d m 产品可以真正实现企业级的信息集成和过程集成。 3 p d m 的标准化阶段1 9 9 7 年2 月，o m g 组织公布了其p d m e n a b l e r 标准 草案，由许多p d m 领域的主导厂商( 如m m 、s d r c 、p t c 等) 参与制订的p d m 领域的第一个国际标准。p d m e n a b l e 的公布标志着p d m 技术在标准化方面迈出 了崭新的一步。p d m e n a b l e r 基于c o r b a 技术，就p d m 的系统功能、p d m 的 逻辑模型和多个p d m 系统间的互操作提出了一个标准。这一标准的制订为新一 代标准化p d m 产品的发展奠定了基础。 近几年来，p d m 技术得到了迅速发展，已经从单一的电子文档管理、版本 管理和配置管理向企业级和企业间的产品数据管理方向发展。国内外一些企业正 逐步将产品数据管理作为支持产品开发、经营管理、流程重组的企业级的集成环 境，以保持并增强企业的竞争能力。 p d m 今后的发展方向便是p l m 2 。产品全生命周期是指在制造型企业中， 从人们对产品的需求开始到产品被淘汰的全部生命历程。p l m 是制造型企业面 向客户和市场，快速重组产品全生命周期中的组织结构、业务过程和资源配置， 从而使制造型企业实现整体利益最大化的先进管理技术 2 2 】。p l m 技术是以p d m 技术为基础发展起来，它立足于协同作业与信息集成、架构于新一代网络等i t 基础设施之上、功能覆盖企业及企业间管理的诸多方面，更将成为未来若干年企 业信息化的主流技术和应用热点，为当前企业软件应用的主导方向l z 卅 1 3 3 s m a r t e a m 软件简介 1 s m a r t e a m 软件介绍 s m a r t e a m 是以色列s m a r ts o l u t i o n 公司设计开发的产品数据管理系统。s m a r t s o l u t i o n 公司创建于1 9 9 5 ，总部在以色列特拉维夫( 主要的分部分布在美国、德 国、法国、英国等地) ，s m a r ts o l u t i o n 公司是i b m 公司达索集团公司( d a s s a u l t s y s t e m s ) 的一个子公司，s m a r t e a m 是完全基于w i n d o w s 环境和j a v a 平台开发的。 第一章绪论 s m a r t e a m 有c s 和b s 体系结构，支持标准的关系数据库，如o r a c l e ，i n t e r b a s o , s q l s e r v c r 等。 服务器包括数据库服务器和电子仓库( s m a n 、厂a u l t ) 服务器。 数据库服务器：它是一个标准的关系数据库管理系统，它维护所有被管理对 象( 文件夹，文件，零件，客户等) 属性和定义。 电子仓库( s m a r t v a u l t ) ：实际上是个文件服务器，它跟踪、管理和维护着所 有的文件及其版本，为s a m r t e a m 管理的所有文档提供的安全保护和控制机制。 客户机：运行s m a r t e a m 客户程序，作为基于s m a r t e a m 的c a d 、c a e 等 用户的客户端。 基于c s 结构的s m a r t e a m 是部门级的产品数据管理系统。随着 i n t e r n e t i n t r a n e t 技术的迅速普及和应用，基于w e b 的企业应用己经走向实用阶 段，s m a r t e a m 对此也给予了支持，即提供了产品数据管理的企业级w e b 服务器， 提供了最新的基于b r o w s e r s e r v e r 体系结构的应用。 2 s m a r t e a m 系统的基本功能 1 ) 电子数据仓库 s m a r t e a m 提供了一个电子区工作环境，当完成了零部件的设计时，可把用 户的设计情况发送信息给其他的设计人员或更高层的设计人员，让他们在线的校 对和审核该用户的设计工作，及时交流信息，提高效率。 2 ) 产品结构管理 s m a r t e a m 的产品结构是通过树对象的实现机制，在s m a r t e a m 中完全按照 对象的机制来组建自己的产品结构，每一个零部件都可以看成是一个对象，都有 自己的属性，s m a r t e a m 通过对类与子类的描述来体现产品的结构关系。 3 ) 生命周期管理( 版本管理) s m a r t e a m 提供了生命周期管理功能，来管理工程处理期间产生的许多条目 的定义。例如设计人员开发新产品，每当保存开发工作时，s m a r t e a m 就自动建 立产品的工作版本，可随时调用修改。当开发工作完成是，不再变化时，把工作 版本冻结。以防止修改。产品设计者借助零件及零件的版本考虑问题。s m a r t e a m 通过条目及条目版本观察整个设计过程。 4 ) 工作流管理 随着企业规模和生产范围的不断扩大，管理和跟踪各项工作的进程将面临着 严重的挑战，对维护和控制典型工作流程的需要如设计、发布和过程更改等越来 越高，提高过程控制和信息流动的效率和成本是非常重要的。s m a r t e a m 可以提 供设计审批进程、工程更改指令或通失i ( e c o e c n ) ，以及工程更改建议等。 3 s m a r t e a m 系统的二次开发功能 9 第一章绪论 系统的对象模型包含了基于c o m 的对象及接口，通过运用这些a p i 函数， 可较方便地实现对原有信息管理模型的增扩与裁减，扩展的内容包括类的定义、 类的属性定义、类与类之间的关系定义和事件、消息与方法的定义等。可以用以 下两种方法进行开发： 1 ) 在s m a r t e a m 中，用在s c r i p tm a i n t e n a n c e 工具中内置的v i s u a l b a s i cf o r a p p l i c a t i o n ( v b a ) 编写用户自己的宏指令，从而可进行功能上的扩充。用户还可 将自己宏指令附加在标准的系统事件上，实现特定的功能。 2 ) 用v i s u a lc + + 或v i s u a lb a s i c 编写客户端程序，编译成小而灵活的d l l 文件后，在系统内部调用执行。 1 4 课题的提出和主要内容 中国是纺织大国，随着世界纺织工业正向亚洲特别是中国转移，中国的纺织 工业呈现出了强劲的发展势头，纺织工业进入了新的发展时期。纺织行业的强劲 增长拉动了对纺织机械旺盛的需求，中国已经成为世界纺织机械生产大国。虽然 近年来其制造精度、自动化程度等都有了很大的提高，但与国外先进的技术相比 其设计、制造上还存在以下一些问题： 1 ) 沿用传统的设计方法，缺乏产品总体规划，应付订单生产无暇顾及技术 进步； 2 ) 产品复杂系统庞杂、零件数目多，虽然产品总体结构变化不大，但一旦 出现用户需求变化就难以进行快速响应； 3 ) 缺乏明显的模块特征，不利于技术的升级换代； 4 ) 新设备的自主开发能力差，一般为测绘仿造国外产品。 根据以上分析，可以看出改变传统的纺织机械产品开发模式，实现纺机产 品的快速设计i t i i l 造已迫在眉捷。 1 4 1 课题的提出 在纺织机械产品中，并纱机是用于络筒以后的并纱工序，将棉、毛、化纤短 纤维的纯纺或混纺等各种纱支并成筒子纱，供倍捻机使用。在产品的设计方法上， 长期以来设计人员采用经验类比、试装配的方法进行并纱机的结构设计，这种传 统的设计方法由于主要依靠设计人员的个人经验，必然造成设计周期长、设计结 果不能精确控制。因此，有必要采用先进的设计技术和虚拟装配等对产品进行快 速设计。 本文以2 0 0 6 年天津市信息化工程推动软件产业发展专项计划项目：“基于模 l o 第一章绪论 块化设计和虚拟设计的并纱机系列产品开发与应用”合同编号 ( 0 6 f z i u g x o l 3 0 0 ) 为依托，利用p d m 技术及其二次开发技术和模块化设计技 术进行并纱机模块化设计系统一d w m d s 开发，旨在快速设计出满足用户需求的 并纱机产品。 本课题将综合应用现代设计技术、计算机技术和信息技术等多项先进技术， 来加快新产品研发速度，从而加速并纱机产品的升级换代，进而将带动整个纺织 行业的技术进步，促进我国纺织品的品种更新和质量提高，将对天津市纺机行业 和机械制造业乃至全国机械行业均有应用示范作用。 1 4 2 论文研究的主要内容 本文针对并纱机的产品特点，对并纱机进行功能分析，分解为1 5 个功能单 元，再综合考虑产品全生命周期各个阶段对模块划分的影响，对功能单元进行合 并，最终完成并纱机模块划分；对基于实例推理的并纱机配置设计技术进行了相 关理论的研究，提出并纱机产品快速配置方法；深入研究信息集成技术，利用 p r o e 和s m a r t e a m 提供的a p i 接口函数，实现并纱机模块化设计系统与它们的 集成；最后参与了系统的软件规划和开发工作。 全文主要内容如下： 第一章绪论，在查阅大量文献的基础上，首先对现代设计特征进行阐述，之 后针对这些特征分别对模块化设计和产品数据管理两方面的研究进展，应用现状 等方面进行了归纳和总结。在此基础上提出本课题的研究方向。 第二章研究模块划分方法，针对并纱机产品特点，对其进行功能分析，综合 考虑产品全生命周期阶段对并纱机模块划分的影响，进行并纱机分解的功能单元 合并，生成模块划分方案。 第三章首先对产品数据进行分类研究，基于s m a r t e a m 平台，在分析并纱机 产品特点的基础上，建立并纱机产品数据管理模型。 第四章研究基于实例推理的并纱机配置设计方法。通过研究模块化技术、产 品族和c b r 技术，把它们引入到并纱机产品配置设计中，实现基于实例推理的 并纱机模块化配置设计方法，进一步实现产品快速配置过程。 第五章研究d w m d s 与c a d 和p d m 之间的集成技术，利用s m a r t e a m 平 台和p r o e 提供a p i 接口函数，实现d w m d s 与s m a r t e a m 、p r o e 的集成。 第六章系统实现。利用s m a r t e a m 和p r o e 提供的a p i 接口函数，用v b 语 言进行二次开发d w m d s ，实现并纱机产品根据客户需求的快速设计。 第一章绪论 1 5 本章小结 本章主要论述了模块化设计概念及在机械行业中的应用现状；阐述了p d m 技术研究现状，并介绍了本文应用的p d m 平台s m a r t e a m ；指出纺织机械产品 在设计中存在的问题，针对并纱机产品提出了基于p d m 并纱机模块化设计系统 关键技术研究课题，给出了论文的各章内容。 1 2 第二章面向产品生命周期的模块规划方法研究 第二章面向产品生命周期的模块规划方法研究 如何合理划分模块，是模块化设计过程的一个关键问题。大多数的模块划 分主要是以功能角度来进行划分的，或只考虑产品生命周期的某一阶段进行模块 划分，而产品全生命周期各个阶段是彼此关联的一个整体，涵盖从获取用户需求 开始到用户获得定制产品甚至售后服务的闭环过程，本章提出在综合考虑产品全 生命周期各阶段因素，对并纱机产品进行模块划分的。 2 1 问题的提出 目前，产品的性价比和满足客户需求成为制造企业的主要发展方向，而模块 化设计是缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本、提高服务，使产品 快速响应市场个性化需求的核心技术，也是加快产品创新及新产品开发的有效手 段【2 4 j 。模块化设计技术已发展多年，然而模块划分方法却有所不同。通过总结 国内外模块划分方法研究，得出根据划分目的相应的模块划分方法具有不同的特 点和侧重。s t o n e 等【2 5 】提出基于功能结构的启发式方法用于产品的功能模块划 分，该方法只是提出了一些定性的原则，没有解决产品功能结构的建模问题，同 时没有考虑客户需求对于产品纵横向模块化可能带来的影响。唐涛等【2 6 j 将绿色 设计思想与模块化设计方法结合起来，引入层次分析法，提出了绿色模块化设计 方法并简要分析了其设计流程。宗鸣镝等f 27 】给出模块划分中的多角度和分级特 性。首先以用户需求为依据对产品进行功能分解，获得一系列的功能元；然后从 用户的特定需求出发定义相关性矩阵，根据该相关性矩阵进行模块划分。黄海鸿 等【2 8 l 在综合分析面向回收的模块化设计准则的基础上，建立融合多个回收设计 目标的零件模糊关系矩阵，采用模糊聚类算法进行模块划分，形成面向回收的模 块化设计方案。吕利勇等【2 9 】通过分析现有产品模块化的研究结果，提出了先采 用功能启发算法，定性建立产品功能模块，然后针对模块中的零部件建立交互矩 阵，对现有模块进行面向生命周期的优化，最终使离散的零部件聚合为满足生命 周期目标的模块的方法。 上述的模块划分方法，主要从功能角度或只涉及产品生命周期的某一阶段进 行模块划分，都没涉及产品结构的干涉问题、产品的模块化装配和产品后期的维