（机械设计及理论专业论文）基于pdm的发动机产品快速配置系统的研究.pdf

摘要 p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) ，即产品数据管理是一种管理企业产品生 命周期与产品相关数据的理论，继承发展了多类数据管理系统的优点，有效解决 了企业发展的瓶颈问题。本文课题来源于珀金斯产品数据管理系统的研究与开发 项目。该公司的产品品种多、产量小，是典型的多品种、小批量生产模式。同时， 该企业长期数据管理混乱，这种现状对企业的长期发展十分不利。结合该企业发 展要求，本文提出了基于p d m 的发动机产品快速配置技术。 本文在s m a r t e a m 软件的平台上，研究了珀金斯动力公司的产品的快速配置 技术。本文研究了基于p d m 的发动机产品快速配置的基本原理、配置流程和技 术体系，指出了其关键技术。 在模块化设计理论指导下，本文研究了可拓聚类分析的模块划分方法和划分 原则，利用该理论，对发动机产品进行了模块划分，并对发动机的产品平台进行 了合理的规划。 通过对基于p d m 的发动机产品结构与配置管理的理论的研究，本文探讨了 在发动机产品平台上根据知识库里的规则快速配置发动机的方法。 在s m a r t e a m 的软件平台上，开发了发动机产品快速配置系统r e p c s ， 有效地将珀金斯动力公司生产过程中并行产生的各种数据合理管理起来，为企业 提供了方便友好、高效快捷的发动机快速配置平台。 通过把模块化技术、产品平台技术、k b e 技术运用到发动机的配置设计中， 使企业根据用户需求快速的配置出用户所需要的发动机产品，不仅大大的缩短了 产品的交货期、降低了成本，而且通过建立的良好、高效的配置平台，利用r e p c s 平台对发动机产品进行配置，使企业知识得到了充分的挖掘和重用，提高了发动 机产品的配置效率和质量，为产品快速提交到用户手中奠定了基础，也使企业增 强了竞争力。 关键词：可拓聚类分析；模块化；产品平台；k b e ；快速配置设计；s m a r t e a m a b s t r a c t p d mi sat h e o r yw h i c hm a n a g e st h ei n t e r r e l a t e dd a t ao fe n t e r p r i s ep r o d u c t l i f e c y c l e i ti n h e r i t sa n dd e v e l o p st h em e r i t so fm a n yk i n d so fd a t am a n a g e m e n t s y s t e m s ，a n dr e s o l v e st h ek e yp r o b l e m so fe n t e r p r i s ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e r o r i g i n a t e s f r o mt h ep r o j e c tw h i c hr e s e a r c h e sa n d d e v e l o p s o fp r o d u c td a t a m a n a g e m e n to fp e r k i n s t h ep r o d u c t i o np a t t e r no f t h ec o m p a n yi sa t y p i c a lp a t t e m t h a tt h es p e c i e so fp r o d u c t sa r ev a r i e da n dt h ep r o d u c t sq u a n t i t yi ss m a l l a tt h es a m e t i m e d a t am a n a g e m e n to ft h i se n t e r p r i s eh a sb e e nd i s o r d e r e df o ral o n gt i m e t h i s a c t u a l i t yi sv e r yd i s a d v a n t a g e o u st ol o n gd e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e c o m b i n e dw i t h t h er e q u i r e m e n tf o rd e v e l o p m e n to ft h i se n t e r p r i s e ，r a p i dc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yo f e n g i n ep r o d u c tb a s e do np d m i sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r b a s e do ns m a r t e a ms o f t w a r ep l a t f o r m ，r a p i dc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yo fe n g i n e i ss t u d i e d f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fr a p i dc o n f i g u r a t i o no fe n g i n e ，c o n f i g u r a t i o n p r o c e s s a n dt e c h n o l o g y s y s t e mb a s e do np d ma r e r e s e a r c h e da n dt h ek e y t e c h n o l o g i e sa r ea l s op o i n t e do u t 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 em o d u l ep a r t i t i o no fe x t e n s i o nc l u s t e r i n g a n a l y s i sm e t h o d sa n dp r i n c i p l e sa r ea p p l i e dt od i v i d ee n g i n ei n t od i f f e r e n tm o d u l e s m a dm a k er e a s o n a b l el a y o u to f e n g i n e sp r o d u c tp l a t f o r m t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h em a n a g e m e n tt h e o r yo fe n g i n ep r o d u c ts t r u c t u r ea n d c o n f i g u r a t i o n ，r a p i dc o n f i g u r a t i o ne n g i n e sm e t h o di sp r o b e di n t o ，w h i c hi st h e m e t h o dt h a th o wt h ep r o d u c t sc a r lb ec o n f i g u r e do nt h ep l a t f o r mo fe n g i n ep r o d u c t a c c o r d i n gt ot h er u l e so f r e p o s i t o r y r e p c s w h i c hi sd e v e l o p e dt oc o n f i g u r et h ee n g i n e sr a p i d l yb a s e do nt h e s o f t w a r ep l a t f o r mo fs m a r t e a m ，m a n a g e sa l lk i n d so fd a t ao fp e r k i n sl o g i c a l l y t h es y s t e mp r o v i d e sac o n v e n i e n t ，f r i e n d l y , e f f e c t i v ea n dr a p i dc o n f i g u r a t i o np l a t f o r m f o rp e r k i n s i t ，a p p l y i n gm o d u l a rt e c h n o l o g y , p r o d u c tp l a t f o r mt e c h n o l o g y a n dk b e t e c b m o l o g yt oc o n f i g u r a t i o nd e s i g no fe n g i n e c a nm a k ec o r p o r a t i o nc o n f i g u r ee n g i n e p r o d u c tr a p i d l ya c c o r d i n gt oc u s t o m e r s r e q u i r e m e n t t h i sn o to n l ys h o r t e n st i m eo f d e l i v e rt h eg o o d sa n dr e d u c e sc o s t ，b u ta l s ob u i l d sag o o da n de f f e c t i v ec o n f i g u r a t i o n p l a t f o r m u s i n gr e p c sp l a t f o r mt oc o n f i g u r ee n g i n ep r o d u c tm a k e sk n o w l e d g eo f e n t e r p r i s eg e te n o u g hr e u s e ，i m p r o v e se f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fe n g i n ec o n f i g u r a t i o n ， e s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o no fg i v i n gt h ep r o d u c t st oc u s t o m e r sr a p i d l ya n de n h a n c e s t h ec o m p e t i t i v e n e s so f t h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：e x t e n s i o nc l u s t e r i n ga n a l y s i s ；m o d u l a rd e s i g n ；p r o d u c tp l a t f o r m ； k b e ；r a p i dc o n f i g u r a t i o n ；s m a r t e a m 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，也不包含为获得丞望王些盍堂或其他教育机构的 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：& ， 含九虫签字日期：知6 辟1 月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞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据库 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：妻台旭 导师签名 商议 签字日期：0 d d f 年f 月p 日签字目期：z 鲫6 年月o 目 学位论文的主要创新点 一、本文把模块化技术、产品平台技术、k b e ( 基于知识工程) 技术 引入到发动机产品配置设计中，并把产品在全生命周期中所产生的数 据通过s m a r t e a m 软件合理的管理起来，开发了r e p c s 产品配置设计 系统，加快了发动机配置设计过程，使发动机产品的配置设计更加规 范化和智能化。 二、研究了可拓聚类分析的模块划分方法，并把该方法应用到发动机 的模块划分中，给模块划分提供了一个可供研究的方向。同时构建了 发动机的产品平台，利用平台可以快速的配置出满足用户需求的发动 机产品。 三、研究了在发动机产品平台上基于规则库的快速配置发动机产品的 方法。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 制造业面临的挑战及p d m 在制造业中的地位 1 1 1 制造业面临的挑战 制造业发达水平是衡量一个国家经济强盛的重要标志。随着科学与技术的进 步，电子、信息及自动化技术的广泛应用，使生产得到了巨大的发展，市场竞争 亦变得愈来愈激烈，竞争推动着整个社会飞速前进，同时给企业造成了严酷的生 存环境。从世界经济黄皮书等多种统计数字可以看出我国制造业面临着严峻的形 势：我国机械工业主导产品达到9 0 年代国际水平的仅占3 0 ，达到8 0 年代国际 水平的占4 0 ，达到6 0 7 0 年代国际水平的占3 0 ：大中型企业生产的2 0 0 0 多 种主导产品的平均生命周期为1 0 5 年，是美国机械工业产品生命周期的3 5 倍； 美国制造业的新产品贡献率已达到国内生产总值的5 2 左右( 1 9 9 5 年) ，而我们 仅为5 9 ( 1 9 9 7 年) ，严重影响了我国企业的国际竞争能力【l 】。 在市场经济环境中，企业要想在激烈的竞争中求生存、求发展，就必须及时 开发出满足顾客需求的新产品。近年来，由于顾客的需求日趋多样化直接导致了 产品制造业的一轮新的革命。企业要力争在最短时间( t ) 内、消耗最少的资金 ( c ) 、生产出满足市场需求( q ) 的产品。市场的需求在不断变化，对产品的结 构、性能的需求起来越苛刻，从而使新产品的研制变得越来越复杂。然而，产品 的频繁更新对企业本身来说也带来一些问题：需要在再设计( r e d e s i g n ) 、企业 业务流程再造( b p r ) 等包括设备改造及制造上不断投资。其中开发费用基本上 与时间成正比，即开发周期越长，投资越多。这种因素也促使企业采用各种手段 缩短产品开发周期“j 。 如何缩短日趋复杂产品的开发周期以占有市场、并降低成本，如何去适应快 速变化市场需求，对企业进行重组，不断以高质量、低成本、快速开发新产品等 手段，在竞争中求生存和发展，已成为企业共同追求的目标。这种情况下，新型 生产模式、管理理论、生产技术的研究应用成为迎接这些挑战强而有效的手段。 人们认识到，未来制造业在市场和资源有限的环境中，竞争将不再仅是技术和资 本的竞争，更多的是企业组织模式、员工素质和企业对外开放能力及合作能力的 竞争。既要求企业有很强的自适应能力，可以根据市场变化迅速完成必须的自我 调整，可以快捷地与合作者建立和变更合作关系以迅速把新技术转化为市场需要 第一章绪论 的新产品，又要求企业有较强的新技术开发能力，不仅能被动地适应市场的变化， 而且能不断发展新技术和研制新产品去开拓新的市场和机遇。 1 1 2p d m 在制造业中的地位 在当今的制造企业活动中，随着计算机辅助设计技术( 如c a d 、c a m 、c a e ) 的全面推广，产生了大量的电子文档，原来的人工文档资料管理体系已经远远不 能适应计算机辅助技术带来的革新，陈旧的管理模式已经阻碍了企业的发展，而 且企业各种活动产生的数据的不断庞大和复杂，需要对其进行存储和管理的需求 日益增加，企业迫切需要一套完整的解决方案对各种数据进行有序的管理。 在制造业中，虽然各个企业的管理体制和产品各不相同，但是有一点是共同 的，就是大家都在努力的缩短产品的开发周期和提高产品质量。长期以来，人们 开发了各种用于物料管理、生产计划管理、销售管理、财务管理、生产控制、人 力资源管理等标准管理软件。一个企业，从根据市场需求，进行产品设计、开发 到编制安排生产计划、工艺规划到加工制造、装配、检测，按时按质、按一定成 本向市场推出，随之的售后维修、服务以及随着市场需求而引起的设计更改。在 设计部门使用的是我们熟悉c a d c a e c a m 系统，产品供应部门的s r m ( s u p p l i e rr e l a t i o n s h i pm a n a g e m e n t ) 供应关系管理，c r m ( c u s t o mr e l a t i o n m a n a g e m e n t ) 客户关系管理，制造部门的f p ( f a c t o r yp l a n n i n g ) 工厂计划系统。 对各个i t 系统进行有效的集成，就需要利用产品数据管理来对产品全生命周期 的数据和过程进行有效的管理。 p d m 是与企业的生产紧密相关的技术，涉及到生产技术工作的方方面面， 同时也是企业信息化工程中的主体组成部分，从而成为企业实施信息化工程的突 破口。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 ，p d m ) 是八十年代在国外兴起 的管理企业产品生命周期内与产品相关数据的一种理论。它继承并发展了设计资 源管理、设计过程管理、图档管理系统等多类系统的优点，应用了并行工程方法 学、网络技术、数据库技术等先进技术，有效地解决企业信息集成、过程优化管 理等企业发展的“瓶颈”问题，从而提高企业竞争能力。 经济全球化使整个世界融合为一个巨大的市场。对于企业来说，这是一个挑 战，更是一个难得的机会。随着我国加入w t o ，国内企业面临着新的挑战和更 多的机遇，同时对企业竞争力提出了更高的要求。降低成本、提高质量和快速响 应顾客不断变化的需求是企业提高竞争力的重要途径。随着信息技术的快速发展 和对各行各业的不断渗透，信息已逐渐演变为企业重要的生产要素。因此，利用 信息技术降低成本、提高产品质量、提高市场响应能力，已成为现代企业在激烈 第一章绪论 竞争中立于不败之地的重要条件。 随着c a d c a m 及c i m s 技术的飞速发展，工程应用领域的产品数据管理变得 尤为重要，特别是对设计信息的计算机管理提出了前所未有的需求，实施p d m 已成为制造企业信息管理的需要，更是企业赢得未来市场竞争的战略需要。这样， 在设计中实施信息管理时会遇到很多麻烦，造成了设计和管理的脱节以及资源的 浪费。因此研究和实施p d m 技术在我国当前有非常现实的意义。 1 2p d m 的技术概述 1 2 1p d m 的基本功能 p d m 为企业提供了一种宏观管理和控制所有与产品相关信息以及与产品相 关过程的机制和技术。管理的数据如图1 1 所示： 图1 一lp d m 所管理的数据 p d m 系统包含多项功能，也有不同的功能划分方法。从面向应用与系统支 持的功能来看，一般包括电子仓库( 有时称电子数据存储、电于保险箱、电子资 料室1 、面向应用的使用功能( 如文档控制、变更控制、配置管理、设计检索与零 件库、项目管理等) 、实用化支持功能( 如通知与通信、数据传输与转换、图像服 务与系统管理) 。从软件功能模块的组成来看，一般包括电子数据存储和文档管 第一章绪论 理、工作流程管理、产品结构及配置管理、分类和检索管理、项目管理、集成接 口、用户化工具等。 1 2 2p d n 的体系结构 p d m 的系统的体系结构可以分解为以下四个层次的内容f 3 ( 参见图1 2 ) 图l 一2p d m 系统的体系结构 第一层是支持层。目前流行的通用商业化的关系型数据库是p d m 系统的支 持平台。关系型数据库提供了数据管理的最基本的功能。如存储、读取、删除、 修改、查询等操作。 第二层是面向对象层。在p d m 系统中，采用著干个二维关系表格来描述产 品数据的动态变化。p d m 系统将其管理的动态变化数据的功能转换成几个，甚 至几百个二维关系型表格，实现面向产品对象管理的要求。 第三层是功能层，面向对象层提供了描述产品数据动态变化的数学模型。在 此基础上，根据p d m 系统的管理目标，在p d m 系统中建立相应的功能模块。 一类是基本功能模块，包括文档管理、产品配置管理、工作流程管理、零件分类 和检索及项目管理等。另一类是系统管理模块，包括系统管理和工作环境。系统 管理主要是针对系统管理员如何维护系统，确保数据安全与f 常运行的功能模 块。工作环境主要保证各类不同的用户能够正常地、安全地、可靠地使用p d m 系统，既要方便、快捷，又要安全、可靠。 第四层是用户层，包括开发工具层和界面层。不同的用户在不同的计算机上 操作，p d m 系统都要提供友好的人机交互界面。根据各自的经营目标，不同企 业对人机界面亦会有不同的要求。因此，在p d m 系统中，通常除了提供标准的、 不同硬件平台上的人机界面外，还要提供开发用户化人机界面的工具，以满足各 第一章绪论 类用户的专门的特殊要求。 4 3 国内外产品配置的现状及珀金斯公司发动机产品配置的现状 1 3 1 国内外产品配置的现状 产品配置是随着产品的系列化和客户化生产而出现的，它以企业零部件库为 底层支持，以系列化产品的相关数据作为管理对象，以产品的物料清单为核心， 实现产品数据的组织、控制和管理，并在定目标或规则约束下向用户或应用系 统提供产品结构的不同视图和描述。产品配置涵盖了产品的各个阶段，管理范围 包括产品的需求分析、策划阶段、开发阶段、生产准备、制造、售后服务等阶段， 并作为企业电子商务框架的一部分支持e r p ，s c m ，c r m 等系统。制造企业经过 多年的积累，形成许多满足不同层次用户需求的产品系列或产品族，生产时根据 客户的具体要求进行生产。客户的每种不同要求就形成了该产品的一个具体配 置，这些配置信息对产品的系列化、追踪产品的变化等非常重要。 当前企业在很大程度上转向面向用户订单进行生产，例如面向订单的制造、 装配以及产品设计等等。为了适应这种转变，企业需要高效便捷的产品配置生成 方法。由于用户的需求多种多样以及配置约束规则的复杂性使得产品配置方案 的生成成为一个非常复杂的过程，对配置设计人员的要求非常高。因此产品配鼍 生成的方便性、灵活性、智能化是配置管理的重要且标。产品配置专家的经验、 专业知识的积累和整理利用是实现企业创新产品开发的基础，也是实现智能化产 品配置设计的关键。基于知识的产品配爱设计的研究能够使企业更好地利用和挖 掘产品知识，提高产品配置设计过程的智能化，降低产品设计制造成本，增强企 业的产品创新能力，使企业在激烈的市场竞争中取得优势。 近年来出现了很多关于产品配置的方法和理论，比如比利时的p l a v e n c y 和m v a n h o e d e n a g h e 4 】在1 9 8 8 年提出了基于知识的配置管理思想，该思想认为高 级配置管理系统需要许多不同种类的知识表达来支持。这些知识不仅仅用来跟踪 部件不同版本的使用，而且还用来支持版本选用以及描述不同版本之间的兼容性 规则和约束。 刘刀桂【5 l 等给出了适用于系列产品管理的统一产品变量结构( p r o d u c tv a r i a n t s t r u c t u r e ，p v s ) 模型，并提出了变量配置管理( v a r i a n tc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ， v c m ) 概念。这种模型可以表示出面向配置的简单产品结构，但无法满足实际复 杂产品配置的需求。 第一章绪论 阴向p e t 6 i 等从产品配置、产品结构和版本几个方面介绍了产品配嚣和产品结 构的联系与区别，给出了能够有效实现从产品配置向产品结构转化的算法，并在 工程应用中得到验证。 刘晓冰【7 j 等提出了创成式物料清单( g e n e r i cb i l lo f m a t e r i a l ，g b o m ) 的概念， 研究了g b o m 的面向对象表达方式以及基于它的产品配置过程，提出采用模糊优 选法解决配置过程中相似实例的提取问题，并给出了基本算法。 张劲松【8 l 提出了基于本体的配置建模方法，建立了产品配置元模型；并应用 配置本体的基本概念( 构件、功能、资源、关系、端口、约束等) 对产品进行配置 建模，给出了配置建模的一般过程并用面向对象的方法进行了表达和描述。 本文结合以上的配置方法，把产品数据管理技术、模块化技术、产品平台技 术、基于k b e 技术等引入到发动机产品的配置中，这些技术的综合利用，大大加 快了发动机的配置效率，为企业降低了成本并提高了竞争力。 1 3 2 珀金斯动力公司发动机配置的现状 目前，珀会斯动力公司生产的柴油机产品产量小，但品种系列多，每年生产 近百种机型，属于多品种、小批量的生产模式。由于企业在设计新产品时，都是 借鉴已有的产品和经验来完成的，必须不断更改产品设计明细表和生产明细表， 但由于企业目前没有一个规范的系列产品配置明细表和产品配置组成的数据库 管理系统，使得设计人员在新产品设计过程中，过多的凭借经验在原有其它机型 中寻找相似组件的配蜀明细表进行复制，这样即浪费时间又浪费人力，很难提高 企业的效率。 企业在配置发动机时，是根据销售配套技术科同客户签订的技术协议来配置 发动机的明细表。在配置明细表时，过多的凭借经验来配置，企业没有形成配嚣 知识库，不能重用原有的配置知识与经验，这样不仅降低的配置效率，而且也带 来了以下在配置过程中产生的问题： 夺依靠手工配置明细表，容易出现错误，这些错误很多时候是在样机装配 时才发现，这样不仅浪费太多的时间、降低了效率，而且给企业带来巨 大的损失； 夺配置过程容易出现混乱，更改次数过多，没有好的版本管理体制，如果 想追朔源头，就要花费很长的时间去查找，也未必查的到； 令产品明细表频繁更改，目前企业里都是采用向各部门下达技术更改通知 书的形式。去年一年的技术通知书就多达1 0 8 0 份。如此繁杂的文件给 各项工作带来了诸多的不便。不定时发布的修改通知没有进行系统管 6 第一章绪论 理，需要浏览时必须逐一查找； 夺现在使用的福田明细表管理系统没有明细表的自动导入功能，这样就加 大了明细表的录入工作，而且增大了录入出现错误的概率，给公司带来 不必要的损失： 夺用户所需的产品有时只需要改动很少的零部件。在以前的工作中，这种 差别是采用手工来对比的，费时费力； 夺没有以产品结构为核心的完整的b o m 管理，不能输出产品所需的各种 b o m ，如制造b o m ，采购b o m ，成本b o m 等； 夺设计过程没有严格的b o m 管理，信息缺少关联，如产品结构、图纸、文 档等信息之间的关联； 耷设计资源的重复利用率低。 由于缺乏对已有成熟产品和设计资源的有效管理，对原有设计资源的利用率 太低，重复工作量大，为解决上述问题，本文提出了对基于p d m 的发动机产品 快速配置系统进行研究。 1 4 论文研究的意义、研究内容 1 4 1 论文研究的意义 珀金斯公司在快速、多变的市场需求条件下，要在激烈的市场竞争中求得生 存和发展的空间，必须提高快速响应市场的能力。企业能否在短时间配置设计出 符合用户定制要求的产品，对于缩短新产品上市的时间和占领市场至关重要。 珀金斯动力公司的发动机产品，其结构特点为机型多、类型系列多，每个系 列的变型产品较多，并且用户的需求呈现多样性，产品的结构和参数特征变化较 多，而且产品研制阶段多，通常一个产品的研制生产需要经过a 样、b 样、s 样、 定型四个阶段。每个阶段的产品设计数据繁多，技术状态复杂，同时产品数据更 改频繁，这些更改还常常牵涉到设计、工艺、物管、加工、装配、测试、质量等 各部门，相应工艺路线、工艺卡片等技术文件需及时更改，设计数据和工艺设计 数据繁多，给产品数据管理和生产管理造成了很大的困难，企业迫切需要一套完 整的解决方案对产品各类数据进行有序的管理，而p d m 的实施，解决了珀金斯 数据管理的瓶颈问题，在p d m 软件的平台上，企业能很好地满足设计部门级产 品数据的控制、充分利用已有设计成果，大大缩短新产品研发周期，满足协同开 发的需求，对提高企业的生产效率和管理水平有非常好的效果。但是如何在p d m 7 第一章绪论 的软件平台上快速的配置出用户所需要的发动机是企业首先必须解决的问题。根 据珀金斯公司的在产品数据管理和产品配黄方面存在的问题，本文提出了p d m 的软件平台上快速配置出发动机的方法，该方法把模块化技术、产品平台技术、 k b e 技术引入到发动机的配置设计中，并根据s m a r t e a m 软件的功能把发动机产 品的所有数据合理的管理起来，使企业尽快掌握先进的产品配置设计技术和管理 技术，加快发动机产品的配置速度。为珀金斯公司提高产品创新开发能力、市场 响应能力和市场竞争能力，提供一种有效解决的方法，也给其他发动机的企业在 发动机的配置技术方面指出了发展的方向。所以本课题具有十分重要理论意义和 工程应用价值，具有重大的经济和社会效益，同时对我国制造业也具有普遍指导 意义。 1 4 2 论文的主要研究内容 本论文的研究以天津市珀金斯动力( 天津) 有限公司为背景，结合该公司的 实际情况，通过对发动机产品的配置进行分析，提出了在基于p d m 的产品平台 上快速配置发动机的方法，从而实现了对发动机产品的快速配置设计，全文共分 为六章，各章的主要研究内容概述如下： 第一章：简要介绍p d m 的功能及国内外产品配置的现状，对珀金斯动力公 司发动机配置现状进行分析，论述了本课题的研究意义与背景。 第二章：提出实现发动机快速配置的关键技术：模块化技术和产品平台技术 和k b e 的配置技术，研究了基于p d m 的发动机产品快速配置的基本原理、配 置流程和技术体系。 第三章：研究模块化技术及产品平台技术理论，提出了模块划分的可拓聚类 分析方法及构建发动机产品平台的方法，为快速配置发动机产品奠定了良好的基 础。 第四章：研究基于p d m 的发动机产品结构与配置管理的理论与方法，并给 出了发动机产品明细表的快速生成方法和明细表之间比较的方法，为发动机的快 速配置提供了良好的管理手段与方法。 第五章：以前四章的理论研究为基础，开发基于p d m 的发动机产品快速配 置系统，介绍系统的各部分组成和功能，对本人的理论进行验证。 第六章：结论与展望 第二章基于p d m 的发动机产品快速配置技术概述 第二章基于p d m 的发动机产品快速配置技术概述 当前产品愈来愈复杂，交货期愈来愈短，质量愈来愈高，时间与质量成为 企业竞争的关键因素。这就要求企业能对市场需求做出快速响应，实现快速设 计。2 1 世纪是信息的时代，把日益增长的产品数据信息通过p d m 软件合理的 管理起来，为实现发动机产品快速配置设计提供良好的数据管理方法，而合理 的产品平台技术、模块化技术和k b e 的配置技术为实现快速配嚣提供了技术 条件，把三者有机的结合起来，则会大大地加快了产品的配置速度并提高产品 配置的质量，从而降低了企业的成本。 2 1 相关概念 1 产品配雹设计1 9 】 配置设计( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) ：是在一系列已设计的零部件中寻找、 组合出满足一定要求、符合一定约束的产品的设计方法和过程。配置设计作为 一种设计方法，通过合理组织已有的设计成果，根据客户需求选择零部件迅速 组成新产品，已经成为实现大规模定制生产的核心方法。 2 模块 模块：一组具有同功能和接合要素( 指联接部位的形状、尺寸、联接件 间的配合或啮合等) ，但性能、规格或结构不同却能互换的单元。 3 模块化设计 模块化设计：在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出 一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可 以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。 4 产品平台 产品平台( p r o d u c t p l a t f o r m ) 是由一组产品共享的一组子系统( 如零部件、 模块) 、接口和制造过程，利用它能够高效地创造和产生一系列派生产品。产 品平台构成了能够有效设计和制造一系列产品的通用结构。 5 基于p d m 的产品平台的定义” 基于p d m 的产品平台定义：在先进的管理理念和信息技术支撑下，由一组 经过精心策划和开发后得到的包含了一个“通用结构”的企业相似产品定义资 源的有机结构，从中可以快速、有效地派生出系列新产品。 9 第二章基于p d m 的发动机产品快速配置技术概述 6 产品族 产品族是指一组能满足市场一系列需要的共享某些公共特征、组件或者子 系统的相关产品。 7 产品结构( 树) 【1 2 j 产品结构( 树) ：相互关联的一组零件按照特定的装配关系组装起来即构 成部件，一系列的零件和部件有机的装配在一起则构成产品。将产品按照部件 进行分解，部件再进一步分解成子部件和零件，直到零件为止，由此形成的分 层树状结构，称为产品结构( 树) 。在产品结构树中根节点代表产品( 或部件) ， 枝节点和叶节点分别表示部件( 或子部件) 、零件。 8 配置规则 配置规则：配置规则由规则库来管理，产品模型中的所有节点( 组件) 之间 的关系通过规则的约束而形成具体的产品。我们把这些约束通称为规则。配置 规则约束产品模型各零部件之间的关系，通过限制产品配置过程中功能模块 功能选项、零部件的选择和组合来确保产品配置的j f 确性。配置规则的定义实 际上是对产品信息知识的获取、加工和抽象。 9 基于产品平台的快速配置 基于产品平台的快速配置是指根据用户需求，选择符合要求的产品平台， 在该平台上利用知识库中的规则根据配置模块的参数配置其他的模块，从而快 速的提交客户所需要的产品的一种方法。 2 2 基于p d m 的产品快速配置原理 基于p d m 的发动机产品快速配置原理是：输入用户需求参数，用户需求 参数包括产品平台参数和配置模块参数，根据产品平台参数选择相应的平台， 在该产品平台上根据配置模块的参数，调用知识库里建立的规则，从p d m 的 数据库中快速的选择、创建、修改使之与配置参数相符的模块，把相应的模块 结构实例化到产品结构树上，相应的把与模块相关的所有信息( 包括设计信息、 工艺信息、装配信息等) 都链接到新产品中，使企业原有的知识和经验获得了 高效的重用。因此，模块化技术、产品平台技术、k b e 的配置技术是基于p d m 的发动机产品快速配置的三大基础技术。 2 2 1 模块化技术 随着现代科技的迅猛发展，模块化己成为工程产品的主要发展趋势之一 第二章基于p d m 的发动机产品快速配置技术概述 ”3 。1 6 j 模块化设计通过产品结构、设计过程的重组，以大规模生产的成本实现了 用户化产品的批量化生产及大规模生产条件下的个性化，使产品在品种与成 本、性能之间找到最佳平衡点。 模块化设计在设计思想上是对传统设计的一种创新，早期模块化设计多采 用手工操作管理，缺乏现代化的设计和管理手段，不能充分发挥模块化设计的 优越性 17 1 。随着计算机应用技术向各行各业的渗透及以计算机辅助设计为主体 的现代设计技术的发展，模块化设计从设计手段上已有极大的不同，形成了以 计算机为工具、以模块化设计为目标的各种学科交叉融合的新型技术领域。如 计算机辅助模块化设计、模糊模块化设计、智能模块化设计、优化模块化设计 等等，这些手段反过来又促进了模块化设计思想的发展。而今，采用p d m 产品 数据管理软件，把模块的设计知识和数掘信息通过计算机管理起来，又发展成 了信息化模块，使得模块化设计更加符合现今产品的设计发展方向，为产品的 快速配置设计提供了良好的设计基础。 模块化技术是实现产品快速配置设计的使能技术，要想快速的配置出用户 所需要的产品，模块化技术则是其必不可少的关键技术之一，通过不同模块的 组合和匹配可以产生大量的变型产品( 模块化产品结构如图2 - 1 所示) ，这种不 同的组合体使模块化产品模型具有独特的功能、结构和性能特点和层次。因此， 模块化产品是一种重要的柔性策略形式，即柔性的产品设计使企业可以通过组 合现有模块或新模块，以快速、低成本地生产能够适应市场和技术变化的产品。 1 蛩2 - 1 模块化产品结构 1 1 第二章基于p d m 的发动机产品快速配置技术概述 满足产品快速配置设计的系统及模块化技术应具有如下特点： 基于模块化产品设计过程中，设计模型可根据用户需求进行快速响应，以 最短时间向用户提交质量、成本具有竞争力的产品： 企业根据市场变化和技术发展，通过p d m 软件可以灵活的更换系统中的模 块库和相关的知识库，就可以适用于不同对象的设计，既可以针对企业定 制，同时也利于原系统的更新完善，使企业能够及时的重组改造： 可以减轻产品设计、制造及装配专业技术人员的劳动强度； 模块接口是标准化的，能与具有相同功能或性能的模块进行互换； 模块可以独立的组织生产、储备和进行性能、功能、质量的考核、测试及 检验。 2 2 2 基于p d m 的产品平台技术 面对需求千变万化，充满各种机遇的市场，如果企业没有明确的产品开发 的整体性长远目标，缺乏坚固的产品平台支持，那么，各个新产品开发就会失 去明确的方向，总是被机会牵着鼻子走，出现“熊瞎子掰苞米”的情况，四面 出击，一无所获。同时，产品平台开发本身是一项复杂的系统工程，投资大、 风险高、周期长、影响面广的活动，需要一个与技术和市场相匹配的平台开发 战略来指导开发活动和协调各方面的关系。从全局优化的角度出发，以求得最 大的整体效益为战略目标进行企业联合来共同开发和生产定制产品，是大批量 定制产品丌发模式发展的必然趋势。其中，合理构建企业的公共产品平台，是 实现产品快速配置重要的一环。 开发公共产品平台的目的和核心思想就是利用一组产品之间功能与物理 结构的相似性和通用性，通过基本元件和生产过程的最大标准化集合来获得产 品的最大集合，为企业系列产品提供可用于设计、开发和生产多重产品的一个 公共基础，使得在提供产品多样性的同时，减少设计、生产的成本成时间。如 果将产品平台置于一个动态发展演化过程中，它将随着先进管理理论和信息技 术的发展、市场和客户需求的变化以及企业产品体系的完善而不丰富、完善。 当开发新产品时，相应的新产品数据和开发过程以及它们与历史产品的关联等 创新知识就自然的融入到产品平台中，基于p d m 的产品平台优势在于它集成 了设计所需的各方面的经验知识以支持产品创新，仅仅重用并不能充分体现这 种优势，创新源于对知识的应用。 基于p d m 的产品平台的特点： 产品平台满足顾客群体内顾客个体需求中相同部分( 共性需求) 组合和 第二章基于p d m 的发动机产品快速配置技术概述 不同部分( 个性需求) 组合，是最大限度地包容目标细分市场顾客群体 需求的基型。它可以是最终产品，也可能只是众多最终产品产生的基 础： 产品平台应能够在清晰、系统、形式化地描述顾客群体需求( 包括系统 化理解顾客群体的显在需求与潜在需求) 的基础上支持产品的重大创 新和改进型创新； 产品平台可以通过最少的物种组合来配黄出满足大多数顾客群体基 本需求和较少数顾客或顾客群体特殊需求的多样化、定制化产品； 产品平台凝聚了企业在目标细分市场的核心技术能力； 产品平台能存储和管理组成该平台的各个模块的在各个阶段所产生 的各种信息，包括产品平台的几何信息( 如2 d 、3 d 模型等) 和非几 何信息( 如电子手册、设计文档、产品平台属性、n c 代码等) ，其 中产品平台属性又包括平台的参数信息等等； 产品平台应蕴涵丰富的配置设计知识( 如产品设计规范、领域知识和 配制规则等) 和设计对象关系( 如产品结构关系、引用关系和性能关 系等) 。 2 2 3 基于k b e 的配置技术 据统计，我国制造业中7 0 以上的零部件设计工作是在原有设计基础上进 行的，只有大约3 0 是全新的设计，而企业在长期设计生产实践中积累许多结 构形式相对固定的专业零件，如果能对这些零件进行处理，对其进行标准化、 系列化、科学化管理，并能对设计知识进行归纳、整理和重用，建立企业的标 准件库和典型件库，就能提高相似零件或变形零件的设计效率和设计知识的重 用度，从而大大缩短产品开发的周期，保证产品开发的质量。而基于知识工程 ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ，k b e ) 最核心的功能就在于实现知识重用。因 此，把产品配置设计与知识工程技术相结合，将可以避免大量的重复开发工作， 从而提高产品开发的效率、节约开发成本。 关于k b e 的定义有很多，如英国c o v e n t r y 大学的l o v e t t 1 8 1 认为“k b e 是一 种存储并处理与产品模型有关的知识，并基于产品模型的计算机系统：是目前 促进工程化、实用化产品开发的最值得注意的软件方法”。美国w a s h i n g t o n 大学机械工程系水j c a l k i n s t l 9 1 教授认为“k b e 是一种设计方法，将与下一代c a d 技术紧密结合。k b e 使用启发性的设计规则，涵盖构件、装配和系统的开发。 k b e 系统中存储的产品模型包含了几何和非几何信息，以及描述产品如何设计、 第二章基于p d m 的发动机产品快速配置技术概述 分析和制造的工程准则。”美国f o r d 公司的j a p e n o y e r l 2 0 1 等人提出“k b e 运用 知识完成工程任务，这些知识是特意积累和存储的，并以计算机为中介。k b e 通常意指使用一些计算机系统，如专家系统、基于网络的知识库等。”英国 c r a n f i e l d 大学的h u i h u al i 认为k b e 是一种特殊类型的基于知识的系统，它专 注于