（机械制造及其自动化专业论文）面向大批量定制的零件族管理系统的研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 面向大批量定制的零件族管理系统的研究 摘要 随着经济和社会的发展，大批量定制已成为当前的主流生产模式，它结合了 定制生产和大规模生产的优势，在保持低成本的同时，以较短的交货期，满足了 客户的个性化需求。在此背景下，为了实现零件资源的重用、零件的快速变型以 及零件相关信息的有效管理，本文以大批量定制思想为指导，研究了零件族管理 系统相关的理论和设计方法。本文主要研究了以下几个方面的内容： ( 1 ) 对面向产品全生命周期的客户需求分析方法进行了研究，并以此指导零 件族的规划和零件族信息模型的建立。 ( 2 ) 提出了一套针对企业现有零件的零件族规划方法，实现零件的快速聚类。 零件族初步规划完成后，采用层次分析法对零件族规划方案进行评价，以形成符 合企业要求的零件族。 ( 3 ) 从全生命周期的角度出发，对零件族的信息构成和建模技术进行了研究， 分析了零件族信息模型的组成，并对其作用及实现方法进行了详细的论述。 ( 4 ) 采用层次性事物特性表来描述零件族的事物特性，提出了零件族事物特 性表模板的概念，以便于零件族事物特性表的建立。同时，采用x m l 技术来表 示事物特性，并以x m l 文件的形式在不同系统之间进行信息交互。 ( 5 ) 详细论述了零件族的变型原理，变型不仅涉及几何特性的变化，而且涵 盖了零件全生命周期中的各个阶段。 ( 6 ) 设计实现了面向大批量定制的零件族管理系统，并通过青岛颐中烟草机 械实业有限公司的零件对系统进行了验证。 ( 7 ) 总结论文的研究内容，对下一步工作进行展望。 关键词：零件族；层次事物特性表；全生命周期；x m i ；大批量定制 r e s e a r c ho np a r tf a m i l y m a n a g e m e n ts y s t e mf o rm a s s c u s t o m i z _ 钔【1 i o n a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，m a s sc u s t o m i z a t i o nh a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mo ft h ec u r r e n tp r o d u c t i o nm o d e l ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fm a s s c u s t o m i z a t i o na n dm a s sp r o d u c t i o n ，m a i n t a i n sl o wc o s t ，s h o r t e rd e l i v e r yt i m ea n d s a t i s f i e st h ec u s t o m e r si n d i v i d u a lr e q u i r e m e n t s i nt h i sc o n t e x t ，i no r d e rt or e u s et h e r e s o u r c e so fp a r t s ，d e s i g nn e wp a r t sb ym o d i f y i n gt h em a i nm o d e lo fp a r tf a m i l y q u i c k l y , a sw e l la sm a n a g et h er e l e v a n tr e s o u r c e so fp a r t se f f e c t i v e l y , i nt h i sa r t i c l e ， u n d e rt h eg u i d eo ft h em a s sc u s t o m i z a t i o nt h e o r y ，s t u d i e dt h er e l e v a n t t h e o r ya n d d e s i g nm e t h o d so ft h ep a r tf a m i l ym a n a g e m e n ts y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) p r o d u c t o r i e n t e d l i f e c y c l ea n a l y s i so fc u s t o m e rr e q u i r e m e n t sh a v e b e e n s t u d i e d ，a n da sag u i d et op a r tf a m i l yp l a n n i n ga n dp a r tf a m i l yi n f o r m a t i o nm o d e l ( 2 ) ak i n do fp a r tf a m i l yp l a n n i n gm e t h o df o rt h ee x i s t i n gb u s i n e s sp a r t sh a sb e e n p r o p o s e d ，t oa c h i e v ep a r t sf o r m a t i o nq u i c k l y a f t e rt h ei n i t i a lp a r tf a m i l yd i v i s i o n ，i n t h i sp a p e r , a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sh a sb e e nu s e dt oe v a l u a t et h ep l a n s ，i no r d e rt o m e e tt h ee n t e r p r i s ed e m a n d s ( 3 ) t h ep a r tf a m i l yf o r m a t i o na n dm o d e l i n gt e c h n i q u e sf o rp a r t sl i f e c y c l eh a v e b e e ns t u d i e d d i s c u s s e dt h ec o m p o n e n t so ft h e p a r tf a m i l yi n f o r m a t i o nm o d e l ，o nt h i s b a s i s ，d i s c u s s e dt h ef u n c t i o na n dr e a l i z a t i o nm e t h o d so fe a c hc o m p o n e n t ( 4 ) u s i n gs m l t od e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r tf a m i l y , t h ec o n c e p to ft h e m o d e lo fs m lh a sb e e np r o p o s e d ，t om a k et h ed e s i g n e rd e s i g ns m le a s i e r t h i sp a p e r a l s op r o p o s e du s i n gt h ex m l t e c h n o l o g yt od e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r tf a m i l y , i no r d e rt oe x c h a n g em e s s a g e sb e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m su s i n gx m ld o c u m e n t s ( 5 ) t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h et h e o r yo fp a r tf a m i l yv a r i a t i o ni nd e t a i l ，t h i s i i 青岛科技人学研究生学位论文 v a r i a t i o nn oo n l yc h a n g e si ng e o m e t r y , b u tc o v e r se v e r ys t a g eo ft h ee n t i r el i f ec y c l eo f p a r t s ( 6 ) r e a l i z e dt h ep a r tf a m i l ym a n a g e m e n tf o rm c ，a n d v e r i f i e dt h es y s t e mb yt h e p a r t so fe t s o n g ( o i n g d a o ) t o b a c c om a c h i n e r yc o l t d ( 7 ) m m a i nc o n t e n mo ft h et h e s i sw e r es u m m a r i z e d ，a n dt h es u g g e s t i o nf o rn e x t w o r k w a sr e f e w e d k e y w o r d s ：p a r tf a m u y ；s m l ；f u l ll t e c y d e ；x m l ；m a s sc u s t o m m a t i o n i n 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 摘要：本章阐述了零件族产生的背景，对大批量定制、产品族和产品平台的 概念及其研究现状进行了分析。在参阅了国内外零件族相关文献的基础上，分析 了面向大批量定制的零件族管理系统的研究内容。最后，阐述了本文的研究特色 及创新点。 1 1 引言 随着现代信息技术的发展，世界经济正经历着一次深刻的变革，这场变革正 在极大的改变着世界经济的面貌，也使制造业所面临的生存环境发生了翻天覆地 的变化。世界市场从传统的相对稳定型市场向着动态多变的市场演变，同行业、 跨行业之间的竞争随着经济的全球化变得更加激烈，主要表现在用户需求越来越 多样化和个性化、产品的生命周期和交货期日益缩短、多品种小批量生产比例增 大等。在这种形式下，传统的大批量生产方式已不能适应快速多变的市场需求， 所以大批量定制生产方式应运而生。大批量定制生产方式很好的解决了企业在产 品的交货期( t ) 、成本( c ) 、质量( q ) 、环境( e ) 、服务( s ) 等方面所面临的问题，而 且可以充分管理和重用各种现有的资源，消除企业内部的信息化孤岛，加快制造 类企业的信息化进程【l 翻。大批量定制生产方式吸取了大批量生产方式和定制生产 方式的优点，既保证了产品的低成本、较短的交货期又满足了客户的个性化需求， 提高了企业的核心竞争力。 在大批量定制环境下，产品开发策略从过去面向单一产品转变为面向系列产 品产品族。产品平台和产品族是实现大批量定制的有效途径和重要技术。产 品平台【l ”是一组共享设计与零部件的产品集合，以此为基础可以衍生出一系列产 品；而这些共享一个产品平台，但具有不同的性能与特征，以满足不同细分市场 需求的一系列产品就是产品族。平台模式就是首先开发出具有先进的技术性能和 良好的可扩展性的产品平台，然后在此基础上开发出适合各个细分市场的产品 族。 零件族是一组具有相似零件特性的零件集合。零件族不但方便了零件的管 理，更重要的是它实现了资源的重用，从而可以快速的衍生出新的零件。零件的 快速变型不但缩短了新零件的设计及制造周期，而且由于引用了成熟的设计、工 艺等方面的资源，提高了零件的质量。零件族是构建产品族与产品平台的基础， 它不但可以为产品平台提供丰富的零件资源，而且可以通过零件变型为产品族中 产品的变型提供最大的支持，为实现大批量定制奠定了基础。 面向大批量定制的零件族管理系统的研究 1 2 零件族产生的背景 自改革开放以来，我国的制造业取得了长足的进步。但是，由于我国工业化 进程起步较晚，与国际先进水平相比，我国的制造业和制造技术还存在着阶段性 的差距，因此，大批量定制有很大的发展空间和良好的发展前景。不可否认，我 国的贫富差距日益扩大，2 0 的人掌握着全国8 0 的财富。8 0 的中低收入的人 群最关心的还是产品的价格，最需要的还是物美价廉的产品。因此，很多传统的 大批量生产模式还有一定的市场。但是市场消费的主要人群是那2 0 先富起来的 人，对他们来说大批量定制的产品会更受欢迎。随着我国经济的发展，贫富差距 的缩小，人们消费水平的提高，大批量定制会越来越受到人们的欢迎。另外，面 对国际化的市场竞争，我们的产品既无价格优势，在产品的个性化和多样化方面 又相差甚远，很难抢占市场。所以，在我国发展大批量定制还是很有必要的。产 品族和产品平台是实现大批量定制的主要手段，而零件族又是实现产品族和产品 平台的基础，因此，针对零件族的研究有利于提高企业的竞争力、推动国家的工 业化进程，对我国工业的发展和社会的进步都具有重要意义。 1 2 1 大批量定制 生产力决定生产关系。生产力的提高、生产关系的变化都会对制造业产生巨 大的冲击，使企业的制造战略不断的发生变化。在2 0 世纪5 0 、6 0 年代，制造战 略比较注重生产规模，7 0 年代转变为注重成本，8 0 年代进一步转变为以产品质 量为中心，而到了9 0 年代以后，却变迁为以快速响应市场变化为出发点【5 】。进入 2 1 世纪以来，随着生产力的发展，人们生活水平的提高，人们的个性化需求越来 越迫切，大规模生产方式越来越不能适应时代的要求。在这种大背景下，大批量 定制生产方式应运而生。 国内外对大批量定制都做了大量的研究。在国外，1 9 9 6 年m i t c h e l l t 3 提出采 用并行工程围绕大批量定制的设计流程，以有效地满足客户需求。这种方法的目 标是在产品设计的早期阶段进行整体概念设计的同时，考虑范围经济性和批量经 济性；其重点为建立合理的产品族结构，同时完成一组产品的设计，而不只是一 个产品。为了实现大批量定制，设计就要捕捉并定义个体客户对产品的需求，设 计过程必须从传统的设计制造集成扩展到销售、服务等部门。t h o m a s t 4 】针对大批 量定制产品设计的复杂性，提出了一个基于i d e f 0 模型的大批量定制产品生产系 统( m c p ) 建模工具，该模型可清晰地描述从客户需求信息的捕捉、产品定单的获 取、产品的设计和开发、制造规划、生产加工到产品配送整个过程中的活动及其 相互之间的关系，以辅助设计人员进行产品的开发。 2 青岛科技大学研究生学位论文 在国内，孙伟等人【每7 l 将d f m c 产品设计流程分成新产品开发和变型产品设 计两个循环，并且两者彻底分离：新产品开发是针对产品族进行设计，产品开发 人员分析已有的客户需求，预测未来的客户需求，确定合理的客户群，并以此为 基础运用相关知识，结合产品族中拟采用的定制方法提取变型参数，建立覆盖整 个产品族功能要求的动态产品族模型，设计结果不再是一个具体的产品实例；变 型产品设计是针对客户的需求，在动态产品模型的基础上，充分利用现有的设计 资源，以配置器为主要工具进行快速产品配置，或通过对产品部分或局部的改变， 进行相关功能、结构或参数的设计。 赵继云等人【8 - 9 】将d f m c 流程分为两个阶段。首先进行新产品开发，建立覆 盖客户群总体需求的动态产品模型；然后，根据具体的客户需求，在动态产品模 型基础上，通过实例匹配，获取相近产品进行变型设计，得到满足该客户个性化 需求的具体产品。 大批量定制生产模式( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，m c ) 将产品定制和产品大批量生 产相结合，在降低成本、保证质量的同时，以最短的时间满足客户个性化需求。 目前，基于产品族产品平台的产品配置设计是面向大批量定制设计( d e s i g nf o r m a s sc u s t o m i z a t i o n d f m c ) 的重要方法，是实现大批量定制的有效手段。 1 2 2 产品族和产品平台 产品平台是一组产品共享设计与零部件的集合，以此为基础可以衍生出一系 列产品。而这些共享一个产品平台，但具有不同性能与特征，以满足不同细分市 场需求的一系列产品就是产品族【1 1 】。大批量定制的产品设计将新产品开发和变型 设计分离，以动态的产品族模型作为连接两者的桥梁，构建高效的产品族模型被 认为是实现批量定制的有效手段【1 3 】。在产品族与产品平台的实际应用中，首先应 开发出具有先进的技术性能和良好的可扩展性的产品平台，在此基础上不断进行 改进提高，针对不同的细分市场构建产品族，以根据不同的客户需求快速的衍生 出新的产品。与产品族产品平台相关的技术主要包括模块划分、产品平台构建与 评价、产品配置方法、配置产品变型设计结构的快速优化【1 2 1 。 国内外对产品族产品平台作了大量的研究，并取得了显著的成果。m i t o h e l l 和j i a n x i n j i a o l a l 认为单一产品模型与产品族模型之间存在很大的差别，成功的产 品族模型应该具有如下特征：第一，产品族的组成模块能够为任意客户配置出满 足其需求的最终产品；第二，其模块组织方式能够让销售、设计、制造和服务部 门反映一致的企业能力和顾客需求；第三，提供实现产品设计全过程集成的平台； 第四，能够为产品生命周期中决策经济性的评价提供支持。 x u e h o n gd u 和j i a n x i n j i a o 1 4 1 通过建立功能视图、工程视图和结构视图，并描 3 面向人批量定制的零件族管理系统的研究 述三个视图之间的关系，构建了产品族体系结构。 刘晓冰等【1 5 】依据设计方法学，将技术模型命名为原理模型，产品族模型由功 能模型、原理模型和结构模型三个具有映射关系的视图组成，认为准确地定义顾 客需求、模块化设计、标准化与规范化技术等是产品族建模的关键技术。 苏宝华1 1 6 1 系统地研究了面向大批量定制的产品模型的基本原理，将产品模型 在逻辑上分为功能模型、行为模型和结构模型，将三个模型中的构成对象抽象为 构成单元，将不同模型之间的映射定义抽象为映射单元，建立了产品模型的体系 结构。 阴向阳【1 7 。1 8 】指出构成产品族模型的基本对象类别有：部件族、部件实例、零 件族和零件实例，企业可根据具体需求，采用静态法、动态法、混合法构建产品 族模型，并研究了基于产品族模型的配置设计描述和约束求解方法。 刘夫云，杨海青，祁国宁【1 9 1 ，提出了采用复杂网络的方法对产品族零部件进行 描述，从而对零部件进行通用性分析，为零件族和模块族的分类提供了技术支持。 零件是构建产品和模块的基础，产品的变型也需要零件变型的支持。因此， 零件的有效管理及快速变型，为产品族产品平台的实现提供了支持。在这种背景 下，零件族的研究受到了国内外的重大关注，并取得了一定的成果，为经济和社 会的发展起到了积极的推动作用。 1 3 零件族的研究现状 在大批量定制生产模式下，较短的交货期和多样化的客户需求，要求企业必 须最大限度的重用已有的各种资源。为了实现大批量定制，这就要求存在大量的 标准件、通用件，并可以通过零件的相似性，重用现有零件的设计、工艺等零件 全生命周期中的各种资源，实现零件的快速变型。怎样对国家标准件、企业标准 件、企业通用件等进行有效的管理，使其各种资源能够被重用；怎样对企业非标 准件进行管理并实现其快速变型等难题已成为能否实现大批量定制的关键。零件 族的引入使以上的难题迎刃而解，使产品族产品平台及大批量定制的实现成为可 能。零件族是一组外形、功能、工艺等相似的零件的集合，它能够实现零件的管 理、零件资源的重用以及零件的快速变型。 在大批量定制生产模式提出之后，零件族的研究受到了国内外学术界和工业 部门的广泛关注，并对此作了大量的研究，取得了重大的成果。 1 3 1 国外研究现状 ks r a v i c h a n d r a n 和i cc h a n d r as e k h a r ar a o 2 0 1 建立了一种新的方法将模糊 4 青岛科技大学研究生学位论文 聚类矩阵转换为0 - 1 关系矩阵。开发了一种新的相似度计算方法，并且将这种新 方法应用于零件族创建过程。为解决在单元制造过程中构建最优零件族的问题， 开发了一种新的数学模型。最后通过实例将此数学模型与其它数学模型进行了比 较，阐明了新方法的优越性。 r a m a n av d a s a r i 和y o u n gb m o o n l 2 1 】指出，同时形成零件族和制造单元可以 通过基于零件制造矩阵的多种算法实现。尽管零件特性是形成零件制造矩阵的基 础，但是零件特性在形成零件族和制造单元时不被直接考虑。通过零件特性与制 造单元之间的关系建立了决策树( d e c i s i o nt r e e ) 。决策树成为聚类分析( 包括聚 类方法评价、零件模糊分类) 的有利工具。 b y u n g w o ol e e 和k a z u h i r os a i t o u 2 2 】提出了一种系统的方法设计零件族使之 实现产品成本稳定的同时，保证产品能够根据市场需求的变化快速的变型出新的 产品。为了评价和操控零件设计，开发出了一种统一的、基于特性的，零件功能、 几何特性及可制造性表达方法。基于这些信息和多阶段的生产计划，一种优化算 法提供了多种零件设计。零件设计时，零件的可制造性通过一个给定零件族中制 造系统的设备成本来量化评估；平均周期时问也通过模拟生产过程中的不连续事 件进行评估。 yk a o 和yb m o o n t 2 3 】认为大部分零件族构建方法只涉及了“怎样构建 而 没有涉及“怎样识别”。据此，提出了一种新方法，使用神经网络的记忆关联去 识别自然存在的零件族。 1 3 2 国内研究现状 杨志雄1 2 4 1 阐述了零件库与m c 中的其它要素之间的关系，对m c 系统及其 w e b 零件库的自组织性进行分析。对于零件库中零件的相关描述，提出了使用零 件本体的结构特征来描述零件之间的相互关系，同时使用零件的语义特征来详细 描述零件本体概念的具体属性。在此基础上，开发出了面向大批量定制的w e b 零 件库，并将零件族与事物特性表相结合来组织和管理零件。 田韶鹏，黄j 下东，王启富等【2 5 】提出了一种在参数化零件族与参变工艺流程之 间建立几何关联的方法。该方法首先对一给定的参变工艺流程确定其能够制造的 零件集合，用一串特征关系图表示流程中工件与资源的静态、动态关系，通过不 同形式的子图匹配与合并生成能力包集中零件的特征参数模型。然后，比较能力 包集和参数化零件族中的零件特征模型，在拓扑同构条件下求解它们的参数等区 域。基于等效区域，建立同时属于能力集合与零件族的零件模型，构成这两零件 集合的交集。交集中的零件特征模型同时与参变工艺流程和零件族有几何参数映 射关系，从而可作为连接两方面的桥梁。 5 面向大批最定制的零件族管理系统的研究 韦俊民，金隼，林忠钦等【2 6 1 提出了一种产品族设计过程中的零件相似性评价 方法。该方法以形状特征的分类、拓扑关系和特征参数为基础，建立了统一的产 品族零件表达模型。讨论了形状特征拓扑关系、几何形状及位置相似度的计算方 法，确定了评价零件相似性的流程。这种零件相似性评价方法虽然是用于产品族 的，但其原理方法也同样适用于评价零件族中零件的相似性。 徐克圣，许应成，詹俊锋旧基于数据字典，将e x p r e s s 与x m l 相结合， 构建了符合国际标准的网络化零件库。详细比较了作为转换对象的标准文件i s o 1 3 5 8 4 4 2 和目标对象的x m l 文件结构，由此建立e x p r e s s 描述与x m l 数据文 件的映射关系，并强调建立的映射关系应该符合i s o1 3 5 8 4 的逻辑结构。探讨了 符合国际标准的网络化零件库的体系结构和实现过程。 吴斌【2 8 】研究了基于p r o e 平台的标准件库系统的一些关键技术，其中主要包 括：根据特征元素树创建三维模型技术、三维参数化程序设计原理以及零件模板 的设计等。 金国新【2 9 】提出了加工特征的概念以及基于加工特征的零件族工艺主模型建 立方法与技术，包括零件工艺路线模型、工序卡片模型以及事物特性表，探索基 于s m l 和加工特征的零件族工艺变型设计技术，并设计与丌发了一个工艺变型 设计原型系统。 赵韩，朱可，张炳力等【则综合分析了基于特征的参数化的理论和方法，运用 u g 提供的二次开发工具包u g o p e n 和v c + + 的m f ca p p w i z a r d 建立工程，实现 了零件族管理系统。 王瑜涛【3 l 】基于i s 0 1 3 5 8 4 提出的零件库的概念和s t e p 标准提供的中性文件 交换机制，构建了一个开放式的广义零件库系统的体系结构，并从企业零件资源 的组织、零件库数据的存放形式和数据转换、基于w e b 的零件库管理系统的设计 和开发三个方面阐述了建立零件库系统的具体方法。在此过程中，还对零件族、 分类码、几何图形库、数据传输接口等概念进行了详细的论述。 周加宝【3 2 】提出了基于x m l 的标准件库的建库平台的系统构架，在对标准件 进行层次分类和标准件参数归纳基础上，设计了x m l 表示的标准件文档。开发 了基于s m l 的标准件库系统。系统采用了参数数据和种子零件分离机制，并把 参数数据以x m l 文档的形式描述，从而使此标准件库初步实现了c a d 系统的无 关性。 赵刚，江平宁【3 3 l 在深入分析产品族零件生产中所涉及的工序序列、生产准备 时间、内部运输成本率等要素的基础上，提出了一种基于加权有向图的工艺描述 数学模型，并以工艺合并后零件加工成本变化最小为准则，提出了一种基于关联 矩阵二阶合并方法的零件相似距离模型，进而设计出相应的蚁群算法模型。 6 青岛科技大学研究生学位论文 陈春宝，王丽亚【叫针对单纯应用g t 编码分类法存在的不足，提出一种基于 零件的加工属性编码，采用聚类算法构造零件族的方法。首先从数学角度研究了 基于零件加工工艺特征的编码方法，然后对k - m e a n s 聚类算法作了改进，并证实 了其可行性。 周剑辉【蚓提出对零件的几何形状进行相似性分析，在对零件功能、结构进行 分析的基础上建立零件族的c a d 模板的方法建立零件族。 孙金荣p 7 j 利用成组技术的方法将各种不同的零件按照其形状特征相似性，同 时考虑其工艺和制造方面的相似性，来划分零件族。 1 3 3 零件族研究存在的问题 从国内外研究现状可以看出，很多学者对零件族相关的理论和方法进行了大 量的研究，但在某些方面仍然存在着不足之处，主要表现在： ( 1 ) 零件族规划方法的智能和精确程序不高。现有的零件族规划方法中，关 键步骤还离不开人工的参与，人为的主观性可能影响零件族规划方案的合理性。 但) 从大批量定制的角度来看，没有将零件族管理与客户的需要进行紧密的 结合。 ( 3 ) 目前许多学者都对零件族的建模技术进行了大量的研究，但大部分只停 留在几何和工艺方面，而对零件族全生命周期中的其它阶段的研究还不成熟。 ( 4 ) 零件族管理系统只实现对零件的简单管理，还不能满足大批量定制生产 方式的要求，对面向零件全生命周期的事物特性管理和变型等方面的研究还很薄 弱。零件族管理系统与p d m 、e r p 和c r m 等系统之间的数据交互还存在障碍， 不能够实现数据快速、无缝的交换。 1 3 4 本文研究的目标 综上所述，为了实现大批量定制生产方式，有必要对零件族管理系统进行深 入的研究。本文的主要研究目标可概括为以下几点： ( 1 _ ) 对零件族的规划方法进行进一步的研究，采用较为智能的方法，减少人 为主观性产生的误差。 ( 2 ) 对客户需求的获取以及客户需求的转化作进一步的研究，通过客户的需 求束指导产品及零件的设计、制造、装配等全生命周期中各个阶段的工作。 ( 3 ) 通过层次性事物特性表，对零件族全生命周期中的各个阶段的事物特性 信息进行管理，并辅助零件族的快速变型，使零件族管理系统能够满足大批量定 制的要求。采用x m l 技术实现零件族管理系统与企业内部其它系统之间的数据 交互。 7 面向人批量定制的零件族管理系统的研究 ( 4 ) 采用n e t 开发平台，实现面向大批量定制的零件族管理系统。 零件族管理系统是产品平台的有机组成部分，它通过零件信息的有效管理和 零件的变型，来辅助产品的管理和产品的变型，为企业实现大批量定制生产方式 奠定了基础。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究在大批量定制环境下零件族的建立及管理的相关技术，旨在解决企 业零件资源鼋用、零件快速变型、零件信息管理及共享等问题，使零件的设计和 管理能够满足大批量定制的要求，具体的内容如下： ( 1 ) 面向产品全生命周期的客户需求分析方法研究 为使建立的零件族能够满足大批量定制的要求，必须了解产品级的客户需 求。根据客户需求以及大批量定制原理来设计零件族，从而使零件族适应市场的 变化、满足客户的个性化需求。 对面向产品全生命周期的客户需求获取及分析方法进行研究，在客户需求获 取过程中，不但重点关注客户的需求，也同时考虑企业的实际生产能力及企业内 部设计者和生产者的需求。 在客户需求分析过程中使用有效的数据分析方法，从客户需求数据中捕获客 户的个性化需求和市场的发展趋势。在此基础上，将产品级的客户需求转化为零 件族设计过程中的指导原则。 ( 2 ) 零件族规划方法研究 研究针对企业现有零件的零件族规划方法。零件族规划过程中，首先提取零 件的特征，并建立特征库；然后选取特征构建编码规则，并对零件进行分类编码； 最后，设置零件特征权重，计算相似度，并根据相似度实现零件的聚类。在此基 础上，对零件族的评价方法进行研究，以建立满足企业需求的零件族。 ( 3 ) 零件族信息描述方法研究 研究零件族信息模型的组成，包括零件族主模型、文档、知识以及零件族信 息的组织形式等，并对各部分的作用及实现方法进行研究。 在零件族主模型建立过程中充分考虑客户的个性化需求和市场的变化。主模 型不但以图形的形式体现零件族的几何特性，而且也对零件全生命周期中的其它 信息进行体现。在零件族文档的管理过程中，对文档的权限、存储方式、组织方 式等进行研究。在零件族知识的管理过程中，研究知识的表示和知识的搜索等内 容。 ( 4 ) 零件族层次性事物特性表的研究 8 青岛科技人学研究生学位论文 对零件族事物特性表的相关技术进行研究，本文采用层次性事物特性表来管 理零件族的事物特性，并通过零件族事物特性表模板来方便设计者建立零件族事 物特性表。研究事物特性表的命名规则，以方便事物特性表的组织和管理。在此 基础上，研究零件族事物特性表与零件族主模型、工艺主文档相结合，实现零件 族快速变型的原理。为了在不同的系统之间交换零件的事物特性信息，研究零件 族事物特性信息的x m l 表示，以实现不同系统之间的信息传递。 佟) 基于w e b 的零件资源库的研究 为了在各企业之间或者同一企业的不同机构及部分之问交换零件信息，建立 基于w e b 的零件库，以方便不同地域的各企业使用零件库中的零件资源。基于 w e b 的零件库主要提供零件信息的共享以及零件的检索，它包括零件信息管理、 订单管理以及用户管理等模块。 ( 6 ) 零件族管理系统的设计与实现 在上述研究的基础上，设计并开发零件族管理系统，以实现零件族信息的管 理和零件族的变型。本系统的主要模块包括零件族管理、零件族事物特性表、零 件变型、文档管理、知识管理以及零件族c a d 接口等。最后，以青岛烟草机械 实业技术有限公司的零件为实例对系统进行验证。 1 5 研究特色及创新点 本文在参考同类研究的基础上，其创新点主要体现在以下几个方面： 第一、研究面向零件全生命周期的客户需求分析方法，并以此来指导零件族 规划和零件族信息模型的建立。 第二、研究零件族事物特性信息的管理方法。采用层次性事物特性表来实现 对零件族事物特性信息的管理。提出事物特性表模板的概念，来帮助企业中的零 件族设计人员构建事物特性表。为了使零件族的事物特性能够在不同的系统之间 传递，使用x m l 格式表示零件的事物特性，并以x m l 文件的形式在各系统之间 进行传递。 第三、采用面向组件的程序设计方法对零件族管理系统进行设计，研究零件 族管理系统与产品平台的集成技术，以及与p d m 、c r m 等系统的数据交换技术， 使零件族管理系统满足大批量定制的要求。 1 6 论文组织结构 本文以大批量定制为背景，详细论述了零件族的规划、零件族信息建模、零 件族的管理等内容，并在此基础上实现了面向大批量定制的零件族管理系统。论 9 面向大批鼍定制的零件族管理系统的研究 文的组织结构如图1 1 所示。 1 7 本章小结 图1 1 论文组织结构 f 逸1 - 1o r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo f t h e s i s 本章阐述了大批量定制、产品族以及产品平台的概念，并在此背景下详细分 析了零件族的相关技术及研究现状。阐述了本文研究的主要内容，并对各部分内 容的作用及实现原理进行了讨论。在参阅了国内外相关文献的基础上，论述了本 文的研究特色及创新点。最后，给出了论文的组织结构。 1 0 青岛科技大学硕十学位论文 2 面向大批量定制的零件族规划方法研究 摘要：本章提出了一种针对企业现有零件的零件族规划方法，通过比较零件 特征的相似度来实现零件的聚类，从而完成零件族的规划。在零件族聚类过程中 由于阀值不同，会形成多种零件族规划方案，为此，本章采用了层次分析法对不 同的规划方案进行评价，从而获取最优的零件族规划方案。 2 1 引言 在面向大批量定制的产品开发中，新零件的设计是以零件族为基础进行的。 关于零件族的建立方法，国内外已经做了大量的研究，取得了一定的成果，提出 了视检法、零件分类编码、生产流程分析法等方法。本文吸取了以上方法的优点， 提出了一种基于零件分类编码的相似度计算方法，通过建立相似度矩阵来辅助设 计人员进行零件聚类，并应用层次分析法对零件族建立方案进行评价。 2 2 零件分类编码 将零件的特征用标识符唯一描述或表示，这个过程即为特征编码。分类编码 是由选取的零件特征的特征编码按一定的顺序组成的。分类编码是成组技术的重 要特点，以此作为信息简化、标准化和建立共享数据库的基础工作和标识工具； 它是用系统的方法来分析各种生产信息，探索信息的属性或特征并对其进行规律 性描述和科学管理【3 1 刀。建立零件分类编码不但可以方便零件的聚类、建立零件族， 而且也有利于零件族和零件的搜索。在现实应用中可能会遇到这样的问题，有一 些有关设计、工艺、制造、装配等方面的信息，并且想根据这些信息去查找零件 族或与其最匹配的零件。由于这些信息大部分都是保存在相应的技术文档中的， 所以很难进行快速的查找。零件分类编码中包含了有关设计、工艺、制造、装配 等方面的信息，所以通过分类编码可以更方便、更精确的查找零件和零件族。建 立零件分类编码的过程可以分为以下三个步骤： ( 1 ) 建立零件特征库。 ( 2 ) 从特征库中选取典型零件特征，并进行编码。 ( 3 ) 根据零件特征编码构建零件的分类编码。 2 2 1 零件特征库 零件特征就是与零件的设计、工艺、制造等相关的零件属性。零件的特征可 分为形状特征、材料特征、精度特征、工艺特征及技术特征等。特征库是由设计 面向大批量定制的零件族管理系统的研究 人员通过对零件的特征分析，抽象出的零件特征的集合。特征库中保存的零件特 征详尽与否将直接影响到分类编码的建立、零件族的形成以及零件的变型，所以， 要在实践中不断的对特征库进行完善。零件特征库应具备以下功能： ( 1 ) 能够对零件的特征进行有效的管理，如添加、修改、删除以及检索等各 种操作。 ( 2 ) 特征库中保存了零件全生命周期中各个方面的特征，这些特征反映了零 件的几何、工艺、装配、维护以及回收等方面的特性，而且能够方便零件根据特 征进行变型。 ( 3 ) 零件的特征具有一定的层次性，某些特征类别可能会由一个或多个子特 征类别组成。因此，在零件特征库中要能够体现出零件特征之间的从属关系。 ( 4 ) 能够体现出各零件特征之间的依赖、互斥等关系。 2 2 2 零件的分类编码 要对零件进行编码，首先要先从特征库中选取重要的零件特征。在实际应用 中，经常会面对着数百张图纸或数百个零件，零件重要特征的选取和形成零件族 要考虑全部零件谱是非常困难的且费时间的。零件特征的选取一般是由人工完成 的，并要求其具有零件谱方面的专门知识，而且必须考虑企业的实际情况等众多 不确定性因素。选取的零件特征后，要对各个特征的子项进行编码。 零件特征的选取是根据企业内部的待划分的零件，从特征库中抽取的。针对 不同的零件从特征库中选取的特征可能是不同的，但是它们都有着一个共同的特 点，那就是都能够反映出相应零件的特点，能够标识此零件的一些重要的设计、 工艺等特性信息。 a如 a a 一。a q l 0 1 a f 2 0 2 一料 图2 1 零件特征编码形式 f i g 2 1t h ef o r m a to fp a r ta t t r i b u t ec o d e 设选取的个，l 特征分别为a ，a ，a n ，其中a ，f 【1 ，z 】包含f 个选项，分别为 1 2 青岛科技人学硕十学位论文 a 。a 。，a 。那么，编码形式如图2 1 所示。例如选取了“热处理 这个特征后， 设定编码规则是2 位数字，那么其子项及其编码可表示为：淬灿1 、回火珈2 ， 退灿3 、正火0 4 、调质舾等。 如图2 1 所示，零件的分类编码并没有体现出特征之间的层次关系，特征之 间的层次关系只能在特征库中体现。 编码人员可以根据制定的编码规则，通过编码组件进行编码( 有关编码组件 的实现方式将在第三章中详细论述) 。需要注意的是，当对一个零件进行分类编 码时，一个零件的特征从特征库抽取后，零件的分类编码并没有确定，因为编码 是编码组件根据相应的编码规则形成的。在制定编码规则时，要将抽取的零件特 征作为码段，而且要体现出各码段之间的关系( 从属关系、并列关系等) 。由于 编码规则是编码的依据，在编码过程中不会改变，这样就根据分类编码来分析出 零件之间相似特征，并进一步求出零件之问的相似度( 详见2 3 节) 。 2 3 零件的聚类 得到了零件的分类编码之后，就可以方便的统计出零件之间共有的特征数 ( 共有特征的统计由零件族规划组件中的统计模块自动实现) ，为零件的聚类奠 定了基础。零件聚类就是将相似度( 如2 3 2 节所述) 较高的各零件聚集在一个 零件族内，方便零件的管理和变型。零件的聚类过程如图2 2 所示。 2 3 1 设置特征权重 零件特征的重要程度是各不相同的，有的特征能够突出体现出零件的特性， 而有些特征在这方面会弱一些。所以，很有必要对零件的特征赋予相应的权重。 这样在判断两个零件的相似度时，不但要计算两零件所共有的特征数，还要考虑 所共有的特征对零件的重要程度。权重的等级如表2 1 所示。 表2 1 零件特征权重 t a b l e2 - 1t h e w e i g h to fp a r ta t t r i b u t e 特征权重说明 此特征不能反映零件的特性。 此特征较弱的反映零件的某种特性。 此特征能够反映出零件的某种特性。 此特征强烈的反映出零件的某种特性。 在实际应用中，如果处理的特征数量很大，则可以考虑将权重进行分组，然 面向大批量定制的零件族管理系统的研究 后对分组设置权重，而不必为每个特征分别设置权重。这种方法可以在误差允许 的范围内，简化零件聚类工作。 规则、 当两个零件的棚似度小丁阀值l 时，这两个零件属j ：不h d 的零件 族。当两个零仆的帛i 似度人j 阀l 值时，其属于柏h , j 的零件族 j 、一一 o 开始 蕊巍愿斗 玛的特征中选取n 个特1 设置其各自的权重。i 结束 图2 - 2 零件族规划过程 f i g 2 - 2t h ep r o c e s so fp a r tf a m i l yf o r m a t i o n 1 4 进 行 下 _ 级 零 件 族 的 划 分 青岛科技人学硕上学位论文 2 - 3 2 零件相似度 计算零件相似度之前，首先要根据零件分类编码得出两零件有哪些相同特 征，然后再根据特征权重计算出两零件之间的相似度。如果两个零件某一特征的 编码相同，就将该特征的比较码位置1 ，否则就置o 。这样就形成了一个与特征 相对应的由o 和l 的字符串组成的比较码。如表2 2 所示。 表2 2 比较码形成过程 t a b l e2 - 2t h ep r o c e s so fc r e a t i n gc o m p a r a t i v ec o d e 零什l 编码 1 20 71 1 6 零什2 编码 1 21 01 1 6 比较码 l01 属性权重93 l 设特征4 ，对零件f 和零件的权重分别为，和，那么，特征4 对零件f 和 零件的甲均权重为盯：堕掣，刻二诩零件与其梢黼的比较码为 q j ”。设选取的特征数为，z ，则零件f 与零件的相似度瓯的计算公式为： 刀 & = 一 m = l ，勺”= 1m = l ，勺= o m 吁 同一零件之问的相似度为0 0 ，由此可得到零件的相似度矩阵s ： s = 0 0 s 1 2 s 2 l o 。 s t l s t 2 得到了零件的相似度矩阵后，可以根据企业的实际情况和实践经验设定一个 阀值七。将s 中的相似度与后进行比较，找出相似度小于七的所有零件 只= ( 朋，p 2 ，p ，) ，那么就可以建立工个初始零件族分类f =