外文翻译--面向定制的产品快速设计平台研究与应用 中文版

面向定制的产品快速设计平台研究与应用 王宗彦，陈英杰，吴淑芳，秦慧斌，陆春月 （中北大学 机械工程与自动化学院，山西 太原 030051） 摘要： 以实现产品快速设计为目标，在参数定制和产品全息模型共享驱动的思想上，对可重用设计资源进行了规划，研究了 “产品 零件 四个层次的资源重用设计方法，广义模块化产品族模型，以及设计中的产品变型设计技术、基于规则和实例推理的匹配技术，实现了模型驱动的产品快速设计；建立了基于 “客户端 /服务器 /工作站（简称 C/ S /W）协同设计的平台自适应体系，搭建了面向定 制的桥式起重机快速设计平台，大幅度提高了设计效率和产品质量，使企业快速响应市场能力显著增强。 关键词： 大批量定制；快速设计；重用设计；协同设计；变型设计；客户端 /服务器 /工作站 中图分类号： 文献标识码： A U， 30051) to 引言 快速设计技术是一门综合的产品设计技术，目前对快速设计的研究集中在产品族建模和规划技术、模块化设计、智能化设计、网络化定制设计、配置设计、变型设计等方面 1。实现产品快速定制设计的策略重点为业务过程重组、信息资源重组和产品结构重组。设计重用通过利用已有设计知识和经验，使定制人员在已有设计基础上通过修改零部件形状和改变属 性参数，对关系型产品模型进行产品结构和信息重组，完成产品快速变型设计。同时，在企业内部或联盟内，利用基于网络的计算机虚拟环境，建立高效、稳定的协作模式和管理模式，可以提高数据共享及信息交互能力，从而使分布异地的设计人员围绕同一个产品设计任务，完成相应部分的设计的子任务，并行、交互、协作地进行快速设计工作，共同完成设计任务 2。设计重用和协同设计强调设计者群体工作的方式，发挥各自专业特长和主观能动，充分利用和管理已有设计资源，达到降低产品成本、提高产品质量、增加产品多样性、缩短开发周期的目的 3。目前国内 外学者对设计重用和协同设计进行了大量研究 46，但是多数以往的产品信息在新的产品中的重用程度不够高，仅仅在零部件级和概念设计阶段有一些较成功的应用，未能将参数化，模块化，系统化的设计思想有机结合在一起。 面向定制的产品快速设计过程，就是以产品族可重用设计资源为基础，通过基于产品主结构的配置和变型，对产品、模块、零件、特征进行定制和重用的过程。本文建立的面向定制的产品快速设计平台，通过对可重用设计资源合理规划、广义模块化产品族模型建立，设计规则定义和推理，以及对产品设计工作流的构架，为面向定制的产品设计提供了一个良好的重用和协同环境。 1 可重用设计资源规划 品族规划设计流程 产品族规划是构建面向定制的产品快速设计的重要内容，资源规划的合理化程度和重用程度，直接关系到新产品对现有制造过程的冲击程度，冲击越大，成本越高。通过合理的规划，可以高效地对产品功能结构模块进行组合，从而减少后续定制过程中产品的多次变型设计，有利于提高产品设计效率。面向定制的产品族规划过程如图 1 所示。细分客户需求客户多样化需求建立产品功能模型功能模块功能结构模块结构模块通用性通用模块变异模块结构模块设计模块特征参数分析产品族通用模块族变异模块族图 1 面向定制的产品族规划设计过程 （ 1）面向产品族的方案设计是一个并行设计过程。从获取客户的多样化需求开始，到产品的市场需求 细分化，细分化的过程就是对客户需求规范化的过程，每一个细分化的结果就是一类客户需求。客户需求包括用户要求、设计条件等原始信息，不同类别的客户需求组成了多样化需求的产品集合，每一个并行的产品集合方案设计构成了产品设计方案。 （ 2）产品集合建立以后，需要根据客户需求确定每一类产品的总功能，进行产品族的模块化规划，进而确定设计目标产品在系列产品中的位置，然后在对构成产品功能层次关系的基础上，基于子功能影响客户需求的程度，进行产品总功能的划分，建立产品的功能模型。根据产品族功能 结构三视图的映射关系，确定子功 能模型的结构单元形式，划分产品的结构功能模块，实现产品族功能模型向结构模型的转化。 （ 3）在划分好的结构功能模块的基础上，根据构成产品模块单元的通用程度，确定各个结构模块的通用程度和变异程度，相应的划分为通用模块和变异模块。模块划分以后，需要对模块结构进行详细设计，模块详细设计是一个并行过程，设计人员根据设计过程中模块特征的通用属性和变异属性，对特征参数进行提取、分析，进行产品族模块的系列化设计和接口设计。最后，根据产品配置方法，通过不同模块的选取和组合，进行产品族的设计，从而得到多样化需求的产品。详细设计 从产品及其构成的角度定义了产品和构成元素的详细特征，为资源重用奠定了基础。 层次设计资源重用模型 产品快速定制设计追求 “产品层 零件层 的多层次重用，有利于减少各层次单元类型，提高产品开发速度，快速响应市场需求。为了提高设计资源重用，需要 把设计知识，包括各种设计结果、决策推理过程、支撑知识等记录下来，并与底层的产品、部件、零件、特征联系起来。 从资源组织管理和建模的过程出发，将产品结构数据按照动态粒度原则划分为可以动态调整的层次结构，最高层为产品级、最底层为制造特征级，高层次的任务包 含低层次的任务，层次结构组织形式如图 2 所示。 产 品 层产 品 总 体 信 息 模 型 产 品 装 配 信 息 模 型管 理 信 息 模 型部 件 层部 件 总 体 信 息 模 型 部 件 装 配 信 息 模 型 管 理 信 息 模 型零 件 层零 件 定 义 模 型 零 件 定 义 模 型 零 件 定 义 模 型特 征 层特 征 关 系 模 型 特 征 信 息 模 型 特 征 方 法 模 型部 件 定 义 模 型 部 件 定 义 模 型 部 件 定 义 模 型产 品 定 义 模 型设 计 特 征 模 型 制 造 特 征 模 型 管 理 信 息 模 型图 2 多层次设计资源重用模型 产品层：产品族位于产品层层面上，描述产品的总体信息、构成信息、管理信息等，是根据客户需求和设计内在的约束为条件进行定制的，它是由下层零部件模块通过一定的装配关系构成的最终产品模型，在符合设计原理的前提下，当客户需求和产品设计的约束条件没有冲突时，这样定制的产品就可以作为重用产品。 部件层：产品族同样适用于部件层，隶属于产品族的模块族，描述部件的总体信息、构成信息和管理信息等，部件层是通过结构和功能分解而划分的模块，可以通过结构、功 能、需求、设计原理等进行定制，它是进行产品配置设计的重要组成模块。 零件层：零件族隶属于产品族的零件族，零件层类似于部件层，描述零件的特征信息、特征之间的关系、特征方法等，是部件层的子件，也是通过结构和功能分解得到的。零件的具体结构是由事物特性表、约束条件、特征值共同决定的，同样以结构、功能、需求、设计原理为条件进行定制。 特征层：特征层位于设计资源组织结构的最底层，描述零件点、线、面等拓扑信息和子特征之间的关系，是由其结构特征和加工制造过程决定的，并以此作为定制条件。 根据产品族设计资源结构图，通过模块化 设计中的标准化和系列化，建立模块化产品知识库、数据库和管理系统，可以构建产品族的模块化体系，这样建立的体系有利于产品模块在配置过程中，提高产品的重用层次（优先权依次为产品重用、部件重用、零件重用、特征重用），最大限度的重用各个层次的产品族实例，提高设计和生产的柔性和敏捷性，大大减小设计和制造的复杂程度。 2 广义模块化产品族关系模型 面向定制的产品快速设计就是要用最小的产品内部多样化满足客户需求的最大多样化，直接表现为零部件的种类和数量最小，产品族设计是实现产品内部多样化最小的有效方式，是产品内部复杂性与外 部多样性的最优化方案，也是产品配置设计和产品变型设计的基础。由于产品的结构与功能是一一映射的关系，因此产品结构的构造就是对功能结构求解的过程，广义模块化产品族结构模型的建立就是通过对系列产品的功能分析，并结合其在设计、制造、维护中的特点，划分并搭建具有更加适应性的广义模块和广义产品平台。通过广义模块的组合或广义产品平台的衍生，在产品通用模块和可用模块的基础上展开设计，靠零部件的拓扑结构标准化以及尺寸参数化形成新的模块，构建模块化产品族体系，从而使不同模块进行组合配置，实现产品的快速设计。通过广义模块化产品族 设计既可以实现标准的、固定的刚性模块化设计，又可根据用户个性化的需求，实现柔性模块的设计。在广义模块化产品族中，模块分为基本模块和可选模块，基本模块是组成产品结构的基本单元，是反复出现和必须包括的模块，即必选模块。可选模块是特殊的、补充的和根据客户特别要求定制的模块，客户可以根据功能需要选择或不选择该类模块。 广义模块化产品族关系模型 如图 3 所示。 产 品 1 总 功 能 产 品 2 总 功 能 产 品 n 总 功 能功 能 模 块 1 功 能 模 块 2 功 能 模 块 3 功 能 模 块 4 功 能 模 块 5功 能 模 块 n. . . . 族 2 1模 块 族 1 1 模 块 族 1 2 模 块 族 2 2. . 族 5 1模 块 族 n 1. . . . 族 n 2模 块 1 1 1 模 块 1 1 2 模 块 1 2 1 模 块 1 2 2 模 块 2 2 1 模 块 2 2 2 . . . . n 2 1 模 块 n 2 2产 品 族图 3 广义模块化产品族关系模型 广义模块化产品族设计采用三种产品调节方法，分别是水平调节、垂直调节和混合调节，如图4 所示。水平调节适用于模块化产品设计，基于相同的 接口，通过模块的添加、替换或移除组成不同的产品。垂直调节适用于参数化产品设计，在常量参数不变的情况下，通过改变可调节变量的变化范围，实现不同程度性能和结构的实例产品。混合调节适用于适应性产品设计，综合使用水平调节和垂直调节方法，具有较大的潜在经济效益。广义模块化产品族就是在充分挖掘和利用这些单元，产品常量参数不变的条件下，通过可调节变量的水平调节和垂直调节，将定制产品的设计问题通过产品重组和过程重组转化为批量设计问题，实现满足客户需求的多样化的产品，快速响应多变的市场需求。 适 应 性 产 品 设 计参数化产品设计模 块 化 产 品 设 计水 平 调 节垂直调节混 合 调 节简 单产 品中 等产 品复 杂产 品图 4 广义化模块化产品族设计 3 面向定制的产品快速设计关键技术 于规则和实例推理的匹配技术 为了支持系列化产品的配置管理，通常采用产品标准化和变型设计建立一个可变型的产品结构模型，实际上，它是包含了可选件和替换件的产品族主结构（ 型。 以根据客户需求，派生出客户定制的产品结构 7,8。需要全面考虑产品模块的所有组成功能，才能建立一个可配置的产品族主结构。基于规则和实例的二级匹配，就是通过 则（产品配置过程中模块选择规则的集合）和存储于事物特性表中的实例的参数，对产品族主结构中可选模块进行选择，并与其它模块有机组合，完成产品族主结构的配置选择。 建立合适的配置设计规则是提高配置设计知识重用性、知识库的可维护性、搜索效率的前提。 则主要是指构成产品模块间的各种约束关系，包括 “关联 ”、 “类属 ”、 “备选组合 ”等。产品定制中，通过模块结构、参数、材料属性等模块的可配置属性获取产品的不同性能 。 基 于 实 例 推 理 是 通 过 客 户 需 求 特 征 集 . 3R f f f f n ， ， ， ， 和产品族主结构对应的变量集 3 . nV v v v v ， ， ， ， 进行匹配运算，从实例库中检索出 客户所需的实例，再对其进行修改设计来完成产品配置的。基于规则的推理可以快速得到所需的实例模型，因此首先采用此方法，如果推理规则层次复杂，采用基于实例的推理，从而借用实例库中最贴近的实例。如图 5 所示为面向定制的产品配置设计流程，配置求解的过程是一个迭代的过程，产品根据客户定制的深度，进行完全自动化或者人工干涉的半自动化的配置设计，完成满足客户需求的产品定制设计。 模 块 实 例 库基 于 规 则 的 方 法基 于 实 例 的 方 法规 则 提 取 、 解 析 模 板 选 择规 则 满 足相 似 匹 配模 块 借 用 实 例模 块 修 改 调 整下 一 模 块结 束 面向定制的产品配置设计流程 于层次事物特性表的产品变型技术 面向定制的产品三维变型设计是在零部件主模型的基础上，采用自顶向下和自 底向上相结合的设计方式，构建产品装配草图，通过形状特征、零部件主模型的交互式建模与产品配置的有机组合来完成的。对零部件主模型的建模，采用产品全息建模和建立层次事物特性表结合的方法进行。全息建模将模型以几何模型和非结构化的信息模型封装，全面表达产品信息，通过零部件特征的建立方法、参数设置、尺寸以及关系约束等在内的每个特征的详细信息，控制装配草图，进而控制柔性模块主模型，完成产品级参数化模型驱动。模块化的变型设计是在模块化产品实例的基础上，根据用户需求查找、匹配相似实例，通过对相似实例中部分模块的替换、修改和创 建实现模块化变型设计的，这样有利于设计资源的共享和重用。在提取设计变量时，首先从一个定义好的模型中提取可供驱动的尺寸参数、特征、约束关系、模型参数等作为设计变量，并将反映零部件的主要特征的设计变量进行分级，如分成 1 级、 2 级、 3 级等，以方便数据查询。在存储所提取的设计变量时，根据设计变量的分级将它们存入相应层次的事物特性表中，采用层次事物特性表的方法建立主模型，不但可以描述装配体组件的组成情况，还可以描述各组件之间的关系。平台只需要根据客户需求输入一组少量的数据，通过改变层次事物特性表中零部件之间的特征参数关 系，就可以实现上一级模块到下一级模块的信息传递，当对产品进行变型时，将每一层事物特性表中的数据传递给参数化 件的 数，软件会自动派生客户所需的变型产品，层次事物特性表如图 6 所示。 I D L L 1 . . . 1 2 . . D 2B A . . . . . . . . . . . . . d N L L 22 1 4 C D. . . . . . . . . . . d 1 1 2 2 6. . . . . L L 1 . . 6 0 3 2 . . . . . . . . . . k 1 k 2 . . D 28 2 4 . . . . . . . . . . 子 模 块零 件零 件零 件图 6 层次事物特性表 4 平台实现与应用 桥式起重机作为一种结构形式相对稳定，系列件、通用件和相似件占一定比例的产品。 实际设计过程中，各种结构并不完全是全新的开发，大部分是通过参考已有的同类设计，利用知识和经验完成的，因此采用基于主模型和主文档的参数化变型设计。在模块划分的基础上，再进行后续的详细设计，同时，设计过程 中不仅要考虑整机和部件结构、功能的需求，还要考虑性能的要求，以保证其强度和刚度等方面的需求。对于设计过程中的项目、人员、产品、文档、数据等信息又需要有效的管理，因此需要管理模块进行管理。 基于以上分析，开发了某型号桥式起重机快速设计平台，该平台在集成了三维图形处理软件 据库管理软件 智能 统基础上，以生产设计知识 (包括设计手册、标准、规范以及专家经验等 )的存取和管理为核心内容的知识库管理系统的基础，形成 了其智能 统操作平台。当用户通过界面进行详细设计时 ,实际上是在重新设计数据库中存放的数据 (但数据结构保持不变 )，这些数据被用户确认以后，将通过与模型一体封装的规则对模型发生作用，从而产生新实例。 面向定制的桥式起重机快速设计平台体系结构 面向定制的桥式起重机快速设计平台体系结构如图 7 所示，包括界面层、功能层、接口层和支撑层四个层次。 图 7 面向定制的产品快速设计平台体系结构 （ 1）界面层：界面层是用户和平台的交互界面，包括用户登录界面和参数定制界面，实现用户、产品相关信息的输入和输出功能 。登陆界面实现用户身份确认的目的，参数定制界面实现用户对产品详细设计的目的。界面应该具有良好的可视性、完善性、易操作性和容错性等功能。 （ 2）功能层：功能层是实现平台功能的核心层，展现功能实现的内容，包括平台管理、知识库管理和推理模块。平台管理包括用户权限和注册信息的管理；知识库管理包括对产品实例库、设计知识、产品配置、设计规则等内容的管理；推理模块是指基于规则和实例的推理。通过这些过程可以展开平台和设计者的人机交互，完成产品定制的具体操作。 （ 3）接口层：接口层是实现功能层各种功能的有效通道，包括三维软件 的 数接口、管理软件的函数接口以及数据库的连接接口。接口层又可以分为内部接口和外部接口。模块通过内部接口进行参数传递、函数调用，以返回值的方式进行信息传递。外部接口是用户通过输入界面和菜单进行交互的接口，通过入口参数，出口参数与平台模块进行传输。 （ 4）支撑层：支撑层作为平台的基础层，其它层必须以支撑层为依托才能正常运行，实现各种功能。支撑层是设计资源的核心内容，涉及到产品实例库、数据库、设计知识库以及其他资源库等内容，因此对其数据的调用很严格，只有享有权限的人员才可以浏览和利用。 台工作流 程 协同设计将位于不同地点的设计人员为某设计任务相互协同工作，并行开发，共同完成任务。由于参数化模型驱动与工程图调整需要一定的运行时间，如果用户过多，就会造成用户等待的时间比较长，这样会降低工作效率，基于此设定几个工作站，使工作站处于并行工作状态。本平台在传统C/S（客户端 /工作站）的基础上，采用 C/S/W（多客户端 /单服务器 /多工作站）架构，并与 统集成， 相应的应用程序包括客户端程序，服务器端程序，工作站程序，三者之间以数据库为媒介进行通信，如图 8 所示。客户端程序为一般用户使用，负责参数设置与提交； 服务器端程序为数据管理程序，负责数据处理和维护；工作站运行模型驱动程序，负责模型驱动、工程图调整和文档生成。 在平台初始化登录界面中不同的客户端将工作站 行不同的设定，当客户端将数据存到服务器上后，工作站将根据用户设定的 行相应的模型驱动与工程图调整，这样就能保证多个工作站同时工作而互不干扰，提高工作效率。同时，由于加入了由于与 统的集成，有利于客户端协同设计，以及项目和文档的管理，客户端设计人员可以根据相应的权限对相应的部件进行并行设计。该平台是一个网络化的设计计算软件，各个设计环节的数据处理 以及设计环节之间数据交互高度自动化，设计人员个体是分散的但设计信息却是高度共享的，设计结果并能及时将仿真结果反馈给设计平台进行设计修改。产品项目信息、模型调用信息、设计参数信息、接口信息实现了不同程度的共享和重用，设计人员可以随时随地地进行产品的设计。 管理员对新到的定制合同首先需要创建项目，确定主任设计师和设计员，然后由主任设计师负责产品的创建，最后设计员根据分配的操作权限对相应的部件进行设置，客户端各设计师在主任设计师的安排下对产品进行定制设计，主要负责设计参数的计算与优化。 设计人员对已有权限的产品进行 参数定制后，服务器接收到客户端的服务请求后，对相关的数据执行查询、增删、修改、计算等操作，然后把计算结果传递给工作站，工作站负责产品模型、工程图和文档的生成，最后把运行结果返回给服务器，用户从服务器上下载定制的产品和文档。采用 C/S/W 结构模式大大简化了客户机的工作，使设计人员工作于同一项目，实现多用户的协同设计。 文件服务器数据服务器创 建 项 目项 目 基 本 信 息 主 任 设 计 师 设 计 员. . 产 品产 品 信 息 外 观 设 置. . 设 计 结 果桥 式 起 重 机 模 板主 梁 模 板. . 梁 模 板 端 梁 模 板用 户 管 理 文 件 在 线 传 输项 目 管 理材 料 设 置整体设计流程客 户 端 工 作 组工 作 站 组产 品 设 计参 数 报 告三 维 模 型工 艺 信 息统 计 表计 算 书工 程 图有 限 元 分 析 程 序模 型 驱 动 程 序工 程 图 调 整 程 序提 交数 据下 载文 档获 取 数 据批 量 检 入客 户 端 应 用 程 序参 数 设 置 程 序数 据 存 储 数 据 维 护数 据 容 错机 制并 发 处 理数 据 库 技 术工作站程序P D M 技 术B O M 表图 8 客户端 /工作站 /服务器工作流程图 台开发模块 （ 1）设计计算模块 设计计算模块主要是指基于知识和实例的设计模块，由于起重机设计中，客户定制的参数很大一部分需要根据起重机行业 标准进行数学计算得到，因此需要设计计算模块进行数据的大量运算。在桥式起重机中，设计计算模块的对象是主梁、端梁、副主梁等主要部件。本平台结合数据库，把设计知识存储在数据库中，并根据订单需求和设计知识建立了完善的计算模块，完成了桥式起重机典型零部件的设计计算。 （ 2）数据库支撑模块 由于产品设计中，会涉及到大量的设计手册、结构规范、标准、经验数据、推理规则等设计知识，为了方便查阅和提取，就需要以数据库的形式建立知识库。同时，客户定制的参数需要借助于数据库存储，以便后续参数化变型和分析的随时调用。数据库可以随着使 用的过程不断扩充，方便后续设计。 （ 3）管理模块 管理模块主要包括用户管理模块、数据库管理模块、项目管理模块。用户管理模块又包括删除用户、创建新用户、修改用户权限（读、写、删除）三个模块。数据库管理模块包括创建新数据，数据维护和查询等内容。项目管理模块包括产品版本管理、生命周期管理、人员管理三个模块。 （ 4）校核模块 校核模块是指参数化有限元分析模块，主要是利用有限元分析工具完成桥式起重机零部件结构的分析和评价。产品参数化变型设计后，为了保证产品安全，需要对其进行有刚度和强度的校核，如果校核结果不满足设计要 求，则需要结合设计计算模块，通过对主模型参数修正进行再确定，重新进行驱动、校核，直到设计出满足安全和客户需求的产品。校核过程中，以设计对象和定制参数为准，在 数化设计语言，建立其简化结构的有限元模型，并进行求解及后处理，实现参数化有限元分析全过程。 （ 5）模型、文档生成模块 模型生成模块是指产品三维参数化变型的驱动模块。文档包括记录定制产品参数信息、用户个人信息、平台使用信息的各种文档。产品信息是对产品结构和 质量的定性反应，对用户必不可少，包括各种参数报告、有限元分析报告。用户个人信息和平台使用信息是用来保证平台安全使用必需的，包括各种历史记录、日志报告。这些文档需要通过文档生成模块来生成。 （ 6）工程图调整模块 桥式起重机相关的工程图与其对应的模型是一一映射的，平台中模型与工程图双向驱动，模型参数化变型后