（航空宇航制造工程专业论文）基于sml的caxpdm集成技术研究.pdf

摘要 大批量定制生产模式正在成为2 1 世纪制造业的主流生产模式。事物特性表( 德 文；s a e h m e r k l e i s t e n ，英文：t a b u l a r l a y o u t so f a r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c s ，简称s n i l ) 授术是实现大批量定制生产模式的关键技术之一。基于s m l 的c a x p d m 信息交 换和托享的研究对于企业核心竞争力的提高具有重爱的意义。本文在分析面向大 批量定制的产品丌发设计过程的基础上，对基于s m l 的c a x p d m 集成技术避行 了研究，实现了面向大批量定制产品开发设计过程中的资源共享和功能集成，主 要研究成果包括以下四个方面： 】、研究了面向大批量定制的产品开发设计过程，从基于s m l 的产品开发和 产品设计两个角度，对基于s m l 的产品建摸、产品配置设计和产品变型设训过程 进行t 分析，提出了基于s m l 的c a x 与p d m 集成的具体需求。 2 、完成了基于s m l 的产品设计、工艺、制造与测量集成平台设计。提出了 一个以基于w e b 的p d m 系统为基础，s m l 为核心，c a x 系统为要素的集成平台 体系结构，并重点对集成平台信息建模的过程进行了详细的讨论，建立了一仓由 事物特性模型、业务对象模型和数据对氰模型组成的基于s m l 的产品模型。 3 、研究了基于s m l 的平台集成方法。针对s m l 管理组件和摹予s m l 的c a x 系统与p d m 系统进行集成的不同需求，提出了功能集成和数据集成两种不同的集 成策略，并从集成目标、集成功能和实现方式等三个方面对这两种集成策略指导 下的平台集成方法进行了深入的研究。 4 、采用e y b 、c o m 、x m l 等技术，在a v i d m 甲台上完成了s m l 管理组件 和a v l d m 客户端的设计与开发，实现了基于s m l 的c a x 系统与p d m 系统的集 成，初步构建了基于s m l 的产品设计、： 艺、制造与测量一体化集成平台的原型 系统。并以汽轮机转子为应用对象，对文中提出的理论框架、技术体系和软件系 统的正确性进行了验证。 关键词：事物特性表，c a x ，p d m ，系统集成，集成平台 i a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o ni sb e c o m i n go n eo ft h em a i np r o d u c t i o nm o d e si nl h e2l ” e e n t u nt h et a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ee h a r a c t e r i s t i c sa r co n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e st o s u p p o r fm a s sc u s t o m i z a t i o n t h er e s e a r c h0 1 1i n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n ds h a r i n ga m o n g c a d c a p p ，c a m c a o 伊d m ，w h i c hi sb a s e do nt h et a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l e c h a r a c ：e r i s t i c s i si m p o r t a n tt oe n h a n c et h ec o r ec o m p e t e n c yo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y b a s e do nt h ea n a l y s i so fd e s i g nf o ri r i a , s sc u s t o m 注a t i o n ( d f m c ) t h ei n t e g r a t i o n t e c h n o l o g yo fc a xa n dp d m s v s t e mi ss t u d i e db a s e do nt h et a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l e c h a r a c t e r i s t i c s m s i nr e s e a r c ha c h i e , r e m e n t sa l - ea sf o f l o w s ： 1 t h r o r l g ht h ea n a l y s i so fp r o d u c tm o d e l i n g ，c o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dv a r i a n t d e s i g nf o rd f m c ，t h e a c t u a ld e m a n do ft h ei n t e g r a t i o nb e t w e e nc a xa n dp d m s y s t e m i sp r o p o s e d 。 2 t h ea r c h i t e c t u r eo fi n t e g r a t i o np l a t f o r mb a s e do hp d m ，c a xs y s t e ma n dt h e t a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c si sb r o t i 西1 tf o r w a r dt h er e s e a r c he m p h a s i si s l a i d 锄t h ei n f o r m a t i o nm o d e l i n gf o ri n t e g r a t i o np l a t f o r m w h i c he s t a b l i s hap r o d u c t m o d e lb a s e do nt h et a b u l a rl a y o u t so fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi sc o m p o s e do f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c sm o d e l p r o d u c to b j e c tm o d e la n dd a t ao b i e c tm o d e 】 3 。t h ei n t c g r a t i o am e t h o do fp l a t f o m lb a s e do nt h et a b u l a r 【a y o u t so fa r t i c l e e h a r a e t e r i s t i e si sp r e s e n t e d a i m e da tt h ed 姐f e r e n td e m a n do ft h ei n t e g r a t i o nb e t w e e n c a xa n dp d ms y s t e m ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt w oi n t e g r a t i o ns t r a t e g i e sa n dm a k e sa d e t a i li e s e a r c ho i li n t e g r a t i o nm e t h o d 、m d e rt h et w oi n t e g r a t i e ns t r a t e g i e s 4 a c c o r d i n gt ot h e8 r c h i t e e t u r ea n di n t e g r a t i o nm e t h o do fi n t e g r a t i o np l a t f o r m ，t h e p r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e d 埘t he j b ，c o m ，x m i 。a n da st h ea p p l i c a t i o ne ) ( a m p l e ， t h ed f m c p r o c e s so ft h er o t o ro f s t e a mt u r b i n ei sg i v e nt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so f t h ea r c h i t e c t u r eo f t h ei n t e g r a t i o np l a t f o r ma n dt h ef e a s i b i l i t y o f t h ei m e g r a t l o nm e t h o d k e y w o r d s ：t a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ；c a x ；p d m ；s y s t e mi n t e g m t l o n i n t e g r a t i o np l a t f o r m i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 现代企业环境变化与大批量定制生产 2 0 世纪9 0 年代以来，以信息技术为核心的高新技术的迅猛发展，极大地缩小 了各国、各地区间的空间距离，有力地带动了经济全球化的进程。进入新的世纪， 随着经济全球化进程的加快，物流、资金流、信息流在信息技术的支撑下突破国 界流动，大大地促进了全球制造的形成、自n n i l 了企业间的竞争。制造企业专注自 身核心竞争力的提高已成为世界制造企业的变革趋势【1 】。在这种趋势f ，企业生产 和经营活动的重点已经从传统的以产品市场为中心转变为以客户需求为中心。按 照客户的个性化需求提供一对一的产品和服务，成为企业在激烈的竞争中生存和 发展的主要手段。开发和生产与众不同、满足客户个性化需求的创新产品，已成 为制造企业追求的最主要目标和衡量企业市场竞争力的重要标志【2 。 在此背景下，大批量定制( m a s s c u s t o m i z a t i o n ，m c ) 得到了迅速的发展，正 在成为2 1 世纪制造业的主流生产模式p - 9 1 。大批量定制是一种集企业、客户、供应 商和环境于一体，在系统思想指导下，用整体优化的思想，充分利用企业已有的 各种资源，在标准化技术、现代设计方法学、信息技术和先进制造技术等的支持 下，根据客户的个性化需隶，以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制 产品和服务的生产方式。其核心思想是：尽可能减少产品内部多搀化( i n t e r n a l v a r i e t y ) ，增加体现客户价值的产品外部多样化( e x t e r n a lv a r i e t y ) 。产品的内部多 样化通常表现为零部件、工具、夹具、原材料、工艺过程和组织机构等方丽过多 的和不必要的种类；而产品的外部多样化则直接面向客户，往往与客户需求的多 样化直接相关。 大批量定斜要求尽可能减少产品中定制零部件的比例，即减少新设计零部件 和适应性设计零部件数量，加大变型设计零部件和标准件的比例，用尽可能少的 零部件种类组合成尽可能多种类的产品，即用尽可能少的产品内部多样化，产生 尽可能多的产品外部多样化。为了达到这个目标，需要综合采用各种技术，如面 向大批量定制的开发设计、管理、制造和相关的支撑技术等。其中，面向大批量 定制的开发设计技术是实现大批量定制的核心，包括产品建模、产品变型设计和 产品配置设计等三个方面。 在大批量定刺生产模式下，如何利用相似性原理、可重用原理和全局性原理 进行产品建模、产品变型设计和产品配置设计是进行大批量定制生产的核心，电 是企业应对现代经济环境变化，快速响应市场变化，提升自身竞争力的关谜所在。 l 第一章绪论 1 1 2 事物特性表技术 事物特性表( 德文：s a c h - m e r k l e i s t e n 。英文：t a b u l a rl a y o u t so fa t t i c l e c h a r a c t e r i s t i c s ，简称s m l ) 是指将产品( 包括部件、零件) 的功能、几何、制造 等事物特性以表的形式反映出来的信息集合。它定义了从对象组中表征和区分某 个列象的挟定性特性，规定了特性数据的表示格式，使零部件的特性数据能够方 便地在不同的系统之间交换，是建立可变型的积木块产品系统的重要组成部分。 事物特忭表技术于1 9 4 8 年起源于德国。德国于1 9 8 1 年颁发了工业标准 d i n 4 0 0 0 i 8 1 事物特性表定义和原理国家标准。国际标准化组织在d i n 4 0 0 0 标准的基础上制订了i s 0 1 3 5 8 4 零件库( p a r t sl i b r a r y ) 标准，试图从设计方法 学的角度来解决企业间和企业内的产品资源共享问题。我国也等效采用了d i n 4 0 0 0 标准，公布了g b t 1 0 0 9 1 1 - 9 5 事物特性表定义和原理国家标准。 国标g b t 1 0 0 9 1 】9 5 事物特性表定义和原理中明确规定了s m l 的格式， 如表l ，1 所示。 表1 1 国标g b t 1 0 0 9 1 规定的事物特性表的空白规范结构 事物特性表g 1 b t1 0 0 9 1 x x 1 从n ( 此域填写对象组名称) 特性代码 b l dabcdef l g l hj 特性名称 圈号 li 单位 lj s m i ，由表列和表行构成。图中第三行a j 分别代表事物的9 个特性( 不用字 母i ) ，第四行给出了事物特性的名称。其中表列是构建s m l 表头的对象，在表列 中存放表列的各种属性，如特性类型、特性名称、单位、取值范围、袁列公差、 对应于c a d 中的变量名、是否为用户输入特性以及是否指向下一级事物特性表等。 这些属性可以根据需要进一步扩充。s m l 中的每一个表行代表了一个实例化的对 蒙，即一个具体的形状元索或零部什。在产品的不同层次，s m l 描述u 不同的内容。 如在零件层次上，它描述零件的几何特性：在装配层次上，它描述参与装配的对 象以及各对象的基准定位点。s m l 还可以表达各种对象之间的关系。 大批量定制生产的核心是如何利用相似性、重用性和全局巾牛原理进行产品建 模、产品变型设计和配置设计。s m l 技术从设计方法学的角度，运用相似性和重 用性原理，将企业产品进行系列化、标准化，从而解决企业间和企业内的产品资 源共享与重用的问题。利用设计合理的s m l 可以方便快捷地进行产品变型设计和 配置设计，从而有效地实现对产品全生命周期下游过程的变型晌应。可见。s m l 技术的应用是解决面向大批量定制产品开发设计问题的有效手段。 目前，国内外关于s m l 技术的研究以及s m l 技术与大批量定制生产盼陂用 研究主要集中在以下两个方面。一方面，采用s m l 对产品和零部件进行表达，实 现对产品和零部件信息的共享，并支持网络环境的协同设计，这己在零件库标准 西北工业大学硕士论文 ( i s 0 1 3 5 8 4 ) i ”埽口基于w e b 的零件库系统 1 3 , 4 5 , 4 6 1 9 p 得到了应用；另一方面，主要 集中在产品开发设计的前期阶段，如产品的设计阶段。文献 1 4 1 7 1 对基于s m l 的 产品变型设计理论进行了研究，并且提出了一些s m l 与c a d 系统相结合的方法。 为了更好的支持大批量定制生产，提高产品开发没计的质量，快谜响应复杂 多变的市场环境，迫切需要将s m l 技术拓展至产品开发的下游，研究基于s m l 的c a p p 、基于s m l 的c a m 、基于s m l 的c a q 方法，以及研究基于s m l 的 c a d c a p p c a m c a q 等系统之间信息交换和共享等集成问题。 1 1 3c a x p d m 集成技术 c a x ( c a d ，c a p p ，c a m ，c a q 等计算机辅助系统的统称) 系统的应用不 仅要面向设计创新和过程刨新，还要强调信息的集成与管理，以解决由于各软件 系统之间信息不能自动传递和交换造成的“信息孤岛”现象。p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，产品数据管理) 技术是一门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【l “。p d m 明确定位为面向制造企业，以产品为管理核心，以 数据、过程和资源为管理信息的三大要素。p d m 系统作为集成、平台，一方面可以 为c a x 系统提供数据管理与协同工作的环境，另一方面还可以为c a x 系统的集成 运行提供支持。 一 耳前，国内外对于c a x f p d m 集成技术迸行了广泛的研究 1 9 - 2 1 l 。文献 2 2 2 4 】 对于c a x p d m 系统之间封装、接口和集成3 种数据交换模式进行了研究。文献 2 5 】 提出了个基于i m a n 平台的c a x p d m 集成体系结构及实现方案。文献f 2 6 1 提出 了c a x 与网络数据库交换数据的结构体系以及借助“信息反供给”的统一产品信 息模型进行系统集成的实现方案。文献【2 7 】分析了c a x p d m 松散集成与紧密集成 两种方式的基本原理，指出了采用松散集成方式的优越性。文献【2 8 1 借助商业软件 t e a m c e n t e r 实现c a x 集成，为异构应用系统之间的信息集成提供了一种方法， 随着大批量定制生产模式在企业中的实施，在其支持下，p d m 系统得n t 更 加有效的应用。大批量定制是一种能够充分发挥p d m 系统各种功能的先进生产模 式。反过来，p d m 也是支持企业实现大批量定制生产模式的关键技术之一。因此， 面向大批量定制产品开发设计过程的c a x f p d m 集成技术而逐渐成为c a x p d m 集 成技术研究的一个新的方向。文献 2 9 1 基于s m ，技术，对c a d p d m 系统集成的 关键技术进行了一定的研究。提出了在接口集成方式下，运用3 层系统集成框架 对c a d 系统、p d m 系统和s m l 进行集成的方法。文献i3 0 1 分析了p d m 3 dc a d 集成系统的产品族设计过程，介绍了一种面向大批量定制的基于s m l 的产品族信 息模型，并采用基于代理的异构系统间的互动集成方式，实现了p d m 3 dc a d 的 系统集成。 可以看出，目前国内对于c a x p d m 集成技术的研究已经非常深入，对面向大 批量定制产品设计开发过程的c a x p d m 集成技术也进行了一定的探索。s m l 技 术是实现大批量定制生产模式的关键技术。实现基于s m l 的c a x p d m 的集成， 1 j 第一章鳍论 i i ii i i , , l ! ! 日s | 目_ g | s g s 目e 自j 目目g ! 目! ! 自! ! ! ! e ! ! 自s ! ! ! 自! ! ! | ! i _ 可以将s m l 技术拓展至产品全生命周期的各个阶段，在产品设计的初期就进行面 向工艺、面向制造和面向测量的分析，减少产品设计制造过程中的反复，提高产 品设计制造的效率。但从目前国内外研究现状来看，对基于s m l 的c a x p d i m 集 成的相暮研究还比较少，没有形成比较完善的技术体系。 1 1 4 研究意义 现代企业环境的变化以及顾客需求的多样化和个性化，使大批量定制生产模 式得到了迅速的发展。实现大批量定制已经成为企业提高自身核心竞争力的一个 重要手段。s m l 技术是实现大批量定制生产模式关键技术之一，但是目前对s m l 技术的研究还仅仅局限于产品开发设计的前期阶段。为了更好地利用s m l 实现企 业的客户化生产和快速响应制造，有必要将s m l 的原理、方法和技术拓展到产品 全生命周期的各个阶段。这不仅需要研究基于s m l 的产品建模、变型设计和配置 设计技术，也需要研究s m l 技术在产品的工艺、制造和测量等下游阶段应用的原 理和方法，更需要研究面向产品开发设计全过程的基于s m l 的c a d 、c a p p 、c a m 、 c a q 系统与p d m 系统的集成模型、集成功能和实现技术，从而更好地支持大批 量定制生产模式在企业的实施。 为此，本文着重对基于s m l 的c a x p d m 集成技术进行研究，解决p d m 系 统对s m l 技术进行支持的问题，构建基于s m l 的产品设计、工艺、制造与测量 一体化集成平台，实现大批量定制生产过程中基亍s m l 的产品资源若享、过程协 同和功能集成。基于s m l 的c a x p d m 集成技术研究可以为大批量定制生产模式 的应用实施提供有力的技术支撑，对企业应对现代快速变化的市场环境，提高产 品设计制造中的创新能力、快速响应制造能力以及企业核心竞争力有着重要的意 义。 1 2 主要研究内容 本文研究内容来源于国家8 6 3 高技术研究发展计划资助课题( 2 0 0 5 a a 4 1 1 9 1 0 ) 中德合作基于s m l 的协同产品设计、制造与测量集成系统“p r o n e t ” 预研项目中的对基于s m l 的c a x p d m 集成技术研究。 围绕基于s m l 的c a x p d m 的集成问题，本文将主要从以下三个方面深入开 展研究工作； 1 、集成平台的设计 基于s m l 的产品设计、工艺、制造与测量一体化集成甲台的构建是本文研究 的主要目的。本文构建了个以基于w e b 的p d m 系统为集成基础，s m l 为集成 核心，基于s m l 的c a x 系统为集成要素的集成平台。重点围绕其体系结构，功 能模型和信息模型等三个方面对集成平台的设计进行讨论，并通过集成来解决目 前绝大多数现有的p d m 系统没有提供对s m l 技术支持的问题。 i i i i i i i i i i i 薯；i i i j 薯i i j i i i 4 西：l n - 业大学硕士论文 2 、集成方法的研究 基于s m l 的c a x p d m 系统集成方法的研究是构建集成平台的核心。由于不 同系统在集成平台中的地位与作用各不相同。如果只采用一种集成方法，则很可 能会在实际的开发工作中付出很大的代价。因此，针对不同的应用系统与p d m 的 集成必须采用不同的集成方法，使得集成能以最简便的方式完成。本文针对不同 应用系统对集成的具体需求，提出不同的集成策略。并从集成目标、集成功能和 实现方式等三个方面对集成策略指导下的集成方法进行详细的讨论。 3 、平台开发与应用 以北京神舟航天软件技术有限公司的p d m 产品a v i d m 为基础，按照本 文提出的集成框架和集成方法，完成对s m l 韵支持和对基于s m l 的c a x 系统的 集成开发，初步构建基于s m l 的产品设计、工艺、制造与测量集成平台的原型。 最后以汽轮机转子为应用对象验证本文提出的理论框架、技术体系和软件系统的 正确性。 1 3 全文总体结构 全文共分为六章，总体结构如图1 1 所示 基础 郜舟 核心 部分 应用 部分 图1 一i 论文总体结构 各章节的论述内容具体安排如下； 第一章，绪论。介绍本文研究的背景及意义，s m l 技术和c a x p d m 集成技 术概况及研究现状。提出本文的主要研究内容和论文总体结构。 第二章，基于s m l 的产品开发设计过程。简要介绍面向大批量定制的产品开 发设计过程，包括基于s m l 的产品建模过程、产品配置设计和变型设计的过程， 并在此基础上提出对集成的具体需求，从而为基于s m l 的集成平台设汁和集成方 法研究奠定基础。 第三章，基于s m l 的集成平台设计。对集成平台的构建进行总体规划，主要 5 第一章绪论 包括集成平台体系结构、功能建模和信息建模等三个方面的内容。 第四章，基于s m l 的系统集成方法。针对小同的应用系统与p d m 集成的特 点，提出集成平台构建策略，并从集成日标、集成功能和实现方法等几个方面对 s m l 管理组件和基于s m l 的c a x 系统与p d m 的集成方法进行介绍。 第五童，集成平台开发与应用。具体介绍在a v i d m 平台上进行丌发、实现对 s m l 的支持和对基于s m l 的c a x 系统的集成的具体过程。最后以汽轮机转子作 为应用对象，进行系统验 正。 第六章，结论与展望。对全文研究内容进行总结，对后续研究工作进行展望。 1 4 本章小结 本章首先分析了本文研究的背景，指出了s m l 技术的蘑要作用。接着，通过 对相关技术研究现状的介绍，阐明了本文研究的目的和意义。最后，对本文的研 究内容和章节安排进行了介绍。 ；i i i i i i i i i i i i i i i i i 声i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 皇i 葺葺宣i 宣i 6 第二章基于s m l 的产品开发设计过程 s m l 技术是支撑大规模定制的关键技术之一，它从设计方法学的角度，运 用相似性和重用性原理，将企业产品进行系列化、标准化，以减少产品内部多样 性、增加其外部多样性，从而实现产品的六规模定制。为了更好地使用s m l 技 术进行产品大规模定制，一方面，需要将s m l 的原理、方法和技术拓展到产品 的设计、工艺、制造与测量等过程；另一方面，需要进行基于p d m 技术的产品 开发设计全过程集成，实现资源共享、过程协同和功能集成。为了对基于s m l 技术的c a d 、c a p p 、c a m 和c a q 进行全面集成。必须深入分析基于s m i 的 产品开发设计过程及其特点，从中挖掘出对开发设计全过程进行集成的具体需 求。先此，本章首先对产品开发设计过程进行分析( 2 1 节) ，指出产品开发过程 与设计过程的主要区别以及过程中的具体工作：然后从基于s m l 的产品开发( 2 ，2 节) 和产品设计( 2 3 节) 两个方面，重点讨论基于s m l 的产品建模过程，即基 于s m l 的零部件主文档和产品主结构的建立过程，以及产品配置和变型设计过 程：最后分析得出基于s m l 的集成平台的具体需求( 2 4 节) ，从而为后续章节 的研究工作奠定基础。 2 1 产品开发设计过程分析 随者火批量定制牛产模式在企业的实施，企业内的产品开发设计过程也会做 出相鹿的调整。c i p e ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o d u c te n g i n e e r i n g ，计筒机集成产品 工程) 主张将合同生产型企业的产晶研发工作分成两个部分，或至少存逻辑上分 成两个部分，即产品( 或零部件) 开发和产品设计。产品( 或零部件) 开发负责 新产品和标准模块的开发，这部分工作具有一定的电i j 新性；产品设计的主要任务 则是根据合同中顾客的具体要求选择适当的系列产品或组合产品，并按合同的要 求进行配置设计和变型设计，以确定产品的实际结构或者零部什的具体尺寸。表 2 - 1 描述了产品开发设计过程以及各个过程参与部门之间的关系”j 。 表2 - 1 产品开发设计过释 产品设计 产品开发 产品配置产品变型 毒晶规划铠售 设计 开发设计 成本核算下艺过秽规划 标准化资料档案 参与部门 工艺过程规划 成本核算 市场开发和销售 j 力能定义虚拟产品展示派生物料消单 主要活动 确定解原理产品配置派生公群幽 7 确定模块结构编制报价书派生j ：芝过利规划 确定技术方案派生子群序 制造原型派生使州说明仔 标准化 规范化 编制主文档 设计主结构 由此可见，“开发”和“设计”是两个具有不同涵义，但又紧密联系的两个 概念。“产品开发”是一个创造性的过程，其主要任务是：裉掘对市场需求的预 测确定新产品的工作原理；进行新产品的概念设计：建立标准化、舰范化的产 品模型。“产品设计”的主要任务是：根据客户的订单迅速提供准确的报价；利 用在开发过程r 1 建立的产品模型，快速设计产品，缩短定制产品的交货周期。 面向大规模定制的产品开发设计技术是实现大规模定制的核心。针对不同的 产t 帛特征以及不同的生产方式，可以采用不同的产品开发设计技术。图2 - 1 为采 用了s m l 技术的一种面向大规模定制的产品开发设计过程口j 。 图2 - 1 基于s m l 的产品开发设计过程 如图2 - l 所示，基于s m l 产品开发过程可以进一步分为两个阶段：即前期 工作阶段和产品建模阶段。前期工作阶段的主要任务是在设计方法学的指导下， 对企业已有的产品进行标准化和规范化。产品的标准化是指产品构成内容和产品 构成相关资源的标准定义：规范化是指规范产品定义的过程与内容，以有效地控 8 西北工业大学硕士论文 制由于设计的随意性而造成的产品构成的多样性口”。产品的标准化与规范化是产 品开发过程中重要的基础工作，进行产品的标准化与规范化，是充分利用企业的 产品资源，快速进行产品设计过程的前提。只有做好了标准化与规范化工作，才 能够顺利地建立支持快速配置和变型设计的产鼎模型。由于产品是由零件和部件 组成的，所以产品标准化与规范化可以归结为零部件标准化与规范化的研究。产 品建模阶段的主要任务是对产品规划阶段提出的各种产品性能需求进行分析，通 过功能分析，原理分析，结构设计和详细设计等各个阶段形成新产品；然后在前 期工作阶段的基础上建立零部件主文档和产品主结构，为产品设计过程做好技术 准备。s m l 技术是构建零部件主文档和产品主结构的关键技术。建立基于s m l 的产品模型可以方便地进行产品设计过程的各项工作。2 2 节将对基于s m l 的产 品开发过程做进一步的介绍。 基于s m l 的产品设计过程是指根据客户需求，在基于s m l 的产品开发过程 中建立的零部件主文档和产品主结构的基础上采用配胃设计和变型设计的方法 迅速设计出定制产品的过程。产品配置设计就是根据在p d m 系统中存放的一系 列规则，在产品主结构的基础上，按照不同客户的需求，形成客户定制产品实例 基本结构的过程。产品变型设计就是根据用户或设计人员的需要，由用户或设计 人员输入零部件的主要参数，借助于s m l 驱动参数型产品零部件主文档的参数 表，快速生成满足用户要求的个性化产品的各种文档，如2 d 3 d 模型和亡程图、 工艺过程规划、n c 程序、安装说明等。产品变型设计是实现产品外部多样性的 最重要的工作，2 3 节将对产品设计过程做进一步的介绍。 2 2 基于s m l 的产品开发过程 基于s m i ，的产品开发过程的主要任务是建立产品模型、i 形成零部件主文档 和产品主结构。零部件主文档和产品主结构建立的前提条件是产品零部件的标准 化和规范化。主文档作为一种模板，结合s m l 就能够快速派生出与祥尸定制相 关的各种产品描述文档。主结构描述了一个可配置的、包括所有标准构件的模块 化产品系统的组成情况。客户可以根据不同的需求，从产品主结构中派生出客户 定制的产品结构。本节从零部件标准化和规范化过程出发，通过对主文档和主结 构概念及原理的介绍，详细讨论零部件主文档和产品主结构的建立过程，并提出 产品开发全过程集成的具体需求。 2 2 1 零部件的标准化和规范化 零部件标准化的目标就是减少零部件的种类，提高零部件的使用频率。通过 减少零部件种类，进而减少企业物品编号、工艺过程规划、n c 程序以及其他各 种相关文档数量，最终达到降低产品成本的目的。标准化工作可以从形成整个 产品族的零部件分析开始。对具有相似功能的零部件进行功能和几何形状分析， 从而找到一个能蟛确保功能实现的零部件尺寸变型和或结构变型的替代形状。 通过这个替代形状能够派生出所有具有相似功能的零部件族，从而碱少零部件种 9 第二章基于s m l 的产品开发设计过程 鼍皇墨罡曼曼曼皇曼! 曼皇曼曼舅皇曼曼罾鼍曼曼曼鼍t t lu t m ： i 曼曼曼鲁鼍目皇曼 类、提高零部件使用频率。 如果在一个零部件族模型中可变参数太多，则同样无法控制零件的种类和数 量，在标准化过程中的努力就会前功尽弃。因此，还必须对零件族的可变参数进 行规范，以控制零件种类的数量，这个工作就是零部件的规范化。 通过对零件族进行标准化和规范化处理，使得能够采用参数来对整个零件族 进行直接描述，而不用考虑每个零件特征及其特征之间关系，从而为零部件主文 档和产品主结构的建立提供了基础。 零部件标准化和规范化包括下面的7 个步骤的工作( 如图2 - 2 所示) ： 1 、建立分类编码体系：一个统一、简洁、完善的分类编码体系是实现产品 信息可重用的前提； 2 、零部件a b c 分析：对零件进行a ( 专用件) 、b ( 企业标准件) 、c ( 标 准件和外购件) 分析，了解零部件的分布情况，尽量减少a 和b 类什，达到降 低产品成本的目的： 3 、零部件分类：建立零部件分类框架，对零部件进行统一管理，从而缩短 产品零部件的查询时间，增加零部件的使用频率； 4 、零部件名称分析：按照几何形状命名，建立统一的、无冗余零件名称的 数据字典，实现零件名称的无二义性表达，便于零部件的管理； 5 、零部件功能分析：在功能、解原理及实现结构之间建立一种映射关系， 在进行几何形状分析和参数分析时可以有据可循。 6 、零部件几何形状分析：合并相似的零件形状，减少零件的种类，实现用 尽量少的零部件来组成产品。 7 、零部件参数分析：在几何形状分析的基础上，对几何参数进行分析：尽 量减少零件参数，到达减少零件种类的目的，从而减少工具夹具的种类，降低产 品的各种多样化成本。 建立分类编码体系 零部件a b c 分析 零部件分类 零部件名称分析 零自h 件功能分析 零部件几何形状分析 零部件参数分析1 一 一 罔2 2 零部件标准化和规范化步骤 编码体系 a b c 集合 分类框架 名称规范化 功能规范化 形状标准化 参数规范化 1 0 西北工业大学硕士论文。 2 2 2 主文档的建立 零部件主文档是零件族s m l 和零部件在各应用空间的主视图集合口”。s m l 完整描述零部件的各种特性和各视图模型之闯的参数映射关系。主视图集合主要 包括：主模型( 2 d ，3 d ) 、主工程图、主工艺过程规戋1 j 和主h c 程序，对于部件族 或者产品族还包括主装配、主成本说明和主使用说明等多种视图。实际上，可以 将零部件主文档看成是各种模板的总称。在零部件主文档的基础上根掘需要建立 不同的模板，通过对主文档进行实例化快速生成产品所需的不同类型的各种文 档。因此，主文档构造的合理性是实现产品快速设计的基础。 主文档的实现包括s m l 和各种主视图的实现。这里主视图主要包括：主模 型、主工程图、主工艺规划和主n c 程序。利用主文档生成其他文档的基本原理 是：将s m l 对应行的数据与主文档相结合，自动生成各种相关的文档。这要求 在构建各种主视图的过程中通过相应的工具实现主视图的参数化。下面分剐对主 模型、主工程图、主工艺过程规划和主n c 程序的建立方法进行介绍。 2 。2 2 。1 主模型 零部件的几何模型与相应的s m l 相结台就构成了零部件的主模型。零部件 主模型的构建过程为：首先利用2 d c a d 或者3 d c a d 系统建立零部件c a d 模 型；然后在此基础上对c a d 模型进行参数分析，建立参数化几何模型；最后提 取几何模型中用来描述零部件外形以及尺寸间联系的备种参数，由此建立相应的 s m l 。通过控制s m l 中的这些参数就能控制主模型。s m l 中的每行参数决定 了一个主模型的实例。 图2 3 零部件主模型 图2 - 3 所示为一联轴器主模型实例”。其由几何模型与相廊的s m l 组成。 i j j # i i i 晕i i i i i i r i - - i - i i i i i i i “ 第二章基于酬l 的产品开发设计过程 主模型s m l 中的a 、b 和c 为联轴器的事物特性，而d a a 、d a b 、d a c 和d a d 等则分别为从a 、b 、c 中导出的算法特性。例如：d a a = d a c 3 0 ，d a b = a - - 6 5 0 ，d a c = c + ( b c ) 2 等等。如果对a 、b 、c 赋予不同的数值，就可以产生 不同尺寸的联轴器模型。图2 _ 3 下半部分分别表示了识别码为0 0 0 1 、0 0 0 2 和0 0 0 3 的三个不同尺寸的联轴器模型。 2 2 2 2 主工程图 零部件的工程图与相应的s m l 相结合就构成了零部件的主上程图。主工程 图的生成方法与采用的相应的c a d 工具有关。主工程图中标注了所有的加工尺 寸、公差、表面粗糙度和加工符号等工作信息，这也是主工程图和主模型的区别。 零部件主工程图的构建过程为：首先利用c a d 工具，按照绘制工程图的要求对 工程图中不同视图进行布置。然后将不变的足寸填入到主工程图中，需要变化的 视图特性作为变量标注在相应的部位，在实例化时，根据具体的数值进行变化， 主工程图中各视图的几何形状也会随之发生相应的变化。接着，将技术要求等文 字说明填入到主工程图的相应部位，其中需要变化的内容( 如尺寸、公差、粗糙 度等) 也作为变量加以处理。最后，将这些变量与s m l 巾的参数建立映射关系。 这样就可以通过控制s m l 中的参数控制主工程图的生成。s m l 中的每一行参数 决定了一个主工程图的实例。 图2 - 4 零部件主工程圈 图2 4 所示为联轴器主工程图实例【”。联轴器的不同视图按照用户绘制工程 图的要求在主工程图中进行布置。图2 - 4 中包括了联轴器的土视图和右视图。必 1 2 西北工业大学坝士论文 要时可以增加其他的视图或剖面图。图示为根据标志码为o o o l 的s m l 中的数据 生成的该零件的工程图。 2 2 2 3 主工艺过程规划 主工艺过程规划是用于派生某个零部件的工艺过程规划i i f 勺主文档。主工艺过 程规划的构建过程为：首先通过派生式c a p p 系统定义零部件的工序和加工过 程。然后用参数符号来表示用于产生工艺规程规划的几何形状和技术力面的数 字。最后，将这些参数与s m l 中的参数建立映射关系。这样，通过s m l 中的每 一行参数就能生成一个相应的工艺过程规划。s m l 中的每一行参数决定了一个 主工艺过程规划的实例。 2 2 2 4 主n c 程序 主n c 程序是用于派生数控加工或数控测量的n c 程序的主义档。n c 程序 可以从主n c 程序和s m l 派生出来。主n c 程序的构建过程为 w ：首先划分加 工区域，确定不同区域的加工顺序以及加工方式；然后运行a p t 语言编写加工 区域的g 代码，该代码分为可变和不可变两个部分，可变部分为程序起始段部 分，它包括了对零件轮廓和加工过程的定义，这些定义在程序起始段是通过参数 值来表示的。不变部分为程序的主程序段部分，在这部分零件的加工过程和规划 通过参数来表示。最后，将这些变量与s m l 中的参数建立映射关系。这样程序 的主程序段部分通过从程序起始段部分获锝参数值来实现实例化，从而生成零件 的n c 程序。 2 2 3 主结构的建立 产品主结构是在组合产品系统的基础上，对零部件所有有意义和必需的组 合可能性进行分析，构建的个可以覆盖整个产品系列的变型产品结构 ”i 。通过 产拈主结构能够配置派生出满足各种功能需求的客户定制的产品。 产品的主结构由三种不同的模块组成：基奉模块、必选模块和j 删l 模块。复 杂产品的主结构可以由p d m 系统的产品结构管理模块管理。所谓基本模块是 指组成一个定制产品时所必须包括的模块；必选模块，是指必须按照一定的规则 从产品主结构指定的模块中选择其中的一种并加入到定制产品中的模块，可选模 块，是指可以根据需要按照一定的规则从产品主结构指定的模块中选择并加入到 定制产品中的模块。产品主结构如图：2 - 5 所示口1 。 1 3 ( 卜块( ：卜聃模块 i 必选模块 登 卜一选择规则 、一， 图2 - 5 产品主结构示意图 产品的主结构采用s m l 技术来实现产品的配置及实例化。基j ：s m l 的产品 主结构主要由两个部分组成：s m l 和决策表。s m l 之间的联系完整地表示了各 种零部件之间的尺寸和装配约束，实现零部件的装配：描述了主结构中各种基本 模块、必选模块以及可选模块它们之间的所有可能的组成关系。而主结构中的必 选模块和可选模块则通过决策袭来表达。这样就通过s m l 和决策表完整地表达 了产品主结构。 2 3 基于s m l 的产品设计过程 基于s m l 的产品设计过程的主要任务是根据客户的需求，在零部件土文档 和产品主结构的基础上，采用配置设计和变型设计等方法迅速设计出定制的产 品。本节将分剐对基于s m l 的产品配置设计和产品变型设计过程做一个简单的 介绍。 2 3 1 产品配置设计 产品主结构描述了一个可配置的，包括所有标准构件的模块化产品系统的组 成情况。产品配置设计是指在产品主结构的基础上，根据不同客广1 的需求，从中 派生出客户定制的产品的过程。基于主结构的产品配置设计分为两个步骤：第一 步是在产品主结构的基础上确定与订单相关的产品配置结构；第二步是在产品配 置结构的基础上实现与订单相关的产品配置实例 3 2 1 。在一般情况f ，实现产品配 置实例时，并不是产品配霞结构上所有零部