何 俊，蘇少輝，陳國(guó)金

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

千斤頂是一種用剛性頂舉件作為工作裝置，該文通過(guò)頂部托座或底部托爪在小行程內(nèi)頂升重物的輕小型起重設(shè)備［1］。1990年以來(lái)，全球千斤頂消費(fèi)量以年均6%的速度增長(zhǎng)，進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)千斤頂產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入高速增長(zhǎng)。在2000～2004年這4年中，我國(guó)千斤頂銷量從188萬(wàn)臺(tái)增長(zhǎng)到447萬(wàn)臺(tái)，增長(zhǎng)2.3倍，年均增長(zhǎng)率在27%以上。為了滿足千斤頂市場(chǎng)的需求，可以設(shè)計(jì)一種可配置的模型，然后通過(guò)配置設(shè)計(jì)來(lái)滿足客戶的個(gè)性化需求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度研究了產(chǎn)品配置建模方法。有的學(xué)者提出基于面向?qū)ο蠛吞卣髡Z(yǔ)法的產(chǎn)品配置建模技術(shù)［2］，有些則提出一種面向配置設(shè)計(jì)的產(chǎn)品功構(gòu)建模方法［3］，還有人提出基于類和特征的產(chǎn)品配置建模方法［4］以及一種基于本體的產(chǎn)品配置建模方法［5］。本文以液壓千斤頂產(chǎn)品為研究對(duì)象，引用事物特性表原理，探求一種以產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型和約束知識(shí)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品配置模型。

1 事物特性表與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型

1.1 事物特性表原理

事物特性表定義了對(duì)象組中能夠表征和區(qū)分某個(gè)對(duì)象的決定性特性，規(guī)定了特性數(shù)據(jù)的表示格式，使零部件的特性數(shù)據(jù)能夠方便地在不同的系統(tǒng)之間交換［6］。其中事物特性是指表征產(chǎn)品(包括部件和零件)幾何特性、功能特性和制造特性的信息集合。

1.2 基于事物特性表的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型是配置建模的基礎(chǔ)，它包括了一個(gè)產(chǎn)品所有的零部件，反映了產(chǎn)品的功能層次關(guān)系和零部件之間的裝配關(guān)系，并將產(chǎn)品族的裝配結(jié)構(gòu)映射為一棵結(jié)構(gòu)樹(shù)，可以全面的反應(yīng)具體產(chǎn)品的全部信息。其中，零部件類映射為結(jié)構(gòu)樹(shù)的節(jié)點(diǎn);零部件類之間的關(guān)系映射為連接枝;產(chǎn)品族則處于樹(shù)根位置。用事物特性表描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，在各個(gè)層次會(huì)有區(qū)別。在零件類層次上，它主要描述零件的幾何尺寸參數(shù)和加工工藝;在部件類層次上，它主要描述哪些對(duì)象參與裝配和技術(shù)特性;在產(chǎn)品族層次上，主要描述產(chǎn)品的性能質(zhì)量參數(shù)和使用要求。根據(jù)液壓千斤頂?shù)墓δ芙Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以建立如圖1所示的液壓千斤頂結(jié)構(gòu)樹(shù)。包括液壓千斤頂產(chǎn)品族、部件類、零件類和需要特性參數(shù)確定的具體零件;實(shí)線所連接的部分是必選配件，虛線所連接的部分是可選配件。

圖1 液壓千斤頂產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖(局部)

2 基于知識(shí)和約束的產(chǎn)品配置模型描述

2.1 基于事物特性表的產(chǎn)品配置模型描述

在基于事物特性表的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型中，可以通過(guò)幾何特性、功能特性和工藝特性等對(duì)結(jié)構(gòu)模型中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述?；谑挛锾匦员淼漠a(chǎn)品配置模型中包含了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有特性，并將這些特性統(tǒng)一集合到產(chǎn)品配置模型的事物特性表中，其中表征和區(qū)分產(chǎn)品配置模型的決定性特性成為產(chǎn)品配置模型的特性單元?？梢孕蜗蠡谋硎緸?

在每個(gè)基于事物特性表的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有表達(dá)多個(gè)零部件實(shí)例的能力，為此可以把構(gòu)成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)配置單元?？梢孕蜗蠡谋硎緸?C_unit={C_id，C_sel，C_type，Mult(T_Meta;)，Is_decomposed)。其中:C_unit為配置單元;C_id表示該配置單元的唯一標(biāo)識(shí);C_sel表示該配置單元的選擇特性，C_sel=1表示該配置單元對(duì)可配置產(chǎn)品為必選單元，C_sel=0表示該配置單元對(duì)可配置產(chǎn)品為選配單元;C_type表示該配置單元的類型，配置單元被分為兩類，一類是標(biāo)準(zhǔn)配置單元(C_type=0)，一類是參數(shù)化的配置單元(C_type=1);Mult(T_Meta)表示該配置單元的屬性可通過(guò)事物特性單元來(lái)描述，一個(gè)配置單元可有多個(gè)特性單元;Is_decomposed表示該配置單位能否分解的屬性，基于事物特性表的產(chǎn)品配置模型中的配置單元根據(jù)其能否分解分為組件級(jí)配置單元和零件級(jí)配置單元。即當(dāng)Is_decomposed=1時(shí)，為組件級(jí)配置單元;當(dāng)Is_decomposed=0時(shí)，為零件級(jí)配置單元。

液壓千斤頂?shù)男墓芘渲脝卧鐖D2所示，圖2中顯示了心管的材 料、工藝、內(nèi)徑和長(zhǎng)度等屬性信息。

圖2 心管配置單元

2.2 基于配置模型的約束分類

在基于事物特性表的配置模型中，知識(shí)的表達(dá)是通過(guò)各種約束來(lái)體現(xiàn)的，配置單元除了上面提到的取值限定約束T_conts外，還存在著如圖3所示的約束關(guān)系:

圖3 配置單元之間的約束關(guān)系

(1)圖3中配置單元和配置單元之間的約束。其中Concurrent描述的約束是強(qiáng)制關(guān)聯(lián)的約束。即當(dāng)C_unit1出現(xiàn)在配置中時(shí)，C_unit2也必須出現(xiàn)在配置中。比如液壓千斤頂?shù)难b了支架組，就一定要裝搖臂組。Incompatible表示互斥關(guān)系，即C_unit1和C_unit2不能同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)配置中;

(2)配置單元和另一個(gè)配置單元內(nèi)部特性之間的約束，如是否選取燈(屬于配置單元C_unit2)取決于液壓千斤頂?shù)墓ぷ鳝h(huán)境?？梢员硎緸镽ely on(C_unit2 C_unit1.enviroment);

(3)圖3中配置單元內(nèi)部特性之間的關(guān)系。這是一種局部約束，例如，心管特性中的內(nèi)徑和長(zhǎng)度之間可能存在一定的約束關(guān)系:長(zhǎng)度=8.5×軸徑;

(4)圖3中一個(gè)配置單元特性和另一個(gè)配置單元特性之間的約束。形式上可以描述為＞，＜，=，≠等，起檢驗(yàn)作用。這種關(guān)系可以描述為C_unit1.T_unit1=or≠ C_unit1.T_unit2。這是一種耦合度很高的約束關(guān)系，應(yīng)盡量避免這種約束關(guān)系的存在。

在這些約束關(guān)系中，有些是全局約束，有些是局部約束，有些約束屬于邏輯約束，而有些約束屬于數(shù)值約束，要注意約束的不同使用范圍和類型。

3 產(chǎn)品配置過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

3.1 產(chǎn)品配置系統(tǒng)

產(chǎn)品的配置過(guò)程實(shí)際上就是根據(jù)客戶的需求對(duì)配置模型進(jìn)行實(shí)例化過(guò)程，即給模型中的每個(gè)參數(shù)賦值、進(jìn)行約束求解、最終完成產(chǎn)品配置的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程一般由產(chǎn)品配置系統(tǒng)來(lái)完成，該配置系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 配置系統(tǒng)框架

3.2 產(chǎn)品配置過(guò)程

在配置系統(tǒng)中，由于配置直接利用基于事物特性表的產(chǎn)品配置模型自上而下逐層求解，使問(wèn)題的求解得到簡(jiǎn)化。液壓千斤頂產(chǎn)品配置過(guò)程如圖5所示?？蛻粜枨蟮妮斎?，通過(guò)配置系統(tǒng)界面輸入客戶對(duì)千斤頂產(chǎn)品的特定需求:

圖5 千斤頂產(chǎn)品配置過(guò)程

(1)對(duì)輸入的客戶需求進(jìn)行描述與轉(zhuǎn)換。通常，客戶的需求一般是某種非形式化的表示，要用完整、規(guī)范的系統(tǒng)能識(shí)別的語(yǔ)言描述客戶需求;再將這種語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)要求;并提取設(shè)計(jì)變量與配置模型構(gòu)件之間的配置約束和規(guī)則，建立變量配置規(guī)則，使得根據(jù)特定客戶需求配置求解成為可能;

(2)對(duì)配置模型進(jìn)行推理求解。從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)處理后的客戶需求，對(duì)配置模型中的每個(gè)配置單元C_Unit進(jìn)行遍歷，實(shí)行從上到下的逐層求解。對(duì)配置單元里的C_Sel，C_Type，Is_decomposed，T_unit等參數(shù)進(jìn)行選擇確定，再根據(jù)單元間的約束關(guān)系，配置出所有的可行配置方案。如果沒(méi)有可行的配置方案就轉(zhuǎn)入第5步;

(3)對(duì)獲得的可行配置方案進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)選，選出最優(yōu)設(shè)計(jì)實(shí)例，在這一階段，可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，得到客戶需求的最佳千斤頂產(chǎn)品;

(4)變形設(shè)計(jì)。如果得不出滿足客戶需求的千斤頂產(chǎn)品可行配置方案，可以對(duì)現(xiàn)有零部件模型進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，并將變形設(shè)計(jì)得到的零部件模型存入配置系統(tǒng)知識(shí)庫(kù);

(5)輸出千斤頂BOM。產(chǎn)品配置后得到客戶化的千斤頂產(chǎn)品結(jié)構(gòu)BOM，包含了具體零部件圖紙及相關(guān)的文檔資料等，企業(yè)根據(jù)此BOM可以在最短時(shí)間內(nèi)提供客戶所需要的產(chǎn)品。

4 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品配置建模和配置知識(shí)的表達(dá)是配置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟。本文以液壓千斤頂為研究對(duì)象，結(jié)合事物特性表原理，通過(guò)分析液壓千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，建立了液壓千斤頂產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)樹(shù);并在此結(jié)構(gòu)樹(shù)的基礎(chǔ)上，集成約束知識(shí)得到液壓千斤頂配置單元模型。從而縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了千斤頂產(chǎn)品的質(zhì)量。使企業(yè)面對(duì)市場(chǎng)需求時(shí)能夠快速的做出反應(yīng)，設(shè)計(jì)出符合客戶個(gè)性化需求的千斤頂產(chǎn)品。

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