陳進(jìn)平 劉元朋 王振 馮憲章 張樹(shù)生

摘 要：為解決航空制造企業(yè)面臨的復(fù)雜零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估問(wèn)題，設(shè)計(jì)、研制了零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估系統(tǒng)。首先，介紹了更改影響評(píng)估的原理及方法，構(gòu)建了零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估的框架體系;其次，闡述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、開(kāi)發(fā)環(huán)境、功能模塊、體系架構(gòu);再次，介紹了系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì);最后，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜零件;設(shè)計(jì)更改;影響評(píng)估;系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

工程更改（engineering change， EC）在現(xiàn)代制造企業(yè)中扮演著不可或缺的角色，它主要包括：零部件設(shè)計(jì)更改、產(chǎn)品模型更改、軟件更改等[1]。零部件設(shè)計(jì)更改在整個(gè)工程更改中占有極其重要地位，企業(yè)通過(guò)對(duì)原有零部件及產(chǎn)品進(jìn)行局部設(shè)計(jì)更改，輔助繼承、重用原有部分設(shè)計(jì)結(jié)果可以顯著提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本并減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)[2]。以航空產(chǎn)品為例，航空產(chǎn)品具有輕量化、多功能、高可靠性等特點(diǎn)，其研制流程是“設(shè)計(jì)-制造-試驗(yàn)-修改設(shè)計(jì)-再制造-再試驗(yàn)”反復(fù)迭代優(yōu)化的過(guò)程。因此，航空產(chǎn)品在研制過(guò)程中不可避免的會(huì)發(fā)生設(shè)計(jì)更改現(xiàn)象，通過(guò)設(shè)計(jì)更改可以極大提高設(shè)計(jì)效率、節(jié)約研制成本。統(tǒng)計(jì)資料表明，一架中型飛機(jī)在研制過(guò)程中的設(shè)計(jì)更改數(shù)量為 4萬(wàn)～6 萬(wàn)項(xiàng)，所有更改處理的時(shí)間占整體研制周期的1/3～1/2[3]。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)更改已成為助力飛機(jī)研制的重要手段。

中國(guó)工程院尹澤勇院士指出我國(guó)航空裝備研制最大的短板是設(shè)計(jì)問(wèn)題[4]，其中設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)在設(shè)計(jì)問(wèn)題中表現(xiàn)尤為突出，嚴(yán)重制約了我國(guó)航空裝備的研制進(jìn)程。以設(shè)計(jì)更改為主體的快速設(shè)計(jì)方法是破解我國(guó)航空裝備研制周期長(zhǎng)有效的方法之一。迄今為止，設(shè)計(jì)更改已成為航空、航天、汽車等領(lǐng)域制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一條重要途徑[5]。制造企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)更改業(yè)務(wù)的處理通常遵循工程更改管理流程，具體流程為：（1）識(shí)別更改原因;（2）提出更改方案;（3）評(píng)估更改影響;（4）授權(quán)更改方案;（5）執(zhí)行更改方案;（6）檢查歸檔方案[1]。技術(shù)人員在對(duì)上述流程操作處理中發(fā)現(xiàn)流程（3）即評(píng)估更改影響的處理最困難且耗時(shí)間[5]。如何快速準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)計(jì)更改影響成為工程更改理論研究面臨的新課題。尤其在航空、航天、汽車等領(lǐng)域存在大量的設(shè)計(jì)更改業(yè)務(wù)活動(dòng)，對(duì)先進(jìn)適用的設(shè)計(jì)更改影響評(píng)估方法及其評(píng)估軟件的需求更為迫切。相應(yīng)的更改影響評(píng)估方法及其評(píng)估軟件的研究業(yè)已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，逐步成為工程更改理論研究的前沿和熱點(diǎn)方向。

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、新材料技術(shù)等交叉融合，引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)革命。應(yīng)運(yùn)而生的《中國(guó)制造2025》正著力推動(dòng)低成本，高質(zhì)量的定制化生產(chǎn)模式以滿足個(gè)性化、輕量化、品質(zhì)化需求。由于個(gè)性化、輕量化需求等原因，迫切需要對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改以響應(yīng)市場(chǎng)和客戶對(duì)新產(chǎn)品的迫切需求。因此企業(yè)亟需輔助技術(shù)人員快速評(píng)估設(shè)計(jì)更改影響的系統(tǒng)軟件工具。為此，本文開(kāi)展了零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究，旨在解決航空制造企業(yè)中復(fù)雜零件設(shè)計(jì)更改影響的快速評(píng)估問(wèn)題。

1 評(píng)估系統(tǒng)的工作原理及框架體系

1.1 工作原理

受知識(shí)重用[6-10]理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域的啟發(fā)，將知識(shí)重用理論作為零件設(shè)計(jì)更改影響評(píng)估的基礎(chǔ)。首先，將企業(yè)以往更改案例及其影響評(píng)估的結(jié)果構(gòu)建一個(gè)知識(shí)庫(kù);然后，輸入將待評(píng)估的案例，識(shí)別其更改特征，與知識(shí)庫(kù)中的案例快速比對(duì)，檢索出相似案例;最后，依據(jù)相似更改案例的知識(shí)，采用貝葉斯定理結(jié)合最小交叉熵求解待評(píng)估更改案例的影響值。

1.2 框架體系

根據(jù)1.1節(jié)提供的工作原理，設(shè)計(jì)了零件設(shè)計(jì)更改影響快速評(píng)估框架體系，具體圖1所示。

2 評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以服務(wù)評(píng)估人員方便、友好、快速地評(píng)估零件設(shè)計(jì)更改（主要是零件幾何更改）產(chǎn)生的影響為目標(biāo)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須符合用戶的使用習(xí)慣，并且界面友好，使用操作方便;

（2）為保證企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的安全性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要充分考慮權(quán)限設(shè)置，對(duì)企業(yè)中的工程更改分析評(píng)估人員、更改方案決策人員分配不同賬戶和登陸密碼;

（3）信息統(tǒng)計(jì)詳細(xì)、全面，方便用戶對(duì)相關(guān)信息的管理和更新， 使評(píng)估決策人員能根據(jù)系統(tǒng)提供的評(píng)估結(jié)果，做出有效的管理決策。

2.2 評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件環(huán)境為：操作系統(tǒng)平臺(tái)采用Windows 10，程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)選取Visual Studio 2020，底層數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2018，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為SolidWorks 2018。評(píng)估系統(tǒng)將運(yùn)行于如下硬件環(huán)境：處理器為Inter（R） Pentium（R） Dual 2.8 GHz CPU，內(nèi)存為2 GB，硬盤(pán)為1 TB的PC機(jī)。本評(píng)估系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用SolidWorks 2018軟件是由法國(guó)達(dá)索公司（Dassault）研制的一款三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，它相比于Pro/Engineer和CATIA等軟件，價(jià)格低廉。因此，深得國(guó)內(nèi)外中小型制造企業(yè)的歡迎，在中小型制造企業(yè)使用、普及率高。SolidWorks是一個(gè)開(kāi)放性軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了開(kāi)發(fā)接口。目前SoldWorks系統(tǒng)提供了兩種開(kāi)發(fā)方式：VBA宏錄制和SolidWorks API函數(shù)。本文采用了SolidWorks API函數(shù)接口開(kāi)發(fā)技術(shù)，以C++語(yǔ)言[11-14]為編程語(yǔ)言，進(jìn)行更改影響快速評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

2.3 評(píng)估系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

評(píng)估系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括6個(gè)功能模塊：系統(tǒng)登錄管理功能模塊、系統(tǒng)I/O功能模塊、增加更改案例功能模塊、識(shí)別更改特征功能模塊、檢索相似案例功能模塊和評(píng)估更改影響功能模塊。每個(gè)模塊都要實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如，系統(tǒng)管理功能模塊要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：用戶登錄、權(quán)限管理（授權(quán)新用戶賬號(hào)及密碼）和退出系統(tǒng)。依次類推，系統(tǒng)I/O功能模塊要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：輸入更改模型和輸出影響值。由于篇幅所限，其它另外三個(gè)功能模塊就不一一列舉。

2.4 評(píng)估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際評(píng)估業(yè)務(wù)需求和用戶對(duì)評(píng)估系統(tǒng)的具體功能要求，評(píng)估系統(tǒng)的主要體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，它包括應(yīng)用層（即用戶界面）、核心算法層和底層數(shù)據(jù)層，如圖3所示。其中，應(yīng)用層由系統(tǒng)主界面與各功能模塊對(duì)話框構(gòu)成，運(yùn)行在Visual Studio 2020 MFC環(huán)境中，它采用了圖形化界面與用戶交互、管理、瀏覽各種數(shù)據(jù)對(duì)象;此外，它還接收用戶輸入數(shù)據(jù)，并將評(píng)估結(jié)果顯示給用戶。算法層是在Visual Studio 2020與SolidWorks 2018軟件平臺(tái)下，采用封裝算法的形式，將各個(gè)功能模塊以特定算法保存在系統(tǒng)中，并且提供應(yīng)用程序接口，供用戶調(diào)用。本系統(tǒng)主要封裝了三個(gè)算法：識(shí)別更改特征算法、檢索相似更改案例算法和評(píng)估零件設(shè)計(jì)更改影響算法。數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，它包括工程更改知識(shí)庫(kù)與工程更改特征庫(kù)等，其涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2018來(lái)開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)表采用更改ID號(hào)來(lái)關(guān)聯(lián)相關(guān)數(shù)據(jù)信息等。每個(gè)更改案例都有唯一標(biāo)識(shí)ID號(hào)，將它作為表格關(guān)聯(lián)的主鍵（primary key），便于系統(tǒng)的查詢和檢索。

2.5 評(píng)估系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

評(píng)估系統(tǒng)的登陸界面如圖4（a）所示，將用戶角色分為兩類：評(píng)估技術(shù)員和系統(tǒng)管理員。為保證系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)采用密碼訪問(wèn)原則。工作人員只有在輸入正確的用戶名和密碼條件下才能訪問(wèn)系統(tǒng)，才可以進(jìn)行更改影響評(píng)估或者系統(tǒng)維護(hù)工作。圖4（b）顯示的為系統(tǒng)主界面，界面上有三個(gè)功能按鈕：“增加更改案例”、“影響評(píng)估”和“退出系統(tǒng)”。圖4（c）顯示了增加工程更改案例的具體工作業(yè)務(wù)界面，圖4（d）顯示了具體的更改影響評(píng)估工作界面。

2.6 評(píng)估系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

底層數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQLserver 2018，主要數(shù)據(jù)表包括零件設(shè)計(jì)更改案例中的更改特征表、工作人員角色對(duì)應(yīng)賬戶管理表、更改影響值的存儲(chǔ)表等。數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)的部分E-R模型如圖5所示。

在數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)中各屬性域值（即取值范圍）根據(jù)具體的實(shí)際情況而定，各數(shù)據(jù)表的主碼依照唯一標(biāo)識(shí)、可區(qū)分原則來(lái)選取。

3 評(píng)估系統(tǒng)的驗(yàn)證

本文采用文獻(xiàn)[15]中的更改特征樣本庫(kù)（參見(jiàn)表1所示）作為評(píng)估系統(tǒng)仿真驗(yàn)證的數(shù)據(jù)源。從樣本中選取更改案例EC-4，進(jìn)行更改影響評(píng)估實(shí)驗(yàn)。首先，分別向評(píng)估系統(tǒng)導(dǎo)入EC-4更改前、后的零件模型;其次，通過(guò)評(píng)估系統(tǒng)的更改特征識(shí)別功能模塊識(shí)別出EC-4擁有的特征;再次，通過(guò)檢索功能模塊檢索出數(shù)據(jù)庫(kù)中與EC-4最相似的3個(gè)工程更改案例;最后，通過(guò)評(píng)估功能模塊，評(píng)估EC-4的影響值，具體結(jié)果如圖6所示。評(píng)估系統(tǒng)顯示的更改影響值為低，這與樣數(shù)據(jù)源中更改案例EC-4實(shí)際的更改影響值相同，從而驗(yàn)證了評(píng)估系統(tǒng)的正確性、可行性。

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)的零件設(shè)計(jì)更改影響智能評(píng)估系統(tǒng)，有效解決了制造企業(yè)內(nèi)部零件幾何外形更改產(chǎn)生的影響評(píng)估問(wèn)題，但尚未考慮多屬性更改產(chǎn)生的影響，即零件的幾何、材料、精度等屬性共同發(fā)生更改時(shí)產(chǎn)生的影響。下一步，本研究團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)圍繞零件幾何、材料、精度等多屬性作用機(jī)理這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，探索多屬性更改影響評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法，從而解決制造企業(yè)的多屬性設(shè)計(jì)更改影響評(píng)估難題，助推新產(chǎn)品的研制進(jìn)程。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

The Design and Realization of Rapid Evaluation System

for Part Design Change Impact

CHEN Jinping1， LIU Yuanpeng*1， WANG Zhen1， FENG Xianzhang1， ZHANG Shusheng2

（1.School of Aeronautical Engineering， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract：

In order to solve the problem about rapid evaluation of the part design change impact， a rapid evaluation system of part design change impact has been designed and developed. Firstly， the paper introduces the principle and method of change impact evaluation and constructs a framework model of part design change impact rapid evaluation. Secondly， the design objectives， development environment， functional modules and architecture of the system are described. The interface design and database design of the system are introduced again. Finally， an example is given to verify the feasibility of the system.

Key words：

complex part; design change; impact evaluation; system