面向PDM系统的产品族设计

作者：武汉开目信息技术有限责任公司 肖骏 张芬

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 首先论述了产品族的设计过程。提出了PDM中的基于事物特性表的产品族信息模型。通过建立PDM与3D CAD系统的实时通讯机制、以及统一产品信息模型，支持在PDM/3D CAD集成环境下的基于三维模型的参数化产品族设计。 产品族是指那些在某个确定的应用范围内按照一定的规律划分其参数等级，用相同的方法实现相同功能的技术对象（整机、部件或零件），这些技术对象应该用尽可能相同的制造方法进行制造[1]。产品族的特点是具有多种参数和性能指标，以满足不同用户的需要，这些参数和性能指标间具有一定的公比级差。基于产品族的开发战略是解决目前众多的企业在追求满足多样化的客户需求时所面临的零件种类激增、制造和管理成本高昂问题的有效途径之一。PDM作为实现制造业企业信息化重要的应用软件集成平台，必须有效的支持面向产品族的设计，以便捷地派生出系列产品，满足不同客户需求，实现技术重用和技术转移，从而有效地降低新产品创新风险和开发管理成本，通过完备的产品族繁衍出一条完整的产品链，覆盖多样的市场需求，塑造出良好的产品形象和企业形象。 一、产品族设计过程[2] 面向产品族的设计根据市场预测，设计满足某个客户群需求的产品族模型，在此基础上，依据客户订单，通过对产品族模型的配置和变型为用户提供个性化的定制产品。产品族模型是动态的产品模型（图1表达了产品族结构模型）。逻辑上，产品族模型由功能模型、原理模型和结构模型组成，它们可以看成产品族结构的不同视图。物理上，产品族模型是由几何特性、物理特性、制造特性这些实体组成，实体的树形结构展现了产品族的拓扑结构。约束不仅定义了视图对象之间的映射约束，还定义了实体对象与变型参数之间、各实体参数值之间的关联约束。 产品族的设计过程是从客户需求向产品族结构模型的映射求解过程，图2所示。首先收集用户需求，并从中提取共性需求和个性需求；将用户需求转化为产品族的设计要求并建立相应的功能结构。任何产品的总体功能，均是由一些下层子功能组合而成的，产品总体功能正是通过对这些子功能的实现而实现的。产品功能分析的方法就是采用由上向下的分解方法，确定组成产品总体功能的各个层次的子功能，并且构造出图1的产品功能树。 然后通过功能-原理映射单元对每一功能单元进行解原理映射，进而组合成产品的原理模型。原理分析时应遵循功能不耦合的原则寻找原理模块，并考虑实现某功能结点的多个可行的原理，以便以后根据不同的需求进行配置。原理分析的结果是建立图1功能-原理关系树，即将功能结点作为树的根结点，而将实现该功能的各个原理作为叶结点与功能根结点相连。 产品结构规划针对产品功能-原理树中的每一个原理叶结点分析采用该原理实现所要求功能的结构，将这些结构作为叶结点连接到功能-原理树的原理结点上，就构成了功能-原理-结构关系树，它用来表达产品族的产品结构。如果针对一个原理或结构存在多种结构，应当将这些结构放入功能-原理-结构关系树中。 最后在动态产品模型基础上提取的可变型参数，确定产品族的定制参数，并进一步规划产品族的覆盖范围，即确定产品族的定制范围。对于企业现有的产品可作为产品族的产品实例，为变型设计提供设计参考。建立产品族产品实例集合，分析族内产品实例主参数的变化范围，为确定产品族的定制范围提供参考依据。 二、产品族信息模型 在PDM中为了有效地检索零部件和进行变型设计，我们借助事物特性表机制来描述产品族（图3所示）。事物特性表是为建立零部件的数据库而采用表格的形式，以固定的格式记录事物特性，对零部件进行特性描述的ASCⅡ文件。由于基于事物特性表的零部件采用统一的描述格式，因此可以在不同系统之间信息交换，使得零部件体系是开放的，易于扩充。合理的事物特性表不仅为设计人员提供尽可能完整的零部件信息，而且可以方便地进行产品的变型设计、零部件和设计的参数化查询，减少了重复开发造成的资源浪费，提高设计重复利用率及设计可靠性[3]。 图3所示的产品族信息模型中，我们为产品族模型建立遵循国家标准GB10091事物特性表编制总则的参数表（GB10091事物特性表编制总则是参照德国在1971年制定的作为标准件信息库基础的DIN4000事物特性表系列标准制定的）。参数表中的参数与图2中的实体的几何特性、功能特性和制造特性建立映射关系。参数分为独立参数和非独立参数，独立参数取值根据用户的需求输入取值或者由上级零部件赋值。非独立参数的取值根据独立参数的取值导出，遵循图1中的约束定义。原则上参数表的每一行参数被赋予具体数值以后，就可以明确地描述每一个具体的产品实例。但是为了减少零部件种类，防止工程师未经认同或批准，就想当然地选择那些还未被使用过零件中的一个，或者把新的零件添加到PDM系统中而导致零件激增，参数表中的行只有在需要被装配使用时，PDM才根据各 个参数的取值在产品族模型基础上变型生成产品实例[4]，如图3中的L001-0，L001-1。否则，参数表中的行仅仅表示产品族设计人员对于参数的一行推荐取值，并不对于产品实例，如图3中的L001-2。 产品族模型的属性描述整个族的公共信息，如产品族的名称和标准号等，它们被产品实例共用。产品实例也可以拥有自己的属性。产品族模型的文档是基于参数的主文档，包括3D模型、二维工程图、工艺文件及NC代码等。产品实例将参数表对应的行的数据与产品族模型的主文档结合派生出其各种相关文档。为了在PDM中为了减少不必需的文档数量，产品实例共用产品族模型的文档，在产品实例中浏览或编辑三维模型文件时，PDM根据参数取值通知给浏览器或三维CAD等应用程序进行尺寸驱动和参数运算得到产品实例的文档视图。 三、PDM/3D CAD环境下的产品族设计 全面支持产品族设计是PDM/3D CAD集成研究的主要内容之一。我们建立了PDM与3D CAD系统的实时通讯机制、以及统一产品信息模型，实现在PDM/3D CAD集成环境下的基于三维模型的产品族设计（实现原理如图4所示）。支持用户同时使用3D CAD、PDM进行产品族模型参数化设计，并通过双向信息互动实现信息同步。 在3D CAD文件中，与PDM中的产品族信息模型一致，也为产品族模型建立参数表，以及模型的几何尺寸、功能特性和制造特性与参数之间的映射关系。集成插件中间件构建起PDM与CAD通讯的桥梁，保持PDM、CAD中产品信息的一致。集成插件分为服务端和客户端两个部分：服务端是一个可执行文件，它是集成双方消息的分发器；客户端由动态库和OCX控件组成，它负责集成的一方向另一方发消息，以及响应收到的消息完成相应的功能。客户端被嵌入到CAD、PDM应用中，在处理消息时需要调用CAD、PDM向外提供的底层调用接口。根据消息的耦合程度，将消息分模态和非模态的以提高消息的处理性能。模态消息要求目的应用软件在处理消息完成后才返回，源应用软件处于等待状态。非模态的要求目的应用软件在收到消息后先返回，再处理消息，等消息处理完成后再通过服务端向源应用发送处理后的结果。消息的种类和格式、语义在数据中间件中采用标记语言XML描述，由于XML是中性的格式语言，所以消息的种类具有很强的扩展性，并且能够使用于不同的3D CAD应用软件中。 PDM/3D CAD集成环境下，自动保持PDM系统产品族模型对象与3D CAD模型文件中的参数表一致。也就是说，任意一方修改的参数值、增加、减少的参数行，都会自动传递到对方，并根据参数映射关系以及参数传递机制，通过参数驱动改变相应的产品实例。此外，3D CAD通过集成插件中间件也可以请求执行PDM中的功能组件，将PDM系统的数据管理、设计过程管理和三维CAD系统的设计造型能融为一体。 四、结论 随着全球化市场的形成，企业竞争的焦点已经集中于怎样才能更好地满足多样化的客户需求。我们以KMPDM为平台，实现了与多种3D CAD的集成（如KMCAD 3D、Solid Works、Solid Edge等），并支持集成环境下的参数化的产品族变型设计功能。本套解决方案通过在企业的实际应用表明它可以有效的提高企业快速响应客户的多样化需求，同时减少内部零件的多样化。 参考文献： [1]王忠宾，王宁生，叶文华. 一种支持MCM的产品族信息模型的研究. 南京航空航天大学学报，2002， Vol34(3):301～305 [2] 刘晓冰，董建华，孙伟. 面向产品族的建模技术研究 . 计算机辅助设计与图形学学报 ，2001，Vol.13(7)：13～18 [3] 祁国宁，Schottner J，顾新建，等.一种面向大批量定制的产品建模方法.计算机集成制造系统-CIMS，2002, Vol8(1):12～15 [4] Andersion D M，Pine Ⅱ BJ，Agile Product Development for Mass Customization: IRWIN Professsional Publishing，1997 基金项目：本文受国家863CIMS主题项目：“装备与汽车制造业产品数据管理系统研究及应用”(2003AA411010) 资助。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/7/2004)