基于零件库的产品设计原理 - 文章

基于零件库的产品设计原理

作者：李仁旺苏宝华祁国宁来源：面向大批量定制的产品建模

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大批量定制企业为了实现以最短的时间、最低的成本向客户提供质量满意的定制产品这一目标，要求在进行定制产品设计时尽量选用标准件和外购件以获得产品在时间（T）、成本（C）和质量（Q）等方面的改善。从前面讨论可知，企业的零部件可以分为A、B、C 三种，其中A 类零部件直接与客户订单中的特殊要求紧密相连，在设计和生产中占用了企业的大部分时间和资源。但是，这些对本企业来讲是全新的零部件，对其他企业可能是成熟的B 类甚至企业的C 类件；因此，如果能够通过有效的零部件供应渠道，通过整个供应链的信息集成实现企业间零部件资源的共享，进而实现在设计过程中对已有的设计资源及成果最大限度的重用，对于大批量定制企业参与市场竞争具有重要的实践意义。

1、零件库的基本概念

长期以来，企业与零部件供应商之间的信息传递是依靠文档形式的产品目录来进行的，这种方式在全球化市场竞争的今天已经无法满足企业生产设计活动的需要；再者，制造业日益全球化的发展趋势要求尽可能利用全世界范围内的资源优势组织企业的生产活动。因此，研究零部件供应商与企业之间、不同企业之间的产品资源共享方式与途径已经成为市场发展的必然。正是在上述背景下，国际标准化组织（ISO）工业自动化系统集成技术委员会（TC184）的工业数据与全球制造编程语言分会（SC4）在德国国家标准的基础上，着手制定零件库国际标准（ISO13584），这一标准的制定和实施将为制造业全球化发展趋势下的企业设计活动带来新的变革。

零件库是对供应商提供的成品和标准化机构颁布的标准件等外购件、企业中的标准件和典型的变型零部件（即通常意义下的B、C 类零部件）集合的总称。零件库包括企业库（企业的资源集合）和供应商库（供应商的资源集合）两类。

零件库国际标准分为概念描述、逻辑资源、实现资源、描述方法学、一致性测试、视图交换协议及标准化内容七个系列。该标准研究零件定义与产品无关时，零件库数据信息在计算机中的合理表达与交换。其目标是为传递零件库数据提供一种机制，并使之独立于应用该零件库数据的任何一种应用系统。这种描述的本质不但适于零件信息文件交换，也是应用、共享零件库数据的基础。

2、零件库的建立方法

零件库由零件信息、零件几何图形程序、零件信息传输接口三部分组成。零件信息描述了零件的几何特性和非几何特性；零件几何图形程序描述了零件的几何形状；零件信息传输接口用于实现零件几何图形程序在不同CAD 系统之间的转换。

零件库的建立是为了实现供应商和企业之间的信息交换及设计资源的重用；因此，其中的零件对象应该是对已有设计资源充分优化的结果，而绝不只是设计结果的积累。在本书中，将零件库的建立分为零件标准化与规范化定义、可变型零件模型建立及信息传输接口开发三个方面。

零件标准化、规范化顶事是通过一些列步骤实现零件资源优化的过程，所得到的零件分类定义、零件名称、几何形状、参数等信息是建立零件库的基础，这一过程对保证零件库中零件信息的正确性与合理性是至关重要的。可变型零件模型建立是基于一定的CAD 系统对标准化、规范化的零件信息进行表达的过程。下面讨论信息传输接口的开发。

信息传输接口是保持零件库开放性、实现零件库与CAD 系统集成的关键。信息传输接口包括前置处理器和后置处理器两部分，前置处理器用于实现零件模型到零件几何图形程序之间的转换，后置处理器用于实现零件几何图形程序到零件模型之间的转换，它们与具体的CAD 系统有关。信息传输接口的函数内容及格式在ISO13584-31 标准中有统一的规定；例如，标准中对极坐标状态的相对点、过两点的直线和由三点确定的圆弧的函数描述，如图1（a）、图1（b）和图1（c）所示。按照标准中的函数格式，根据不同CAD 平台的开发特点，可以分别完成前置处理器和后置处理器的开发。

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图1 点、直线和圆弧函数在ISO13584-31 标准中的描述

在以上工作的基础上，基于相应CAD 系统，应用零件库前置处理器可以由零件模型生成零件几何图形程序。该程序不依赖于任何平台，以标准中规定的FORTRAN77 或C 文法来描述。至此，完成了零件库三方面内容的构建。

为了实现对零件库的管理及便于设计人员的使用，还需要开发零件库管理信息系统，设计人员通过零件库管理信息系统对零件库内容进行操作。基于符合 ISO13584 标准的零件库实现设计资源共享的原理，如图2 所示。

按图 2 所示的设计资源共享原理，结合前面的讨论，可将结构设计模型中的原理模型、视图模型和母图模型通过零件库前置处理器转换为相应的零件几何图形程序。该程序和零件信息、信息传输接口一起构成了企业零件库，以统一的数据格式支持企业的产品设计活动。

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图2 基于零件库的设计资源共享原理

零件库国际标准实现了供应商与企业之间资源的共享及重用，在企业内部信息集成的过程中，STEP 标准（ISO10303）将发挥重要的作用。由于一个制造企业既可以是用户也可以是零件供应商，所以零件库标准试图提供一种机制，这种机制使企业既可作为用户使用零件库，又可以把自己生产的零件集成到零件库中供其他用户使用。这种零件数据交换可望通过扩展的STEP 文件来进行，扩展的STEP 文件包括STEP 产品数据，也包括零件库数据，这样就可以满足不同企业之间零件信息交换的需要。

3、零件库在产品设计中的应用

随着通讯技术的不断进步和 Internet 的迅猛发展，全球化制造时代已经到来。在这种背景下，基于网络合理地利用大范围内的资源实现产品开发设计已经成为设计领域的发展趋势。因此，充分利用Internet 所带来的资源和信息方面的优势，通过网上资源的传递与共享，在可变型产品模型的基础上，完成定制产品的开发设计是实现大批量定制战略目标的重要保证，在这一过程中基于ISO13584 标准的零件库技术起着重要的作用。

按照网上设计时对产品信息需求深度的不同，可以将基于Internet 的产品变型设计活动中的信息交互分为互联、半互操作和互操作四种类型。

（1）互联

互联是信息交互程度最低的一种，指在Internet 上通过企业主页依据一定的检索规则对企业资源进行查询、浏览的过程。通过互联操作可以了解企业产品资源的概况，为后续操作奠定基础。

（2）互换

互换指通过互联操作，在可以获得的企业资源库中存有所需的产品或零部件信息，并且该零部件或产品恰好可以完全满足当前设计任务的要求，通过一定指令将其从网络上下载调入本地机器直接用于设计活动的过程。通过互换操作，可以实现不同企业和不同设计人员之间产品资源的共享和使用。

（3）半互操作

半互操作指查询到的产品或零部件不能满足当前设计任务的需要，这时需将该零部件下载到本地机器，经过修改和变型使之满足设计要求（有修改权限）或通过与该零部件的设计生产厂家联系，由该厂家对零部件进行重新设计，将修改后的结果放入零件库中使之成为可重用资源，供设计人员将其下载用于设计活动的过程。半互操作在产品资源共享和使用的基础上，提供了对其进行变型与修改的能力。

（4）互操作

互操作是信息交互的最高层次，指不同用户借助于先进的计算机技术及网络环境，对同一产品或零部件实时进行修改和操作的过程。与前三种操作相比，互操作过程强调在共享、使用、修改基础上的实时操作性。互操作过程可以直接满足并行工程的需要。

信息交互的四种类型及其原理示意，如图 3 所示。

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图3 信息交互的四种类型及其原理示意

信息交互的不同类型决定了零件信息描述方式及详尽程度的不同，基于ISO13584 标准的零件描述在理论上可以有效地支持上述四种类型的信息交互，满足网上变型设计的需要。在零件库的支持下，通过有效的分类和检索机制检索到满足设计需求的零部件种类，将零件几何图形程序和零件信息下载到用户的本地机器中，将几何图形程序与ISO13584 后置处理程序联编，使得零件库中的零件资源能够在本地CAD 系统中使用（实现互换层次操作）。若该零部件不能完全满足当前设计任务的要求，在CAD 系统中利用编辑工具对零件图形或模型进行编辑。修改工作完成后，利用ISO13584 前置处理器将设计结果转化为零件信息及几何图形程序，经释放后存于零件库中供其他设计人员使用或再次进行产品设计时重用（实现半互操作过程）。互操作过程的实现比较复杂，除了零件描述外，还需要更完善的计算机工具和网络环境的支持。

在有效地支持上述四个层次信息交互的基础上，基于ISO13584 标准的零件库成为企业间协同设计的基础技术之一。图4 描述了零件库在企业间协同设计中的重要作用。

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图4 零件库在企业间协同设计中的重要作用

从图 4 可以看出零件库由供应商库和各企业自己的企业库组成，其中的零件信息及几何图形程序均符合有关国际标准，通过开放的信息环境，各企业可以将供应商库中的相关内容调入本企业的企业库，成为本企业的设计资源。通过ISO13584 前置处理器后后置处理器，企业的各个用户在给予PDM 的CAx/MRPII 集成环境中实现企业内部设计资源的共享，由此完成了供应商到企业设计部门之间信息的传递和交换。不同企业之间的产品资源基于各自的零件库，在网络环境的支持下，应用上述四种信息交互方式实现不同企业中的设计资源在不同企业中的不同设计人员之间的充分共享，从而实现了供应商和各企业之间产品资源的充分集成，在相应计算机软硬件环境和网络平台的支持下，保证了企业之间更高层次的协同设计。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/21/2009)


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