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基于PDM的汽车轮胎模具产品配置研究 |
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作者：魏修亭 杨鲁鹏 林江海 |
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如何高质量、低成本、短交货期满足客户个性化、多样性的需求，成为汽车轮胎模具企业在当今市场竞争中生存的关键。PDM为企业提供了管理和控制产品全生命周期所有数据和过程的机制和功能。实施PDM系统的目标是利用一个集成的信息系统来协助创建和管理产品开发设计及产品制造所需要的完整的技术资料，并对产品的形成过程进行有效的管理和控制。产品配置管理(Product Configuration Management)能够使企业的各个部门在产品的整个生命周期内共享统一的产品配置，并且对应不同阶段的产品定义，生产相应的产品结构视图，如设计图、装配视图、制造视图和计划视图等。产品配置管理是根据用户给出的配置需求，基于单一、通用的产品族结构，选配出完全或部分满足需要的零部件及其产品结构。提出用功能、技术、结构三视图对产品族进行建模的方法。提出一个多层次的产品结构模型，这几个层次分别为：产品分类体系、产品模型、配置、零部件结构、材料清单。
针对以PDM平台下汽车轮胎模具配置管理的特点，本文从汽车轮胎模具产品配置原理出发，建立了产品族结构配置模型，并在此基础上建立了以产品族结构模型为核心的产品配置模型和配置过程模型。
1 汽车轮胎模具产品配置工作原理
制造业产品配置的应用理念是最大程度利用企业已有生产资源，不需要创新性设计或适应性设计，只通过一个可行的组合(配置)和常规的设计方法(变型设计)，就能在短期内完成个性化产品定制任务。产品配置可以根据客户的配置要求，基于动态的产品族结构模型，配置出完全或者部分满足客户要求的零部件及产品。经客户确认后的产品结构，通过产品配置管理把产品结构模型映射为面向不同用户的视图，即BOM多视图管理，保证了产品数据的安全性和有效性。图1表示基于PDM系统的汽车轮胎模具产品配置原理。汽车轮胎模具是典型的按订单设计(Engineer-To-Order，ETO)的定制产品，产品结构由销售工程师和客户通过PDM系统的配置管理功能实现，并快速提供详细的产品报价清单和产品零部件的变形设计。
图1 基于PDM的汽车轮胎模具产品配置原理
2 汽车轮胎模具产品族结构模型
2.1 产品配置的动态性
产品配置的动态性主要表现在三个方面：
1)产品族结构配置模型中的零部件集合是动态变化的。即随着时间的变化，企业零部件库会不断进行更新。动态的产品族结构模型扩大了产品配置的使用范围，提高了产品配置的效率和准确性。
2)产品族结构配置模型是动态变化的。如在T1时刻的产品配置模型为C1，而在T2时刻的配置模型可能为C2，即C1→C2。配置模型的变化最主要是由于组成配置模型的配置单元以及配置规则的变化引起的。
3)产品配置的结果也是不断变化的。主要是由于汽车轮胎模具是面向客户化的ETO产品，根据客户需求对产品结构和性能进行调整，包括个别零部件的变型设计、零部件工艺改变以及精度要求等。
2.2 汽车轮胎模具产品族结构模型建立
汽车轮胎模具结构和客户群相对固定，产品结构的主要区别在于花纹块花纹的不同、花纹块的个数、有无气室、高度、外径、轴向行程及径向行程等，其他部分的形状结构相似，完全可以实现标准化，模块化。为了快速响应客户订单，缩短产品生产周期，必须构建一个可以支持配置的、单一的、动态的产品族结构模型。图2表示动态产品族结构模型，该结构模型与订单无关。整个动态产品族结构模型由两类类虚拟节点、三类实节点与部件类、零件类组合而成，各构成元素代表的含义如下：
替换节点：是放置替换件的节点，在产品结构中某个功能可以有多个不同结构的组件，在配置过程中各个组件的地位是等同的，可以根据约束条件进行选择。如花纹圈，可以根据客户要求分割成8块、9块、10块、12块等。
可选节点：是放置可选件的节点，可选件节点存在是否选中的可能。
实节点：在产品结构树中显示且其数据时可见的且可用的部件、组件、零件等。
虚节点：为了不破坏产品结构树的完整性，而在产品结构树中显示的节点，但其数据时不可见和不可用的。如型腔部件，其实就是一个虚拟的部件。
构件：表示具有一定形状、功能和装配关系的零部件属性序列。这类零部件具有相同或相似的功能，以及相同的接口。
零部件：构件的实例化，同时零部件还可以存在不同的版本，产品的配置过程就是构件实例化、零部件版本确定的过程。
图2 产品族结构模型
动态产品族结构模型，构建了一个产品配置主模型，实现了对产品数据的分类和组织。产品配置可以通过规则和约束条件来决定动态结构族模型中不确定节点被选择的条件。
2.3 基于变量条件和规则的产品配置
产品的型号规格往往是由几个关键参数决定，汽车轮胎模具结构相对固定，不同型号之间存在着许多相同的组件，通过选定几个关键参数作为变量条件来对产品进行配置。变量条件不但包括零部件版本信息，也包括其相关的装配关系。如客户要求产品对应的硫化机规格是63.5时、花纹圈分为8块、采用斜平面导向、采用蒸锅式加热方式等等，这些参数都可以视为变量条件，变量条件按照事先定义好的配置参数经过逻辑运算法则“=”、“>”、“<”、“and”，“or”，“not”等组合成变量规则。本文采用决策表技术，各种规则可以按照简单的方式罗列在决策表中，决策表一般有四个区域组成，即条件区、条件说明区、活动区、活动说明区。条件区中包含了所有用来检验决策情况的条件；条件说明区是规则列中对条件的必要说明；活动区是根据条件所要执行的各种活动；活动说明区是在一规则列中对所执行活动的必要说明。
3 产品配置过程
3.1 产品配置的过程模型
产品族结构摸型是定义了上下级装配关系的构件和零件的集合，产品配置过程就是将产品族结构模型实例化的过程，最终形成具体的产品结构树。通常用户所看到的产品结构树并非完整的产品结构，而是产品族结构经过映射后所产生的面向不同用户的视图。因此，产品配置过程就是通过配置规则和配置知识，从产品族结构模型状态到产品结构树的具体零部件状态的映射过程，产品配置过程可以用图3所示的模型表示，Ti=(Ii，Ci，Oi，Mi)
其中Ti表示所要完成的任务名称，即信息转换的内容；
Ii=(Ii1，Ii2，…，Iin)表示完成活动Ti所需要的信息输入，如客户订单、配置参数等；
Ci=(Ci1，Ci2，…，Cin)表示影响活动Ti执行的事件或约束，如配置规则、查找相似零部件信息等；
Oi=(Oi1，Oi2，…，Oin)表示完成活Ti死所产生的结果及信息，如配置参数、零部件模型及技术文档等；
Mi=(Mi1，Mi2，…，Min)表示完成活动Ti所需要的资源(软件系统等工具、数据模型等)。
3.2 产品配置过程分析
产品配置是一种特殊的设计行为，即给定一个构件集以及构件之间的约束关系和特定客户需求，从构件集中选择出一组构件，将构件相互连接形成满足要求的产品。产品的配置过程是根据产品的层次结构和零部件模型进行的自上而下与自底而上相结合、反复迭代的过程。图4表示汽车轮胎模具产品配置过程模型，基于动态产品族结构模型的产品配置过程大体分为三个阶段：
第一阶段，在动态产品族结构模型的基础上，根据客户订单需求与选定的变量条件和配置规则，确定与订单相关的初步的产品配置方案，即非精确产品结构。在这一阶段，企业结合自己的实际生产能力为客户个性化的需求快速制定初步的配置方案，并为客户快速提供准确的产品报价。
第二阶段，在非精确产品结构的基础上，对不能直接满足客户要求的定制零部件进行变型设计。对无法满足结构或性能要求的零部件，根据编码从PDM系统中查找到相似零部件的主模型和主文档，利用集成的CAD系统完成零部件变型设计，并将实例化的零部件关联到动态产品族结构模型。
第三阶段，确定所有零部件的有效版本，形成精确配置实例的客户产品结构和详细的工程技术文档。根据需要把精确的客户产品结构映射为特定的视图，即BOM多视图管理。
产品配置过程
4 BOM多视图管理
产品的结构信息、属性信息、关联信息等是分阶段形成的，对应于产品生命周期的不同阶段，从不同角度产生了BOM子视图。PDM提供的BOM多视图管理可以为不同部门提供从不同角度配置的BOM，保证了企业使用的数据是来自单一数据源，同时保证了数据的安全性，加快了订单的响应时间和提高了报价的准确度。产品配置实例化结束后，首先得到客户化的精确EBOM，它精确地描述了产品设计中产品、部件、组件、零件之间的关系，通过关联零部件的主模型和主文档派生得到可以用于下游生产的工程图、工艺过程规划、装配图、NC程序等。图5表示基于PDM系统的产品配置BOM多视图的转换与分解。
制造企业传统的BOM编制过程，是经过设计部门、工艺部门、采购、财务、销售等依次完成，而基于PDM的产品配置过程体现了“并行工程”的思想，在产品配置过程中，通过产品族结构模型记录下各个零部件的配置层次信息和主模型、主文档信息，生成产品生命周期的各种BOM视图，从任何一个产品结构视图中均可查询到完整的产品结构和数据文档。
应用实例
在企业实施PDM系统的基础上，通过对产品设计、工艺、制造、装配的各个环节的分析，建立了模块化、标准化的动态产品结构模型，由PDM系统对产品结构模型和变量规则与约束进行管理，再利用PDM系统提供的配置管理功能，快速配置出客户满意的产品。
下面以某蒸锅式汽车轮胎模具为例，该产品所属系列有相同的产品结构及装配形式，不同的是产品对应的硫化机规格以及花纹、侧板、活字块等。决策表作为客户化产品配置变量条件和约束规则实现的关键，由各部门工程师共同维护，表1是通过产品族结构模型选择零部件使用的约束规则之一的决策表SP01。条件Condition_Sn表示花纹圈的分块数，条件Condition_Ss表示活络模具的结构形式，条件Condition_Vms表示汽车轮胎模具所使用硫化机的尺寸等；活动Action_s_sh表示根据条件和规则所选择的滑块规格，活动Action_s_uwp表示根据条件和规则所选择的上减磨板规格。
BOM多视图的转换与分解
根据客户化初步配置方案，向客户提供配置结果，同时提供详细的报价清单。如果对方案满意，则根据相应零部件的主模型和主文档进行变型设计，并根据配置实例，映射为生产中所需的各种BOM视图。
6 结论
产品配置管理是PDM系统的重要功能，是企业快速响应客户定单、缩短生产周期的关键技术。本文从汽车轮胎模具产品配置原理出发，建立了产品族结构配置模型，并在此基础上建立了以产品族结构模型为核心的产品配置模型和配置过程模型。产品配置管理保证了企业在产品的全生命周期内共享统一的产品数据模型，BOM多视图管理保证了数据的安全性。对汽车轮胎模具的产品配置管理的研究，对制造企业尤其是汽车轮胎模具企业成功实施PDM系统具有很大的借鉴意义。
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(12/14/2011) |
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