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支持大批量定制设计的机械零部件分类编码方法 |
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作者：许静 纪杨建 祁国宁 |
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随着客户需求个性化的加强和产品交货期的缩短，大批量定制(Mass customization，MC)这种客户驱动型的生产模式已成为21世纪主流的生产方式。大批量定制对企业的资源重用提出了更高的要求，即不轻易重新设计新的零部件，尽可能重用已有的零件或在已有零件基础上进行变型，这样既可以减少零部件数量，减少客户定制过程中产品的内部多样性，提高其可靠性和可维护性，又可缩短上市时间，优化产品开发设计人员的设计流程，最大程度地满足客户的需求。要实现零部件的高度重用，必须建立完善的零部件分类编码体系，为设计人员提供有效地检索手段。因此如何对制造企业零部件有效地实行分类编码已成为近年来的研究重点之一。
许多学者已经在零部件的分类方法、分类模型及分类算法方面做了大量的研究。NIKOLAUS等介绍了与ISO13584标准相兼容、基于事物特性的产品分类方法，李凌丰根据数理统计理论提出了对机械零件分类编码进行定量化分析的方法。FETTKE等引进系统性分类方法，提出分类参考模型，马军将本体技术引入零件资源分类过程中，提出了基于本体的零件资源通用分类模型。GRESKA等提出适合于片状金属零件的傅里叶描述器及与神经网络的组合分类算法，BRAGLIA等提出基于决策树与层次分析法的多属性零件分类方法。但大多数方法都很难满足大批量定制生产模式的新要求，且大多侧重于理论研究，对企业人员来说可操作性不强。因此，本文提出适合于大批量定制生产模式的分类编码方法，并阐述一套具有可操作性的零部件分类编码的步骤。
1 大批量定制生产模式下零部件分类编码的要求
制造企业零部件的分类编码是一个关乎企业信息化全局的技术，开展工作之前需要对企业分类编码现状、产品特点和数据模型进行全面调研。大批量定制生产模式是以批量生产的效率响应市场的多样化和定制化，需要对零部件进行快而准地检索和重用。因此，应选取一套适合大批量定制模式下满足重用需求的分类编码方案，方便存储与提取数据，提高管理的效率。
目前常见的编码方案主要有隶属制编码方案和平行编码方案，如图1所示。隶属制编码主要特点为能在码上反映出尽可能多的与零部件相关的管理信息，如结构之间的隶属关系、阶段信息等；能方便地获得零部件的使用情况。但这种编码只适合于手工管理方式，不具有分类信息，设计人员很难一次性检索到相似的一类零件；不便于计算机处理时的零件重用，以致于不断有新的零件被设计出来，直接导致了生成和管理方面的成本增加；各产品型号中实现零部件借用的情况比较多时，无论是借用变号，还是借用不变号，都容易造成管理混乱。
图1 编码方案
为了满足大批量定制的重用需求，应选择平行编码方案。该方式是由分类码和识别码两个独立部分组成，可各自单独使用，也可组合后使用。分类码的主要作用是对零件特性进行归类，利于实现大批量生产；识别码是用来对不同零件进行区分和标识，避免通用性强的零件间重用时出现编号混乱的问题。平行编码方案可了解零部件的基本信息，有利于设计重用和组织生产，便于计算机进行处理，有较好的可扩性。
另外，要实现大批量定制生产模式下零部件的高效重用，零部件的分类应满足如下要求。
(1)有统一的分类原则。企业在进行零部件分类的过程中，应根据相关的国家标准、行业标准制定相应的规范准则，依据这些规范建立统一的分类规则，并在产品全生命周期各阶段予以推行实施。这是整个企业高效运作的重要依据和保障，可大大提高用户的检索精度和检索效率。
(2)有很好的分类模型。好的数据模型，能使零部件所有信息单元在PDM系统中进行有序地管理。目前大多数企业都未能建立适合本企业的分类数据模型，致使在管理这些数据的过程中，没有很好地指导原则。
(3)有适于本企业的分类编码系统。目前大部分企业的分类编码系统都存在类似的问题，虽然大部分数据在系统中已被保存，但每天仍有数据被重复记录，一方面是由于浏览和访问的权限被规定，另一方面是由于相同的数据被使用了不同的名称保存而无法区分，因此出现大量的重复件，导致数据库越来越大，搜索到正确的对象越来越难。
综上所述，零部件分类编码是一项基础性的工作，涉及面很广，需要在企业高层的支持下，以企业信息化部门和标准化部门为主导，组织协调各设计部门共同完成。其中，零部件的合理分类起着至关重要的作用。下面详细阐述制造企业零部件通用分类过程及各步骤。
2 制造企业零部件通用分类过程
面向制造企业的零部件通用分类过程，主要由零部件ABC分析、名称分析和分类特性提取、确定类和类层次、构建多重分类树等几个步骤组成，如图2所示。
图2 制造企业零部件的通用分类过程
2.1 零部件ABC分析
根据Pareto法则，不到20%的资源给企业带来80%的效益。为了更好地实施企业资源的有序化管理，首先需要对企业已有的零部件进行ABC分析，由企业标准化部门与信息化部门人员对所有的零件进行全面而详细地分析。其主要的目的是消除二义性，缩小零部件分类的范围，确保分类的成功实施，实现资源的有效重用，提高生产效率。
ABC分析按照零部件的使用频率进行归类，使用频率最高的C类零件通常为标准件和通用件，B类零件为可通过变型设计得到的那部分零件，A类零件为与订单相关，重用几率不大的零件。大批量定制生产模式下约50%为C类，约40%的零部件为B类，只有10%是A类零件，因此有必要再对C类零件进行ABC分析。企业设计人员在进行零件设计的过程中，通常是按照优先数系原理选取合适的零部件，由此可见，符合数系级比的系列零件使用频率极高，可将其作为CC类零件；对于参数与优先数系相似或参数值相近的零件，可作为CB类零件，由资深设计人员分析各项性能指标，确定能否将其转为符合级比的零件；对于不符合优先数系级比的那部分零件，列入CA类零件，尽可能通过一定的变型机制，将其转为CB类零件。A类零件由于重用的机会不多或可能根本不会再被重用，为了缩小分类的范围，A类零件暂时先不予考虑，但其数据仍然在数据库中，用户可以检索到相关信息。在以上分析基础上，企业可建立一个优选库，专门存放使用频率高的零部件，其数量大致为原来的1/3，集中精力对优选库中的零部件进行规范化管理。企业各部门的开发设计工作都基于优选库展开，限制设计人员使用优选库以外的零部件，可大大控制零部件数量，达到很好的重用效果。
2.2 名称分析和分类特性提取
名称分析是根据相应的国家标准及行业标准，对零部件的名称、功能等管理特征进行标准化和规范化分析。将各个不同型号产品的零件按名称语义聚合到一块，再与相关的标准逐一比对，建立统一的、无冗余的名称字典。零件名称的正确分析与命名可以支持PDM系统的有效应用，当开发设计人员需要对新的零件进行命名时，只能在该名称字典中挑选合适的名称，PDM系统拒绝接受数据字典中不存在的零件名称。如果需要在数据字典中增加一个新的名称，则必须履行一个严格的标准化过程，再将整理后的零部件进行名称规范化。名称分析的主要内容包括如下两部分。
(1)对于不同型号产品中名称不同的零部件，可能是因为人为手工输入错误，对于该情况可根据图样判断是不是同一零部件，并进行名称规范化。
(2)对于几何相似但名称不同的零部件，可能是设计人员根据不同的命名规则进行命名，导致名称不同。例如，有的设计人员采用几何命名，有的则采用功能命名，实质是同一零件。此时，可由资深的设计人员根据图样进行判断，完成名称规范化分析。
在DIN 4000和DIN V 4001中，特性被分成事物特性、几何特性、补充特性、功能特性、算法特性、分类特性和属性特性等种类，其中分类特性是用于区分不同特性数据组成的特性。
名称分析的主要依据是零部件分类特性，可通过一定的分析手段，如功能分析、结构分析、几何拓扑分析及参数分析等，提取出零件最本质的分类特性，也可对所有特性进行重要度分析，确定对分类过程重要的几个特性。重要度分析方法主要有层次分析法、德尔菲法等。这一步骤中决定性的工作就是将特性量化，即将特性转换为数值特性，建立判断矩阵，通过正规化计算，获取各特性相应的权重，即可确定出几个最关键的分类特性。
分类特性的提取与名称分析是一个反复迭代的过程，应由资深的设计人员与信息化部门和标准化部门协同完成。
2.3 确定零部件类和类层次
“类”是具有相同或相似特性的一组对象的集合，它为属于该类的全部对象提供统一的抽象描述。在分类问题中，类粒度的选择与设计人员检索和重用的复杂度有很大的关系。如何合理地定义类，是亟需解决的问题。目前国际上类粒度的确定方法和模型主要有Pawlak的粗糙集理论、商空间理论及平均值法等。
不同的分类规则可能得到不同层次结构，合理的分类层次结构可以方便设计人员对零件信息的查询和推理。采用基于语义关系的分类规则，遵循ISO13584标准中的各项规定，建立零件类、零件及特性之间的语义关系，结合基于事物特性表的零件分类原理，构建零部件分类模型。
图3为基于语义的零部件分类模型及关联关系。零部件类与类中实例属于Is_instance_of实例语义关系；父类与子类之间是Is_a继承关系；类与类特性和元属性之间是Is_part_of包含关系，即一个零部件类可包含n个特性，n个元属性；类层次可通过Is_case_of导入关系对已定义的零部件类特性进行关联引用，并根据不同的分类规则，将各个类按照树状结构组织而成，两者之间的语义关系可表达为Is_view_of视图关系。此外，类特性与特性之间还存在Is_subordinate_to从属关系和reference_to引用关系，例如，算法特性则依赖于几何特性而存在，几何特性与属性特性之间存在着引用关系，如精度等。
图3 零部件分类模型及关联关系
类和类层次的确定过程如图4所示。根据DIN4000的标准，分类层次结构以四层为宜。具体步骤如下所述。
(1)第一层的确定。第一层是该层次结构的根节点，为制造企业的零部件。
(2)第二层的确定。为了使类粒度的选择更加合理，可寻找行业内已有的分类结构作为参考，或选取相关的国家标准或行业标准作为参考依据，使类之间的耦合度尽可能地小，便于检索和重用。目前大多数的分类标准都是采用几何结构作为依据，因此，可将几何语义作为第二层次的分类规则。
(3)第三层的确定。由于企业设计人员在设计过程中，首先考虑的是需要设计的零件具有哪些功能，则去检索是否已存在具有相关功能的零件，此时，如果零部件是按照设计人员熟悉的功能进行命名的话，具有较强的实用性，可大大提高他们的工作效率。由此，可选择零部件的功能语义作为分类规则，派生出第三层次。由资深的设计人员确定出各零部件的主要功能语义，并将其映射为合理反映该功能语义的功能特征。在功能特征比较多时，可依重要度进行排序，取前三个最重要的功能特征进行排列组合，类名称则根据排列组合后得到的功能特征进行命名。
(4)第四层的确定。根据上述的层次结构，若发现其中还存在一些名称相同但事物特性不同的零件，可根据其最本质的区别，将其派生出一个新的层次，通常可选取几何语义，并给予相应的类名。
图4 确定零部件类和类层次
类和类层次的确定以及分类特性的提取这两个步骤是一个反复迭代的过程，根据主要的分类特性对各个类进行命名，例如几何语义、功能语义等，并详细列出各个类所具有的特性。
2.4 构建多重分类树
根据上述分析，将其他的零件逐一进行分析，加到已定义的类和层次结构中，确定它的所属类，同时检验或更新现有的类定义，检验或更新现有的类结构。这是一个反复迭代的过程，可能需要调整原有类的定义及层次结构的定义，应站在全局的角度，由资深的设计人员与标准化部门、信息化部门综合讨论，得出符合设计人员习惯、适合本企业的最终分类方案。
分类树是分类层次结构的一种表现形式，根据上述的步骤，已经可以得到具有类继承特性的零部件分类树。根据分析发现一个类可以同时继承多个类的特性，因此在建立过程中，可能会出现多重分类的情况。如图4所示，零件类D3的特性中，可能有几个特性属于父类C2，同时又有另几个特性属于父类C3，此时，对于零件类D3需建立多重分类。具体实现过程为，先为零件类D3确定一个父类，即一检索路径，如A1-B1-C2-D3，那么在A1-B3-C3-D3路径中只需对其建立一索引。构建多重分类树可提高用户的检索精度，实现资源的高度重用。
3 零部件编码方案
由于制造企业零部件分类编码的主要目的是重用，因此我们选择平行编码方案，如图5所示。分类码由第一层次码、第二层次码、第三层次码及第四层次码4部分组成。第一级有2个码位，即第1、2位数字码，表示第一层次；第二级有2个码位，即第3、4位数字码，表示第二层次；第三级有2个码位，即第5、6位数字码，表示第三层次；第四级有2个码位，即第7、8位数字码，表示第四层次。具体形式为：01-01-01-01。识别码为可变长的流水码，由系统自动产生。
图5 编码方案
4 应用实例
下面以某柴油机制造企业的零件对象为例，阐述整个分类编码步骤的实施过程。
目前该企业零件的分类编码存在以下几个问题，零件编码采用的是隶属制编码方案，由“产品代号＋组件号＋零件号”几部分组成，编码上反映了该零件所属的特定结构信息，不便于设计过程的重用或借用；该编码只有识别码，没有分类码，不具有零件的分类信息，在设计过程中很难快速地检索到一类零部件，大大降低了检索精度。
4.1 零部件ABC分析
该企业为大批量定制的生产模式,拥有十几个型号的产品，为了对其进行有序化管理，需要对零部件进行ABC分析。首先，标准化部门与信息化部门的人员将各个不同型号产品的零件按名称语义归并到一块。例如，将螺堵、上螺堵、堵块、堵子等零部件，具有相似的名称语义，将其归并保存于整理表中。将标准件和通用件归并为C类零件，按照设计人员熟悉的优先数系原理，将其分为完全符合级比的CC类零件、与级比相近的CB类零件、不符合级比的CA类零件；将能通过变型得到的零件归为B类零件；不会借用或借用很少的零件归为A类零件。
4.2 名称分析与分类特性提取
将整理后的数据逐一与相关的国家标准和行业标准进行名称分析，建立统一的、无冗余的名称字典。零件对象的名称分析有如下几种情况：①对于不同型号产品中名称不同的零部件，可根据图样判断是不是同一零部件，若事物特性完全相同，则统一名称。如不同型号中的推子衬套和衬套从图样上分析，都可提取出事物特性“宽度、厚度、内径、油孔直径与座孔配合”，因此认为是同一类零件，根据标准，建议统一名称为衬套。②对几何相似但名称不同的零部件进行图样分析，分析其事物特性，若事物特性相同，则归为一类，统一名称。如按功能进行命名的套管、圆管、钢管、通油管和小通水管等几个相似零件，通过图样分析可知，这几个零件都可通过“长、直径、厚度”三个相同的事物特性表示，因此可将其分为一类，并按相应的标准统一名称为圆管，并将数据保存于整理表中。
4.3 确定类和类层次
首先定义零部件类，为了使分类结构的第二层选取合适的粒度，根据调研，选取柴油机行业标准作为第二层类粒度选取的依据，按照几何结构，将其分为环、套、销、轴、管、圈、壳、体、杆、板、块、座、架、盘、齿轮、异形件和特殊件等大类，局部图如图6所示。并对每类最本质的特性进行详细的介绍，如套定义为具有较大通孔的零件，通常内径d/外径 D>0.5，长L/宽b<3且长L/高h>4的零件定义为板形件，长L/宽b<3且长L/高h<4的零件定义为块形件等。将其存放于事物特性表中，作为类划分的准则。该层中各个类的名称的选取，可参考行业标准，并附上相关的详细说明。
图6 类和类层次的局部图
基于层次分类原理，根据语义关系，从已有的基本类派生出一个新的子类，即形成分类结构的第三层次。经过研讨，我们选取零部件的主要功能语义，作为这一层次的分类特性，并将其映射为功能特征，对各节点的子类进行划分。例如套类中的衬套零件，主要功能语义为润滑、导向等，因此可映射为润滑孔、台阶等功能特征。类名称的命名可根据功能特征的排列组合得到，如带润滑孔有台阶的衬套、带润滑孔无台阶的衬套等。事物特性表中存储零件类这一层自身的特性和继承的上一层类的特性。
根据上述的分类结构，若发现其中还存在一些名称相同但事物特性不同的零件，可根据几何语义再派生出一个新的层次。例如，喷油管零件，如图7所示，经过图样分析可以看出，虽然名称都是喷油管，但事物特性不同，应将其按几何形状再分一层，并将其分别命名为单弯头喷油管和双弯头喷油管。
图7 喷油管结构图
4.4 构建多重分类树
此时，整理好的数据已经产生一棵分类树。由设计人员与信息化部门共同研讨，确定零件的多重分类情况，建立相应的多重索引。如图6所示，对于轴齿轮零件，为了提高检索的精度，可对其进行多重分类。纵观整棵多重分类树，对所建立的事物特性表的实例进行分析，删除同一零件的实例，即所有特性值完全相同的实例，减少数据冗余。
本实验室已结合上述步骤进行了分类编码系统的开发，并在企业中成功应用，辅助实现零部件分类编码的实施。该系统可实现的主要功能如下：①可定制适合本企业的分类码和识别码的规则，按照规则自动为新增的各零部件识别所属类，并赋予正确的编码；②可按照编码的层次自动生成分类树，并能直接在节点上进行增删改处理，使管理人员能直观方便地进行分类树的编码工作；③能确保所有数据的唯一性和一致性；④可自动统计已编码对象的各种信息；⑤系统对每个用户都赋予了权限，通常设计人员只有查询/检索、获取对象信息，如分类码、识别码、相关属性等权限；⑥系统建立了分类层次结构与产品结构层次之间的映射关系，用户可直接通过分类树检索所需的信息，也可通过熟悉的产品结构入口进行检索，还可以直接通过名称等精确检索机制进行直接过滤，大大提高了用户的检索和重用效率。
5 结论
(1)根据企业具体实践，总结了大批量定制生产模式对零部件分类编码提出的新要求。
(2)具体分析了零部件分类过程中的各个环节，给出了一系列可操作的方法及步骤，提出了基于语义关系的分类模型，实践表明，该方法可操作性强，为企业零件分类实施过程提供了可靠性的依据及指导性的原则。
(3)针对大批量定制的重用需求，指出了适宜的编码方案。
(4)基于J2EE平台开发了分类编码系统，辅助实现零件分类编码过程，大大提高了工作效率。需要进一步指出的是分类编码体系是一个贯穿产品全生命周期管理的技术体系，本文主要针对设计环节进行了研究，今后的工作重心将进一步研究生命周期其他各个阶段。(end)
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(6/23/2015) |
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