基于PDM的汽車輪胎模具產(chǎn)品配置研究

魏修亭，楊魯鵬，林江海，任曉琪

（1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250031；3.山東大王金泰集團(tuán)，東營 257335）

0 引言

如何高質(zhì)量、低成本、短交貨期滿足客戶個性化、多樣性的需求，成為汽車輪胎模具企業(yè)在當(dāng)今市場競爭中生存的關(guān)鍵。PDM為企業(yè)提供了管理和控制產(chǎn)品全生命周期所有數(shù)據(jù)和過程的機(jī)制和功能。實(shí)施PDM系統(tǒng)的目標(biāo)是利用一個集成的信息系統(tǒng)來協(xié)助創(chuàng)建和管理產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造所需要的完整的技術(shù)資料，并對產(chǎn)品的形成過程進(jìn)行有效的管理和控制。產(chǎn)品配置管理（Product Configuration Management）能夠使企業(yè)的各個部門在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)共享統(tǒng)一的產(chǎn)品配置，并且對應(yīng)不同階段的產(chǎn)品定義，生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)視圖，如設(shè)計(jì)圖、裝配視圖、制造視圖和計(jì)劃視圖等[1]。產(chǎn)品配置管理是根據(jù)用戶給出的配置需求，基于單一、通用的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)，選配出完全或部分滿足需要的零部件及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[2]。文獻(xiàn)[3]提出用功能、技術(shù)、結(jié)構(gòu)三視圖對產(chǎn)品族進(jìn)行建模的方法。文獻(xiàn)[4]提出一個多層次的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，這幾個層次分別為：產(chǎn)品分類體系、產(chǎn)品模型、配置、零部件結(jié)構(gòu)、材料清單。

針對以PDM平臺下汽車輪胎模具配置管理的特點(diǎn)，本文從汽車輪胎模具產(chǎn)品配置原理出發(fā)，建立了產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型，并在此基礎(chǔ)上建立了以產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型為核心的產(chǎn)品配置模型和配置過程模型。

1 汽車輪胎模具產(chǎn)品配置工作原理

制造業(yè)產(chǎn)品配置的應(yīng)用理念是最大程度利用企業(yè)已有生產(chǎn)資源，不需要創(chuàng)新性設(shè)計(jì)或適應(yīng)性設(shè)計(jì)，只通過一個可行的組合（配置）和常規(guī)的設(shè)計(jì)方法（變型設(shè)計(jì)），就能在短期內(nèi)完成個性化產(chǎn)品定制任務(wù)[5]。產(chǎn)品配置可以根據(jù)客戶的配置要求，基于動態(tài)的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型，配置出完全或者部分滿足客戶要求的零部件及產(chǎn)品。經(jīng)客戶確認(rèn)后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，通過產(chǎn)品配置管理把產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型映射為面向不同用戶的視圖，即BOM多視圖管理，保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的安全性和有效性。圖1表示基于PDM系統(tǒng)的汽車輪胎模具產(chǎn)品配置原理[6]。汽車輪胎模具是典型的按訂單設(shè)計(jì)（Engineer-To-Order，ETO）的定制產(chǎn)品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由銷售工程師和客戶通過PDM系統(tǒng)的配置管理功能實(shí)現(xiàn)，并快速提供詳細(xì)的產(chǎn)品報(bào)價(jià)清單和產(chǎn)品零部件的變形設(shè)計(jì)。

圖1 基于PDM的汽車輪胎模具產(chǎn)品配置原理

2 汽車輪胎模具產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型

2.1 產(chǎn)品配置的動態(tài)性

產(chǎn)品配置的動態(tài)性主要表現(xiàn)在三個方面[7]：

1）產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型中的零部件集合是動態(tài)變化的。即隨著時(shí)間的變化，企業(yè)零部件庫會不斷進(jìn)行更新。動態(tài)的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型擴(kuò)大了產(chǎn)品配置的使用范圍，提高了產(chǎn)品配置的效率和準(zhǔn)確性。

2）產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型是動態(tài)變化的。如在T1時(shí)刻的產(chǎn)品配置模型為C1，而在T2時(shí)刻的配置模型可能為C2，即C1→C2。配置模型的變化主要是由于組成配置模型的配置單元以及配置規(guī)則的變化引起的。

3）產(chǎn)品配置的結(jié)果也是不斷變化的。主要是由于汽車輪胎模具是面向客戶化的ETO產(chǎn)品，根據(jù)客戶需求對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行調(diào)整，包括個別零部件的變型設(shè)計(jì)、零部件工藝改變以及精度要求等。

2.2 汽車輪胎模具產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型建立

汽車輪胎模具結(jié)構(gòu)和客戶群相對固定，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于花紋塊花紋的不同、花紋塊的個數(shù)、有無氣室、高度、外徑、軸向行程及徑向行程等，其他部分的形狀結(jié)構(gòu)相似，完全可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化。為了快速響應(yīng)客戶訂單，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，必須構(gòu)建一個可以支持配置的、單一的、動態(tài)的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型。圖2表示動態(tài)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型，該結(jié)構(gòu)模型與訂單無關(guān)。整個動態(tài)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型由兩類類虛擬節(jié)點(diǎn)、三類實(shí)節(jié)點(diǎn)與部件類、零件類組合而成，各構(gòu)成元素代表的含義如下[8]：

普通節(jié)點(diǎn)：不需要進(jìn)行變型配置的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)配置規(guī)則和約束條件可以直接選配，如標(biāo)準(zhǔn)件，通用件等。

替換節(jié)點(diǎn)：是放置替換件的節(jié)點(diǎn)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中某個功能可以有多個不同結(jié)構(gòu)的組件，在配置過程中各個組件的地位是等同的，可以根據(jù)約束條件進(jìn)行選擇。如花紋圈，可以根據(jù)客戶要求分割成8塊、9塊、10塊、12塊等。

可選節(jié)點(diǎn)：是放置可選件的節(jié)點(diǎn)，可選件節(jié)點(diǎn)存在是否選中的可能。

實(shí)節(jié)點(diǎn)：在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中顯示且其數(shù)據(jù)時(shí)可見的且可用的部件、組件、零件等。

虛節(jié)點(diǎn)：為了不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的完整性，而在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中顯示的節(jié)點(diǎn)，但其數(shù)據(jù)時(shí)不可見和不可用的。如型腔部件，其實(shí)就是一個虛擬的部件。

構(gòu)件：表示具有一定形狀、功能和裝配關(guān)系的零部件屬性序列。這類零部件具有相同或相似的功能，以及相同的接口。

零部件：構(gòu)件的實(shí)例化，同時(shí)零部件還可以存在不同的版本，產(chǎn)品的配置過程就是構(gòu)件實(shí)例化、零部件版本確定的過程。

動態(tài)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建了一個產(chǎn)品配置主模型，實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分類和組織。產(chǎn)品配置可以通過規(guī)則和約束條件來決定動態(tài)結(jié)構(gòu)族模型中不確定節(jié)點(diǎn)被選擇的條件。

2.3 基于變量條件和規(guī)則的產(chǎn)品配置

產(chǎn)品的型號規(guī)格往往是由幾個關(guān)鍵參數(shù)決定，汽車輪胎模具結(jié)構(gòu)相對固定，不同型號之間存在著許多相同的組件，通過選定幾個關(guān)鍵參數(shù)作為變量條件來對產(chǎn)品進(jìn)行配置。變量條件不但包括零部件版本信息，也包括其相關(guān)的裝配關(guān)系。如客戶要求產(chǎn)品對應(yīng)的硫化機(jī)規(guī)格是63.5吋、花紋圈分為8塊、采用斜平面導(dǎo)向、采用蒸鍋式加熱方式等等，這些參數(shù)都可以視為變量條件，變量條件按照事先定義好的配置參數(shù)經(jīng)過邏輯運(yùn)算法則“=”、“＞”、“＜”、“and”、“or”、“not”等組合成變量規(guī)則。本文采用決策表技術(shù)，各種規(guī)則可以按照簡單的方式羅列在決策表中，決策表一般有四個區(qū)域組成，即條件區(qū)、條件說明區(qū)、活動區(qū)、活動說明區(qū)。條件區(qū)中包含了所有用來檢驗(yàn)決策情況的條件；條件說明區(qū)是規(guī)則列中對條件的必要說明；活動區(qū)是根據(jù)條件所要執(zhí)行的各種活動；活動說明區(qū)是在一規(guī)則列中對所執(zhí)行活動的必要說明[8]。

圖 2 產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型

3 產(chǎn)品配置過程

3.1 產(chǎn)品配置的過程模型

產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型是定義了上下級裝配關(guān)系的構(gòu)件和零件的集合，產(chǎn)品配置過程就是將產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型實(shí)例化的過程，最終形成具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。通常用戶所看到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹并非完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而是產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)經(jīng)過映射后所產(chǎn)生的面向不同用戶的視圖。因此，產(chǎn)品配置過程就是通過配置規(guī)則和配置知識，從產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型狀態(tài)到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的具體零部件狀態(tài)的映射過程，產(chǎn)品配置過程可以用圖3所示的模型表示，Ti＝（Ii，Ci，Oi，Mi）

其中Ti表示所要完成的任務(wù)名稱，即信息轉(zhuǎn)換的內(nèi)容；

Ii＝（Ii1，Ii2，…，Iin）表示完成活動Ti所需要的信息輸入，如客戶訂單、配置參數(shù)等；

Ci＝（Ci1，Ci2，…，Cin）表示影響活動Ti執(zhí)行的事件或約束，如配置規(guī)則、查找相似零部件信息等；

Oi＝（Oi1，Oi2，…，Oin）表示完成活動Ti所產(chǎn)生的結(jié)果及信息，如配置參數(shù)、零部件模型及技術(shù)文檔等；

Mi＝（Mi1，Mi2，…，Min）表示完成活動Ti所需要的資源（軟件系統(tǒng)等工具、數(shù)據(jù)模型等）。

圖3 產(chǎn)品配置過程模型

3.2 產(chǎn)品配置過程分析

產(chǎn)品配置是一種特殊的設(shè)計(jì)行為，即給定一個構(gòu)件集以及構(gòu)件之間的約束關(guān)系和特定客戶需求，從構(gòu)件集中選擇出一組構(gòu)件，將構(gòu)件相互連接形成滿足要求的產(chǎn)品[9]。產(chǎn)品的配置過程是根據(jù)產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)和零部件模型進(jìn)行的自上而下與自底而上相結(jié)合、反復(fù)迭代的過程。圖4表示汽車輪胎模具產(chǎn)品配置過程模型，基于動態(tài)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型的產(chǎn)品配置過程大體分為三個階段：

第一階段，在動態(tài)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)客戶訂單需求與選定的變量條件和配置規(guī)則，確定與訂單相關(guān)的初步的產(chǎn)品配置方案，即非精確產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。在這一階段，企業(yè)結(jié)合自己的實(shí)際生產(chǎn)能力為客戶個性化的需求快速制定初步的配置方案，并為客戶快速提供準(zhǔn)確的產(chǎn)品報(bào)價(jià)。

第二階段，在非精確產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對不能直接滿足客戶要求的定制零部件進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。對無法滿足結(jié)構(gòu)或性能要求的零部件，根據(jù)編碼從PDM系統(tǒng)中查找到相似零部件的主模型和主文檔，利用集成的CAD系統(tǒng)完成零部件變型設(shè)計(jì)，并將實(shí)例化的零部件關(guān)聯(lián)到動態(tài)產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型。

第三階段，確定所有零部件的有效版本，形成精確配置實(shí)例的客戶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和詳細(xì)的工程技術(shù)文檔。根據(jù)需要把精確的客戶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)映射為特定的視圖，即BOM多視圖管理。

4 BOM多視圖管理

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息、屬性信息、關(guān)聯(lián)信息等是分階段形成的，對應(yīng)于產(chǎn)品生命周期的不同階段，從不同角度產(chǎn)生了BOM子視圖[10]。PDM提供的BOM多視圖管理可以為不同部門提供從不同角度配置的BOM，保證了企業(yè)使用的數(shù)據(jù)是來自單一數(shù)據(jù)源，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的安全性，加快了訂單的響應(yīng)時(shí)間和提高了報(bào)價(jià)的準(zhǔn)確度。產(chǎn)品配置實(shí)例化結(jié)束后，首先得到客戶化的精確EBOM，它精確地描述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中產(chǎn)品、部件、組件、零件之間的關(guān)系，通過關(guān)聯(lián)零部件的主模型和主文檔派生得到可以用于下游生產(chǎn)的工程圖、工藝過程規(guī)劃、裝配圖、NC程序等。圖5表示基于PDM系統(tǒng)的產(chǎn)品配置BOM多視圖的轉(zhuǎn)換與分解。

制造企業(yè)傳統(tǒng)的BOM編制過程，是經(jīng)過設(shè)計(jì)部門、工藝部門、采購、財(cái)務(wù)、銷售等依次完成，而基于PDM的產(chǎn)品配置過程體現(xiàn)了“并行工程”的思想，在產(chǎn)品配置過程中，通過產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型記錄下各個零部件的配置層次信息和主模型、主文檔信息，生成產(chǎn)品生命周期的各種BOM視圖，從任何一個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)視圖中均可查詢到完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)文檔。

5 應(yīng)用實(shí)例

在企業(yè)實(shí)施PDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、裝配的各個環(huán)節(jié)的分析，建立了模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的動態(tài)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型，由PDM系統(tǒng)對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型和變量規(guī)則與約束進(jìn)行管理，再利用PDM系統(tǒng)提供的配置管理功能，快速配置出客戶滿意的產(chǎn)品。

下面以某蒸鍋式汽車輪胎模具為例，該產(chǎn)品所屬系列有相同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裝配形式，不同的是產(chǎn)品對應(yīng)的硫化機(jī)規(guī)格以及花紋、側(cè)板、活字塊等。決策表作為客戶化產(chǎn)品配置變量條件和約束規(guī)則實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，由各部門工程師共同維護(hù)，表1是通過產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型選擇零部件使用的約束規(guī)則之一的決策表SP01。條件Condition_Sn表示花紋圈的分塊數(shù)，條件Condition_Ss表示活絡(luò)模具的結(jié)構(gòu)形式，條件Condition_Vms表示汽車輪胎模具所使用硫化機(jī)的尺寸等；活動Action_s_sh表示根據(jù)條件和規(guī)則所選擇的滑塊規(guī)格，活動Action_s_uwp表示根據(jù)條件和規(guī)則所選擇的上減磨板規(guī)格。

圖4 產(chǎn)品配置過程

圖5 BOM多視圖的轉(zhuǎn)換與分解

表1 零部件選擇決策表SP01

6 結(jié)論

根據(jù)客戶化初步配置方案，向客戶提供配置結(jié)果，同時(shí)提供詳細(xì)的報(bào)價(jià)清單。如果對方案滿意，則根據(jù)相應(yīng)零部件的主模型和主文檔進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，并根據(jù)配置實(shí)例，映射為生產(chǎn)中所需的各種BOM視圖。

產(chǎn)品配置管理是PDM系統(tǒng)的重要功能，是企業(yè)快速響應(yīng)客戶定單、縮短生產(chǎn)周期的關(guān)鍵技術(shù)。本文從汽車輪胎模具產(chǎn)品配置原理出發(fā)，建立了產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型，并在此基礎(chǔ)上建立了以產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型為核心的產(chǎn)品配置模型和配置過程模型。產(chǎn)品配置管理保證了企業(yè)在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)共享統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，BOM多視圖管理保證了數(shù)據(jù)的安全性。對汽車輪胎模具的產(chǎn)品配置管理的研究，對制造企業(yè)尤其是汽車輪胎模具企業(yè)成功實(shí)施PDM系統(tǒng)具有很大的借鑒意義。

[1] 范文慧, 李濤, 等.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)的原理與實(shí)施[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 22-24.

[2] 汪國平, 杜群貴, 等.產(chǎn)品配置管理技術(shù)[J].機(jī)床與液壓,2006, (5): 34-40.

[3] JIAO Jian xin, MITCHELLM, et.Production family modeling for mass customization[J].Computers Ind, 1998,35(3/4): 495-498.

[4] 徐偉, 萬立, 等.PDM系統(tǒng)中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的研究[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造, 1999, (1): 41-43.

[5] 李妮婭, 張健.基于廣義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品配置[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2010, 16(1): 184-186.

[6] 魯玉軍.面向大批量定制的ETO產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州: 浙江大學(xué), 2007: 33-35.

[7] 王世偉, 譚建榮.產(chǎn)品配置模型的演化與再配置[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 17(2): 347-352.

[8] 張和明, 熊光楞.制造企業(yè)的產(chǎn)品生命周期管理[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2006: 155-158.

[9] 勁松, 王啟富, 等.基于本體的產(chǎn)品配置建模研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2003, 9(5): 344-350.

[10] 烏云, 尚鳳武.基于PDM的應(yīng)用系統(tǒng)集成過程中BOM表的討論[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2002, (1): 37-42.