基于逐層約束的煤礦機(jī)械產(chǎn)品配置快速設(shè)計(jì)

于 洋 李文萍

(河南萬(wàn)合機(jī)械有限公司，河南 鄭州 452371)

隨著煤礦機(jī)械產(chǎn)品個(gè)性化程度的提高，用戶(hù)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的要求程度也逐漸提高，這就要求企業(yè)更多地采用按定單設(shè)計(jì)的方式組織生產(chǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)具有更好的靈活性。煤礦機(jī)械產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)是一種能夠在較短周期內(nèi)快速且有效的設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)成為大批量定制的核心設(shè)計(jì)方法。

一 煤礦機(jī)械產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)原理及框架

煤礦機(jī)械產(chǎn)品配置是以用戶(hù)需求和產(chǎn)品信息為輸入，以產(chǎn)品的最終配置結(jié)果為輸出的一類(lèi)設(shè)計(jì)活動(dòng)。用戶(hù)需求是產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)的輸入，在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)之前，用戶(hù)的需求是不確定的，因此，不能直接作為配置求解模型的輸入變量，需要定義一組特征變量來(lái)抽象描述用戶(hù)的需求，這樣就表達(dá)了定制產(chǎn)品應(yīng)該具有的功能和變量。在產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)過(guò)程中將用戶(hù)的需求定義為需求元，產(chǎn)品BOM表中可配置的模型定義為配置元。產(chǎn)品配置的過(guò)程可以表達(dá)為:Y=F(X，C)，式中F為產(chǎn)品的配置過(guò)程;X為客戶(hù)的需求元;C為配置元;Y為最終的配置產(chǎn)品結(jié)果。

二 基于逐層約束的變量驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)

1．用戶(hù)需求元的變量化設(shè)計(jì)

用戶(hù)需求元的變量映射是將用戶(hù)需求從描述空間映射到變量化的表達(dá)空間，對(duì)用戶(hù)需求描述進(jìn)行分析并規(guī)范化表達(dá)，轉(zhuǎn)換成與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型對(duì)應(yīng)的變量集，使其成為產(chǎn)品配置的入口變量和約束條件。用戶(hù)需求

是整個(gè)配置設(shè)計(jì)的輸入，包括產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、性能等方面的一些要求。最后可將用戶(hù)的所有需求元轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品或者零部件的變量。因?yàn)槊恳环N不同類(lèi)型或不同型號(hào)的機(jī)械產(chǎn)品都有一些不同的關(guān)鍵特征與其它的一些產(chǎn)品相區(qū)分，比如，液壓支架的支護(hù)阻力、支護(hù)面積、支護(hù)強(qiáng)度等，這些變量都是特定機(jī)械產(chǎn)品特有的。對(duì)于某一機(jī)械產(chǎn)品特有的變量集合用M={m1，m2，m3，…，mn}其中 n 為產(chǎn)品特征變量的個(gè)數(shù)。根據(jù)用戶(hù)對(duì)某一類(lèi)型液壓支架的需求選擇一套合適的特征變量{x1，x2，x3，…，xn}作為初始變量進(jìn)行配置設(shè)計(jì)。

2．變量化產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)

在逐層約束的產(chǎn)品模型中，產(chǎn)品的裝配以逐層約束為主線(xiàn)，依次建立不同層次零部件之間的約束關(guān)系。逐層建立層次化的橫向、縱向約束關(guān)聯(lián)，直至到建立與最底層零部件的關(guān)系，形成遍布整個(gè)產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)約束模型。并自頂向下逐層定義零部件之間的接口，建立上層零部件與其子零部件或者同層零部件之間的接口關(guān)系，子零部件應(yīng)繼承上層部件的設(shè)計(jì)約束變量，這樣使每一個(gè)零部件的變量只與上級(jí)零部件的變量建立約束關(guān)系。在配置設(shè)計(jì)時(shí)，上一級(jí)零部件的變量直接決定下一級(jí)零部件的變量，即由父零部件的變量計(jì)算出子零部件的變量，再由子零部件的變量計(jì)算出其子零部件的變量，這樣通過(guò)逐層迭代即可完成產(chǎn)品的配置設(shè)計(jì)。

3．變量化配置規(guī)則

本文是通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，在零部件逐層約束的基礎(chǔ)上來(lái)建立各個(gè)配置元之間的約束關(guān)系，并按照自頂向下的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置求解。通過(guò)分析，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型中各個(gè)配置元之間存在以下約束關(guān)系，其約束關(guān)系如圖1所示。

(1)上下級(jí)零部件之間的約束;下級(jí)零部件的變量受到上級(jí)零部件變量的約束，或者零部件的某特征變量來(lái)源于上級(jí)零部件。如路徑b所示，子部件7、8的參數(shù)受到上級(jí)部件2的變量約束。

(2)同級(jí)零部件之間的約束;同級(jí)零部件之間的約束關(guān)系通常是結(jié)構(gòu)約束，例如，路徑d所示的零部件1和3之間的約束關(guān)系可以是相斥、組合或依賴(lài)關(guān)系等。

(3)跨級(jí)零部件之間的約束;如路徑c所示的部件1和9之間的約束關(guān)系，這種約束關(guān)系大大增加了配置的求解性，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)化為部件3和9之間的約束關(guān)系。

(4)產(chǎn)品和零部件間的約束;有些零部件的特征變量可直接由產(chǎn)品進(jìn)行約束，不需要通過(guò)上下級(jí)構(gòu)件傳遞約束關(guān)系。如路徑a所示，零部件5和11的產(chǎn)品之間的關(guān)系，零部件5和11的變量可由產(chǎn)品的變量來(lái)控制。

圖1 產(chǎn)品配置元之間的約束

三 變量驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)流程

產(chǎn)品配置的設(shè)計(jì)過(guò)程是在變量化零部件模型的基礎(chǔ)上，用戶(hù)根據(jù)自己的需求對(duì)各個(gè)配置元進(jìn)行實(shí)例化的過(guò)程。產(chǎn)品族實(shí)例化是將產(chǎn)品族從模型空間映射到實(shí)例空間的過(guò)程。該映射過(guò)程必須滿(mǎn)足產(chǎn)品族中配置元的屬性約束和配置元之間的結(jié)構(gòu)約束關(guān)系。產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)的過(guò)程是一個(gè)將用戶(hù)需求轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的推理過(guò)程。當(dāng)用戶(hù)提出需求后，系統(tǒng)依據(jù)用戶(hù)需求初始化產(chǎn)品的各項(xiàng)變量進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，即采用遞歸推理算法，從產(chǎn)品根節(jié)點(diǎn)一直延伸到葉子節(jié)點(diǎn)。具體過(guò)程如下:1)將用戶(hù)的需求進(jìn)行轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品特征變量，通過(guò)輸入和產(chǎn)品變量集之間的映射關(guān)系，確定出產(chǎn)品變量集的取值。2)根據(jù)用戶(hù)所選的產(chǎn)品模型構(gòu)建產(chǎn)品BOM表，并根據(jù)產(chǎn)品根模型屬性的表達(dá)式計(jì)算當(dāng)前產(chǎn)品族根模型的其它零部件變量。3)按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)自上而下的裝配方式逐層遍歷產(chǎn)品族的下級(jí)子零部件，并計(jì)算各級(jí)配置元變量，如果計(jì)算的結(jié)構(gòu)變量值表示結(jié)構(gòu)需要被選裝，那么將產(chǎn)品族的輸出變量作為該子零部件的輸入變量，進(jìn)行實(shí)例轉(zhuǎn)化。4)對(duì)配置出的產(chǎn)品各配置元進(jìn)行變量值的檢查，如果不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，就需要對(duì)特征變量進(jìn)行修改，然后重新進(jìn)行配置計(jì)算。5)輸出最終的產(chǎn)品BOM表，以及配置模型及工程圖，產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束。

四 結(jié)論

企業(yè)面對(duì)市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，最主要的是要提高對(duì)市場(chǎng)需求的快速響應(yīng)能力。本文提出的基于逐層約束的變量驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)方法較好地滿(mǎn)足了企業(yè)的這種需求，并成功應(yīng)用到企業(yè)中。實(shí)現(xiàn)了客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品定制的多樣化需求，并在產(chǎn)品模塊化和配置編碼技術(shù)的支持下，按一定的配置規(guī)則對(duì)零、部件進(jìn)行匹配或變型設(shè)計(jì)，快速生成滿(mǎn)足用戶(hù)需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。