基于FPBS的工程機械產品結構配置模型的建立

陳科恒

（廣西大學，廣西 南寧 530000）

基于FPBS的工程機械產品結構配置模型的建立

陳科恒

（廣西大學，廣西 南寧 530000）

產品配置和集成管理是復雜產品設計數據和工藝數據管理的核心技術，以液壓挖掘機為范例，首先研究了從利于產品設計的管理角度出發，如何基于功能-原理-行為-結構（FPBS，Function-Principle-Behavior-Structure）構建工程機械產品族結構配置標準化模型；分析了工程機械實際生產過程中需要構造的部件焊接配置模型和產品裝配配置模型與產品結構配置模型的關系；提出了工程機械產品族結構配置模型建模過程圖。通過科學的產品配置和集成管理的有效手段能夠提高企業產品研發水平以及實現從產品銷售、設計到生產過程的全線支持和提供整體解決方案。

產品配置管理；產品結構配置模型；工程機械

1 功能、原理、行為及結構的關系

產品的研發設計最終是實現產品的功能。功能是產品（或模塊）所具有的能滿足用戶需要的特性，或者說是產品（或模塊）所具有的效能、用途和使用價值，功能是產品所具有的重要屬性。產品的設計過程是基于總體功能特征展開的，功能特征貫穿于設計過程的始終。任何產品的總體功能均是由一些子功能組合而成的。產品設計是一個從抽象到具體、逐步細化、反復迭代的過程，從產品的市場需求分析開始，經過功能定義、原理求解、性能參數設定、結構設計、零部件設計，最終得到滿足客戶需求的產品。基于功能-原理-行為-結構（FPBS,Function-Principle-Behavior-Structure）[1]的層次迭代，既能實現自頂向下的多層次創新設計，又能實現自底向上的結構綜合，是建立產品設計功能模型[2]，實現產品系統化設計求解的重要方法。

功能、原理、行為、結構的關系如圖1所示，從關系圖可以看到，產品自頂向下的設計求解過程是按照功能→原理→行為→功能的映射方法，進行設計迭代的過程。由產品配置模型生成的理論可知，功能和行為不可能完全獨立于結構而存在，功能域、行為域、結構域和特征表達域之間是相互對應、又相互可逆的關系。產品族的一個功能或功能元是由相應的零部件結構來實現，功能與結構之間的關系是兩個集合的映射關系。

只要改變解法原理和功能載體就可有一系列的變型產品出現。從產品的功能分析過程可知，對于同一類產品來說，變型產品的產生只是改變解法原理和功能載體，其產品的總功能是不變的，分功能也是不變的。這就保證了基于功能-結構映射關系建立的模型是穩定。

圖1 功能、原理、行為、結構關系圖

2 基于FPBS的工程機械產品結構配置模型的建立

2.1 工程機械產品的產品結構配置模型

下面具體就一臺基準型的挖掘機進行基于FPBS的液壓挖掘機產品結構配置模型建立

（1）對整機功能分析

在工程機械產品中,一系列產品往往包括了不同噸位或不同配置的多種變型機，但它們都為了實現相同的挖掘功能。產品結構均包括了相同的功能系統，均包括了動力系統、液壓系統、操縱系統，等等。

表1 工程機械功能分析過程

從表1中的工程機械功能分析過程可知，對于同一類挖掘機產品來說，變型產品的產生只是改變解法原理和功能載體，其產品的總功能是不變的，分功能也是不變的。圖2為對挖掘機的整體功能分析。

圖2 挖掘機的整體功能分析

（2）采用基于FPBS的映射建模方法對整機結構逐層分解

根據圖3中功能分解關系建立產品結構配置模型的第一層分節點。然后繼續采用基于FPBS的映射建模方法對整機根據產品結構逐層分解，直分解到了功能的最小功能元-零件，即不能再分，將各層節點匯成以下結構樹模型。下圖為基于FPBS的液壓挖掘機動力系統總成的一部分基準產品配置結構模型。

圖3 基于FPBS的液壓挖掘機動力系統總成一部分基準產品配置結構模型

2.2 工程機械產品的部件焊接配置模型和產品裝配配置模型

以上示列，是從設計的角度進行結構分解建立了基于FBPS的產品結構模型。在工程機械設計中，結構件通常包括大型焊接件的設計，如挖掘機包括了四大焊接件：車架組件、平臺組件、動臂組件、推土鏟組件。此類部件功能復雜、結構復雜，屬于機器的關鍵部件，由100～200多個零件焊接組成。在具體工程機械生產過程中，還會產生部件焊接配置模型以及產品裝配配置模型，從設計到生產，工程機械產品的配置模型包括了三大配置模型：產品結構配置模型，部件焊接配置模型，產品裝配配置模型。其中，后兩者的產生基于前者，他們之間的關系如圖4表示。

由圖4可知，生產過程中使用的部件焊接配置模型和產品裝配配置模型的產生基于產品結構模型的數據，由于三個模型的工作的角度的不同，決定了其模型的配置的角度不一樣，所產生的層次關系模型的不同。它們之間的轉換關系是設計數據與工藝數據之間的轉化。

圖4 工程機械產品的三大配置模型

（1）產品結構配置模型

從設計的角度對產品進行功能分析后進行的模塊劃分，是實現產品配置設計的基礎。是產品開發過程管理的PDM的產品數據構成模型。

（2）部件焊接配置模型

從制造的角度進行工藝分析后的模塊劃分，是實現焊接部件配置焊接生產的基礎。

（3）產品裝配配置模型

從裝配的角度進行裝配工藝分析后的模塊劃分，是實現產品配置裝配的基礎。是生產制造階段管理的ERP的產品數據構成模型。設計更改產生的不同零部件的版本的配置問題，涉及到倉庫的庫存，而庫存屬于ERP的管理范疇，因此關于零部件的版本配置規則和有效性配置規則是在ERP中產品裝配配置模型中運用實現的。

三個模型之間的協調統一，將大幅度提高焊接工藝、裝配工藝的設計周期。建立產品結構配置模型，應當充分考慮的部件焊接模型與產品配置配置模型的建模要求。

3 工程機械產品的產品族結構配置模型的建立過程

工程機械產品具有系列化的特性。比如，根據機器的重量的不同挖掘機分為5噸機系列、6噸機系列和8噸機系列，工程機械產品的生產特征為多品種小批量生產。在工程機械產品的設計任務中，變型設計占較大的比例，在原產品的基礎上做變型設計，形成滿足不同層次用戶需求的、具有不同功能的系列化產品。產品設計的相同相似性是工程機械設計的一大特點，為了縮短產品開發時間，就要對市場需求做出快速反應，實現定制與低耗的統一，產品的設計開發就不能只針對某一具體的產品，而必須面對某一類產品。工程機械產品結構配置模型應該基于產品族進行建立。模型建立同時需要從產品配置設計，工藝、采購、生產、裝配、銷售、售后服務的工作角度出發綜合考慮產品結構模塊劃分、系列產品的關鍵參數設置，實現企業從產品銷售、設計到生產過程的全線支持和提供整體解決方案的產品結構和配置管理。

圖5 產品族結構配置模型建模過程

綜上所述，基于工程機械產品的設計特點以及系列化的特性，把工程機械產品族結構配置模型建模過程歸納如圖5所示。

4 結束語

目前大多數企業PDM系統應用的層次僅局限于較好地實現了對產品資料的有序管理，企業應當深入通過產品配置和集成管理的有效手段來提高企業的產品研發水平，進而將產品配置信息從通常的設計生產支持層面提高到管理支持決策的思想，實現從產品銷售、設計到生產過程的全線支持和提供整體解決方案。

[1]李國喜，吳建忠，張 萌，等.基于功能-原理-行為-結構的產品模塊化設計方法[M].國防科技大學學報，2009，31（5）：20-25.

[2]Stone R B，Wood K L，Crawford R H.A Heuristic Method for Identifying for Product Architectures[J].Design Studies，2000，21(1):5-31.

[3]賀東梅.批量定制生產方式下工程機械產品結構與配置技術的研究[D].天津：天津大學，2008.

Research and Practice on ProductConfiguration Mooe ofMachinery Product Based on Fpbs

CHEN Ke-heng
（GuangxiUniversity，Nanning 530000，China）

Product configuration and integrationmanagement is the key technology of complex product design data and process data management,This article take the hydraulic excavator as an example to study how to-Behavior-Structure on the basisof the Principle of Function-(FPBS,Function-Principle-behaviors-Structure)modelof the standardization of construction engineeringmachinery product family Structure configuration from managementpointof view of productdesign,.Also analyzed the relationship between product structure configurationmodeland the construct welding configurationmodel and productassembly configurationmodel in the process of actual engineeringmachinery production,the modeling process of product family configuration structure model is put forward.Through scientific product configuration and integration management effective means to improve the level of enterprise product developmentand the overall solution from productsales,design to production process.

productdatamanagement；productconfigurationmode；engineeringmachinery

F273.2

B

1672-545X（2014）04-0195-03

2014-01-03

陳科恒（1975—），女，廣西北流人，工程師，工程碩士學位,研究方向：制造業信息化與標準化。