隨著制造業市場競爭的日趨激烈，傳統制造環境下的企業產品結構由于用戶的個性化需求而變得愈來愈復雜，個性化帶來的多品種小批量生產導致設計開發周期長、生產成本高。而且隨著市場由需方市場向供方市場轉變，要提高企業的市場競爭力必須對用戶需求做出快速響應。產品配置可以作為解決這種矛盾的途徑之一。產品配置可以理解為根據預定義的零部件集及它們之間的相互約束關系，通過合理的組合，形成滿足客戶個性化要求的產品設計過程。以往關于產品配置的研究主要集中于產品大規模定制情況下，限于產品系列下的產品配置或CAD參數化建模中在零部件模板模型和與之對應的工程圖模板上進行配置產品的變型設計。本文主要通過在PDM中建立特征譜表，找到合適的搭配，并通過產品遺傳變異、模塊化物料清單和全系列重組3個方面進行產品配置，盡可能利用已有的產品設計資源，把復雜繁瑣的邏輯運算交給計算機，縮短新產品設計制造的周期，以實現對客戶需求的個性化快速響應。
1 產品配置模型的建立
1.1 劃分產品系列
產品系列是指主要特征選項基本相同的產品范圍。例如，對于電機來說，可以按額定電壓來劃分產品系列，1000V以下劃分為低壓系列，1000V以上劃分為高壓系列。當某些客戶需求的產品具有很多共同特性時，也可以按照客戶劃分產品系列。本系統通過先劃分高壓、低壓一級系列，然后在一級系列的基礎上再根據客戶劃分二級系列。在建立產品系列時還需要注意：依據產品的銷量、銷售利潤額、零件的通用性、企業的核心能力、未來的潛力等對現有產品進行合理化。
1.2 特征選項，特征譜表
特征選項是指某個產品系列的特征屬性和相關屬性值。在一個產品系列里邊，其產品結構變化的決定因素就是這些產品的屬性值。功率就是電機的一個屬性，具體的功率值(11kW、15kW、18.5kW)就是對應的屬性值。電機的主要特征選項示例如表1所示。
表1 電機的主要特征選項
特征選項譜表包含本公司的所有產品規格或范圍，對于已經實例化的產品，特征選項的屬性值一定是某個具體的值（包含整型、實型、字符型、布爾型等）。
1.3 主要基礎數據的建立
產品設計信息是通過產品明細表來描述的，必須先建好產品明細表中所涉及的物料主文件和產品結構。產品信息：產品編碼、產品圖號、產品版本、產品名稱、規格和型號；物料信息：物料編碼、圖號、物料名稱、材料、牌號、物料類型、設計修改號、生效日期、失效日期和設計人。
一個產品是由若干個“單層結構”組成的，單層結構中有父節點和子節點組成，系統會根據各單層結構父節點和子節點的相互關系，自動逐層把所有相關的單層結構掛接起來，最后形成完整的產品結構。
1.4 產品遺傳變異
在對已有產品建立基礎數據和新產品設計開發的過程中都有可能用到產品遺傳變異。
在圖1中，產品a的數據結構先生成，產品b在產品a的基礎上進行修改得到，產品b遺傳繼承了a的一部分產品零部件，同時又可以變異擴展自己的零部件，同時b也可以作為模板衍生其他產品。圖1表示了產品實例a、b、c之間的遺傳變異過程。
圖1 遺傳變異過程
1.5 建立產品母模板
產品母模板包含一個系列下所有產品零部件信息（包括零部件明細、工藝及圖紙）的完整表達，該系列所有產品均脫胎于母模板，也可說成每個具體的產品都是該母模板的實例化，母模版結構如圖2，母模版P和具體產品（實例1、實例2、實例3）的關系如圖3。
圖2 母模版產品結構
圖3 母模版P和具體產品（實例1、實例2、實例3）的關系
我們把構成母模版P的每個節點都作為一個配置單元，用三元信息表達模型表示P_Mol=(Pid，PType，Rep( Attr Name，DataType，InCons[Domain]))其中：P_Mol為配置單元。Pid為配置單元的惟一標識碼。PType表示該單元的類型，配置單元被劃分為3類：(1)通用件：本系列所有產品用到的相同的物料，如電機一個系列中相同的聯軸器、軸承前蓋。(2)特征件：特征件是一個系統中必不可少的，而且是區別該系列下產品不同的關鍵要素。但是特征件中有多種選擇，可以任選其一。如銘牌，材料可以是LA，也可以是鈦金面不銹鋼。如圖2中的A1、A2、A3是特征件，有3種選擇。(3)可選件：是指那些產品中可以有，也可以沒有的物料，屬于動態添加的零部件，可以隨電機一起裝配，也可以顧客自行購買。如電機中的加熱帶、熱敏電阻、繞阻測溫、軸承測溫、編碼器、接地裝置等。
Attr Name表示該配置單元的屬性名稱，配置單元的屬性有兩類：(1)與幾何、材料等相關的內部屬性，這類屬性用戶一般不能選擇，其屬性值由系統根據產品的結構和配置單元之間的相互依賴關系所確定；(2)外部屬性，如顏色，這類屬性用戶可以進行選擇，如在電機外觀顏色的確定，用戶可以要求電機是紅色的。Data Type表示屬性的取值類型，如整型、字符型、布爾型、實型等。InCons表示屬性的取值限定約束，分為：(1)必須從域中選一個作為其值；(2)不選或可從域中選一個作為其值；(3)可在給定的區間內取值。Domain表示該屬性的值域，可以是離散值或連續值。Rep表示可以有若干個這樣的屬性定義。
產品結構表達了產品零部件之間的結構信息，母模板則非常清晰地表達了該系列所包含的通用件、特征件、可選件。
目前產品母模版的建立一般需要對產品特別熟悉的人員概括整理得出，它的弊端是一開始就進行總結，勢必占用大量的人力物力財力。可以先建立具體的產品，母模版由具體的產品自動抽象出來，母模版隨著具體產品數據的增長而充實，等到數據形成規模的時候，借助數據庫去分析系列的規律，更容易確定零部件哪些是通用件、特征件、可選件。建立母模板的一般情況如圖4和母模版自動生成情況如圖5。
圖4 建立母模板的一般情況
圖5 母模版自動生成情況
1.6 全系列重組
當新設計的產品主要關鍵特征不在任何一個已經有的系列里邊，而且它的構成可能有幾個系列的零部件節點重組得到，對于這種更有創造性的開發需要用到全系列重組。圖6中表達了從L1系列和L2系列中各一個實例產品重組形成L3系列的一個產品。
圖6 從L1系列和L2系列中各一個實例產品重組形成L3系列的一個產品
2 產品配置功能的實現
2.1 需求的獲取
和本文相關的需求主要分為公司推出新產品和客戶需求。公司推出新產品時，設計人員能提供較準確的特征參數，但是客戶往往是以比較模糊的語言表達其需求。使用基于事例推理( CBR)的方法，讓客戶回答一些有關產品主特征的參數及規范化的客戶需求，然后從客戶需求事例庫中選擇一個與客戶要求最接近的客戶需求集，基于該客戶需求集，進行修改補充，從而得到精確描述的特征參數。
2.2 算法的實現
根據特征屬性值，首先在特征選項譜表中遍歷是否有符合要求的組合，假如沒有的話進入步驟二，有的話進行步驟一。
步驟一：
(1)在產品信息表中建立新產品信息。
(2)判斷該產品是否屬于某一系列，假如否的話直接進入全系列重組，根據特征值選定各個系列下的零部件，形成新產品。假如屬于某個系列進入(3)。
(3)判斷是否可以有某個母模版得到，假如否的話根據目前已經有的產品實例進行遺傳變異，得到一個新產品。假如是的話進入(4)。
(4)進入該系列母模版，按照BOM樹遞歸搜索算法依次判斷各個層次節點是否屬于通用件、特征件、可選件。假如是通用件直接選定；假如是特征件，判斷是否滿足給定的特征項，假如滿足被選定，假如不滿足舍棄；可選件根據可選特征項進行判斷取舍。最后把選定的零部件添加到新生成的產品樹里。
步驟二：
假如特征選項譜表中沒有符合要求的組合，則根據特征的權重進行最接近的選擇，最后給出選出的特征值和原始值對照表。最后再進行步驟一。步驟一算法流程如圖7。
圖7 步驟一算法流程圖
2.3 與ERP和CAD的集成
(1)和ERP的集成。產品配置的結果是為了生產，一個產品配置結果是其他形式的BOM的基礎，如PBOM(Planning Bill of Materials)和MBOM(Manufacturing Bill of Materials)的生成。
(2)和CAD的集成。產品樹上的每個節點不僅包含物料明細，而且包含圖紙文檔等信息，通過與CAD系統可參數化設計的集成，可以直接利用配置的設計結果參數驅動CAD系統，完成零部件的草圖設計或幾何設計，從而達到縮短產品設計時間的目的。
圖8 參數選擇界面
圖9 母模板明細表
3 電機產品配置應用實例
由項目組自行研發的關于工業電機的PDM系統中實現了上述算法，只截取其中的界面：
電機參數選擇界面如圖8，母模版明細表如圖9，全系列重組如圖10。
圖10 全系列重組
4 結語
本文給出了一個基于PDM產品配置的快速設計開發策略，操作簡單，易于用戶交互，極大地提高新產品開發的速度。基于J2EE流行框架Struts+Hibernate+Spring技術，使系統能夠重用容易維護，基于數據庫的BOM樹配置功能更容易與企業的CAD、CAPP、CAM、MRP進行集成，實現多種BOM信息共享與數據一致性。目前該系統的配置決策能力還不足，需要進一步完善。
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本文標題：基于產品配置的快速設計開發研究
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