0 引言
變型設計(variant design)是指在保持產品基本原理不變的前提下，對產品的某些局部功能和結構的調整、變更，以適應新的要求，或是通過對產品的結構形式和尺寸的調整、變更，以滿足不同工作性能的要求。變型設計在應用已有資源的基礎上可快速開發產品，在減少設計人員的重復勞動、提高工作效率和減少產品設計時間等方面起著重要作用。
變型設計的主要思想是在產品設計過程中盡可能利用以往的產品信息、現有的產品模塊和零/部件，設計出滿足現要求的新產品。目前，國內外相繼出現了一些變型設計技術和方法，如基于相似設計理論的變型設計方法、模塊化變型設計方法、變量設計的變型設計方法、基于事物特性表的變型設計方法和基于實例的變型設計方法，這些方法普遍存在沒有提供已有產品資源的有效的組織管理形式和手段及缺少一個有效的支持變型設計的人機協作環境。產品數據管理(Product Data Management，PDM)是管理所有與產品相關的信息和過程的技術，其主要功能包括產品文檔管理、產品結構管理和工作流管理等。PDM技術將產品的數據管理和設計過程緊密結合，為解決變型設計中產品信息庫的建立和利用問題提供了一種有效途徑，同時也為變型設計提供了一個良好的人機協作環境，使企業產品實現變型設計成為可能。
在國內科研單位型號產品研制開發中，型號產品及其中的分系統、組件、部件和零件設計，大部分是在現有零/部件基礎上，通過對原有零/部件的修改及調整來完成設計，是典型的變型設計。針對型號產品結構相對穩定，零/部件重用率比較高，變型零/部件比較多的特點，本文基于某研究所PDM系統開發支持變型設計工具，以待設計型號、組件和部件的要求為依據，從PDM系統實例中檢索出一個最相似實例，通過必要組合、修改和處理后，快速構建出變型的產品結構，并根據需要將新的和需要修改的零/部件發送給相關設計人員，進行任務分配，從而實現產品變型設計。
1 PDM環境下的變型設計流程
PDM環境下的變型設計包括產品型號的需求分析、產品變型的方案設計、變型設計的方案評審以及變型方案的詳細設計四個階段。
1)產品型號的需求分析階段。根據產品型號的性能參數和功能要求，查詢產品庫，檢索并提取相似產品型號的產品結構。
2)產品變型的方案設計階段。設計者根據從產品庫提取的相似產品結構，分解產品各系統、組/部件是否滿足工作性能要求，進行產品方案變型設計。
3)變型設計的方案評審。對變型設計新的產品結構方案進行評審，通過后方能進行方案詳細設計。
4)變型方案的詳細設計階段。設計者根據評審通過的產品結構方案，對新增加和需要修改的零/部件進行重新設計，以滿足新產品的性能和功能要求。
圖1所示為PDM環境下的變型設計流程，設計者登陸PDM系統，根據新產品型號的性能參數和功能要求，查詢產品庫，檢索出相似產品的產品結構并進行變型設計，完成后進行評審，通過評審的變型方案可直接進行詳細設計，未通過的應重新進行方案設計。
圖1 PDM環境下的變型設計流程
2 變型設計支持關鍵技術
2.1 功能設計
根據PDM環境下變型設計流程，變型設計支持系統需具有以下功能才能滿足變型設計，其支持功能設計示意圖如圖2所示。
圖2 支持功能設計示意圖
1)設計者根據新產品功能要求和性能指標，從產品庫中檢索出最大相似實例的產品。
2)獲取源產品結構功能。產品開發人員在PDM系統中選擇源產品結構頂層產品、部件或組件的版本，程序能自動獲取產品結構，并加載到用戶產品結構編輯界面中，產品結構樹中包括編碼、名稱、類型和備注信息等。
3)編輯產品結構功能。編輯產品結構應包括引用零/部件、克隆零/部件、新建零/部件、刪除零/部件、分配零/部件和保存新產品結構功能，具體描述為：(1)引用零/部件：是指原產品結構中沒有但PDM產品庫存在且滿足新產品功能要求的零/部件，設計者可以從庫中直接引用。(2)克隆零/部件：該零/部件的功能與新產品中部分功能一樣，需在原零/部件基礎上做些調整，設計人員將其克隆成新的零/部件進行修改。(3)新建零/部件：是指原產品結構及PDM產品庫中都沒有滿足要求的零/部件，需新建零/部件重新設計。(4)刪除零/部件：是指該新產品中不需要該零/部件的功能，因此需要將其從新產品結構中刪除，但還保留在數據庫中。(5)分配零/部件。設計者為克隆零/部件和新建零/部件指定產品開發人員，對零/部件進行詳細的設計。(6)保存產品結構。將新產品結構樹保存到PDM實例產品庫中。
2.2 相似度計算
相似產品的檢索及從源產品結構功能中提取相似產品結構是功能實現的關鍵。將新產品與產品庫實例各系統相比較，計算出所有實例的相似度，提取相似度最大的實例作為變型設計的基型。產品實例i的相似度Si及最大相似度Smax分別為：
式中：wi為新產品各系統的權重，由新產品總工程師確定；Aij為實例i的系統j與新產品相同系統的相似度，由分系統總工程師確定。
計算產品庫各實例相似度參數表，如表1所示。
表1 新產品與實例分系統相似度對應表
2.3 產品結構模型設計
與PDM系統產品結構模型設計相同，本方案中產品結構模型通過樹模型表示，樹模型需滿足：1）在模型中能夠獲取PDM系統的相關信息，如引用零/部件能夠按照條件從PDM系統中查找到零/部件信息。2）模型節點需要與PDM系統中零/部件相關聯。3）模型節點需要包含零/部件的信息。變型設計的某實例產品變型設計的結構樹模型如圖3所示。基于以上原因，本方案設計的產品結構模型編程語句如下：
其中：appSession、item和itemlrv分別與PDM系統運行進程、PDM系統零/部件和零/部件版本相關聯。在編輯產品結構時，通過這三個參數與PDM系統交互操作。
圖3 某實例產品變型設計的結構樹模型
3 變型設計支持系統軟件總體架構設計
變型設計支持工具的開發技術是一個以PDM為核心，充分利用PDM系統對數據管理的優勢，綜合現代設計方法的產物，其支持變型設計軟件系統體系架構如圖4所示，總體上可以分為支持層、基礎層、應用層和界面層四個層次。
圖4 支持變型設計軟件系統體系架構
系統支持層主要是PDM系統的運行環境和支持平臺，包括操作系統、網絡、數據庫和文件管理系統，操作系統選擇Windows2003，以數據庫系統SQL Server 2005管理底層數據，網絡以支持TCP/IP協議為基礎。
基礎層提供實現PDM基本功能模塊，本文選擇Teamcenter軟件，利用文檔管理、產品結構管理、SE集成、AutoCAD集成、2D/3D模型瀏覽和工作流管理等通用模塊來構建PDM系統。
應用層根據該產品企業的業務特點和應用需求，對產品結構管理功能進行開發，實現了相似產品的檢索、源產品結構獲取、編輯產品結構、分配零/部件和保存新產品結構等功能。
界面層向用戶提供交互式的圖形界面，包括各種菜單、命令按鈕等，用于支持命令的操作與信息的輸入/輸出。通過開發提供的Windows用戶界面，可以直觀芳便地完成新產品的變型設計工作。
4 系統實現
本PDM系統是以Siemens公司的Teamcenter為平臺，Teamcenter是全世界使用最廣泛的PDM系統，是業內首個將單個軟件應用轉變為在面向服務的體系結構(Service-Oriented Architecture，SOA)的基礎上建立的跨專業、跨項目階段和計劃的真正集成化的PDM解決方案，為大小制造企業提供了平臺可擴展性、應用豐富性以及可配置性。借助于Teamcenter產品結構管理，利用Java語言，開發的變型設計操作主界面由產品結構面板、零/部件定義面板和保存按鈕組成。某產品的變形設計如圖5所示。
圖5 某產品的變型設計
5 結語
針對變型設計普遍存在對資源管理和人機協作環境的問題，分析了PDM環境下的變型設計流程；根據PDM對資源的有效控制和良好的人機協作環境，提出了PDM環境下產品變型設計支持技術，并針對其關鍵技術和系統總體架構進行了深入探討。所研究內容已實現并得到初步驗證，實踐表明該系統提高了變型設計對資源的利用程度，良好的人機交互環境也提高了變型設計的速度，縮短了產品的研發周期。
本方案不僅適用于PDM環境下的產品變型設計，同樣適用于三維輔助設計軟件下的產品變型設計，對同類型產品開發有一定的借鑒意義和參考價值。
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