PDM的轮胎模具产品配置解决方案

【导读】
轮胎模具是典型的单件小批量产品,以PDM系统平台为支撑的产品配置管理,为解决轮胎模具企业快速响应客户订单需求和缩短产品生产周期提供了有效途径。在分析产品配置的原理和配
   轮胎模具是典型的单件小批量产品,以PDM系统平台为支撑的产品配置管理,为解决轮胎模具企业快速响应客户订单需求和缩短产品生产周期提供了有效途径。在分析产品配置的原理和配置建模技术的基础上,根据轮胎模具的产品功能结构模型,提出了基于本体和特征的轮胎模具配置模型,并用UML语言表达配置模型。以配置模型为核心,建立基于PDM的轮胎模具产品配置过程模型,并对BOM多视图映射进行分析。本章以活络模具为研究对象,文中的轮胎模具特指活络模具。
 
3.1基于PDM的轮胎模具产品配置
3.1.1基于PDM的轮胎模具产品配置原理
   轮胎模具作为典型的客户化定制产品,必须快速的响应客户订单,配置出客户满意的产品,提供详细、准确的产品报价清单和缩短产品生产周期。借助于PDM的产品结构和产品配置管理功能,企业可以最大程度地利用己有生产资源,不需要创新性设计或适应性设计,只需通过一个可行的组合和变型设计,就能在短期内完成个性化产品定制任务。产品配置管理至少包括两个方面的核心内容:
 
   (1)轮胎模具配置模型的建立。根据轮胎模具产品结构信息和零部件之间的配置约束关系,按照某种特定的方法建立统一的、面向配置的轮胎模具产品配置模型。
 
   (2)轮胎模具配置模型的求解。以客户订单需求和参数集为输入,通过求解配置模型,使得配置模型的零部件对象实例化,输出满足客户要求的轮胎模具产品配置结果,如产品结构树、工程设计清单(EBOM)、报价清单等。
 
   产品配置是基于统一的、通用的产品配置模型,通过对配置模型中的对象类进行求解和变型设计,使得对象类实例化,以满足客户要求。产品配置过程可以看作是根据配置规则和知识,从产品配置模型的状态空间到具体零部件状态空间的状态搜索过程,如图3-1所示,状态空间用三元组(CM,0,G)来描述。其中CM表示配置模型的配置单元状态集合,CM中每个元素是一个状态,即一个具体的零部件。G是CM的非空子集,表示配置的结果。R是配置规则和配置知识的集合。
 
图3-1产品配置过程的状态空间
 
   图3-2说明了基于PDM系统的轮胎模具产品配置原理,产品配置是由客户需求主导的、反复迭代的过程,经客户确认后的精确配置结构,通过多视图映射为直接用于轮胎模具生产各个环节所需的BOM视图,同时经过变型设计的零部件主文档和主模型加入到产品配置模型中。轮胎模具作为典型的单件小批量的定制产品,其功能结构相对固定,除了根据客户要求定制的花纹块、滑块、上下侧板等零部件,其他部分的形状结构相似,完全可以实现标准化和模块化。
 
图3-2基于PDM的轮胎模具产品配置原理
 
3.1.2轮胎模具配置的动态性
   产品配置过程是根据客户订单需求,按照配置规则和约束条件,配置模型的实例化过程。产品配置过程是一个反复迭代的过程,由于客户需求的动态性,决定了产品配置的动态性,主要表现在以下三个方面。
 
   (1)产品配置模型中的零部件集合是动态变化的。企业零部件库会随着技术进步和产品改进,而不断进行更新。动态的产品配置模型扩大了零部件的使用范围,提高了产品配置的效率和准确性。
 
   (2)产品配置模型是动态变化的。产品配置模型的变化主要是由于组成配置模型的配置单元以及配置规则的变化引起的,如在T1时刻的产品配置模型为CMS,而在T2时刻的配置模型可能为CM2,即CM1→CM2。
 
   (3)产品配置的结果是动态变化的。轮胎模具作为客户化定制产品,需要根据客户需求对产品结构和性能进行调整,包括个别零部件的变型设计、零部件工艺改变以及精度要求等。
 
3.1.3产品配置模型的建模方法
   产品配置模型是实现产品配置设计的基础,目前常用的建模方式有以下几种:
   (1)基于规则的产品配置建模。配置模型依据元件间的规则来表示产品的配置知识,按照推理策略对配置知识进行推理和求解。但随着产品复杂度和规则数量的增加,因为规则之间高度的祸合性,使得对配置知识的演化和维护变得十分困难。
 
   (2)基于模型的产品配置建模。将元件蕴含的知识与知识的使用进行分离,提高了可维护性,但配置模型与建模方法密切相关,不同建模方法下建立的配置模型之间具有较大差异,配置模型的共享性不强。
 
   (3)基于约束的产品配置建模。根据组件之间的相互约束关系建立配置模型,虽然由于变量间约束关系复杂,使得维护比较困难,通用性差,但是这种模型在特定复杂深度层求解问题方面具有一定的优势。
 
   (4)基于GBOM的产品配置建模。以GBOM作为产品族的知识表达方式,用配置单元表示预设的零件或模块,用约束表示设计知识和规则,具有很强的可配置性,但在产品结构层次关系的表达方面存在不足。
 
   (5)基于本体的产品配置建模。通过定义配置本体的构件、功能、资源、关系和约束等,并应用面向对象的方法表达产品配置模型。该方法提高了模型的共享性,但在表达配置模型中的层次结构关系方面存在不足。
 
   (6)基于类和特征的产品配置建模。在建模过程中引入类和特征的思想,将零部件视为元件类,通过对元件类的封装和类间特征关系的建立,建立产品配置元模型。
 
3.1.4产品配置规则
   产品配置规则是在进行产品结构配置时选择零部件的准则,产品配置过程是通过产品配置规则作用在产品配置模型实现的。产品配置规则一般分为以下三类:
 
   (1)变量配置规则
   配置模型中零部件的某些属性具有多个可选属性值时,可以将这些属性作为变量。如轮胎模具按照硫化机规格不同,可以分为45时、48时、63.5时、65时等。当用户配置产品时,可以按照“硫化机规格”变量的值来确定配置产品的某个对象。按照变量取值的不同来确定产品结构配置实例,这种产品配置的方法称为变量配置。
 
   变量配置由三个基本的数据对象构成,即对象、配置条件和配置规则。对象为变量配置选择的变量,如轮胎模具结构形式、规则尺寸、花纹圈分块数等;配置条件既可以是精确的变量匹配,如“=”等,也可以是带有逻辑运算符的非精确变量配置,如“>”,“<”,“!=”,“LIKE”,“BETWEEN...AND”等。配置规则就是配置条件、配置条件逻辑运算法则以及可供选择的零部件组合。
 
   (2)版本发放状态配置规则
   构成产品的零部件在其全生命周期范围内不同阶段具有不同的版本,这些版本具有不同的状态,如工作状态、发布状态、归档状态等,按照产品对象版本所处的状态可以形成不同的产品配置。实践中多采用按照己发布的最新版本进行配置和按照己发布的所有版本进行配置的配置方法。
 
   (3)有效性配置规则
   有效性规则的配置项可以是版本的结构有效性、零部件数量有效性、时间有效性、价格有效性和地域有效性等,其中常用的是结构有效性和时间有效性。由于产品零部件的多版本性和产品结构的多层次性,导致在配置具体产品结构中,需要按照有效性规则进行配置,确定哪一个零件版本在哪一层产品结构中能入选,用配置项反映有效性的配置条件。
 
3.2轮胎模具产品结构模型
   轮胎模具产品结构模型是经过功能分解映射而得到的,是构建产品配置模型的基础。轮胎模具功能结构形式比较固定,按产品功能和层次结构可以分为型腔部件、向心机构、装腔配件及装机配件等,这些功能模块以一定的方式装配成满足客户需求的个性化产品。图3-3为轮胎模具功能结构模型,其中除了花纹块、滑块、上下侧板这些需要根据客户的要求来定制,其他部分的形状结构相似,完全可以实现标准化、模块化。
 
   型腔部件是轮胎模具的核心部分,同时也是产品配置过程中需要根据客户需求进行变型设计最多的部分,型腔部件包括花纹块、侧板部件(上侧板、下侧板、活字块)、和钢圈(上钢圈、下钢圈)。向心机构部件是包括零部件数量最多的模块,但按照一定的标准进行划分后,大部分可以实现标准化,如按照轮胎模具的结构形式、加热方式、花纹块分块数、适用硫化机尺寸等,滑块、中模套、上环和上盖等零部件可以作为通用件使用,在产品配置过程中可以根据配置规则直接选用,不需要进行变型设计。型腔配件和装机配件大都为标准件,可以根据配置规则进行直接选配。
 
图3-3轮胎模具功能结构模型
 
3.3基于本体和特征的轮胎模具产品配置模型
   为了保证在产品全生命周期共享统一的产品配置模型,提高配置模型的动态性,需要根据各种产品配置建模方法的特点和轮胎模具的产品功能结构特性,建立轮胎模具的配置模型。本文采用基于本体的方法构建轮胎模具的产品配置模型,并在配置模型中引入类和特征的概念。这样,既保证了模型高度的共享性和可配置性,同时也能够很好的表达模型层次结构的关系。
 
   为了对轮胎模具零部件的特征进行封装,本文将配置模型中的不同零部件类抽象为构件类,构件类可以代表产品类、部件类、组件类和零件类等。轮胎模具配置建模过程主要包括以下四个步骤:
 
   (1)轮胎模具的功能建模。对轮胎模具进行功能分析,并将复杂的功能逐步细化到基本的功能组合,建立轮胎模具的功能层次模型。
 
   (2)根据功能和结构之间的映射关系,确定轮胎模具配置模型是有哪些类型的构件组成。
 
   (3)确定构件所属的类。根据轮胎模具的功能模型和结构模型,把配置模型的构件分为产品类、部件类、子部件类、零件类,通过建立类之间的关系,确定配置模型的层次结构,提高了配置模型的可识别性。
 
   (4)确定各构件的特征属性。构件的特征属性包括功能特征、属性特征、包含特征和约束特征四类.包含特征主要用来表示父类与子类之间的关系,分为组成、聚集和继承三种关系;约束特征用于描述同级构件类属性间的相互约束关系.包括自身约束和依赖两种关系.特征属性进一步扩充了特征的含义,很好的体现了类的封装性和继承性。
 
   在构件类的四个特征属性之中,属性特性反映了构件类的自身约束关系,功能特征和包含特征反映了轮胎模具配置模型的层次结构关系,而约束特征则反映了同层次类之间的约束关系。
 
   采用统一建模语言(United Modeling Language,UML)的描述方法,建立轮胎模具的分级配置模型如图3-4所示。由于篇幅所限,图3-4中只选取了轮胎模具部分构件类作为代表。在轮胎模具配置模型的逐层分解过程,必须充分考虑各级构件类之间及构件类自身各种约束关系,如组成、聚集、继承、关联、依赖以及自身约束等。
 
   采用面向对象的方法表达轮胎模具配置模型,把产品零部件包含的各种知识以一定的层次结构表达,体现了类的封装性,同时具有父子关系的构件之间继承关系实现知识的重用,体现类的继承性。通过对构件类特征属性含义的扩充,把知识表达和配置模型相关联,并将知识作为构件类的内部属性来管理,避免了配置知识表达和规则维护的问题。使用UML来表达轮胎模具配置模型,为PDM系统的配置管理功能客户化提供了良好的组织模型,更有利PDM实施工程师对模型的理解。
 
图3-4轮胎模具产品配置模型
 
3.4基于PDM的轮胎模具产品配置过程模型
   汽车模具配置模型定义了轮胎模具构件类,构件类包含轮胎模具的所有零部件信息。产品配置过程就是配置模型实例化,最终形成具体的产品结构树的过程。通常用户所看到的产品结构树并非完整的产品结构,而是产品族结构经过映射后所产生的面向不同用户的视图。因此,产品配置过程就是通过配置规则和配置知识,从配置模型状态到产品结构树的具体零部件状态的映射过程,产品配置过程可以用图3-5所示的模型表示,Ti=(Ii,Ci,Oi,Mi)
其中Ti表示所要完成的任务名称,即信息转换的内容:

   li=(Ii1,1i2,…,lin)表示完成活动Ti所需要的信息输入,如客户订单、配置参数等;

   Ci=Ci1,Ci2,…,Cin)表示影响活动Ti执行的事件或约束,如配置规则、查找相似零部件信息等;

   Oi=(Oi1,Oi2,…,Oin)表示完成活动Ti所产生的结果及信息,如配置参数、零部件模型及技术文档等;

   Mi=(Mi1,Mi2,…,Min)表示完成活动Ti所需要的资源(软件系统等工具、数据模型等)。
 
图3-5产品配置过程元模型
 
   产品的配置过程是根据产品的层次结构和零部件模型进行的自上而下与自底而上相结合、反复迭代的过程。图3-5为基于PDM的轮胎模具产品配置过程元模型,配置过程可以分为三个阶段:
 
   第一阶段,在动态产品族结构模型的基础上,根据客户订单需求与选定的变量条件和配置规则,确定与初步的客户化产品配置方案,即非精确产品结构。在这一阶段,企业结合自己的实际生产能力为客户个性化的需求快速制定初步的配置方案,并为客户快速提供准确的产品报价。
 
   第二阶段,在非精确产品结构的基础上,对不能直接满足客户要求的定制零部件进行变型设计。对无法满足结构或性能要求的零部件,根据编码从PDM系统中查找到相似零部件的主模型和主文档,利用集成的CAD系统完成零部件变型设计,并将实例化的零部件关联到动态产品族结构模型。
 
   第三阶段,确定所有零部件的有效版本,形成精确配置实例的客户产品结构和详细的工程技术文档。根据需要把精确的客户产品结构映射为特定的视图,即BOM多视图管理。
 
图3-6产品配置过程模型
 
3.5BOM多视图管理
   产品的结构信息、属性信息、关联信息等是分阶段形成的,对应于产品生命周期的不同阶段,从不同角度产生了BOM子视图。PDM提供的BOM多视图管理可以为不同部门提供从不同角度配置的BOM,保证了企业使用的数据是来自单一数据源,同时保证了数据的安全性,加快了订单的响应时间和提高了报价的准确度。
 
   产品配置实例化结束后,首先得到客户化的精确EBOM,它精确地描述了产品设计中产品、部件、组件、零件之间的关系,通过BOM多视图映射功能,可以将EBOM映射为直接用于下游生产的工程图、工艺过程规划、装配图、NC程序等。图3-7表示基于PDM系统的产品配置BOM多视图的转换与分解。
 
图3-7BOM多视图的转换与分解
 
3.6配置实例
   轮胎模具配置模型对轮胎模具企业深化PDM应用和提高响应客户订单的能力具有重大意义。配置模型中的零部件以构件类的形式出现,并分为产品类、部件类、子部件类、零件类,通过特征属性表达构件类之间的关系,能够很好的表达配置模型的层次结构,具有强的可配置性,同时这种配置模型构建方法更加符合软件开发的思想,使用UML语言表示配置模型更有利于软件开发工程师对模型的理解。
 
   产品配置是从分析客户订单需求到具体产品结构的映射过程,同时也是构件实例化的过程,配置过程如图3-6所示。图3-8为某型号的轮胎模具配置结果,此型号轮胎模具为圆锥面导向的热板式轮胎模具,花纹圈被分为9块,适用的硫化机尺寸为55”。轮胎模具的零部件按照产品结构形式、加热方式、花纹块数、适用硫化机尺寸等划分后,大部分零部件可以实现模块化和标准,提高了配置效率和准确性。需要进行变型设计的零部件,只需根据相似性配置结构,从PDM系统中提取相似零部件的主文档和主模型,进行变型设计即可,不需要进行创新型设计,缩短了产品的生产周期。需要进行变型设计的零部件完成之后,相似性配置结构就转换成了精确配置结构,交由客户确认。
 
图3-8某型号轮胎模具配置设计BOM视图
 
3.7本章小结
   本章中主要做了以下几个方面的研究工作:
   (1)对基于PDM的轮胎模具产品配置关键技术进行分析,为轮胎模具配置模型和过程模型研究提供了理论支持。
 
   (2)提出基于木体和特征的轮胎模具配置模型,模型具有高度的共享性和可配置性,同时也能够很好的表达模型层次结构的关系,通过扩充特征属性的含义,对构件类进行封装,提高了配置规则和配置知识的可维护性。
 
   (3)以配置模型为核心,建立基于PDM的轮胎模具产品配置过程模型,并对配置BOM多视图映射进行分析。
 

  • 2019-07-10 10:57
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