面向大批量定制产品开发设计技术的应用研究

前言

大批量定制技术(MC)近来在工业界及学术界都备受关注并流行。面向大批量定制的开发设计技术(DFMC)是实现大批量定制的关键技术之一。国内外学者己经在这方面进行了许多研究工作。DU Xue-hong等展示了如何在产品族结构APF(architecture of product families)基础上有效地创建产品族。JIAOJian-xin等提出从功能、结构、技术等3个相关联的视角来建立产品族模型。Sehyun Myung等在设计专家系统的基础上，提出了建立机械产品的参数化装配模型的框架困。

本研究将以工业汽轮机主要部件转子和汽缸为研究对象，对面向大批量定制产品开发设计的关键技术进行较深人的研究，在此基础上进一步提出面向大批量定制产品开发设计系统的体系结构。

1、面向大批量定制产品开发设计关键技术

面向大批量定制产品开发设计技术由面向大批量定制产品开发技术和产品设计技术两部分组成，以下研究其关键技术。

1.1产品模块化技术

产品模块化技术是指在全面分析和研究客户需求的基础上，开发具有独立功能的模块，并由这些模块组成完整的产品族，从而可以减少产品内部多样化、增加产品外部多样化。它是对产品进行标准化和规范化的结果，是实现产品配置设计和变型设计的关键。

按模块化设计原理，通过对工业汽轮机转子进行研究，汽轮机转子在逻辑上可分成5个模块—前轴段、前汽封段、通流段、后汽封段和用户段。其中，通流段模型是根据客户的需求经过计算得到的;前轴段、前汽封段、后汽封段和用户段可采用一定的数系设计成系列化标准模块。这样，根据计算得到的通流段模型.在其余4段的系列化模块中选取相应的模块，就可快速地组合成满足不同客户需求的转子模型(如图l所示)。

1.2产品零部件主模型

产品零部件主模型(PDM)包含与它们有关的所有几何和非几何信息，用来为产品的全生命周期提供服务。为方便产品零部件的变型设计，本研究采用事物特性表(TLAC)技术建立产品零部件主模型。借助于产品零部件主模型的事物特性表，设计人员只需根据客户的需求在事物特性表中输入一组数据，就可以自动派生出变型产品。

对于产品零部件变型来说，根据其拓扑结构是否发生变化，可将其分为尺寸变型和结构变型两种。对于拓扑结构发生变化的结构变型零件，不仅其尺寸发生变型，更重要的是其结构也随着客户的需求发生变化，工业汽轮机转子通流段就是典型的结构类变型零件。对于每个工业汽轮机转子通流段来说，都是根据客户需求而计算得到的，其外形以及它上面的叶根槽，汽封槽的型号和个数都不一样。下面结合汽轮机转子通流段。讨论如何建立结构变型的产品零部件事物特性表。

通流段主模型可分为两部分:外形(尺寸变型部分，包含有通流段前轴径、通流段后轴径以及通流段长度等);特殊轮廓(结构变型部分，包含有通流段外型轮廓、叶根槽型号和定位以及汽封槽型号和定位等)。其中，通流段外形轮廓以数据文件的格式存在，在事物特性表中保存着该文件的数据指针;所有型号的叶根槽和汽封槽都作为形状特征元素被保存在数据库中，在通流段事物特性表中仅记录这些槽的型号和定位尺寸，只要根据它们的型号就可得到它们的对应的形状尺寸。对通流段借助事物特性表进行变型时，是将数据文件中的数据提供给参数型CAD的AP1函数，从而得到满足客户需求的通流部分轴段的图纸。工业汽轮机通流轴段事物特性表，如图2所示。

1.3产品主结构

产品主结构(PMS)描述的是可配置的、包括所有标准构件的模块化产品族的组成情况。可以根据不同客户的需要，从产品主结构中派生出客户定制的产品结构。

定义:产品主结构是一个三元组，PMS;:二(}ModulesE,}RelationsE,}ECArules}}。其中:

(1)ji4lodules}描述的是组成产品的模块或零件。IModule!::=(ID，Name,TLAC,Parameter,Descrip-t}On)e集合中，ID一组成产品主结构模块的标识号;Name一组成产品主结构模块的名称;TLAC一该模块所对应的事物特挂表;Parameter-模块的特征参数;Description一对模块的描述;

(2){Relations::=(is-child-of,haa-parent-oF)描述产品主结构中各模块间的关系。通过模块间的父子关系，就可以构建产品主结构的结构树;

(3){ECArules}是产品配置过程中的模块选择规则的集合。由于机械产品结构复杂，其配置设计知识相应也很复杂，可以借助于事件一条件一动作(ECA)规则来描述产品配置模型中复杂的配置知识。对于任意一条ECA规则，可以用四元组R;:=(ID,Event,Condition,Action)描述。其中:1D一产品主结构模块选择规则的标识号;);vent-触发规则;Condi-do，规则成立所需要满足的前提条件;Action-满足规则条件所得到的结论，即满足要求时所选择的模块或所作的变型。

建立产品主结构时，首先建立产品基本模块的层次结构，然后再在该层次结构上加人选择模块(包括必选模块和可选模块，如图3所示)。设计人员根据客户需求配置产品时，可以通过ECA规则来实现对产品主结构中的模块进行选择。由图3可以看出，产品主结构可以看成是由各模块(子模块)、零件按一定的关系组合而成的。本研究利用ECA规则和事物特性表技术建立产品主结构时，可以将这些关系建立在产品主结构中。对于产品主结构中的每条ECA规则，都有一个指针指向ECA规则文件;同时，在产品(模块或零件)事物特性表中，都包含有指向下一级模块或零件事物特性表的指针和这些模块变型的标识号。因而，在产品配置过程中，借助于产品主结构中的ECA规则和事物特性表，就可以很方便地得到满足客户需求的个性化产品。

1.4产品配置设计

产品配置设计是指基于产品主结构，根据客户给出的配置需求，得出满足客户需求的产品结构及其零部件。配置过程可表达如下:Solutions=F(PMS,Re-quirements)e其中，F-配置求解过程,PMS-产品主结构，Requirements-客户需求，Solutions-满足客户需求的配置方案。

对于汽轮机定制来说，客户需求主要包括:汽轮机类型、进汽压力、进汽温度、排汽温度、排汽压力、工作机输出功率和工作机转速等。设计人员将客户需求输人产品配置器，就可得出满足客户需求的工业汽轮机。当然，配置过程的求解是一迭代过程，对于像汽轮机这类ETO产品来说，由于其定制程度较深，不可能完全依赖计算机自动完成，往往需要设计人员的参与才能完成整个产品设计工作。下面给出的是某背压式汽轮机(背压小于2MPa)的选型算法:

(1)根据客户要求的进汽压力和进汽温度，查h-s，图确定进汽熔和进汽比容;

(2)根据客户要求的排汽压力和排汽温度，查h-s。图确定排汽熔和排汽比容;

(3)利用进汽焙和排汽焙计算确定可用绝热熔降;

(4)根据绝热焙降dh和输出功率P，估算质量流量m=p/(h·n.)f假设总效率为n);

(5)依据(1)中的进汽比容和(4)中的质量流量计算得出进汽容积流量v.am=.v.ams

(6)根据(1)中排汽比容和(4)中质量流量计算得出排汽容积流量v;

(7)根据(5)中的进汽容积流量v和客户要求的转速，利用进汽段选择图选择进汽段;

(8)根据(6)中的排汽容积流量v和客户要求的转速，利用排汽段选择图选择排汽段;

(9)根据(7)和(8)中得到的进汽段和排汽段，查兼容性图验证进汽段和排汽段的可组性，从而确定汽轮机的型号。

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