基于事物特性表的千斤顶配置建模方法

何 俊，苏少辉，陈国金

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州310018)

0 引言

千斤顶是一种用刚性顶举件作为工作装置，该文通过顶部托座或底部托爪在小行程内顶升重物的轻小型起重设备［1］。1990年以来，全球千斤顶消费量以年均6%的速度增长，进入21世纪，我国千斤顶产业也进入高速增长。在2000～2004年这4年中，我国千斤顶销量从188万台增长到447万台，增长2.3倍，年均增长率在27%以上。为了满足千斤顶市场的需求，可以设计一种可配置的模型，然后通过配置设计来满足客户的个性化需求。国内外学者分别从不同角度研究了产品配置建模方法。有的学者提出基于面向对象和特征语法的产品配置建模技术［2］，有些则提出一种面向配置设计的产品功构建模方法［3］，还有人提出基于类和特征的产品配置建模方法［4］以及一种基于本体的产品配置建模方法［5］。本文以液压千斤顶产品为研究对象，引用事物特性表原理，探求一种以产品族结构模型和约束知识为基础的产品配置模型。

1 事物特性表与产品结构模型

1.1 事物特性表原理

事物特性表定义了对象组中能够表征和区分某个对象的决定性特性，规定了特性数据的表示格式，使零部件的特性数据能够方便地在不同的系统之间交换［6］。其中事物特性是指表征产品(包括部件和零件)几何特性、功能特性和制造特性的信息集合。

1.2 基于事物特性表的产品结构模型

产品结构模型是配置建模的基础，它包括了一个产品所有的零部件，反映了产品的功能层次关系和零部件之间的装配关系，并将产品族的装配结构映射为一棵结构树，可以全面的反应具体产品的全部信息。其中，零部件类映射为结构树的节点;零部件类之间的关系映射为连接枝;产品族则处于树根位置。用事物特性表描述产品结构模型，在各个层次会有区别。在零件类层次上，它主要描述零件的几何尺寸参数和加工工艺;在部件类层次上，它主要描述哪些对象参与装配和技术特性;在产品族层次上，主要描述产品的性能质量参数和使用要求。根据液压千斤顶的功能结构特点，可以建立如图1所示的液压千斤顶结构树。包括液压千斤顶产品族、部件类、零件类和需要特性参数确定的具体零件;实线所连接的部分是必选配件，虚线所连接的部分是可选配件。

图1 液压千斤顶产品结构图(局部)

2 基于知识和约束的产品配置模型描述

2.1 基于事物特性表的产品配置模型描述

在基于事物特性表的产品结构模型中，可以通过几何特性、功能特性和工艺特性等对结构模型中的任何一个节点进行描述。基于事物特性表的产品配置模型中包含了产品结构树中每个节点的所有特性，并将这些特性统一集合到产品配置模型的事物特性表中，其中表征和区分产品配置模型的决定性特性成为产品配置模型的特性单元。可以形象化的表示为:

在每个基于事物特性表的产品族结构模型中，每一个节点都具有表达多个零部件实例的能力，为此可以把构成产品结构的每一个节点作为一个配置单元。可以形象化的表示为:C_unit={C_id，C_sel，C_type，Mult(T_Meta;)，Is_decomposed)。其中:C_unit为配置单元;C_id表示该配置单元的唯一标识;C_sel表示该配置单元的选择特性，C_sel=1表示该配置单元对可配置产品为必选单元，C_sel=0表示该配置单元对可配置产品为选配单元;C_type表示该配置单元的类型，配置单元被分为两类，一类是标准配置单元(C_type=0)，一类是参数化的配置单元(C_type=1);Mult(T_Meta)表示该配置单元的属性可通过事物特性单元来描述，一个配置单元可有多个特性单元;Is_decomposed表示该配置单位能否分解的属性，基于事物特性表的产品配置模型中的配置单元根据其能否分解分为组件级配置单元和零件级配置单元。即当Is_decomposed=1时，为组件级配置单元;当Is_decomposed=0时，为零件级配置单元。

液压千斤顶的心管配置单元如图2所示，图2中显示了心管的材 料、工艺、内径和长度等属性信息。

图2 心管配置单元

2.2 基于配置模型的约束分类

在基于事物特性表的配置模型中，知识的表达是通过各种约束来体现的，配置单元除了上面提到的取值限定约束T_conts外，还存在着如图3所示的约束关系:

图3 配置单元之间的约束关系

(1)图3中配置单元和配置单元之间的约束。其中Concurrent描述的约束是强制关联的约束。即当C_unit1出现在配置中时，C_unit2也必须出现在配置中。比如液压千斤顶的装了支架组，就一定要装摇臂组。Incompatible表示互斥关系，即C_unit1和C_unit2不能同时出现在一个配置中;

(2)配置单元和另一个配置单元内部特性之间的约束，如是否选取灯(属于配置单元C_unit2)取决于液压千斤顶的工作环境。可以表示为Rely on(C_unit2 C_unit1.enviroment);

(3)图3中配置单元内部特性之间的关系。这是一种局部约束，例如，心管特性中的内径和长度之间可能存在一定的约束关系:长度=8.5×轴径;

(4)图3中一个配置单元特性和另一个配置单元特性之间的约束。形式上可以描述为＞，＜，=，≠等，起检验作用。这种关系可以描述为C_unit1.T_unit1=or≠ C_unit1.T_unit2。这是一种耦合度很高的约束关系，应尽量避免这种约束关系的存在。

在这些约束关系中，有些是全局约束，有些是局部约束，有些约束属于逻辑约束，而有些约束属于数值约束，要注意约束的不同使用范围和类型。

3 产品配置过程的实现

3.1 产品配置系统

产品的配置过程实际上就是根据客户的需求对配置模型进行实例化过程，即给模型中的每个参数赋值、进行约束求解、最终完成产品配置的过程。这个过程一般由产品配置系统来完成，该配置系统的系统框架如图4所示。

图4 配置系统框架

3.2 产品配置过程

在配置系统中，由于配置直接利用基于事物特性表的产品配置模型自上而下逐层求解，使问题的求解得到简化。液压千斤顶产品配置过程如图5所示。客户需求的输入，通过配置系统界面输入客户对千斤顶产品的特定需求:

图5 千斤顶产品配置过程

(1)对输入的客户需求进行描述与转换。通常，客户的需求一般是某种非形式化的表示，要用完整、规范的系统能识别的语言描述客户需求;再将这种语言转换成设计要求;并提取设计变量与配置模型构件之间的配置约束和规则，建立变量配置规则，使得根据特定客户需求配置求解成为可能;

(2)对配置模型进行推理求解。从根节点开始，根据处理后的客户需求，对配置模型中的每个配置单元C_Unit进行遍历，实行从上到下的逐层求解。对配置单元里的C_Sel，C_Type，Is_decomposed，T_unit等参数进行选择确定，再根据单元间的约束关系，配置出所有的可行配置方案。如果没有可行的配置方案就转入第5步;

(3)对获得的可行配置方案进行评价优选，选出最优设计实例，在这一阶段，可以对设计进行优化，得到客户需求的最佳千斤顶产品;

(4)变形设计。如果得不出满足客户需求的千斤顶产品可行配置方案，可以对现有零部件模型进行变形设计，并将变形设计得到的零部件模型存入配置系统知识库;

(5)输出千斤顶BOM。产品配置后得到客户化的千斤顶产品结构BOM，包含了具体零部件图纸及相关的文档资料等，企业根据此BOM可以在最短时间内提供客户所需要的产品。

4 结束语

产品配置建模和配置知识的表达是配置设计中的关键步骤。本文以液压千斤顶为研究对象，结合事物特性表原理，通过分析液压千斤顶的结构功能特点，建立了液压千斤顶产品族结构树;并在此结构树的基础上，集成约束知识得到液压千斤顶配置单元模型。从而缩短了产品的设计周期，提高了千斤顶产品的质量。使企业面对市场需求时能够快速的做出反应，设计出符合客户个性化需求的千斤顶产品。

［1］欧阳英.中国千斤顶行业的现状与发展［J］.建筑机械，2006，12(3):156－158.

［2］Gorel H，Lennart O，John M.Product configuration using object oriented grammars［A］.Proceedings of the 8th International Symposium on System Configuration Management［C］.Brussels:Springer－Verlag，1998:107 －126.

［3］谭建荣，李涛，戴若夷.支持大批量定制的产品配置设计系统的研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(8):931－937.

［4］刘晓冰，袁长峰，邢英杰，等.基于类和特征的产品配置建模［J］.计算机集成制造系统，2005，11(8):1 057－1 063.

［5］张劲松，王启富，万立.基于本体的产品配置建模研究［J］.计算机集成制造系统，2003，9(5):344－350.

［6］祁国宁，Schottner，顾新建.一种面向大批量定制的产品建模方法［J］.计算机集成制造系统，2002，18(1):12－15.