基于产品和过程融合集成的产品开发方法研究

刘志成，陈 亮

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

基于产品和过程融合集成的产品开发方法研究

刘志成，陈 亮

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

为了实现融合模型中产品模型与过程模型间的交互关系在计算机下的表达，对产品对象信息和设计活动信息的内容进行研究，提出了产品对象信息约束关系类型以及设计活动初始化条件概念，并说明了产品对象信息约束关系类型、产品对象信息、设计活动初始化条件和设计活动的表达方法，最后通过设计实例分析和说明表达方法的可行性。

信息交互;实体;融合模型;产品开发

随着计算机工程系统的发展，为了开发能完全融合到计算机辅助设计系统中的模型，需要统一地描述和组织产品对象信息和设计活动。20世纪90年代初，计算机领域的模型只针对产品对象信息建模，或者只针对设计活动建模，而且这两类模型使用不同的建模概念进行建模，如 Richard Sause等人开发了一种主要针对设计活动建模的模型［1］。近年来，Hong提出了基于实体的模型开发理论，基于实体的方法以语义数据模型以及抽象机制为基础，允许使用统一的方法开发产品和过程模型，Hong使用一个桌子设计实例完整地概述了融合实体模型的所有重要概念［2］，本文所使用到的融合实体模型概念可参考Hong的系列文章，近来，研究者们对融合模型做了很多细致的研究，如将模型应用于表达设计选择以及设计过程控制［3－4］，基于实体的融合模型理论已经较成熟，下一步的研究重点将是如何将融合模型在计算机下合理地表达。

1 产品对象信息约束关系及产品对象信息表达

1.1 产品对象信息的约束关系

产品中的任何组件都无法独立存在，组件(产品)对象信息之间很自然存在约束关系，融合模型中的产品模型存在两种约束关系:逻辑关系和交互关系。

a.逻辑关系表达产品对象信息之间存在大于、小于或差值介于某两个值之间等关系，例如齿轮组两齿轮齿宽差要保持在5～10mm之内。逻辑关系的约束类型只包括逻辑约束。

b.交互关系表达产品对象信息之间确切的关系，交互关系的约束类型包括要求约束、独立约束、依赖约束。

产品对象信息由设计活动创建，同时设计活动也使用产品对象信息，那么产品对象信息间到底存在何种约束很大程度取决于设计活动执行顺序;反之，如果确定了产品对象信息间的约束关系，也将影响到设计活动的执行顺序。

1.2 产品对象信息表达

为了表达产品对象信息与设计活动之间存在的约束关系，产品对象信息应包含5项内容:

其中:MN为产品对象信息名称;S为信息的内容，其取值类型与模型中信息的取值类型属性一致;T为约束类型，其取值包括逻辑约束、要求约束、独立约束、依赖约束;E=＜EN，D ＞，EN为一个设计活动，并且EN产生约束对象信息，D为优先等级，优先等级有3类——优先、滞后以及并行;C=＜G，EL，EX ＞，G为约束对象，EL= ＜ eli＞，i=1，2，3，…，n，为约束要素，EX为计算表达式，将产品对象信息内容S以及约束要素EL代入计算表达式EX中可计算得到约束对象G。

约束类型取值与优先等级的值存在以下的关系:当约束类型为逻辑约束或依赖约束时，优先等级为并行;当约束类型为要求约束或独立约束时，优先等级为优先。

2 设计活动表达

2.1 初始化条件

理论上过程模型中的属性活动可以按任意顺序进行初始化，但属性活动的初始化顺序必须要符合特定的设计流程以及满足特定的初始化条件，其中初始化条件包含3项内容:

a.AC= ＜ aci＞，i=1，2，3，…，n，为一组活动条件，其可以使用以下三维数组表示:

其中:joinflag 的取值为 null，and，xor。当取值为null时意味着活动具有单一的活动输入;当取值为and时，活动具有多个活动输入;当取值为xor时，活动的前置活动任何一个完成，活动都满足活动条件。E为设计活动的前置设计活动。ac为活动条件，其为布尔值，ac的取值取决于前置活动E的执行情况。

b.MC= ＜ mci＞，i=1，2，3，…，n，为一组信息条件，其可以使用以下二维数组表示:

其中:M为设计活动的输入信息;mc为信息条件，其为布尔值，mc的取值取决于设计活动与信息M中设计活动EN的优先级别，当EN优先于此设计活动，那么只有当EN执行完成，mc的取值才能为true;当优先级别为并行或滞后时，mc默认为true。

c.sc为布尔值，其取值视Esc内所有ac、mc和joinflag取值而定，只有sc取值为true时，活动才具备初始化条件。

2.2 设计活动表达

过程实体中的属性活动涉及到数据输入、输出以及属性活动间的交互，为了使设计者了解设计活动的执行条件、关联产品实体类以及实现方式［5］，对于每个设计活动都将以下方式进行表达:

其中:MO= ＜ MOi ＞，i=1，2，3，…，n，为设计活动的输出信息，产品对象信息的表达见1.2小节;Ie= ＜ iinput，ioutput＞，其中:iinput= ＜ entityi＞，i=1，2，3，…，n，为一组产品实体类，entityi为 E 输入产品对象信息，ioutput= ＜ entityj＞，j=1，2，3，…，n，也为一组产品实体类，entityj中包含某个或多个输出产品对象信息;T= ＜ ti＞，i=1，2，3，…，n，为完成此设计活动需要使用的设计工具。

3 融合模型间交互应用实例

本文在Windows平台下，采用Java编程语言、以SQL Server 2008作为底层数据库实现融合模型在计算机下的表达，融合模型的计算机表达必须能实现模型间的交互［6］。如何实现融合模型在计算机下的表达不是本文的重点，有关内容将在今后的论文中进一步阐述。下面以减速器传动组件中齿轮副的设计为例，说明产品和过程模型的交互。

3.1 制定设计流程

初始化条件保证了属性活动一旦初始化便能执行完成，避免了重复初始化同一个属性活动，提高设计效率，初始化条件也是制定设计流程的主要依据，合理的设计流程为属性活动的初始化顺序提供基础。下面对齿轮1设计建议在流程中的位置做说明。

使用上述理论将齿轮1初步开发实体属性活动设计建议 E= ＜ EN，Esc，MO，Ie，T ＞ 表达为以下形式，其中等号表示内容项的值:

以上设计活动表达由于篇幅的原因没有将所涉及的所有设计活动E以及产品对象信息M完整地表达出来，只使用设计活动以及产品对象信息的名称进行简化表达。

其他属性活动的表达类似于齿轮1的设计建议的表达。分析图1中齿轮1设计建议在流程中的位置:齿轮1设计建议Esc中活动条件AC只包含ac1(Esc中的joinflag取值为null)，即齿轮1详细分析;信息条件MC包含mc1(转速)，mc2(功率)，mc3(材料)，由于上述3个输入信息由设计活动传动组件设计建议和齿轮1详细分析产生，那么传动组件设计建议以及齿轮1详细分析必须先于齿轮1设计建议初始化并完成。根据齿轮1几何尺寸中的齿数属性的产品对象信息表达可知，齿轮1齿数与齿轮2齿数存在独立约束关系，并且优先级别为优先，此约束关系约束了齿轮1设计建议先于齿轮2设计建议初始化并完成，即产品对象信息(齿轮1齿数与齿轮2齿数)之间的约束关系影响设计活动(齿轮1设计建议与齿轮2设计建议)的初始化顺序。分析结果可以制定如图1所示的设计流程［7］。图1中实线箭头表示活动条件，虚线箭头表示信息条件。

图1 设计流程

图2 模型交互举例

3.2 模型信息交互

设计活动创建和使用产品对象信息是融合模型交互的另一种形式，图2(a)为齿轮1初步开发实体与产品模型交互的某个步骤，图2(a)中粗实线圆角四边形表示过程实体初始化［8］。下面是对此步骤的简要解释:

a.齿轮1初步开发初始化后产品实体齿轮1解决方案被创建。

b.齿轮1详细分析初始化，图2(b)中虚线框内为属性活动详细分析在计算机系统中的执行情况，虚线框中菱形表示选择器(计算机程序)，圆角矩形表示数据库，矩形表示产品对象信息集。选择器以齿轮1的设计要求为依据，如齿面组合、可能失效的形式等，从材料数据库中选择合适的材料，如图3系统截图所示，根据齿轮1详细分析表达中的Ie和输出信息MO创建并更新齿轮1解决方案的材料实体属性为40Cr。

c.齿轮1设计建议初始化，选择器材料选择根据设计要求从数据库中查询出与齿轮1设计要求最接近的齿轮，查询结果如图4所示。设计者以查询出的齿轮信息作为起点执行设计任务:齿轮1设计，重新设计新的齿轮，最后根据齿轮1设计的

ioutput以及MO进一步完善齿轮1解决方案中实体属性几何尺寸信息，包括几何尺寸的以下数值属性:齿数 (z)、模数(m)、压力角(α)、齿顶高系数(c*)、齿根系数以及齿数(h*)，并通过工具菜单栏调用工具SolidWorks完成齿轮三维设计。

图3 材料查询

图4 齿轮查询结果

d.齿轮1检查初始化后，设计者检查客户是否提出新的设计要求，如没有新的设计要求，齿轮1设计完成。

4 结束语

基于实体的理论使用相同的概念以及相同的图形符号对产品模型和过程模型建模，实现了产品模型和过程模型的融合，为了说明融合模型中产品模型和过程模型间存在的紧密交互，本文使用可在计算机下表达的形式实现了融合模型中产品对象信息以及设计活动信息的表达，在此基础上实现了产品模型和过程模型间的交互，这些理论将为下一步实现融合模型的计算机表达提供基础。

［1］Sause R，Graham H P.A design process model for computer integrated structural engineering［J］.Engineering with Computers，1990，6(10):129 －143.

［2］Chang-Ho L，Sause R，Namhee K H.Overview of entity-based integrated design product and process models［J］.Advances in Engineering Software，1998，29(10):809 －823.

［3］Namhee K H，Sung-Gul H.Application of entity－ based approach for unified representation of design alternatives for structural design［J］.Advances in Engineering Software，2001，32(5):599－610.

［4］Chang－Ho L，Sause R.Sequence control for intergrated structurl design models［J］.Journal of Computer in Civil Engineering，1996，10(7):213 －225.

［5］Namhee K H，Sung-Gul H.Entity-based models for computer-aided design systems［J］.Journal of Computer in Civil Engineering，1998，12(12):30－41.

［6］叶修梓，陈超祥.SolidWorks Enterprise PDM管理教程［M］.北京:机械工业出版社，2009:134－136.

［7］van der Aalst W M P，van Hee K M.工作流管理——模型、方法和系统［M］.王建民，闻立杰，译.北京:清华大学出版社，2004:22－25.

［8］Moon J C ，Kwon P，Brian T P.Making process visible a grammatical approach to managing design process［J］.ASME ，SEPTEMBER，2002，124(9):364 －374.

The Product Development Method Based on the Model Merging Product and Process

LIU Zhicheng，CHEN Liang
(Fuzhou University，Fujian Fuzhou，350108，China)

In order to express the interaction between product model and process model，it analyzes the content of product information and design activities，proposes the constrained type of product informations and the initialization condition of design activities.It explains the expression of the constrained type of product informations，product information，the initialization condition of design activities and design activities.The example proves the feasibility of this method.

Information Interaction;Entity;Merged Model;Product Development

TP311.1

A

2095－509X(2013)04－0020－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.005

2012－12－27

国家自然科学基金项目资助(50875049)

刘志成(1988—)，男，江西抚州人，福州大学硕士研究生，主要从事数字化设计技术等方面的研究。