面向定制设计服务协同的集成标准化产品建模研究

马 军，路 迪，张 秀，王明义，郭长江

MA Jun,LU Di,ZHANG Xiu,WANG Ming-yi,GUO Chang-jiang

（郑州轻工业学院，郑州 450002）

0 引言

在客户需求多样化和市场全球化的背景下，发展现代制造服务业是企业获得生存和持续发展的重要选项[1]，在上述背景下通过整个供应链的设计服务协同实现定制产品的快速形成，提高供应商企业对核心企业的快速响应能力。

冯培恩等[2]通过对生物基因工程与产品原理方案设计的系统类比，建立了基于产品基因遗传和重组的概念设计框架。邱清盈[3]提出了一种协同优化进程规划策略，该规划包含求解进程规划和分解建模规划两个核心环节。然而上述研究主要针对产品在企业内部集成一体化的设计。针对设计服务协同这一新的市场需求，焦建新等[4]通过分析OEM（Origin Entrusted Manufacture）企业发展趋势，研究了通过大批量定制增加产品服务附加值提升企业利润的可行性。顾新建等[5]提出了产品与服务高度集成、整体优化的新型生产系统—产品服务系统。但上述研究缺乏可操作性的设计方法支持。

本文针对企业联盟背景下的设计服务协同环境，融合现有产品建模标准化技术，提出集成产品标准化技术的产品信息模型，研究事物特性表驱动的产品定制设计服务协同方法，并实现不同企业间产品设计资源的共享和重用。

1 定制产品快速设计服务协同过程

企业在开发满足客户要求的新产品的同时，也必须降低企业内部成本，这需要最大限度地降低零部件的种类，提高设计重用率[6]。同时，核心企业可以根据需要将部分产品模块的设计研发向有关的供应商开放，使他们通过网络机制开展定制设计协同，由此将大幅度压缩库存，降低采购及相关业务流程的成本和风险。这一机制包括：

1）核心企业者通过市场确认机制获取客户的需求订单。

2）客户需求订单通过设计人员的分析，形成产品需求模型，同时通过功能-结构映射机制建立产品模型。

3）核心企业发布所需的配套零部件模块，通过招标选择合适的供应商。

4）协同企业不仅提供报价，而且还通过网络化供应商零件库提供必要的产品模型，以便核心企业进行仿真装配，验证配套产品是否合适。

5）在产品模型中通过模块配置或变型将最终实现满足订单需求的变型产品。

2 定制产品信息建模

2.1 集成标准化技术的定制产品信息建模

目前，针对产品信息建模有相应的标准，如ISOTC184/SC4的产品信息标准STEP、零件库国际标准PLIB和德国DIN4000标准[7]。STEP标准是一个关于数字化产品数据表示和交换的国际标准，用来描述产品整个生命周期中的数据。德国事物特性表DIN4000标准定义了从产品对象组中表征和区分某个对象的决定性特性。PLIB标准的目标是提供一种传递零件库数据的中性机制，这种中性机制独立于任何使用零件库数据的系统，为企业内部和不同企业间建立起零部件资源共享的桥梁[8]。

因为设计过程的复杂性，采用上述标准无法完全满足设计服务协同过程中产品信息一致性表达。而从技术层面上来说，可以考虑通过集成上述集中标准化规范来共同完成产品信息建模，实现产品信息的共享，如图1所示。

图1 集成标准化的产品信息建模方法

2.2 集成标准化产品信息模型的描述

1）概念层描述

面向定制设计服务协同的产品信息模型的表示要考虑其描述能力、可理解性和可扩充性，所涉及的逻辑单元包括产品、供应商、零件类和特性。如图2所示，借鉴PLIB标准，面向设计服务协同的产品信息模型采用基本语义单元的三层描述机制，即概念层主要由字典元素定义，并采用基本语义单元（basic semantic unit，BSU）对其进行唯一标识，经过BSU标识后的概念能够被引用。内容项给出了字典元素内容的实例化描述。

图2 基于PLIB标准的产品模型概念层描述

2）逻辑层描述

应用层的产品模型面向设计过程。采用面向产品族的多视图建模方法。如图3所示，产品模型分为功能视图、原理视图和结构视图和产品主结构视图[9]。功能视图从客户角度描述产品功能。技术视图描述产品形成的物理原理，体现了产品模块的技术领域及关联约束。结构视图主要描述实现技术视图的的产品拓扑结构。

图3 产品模型逻辑层多视图描述

产品主结构视图则是在功能、技术、结构三视图映射基础之上，形成的与客户订单无关的产品结构。产品主结构的模块由事物特性表描述，每一个模块都有关于本节点的装配规则，体现了产品的层次结构及构成关系。模块事物特性描述可经过测量、测试等手段获得的特性信息，如模块的尺寸或物理性能参数。产品模型视图之间的联系体现了产品设计的逻辑时序。

3 事物特性表驱动的定制产品快速设计

在定制设计服务协同过程中，各个供应商的零件资源上传到网络化零件库系统后。快速定制设计实现过程中需要模块事物特性表与参数化CAD系统进行配合，即事先在参数化CAD系统中建立模块参数模型，然后建立事物特性表中的特性与CAD系统中的参数表之间的映射关系，包括一对多映射（1∶N）或多对一映射（N∶1），在实现过程中，通过事物特性表与参数表之间的对应关系，驱动CAD系统中的参数化模型，在CAD系统中产生产品变型。其过程如图5所示。

1）设计人员在供应商模块库中通过面向案例推理的方法搜索所需要的产品模块，与此同时将获得产品模块的事物特性表和参数化模型。

2）设计人员将满足客户需求的模块特性值交互输入到事物特性表行中，同时将参数化模型导入CAD系统。

图4 事物特性表驱动的产品定制快速设计服务

3）确定CAD系统中参数表与事物特性表之间的映射关系，建立事物特性表与参数表之间的映射对照表。

4）通过映射对照表，将事物特性表中的特性值将传递到CAD系统的参数表中。

5）借助于CAD系统的API函数功能，参数化模型将派生出满足需求的模块变型。

4 网络化定制设计服务协同平台

4.1 平台框架

基于上述的理论和方法，建立了面向企业联盟的定制设计服务协同平台。如图5所示，该平台不仅可提高复杂产品设计服务协同能力，而且为企业联盟间的设计服务协同和信息交互提供标准、规范的资源建模环境。该平台的逻辑结构分为资源层、建模层、服务层和应用层三个层次。

图5 网络化定制设计服务协同平台系统架构

1）资源层：资源层为设计者提供丰富的设计资源。这些设计资源存储在自治的分布式网络化零件库中。

2）建模层：建模层是平台的核心，为存储在资源层的设计资源提供了一个集成标准化技术的公共表达规范。

3）业务层：业务层主要提供快速定制设计服务协同功能，这些功能应用WEB service封装机制进行服务封装。

4）用户层：用户层为终端设计人员及用户提供一个便利、安全的访问端口。

4.2 应用案例

可转位螺杆成型铣刀是螺杆加工的关键基础部件。螺杆成型铣刀其结构基本一致，主要由刀体、刀片、楔型块、螺钉构成。其中，铣刀刀体是螺杆成型铣刀最基本的也是结构最复杂的组成部分。对于同一类型的铣刀由于刀槽结构相同，因此对螺钉、楔型块等零部件的选用基本上是一致的，只是刀体的结构和参数发生了变化。

如图6所示，建立了面向设计服务协同的螺杆成型铣刀CAD系统。在So1idworks系统中建立变量表，输入铣刀刀体的参数，通过与铣刀刀体事物特性表关联完成铣刀刀体的尺寸参数化驱动，同时，对于螺钉、楔型块等则采用标准件，可以通过该平台系统的供应商零件库直接下载，并在CAD浏览器中实现与铣刀刀体的仿真装配。

图6 螺杆成型铣刀的设计服务协同

5 结束语

本文针对设计服务协同环境，集成ISO13584、STEP和DIN4000等标准化技术，建立一致性描述的产品模型，以适应设计资源分布性和异构性的特点。在此基础上，提出了事物特性表驱动的定制产品快速设计服务方法。实践表明，该方法有效地减少了核心企业产品零部件的种类和数量，降低企业成本，同时促进了企业间的定制设计服务协同和资源优化。

[1] 祁国宁.四大压力催生制造服务[J].中国制造业信息化.2009,2∶5-6.

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