基于逐層約束的煤礦機械產品配置快速設計

于 洋 李文萍

(河南萬合機械有限公司，河南 鄭州 452371)

隨著煤礦機械產品個性化程度的提高，用戶對企業(yè)生產活動的要求程度也逐漸提高，這就要求企業(yè)更多地采用按定單設計的方式組織生產，設計過程應具有更好的靈活性。煤礦機械產品配置設計是一種能夠在較短周期內快速且有效的設計出滿足用戶個性化需求的設計方法，已經成為大批量定制的核心設計方法。

一 煤礦機械產品配置設計原理及框架

煤礦機械產品配置是以用戶需求和產品信息為輸入，以產品的最終配置結果為輸出的一類設計活動。用戶需求是產品配置設計的輸入，在產品配置設計之前，用戶的需求是不確定的，因此，不能直接作為配置求解模型的輸入變量，需要定義一組特征變量來抽象描述用戶的需求，這樣就表達了定制產品應該具有的功能和變量。在產品配置設計過程中將用戶的需求定義為需求元，產品BOM表中可配置的模型定義為配置元。產品配置的過程可以表達為:Y=F(X，C)，式中F為產品的配置過程;X為客戶的需求元;C為配置元;Y為最終的配置產品結果。

二 基于逐層約束的變量驅動產品配置設計

1．用戶需求元的變量化設計

用戶需求元的變量映射是將用戶需求從描述空間映射到變量化的表達空間，對用戶需求描述進行分析并規(guī)范化表達，轉換成與產品結構模型對應的變量集，使其成為產品配置的入口變量和約束條件。用戶需求

是整個配置設計的輸入，包括產品功能、結構、性能等方面的一些要求。最后可將用戶的所有需求元轉換為產品或者零部件的變量。因為每一種不同類型或不同型號的機械產品都有一些不同的關鍵特征與其它的一些產品相區(qū)分，比如，液壓支架的支護阻力、支護面積、支護強度等，這些變量都是特定機械產品特有的。對于某一機械產品特有的變量集合用M={m1，m2，m3，…，mn}其中 n 為產品特征變量的個數(shù)。根據(jù)用戶對某一類型液壓支架的需求選擇一套合適的特征變量{x1，x2，x3，…，xn}作為初始變量進行配置設計。

2．變量化產品配置結構

在逐層約束的產品模型中，產品的裝配以逐層約束為主線，依次建立不同層次零部件之間的約束關系。逐層建立層次化的橫向、縱向約束關聯(lián)，直至到建立與最底層零部件的關系，形成遍布整個產品的關聯(lián)約束模型。并自頂向下逐層定義零部件之間的接口，建立上層零部件與其子零部件或者同層零部件之間的接口關系，子零部件應繼承上層部件的設計約束變量，這樣使每一個零部件的變量只與上級零部件的變量建立約束關系。在配置設計時，上一級零部件的變量直接決定下一級零部件的變量，即由父零部件的變量計算出子零部件的變量，再由子零部件的變量計算出其子零部件的變量，這樣通過逐層迭代即可完成產品的配置設計。

3．變量化配置規(guī)則

本文是通過產品結構樹，在零部件逐層約束的基礎上來建立各個配置元之間的約束關系，并按照自頂向下的設計方法實現(xiàn)產品配置求解。通過分析，在產品結構模型中各個配置元之間存在以下約束關系，其約束關系如圖1所示。

(1)上下級零部件之間的約束;下級零部件的變量受到上級零部件變量的約束，或者零部件的某特征變量來源于上級零部件。如路徑b所示，子部件7、8的參數(shù)受到上級部件2的變量約束。

(2)同級零部件之間的約束;同級零部件之間的約束關系通常是結構約束，例如，路徑d所示的零部件1和3之間的約束關系可以是相斥、組合或依賴關系等。

(3)跨級零部件之間的約束;如路徑c所示的部件1和9之間的約束關系，這種約束關系大大增加了配置的求解性，應當轉化為部件3和9之間的約束關系。

(4)產品和零部件間的約束;有些零部件的特征變量可直接由產品進行約束，不需要通過上下級構件傳遞約束關系。如路徑a所示，零部件5和11的產品之間的關系，零部件5和11的變量可由產品的變量來控制。

圖1 產品配置元之間的約束

三 變量驅動的產品配置設計流程

產品配置的設計過程是在變量化零部件模型的基礎上，用戶根據(jù)自己的需求對各個配置元進行實例化的過程。產品族實例化是將產品族從模型空間映射到實例空間的過程。該映射過程必須滿足產品族中配置元的屬性約束和配置元之間的結構約束關系。產品配置設計的過程是一個將用戶需求轉化為最終產品的推理過程。當用戶提出需求后，系統(tǒng)依據(jù)用戶需求初始化產品的各項變量進行配置設計，即采用遞歸推理算法，從產品根節(jié)點一直延伸到葉子節(jié)點。具體過程如下:1)將用戶的需求進行轉換成產品特征變量，通過輸入和產品變量集之間的映射關系，確定出產品變量集的取值。2)根據(jù)用戶所選的產品模型構建產品BOM表，并根據(jù)產品根模型屬性的表達式計算當前產品族根模型的其它零部件變量。3)按照產品結構樹自上而下的裝配方式逐層遍歷產品族的下級子零部件，并計算各級配置元變量，如果計算的結構變量值表示結構需要被選裝，那么將產品族的輸出變量作為該子零部件的輸入變量，進行實例轉化。4)對配置出的產品各配置元進行變量值的檢查，如果不能滿足用戶的需求，就需要對特征變量進行修改，然后重新進行配置計算。5)輸出最終的產品BOM表，以及配置模型及工程圖，產品配置設計過程結束。

四 結論

企業(yè)面對市場激烈的競爭，最主要的是要提高對市場需求的快速響應能力。本文提出的基于逐層約束的變量驅動產品配置設計方法較好地滿足了企業(yè)的這種需求，并成功應用到企業(yè)中。實現(xiàn)了客戶對產品定制的多樣化需求，并在產品模塊化和配置編碼技術的支持下，按一定的配置規(guī)則對零、部件進行匹配或變型設計，快速生成滿足用戶需求的產品設計方案，縮短產品的開發(fā)周期，提高企業(yè)的競爭能力。