CN101430731A - 基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，该方法通过表结构描述产品基本型，通过附加图元描述产品工艺结构和功能特点，通过基于网格的图元组合形成产品族的产品实例，进一步形成可存储、管理、检索和利用的产品数据，以可视化方式支持敏捷制造，包括产品设计、订购、制造各环节的应用。

Description

基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法

技术领域

本发明涉及一类复杂产品族的数字化方法，特别涉及一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，从而支持一类产品的自动数据管理和面向敏捷制造的大规模定制应用。

背景技术

规模定制可作为一种能力，通过高度的过程敏捷性、柔性和集成化来为每个客户提供个性化设计的产品和服务。在规模定制生产模式下，产品设计技术始终围绕一个核心问题，即尽可能减少产品的内部多样化，增加产品的外部多样性[萧塔纳著，祁国宁译，产品数据管理，机械工业出版社，1998]。产品族是企业为适应客户的不同需要，提供的同一产品的衍生变体。族内产品具有相同或相似基础功能结构或性能，共享主要的特征、元件和子结构，并能通过变型配置来满足一定市场变化的相关产品的一种聚类。并且，对产品族有以下界定：

■产品族中产品具有相同的市场定位和客户群需求。

■产品族中产品具有相似的产品结构，并能用通用结构来表达。

■组成产品族的每个单元模块具有相似功能、相似结构和相同外部接口。

产品族数字化涉及了整个产品的生命周期的所有内容，以支持从设计、制造、装配和定制的所有环节。产品的数字化因为变体产品间具有很多相同的部分，为了避免数据冗余，有利于产品知识的查询、重用和共享，不可能将所有产品变体都独立地保存和管理，需要对产品数据进行合理的组织。目前的产品数字化多是针对单个产品的产品数字管理，产品族表现为多个孤立的产品的集合，产品的特性主要以文字或附图来表现，产品的衍生管理也是人工进行，无法支持产品族整个生命周期的管理和应用，尤其是产品的设计和定制效率很低。

依据设计方法学将产品族模型定义为由功能模型、原理模型和结构模型三个视图组成，三个视图之间具有映射关系。其中，产品族结构模型是保证配置方案一致性和正确性的关键。因此产品族的设计过程可看作是从客户需求向产品族结构模型的映射求解过程[鲁玉军，祁国宁，基于MC环境的面向订单产品设计方法研究.万方数据库，2001]。因此，如何准确、迅速地配置出满足用户需求的产品，并且保证配置方案的可制造和可装配成为一个关键问题。解决这个问题的核心在于建立一个高效、低冗余、易配置的产品族结构模型，以及相应的配置方法[R.Lau，Mass customization：The next industrial revolution，Industrial Management 37(1995)18-19.]。

大规模定制模式下的产品配置是指在一个或若干能覆盖产品类中即定型号和规格变化的动态产品族模型的支持下，按照客户定制产品的要求，设计或选择零部件，把这些零部件按照他们的功能、某种组合规则(如装备关系等)和某种条件进行编组，快速设计出满足客户需求的定制产品。一般的产品配置系统对于结构模型按照内部的所有零件数量、性质及相互关系进行编组，并形成产品配置清单BOM，也有的产品配置采用产品结构树辅助支持。由于产品的复杂性，可视化配置支持比较少，文献[张殉；干静；蒋春林；工程机械可视化定制系统的研究与构建，工程设计学报，2006(06)]将工程机械外部形态、色彩、装饰方案三部分组成的外观模块及对应的外观模型，在Q uest3D虚拟现实平台上可视化展现。文献[R.Lau，Mass customization：The next industrial revolution，Industrial Management 37(1995)18-19.]提出在BOM表基础上增加事物特性表对产品和零部件族的信息进行描述并进行变型设计。其他一些文献介绍了采用Java实现VRML场景中的产品对象和行为表现，VB或VC等开发工具实现图形表现。这些主要以图表、图形、图像方式辅助产品的可视化表现，并没有从产品结构本身特性解剖并数字化，从而支持产品配置[鲁玉军，祁国宁，基于MC环境的面向订单产品设计方法研究.万方数据库，2001][刘晓冰，董建华，孙伟，面向产品族的建模技术研究，计算机辅助设计与图形学学报，2001，13(7)：636-641.]。CAD能实现产品结构精确表现，但它的专业性不利于产品生命周期各阶段的用户使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以二维表结构为基础，通过表结构描述产品基本型，通过附加图元描述产品工艺结构和功能特点，通过基于网格的图元组合形成产品族的产品实例，进一步形成可存储、管理、检索和利用的产品数据，以可视化方式支持敏捷制造，包括产品设计、订购、制造各环节的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，包括下列步骤：

(1)抽取产品组成及主要部件的相关参数，形成产品结构信息模块；

(2)产品结构信息分为公共平台变量和可选因子变量，通过功能特性配置或结构配置选取变量子集和取值改变来形成产品族中的不同产品；

(3)基于二维表结构描述产品基本型，将二维表行列特征计入公共平台变量，形成基于网格的可视化描述的位置定位，并记录位置的约束条件；通过在定位网格附加图元描述产品可选的工艺结构特点；

(4)通过网格定位附加图元组合形成产品族中的产品可视化表达视图，产品网格位置和约束条件下的所有取值不同的组合形成的集合为产品族的产品全系；

(5)以参数方式、图形化方式支持产品的查找，以在表描述的基本型上附加图元的可视化方式支持产品查找、新产品衍生，从而支持产品设计和定制；

(6)产品数字化信息输入到相关加工设备，经识别后完成相关属性的部件特性的实现。

所述的产品结构信息模块，包括产品部件及产品部件的装配层次关系，产品和主要部件的特性参数、几何参数、变形规则和结构信息；在可视化时分别转化为表单、几何造型和产品结构，以支持协同定制。

所述的产品结构信息定义为产品设计变量及其约束条件，并分为两大类，Pv＝{Pcv，Pav}，其中Pcv为公共平台变量，是产品族所有产品共性特征的描述参数；Pav为可选因子变量，产品族中的不同产品可选的描述参数；根据功能配置或结构配置要求，通过选择公共平台变量和可选因子变量形成产品设计信息子集，基于产品族进行推理配置和优化，得到一组符合约束条件的变量及其取值构成的产品信息，并形成可视化产品。

所述的基于二维表结构描述产品基本型，为将二维表行、列交叉点位置计入公共平台变量，形成基于网格的可视化描述的位置定位，并记录位置的约束条件；通过在定位网上附加图元来描述产品可选的配件或工艺结构特点。

所述的通过网格定位附加图元组合形成产品族中的产品可视化表达视图，为位置变量的不同、图元的不同都形成产品族中的一种新的产品实例，产品族的产品族谱就是位置变量和在约束条件下的所有图元取值的不同组合形成的集合，方便支持图谱的查找和遍历。有益效果

本发明可形成存储、管理、检索和利用的产品数据，以可视化方式支持敏捷制造，包括产品设计、订购、制造各环节的应用。

附图说明

图1为产品族结构信息内容及可视化原理图。

图2为产品族的建立和产品配置原理图。

图3为二维表结构可视化描述的产品位置特性说明图。

图4为组合报警灯数字可视化视图。

图5为万转开关的信息模型示意图。

图6为万转开关产品的实物图、徽板和接点图结构视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，产品族的产品结构信息模块，包括产品部件及产品部件的装配层次关系，产品和主要部件的特性参数、几何参数、变形规则、结构信息。在可视化时分别转化为表单、几何造型和产品结构，以支持协同定制。

如图2所示，将所有产品信息定义为产品设计变量及其约束条件，并分为两大类，Pv＝{Pcv，Pav}，其中Pcv为公共平台变量，是产品族所有产品共性特征的描述参数；Pav为可选因子变量，产品族中的不同产品可选的描述参数。根据客户需求，即功能配置或结构配置要求，通过选择公共平台变量和若干可选因子变量形成产品设计信息子集，基于产品族进行推理配置和优化，得到一组符合约束条件的变量及其取值构成的产品信息，并形成可视化产品，就得到符合客户需求的产品族中的一个产品实例。

基于二维表结构可视化描述产品基本型，将二维表行、列交叉点位置计入公共平台变量，形成基于网格的可视化描述的位置定位，并记录位置的约束条件。通过在定位网上附加图元来描述产品可选的配件或工艺结构特点。

以图元描述可视产品结构视图特征信息举例如下表所示，以表格描述可视产品结构视图的网格定位或特征如图3所示。对于不需要二维坐标定位的产品结构变量，可以利用表结构描述特性。

产品结构视图的特征图元举例：

 

特性名	图元	含义	图元参数1	图元参数2	…	图元参数n
							A	-	直纹	粗度	颜色	…
A	～	罗纹
							B	☆	空心星	大小	颜色

通过网格定位附加图元组合形成产品族中的产品可视化表达视图。位置变量的不同、图元的不同都形成产品族中的一种新的产品实例。产品族的产品族谱就是位置变量和在约束条件下的所有图元取值的不同组合形成的集合，方便支持图谱的查找和遍历。如果形成最大网格有m行n列，则最大网格数为m*n，网格点特性A1的值域有Aln种取值，特性A2的值域有A2n种取值…，产品族衍生的最大产品数为(A1n+A2n+…)^m*n-1。

不同类别的用户可视化使用产品数据，实现产品设计、生成订单、安排制造。

1)设计人员在设计产品时只需定义网格大小和坐标说明，然后通过拖放图元在指定位置并设置图元的参数取值，完成所有图元附加，即完成新的衍生产品设计，辅助表单信息和其他信息实现产品描述；或通过相关产品特性从衍生产品族得到相近产品配置，通过可视化修改快速完成产品设计。

2)客户在定制产品时可通过选择参数，查询唯一产品；或采用与设计人员相同的方法可视化完成产品描述，反向查找(包括模糊查找相关产品)产品生成订单，或形成新产品订单由设计人员新增产品设计。

3)制造人员在制造产品前可查看可视化描述的产品工艺结构；如果将产品数字化信息输入到相关加工设备，经识别后完成相关属性的部件特性的实现。

下面以两类低压电器产品的产品可视化来说明实施方式。

1.组合报警灯：该类产品由多个灯部件组合成一列构成，产品基本型以n*1表格表现。每个位置有一个部件灯，灯的外观形状特性有：罗纹形状[~，—、◇]；颜色[R，G，Y，B]。其两种产品的可视化视图如图4所示，其中左侧产品由4个部件灯构成，右侧产品由三个部件灯组成，具体特性通过图元表现。采用本专利方法非常简便实现可视化定制。

2.万能转换开关

系列凸轮开关是一种科技含量较高、结构紧凑、体积较小、功能变化大、衍生产品多的机械电子产品。该产品在结构上采用一个旋柄(顺时针、逆时针)转动，通过多种定位凸轮和指令触点工作凸轮有机组合达到分度控制接点通断，现有分度凸轮30°、45°、60°、90°，在接线盒中每层可选配二个不同造型的指令触点的工作凸轮，层数也可随需要而增减，最多可达16层。随着分度凸轮的变换、每层指令触点和层数的变化，它可控制数个乃至几百个接点，同时按照开关的定位方式可分成定位式、自复式和定位自负式等。

开关产品由于产品的层数、工位数、角度相差、接点等的特性决定了产品结构和功能不同，在许多标准电器线路中的应用非常灵活，其衍生的产品数几乎是全组合，目前有几千种不同的产品，被称为“万能转换开关”。

采用本专利方法在相应的可视化产品族支持下迅速进行网络定制、产品配置设计和变型设计。

该产品部件接触系统，定位系统限制件，手柄面板和其他装备件等组成，在数字化中表现为组成主要包括接点图部分(表现接触系统和定位限制)，徽板部分和装备选件等三大模块，图5为其结构视图的数据模型。

接点图的公共平台变量包括层数层数(1~16)、工位数(1~360度)、接点类型、基本角度、工位明细、通断明细、接点明细等；可选因子包括字复位设置、双工位设置、预分预合层位、电压电流、停止位、通断设置等。产品设计变量是控制模型生成的关键所在。随着公共平台变量和可选因子的变动，模型图也发生相应得变化。在确定接点和徽板的设计变量的基础上，分别创建接点图模型和徽板部分模型。图6为一款产品对应的一组可视化视图：实物图、接点结构视图以及徽板结构视图。

如图6右部所示为接点图，以层和工位作为横纵坐标形成18*6的二维表格，网格定位点表示通断属性，其中图元[×]表示触点连通，[]表示触点无连通；图元[←]表示复位。图6左下部为徽板图，它以徽板旋钮停留位置为坐标形成3*3的二维表格，以文本内容为图元表现旋钮位。

Claims (5)

1.一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，包括下列步骤：

(1)抽取产品组成及主要部件的相关参数，形成产品结构信息模块；

(2)产品结构信息分为公共平台变量和可选因子变量，通过功能特性配置或结构配置选取变量子集和取值改变来形成产品族中的不同产品；

(3)基于二维表结构描述产品基本型，将二维表行列特征计入公共平台变量，形成基于网格的可视化描述的位置定位，并记录位置的约束条件；通过在定位网格附加图元描述产品可选的工艺结构特点；

(4)通过网格定位附加图元组合形成产品族中的产品可视化表达视图，产品网格位置和约束条件下的所有取值不同的组合形成的集合为产品族的产品全系；

(5)以参数方式、图形化方式支持产品的查找，以在表描述的基本型上附加图元的可视化方式支持产品查找、新产品衍生，从而支持产品设计和定制；

(6)产品数字化信息输入到相关加工设备，经识别后完成相关属性的部件特性的实现。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，其特征在于：所述的产品结构信息模块，包括产品部件及产品部件的装配层次关系，产品和主要部件的特性参数、几何参数、变形规则和结构信息；在可视化时分别转化为表单、几何造型和产品结构，以支持协同定制。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，其特征在于：所述的产品结构信息定义为产品设计变量及其约束条件，并分为两大类，Pv＝{Pcv，Pav}，其中Pcv为公共平台变量，是产品族所有产品共性特征的描述参数；Pav为可选因子变量，产品族中的不同产品可选的描述参数；根据功能配置或结构配置要求，通过选择公共平台变量和可选因子变量形成产品设计信息子集，基于产品族进行推理配置和优化，得到一组符合约束条件的变量及其取值构成的产品信息，并形成可视化产品。

4.根据权利要求1所述的一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，其特征在于：所述的基于二维表结构描述产品基本型，为将二维表行、列交叉点位置计入公共平台变量，形成基于网格的可视化描述的位置定位，并记录位置的约束条件；通过在定位网上附加图元来描述产品可选的配件或工艺结构特点。

5.根据权利要求1所述的一种基于二维表的产品族可视化设计和产品配置的方法，其特征在于：所述的通过网格定位附加图元组合形成产品族中的产品可视化表达视图，为位置变量的不同、图元的不同都形成产品族中的一种新的产品实例，产品族的产品族谱就是位置变量和在约束条件下的所有图元取值的不同组合形成的集合，方便支持图谱的查找和遍历。

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