CN104850711A - 一种机电产品设计标准选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种机电产品设计标准选择方法，用以解决产品设计过程中由于设计参数及参数标准太多且设计参数相互耦合而导致的机电产品设计参数标准选择的复杂化、经验化等问题。该系统首先通过信息技术创建产品数据库和知识库，建立产品性能参数向产品设计参数的映射，基于此建立一个多目标、多变量的数学规划模型，进而选择产品设计参数标准。本发明提供的产品设计标准选择系统降低了产品设计过程中标准选择的复杂性以及对设计人员设计经验的要求，提高了产品设计标准选择的准确性和科学性，满足产品设计标准选择的信息化的需求。

Description

一种机电产品设计标准选择方法

技术领域

本发明涉及一种适用于计算机辅助设计实现特定功能的数据处理方法，具体涉及一种机电产品设计参数标准选择方法。

背景技术

产品设计过程涉及多个国内外技术标准，主要包括国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)所制定的标准以及国际标准化确认并公布的国际组织所制定的标准，此外还包括一些先进工业国家标准，如美国国家标准ANSI、德国工业标准DIN、英国国家标准BS、日本工业标准JIS等。

零件设计参数在多个技术标准并存的情况下，企业制造过程的选标方式主要有以下两个方法：(1)按照订单要求选择技术标准，当存在异议时则选择最高技术标准执行；(2)技术标准要求不明确时，有企业的员工根据内部控制制度自行选择技术标准，造成零件设计参数标准选择的复杂化、经验化。设计人员在标准选择过程中，由于设计参数及参数标准太多且没有统一的标准选择方法而导致选标过程复杂化、经验化，进而提高制造成本。

另一方面，设计人员凭经验选择参数标准时，常常遇到的问题是设计参数及参数标准太多且相互之间耦合，导致主次不分、无法处理，甚至迷失在设计参数标准的选择中。这种情下，产品设计参数标准选择周期长、效率低、通用性差，而且严重影响企业的生产经营和管理效率，已满足不了产品设计的标准化、信息化要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是产品设计过程中设计参数标准太多且没有统一的标准选择方法而导致的选标过程复杂、经验化以及设计参数标准选择周期长效率低、通用性差、不能满足信息化需求的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种机电产品设计标准选择方法，包括以下步骤：

第一步，建立数据库，预先建立产品设计参数标准库，产品性能参数与产品设计参数的

映射库，产品设计参数与标准的映射库；

第二步，建立模型，建立基于价值工程的多目标、多变量的数学规划模型；

第三步，技术权重，计算产品性能参数的权重，计算产品设计参数的权重；

第四步，优选设计参数标准；

第五步，输出设计标准并存储到知识库中；

包括机电产品设计标准选择模型，如下：

max VE＝max{ve₁,ve₂,…,ve_k}

式中：ve-产品价值工程系数；

所述产品价值工程系数由零件性能系数和零件设计成本系数相除获得：

$\mathrm{ve}=\frac{\mathrm{fe}}{\mathrm{ce}}$

式中：ve-产品价值工程系数；fe-零件性能系数；ce-零件设计成本系数；

通过第二步的数学规划模型的迭代运算，计算多个备选方案的产品性能值以及零件设计成本值，零件性能系数表示为：零件设计成本系数表示为

所述的产品性能值计算模型：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\·w_i$

式中：r_ij-归一化处理后的产品性能与产品设计参数相关系数；w_i-产品性能权重；所述的产品成本值计算模型：

$c=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j\·{x_j}^{\′}$

式中：b_j-产品设计参数单位变动引起的成本变动；x_j′-产品设计参数的改进率。

采用上述技术方案时，本发明采用构建数学模型与参数数据库的方法，方便进行计算参数的输入和计算，通过构建信息管理软件，本系统还可以进行数值的提取和调用。本发明提高了产品设计标准选择的准确性和可行性，满足机电产品设计过程中标准选择的信息化需求。运用市场调查技术和分析工具，确定产品需求和设计参数，基于此构建产品设计参数标准库以及产品性能与产品设计参数的映射，同时建立产品设计标准库。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明机电产品设计标准选择方法的系统架构示意图；

图2是本发明机电产品设计标准选择方法的流程图；

图3是本发明机电产品设计标准选择方法的数学规划模型示意图。

具体实施方式

图1是机电产品设计标准选择系统架构示意图。如图所示，该标准选择系统可为一般公司常用的计算机系统，具体包括主机板、记录媒体、输入装置、输出装置、网络接口等硬件，以及包含操作系统、伺服控制、应用程序等软件的服务器。伺服系统可依据公司事业的需要，建立各种数据库。应用程序供被赋予权限者操作，并接受系统管理者的管理。

针对本发明所涉及的产品设计标准选择系统，通过手工采集的方式收集相关数据和信息，如产品性能参数、产品设计参数、设计参数标准等，并将收集到的数据和信息录入软件平台，建立产品性能与产品设计参数的映射、产品设计参数与设计标准的映射。

使用者通过该终端输入装置输入识别码至该系统，以令该系统根据该输入的身份识别码而自该数据库伺服系统中检索出使用者的权限，根据使用者的权限而自数据库伺服系统中调用标准化时效评估的应用软件，并将其显示于终端装置上供使用者输入工时资料至该显示的时效评估界面，应用软件调用存储于伺服系统的计算模块，优选产品设计参数标准并输出。

图2是产品设计标准选择流程图。如图所示，运行客户端的产品设计标准选择软件，选择产品的类型以及零部件，搜索知识库中是否已存在产品设计标准，若存在，则直接输出产品设计标准供设计人员参考；若不存在，则启动标准选择程序，基于本发明中的标准选择方法进行选标，最终输出产品设计标准。

图3是数学规划模型示意图。所述的数学规划模型，本发明统称为标准屋模型。如图所示，标准屋主要包括零件性能指标矩阵、零件性能指标权重、零件设计参数、零件设计参数权重、零件设计参数自相关矩阵、零件性能与设计参数相关矩阵、零件性能竞争性分析七个部分。标准屋工程方法实际上是多目标优化设计的直观形式，故标准屋规划可以在形式上转化为一个多目标优化设计问题，为此，规定以下符号：

P_i—零件第i个性能指标(i＝1,…,m)，m为零件性能指标数目；

D_j—零件第j个设计参数(j＝1,…,)，n为零件设计参数数目；

W,w_i—零件性能指标权重向量和第i个性能参数的相对权重；

V,v_j—零件设计参数权重向量和第j个设计参数的相对权重；

VE,ve—价值工程系数向量，以及标准屋价值工程系数；

F,f—零件性能向量，以及零件性能值；

FE,fe—零件性能指数向量，以及零件性能系数；

C,c—零件成本向量，以及零件的成本值；

CE,ce_t—零件成本系数向量，以及零件成本系数；

H,H_ij—零件设计参数自相关矩阵，以及D_k与D_j的自相关系数；

U,u_ij—零件性能与零件设计参数之间的关联矩阵，以及P_i与D_j之间的关联系数；

U′,u_ij′—改进的零件性能与零件设计参数之间的关联矩阵，以及P_i与D_j之间的关联系数；

R,r_ij—规范化后零件性能与零件设计参数之间的关联矩阵，以及P_i与D_j之间的关联系数；

的当前参数标准的效用值、改进参数标准的效用值、最高标准的效用值、最低标准的效用值；

x_j′—D_j的改进率；

—零件第i个性能指标的最小改进率和最大改进率

b_j—D_j单位变动率引起的成本变动；

B—零件设计成本预算。

所述的标准屋规划问题可表达为：求使标准屋价值工程系数ve最大。约束条件为零件性能改进率区间以及零件设计参数标准的改进成本预算。根据具体工程设计问题，还可以有其他约束。

(1)所述的标准屋的零件性能矩阵为P＝{P₁,P₂,…,P_m}，零件设计参数矩阵D＝{D₁,D₂,…,D_n}，零件设计参数的备选标准S＝{S₁,S₂,…,S_t}，每一个零件设计参数可以选用备选标准中的任意一个标准作为设计标准，理论上零件设计标准的备选方案n^t个，即需要建立n^t个标准屋。因此，有必要建立数学模型并进行迭代运算。

所述的产品设计标准选择的数学规划模型的目标函数如下：

max VE＝max{ve₁,ve₂,…,ve_k}

式中：ve_i-采用第i套设计标准时产品的价值系数。

(2)所述的价值系数由产品性能系数和产品设计成本系数相除可得，

$\mathrm{ve}=\frac{\mathrm{fe}}{\mathrm{ce}}$

式中：fe-产品性能系数；ce-产品成本系数；ve-产品价值系数。

(3)通过标准屋的迭代运算，可计算多个备选方案的零件性能值以及零件设计成本值，标准屋零件性能系数可表示为：

(4)所述的标准屋零件成本系数可表示为

(5)所述的零件设计参数矩阵D＝{D₁,D₂,…,D_n}，零件设计参数的备选标准S＝{S₁,S₂,…,S_t}，构建零件设计参数D与标准S的关系矩阵L_n×t，关系系数l_ij是指标准s对零件设计参数d的效用值。

每个零件设计参数有且只有一个标准与之对应，同一标准看对应多个零件设计参数。构建矩阵L′，矩阵系数定义如下：

由矩阵L′的定义知，每一个L′都是零件设计参数的标准选择备选方案矩阵。为便于矩阵运算，把L′矩阵转化为主对角矩阵Λ_n×n。因此，相对于现行的标准方案，改进后的标准屋零件性能指标与零件设计参数的关系矩阵可表示为：

U′＝U·Λ

零件设计参数之间存在耦合关系，因此建立零件设计参数的自相关矩阵。由于自相关矩阵式对称矩阵，所以p_qj＝p_jq。如果D_j与D_q之间相互独立，则p_qj＝0；如果D_j与D_q之间相互促进，则p_qj＞0；如果D_j与D_q之间相互抑制，则p_qj＜0。D_j与自身的相关度最大，所以p_jj＝1。计算零件性能值时应考虑零件设计参数的相关性对零件性能的影响，因此，标准屋的零件性能值表达式可表示为：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{iq}}^{\′}\·h_{\mathrm{qj}})\right]w_i$

(6)为减少由标准屋中的计算而引起的偏差，将式(5)中的系数进行归一化处理，得：

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|u_{\mathrm{iq}}^{\′}\·h_{\mathrm{jq}}|}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|u_{\mathrm{iq}}^{\′}\·H_{\mathrm{jq}}|}=\frac{\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|u_{\mathrm{iq}}^{\′}\·h_{\mathrm{jq}}|}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|u_{\mathrm{iq}}^{\′}\·H_{\mathrm{qj}}|}=\frac{\left|{\left(U^{\′}H\right)}_{\mathrm{ij}}\right|}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|{\left(U^{\′}H\right)}_{\mathrm{ij}}\right|}$

(7)对系数进行归一化处理后的标准屋性能值表达式：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\·w_i$

(8)零件设计参数标准的变动是在一定的资金约束下完成的。如果不考虑零件设计参数之间的相互影响，则改进的标准屋所对应的零件设计变动成本值为：

$c=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j\·{x_j}^{\′}$

其中， ${x_j}^{\′}=\frac{x_j-x_j^0}{x_j^0};$

(9)零件设计参数之间存在相关性，所以D_j的变动程度x_j′包括两部分：一部分是其他相关设计参数标准的变动引起的D_j变动，大小为另一部分是由于变动D_j所引起的，大小为因此，由于单纯D_j变动而引发的成本变动，可以通过修正获得：

$({x_j}^{\′}-\underset{\underset{q\≠j}{q=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{jq}}\·{x_j}^{\′})b_j.$

综上所述，所述的零件设计变动成本表达式：

$c=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({x_j}^{\′}-\underset{\underset{q\≠j}{q=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{jq}}\·{x_j}^{\′})b_j$

(10)开发过程中零件设计参数标准变动成本约束：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_j-\underset{\underset{w\≠j}{w=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{wj}}\·x_j)b_j\≤B$

(11)零件性能指标的改进率是综合工程特性的物理极限，以及与竞争者产品进行技术基准评价确定。零件的零件性能指标改进约束：

$g_i^{\min }\≤\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\·v_j-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}^0\·v_j}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}^0\·v_j}\≤g_i^{\max }(i=\mathrm{1,2},...,m)$

为叙述方便，本发明以液体动压滑动轴承设计的标准选择为例，阐述标准选择的原理与方法。在零件设计标准屋中，确定4个零件性能指标：润滑剂流量P₁；承载能力P₂；摩擦功耗P₃；温升P₄。根据零件性能指标，确定8个零件设计参数：轴承直径D₁；轴承宽度D₂；半径间隙D₃；平均压力D₄；极限速度D₅；润滑油粘度D₆；润滑油温度D₇；供油压力D₈。在此基础上，选取6个零件设计标准：国标s₁；欧洲标准s₂；德国标准s₃；英国标准s₄；日本工业标准s₅；美国标准s₆。

根据市场竞争情况，确定以主要竞争对手的产品为比较标准，进行技术基准评价，确定零件性能指标最小改进率和最大改进率零件设计参数单位变动程度x_j′的成本b_j取值由设计人员根据试验和经验确定。

根据以上液体滑动轴承的性能指标、设计参数、设计参数标准及有关信息建立了标准屋的有关部分，主要包括：零件性能和零件设计参数的相关关系矩阵、零件设计参数的自相关矩阵、零件设计参数和标准的相关矩阵。为便于对零件设计参数自相关矩阵进行描述，本文对标注屋中的三角形屋顶结构进行了改进，使其对相关矩阵的描述更加清晰方便。

通过层次分析法的相对权重比率度及一致性检验法则，设计人员确定零件性能指标相对重要性判断矩阵并进行一致性检验，可得零件性能指标重要性权值矢量。

性能指标	P1	P2	P3	P4	W
						P1	1	1/7	1/3	1/5	0.055
P2	1	1	5	3	0.564
						P3	1/3	1/5	1	1/3	0.118
P4	5	1/3	3	1	0.263

其中，λ_max＝4.117，CI＝0.039，RI＝0.90，CR＝0.043＜0.10。所以，零件性能指标的权重W＝(0.055,0.564,0.118,0.263)。

通过标准屋这一工具，把4个零件性能指标映射到8个零件设计参数指标。依照同样的方法，可得零件设计参数的重要性权值矢量：

V＝(0.078,0.232,0.059,0.131,0.153,0.153,0.194,0.194)。

以0-1-9数值序列表示零件性能指标与零件设计参数间不相关、若相关和强相关，得到关系矩阵U；轴承设计的结构参数有些存在耦合关系，如粘度与温度的关系，以-3-0-1-9数值序列表示工程特性之间的负相关、不相关、正相关和自相关，规范化后得自相关矩阵H，如下所示：

$U=\left[\begin{array}{cccccccc}4& 1& 3& 3& 6& 1& 6& 6\\ 7& 7& 2& 1& 4& -& -& -\\ 5& 5& -& 7& 3& 2& 1& -\\ 2& 2& 1& 4& 6& 2& 4& -\end{array}\right];H=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0.7& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0.7& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

构建零件设计参数D与标准S的关系矩阵L_n×t，关系系数l_ij是指标值s对零件设计参数d的效用值，为扩大不同标准对零件效用值的影响程度，采用1～9的比例标度评比效用值。所述的零件设计参数与标准之间的关系矩阵为：

$L=\left[\begin{array}{cccccc}6& 4& 3& 9& 3& 6\\ 7& 6& 3& 4& 8& 2\\ 4& 7& 8& 6& 1& 3\\ 5& 3& 4& 7& 5& 6\\ 8& 7& 4& 6& 2& 9\\ 7& 2& 1& 8& 7& 3\\ 4& 5& 7& 2& 5& 7\\ 7& 4& 2& 5& 3& 7\end{array}\right]$

所述的零件性能指标改进的最大幅度和最小幅度：

$\left[\begin{array}{ccc}& g^{\min }& g^{\max }\\ P_1& 0& 0\\ P_2& 0.1& 0.4\\ P_3& 0.2& 0.2\\ P_4& 0& 0\end{array}\right]$

所述的液体动压滑动轴承改进的预算为30万元，零件设计参数D_j单位变动率引起的成本变动b_j分别为(2,1,4,3,2,1,3)。

启动标准选择程序，可得液体滑动轴承设计参数与设计标准的映射关系：D₁轴承直径-s₁国标，D₂轴承宽度-s₃德国标准，D₃半径间隙-s₃德国标准，D₄平均压力-s₃德国标准，D₅极限速度-s₄英国标准，D₆软化油粘度-s₃德国标准，D₇润滑油温度-s₂日本工业标准，D₈供油压力-s₂日本工业标准。

如上所述，藉由本发明的产品设计标准选择方法及管理系统，即可自动且准确的优选出适合产品设计开发的技术参数标准。

选标是一个多目标、多变量决策过程，需要权衡多项要素，因此有必要建立数学规划模型，以帮助设计开发人员优化选标。

通过层次分析法的相对权重比率度及一致性检验法则，设计人员确定零件性能指标相对重要性判断矩阵并进行一致性检验，可得产品性能参数以及产品设计参数的重要性权值矢量。

在充分考虑零件设计参数的相关性对零件性能和开发成本影响的基础上，以零件价值系数为目标值，使零件具有较强的竞争优势建立一个多目标、多变量的数学规划模型，输出的是使得标准屋价值系数达到最大值的各项零件设计参数的标准，以帮助设计开发人员优化选标。

输出标准化是标准选择过程中的标准选择结果、零件设计参数、参数标准等内容形成设计文件储存到企业管理信息系统中，并进行相应的管理与更新，为设计人员进行零件设计提供参考。

虽然已经示出和描述了本发明的一些实施案例，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种机电产品设计标准选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，建立数据库，预先建立产品设计参数标准库，产品性能参数与产品设计参数的映射库，产品设计参数与标准的映射库；

第二步，建立模型，建立基于价值工程的多目标、多变量的数学规划模型；

第三步，技术权重，计算产品性能参数的权重，计算产品设计参数的权重；

第四步，优选设计参数标准；

第五步，输出设计标准并存储到知识库中；

包括机电产品设计标准选择模型，如下：

max VE＝max{ve₁,ve₂,…,ve_k}

式中：ve-产品价值工程系数；

所述产品价值工程系数由零件性能系数和零件设计成本系数相除获得：

$\mathrm{ve}=\frac{\mathrm{fe}}{\mathrm{ce}}$

式中：ve-产品价值工程系数；fe-零件性能系数；ce-零件设计成本系数；

通过第二步的数学规划模型的迭代运算，计算多个备选方案的产品性能值以及零件设计成本值，零件性能系数表示为：零件设计成本系数表示为

所述的产品性能值计算模型：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\·w_i$

式中：r_ij-归一化处理后的产品性能与产品设计参数相关系数；w_i-产品性能权重；

所述的产品成本值计算模型：

$c=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j\·{x_j}^{\′}$

式中：b_j-产品设计参数单位变动引起的成本变动；x_j′-产品设计参数的改进率。