基于FPBS的工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型的建立

陳科恒

（廣西大學(xué)，廣西 南寧 530000）

基于FPBS的工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型的建立

陳科恒

（廣西大學(xué)，廣西 南寧 530000）

產(chǎn)品配置和集成管理是復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)管理的核心技術(shù)，以液壓挖掘機(jī)為范例，首先研究了從利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的管理角度出發(fā)，如何基于功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)（FPBS，F(xiàn)unction-Principle-Behavior-Structure）構(gòu)建工程機(jī)械產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置標(biāo)準(zhǔn)化模型；分析了工程機(jī)械實(shí)際生產(chǎn)過程中需要構(gòu)造的部件焊接配置模型和產(chǎn)品裝配配置模型與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型的關(guān)系；提出了工程機(jī)械產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型建模過程圖。通過科學(xué)的產(chǎn)品配置和集成管理的有效手段能夠提高企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)水平以及實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品銷售、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過程的全線支持和提供整體解決方案。

產(chǎn)品配置管理；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型；工程機(jī)械

1 功能、原理、行為及結(jié)構(gòu)的關(guān)系

產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)最終是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。功能是產(chǎn)品（或模塊）所具有的能滿足用戶需要的特性，或者說是產(chǎn)品（或模塊）所具有的效能、用途和使用價(jià)值，功能是產(chǎn)品所具有的重要屬性。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是基于總體功能特征展開的，功能特征貫穿于設(shè)計(jì)過程的始終。任何產(chǎn)品的總體功能均是由一些子功能組合而成的。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)從抽象到具體、逐步細(xì)化、反復(fù)迭代的過程，從產(chǎn)品的市場需求分析開始，經(jīng)過功能定義、原理求解、性能參數(shù)設(shè)定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)，最終得到滿足客戶需求的產(chǎn)品?；诠δ?原理-行為-結(jié)構(gòu)（FPBS,Function-Principle-Behavior-Structure）[1]的層次迭代，既能實(shí)現(xiàn)自頂向下的多層次創(chuàng)新設(shè)計(jì)，又能實(shí)現(xiàn)自底向上的結(jié)構(gòu)綜合，是建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能模型[2]，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)求解的重要方法。

功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖1所示，從關(guān)系圖可以看到，產(chǎn)品自頂向下的設(shè)計(jì)求解過程是按照功能→原理→行為→功能的映射方法，進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代的過程。由產(chǎn)品配置模型生成的理論可知，功能和行為不可能完全獨(dú)立于結(jié)構(gòu)而存在，功能域、行為域、結(jié)構(gòu)域和特征表達(dá)域之間是相互對應(yīng)、又相互可逆的關(guān)系。產(chǎn)品族的一個(gè)功能或功能元是由相應(yīng)的零部件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，功能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是兩個(gè)集合的映射關(guān)系。

只要改變解法原理和功能載體就可有一系列的變型產(chǎn)品出現(xiàn)。從產(chǎn)品的功能分析過程可知，對于同一類產(chǎn)品來說，變型產(chǎn)品的產(chǎn)生只是改變解法原理和功能載體，其產(chǎn)品的總功能是不變的，分功能也是不變的。這就保證了基于功能-結(jié)構(gòu)映射關(guān)系建立的模型是穩(wěn)定。

圖1 功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

2 基于FPBS的工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型的建立

2.1 工程機(jī)械產(chǎn)品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型

下面具體就一臺(tái)基準(zhǔn)型的挖掘機(jī)進(jìn)行基于FPBS的液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型建立

（1）對整機(jī)功能分析

在工程機(jī)械產(chǎn)品中,一系列產(chǎn)品往往包括了不同噸位或不同配置的多種變型機(jī)，但它們都為了實(shí)現(xiàn)相同的挖掘功能。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均包括了相同的功能系統(tǒng)，均包括了動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)，等等。

表1 工程機(jī)械功能分析過程

從表1中的工程機(jī)械功能分析過程可知，對于同一類挖掘機(jī)產(chǎn)品來說，變型產(chǎn)品的產(chǎn)生只是改變解法原理和功能載體，其產(chǎn)品的總功能是不變的，分功能也是不變的。圖2為對挖掘機(jī)的整體功能分析。

圖2 挖掘機(jī)的整體功能分析

（2）采用基于FPBS的映射建模方法對整機(jī)結(jié)構(gòu)逐層分解

根據(jù)圖3中功能分解關(guān)系建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型的第一層分節(jié)點(diǎn)。然后繼續(xù)采用基于FPBS的映射建模方法對整機(jī)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐層分解，直分解到了功能的最小功能元-零件，即不能再分，將各層節(jié)點(diǎn)匯成以下結(jié)構(gòu)樹模型。下圖為基于FPBS的液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)總成的一部分基準(zhǔn)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)模型。

圖3 基于FPBS的液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)總成一部分基準(zhǔn)產(chǎn)品配置結(jié)構(gòu)模型

2.2 工程機(jī)械產(chǎn)品的部件焊接配置模型和產(chǎn)品裝配配置模型

以上示列，是從設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解建立了基于FBPS的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型。在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)件通常包括大型焊接件的設(shè)計(jì)，如挖掘機(jī)包括了四大焊接件：車架組件、平臺(tái)組件、動(dòng)臂組件、推土鏟組件。此類部件功能復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于機(jī)器的關(guān)鍵部件，由100～200多個(gè)零件焊接組成。在具體工程機(jī)械生產(chǎn)過程中，還會(huì)產(chǎn)生部件焊接配置模型以及產(chǎn)品裝配配置模型，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，工程機(jī)械產(chǎn)品的配置模型包括了三大配置模型：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型，部件焊接配置模型，產(chǎn)品裝配配置模型。其中，后兩者的產(chǎn)生基于前者，他們之間的關(guān)系如圖4表示。

由圖4可知，生產(chǎn)過程中使用的部件焊接配置模型和產(chǎn)品裝配配置模型的產(chǎn)生基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)，由于三個(gè)模型的工作的角度的不同，決定了其模型的配置的角度不一樣，所產(chǎn)生的層次關(guān)系模型的不同。它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)化。

圖4 工程機(jī)械產(chǎn)品的三大配置模型

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型

從設(shè)計(jì)的角度對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析后進(jìn)行的模塊劃分，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。是產(chǎn)品開發(fā)過程管理的PDM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)構(gòu)成模型。

（2）部件焊接配置模型

從制造的角度進(jìn)行工藝分析后的模塊劃分，是實(shí)現(xiàn)焊接部件配置焊接生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

（3）產(chǎn)品裝配配置模型

從裝配的角度進(jìn)行裝配工藝分析后的模塊劃分，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置裝配的基礎(chǔ)。是生產(chǎn)制造階段管理的ERP的產(chǎn)品數(shù)據(jù)構(gòu)成模型。設(shè)計(jì)更改產(chǎn)生的不同零部件的版本的配置問題，涉及到倉庫的庫存，而庫存屬于ERP的管理范疇，因此關(guān)于零部件的版本配置規(guī)則和有效性配置規(guī)則是在ERP中產(chǎn)品裝配配置模型中運(yùn)用實(shí)現(xiàn)的。

三個(gè)模型之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，將大幅度提高焊接工藝、裝配工藝的設(shè)計(jì)周期。建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型，應(yīng)當(dāng)充分考慮的部件焊接模型與產(chǎn)品配置配置模型的建模要求。

3 工程機(jī)械產(chǎn)品的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型的建立過程

工程機(jī)械產(chǎn)品具有系列化的特性。比如，根據(jù)機(jī)器的重量的不同挖掘機(jī)分為5噸機(jī)系列、6噸機(jī)系列和8噸機(jī)系列，工程機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)特征為多品種小批量生產(chǎn)。在工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)中，變型設(shè)計(jì)占較大的比例，在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上做變型設(shè)計(jì)，形成滿足不同層次用戶需求的、具有不同功能的系列化產(chǎn)品。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相同相似性是工程機(jī)械設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)，為了縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，就要對市場需求做出快速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)定制與低耗的統(tǒng)一，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)就不能只針對某一具體的產(chǎn)品，而必須面對某一類產(chǎn)品。工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置模型應(yīng)該基于產(chǎn)品族進(jìn)行建立。模型建立同時(shí)需要從產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)，工藝、采購、生產(chǎn)、裝配、銷售、售后服務(wù)的工作角度出發(fā)綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊劃分、系列產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)企業(yè)從產(chǎn)品銷售、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過程的全線支持和提供整體解決方案的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置管理。

圖5 產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型建模過程

綜上所述，基于工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及系列化的特性，把工程機(jī)械產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)配置模型建模過程歸納如圖5所示。

4 結(jié)束語

目前大多數(shù)企業(yè)PDM系統(tǒng)應(yīng)用的層次僅局限于較好地實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品資料的有序管理，企業(yè)應(yīng)當(dāng)深入通過產(chǎn)品配置和集成管理的有效手段來提高企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)水平，進(jìn)而將產(chǎn)品配置信息從通常的設(shè)計(jì)生產(chǎn)支持層面提高到管理支持決策的思想，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品銷售、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過程的全線支持和提供整體解決方案。

[1]李國喜，吳建忠，張 萌，等.基于功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法[M].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（5）：20-25.

[2]Stone R B，Wood K L，Crawford R H.A Heuristic Method for Identifying for Product Architectures[J].Design Studies，2000，21(1):5-31.

[3]賀東梅.批量定制生產(chǎn)方式下工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置技術(shù)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

Research and Practice on ProductConfiguration Mooe ofMachinery Product Based on Fpbs

CHEN Ke-heng
（GuangxiUniversity，Nanning 530000，China）

Product configuration and integrationmanagement is the key technology of complex product design data and process data management,This article take the hydraulic excavator as an example to study how to-Behavior-Structure on the basisof the Principle of Function-(FPBS,Function-Principle-behaviors-Structure)modelof the standardization of construction engineeringmachinery product family Structure configuration from managementpointof view of productdesign,.Also analyzed the relationship between product structure configurationmodeland the construct welding configurationmodel and productassembly configurationmodel in the process of actual engineeringmachinery production,the modeling process of product family configuration structure model is put forward.Through scientific product configuration and integration management effective means to improve the level of enterprise product developmentand the overall solution from productsales,design to production process.

productdatamanagement；productconfigurationmode；engineeringmachinery

F273.2

B

1672-545X（2014）04-0195-03

2014-01-03

陳科恒（1975—），女，廣西北流人，工程師，工程碩士學(xué)位,研究方向：制造業(yè)信息化與標(biāo)準(zhǔn)化。