夏伟

夏伟

摘 要：本文针对柔性模块族设计、拓展及优化等问题，分析了柔性模块化的设计特点及事物特性表的原理功能，提出了基于事物特性表的柔性模块建模步骤与方法：功能模块分析、拓扑结构分析、模块配置分析和模块参数分析。最后，以单柱C型液压机机身柔性模块建模分析为例，验证了该方法的有效性和可行性，为快速变型设计提供了支撑。

关键词：柔性模块族;事物特性表;变型设计

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）17-0054-04

Abstract： In order to solve the problem of design extension and optimization of flexible module family in complex product design， this paper analyzed the design features of flexible modularity and the function of transaction characteristic table. The modeling steps and methods of flexible modules based on the transaction characteristic table are proposed： functional module analysis， topological structure analysis， module configuration analysis and module parameter analysis. Finally， the validity and feasibility of the method are verified by the example of flexible module modeling and analysis of single-column C-type hydraulic press frame， which provides support for rapid variant design.

Keywords： flexible module family;transaction characteristic table;variant design

大批量定制以大批量生產来面向市场的多样性需求。产品族设计是一种实现大规模定制生产的重要方式[1]，能够通过添加、删除不同模块等实现多种用户需求，具有相对稳定的结构，能够被一系列产品重用、共享，在一定程度上能够大幅度提高生产线的设备利用率和自动化程度，具有通用化、模块化和标准化的特性。

作为产品族设计实现的基础——产品模块化识别划分、配置等，国内外已有众多学者进行了研究。Suh[2]提出了功能独立性公理，为模块划分提供了理论支持。Stone[3]采用定性方法，从功能角度出发，提出了模块划分的三大启发式规则：主流原则、支流原则和转换/传输原则。Gu[4]等人从产品全生命周期的各个阶段考虑，如制造阶段和装配阶段等，对产品进行模块划分。刘洋[5]研究了复杂产品多维规划下的模块化设计，提出了多维规划下融合服务的复杂产品模块化设计方法、实施过程、技术体系框架和关键技术。

虽然上述专家学者对产品模块化设计具有了相当深入的研究，但在越来越复杂的产品设计，如液压机设计中，传统模块化设计方法略显不足，因此，相关学者对此进行了研究。徐燕申[6]等人提出了“广义模块化”的概念，是传统模块化设计的拓展。侯亮[7]等人基于相似特征构建了模块化产品族中进行柔性模块化的柔性模块矩阵和产品矩阵，实现了产品族的广义模块化。刘玉民[8]等人提出了以虚拟柔性模块为基础构建整体框架式液压机广义模块化产品族的策略，为快速设计该类产品提供了理论和技术支持。

以上研究主要集中在柔性模块创建、柔性模块优化以及基于柔性模块的产品族构建等相关技术上，对于基型柔性模块扩展，进而形成柔性模块族，则缺乏相应研究。本文在前述专家学者对广义模块化和柔性模块化研究的基础上，提出基于事物特性表的液压机柔性模块族建模方法。实例验证分析表明，该方法能有效面向大批量定制产品，帮助企业提高生产效率，降低生产成本，快速响应市场需求。

1 柔性模块化相关概念

1.1 柔性模块化概念

在传统产品设计中，产品模块具有独立的结构和功能，模块之间尺寸和接口都是确定的或成系列化的，而在柔性模块中，模块结构和接口都是参数化的[9]，具体表现为功能、几何结构约束和工程约束的函数，信息表达如式（1）所示：

（1）

其中，为柔性模块结构参数;[pr]为影响模块设计的载荷、应力和应变等参数;[hs]为材料特性等参数。

结构参数是]和等物理参数的函数：

（2）

当产品为整体结构，子模块很难划分时，为了在CAD平台上设计方便，可以按各部分的子功能划分为子模块。这种具有独立子功能，在结构上不可分离的子模块，称为虚拟柔性模块。图1为各类产品的模块隶属情况。

1.2 柔性模块化的设计特点

传统模块化设计中的模块具有系列化、通用化和标准化的特点，而柔性模块除了具有传统模块的设计特点外，还具有以下特点。

①柔性模块具有结构上的柔性，包含拓扑柔性和参数柔性，接口是一组具有柔性的接口。

②虚拟柔性模块实为功能构件，是在实际中不存在的独立的实体结构。借助于CAD平台，可把虚拟柔性模块表达成一个个三维结构单元，建立相应的结构单元库，以便于企业快速响应市场。

③柔性模块具有结构参数的可变性，不同于传统模块的系列性。随着市场的发展，客户可能提出一些个性化需求，传统模块不能很好地满足客户的需求。而柔性模块的参数化结构，可以随着客户的需求定制尺寸，以便快速响应客户，拓宽了市场覆盖面。

2 基于事物特性表的柔性模块建模概述

2.1 事物特性表原理

事物特性表指表征产品（包括部件、零件）的功能、几何、制造等事物特性，并以固定格式表的形式反映出来的信息集合。事物特性表定义了从对象组中表征和区分某个对象的决定性特性，规定了特性数据的表示格式，使产品特性数据能够方便地在不同系统之间交换。

事物特性表技术于20世纪70年代初产生于德国。德国利用事物特性表技术建立国家级的信息流标准，并于1985年开始组织制定该技术系列标准。我国等效采用德国DIN标准，制定了事物特性表的国家标准《事物特性表定义和原理》（GB/T 10091.1—1995）及系列标准GB/10091.X[10]。在《事物特性表定义和原理》（GB/T 10091.1—1995）中明确规定了事物特性表的格式，如表1所示。

可见，事物特性表由表行和表列构成。表1中第三行A～J分别代表事物的9个特性（不用字母I），第四行给出了事物特性的名称。表中的每一个表行代表一个具体的形状特征或零部件;表列是构建事物特性表的对象，存放着单位和表列的取值范围等，表列宽度也在此被确定。

在产品的不同层次上，事物特性表描述不同的内容。在零件层次上，该表描述零件的几何特性;在装配层次上，该表描述哪些对象参与装配以及各对象的基准定位点。使用事物特性表具有以下几项功能：①在CAD中，通过查询、识别、比较和选择各种零部件和组件的特性信息，帮助开发和设计（包括方案的设计、计算及制图）;②在计算机辅助计划（CAP）中，通过查询、识别、比较和选择各种原材料等特性信息，进行生产准备和检验准备，如编制生产、装配、检验计划及数控程序等;③在计算机辅助制造（CAM）中，帮助了解仓库、生产、装配和检验场地中的各种物品情况，进行车间控制和监视，掌握生产进度及产量、质量等情况;④在计算机辅助图书、情报、技术档案、标准等管理中，进行检索、查询、统计和处理。

2.2 基于事务特性表的柔性模块建模步骤

本文利用事物特性表技术对产品的柔性模块进行功能结构建模，以便柔性模块拓展，形成柔性模块族。柔性模块事物特性表的建立步骤和方法如下。

2.2.1 功能模块分析。通过对模块的功能进行分析，可以使设计人员清楚了解与功能相对应的模块结构，进而为事物特性表中特性确定做准备，避免了设计人员的盲目性。

2.2.2 模块拓扑结构分析。确定好产品各个模块对应的功能后，需要对模块的拓扑结构进行分析，以便减少模块的种类和数量，达到减少生产成本和提高产品质量的目的。企业在产品设计开发中，为了实现产品的某一功能，通常会构造多个模块结构形式，而这些模块结构形式有很多是相似的。对模块拓扑结构进行分析，即以模块实现功能和约束为基础，采用一系列相似模块的典型结构，并完成相应功能要求，为后期建立模块几何模型作铺垫。

2.2.3 模块配置分析。某个模块可能由单个零件构成，也可能由两个或多个零件构成。模块和构成零部件事物特性表之间主要有两种约束。①欠约束。模块层事物特性约束零部件事物特性，但是通过这些受约束的事物特性并不能确定唯一一个零部件，而确定的是一个零部件的实例集合。此种情况下需要人工进行交互参与，做出选择，从而判断某一个零部件实例。②完备约束。模块层事物特性约束零部件事物特性，通过这些受约束的事物特性能确定唯一一个零部件的实例。若模块层次的所有约束都为完全约束，则在模块层次可以自动实现自顶向下设计，无需用户交互参与。

2.2.4 模块参数分析。对模块参数进行分析，实际是为了减少模块的参数，使参数尽量精简和统一。模块的参数有多种类型，包含多种约束，大致有以下3种。

①独立特性。这类事物特性只是给出了取值范围，不受其他事物特性的约束。在模块派生新实例时，该类特性值需要用户进行输入。

②函数特性。此类特性的取值完全依赖于其他事物特性，并通过函数关系式来表达，在模块派生新实例时，由系统直接根据函数式计算得出。

③条件特性。此类模块特性的取值范围受其他事物特性和派生特性的约束，只有在其他事物特性和派生特性赋值的情况下才能确定取值范围。在模块派生新实例时，该类特性值需要用户手动输入。

2.2.5 创建事物特性表。模块对应的各个主参数可以使用各特性對应的代码来标志。在建立事物特性表时，应遵循以下几点原则。①表中的事物特性应能全面而清楚地描述模块特性。②模块特性参数应尽量精简，只须将变型设计所需的可变参数列入即可。③若模块由单个零件组成，则事物特性选择侧重于几何尺寸、精度及材料等信息;而如果模块由多个零部件组成，则事物特性选择侧重于装配尺寸和配合精度等信息。

3 实例分析

本文以C型液压机机身模块为实例，利用事物特性表对上述柔性模块族建立方法进行验证，使用的CAD平台为SolidWorks软件。

3.1 C型液压机机身模块功能分析

根据上述给出的柔性模块的事物特性表的构建步骤，首先对C型液压机机身模块进行功能分析。对于C型液压机机身模块，主要具有支撑工作台、支撑工件、承受油缸的反作用力和包含油液等功能，在C型液压机中起到核心模块的作用。其中，机身主缸下支板支撑油缸，保证压装或校正工艺正常进行;工作台支撑附加工作台或辅具，以便辅具能够很好地夹持工件;右侧板、左侧板等承受滑块执行工艺动作时具有反作用力，并与机身底板等零件组成封闭环境，密封油液;机身放油座和放油堵实现油液释放和保持油液清洁。对机身模型进行功能建模如图2所示。

3.2 模块拓扑结构分析

利用小型金属薄板零件拉伸、成形、压印等工艺;轴套类零件的校正、压装工艺以及非金属材料、塑料及粉末制品压制等实现相关功能。采用C型液压机机身模块，呈现出单柱的C型形状，适用于中小型吨位，结构较简单。机身结构基本采用板材焊接而成，方便辅具更换。

3.3 模块参数分析

模块由单个零件组成，参数主要考虑零件的几何尺寸、精度和材料信息。若模块是一装配体，则参数主要考虑其装配尺寸和各个零件间的配合信息。该机身模块由17个零件装配而成，参数主要考虑各零件间的配合关系。通过与市场客户进行交流和调研，得出C型机身模块的主要参数为公称力、C型开口高度、喉深、滑块行程、机身总长、机身总宽、机身总高以及工作台距地面距离。其中，公称力由工件直径等参数计算确定，不受其他特性影响，属于独立特性，一般按照优先数系进行特性值派生，如按照R5系列，则公称力可以为63、100、160和250KN等。开口高度根据工件的尺寸（如在压装时，工件越长，则开口高度越大）来确定，不受其他特性影响，属于独立特性。喉深由辅具大小决定，也属于独立特性。而滑块行程则受到开口高度限制，其值不能大于开口高度，属于条件特性。工作台距地面高度，由操作工身高来设置，根据操作工的高矮决定该特性值大小，不受其他特性值影响，属于独立特性。

3.4 建立C型机身模块事物特性表

经过以上4步对机身模块功能、结构和参数分析，建立C型机身模块的事物特性表。图3为机身主缸下支板的事物特性表。每个零件的事物特性表代表一个零件族。基于所建立的零件族，可以建立机身模块的事物特性表，形成机身柔性模块族。图4为机身模块事物特性表，该表表明了机身模块和其组成零件的約束关系，为产品自顶向下（Top-down）设计以及模块重构做了很好铺垫。

4 结语

本文在研究柔性模块和事物特性表基础原理基础上，提出了基于事物特性表的柔性模块建模步骤和方法，并以单柱C型液压机为例，对机身柔性模块进行了基于事物特性表的建模，为后续液压机柔性模块族构建和快速变型设计提供了支撑，使企业快速、高效地设计开发出面向客户个性化需求的产品。后续将基于构建的事物特性表模型进行产品变型设计研究。

参考文献：

[1]王爱民，肖田元，赵银燕，等.面向产品族模块化设计和制造的工艺聚类分析方法[J].清华大学学报（自然科学版），2004（10）：1394-1397.

[2] Suh N P. The Principle of Design[M]. Oxford： Oxford University Press，1990.

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

[4] Gu P， Sosale S. Product Modularization for Life Cycle Engineering： the Basis for Product and Factory Reengineering[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，1999（5）：387-401.

[5]刘洋.多维规划下复杂产品模块化设计技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[6]徐燕申，侯亮，张连洪，等.液压机广义模块化设计原理及其应用[J].机械科学与技术，2001（7）：1-3.

[7]侯亮，徐燕申，唐任仲，等.面向广义模块化设计的产品族规划方法研究[J].中国机械工程，2003（7）：596-599.

[8]刘玉民，吕国盛，钟伟弘.整体框架式液压机广义模块化产品族建模技术的研究[J].制造技术与机床，2005（12）：479-482.

[9]钟伟弘，徐燕申.基于CBR的整体框架式液压机广义模块化产品族建模[J].锻压技术，2005（1）：86-91.

[10]国家技术监督局.事物特性表定义和原理：GB/T 10091.1—1995[S].北京：中国标准出版社，1995.