内燃机产品结构与配置管理技术研究

时间：2024-08-31

张艳岗,李伟环

（1.中北大学机电工程学院车辆与动力工程系，太原030051；2.北方自动控制技术研究所，太原030006）

1 前言

随着市场竞争的加剧和用户需求的快速变化，产品制造企业，特别是内燃机行业，对产品结构定义和配置管理提出了更高的要求，使得产品设计资料的成套性难以把握，而且不易直观准确地获取所需的产品结构，并对其进行有效的配置。而采用基于PDM构架的产品结构和配置管理技术，可有效解决这一技术难题。作为产品数据组织与管理的一种形式，产品结构与配置管理以电子保险箱为低层支持，以材料清单为组织核心，可以把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，实现对产品数据的有效组织、管理与控制[1]。

目前，在我国内燃机行业，产品数据管理技术的研究主要局限于大学、研究院所和少数大型企业，相当一部分中小企业的设计手段和加工技术还普遍较为落后。企业应用的计算机辅助工具和信息系统都是局部的、面向企业某个部门的应用系统，企业不同部门之间的信息共享程度低、文档管理方式落后、设计方式陈旧[2]。很多内燃机企业已开始采用PDM系统，但由于PDM软件的系统性、集成性和实用性方面与国外存在较大差距，所以未能在内燃机行业中广泛应用。因此，本文从内燃机产品设计需求出发，研究产品结构与配置管理的原理、方法和实现技术，以期提升PDM系统的实用性，为解决内燃机企业在对产品设计开发进行信息化管理时存在的问题提供支持。

2 产品结构与配置管理现状

PDM技术的发展经历了由最初的文档管理到流程管理、安全管理，再到产品结构与配置管理的过程[3]。目前，对产品配置的研究主要集中在配置知识的表示、建模和配置问题的求解三个方面[4]：（1）在配置知识的表示上，有基于规则、约束、资源、算法等方法；（2）在产品配置的建模方面，主要有面向对象的配置模型、基于 GBOM(Generic Bill-Of-Materials)的产品配置模型等；（3）在配置问题的求解方面，则有约束满足的方法、基于实例的方法、资源平衡的方法等。

内燃机是一个非常复杂的机电产品系统，它包含许多机构和系统。这些机构和系统的构造和组成，又随着发动机的用途、性能、型号的不同而千差万别。但就其总体结构而言，都是由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、燃油系统、冷却系统、润滑系统、起动系统和有害排放物控制装置等组成。每个系统、机构又包含很多零部件。如果是汽油机，还包括点火系统。若为增压发动机，则还应有增压系统。这些系统之间既相互独立，又相互联系。随着内燃机产品的设计方法和手段日益现代化，利用CAD、CAE、CAPP等现代设计方法产生的各种数据更加繁冗复杂。

结合内燃机产品的特点及目前产品结构与配置管理的研究现状，本文基于内燃机产品结构模型，通过建立相应的零部件库、配置规则实现了产品结构与配置管理。

3 产品结构管理

产品结构管理是产品配置管理的前提，是PDM系统实现产品结构化配置管理的框架，通过该框架生成、命名、管理一对一、一对多的产品结构关系，以及控制基于关系对象的产品数据和过程[5]。产品结构管理，主要是对产品的概念设计方案、功能组成模块、具体结构及材料清单（BOM）进行管理，实现计算机辅助设计及生产管理系统的接口，为PDM的产品配置和过程管理提供结构数据和相应的支持文档。

产品结构，可以分为完整产品结构和具体产品结构。完整产品结构，包括一个产品的所有可能的零部件，其中包括这些零部件的不同版本。具体产品结构，包括构成一个具体产品的所有零部件。利用事先建立的完整产品结构，按照满足用户所需功能的要求，设计或选择零部件，把这些零部件按照它们的功能、某种组合规则和某种条件进行编组，形成一个具体产品，称为产品结构配置。产品结构模型反映了产品的零部件关系及版本关系。系统通过文档对零部件进行详细的描述，零部件的版本与文档的版本相互对应，因此，产品结构管理与产品配置紧密相关。本文结合内燃机产品的数据特点，按照功能结构建立起如图1所示的内燃机产品结构模型。

4 零部件族管理

采用零部件库的分类管理，可以把传统的基于产品的管理模式改为基于零件的管理模式。如图2所示，基于产品的管理模式转化为基于零件的管理模式，这种模式解决了数据冗余和零部件相关更改的问题，并保证了数据的质量。这样便于管理、查找及浏览产品和相关信息，提高了产品变型配置设计的效率。但由此引出的零件与部件（或产品）的对应关系就是利用信息技术实现管理的难点。由此可见，产品结构管理应该选择基于零件的管理方式，只有这样才能快速配置产品，进行产品变型，帮助企业避免重复性的工作，节约时间。

零件分类的方法，应根据企业的产品结构特点和应用特点来组织。本文结合内燃机产品结构及零部件的特点，首先按照功能需求将产品所有零部件结构分成各个大的系统或机构，整体形成多重交替的总体零部件库。然后，每个功能结构类（即系统或机构）的节点处放置按该类型的所有型号的组件或部件，各个部件的节点处又放置对该部件的结构细分，结构的节点下放置按该类型的所有型号的部件，由此逐步向下，最终形成一个完整的树型的零部件库。图3给出了内燃机总体零部件库示意图，为以后的内燃机产品配置提供了基础。

5 产品配置管理

所谓配置，按照ISO 1007对配置管理的基本定义，是指“对被描述在技术文档中的或者体现在产品实际使用过程中的产品功能特性和物理特性所进行的表示”。这是从产品特性的角度对产品配置进行的定义。配置过程也可以被看成是一个选择一组构件并维护其关系，以形成一个设计解决方案来解决客户需求的过程。

产品配置，可以理解为一个根据预定义的部件集和部件之间的相互约束关系[6]，按照某种确定的配置规则，使产品及其零部件的属性逐步满足用户的需求，通过二者匹配问题的求解，最终组合形成客户需求的产品。产品配置规则是在进行产品结构配置时选择零部件的准则，产品配置规则一般分为3种：变量配置、有效性配置、发放状态配置。产品配置的作用就是根据客户定制产品的要求，通过对产品族通用模型的功能、性能、结构构型以及零部件进行选配，以及对局部零件功能和结构、尺寸的相应变化来快速设计出满足客户需求的定制产品。

在产品结构模型和零部件库建立的基础上，提出了基于产品结构模型的内燃机产品配置模型，如图4所示。图4中，在产品配置系统中建立了一个配置规则库，存放了一系列的配置规则，这样可以针对客户需求选择不同的配置规则和配置条件，实现产品配置。在零部件库的支持下可以基于通用产品结构模型，根据不同的配置条件和客户的需求选用零部件，配置出具体需求的产品结构。

由于内燃机产品结构复杂，所以本文首先对内燃机产品进行功能分解，分解成可以实现某个具体功能的系统或机构，然后基于用户需求，选择不同的配置规则，搜索零部件库，选取需要的零部件。具体的配置过程见图5。