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面向大批量定制的船舶辅机设计制造一体化集成技术研究
陈超 唐文献
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信息技术的进步及广泛应用，使得世界制造业进入了一个新的发展时期，呈现出全球化、信息化、敏捷化、网络化、虚拟化和绿色化的发展趋势[1-2]。信息技术的发展，制造业的全球化、信息化的趋势已成为必然。面对全球化和信息化的浪潮，为提高制造业的信息化和现代化水平，世界各国纷纷制定了各种层面的信息化研究发展计划[3]，对船舶辅机产品来说，目前国内相关设计与制造一体化水平远落后于船舶制造，因此提高船舶辅机产品的设计与制造水平是亟待解决的问题。
国内有关船舶辅机产品的相关一体化设计与制造技术目前还存在许多问题。诸如：船舶辅机制造企业采用不同的软硬件和数据平台，使用环境不统一，信息不共享，“孤岛”现象严重；企业技术与管理“两层皮”现象严重；随着造船技术的发展，船舶辅机产品与船舶之间功能、性能等不匹配。
企业信息化能够帮助企业利用IT技术提高业务流程的效率并提升竞争优势，也是船舶工业能否实现远景规划的关键因素。因此，建立基于信息化技术的船舶辅机设计制造一体化集成系统具有重要的理论价值和现实意义。
1)面向大批量定制的船舶辅机配置设计及仿真技术与方法的研究，有利于加速传统设计向预测设计和仿真设计的转变。
2)基于信息化技术的船舶辅机设计制造一体化集成系统的研制，是促进船舶辅机研制过程数字化的重要手段。
3)近几年国内相继开展的并行工程、集成化平台、虚拟制造、智能制造等一系列先进的设计、制造理念及其关键技术的研究，取得了许多值得推广应用的成果，因此，本项目的研究有利于促进和推动上述相关技术的研究、应用和发展。
1 国内外研究概况
大批量定制的概念自1993年由Joseph Pine正式提出以来，在制造领域受到了广泛的关注[4]。这种被认为是后工业时代——信息时代新的生产方式，解决了长期困惑制造业的两难问题：要使产品满足客户个性化的需求；要使产品的成本和交货期与大批量生产的产品相同或相接近。
高、新技术的研究、发展和应用已将船舶辅机的设计、制造技术推进了高速发展的轨道，其总体及相关产业的发展趋势突出表现在以下几个方面。
1)高参数发展趋势，高参数包括大规格、高速率、高精度、高压力等，如川崎重工电动液压舵机的高可靠性、高耐久性、高精度以及适应舵板负荷特性的“扭矩特性。为追求更“静”的甲板机械而研制的“川崎低噪音”，满足进一步高压化的要求并同时实现低噪声化。
2)多功能发展趋势，集多种功能于一体。
3)全自动化发展趋势，实现无人操作(碟型分离机)。
4)新材料发展趋势，提高设备的机械性能。
5)机型多样化发展趋势，如实现对可压缩、高精度、高分散性的难分离物料、微粒子进行有效的分离。
总体来看，我国的船舶辅机设计制造水平不断发展，但与国外先进水平相比存在较大差距。如分离机械，品种规格少，不能完全满足国内生产需要；分离机理和应用技术研究落后，新产品开发速度慢，制造工艺落后，生产效率低，产品的可靠性及稳定性较差，技术水平和自动化水平较低，配套设备和材料不能满足生产的需要，尤其是产品的质量、可靠性很不稳定。这些差距，除了制造技术上的差距外，更重要的是管理上的差距。
2 一体化集成技术的具体实施
有关船舶辅机产品制造一体化集成技术主要包括辅机产品及过程建模、辅机产品定制设计方法和集成系统研究3方面内容。
2.1 辅机产品及过程建模
大批量定制的基本特征之一就是相似性。实施大批量定制的关键是识别和利用大量不同产品和过程中的相似性，包括几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性等。通过相似性分析，利用标准化、模块化和系列化等方法建立典型产品模型和典型工艺文件，达到减少产品的内部多样化、提高零部件和生产过程的可重用性目的。
辅机产品和过程的相似性分析产生的结果。
1)零部件参数提取，包括几何参数、工艺参数等。
2)以尽可能少的零部件组成产品。
3)尽可能少的工艺装备；
4)优化的生产过程。
零部件主模型的建立，即是利用一些关键的参数来描述零部件外形和尺寸之间的联系，从而通过主模型中一组数值的改变，就可以得到派生的零件变型。零部件主模型包括：
1)辅机零部件的几何模型。
2)辅机零部件的事物特性表(几何特性、功能特性、算法特性、工艺特性和辅助特性等信息的集合)。
零部件主模型建立之后，建立零部件的主模板，包括工程图模板、工艺过程规划模板和NC程序模板等。通过这些模板可以派生该零部件的工程图、工艺、NC程序等。最终建立一个可配置的船舶辅机模块化产品系统。由此，根据不同客户的要求派生定制产品的结构。具体实现方式就是通过了解产品模块的所有可能组合，建立产品基本模块的层次结构，然后添加可选模块进行定制。
2.2 辅机产品定制设计方法研究
船舶辅机产品的定制设计采用配置设计与变型设计相结合的方法实现，其研究内容包括基于知识驱动的配置设计方法及其过程管理和变型设计。
基于知识驱动的配置设计基本思想是将客户个性化产品需求转化为产品的功能需求，进而匹配为对应的工程参数或工程规则；根据已记录的不同类型的产品开发知识及规则之间的关系来计算工程参数对产品配置的影响；经过推理，实现知识驱动产品配置。原理见图1。

（图片）

图1 知识驱动配置设计原理

定制产品的配置过程中所用的知识用来策划、设计和配置产品，所有的工程知识以统一的“规则”形式来表示工程产品不同参数和属性之间的相互关系。这些工程规则可以用电子表格的形式来组织。
知识驱动的定制产品配置没计需研究和突破以下技术和方法：①配置知识的获取；②配置知识的表达；③配置知识的管理；④配置规则定义。
基于知识驱动的配置设计过程见图2。

（图片）

图2 产品配置过程

首先根据待开发产品对象，可以收集、整理、归纳和抽象出设计工程所用到的工程知识，建立具有统一格式、开放的数据库，完成成熟产品的实例库、知识库以及模板库和约束库的组织和构造，完成智能功能配置；然后利用知识库中的知识定义分析计算产品性能的驱动规则，建立由这些驱动规则组成的设计过程；由工程知识、工程参数和驱动规则，通过基于知识、模型的推理方式来驱动配置产品的形成。当用户变换产品的工程参数、修改驱动规则以及更新工程知识和调整工程规则时，系统能重新形成产品的配置方案。
利用仿真数据库，用户还可以建立产品配置的仿真模型，对定制的产品进行建模和仿真，从需求及定制的深度、设计成本等方面考察所配置产品的合理性及能否满足客户化的个性需求，并给出是否需要再配置的建议。同时为再设计及下游活动的顺利进行提供参考信息。
2.3 面向大批量定制的船舶辅机定制系统的开发
基于PDM并支持船舶辅机大批量定制的设计制造一体化集成系统结构见图3所示。

（图片）

图3 基于PDM的船舶辅机大批量定制集成系统

在建立产品模型和过程模型的基础上，通过船舶辅机产品的大批量定制的数据库、知识库、模型库以及仿真数据库的支持，可以完成辅机产品包含需求设计、概念设计、逻辑设计以及物理设计等内容的建模设计过程，还可以实现产品结构的构建、产品或零部件参数创建、约束关系创建、个性需求订单的生成等功能，要实现大批量定制的核心内容则是需要构建一个基于“数据资源信息库”的大批量定制产品快速响应系统。
该系统涉及产品信息、过程信息、人员信息以及资源信息等的获取、存储和处理。面向大批量定制的船舶辅机设计制造对客户或市场的快速响应依赖于技术信息和管理信息。
系统集成的主要任务是应用系统集成、异构软件接口开发、PDM产品定制等。
3 结束语
本文以客户化需求为目标，结合船舶辅机的多品种、小批量生产特点，通过面向大批量定制的船舶辅机产品模型的建立，研究船舶辅机大批量定制的配置设计技术和变型设计技术；构建基于PDM的船舶辅机大批量定制设计制造一体化集成系统。基于知识驱动的船舶辅机快速配置设计与仿真技术相结合，促进船舶辅机的仿真开发，提高船舶辅机关键技术的自主创新能力及国产化设备装船率。
参考文献
[1] 吴锋，李怀祖，韩新民．关于大批量定制的思考[J]．工业工程与管理，2001，6(2)：18-21．
[2] 唐文献，李莉敏，方明伦，等．支持产品创新的协同开发平台研究与实现[J]，南京理工大学学报，2004，28(4)：421-426．
[3] ALEXANDER F，GERHARD F，DIETMAR J．Conceptual modeling for cordiguration of n-lass CUStomizable products[J]. Artificial Intelligence in Engineering，2001，15(2)：165-176．
[4] BROWN D C Defining configuring[J]．Artificial Intelligent for Engineering Design，Analysis and Manufacturing(AIEDAM)，1998，12(4)：301-306． 4/23/2009

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