面向過程和產(chǎn)品結構的挖掘機設計知識開發(fā)_張東民

1、第30卷第3期2014年6月機械設計與研究Machine Design and esearch Vol30No3JUN,2014收稿日期:20130909基金項目:上海市教委科研創(chuàng)新基金重點資助項目(12ZZ190;上海應用技術學院優(yōu)秀碩士學位論文培育項目資助文章編號:1006-2343(201403-015-03面向過程和產(chǎn)品結構的挖掘機設計知識開發(fā)張東民1,尹子超1,宋裕青1,張宏2(1上海應用技術學院機械工程學院,上海201418,E-mail :dmzhang_nuaasiteducn ;2上海徐工工程機械有限公司,上海201412摘要:挖掘機是復雜機電裝備,產(chǎn)品設計開發(fā)是典型的知識密

2、集型工作,需要解決產(chǎn)品設計知識開發(fā)應用問題。文章分析了挖掘機產(chǎn)品設計過程和產(chǎn)品結構特征,探討了挖掘機設計過程關聯(lián)的知識。提出以挖掘機產(chǎn)品設計過程為主線,以產(chǎn)品結構為核心,構建產(chǎn)品設計知識脈絡,建立合理的知識關聯(lián),實現(xiàn)設計知識的快速導航獲取,實現(xiàn)挖掘機產(chǎn)品設計知識的管理和知識的傳承。挖掘機產(chǎn)品設計知識開發(fā),便于設計人員應用,支持企業(yè)實施基于知識的精益產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)戰(zhàn)略。關鍵詞:挖掘機;開發(fā)過程;產(chǎn)品結構;設計知識;脈絡化中圖分類號:TP182;TP391文獻標識碼:ADeveloping of Excavator Product Design KnowledgeOriented Product D

3、evelopment Procedure and Product StructureZhang Dongmin 1,Yin Zichao 1,Song Yuqing 1,Zhang Hong 2(1School of Mechanical Engineering ,Shanghai Institute of Technology ,Shanghai ,201418,China ;2Shanghai Xugong Construction Machinery CoLTD ,Shanghai ,201412,China Abstract :The excavator is a complex el

4、ectro-mechanical equipment ,product design and development is a typical knowledge-intensive work ,which needs to solve the question of product design knowledge development and applicationBoth the product design process and the product structure are analyzed in the paperKnowledge associated with prod

5、uct design process is discussedProduct design process as the main line and product structure as the core are proposed to build product design knowledge tracing ,which can establish a reasonable knowledge association with product design process and product structureProduct design knowledge tracing ca

6、n help to achieve rapid navigation for acquiring knowledge ,and the implement the knowledge management and the knowledge inheritauceIt makes designers easy to use the knowledge ,and supports enterprise to implement a knowledge-based lean product innovation and development strategiesKeywords :excavat

7、ors ;development process ;product structure ;design knowledge ;tracing挖掘機是典型的復雜機電裝備,挖掘機產(chǎn)品開發(fā)具有投入大、周期長、涉及學科廣的特點,是典型的知識密集型工作1。隨著市場競爭全球化,勞動力成本日益提高,資源環(huán)境約束不斷增強的新情況下,產(chǎn)品設計要滿足產(chǎn)品全生命周期需求,復雜產(chǎn)品設計開發(fā)工作更多采用基于知識的精益產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)戰(zhàn)略2。但目前企業(yè)在產(chǎn)品設計知識開發(fā)應用方面面臨諸多問題3,4,降低了產(chǎn)品的市場競爭力,主要表現(xiàn)在:(1知識應用處于不自覺狀態(tài),缺乏知識運用的過程管理和控制。是否應用已有知識取決于設計人員經(jīng)驗以

8、及對已有知識的熟悉程度,設計的隨意性導致零件品種的不斷增加,增加了生產(chǎn)設備投資,延長了生產(chǎn)準備周期,造成生產(chǎn)管理和庫存管理復雜,影響產(chǎn)品制造成本、新產(chǎn)品上市時間、配件供應和服務水平等。(2知識缺乏有效開發(fā),設計師不能有效地重用知識,錯誤經(jīng)常重犯。設計知識和經(jīng)驗由設計師個人擁有,企業(yè)對知識資源缺乏統(tǒng)一管理,沒有對設計中所運用的知識進行有效開發(fā),造成尋找以前的設計知識非常困難,通常需要花費大量的時間。由于參考不到過去相關失敗案例知識,導致新項目的設計工程師尤其是年輕工程師經(jīng)常重犯相同錯誤。(3專家退休和人員流動造成企業(yè)寶貴的設計知識和經(jīng)驗流失,亟需保留這些寶貴的知識和經(jīng)驗。企業(yè)面臨的重復發(fā)明“新輪

9、子”、錯誤重犯、專家退休和人員流動造成的知識流失等問題是典型的知識管理不善問題。知識開發(fā)研究有重要的現(xiàn)實意義,劉征等5研究設計階段與知識流節(jié)點匹配進行知識管理,獲取工業(yè)設計過程中的創(chuàng)意知識;萬立等6研究將知識分為項目管理知識、領域知識、產(chǎn)品設計對象知識三大類,針對不同類型的知識建立相應的表達模型;石鑫DOI:10.13952/ki.jofmdr.2014.0044等7研究本體知識表示方法構建產(chǎn)品設計過程知識本體模型。本文從產(chǎn)品設計開發(fā)過程和產(chǎn)品結構角度研究產(chǎn)品設計知識開發(fā)和應用。1挖掘機產(chǎn)品設計過程和產(chǎn)品結構11挖掘機產(chǎn)品設計過程挖掘機產(chǎn)品設計過程主要有:分析用戶需求以及市場情況,包括企業(yè)的宏

10、觀環(huán)境以及行業(yè)分析,用戶對產(chǎn)品的偏好分析,競爭對手產(chǎn)品分析,新產(chǎn)品上市的競爭力分析等,以及產(chǎn)品定位,公司批準項目任務書和新產(chǎn)品開發(fā)計劃;進行新產(chǎn)品方案設計,包括產(chǎn)品的性能、功能、主要系統(tǒng)或部件原理方案、可靠性、成本等;再進行產(chǎn)品技術設計,包括產(chǎn)品總體設計、主要零部件結構型式設計、主要系統(tǒng)設計;進一步展開進行零部件工程圖詳細設計;經(jīng)工藝、標準等部門會審后進行樣機試制,對試制樣機進行性能試驗、可靠性考核等;根據(jù)試制試驗反饋,以及批量制造要求,進行設計更改,產(chǎn)品定型,批量生產(chǎn)。挖掘機設計過程由市場用戶分析、產(chǎn)品方案設計、初步設計、詳細設計、試制試驗、設計定型等多個階段組成,每一階段有評審,以決定設計

11、活動是否繼續(xù)向下階段進行。每階段有若干個設計任務,設計任務又由若干個設計活動組成,設計活動是設計過程的基本單元。12挖掘機產(chǎn)品結構液壓挖掘機主要由工作裝置、回轉裝置、行走裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、發(fā)動機等部分組成1,見圖1。工作裝置是完成挖掘工作的裝置,由動臂、斗桿、鏟斗鉸接而成。為了適應各種不同施工作業(yè)的需要,液壓挖掘機可以配裝多種作業(yè)機具?；剞D裝置與行走裝置是液壓挖掘機的機體,分別實現(xiàn)回轉和行走動作,轉臺上部有發(fā)動機、駕駛室。液壓系統(tǒng)由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達、管路、油箱等組成。電氣控制系統(tǒng)包括監(jiān)控盤、發(fā)動機控制系統(tǒng)、泵控制系統(tǒng)、各類傳感器等 。圖1履帶式單斗液壓挖掘機產(chǎn)品分解結構

12、(部分2面向過程和產(chǎn)品結構的挖掘機產(chǎn)品設計知識開發(fā)31挖掘機設計過程關聯(lián)的知識挖掘機設計過程的各個階段關聯(lián)的知識不同。市場用戶分析階段主要是針對用戶需求、競爭對手產(chǎn)品分析、政策法規(guī)以及公司戰(zhàn)略評估,制訂產(chǎn)品開發(fā)任務和產(chǎn)品開發(fā)計劃。產(chǎn)品方案設計階段主要是產(chǎn)品功能性能、創(chuàng)新技術原理、關鍵技術、產(chǎn)品規(guī)劃等知識。產(chǎn)品技術設計階段主要是總體設計、主要系統(tǒng)和主要結構設計知識。產(chǎn)品詳細設計階段主要是整機、產(chǎn)品零部件、系統(tǒng)詳細工作圖設計知識。試制試驗主要是產(chǎn)品制造工藝性、試驗方法、產(chǎn)品可靠性、零件更改設計等知識。設計定型主要是批量制造工藝性、批量制造產(chǎn)品可靠性、零件變更設計、產(chǎn)品成本等知識。挖掘機設計活動中,

13、設計人員常根據(jù)已存在的知識和經(jīng)驗進行設計決策,新產(chǎn)品設計過程中也產(chǎn)生設計知識和經(jīng)驗,這些知識和經(jīng)驗包括顯性知識和隱性知識,以不同的形式存在于產(chǎn)品設計不同階段,表現(xiàn)為多種知識源8,見圖2 。圖2產(chǎn)品設計活動與多種設計知識源產(chǎn)品設計過程中所用到的知識不是孤立存在的,知識之間有著復雜的關聯(lián)關系9,10。隨著產(chǎn)品開發(fā)的結束,知識的一些相關信息在存儲過程中丟失,一些關聯(lián)關系被割斷。如果不能有機地組織起來,將容易形成知識孤島,難以重用和共享。因此,必須對知識資源進行整理分類,為其添加存儲位置、內(nèi)容簡要描述、創(chuàng)建者、解決的問題、使用方式等相關信息,并將不同知識點按照具體的設計流程、產(chǎn)品結構聯(lián)系起來,對整個設

14、計活動中知識進行重用,促進知識的流動和共享。22面向過程和產(chǎn)品結構的脈絡化知識開發(fā)通過知識正確化、知識規(guī)范化標準化、知識分類編碼、知識情境化、知識內(nèi)容抽象化11,將散亂的大量知識整合成滿足挖掘機產(chǎn)品開發(fā)需要的知識倉庫,但還沒有理清所有知識之間的關系,也就是沒有建立關聯(lián)所有知識的脈絡。產(chǎn)品設計知識脈絡化就是理順出匹配設計所需的知識類別。以挖掘機產(chǎn)品設計過程為主線,以產(chǎn)品結構為核心,構建產(chǎn)品設計知識脈絡,建立合理的知識關聯(lián),實現(xiàn)設計知識的快速導航獲取。挖掘機產(chǎn)品設計知識脈絡化開發(fā)由專人整理和維護,每一位設計師是知識提供和知識應用的主體。挖掘機產(chǎn)品設計知識脈絡化開發(fā)按照用戶市場分析、產(chǎn)品方案設計、初

15、步設計、詳細設計、試制試驗、設計定型等產(chǎn)品開發(fā)過程為主線,列出每個階段的參考知識點,并以挖掘機產(chǎn)品結構為核心列出相關參考知識點。圖3為挖掘機產(chǎn)品設計知識脈絡示意圖,按照產(chǎn)品設計過程和產(chǎn)品結構進行知識脈絡化組織,產(chǎn)品設計過程主要階段有市場用戶分析、產(chǎn)品方案設計、初步設計、詳細設計、試制試驗、設計定型等,每個階段有參考知識點,通過參考知識點鏈接,進一步找到相關知識,如市場用戶分析階段包括市61機械設計與研究第30卷場用戶分析報告、項目任務書、新產(chǎn)品開發(fā)計劃等。在產(chǎn)品技術設計和詳細設計階段按照產(chǎn)品主要系統(tǒng)或產(chǎn)品結構進行知識脈絡組織,技術設計階段主要系統(tǒng)包括總體、動力匹配、工作機構、主要結構、液壓系統(tǒng)

16、等,而動力匹配設計細分為發(fā)動機、泵 發(fā)動機匹配、節(jié)能控制技術等,點擊“發(fā)動機性能”鏈接,打開發(fā)動機性能文件,文件列出發(fā)動機型號、額定功率/轉速、最大扭矩/轉速、發(fā)動機型式、外特性等,進一步點擊“外特性”鏈接,打開發(fā)動機扭矩 轉速、功率 轉速外特性曲線;詳細設計階段按照樹形產(chǎn)品結構組織,每個產(chǎn)品樹形節(jié)點鏈接相應零部件設計參考知識,如圍繞動臂零件設計,有優(yōu)化與有限元計算、變型產(chǎn)品、工藝要求、FEMA 分析、失敗案例知識挖掘等 。圖3挖掘機產(chǎn)品設計知識脈絡示意圖3結論設計人員常根據(jù)已存在的知識和經(jīng)驗進行設計決策,挖掘機產(chǎn)品設計開發(fā)工作更多采用基于知識的精益產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)戰(zhàn)略。亟需解決企業(yè)面臨的重復發(fā)明

17、“新輪子”、錯誤重犯、專家退休和人員流動造成的知識流失等問題,加強產(chǎn)品設計知識開發(fā)應用。產(chǎn)品設計知識以不同的形式存在于產(chǎn)品設計不同階段,表現(xiàn)為多種知識源,這些知識和經(jīng)驗包括顯性知識和隱性知識。這些知識一般沒有系統(tǒng)開發(fā),處于雜亂狀態(tài),知識應用層次低。以挖掘機產(chǎn)品設計過程為主線,以產(chǎn)品結構為核心,構建產(chǎn)品設計知識脈絡,建立合理的知識關聯(lián),實現(xiàn)設計知識的快速導航獲取,實現(xiàn)知識的管理和知識的傳承。挖掘機產(chǎn)品設計知識開發(fā),便于設計人員應用,支持企業(yè)實施基于知識的精益產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)。參考文獻1林慕義史青錄單斗液壓挖掘機構造與設計M 北京:冶金工業(yè)出版社,20112Ahmed S ,Hacker P ,Wal

18、lace KMThe role of knowledge and ex-perience in engineering design C /Proceedings of the Interna-tional Conference on Engineering Design ,2005:1 133徐福緣,顧新建,祁國寧,等企業(yè)知識管理的實現(xiàn)技術與工具J 系統(tǒng)工程理論方法應用,2004,13(1:38 42,484車君華機械產(chǎn)品設計過程知識獲取與處理技術及其在叉車行業(yè)應用研究D 杭州:浙江大學,20075劉征,魯娜,孫凌云基于知識流的產(chǎn)品創(chuàng)意知識獲取方法J 計算機集成制造系統(tǒng),2011,17(1:

19、10 176萬立,侯添元,熊體凡面向重用的產(chǎn)品設計過程知識建模與檢索J 計算機工程與設計,2012,33(8:3176 31837石鑫,同淑榮,李博,等產(chǎn)品設計過程知識本體的語義映射研究J 機械科學與技術,2011,30(5:827 832(下轉第21頁71第3期張東民等:面向過程和產(chǎn)品結構的挖掘機設計知識開發(fā)的不同場變量更新規(guī)則下的結構拓撲圖形。如圖6所示,兩種更新規(guī)則下的優(yōu)化結果如表2所示。表2不同場變量更新規(guī)則下的優(yōu)化結果對比變量更新規(guī)則 文獻6中的場變量更新規(guī)則改進的場變量更新規(guī)則應變能5138149421迭代次數(shù)2925灰度單元數(shù)目166102圖6不同規(guī)則下Michell型結構的拓撲

20、優(yōu)化構型比較兩種場變量更新規(guī)則下的優(yōu)化結果,得到以下結論:與文獻7中方法相比,采用改進的場變量更新規(guī)則,能夠使得到的拓撲圖形中灰度單元的數(shù)目由原來的166個降到102個,減少了386%。該更新規(guī)則能夠抑制灰度單元的出現(xiàn)。在相同的初始條件下,當采用改進的場變量更新規(guī)則時,得到的結構應變能值49421和迭代次數(shù)25,比采用文獻7中更新規(guī)則得到的應變能值51381和迭代次數(shù)29,分別減少了38%和138%。因此,采用改進的場變量更新規(guī)則得到應變能更小,且更快地收斂。(2針對四種網(wǎng)格密度離散設計域,分別為10021、15031、20041 和 25051,采用文獻7 中更新規(guī)則和改進的更新規(guī)則,得到M

21、ichell 型結構的優(yōu)化結果如表3 所示。 表3不同網(wǎng)格密度下兩種更新規(guī)則的優(yōu)化結果對比 網(wǎng)格密度改進的場變量更新規(guī)則文獻7中場變量更新規(guī)則10021150312004125051由表3可知,采用文獻7中的場變量更新規(guī)則,隨著網(wǎng)格密度的增大,拓撲圖形中的左右兩側邊角處出現(xiàn)了細微的結構,使得到的拓撲構形的幾何復雜性增加,不利于優(yōu)化結果的加工與制造。而采用本文提出的場變量更新規(guī)則,得到的結構拓撲圖形清晰,未呈現(xiàn)網(wǎng)格依賴性。4結論本文基于HCA 算法,提出了一種改進的狀態(tài)場變量更新規(guī)則,根據(jù)元胞及其鄰居元胞單元的應變能密度的大小來更新該單元的狀態(tài)信息,使得設計變量趨于兩極分化。通過二維經(jīng)典拓撲優(yōu)化

22、算例證明了采用本文提出的狀態(tài)場變量更新技術能夠有效抑制網(wǎng)格依賴性的出現(xiàn),并在一定程度上減少了結構邊界上的灰度單元,加快了優(yōu)化求解的效率,取得更好的應變能目標值,并最終能夠得到較為清晰的拓撲優(yōu)化圖形。參考文獻1左孔天連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化理論與應用研究D 武漢:華中科技大學,20042杜義賢,王偉,李然,等結構拓撲優(yōu)化中敏度過濾技術研究J 工程設計學報,2012,19(1:20 243Bends e M P ,Sigmund OTopology optimization :Theory ,Meth-ods ,and Applications M Berlin Heidelberg ,New York

23、 :Springer ,20034Michael Y W ,Xiaoming Wang ,Dongming GuoA level set methodfor structural topology optimization J Computer Methods in Ap-plied Mechanics and Engineering ,2003,192:227 2465周珍珍基于混合元胞自動機方法的結構拓撲優(yōu)化研究D 武漢:華中科技大學,20096王安麟,姜濤基于進化元胞自動機的結構拓撲優(yōu)化J 機械工程學報,2005,41(2:1 57Tovar A ,Patel N M ,Niebur G

24、 L ,et alTopology optimization u-sing a hybrid cellular automaton method with local control rules J Journal of Mechanical Design ,2006,128(6:1205 12168龍凱,趙紅偉抑制灰度單元的改進優(yōu)化準則法J 計算機輔助設計與圖形學學報,2010,22(12:2197 22019崔明濤,陳建軍,拓耀飛,等區(qū)間參數(shù)柔性機構設計的混合元胞自動機方法J 機械工程學報,2007,43(7:39 4310Zhou M ,Shyy Y K ,Thomas H LCheckerboard and minimummember size control in topology optimization J Struct