（机械电子工程专业论文）支持机械产品变型设计的cad系统的研究与开发.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 入己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丢洼理王堂院或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文作者签名：试问n签字日期；缈 年月e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丢洼堡王堂院有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丢洼墨工兰兰院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库迸行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子邮件。 ( 保密的学位论文在解密后适用于本版权说明) f j：， 学位论文作者签名：武j 司i j导师签名：# 篁予乙 签字e t 期：妒甲年月日签字e l 期：p 。垆年惆e l 摘要 当今世界的竞争主要是综合国力的竞争，以机械制造技术为代表的先进制造技术， 对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用。在新世纪全球经济一体化大潮下，制 造业正面i 临若巨大的挑战和机遇。在研究分析了全球一体化环境下制造业的发展趋势、 产品设计与制造相关技术以及c a d 的研究现状与发展趋势的基础上，本文提出将基于 产品结构的变型设计和模块化设计方法有机结合，并充分利用参数化、变量化及c b r 等技术，实现产品快速变型设计。 首先，本文对产品变形设计过程进行了分析，使用了基于多视图的产品结构模型信 息描述技术( 产品结构树、功能树和实例树) 描述变型设计产品结构模型：其次，在对 模块划分技术过程中，通过基于产品结构的模块划分技术对产品迸行模块划分，研究基 于产品生命周期的模块化产品设计信息的表达、管理技术。使模块化产品变型设计过程 支持产品全生命周期的信息及过程的集成，然后建立基于c b r 的智能模块体：最后， 构造面向具体产品的面向产品变型的快速设计集成平台，提出适合产品变型设计的软件 体系结构，并籍此建立了液压缸模块化快速产品设计系统。 关键词：变形设计，模块化设计，液压缸 a b s t r a c t t h ec o n t e s to ft h ew o r l dm a i n l yf o c u s e so nt h ec o n t e s to ft h ew h o l es t r e n g t ho ft h e c o u n t r y t h e a d v a n c e dm a n u f a c t u r e t e e h n o l o g y w h i c hi s r e p r e s e n t e db y m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r et e c h n o l o g yt a k e sa ni m p o r t a n tp a r to nt h et e c h n i q u ee c o n o m yd e v e l o p m e n to f t h ec o u n t r y u n d e rt h et i d eo ft h en e w c e n t u r yg l o b a le c o n o m yi n t e g r a t i o n ，m a n u f a c t u r i n gi s f a c i n gg r e a tc h a l l e n g ea n do p p o r t u n i t y a f t e ri n v e s t i g a t e da n da n a l y z e d t h ed e v e l o p m e n tt r e n d o fm a n u f a c t u r i n g ，p r o d u c td e s i g n ，t e c h n i q u ea b o u tm a n u f a c t u r ea n dr e s e a r c hs t a t u sa n d d e v e l o p m e n t t r e n do f c a d ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dd e s i g nm e t h o d o f i n t e g r a t i n gd e f o r m a t i o n d e s i g n b a s e do n p r o d u c t s t r u c t u r a l d e s i g n a n dm o d u l a r d e s i g n ，u s i n gt e c h n o l o g y o f p a r a m e t r i cd e s i g n ，v a r i a t i o n a ld e s i g na n dc b rt or e a l i z er a p i dp r o d u c td e s i g n f i r s t l y , t h ep r o c e s so fp r o d u c td e f o r m a t i o nd e s i g n i s a n a l y z i n gi n t h i s p a p e r , u s i n g m u t i l v i e wt e c h n o l o g y ( p r o d u c ts t r u c t u r a l t r e e ，f u n c t i o n a lt r e e ，i n s t a n c et r e e ) d e s c r i b et h e m o d e lo f p r o c e s s o fp r o d u c td e f o r m a t i o n d e s i g n ；s e c o n d l y ，b yu s i n g m o d u l ed i v i s o n t e c h n o l o g yb a s e do np r o d u c tt od i v i d ep r o d u c tm o d u l e s ，s t u d y i n gd e s c r i b i n ga n dm a n a g i n g m o d u l ei n f o r m a t i o ni nl i f e c y c l eo fp r o d u c tt os u p p o r ti n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no fd e f o r m a t i o n m o d u l a r d e s i g n ，m o d u l e sb a s e dc b r a r ee s t a b l i s h e d ；l a s t l y , t h ep a p e r p u tf o r w a r d t os o f t w a r e s t r u c t u r eo fr a p i dd e s i g np l a t f o r mf a c i n gp r o d u c ta n df a c i n gd e f o r m a t i o nd e s i g n ，e s t a b l i s h r a p i dd e s i g ns y s t e mf o rh y d r a u l i cc y l i n d e r k e y w o r d s ：d e f o r m a t i o nd e s i g n ，m o d u l a rd e s i g n ，h y d r a u l i cc y l i n d e r 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 计算机辅助设计技术发展的时代背景 在科学成为技术进步、生产力提高的决定性前提的今天，以信息技术为主要 标志的高新技术革命来势迅猛，高科技向现实生产力的转化越来越快，高新技术 产业在整个经济中的比重不断增加；经济与科技的结合日益紧密，国际问科技、 经济交流合作不断扩大，产业技术升级加快，经济结构加速重组，科技、经济越 来越趋于全球化；科技革命创造了新的技术经济体系，产生了新的生产管理和组 织形式，推动世界经济飞速增长。正是在这种国际发展趋势和背景下，我国于 1 9 9 9 年实行了创新工程，并提出“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴 旺发达的不竭动力”( 光明日报1 9 9 8 年3 月5 日) 。作为一个国家工业发展水 平最主要标志之一的制造业正面临持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争， 其竞争的核心是以知识为基础的新产品的竞争，也就是创新能力的竞争。 近3 0 年来，科学技术的进步，微电子技术、光电子技术、计算机技术己得 到广泛的应用，制造技术也随之进入了一个巨大的变革时期，这对设计与制造提 出了更高的要求，其主要表现为： ( 1 ) 制造业的产品结构和生产过程急剧改变 先进制造技术的出现急剧改变着制造业的产品结构和生产过程。产品结构正 朝着功能先进、实用、高效、节能、体积小、质量好、环保型等方向发展；生产 过程则朝着高速、精密、自动化、节能、环保、少无切削、非传统加工方法等方 面发展。 ( 2 ) 传统市场转变成动态多变市场 传统的相对稳定市场变成动态多变的市场，产品生命周期不断缩短，产品更 新日益加快。产品质量、成本( 价格) 和时间( 交货期) 己成为增加企业竞争力 的三个决定性因素。生产模式正朝着多品种、小批量、单件化、柔性化、生产周 期大幅度缩短等方面发展。 ( 3 ) 逐渐形成全球性的大市场 制造业的进步和发展，使更多的国家参与到世界经济发展中，从而形成全球 的大市场。传统的管理、生产方式、组织结构和决策准则都在经历新的变化。生 产能力在世界范围内迅速提高和扩散并形成全球性的激烈竞争格局，市场经济化 正在将越来越多的国家带进世界经济范围，随着生产力的国际扩散，产业之间和 产业内部的国际分工己成为一股不可阻挡的发展趋势。 ( 4 ) 制造业面临强大压力 供货方面的压力：由于新兴国家和地区，特别是环太平洋的国家和地区经济 的迅速发展而加入到竞争行列，使得原来的世界市场份额分配格局不再维持，因 而出现了重新分配国际市场份额的激烈竞争。 用户方面的压力：随着社会的进步，人们对产品多样化的需求，导致产品的 批量越来越小。用户对产品的要求越来越高，多变的型号、低的价格、高的质量、 第一章绪论 按期交货和良好的服务等等。 社会方面的压力：人类要求一个更加安全和舒适的生存环境，因此无污染和 无公害的绿色产品和清洁制造的呼声日益高涨。 技术进步方面的压力：由于新技术的迅速出现，使得产品技术越来越复杂， 产品的开发周期越来越长，而产品的生命周期则越来越短。 为适应社会的发展需要和提高产品的竞争力，现代的各类制造企业必须解决 以最快的上市速度( t t i m et om a r k e t ) ，最好的质量( q - q u a l i t y ) ，最低 的成本( c - - c o s t ) ，最优的服务( s - s e r v i c e ) 及最清洁的环境( e - - e n v i r o n m e n t ) 来满足不同顾客对产品的需求和社会可持续发展的要求。这些需求深刻地影响了 工程设计技术的发展。 工程设计作为人们运用科技知识方法，有目标的创造工程产品的构思和计划 过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用虽然只占最终产品成本 的- 4 , 部分，但它却对产品的先进性和竞争能力起决定作用，并往往决定着7 0 8 0 的制造成本和行销服务成本。现代工程设计是现代社会工业文明的最重 要支柱，是工业创新的核心环节。因此，工程设计水平是一个国家和地区的工业 创新能力和竞争能力的决定性因素。 为适应时代对工程设计提出的要求，同时也因为计算机和信息技术的迅猛发 展，设计过程的数字化是工程设计的必然趋势，并已成为现代工程设计的基本特 征。从而导致一门崭新的技术在世界范围内兴起，这就是计算机辅助设计 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 。 1 2 计算机辅助设计技术 计算机辅助设计技术的含义是使用计算机辅助人们进行产品和工程设计，将 计算机高速而精确的运算功能、大容量存贮和处理数据的能力，与设计者的综合 分析和逻辑判断能力以及创造性思维结合起来，从而大大加快设计进程、缩短设 计周期、提高设计质量。 计算机辅助设计推动了几乎一切领域的设计革命，c a d 技术的发展和应用水 平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志之一。据美国国家工 程科学院对人类1 9 6 4 1 9 8 9 年2 5 年间的工程成就进行的评选，c a d 技术的开发与 应用名列十项最杰出的工程成就中的第四位。1 9 9 l 1 9 3 月2 0 日，美国政府发表了 跨世纪的国家关键技术发展战略，列举了6 ；k 技术领域中的2 2 项关键项目认为这 些项目对美国的长期国家安全和经济繁荣至关重要。c a d 技术与其中的两大领域 中的1 1 个项目紧密相关，这就是制造与信息、通信“1 。制造技术为工业界一系列 创新的、成本上有竞争能力和高质量的产品投入市场打下基础，而信息和通讯技 术则以惊人的速度不断发展，改变着社会的通信、教育和制造方法。人们将制造 技术与飞速发展着的信息技术、自动化技术、现代管理技术与系统技术有机融合， 逐渐形成了新一代“先进制造技术”( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ) 。 今天，它己成为改善企业产品t 、q 、c 、s 、e ，提高企业敏捷性、柔性、健壮性 第一章绪论 的关键手段。它正推动着制造业进入信息化、集成化、自动化、智能化、敏捷化 的新历史时期，c a d 技术正是先进制造技术极其关键的组成部分。同时在信息产 业中c a d 技术也是最具发展潜力的应用领域之一。 c a d 技术已经将现代计算机技术渗透到工业产品设计的每一环节，这使得传 统设计方法发生了巨大的变化，计算机辅助设计将计算机高速而精确的运算功 能、大容量存贮和处理数据的能力，灵活的图形及文字处理功能与工程技术人员 的创造性思维能力及分析判断能方结合起来，形成了人机对话的交互式设计系 统。从而大大地改善了设计质量，加快了设计绘图过程，缩短了设计周期，并使 人们从繁重的绘图工作中解放出来，可更多地从事创造性的研究工作。由干c a d 技术是随着电子技术和计算机技术的发展丙逐步发展起来的，因此它具有工程及 产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形，工程数据库的管理、生成 设计文件等功能。经过三十多年的努力，c a d 技术的广泛应用引起了一场工程设 计领域中的技术革命，特别是近二十年来，由千计算机硬件性能的不断提高，c a d 技术有了大规模的发展。目前c & d 技术己经应用于许多行业，如机械、汽车、飞 机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。其中c a d 技术应用子机械 类产品设计的比例最大，机械c a d 在整个工程c a d 中占有较为重要的地位。c a d 技 术标志着机器的智能化和脑力劳动的自动化，回顾历史，二百年前的工业革命所 产生的机器代替了人的体力，创造了现代的工业生产和物质文明。今天，我们正 面临着新的历史性转折一信息革命，并将迎来一场新的产业革命和社会进步。 在经过3 0 余年的发展，c a d 技术己经逐渐发挥出其强大的影响力，美国科学 研究院工程技术委员会1 9 8 6 年的统计分析表明由于c a d 技术的应用，降低工 程设计成本1 3 3 0 ，减少产品设计到投产的时间3 0 一6 0 ，产品质量的量 级提高2 5 倍，减少加工过程3 0 6 0 ，降低人力成本5 一2 0 ，增加产品 专业生产率4 0 7 0 ，增加设备的生产率2 3 倍，增加工程师分析问题的广度 和深度的能力3 3 5 倍。 因此各国政府在制定新技术发展规划时都对c a d 技术给予极大的重视，并加 强对其的研究工作。 1 2 1c a d 的发展史 从c a d 技术开始萌芽到现在己经历了以下五个阶段”1 ； 1 5 0 年代的初始准备阶段 美国麻省理工学院( m i t ) 于1 9 5 0 年在“旋风”计算机上采用阴极射线管( c r t ) 做成图形终端，并可显示图形。5 0 年代后半期出现了光笔，由此开始了交互式计 算机图形学的研究。 2 6 0 年代前期的研制试验阶段 该阶段是交互式计算机图形学发展的最重要时期。这一时期较著名的交互式 系统有：1 9 6 2 年美国学者i v a n s u t h e r l a r d 研究的“s k e t c h p a d ”系统：1 9 6 4 年 美国通用汽车公司的“d a c 2 l ”系统：1 9 6 5 年洛克希德公司推出的“c a d a m ”系统以及 第一章绪论 贝尔电话公司的“g r a p h i c 2 1 ”系统等。由干当时刷新式显示器价格十分昂贵，c a d 系统因此难以普及。 3 6 0 年代末至7 0 年代的商品化阶段 交互图形技术日益成熟并得到广泛应用。在此期间c a d 的发展着重于绘图技 术，几何模型化及工程分析研究工作，仍以分离的单个软件应用为主。这些软件 大多是1 6 位机上的三维线框系统及二维绘图系统，因而只能解决一些简单的产品 设计问题。 4 8 0 年代的迅速发展阶段 工业界开始认识到c a d c a m 新技术，大量推出了新原理、新方法、新软件， 并把单一功能软件集成，使之不但能绘制工程图形，而且能进行自由曲面设计、 有限元分析、三维造型、机构及机器人分析与仿真等多种应用。与此同时，计算 机硬件及输入、输出设备也有较大发展，3 2 位的工作站可以和小型机、甚至中型 机媲美，价格低廉的彩色光栅图形显示器占据统治地位，计算机网络获得广泛应 用，所有这些都大大促进了c a d c a m 的更大发展。此期的一个引人注目的发展是 以个人计算机p c 为基础的低档c a d 系统蓬勃兴起，它在中小型企业及发展中国家 得到迅速的普及。 1 2 2 当前c a d 技术的发展 进入九十年代以来，生产方式的革新和全球化竞争与合作的出现，使得传统 的相对稳定的市场己变为动态多变的市场，各企业围绕着时间、质量和成本的竞 争越来越激烈。由此出现了一系列先进的制造技术、系统和新的生产管理方法， 与此同时，伴随着计算机科学技术和信息技术的发展，先进设计、制造理论( 如： 并行工程、及时生产、精良生产、敏捷制造和虚拟现实技术等) 的日臻完善，c a 0 技术也正在飞速发展，其应用也在不断的深入，主要体现在： 1 设计信息的集成化和标准化 集成化是指在产品设计开发系统中实现信息流畅通，使产品从构思到实现 在一个系统内完成。为了实现设计信息集成化，使不同系统之间、不同模块之间 的信息交换顺利进行，就必须建立信息交换标准。如目前推广的由i s o 制定的 产品模型数据交换标准。 在产品设计和制造中使信息数据、过程、资源、人员和技术实现最大 程度的集成，减小重复环节，缩短设计和制造周期，从而使产品设计开发 可能进行快速评价、测试、改进，以完成设计制造过程，快速适应市场需 求。而基于计算机技术的数字化设计和制造信息的集成是各种集成的核心。 c a d c a p p c a m 在过去的几十年中得到了迅速发展，并在工业界得到 了较好的应用。三维c a d 能为c a p p 和c a m 系统提供设计的基础信息，通过 特征技术等实现c a d 与下游c a p p 、c a m 等应用系统的信息集成。 2 设计方式的并行化和协同化 随着集成技术的发展，人们逐渐意识到在集成的设计环境中，串行的设计过 第一章绪论 程往往不能满足设计需求，因此研究人员提出了并行协同的设计技术。 当前的大部分产品设计都属于面向并行工程的集成产品设计。一个复杂设计 过程，常常是由来自于不同领域的专家组成的设计组完成的，其设计活动需要各 个领域的专业之间频繁交互不同形式的信息之间的双向交流，整个设计过程具有 随机性、复杂性和冲突性的特点，许多过程中的约束和关系难以描述。因此，需 图1 1 要寻求一个合适的模型对产品生命周期活动中涉及的所有相关信息进行统一的 描述和表达，充分反映与设计相关的各类确定与不确定信息，以保证产品开发过 程中各种设计活动的统一协调和并行进行。 协同化是指不同的设计人员之间、不同的设计组织之间、不同的部门工作人 员之间，可以通过计算机网络实现实时交互协同设计。协同环境应有如下要求( 1 ) 设计环境不是面向单一的设计者，应面向整个设计队伍，应提供个并行集成的 系统框架，提供参与者入口，并行协同地完成整个设计任务。( 2 ) 设计、信息控 制与管理，实现设计者与设计者之间，设计者与工艺师，以及其它部门的工程师 之间信息交流与共享( 3 ) 设计的每个环节应考虑产品全生命周期乃至产品及其 零件、部件的循环使用和回收利用的整个过程。 并行工程的哲理要求c a d 系统必须支持装配层次的产品建模，其本质就是 解决机械产品设计过程中的功能一结构映射问题。但由于机械产品结构的多样性 和复杂性并行协同的使能技术有信息管理技术( p d m ) 、分布式问题求解与智 能主体技术。 3 面向集成制造和分布式经营管理的工程设计 在传统的制造体系中，产品设计师对制造过程考虑较少。这必然带来不必要 的过程反复、质量下降和周期延长。现代工程设计不仅面向需求，同时面向制造 和经营管理。设计过程中不仅对功能和结构优化，同时对制造工艺、行销和服务 实施优化，从而达到提高竞争力的目标。面向集成制造的重要趋势是使得设计过 程和成果能以最快速度转入制造过程。 面对制造和装配过程的设计原则是利于实行快速低成本制造和装配。d f m a ( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r i n g a n da s s e m b l y 。简称d p m a ) 是基于c a d c a m c m m c n c 技术、快速成形工艺技术、快速连接技术、产品的标准化和模 第一章绪论 块化、集成技术、成组技术( g p ) 、f m s c i m s 精益制造( l p ) 、敏捷制造和虚拟工 厂等，并与相应的分布式信息管理和过程管理协调。 4 智能化设计 智能c a d 是人工智能技术( a 0 、现代产品设计技术和传统c a d 技术相结合 的一门综合性研究领域。它能有效地克服传统的c a d 系统的许多不足，使c a d 系统具有较大的可变性，并促进设计的自动化。智能化产品设计支持系统能辅助 产品设计人员的设计工作，特别是经验不够丰富的产品设计人员的设计工作。必 须指出的是，智能c a d 技术的发展目标不是实现“完全的设计自动化”，而是 以一种符合设计人员习惯的方式，帮助他们完成设计工作。实现智能c a d 技术 的关键是如何将设计知识表达出来并能提供一种合适的使用这些知识的方法。 智能设计是近来讨论较多的技术，一般常采用专家系统辅助设计人员进行设 计。其中基于实例的推理、人工神经网络、遗传函数等方法得到了广泛的重视。 在大批量定制设计中有人提出采用基于实例的进化设计来实现。可在一定程度上 促进设计的重用，加快设计的速度。 1 3 企业对产品设计的需求 产品需求的多样化、复杂化，产品生命周期的缩短以及产品市场的全 球化，迫切要求产品设计和制造以最快的速度、最高的质量、最低的成本 和最好的服务来适应变化的市场需求，所以制造业的竞争也是围绕时间、 质量、成本和服务的竞争。在此背景下，新的设计制造思想和理念如并行 工程、敏捷制造、智能制造、全能制造等概念不断涌现，对制造业的发展 产生深远影响。归结起来，现代产品工程设计与制造的发展趋势是数字化、 集成化、并行化、网络化、智能化。 随着全球经济一体化的迅速发展，产品竞争目益激烈。我国从计划经 济向市场经济转变，产品亦由卖方市场转为买方市场，在这一形势下，机 械产品朝着多样性、多功能、系列化、自动化方向发展，用户的个性化需 求越来越广泛，产品更新换代周期越来越短。为此，企业为扩大竞争和生 存空间必须快速开发和制造出质高价廉的创新产品。以数字化、集成化、 并行化、网络化为基础，以缩短产品设计周期为目标的快速响应设计技术 受到重视。实现机械产品的快速响应设计，论文研究用模块化设计等现代 技术手段，针对特定产品构建快速响应设计平台，以提高企业的产品市场 竞争力。 创新、速度、成本成为当前c a d 面临的关键问题。c a d 技术具有如下的 发展趋势：产品设计系统应支持产品全生命周期的信息及过程的集成：。设 计系统框架结构中能够有效地集成产品各阶段领域知识，形成智能c a d 系统； 产品设计系统具有快速响应用户需求能力；具有创新能力。因此，智能化、 集成化、柔性化、并行化、实用化是c a d 发展的必然趋势。 第一章绪论 1 ，4 面向产品的变形设计技术 1 4 i 面向产品的变型原理及研究意义 机械产品的设计包括系列化设计和变型设计。系列化设计是拓扑结构不变， 结构参数、工艺参数则根据工况要求进行调整。传统产品设计以参数化和系列化 设计为主。随着市场竞争的加剧，这种方法已不能满足企业的需求。因此面向产 品的变型设计被越来越多的学者关注。 变型设计是指提取已存在的设计或设计计划、进行特定的修改以产生一个和 原设计相似的新产品。这种修改般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征， 是一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、 低成本地生产新产品以满足不断变化的市场的要求。p a h l 和b e i t z 最早将设计 分为初次设计( o r i g i n a ld e s i g n ) 、适应设计( a d a p t i v ed e s i g n ) 、变型设计 ( v a r i a n td e s i g n ) ，并指出在实际的设计工作中大约7 0 属于适应性设计和变 型设计。 因此，变型设计则是在原有产品的基础上，按市场需求进行结构重组，充 分利用企业的产品信息资源，大大简化产品的设计过程，最大限度地控制新零件 的种类和数量，并在加快整个生产周期的同时，有效地控制成本和保证质量。它 的实现过程可以最大限度地重用企业已有的成熟产品资源，具有很强的灵活性和 适应性，从而成为快速产品设计中的关键技术。变型设计是如此重要和存在如此 广泛，这在客观上要求c a d 系统能够支持这种设计方法，但目前存在的c a d 系统 对这种设计方法的支持程度十分有限，因而使有关交型设计的理论和方法成为当 今c a d 研究的一个重点。 产品变型设计的c a d 系统要支持这种设计方法必需满足以下要求： ( 1 ) 提供维持原有产品功能、原理的方法和工具： ( 2 ) 提供对已存在设计的有效管理和组织的手段，方便对设计的检索和存 取： ( 3 ) 提供对己存在设计的快速修改的方法和工具。 1 4 2 支持面向产品的变型设计的关键技术 面向产品的变型设计的有两个意义：一是通过产品配置组合标准模块形成满 足客户需要的产品；二是对不能满足客户需求的模块进行的定制设计。这就要求： ( 1 ) 要有产品配置功能，对产品模块进行管理，为销售人员提供定义客户需求的 工具；能够提供最接近客户需求的实例，并提供零件变型的影响链，为设计人员 进行定制设计提供最高的起点；( 2 ) 能够提供专家系统或支持变型的数据库，为 设计人员提供众多的参考方案；( 3 ) 提供完善的合作机制，使设计人员能够群策 群力，快速形成多种设计方案，并得到最终设计。客户需求和相应的设计结果通 过格式化，能够丰富原产品模型。支持变型产品设计的关键技术有：参数化技术、 第一章锗论 变量化设计、模块化技术、智能设计技术等。 1 参数化设计技术 参数化技术是将结构模型与参数进行关联，有效地反映出参数的变化对结构 的影响，随着计算机技术发展，基于参数化实体设计工具出现，产生了变量化技 术，及时迅速地反映出设计过程中参数及几何约束对设计结果的影响。 参数化( p a r a m e t r i c ) 造型系统是一种尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e i l ) 系统。采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数 与几何约束集相联系，因此改变尺寸值就能改变图形。其主要技术特点是： 基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。 1 ) 基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其 所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几 何形体的构造； 2 ) 全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对 几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) ，不能 漏注尺寸( 欠约束) ，不能多注尺寸( 过约束) 。 3 ) 尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 4 ) 全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以 全盘更新。 采用这种技术的理由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何 形状均以尺寸的形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑 下尺寸的数值即可实现形状上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统 的基本功能。 工程关系( e n g i n e e r i n gr e l a t i o n s h i p ) 如：重量、载荷、力、可靠性 等关键设计参数在参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立 联系，它需要另外的处理手段。 参数化造型系统一般不能改变图形的拓扑结构，因此想对一个初始设计 做方案上的重大改变是做不到的，但对系列化标准化零件设计以及对原有 设计作继承性修改则十分方便。 2 变量化设计技术 变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。 变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸 驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。 变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形 状约束和尺寸约束，而不是像参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。 采用这种技术的理由在于：在大量的新产品开发的概念设计阶段，设计 者首先考虑的是设计思想及概念，并将其体现于某些几何形状之中。这些 第一章绪论 几何形状的准确尺寸和各形状之间的严格的尺寸定位关系在设计的初始阶 段还很难完全确定，所以自然希望在设计的初始阶段允许欠尺寸约束的存 在。此外在设计初始阶段，整个零件的尺寸基准及参数控制方式如何处理 还很难决定，只有当获得更多具体概念时，一步步借助已知条件才能逐步 确定怎样处理才是最佳方案。 除考虑几何约束( g e o m e t r yc o n s t r a i n t ) 之外，变量化设计还可以将工程 关系作为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模处理。 3 模块化设计技术 模块化设计是快速响应设计的核心，它用功能模块组成产品，模块的可 互换性和可组合性是实现产品快速设计的基础。根据模块化思想，产品将 由传统产品一部件一零件的构成模式转变为以模块和模块单元组成产品的 模式。 模块化制造是用模块化的概念构造整个生产系统，即以模块化装备构造 模块化生产系统( m p $ ) ，以产品模块组织生产和管理，形成企业的经营模式。 从产品设计、制造系统设计，制造过程的实施和管理，均采用模块化技术， 按这一原则组成的制造系统称为模块化制造系统。 模块化设计与制造具有以下优点： 1 ) 缩短产品的设计与制造周期。据统计，在设计过程中利用模块化设 计能节约时间5 0 。在新产品开发时，由于系统中存在大量通用模块，产品 设计时间可大为缩短；进行新产品开发时，只要增加少量专用模块就可组 成满足用户所需的特定产品品种： 2 ) 有利于提高新产品的开发质量。因为模块为独立单元，可根据科技 发展的情况和可能，将新技术用于模块的设计，并进行实验考核，待结构 可靠、性能稳定后，取代老的模块结构，以加速产品更新换代。 3 ) 有利于降低成本，增强产品的竞争能力。由于按模块组织生产，使 得大多数的零部件由单件、小批量生产转变为批量化生产，因此便于采用 先进工艺和专用设备组织专业化生产。在提高产品质量的同时，有助于提 高劳动生产率，降低制造成本和减小废品率。 4 ) 适于产品的大规模定制和满足产品客户化的需求。大规模定制是企 业采用各种技术和管理手段在大规模生产模式下实现产品对顾客的个性化 定制，并要满足预定的成本和时间目标。采用模块化设计，建立合理的产 品族结构，用大批量生产的成本实现产品的多品种、小批量个性化生产。 因此模块化设计是实现大规模定制的前提和条件。 4 智能设计技术 在面向产品的变型设计中，设计知识与经验的有效利用对于产品的设 计效率和质量具有重要影响。因此，对于一个产品变型设计智能支持系统来说， 首先需要解决的问题就是提供一个合理、有效的机制以利于多种知识、方法和技 术在问题求解过程中的协同运用。设计知识的采集、表达和推理方法一直是 笫一章绪论 研究的热点 1 2 1 4 ，其中基于实例的知识采集和推理( c b r ) 是a i 技术中 的一项重要技术。 ( 1 ) k b e 技术 k b e ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 是近年来逐渐引起重视的工程设计 技术，目前还没有一个完整统一的定义。一般认为k b e 系统具有如下特点： 一个具有独特知识表示方法的知识处理系统。设计者通常不能应用直 接或者立即得到的知识来求解工程问题。用模式匹配或逻辑推理规则进 行问题求解过程的推理，而不是用数学模型来计算出一个结果。k b e 技术 最大的特点是与c a d 环境相集成，将知识推理和几何推理相结合，从而使 设计知识与经验得到重用。k b e 使设计师将精力集中在优化设计上而不再 是几何建模，主要考虑想要做什么，而不是如何去做。因此k b e 技术可极 大提高设计效率，保证设计质量，不可能产生违反规则的设计，因为设计 是由规则产生的。k b e 技术保证了设计方法的一致性，提供了持续质量改 进的机制，因为设计知识可不断地被加入和重用。目前k b e 技术在c h r y s l e r 和f o r d 等汽车公司都得到了应用，如由产品图进行锻件图的自动设计以及 车体面板加强筋的设计，后者的设计时间从6 8 周缩短到一个小时左右。 ( 2 ) c b r 技术 在实际的产品设计过程中，设计人员一般会参照与当前设计任务相似的样板 和经验。当找不到相关经验与样板时，才应用一般设计法则和知识经过推理与决 策进行创造性设计。而以往的以专家系统技术为基础的智能设计系统，则是以规 则推理来实现智能设计的。研究表明，真正的专家在设计时更加依赖的是设计经 验，而不是借助规则来进行设计的。 实例推理c b r ( e a s e b a s e dr e a s o n i n g ) 技术是新兴的人工智能技术。近年来， 国际上出现了将c b d ( c a s e - - b a s e dd e s i g n ) 系统的研究和开发引入设计领域的趋 势。c b r 是一种类比推理方法，它提供了一种近似人类思维模型的建造专家系 统的新的方法学，这与人对自然问题的求解相一致。c b r 专家系统的基本原理 是把以前的实例按定的方式组织起来，存储到案例知识库中，即以实例知识库 模拟人脑的记忆，按一定的组织方式存储一些过去的相关经历( 实例) ，在寻求新 解时，通过检索实例知识库，找出与新问题相似的一个或几个实例，当被检索出 的实例与新问题的情况不一致时，对旧的实例做出修改，以满足新的情况或问题 的解。因此c b d 是组合或修改己存在的设计结果，产生满足新设计要求的新设 计的过程。工程设计过程是基于实例的过程，可以说，所有的设计问题都是面向 实例的。 c b r 推理技术则可避免这些问题，并具有如下优点： ( i ) c b r 推理不需要精确的领域模型，因而知识的提取变成了一个收集实例 的过程： ( 2 ) c b r 推理的执行过程简化为确定描述实例的典型特征，这比产生一个精 确的模型或众多的规则要容易的多； 弟一覃绪诧 ( 3 ) 应用数据库技术，可以解决大量信息的管理问题； ( 4 ) c b r 系统能通过把新的知识转换为实例而实现自学习，这样使系统的维 护容易。 1 5 面向产品的变型设计目前存在的主要问题 目前的c a d 系统在支持变型设计方面存在严重不足，主要表现为以下几 个方面： ( 1 ) 只能提供几何模型，且是零件级设计，没有记录零部件间的装配信息， 也没有记录设计过程中大量存在的非几何信息，这使变型设计过程信息不足； ( 2 ) 不支持设计的全过程，这使变型设计只能利用原有设计的结果，而无法 了解其产生的过程，导致变型设计中存在对原有设计的理解问题， ( 3 ) 缺少对企业已有资源的有效组织和管理手段，大量的企业资源的组织只 是以文件名集的形式存在，这不仅不便于设计人员的查询和重用，同时由于这种 组织方式和设计的过程存在分离的局面，也不利于设计工作的进行： ( 4 ) 缺少对原有设计快速修改的高效工具和良好的人机界面。 1 6 课题的提出 1 6 1 课题提出的背景 1 、企业设计制造特点 在以生产系列化产品为主的传统企业中，随着市场竞争的加剧，变大批量的 生产模式为多品种小批量生产以满足用户的需求，在系列化产品基础上以最短时 间设计生产出满足需求的个性化变型产品。例如液压缸设计，我们国家已有液压 缸结构和系列标准，而且生产企业也在多年的生产实践中形成了适应本企业的成 熟结构形式和系列参数，但在市场经济条件下，企业除了生产标准缸外，还要根 据用户的订单要求进行变型设计。因此，企业急需一个变型设计环境，利用企业 设计制造资源，设计制造出质量、成本、时间都具有竞争力的产品，并利用先进 的设计技术对传统系列化产品进行改造。 2 系统集成需求 一个产品由接受用户定单到提交产品到用户手里，包括设计、制造、管理、 服务等环节，这些环节构成了产品生命周期，而一旦根据用户需求确定产品结构 以后，后面的环节都围绕着产品进行的，如图l 3 所示。设计作为其中的主要 环节，为下游过程提供产品的结构、工程数据，因此面向产品族的变型产品的快 第一章绪论 幽l 一3 速设计系统应满足： ( 1 ) 系统应能根据用户需求，快速设计出满足要求的产品。 ( 2 ) 综合考虑产品设计、制造、使用等各个阶段对产品信息的需求，模块 化设计环节产生的与下游有关的信息( 如制造、装配等) 能有效地表达、保存与 传递，整个系统应适应产品变型。 综上所述，并结合天津市自然科学重点基金项目“c a d c a p p 集成系统关 键技术研究( 项目编号为0 0 3 8 0 4 8 1 1 ) ”，本课题提出“面向机械产品族的变型设 计技术及其应用研究”。 1 6 2 课题主要研究内容 综上所述，有效支持面向产品族的变型设计理论和方法及其实现手段是很有 必要的。同时将现代设计理论和方法结合传统技术，在面向产品族的变型设计系 统的开发中有机地融入现代产品设计特征，如并行工程、计算机集成建模、集成 产品开发、智能设计等，使变型设计技术具有更大的内涵、功能、目标，建立更 为完善高效的现代产品设计体系，适应目前企业需求。本课题将从面向产品族的 变型设计的理论方法及系统实现上进行研究，并对满足产品变型设计的模块化技 术进行了重点论述。 面向产品族的变型设计技术研究主要在以下几方面：产品族的建模和规划、 产品数据管理技术、支持产品资源重用的智能设计技术、支持产品变型的软件系 统构建技术。研究适用于产品变型设计与制造的产品设计信息的表达、管理技术； 将基于实例、基于知识的产品设计技术与黑板推理策略相结合，构建支持产品设 计、制造的c a d 框架结构，实现产品的快速变型设计；研究可适应性模块化技 术，应用a g e n t 技术、知识表达、模糊决策等人工智能技术构建多知识策略的智 能模块体，支持产品的系列化设计及变型设计；研究面向变型产品的模块化设计 1 6 第一章绪论 技术的意义。并以液压缸为例，建立液压缸智能设计系统。因此，本课题主要研 究： 研究p d m 框架下c a d 子系统的数据管理技术。 建立可适应性模块设计系统，研究可适应性模块化技术。强调系统对用 户需求反应的灵敏性和本身的多用性、可变性及系统的柔性及通用性，使模块化 系统不仅适应客户的需求，而且适应技术进步，使企业能够根据市场需求和技术 发展及时地对产品重组改造： 建立基于知识、模块化的产品模型及产品信息管理系统。能最大限度地 重用已有产品模块及其设计知识，使快速设计成为能支持富有竞争力的快速产品 设计策略的最有力的工具； 研究基于产品生命周期的模块化产品设计信息的表达、管理技术。使模 块化产品变型设计过程支持产品全生命周期的信息及过程的集成； 构造面向具体产品的面向产品变型的快速设计集成平台：提出适合产品 变型设计的软件体系结构，并籍此建立了液压缸模块化快速产品设计系统，作为 范例并对系统进行了测试。 第二章c a t i a 二次开发及数据库技术实现和应用 第二章c a t i a 二次开发及数据库技术实现和应用 2 1c a t i a 软件二次开发技术 2 1 1c a t i a 简介 c a t i a ( c o m p u t e r a i d e dg r a p h i c st h r e ed i m e n s i o n a li n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ) 是由法国达索系统公司( d a s s a u l ts y s t e m e s ) 开发，由i b m 公司负责在全球销 售和技术服务的c a d c a m c a e 集成系统。 c a t i a 系统自1 9 8 1 年进入市场以来；在国际、国内汽车行业和航空制造行 业得到广泛使用。目前，在全球范围内c a t i a 系统的装机总量已超过1 0 0 0 0 0 套， 用户数量超过风1 0 0 0 0 家，是目前国际上汽车行业、航空制造行业装机占有率最 高的