（机械制造及其自动化专业论文）基于sml的零件工艺变型设计关键技术与系统研究.pdf

摘要 论文结合国家8 6 3 计划项目“基丁：s m l 的协同产品设计、制造与测量系统一p r o n e t ”和 浙江省科技厅重人攻关项目“快速响应客户需求的产品设计和生产管理系统的研究及其在汽 车配件制造业中的应用”，以零件族为对象，对零件工艺变型设计中的支持工艺变型的零件 族建模方法和基于事物特性表s m l 的工艺变氆等天键技术进行研究，并设计与开发了一个 工艺变型设计原型系统。 第一章介绍了论文研究的背景、对象和目标。通过对国内外相关研究现状的分析，表明 零件几何变犁技术己相对较为成熟，而零件的t 艺变l ! 研究较为薄弱，在此基础上提出论文 研究的主要内容，弗给出了论文的组织结构。 第二章研究了支持工艺变型设计的总体技术。运用公理设计理论提出了基于s m l 的零件 工艺变型设计方法和基于跏l 的零件工艺变型设计的过程，实现零件工艺变型设计的关键包 括支持工艺变型的零件族建模技术和基于s i 4 l 的工艺变型技术。 第三章研究了支持工艺变型设计的零件族建模技术。支持工艺变型的零件族模型包括几 何模型和工艺模型，其中几何模型的建立包括几何造型建模、工艺特征建模、事物特性表建 立三步，而工艺模型的建立包括工艺过程建模和工艺卡片建模，并采用加工特征“装配过程” 来建立几何模型与工艺模型间的关系。 第四章研究了基于s m l 的零件工艺变型设计技术。基于$ m l 的零件工艺变型设计过程包 括基于s 虬的零件几何变型、工艺路线变型和工序号片变型三个步骤，探讨了事物特性表驱 动零件族工艺模型来实现工艺变型的机制。 第五章和第六章分别贪绍了一个基于s m l 的零件工艺变犁设计原型系统的设计方案和 运行实例。 最后对论文的研究工作进行了总结和展望。 关键词：零件族建模；工艺变型设计；事物特性表s m l ；公理设计 a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ac o l l a b o r a t i v e s y s t e m f o rp r o d u c td e s i g n m a n u f a c t u r i n ga n dm e a s u r e m e n tb a s e do nt h es m l - p r o n e t ( n o 2 0 0 5 a a 4 11 9 1 0 ) ”a n dm a j o r r e s e a r c hp r o j e c to f z h e j i a n g “r e s e a r c ho np r o d u c td e s i g na n dp r o d u c tm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mf o rq u i c kr e s p o n dc u s t o m e rd e m a n da n di t sa p p l y i n gi na u t op a r t ( n o 2 0 0 4 c 1 1 0 0 4 ) ”， t h em e t h o d o l o g yf o rp a r tm o d e l i n gs u p p o r t i n gp r o c e s sv a r i a n td e s i g na n dt h ek e yi s s u e si np r o c e s s v a r i a n td e s i g nb a s e do ns m la r ei n v e s t i g a t e do r i e n tt op a r tf a m i l y a n das y s t e mf o rp r o c e s s v a r i a n td e s i g ni sd e v e l o p e d c h a p t e r1 ，t h ep a p e r sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，f i e l d ，t a r g e ta n dv a l u ea l ed i s c u s s e d a n a l y s et h e r e l a t i v er e s e a c hs t a t u sb o t hh o m ea n da b r o a d ，g e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h et e c h n o l o g yo f p a r tv a r i a n t d e s i g ni ng e o m e t r i c a ld i m e n s i o ni sc o m p a r a t i v e l ym a t u r e ，b u ti ti sw e a ki np r o c e s sv a r i a n td e s i g n f i n a l yg e to u tt h em a i nc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o na n dt h es t r u c t u r e c h a p t e r 2 ，d i s c n s s e s t h e t e c h n o l o g y o f p r o c e s s v a r i a n t d e s i g na sa w h o l e u s i n g t h e a x i o m a t i c d e s i g np r o p o s e st h em e t h o d sa n dt h ep r o c e s so fp r o c e s sv a r i a n td e s i g no fp a r t sb a s e do ns m l t h ek e yi s s u e so fp a r t s p r o c e s sv a r i a n td e s i g ni n c l u d et h em o d e l i n gt e c h n o l o g yo r i e n tt op r o c e s s v a r i a n td e s i g na n dt h ev a r i a n tt e c h n o l o g yb a s e do ns m l c h a p t e r3 ，p a r tf a m i l ym o d e l i n gt e c h n o l o g yo r i e n tt op r o c e s sv a r i a n td e s i g ni ss t u d i e d t h e p a r tf a m i l i ym o d e l si n c l u d eg e o m e t r i c a lm o d e la n dp r o c e s sm o d e l t h eg e o m e t r i c a lm o d e l i n g c o n s i s to f g e o m e t r i c a lf i g u r em o d e l i n g , p r o c e s sf e a t u r em o d e l i n ga n dc o n s t r u c tt h et a b u l a rl a y o u t s o fa r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s t h ep r o c e s sm o d e l i n gi n c l u d e sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dw o r k i n g p r o c e d u r em o d e l i n g , a n dt h e nw ec o n s t r u c tt h er e l a t i o n s h i po fg e o m e t r i c a lm o d e la n dp r o c e s s m o d e lb ya s s e m b l i n gt h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s c h a p t e r4 ，t h ev a r i a n tt e c h n o l o g yo fp r o c e s sb a s e do ns m li ss t u d i e d t h ep r o c e s sv a r i a n t d e s i g nb a s e do ns m lc o n s i s t so ft h r e ea s p e c t s ：p a r t s g e o m e t r i c a ld i m e n s i o nc h a n g e ，p r o c e s s c h a n g ea n dw o r k i n gp r o c e d u r ec h a n g e d i s c u s st h ep a r a m e t e r sd r i v ep r i n c i p l ef r o ms m lt op a r t s p r o c e s sm o d e lv a r i a b l e c h a p t e r5a n dc h a p t e r6 ，s e p a r a t e l yd i s c u s st h es y s t e m sd e s i g ns c h e m e ，d e v e l o pm e t h o da n d t h ea p p l i c a t i o ne x a m p l e c h a p t e r7 ，s u m m a r i z ea n dp r o s p e c tt ot h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：p a r tf a m i l ym o d e l i n g ；p r o c e s sv a r i a n td e s i g n ；s m l ；a x i o m a t i cd e s i g n h 学号2 1 生望殳 ! 独创性声明 木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及取得的研究成 采。据我所知，除了义中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，电不包含为获得迸姿盘茔或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已存论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：鸯岔玉齐 签字日期： z 卯占年占t h 尹日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权迸至三盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位沦文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；鸯金讳 导师签名： 签字日期： 砌占年石月，h签字日期：跚乇年6 月7 日 学何论文作者毕业后去向： 上作单位：上海卫星工j 诬研哓听 通讯地址： 上海阏钉匡年宁路二皇压 电话： 邮编：2 d d 2 4 口 第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章对零件变型设计及其工艺变型设计的研究背景进行了分析，限定了本文的研究范 围，讨论了论文的研究目标和意义，详细地分析了国内外有关零件变型设计和工艺变型设计 的研究现状，在此基础上提出了本论文的研究内容。 1 1 研究背景、范围与意义 1 1 1 研究背景 快速响应客户需求是现代制造企业面临的重要问题，快速产品开发不仅仅是产品设计， 而且还包括工艺设计、制造系统设计，最后生产出满足客户需求的产品。目前对产品设计研 究较多，在众多的产品设计技术中，变型设计是较为常用的技术，但是目前缺乏对工艺、制 造系统等变型的研究。 本文是在以f 几个技术的背景下进行研究的： 1 ) c a d 技术：现有商品化c a d 系统具有较强的参数化的功能，可以支持产品快速设 计。 8 0 年代中期，正当实体造型技术逐渐普及之时，c a d 技术的研究又有重大发展，出现 了一种比无约束自由造型更加新颖、更好的算法一参数化实体造型方法。这种算法的特点 主要有以下几点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。p t c 公司研 制的名为p r o e n g i n e e r 的参数化软件，第一次实现了尺寸驱动零件设计修改；进入2 0 世 纪9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来，并涌现了一些其它的参数化c a d 软件公司， 如：c a t i a ，s d r c ，c v ，u g ( u n i g r a p h i c s ) 等。 参数化模型可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解比较简单，参数与设计对象的 控制尺寸有明显的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动，所以参数化c a d 技术可以为变型 设计提供技术支持。 2 ) c a p p 技术；c a p p 在企业信息化中占有重要的作用，自从8 0 年代以来，我国开始 对其进行重点攻关，但是现在还缺乏成熟的c a p p 系统 c a p p 存在零件信息二次输入的问题，事实表明：c a p p 的信息是在c a d 系统绘出 工程图后。由c a p p 系统使用者对照已有零件图用手工再次输入的，这种方法在实际生产中 是行不通的和不受欢迎的，因为输入过程繁琐、费时、易出错，从而制约了c a p p 系统的普 及。 除了以上问题，制约c a p p 走向成熟的还有其它几个方面的问题：c a p p 系统的工艺决 策问题至今没有解决，系统的通用性问题、工艺决策中所用的数据库的建造问题、工序间尺 寸的计算问题等等。 3 ) s m l 技术；事物特性表技术可以对零件变型设计、工艺的变型设计等提供支持， l 第一章绪论 但是目前应用性的研究还不多 事物特性表技术起源于德国，是指表征产品( 包括部件、零件) 的功能、几何、制造 等事物特性并以同定格式表的形式反映出来的信息集合。并且在1 9 7 1 年制定了作为c a d 标准件文字信息库基础的d i n 4 0 0 0 事物特性表系列标准，后来丁二1 9 8 1 年颁发了d i n 4 0 0 0 1 事物特性表定义和原理。我国于1 9 8 8 年采用d 1 n 4 0 0 0 1 而颁发了g b 厂r 1 0 0 9 1 1 事物 特性表定义和原理。 建立事物特性表的主要目的是构建能够进行参数和尺寸关系变型的积木块零什系统，支 持有效地检索和变型设计。一个合理的事物特性表，不仅可以方便地进行零件的变型设计， 而且能够有效地实现f 游 艺的变型响应。 在产品的不同层次，事物特性表描述不同的内容，如在零件层次上，它描述零件的几何 特性；在_ = 艺层次上，它描述加一r 前后引起的零件形体变化部分的空间装配及各部分对应的 工艺信息，事物特性表还可以表达各个部分之间的关系。由于事物特性表存储着零件主模型 及其工艺主模型的各个实例化对象和它们之间的关系，所以，可以通过事物特性表来实现零 件的变型设计和工艺的变型设计。所谓主模型是指在c a d 系统中将零件的几何图形和工艺 规程表示成参数化的变型模型，通过给参数赋不同值，可以从主模型中派生出所希望的产品 描述( 实例) 。 应用s m l 进行变型设计的研究还不多，本文将在1 2 节进行详细介绍。 4 ) 变型设计技术：目前研究较多的是几何变型或产品装配关系的变型，缺少对工艺以 及制造系统变型的支持 变型设计技术在零件几何变型中的应用，主要是结合事物特性表技术建立可变型的尺寸 参数表；或者是采用建立分层建模的方法，在产品建模过程中采用自项向下规划和自底往上 的实施过程，零件的设计、零件的表达所需要的数据和数据关系可以直接从产品装配结构中 继承，这样就有了零件的形状模型和其零件的变型尺寸参数。 装配产品变型设计的研究比较多，如：关系型产品模型、双向式分层建模、采用t b s 概念的装配模型建立方法的研究等，变型技术在产品级的应用主要体现在产品装配关系的变 型。但是无论是零件还是产品的变型都是体现在几何方面，而缺少对工艺及制造系统变型的 支持。 本文是在以上分析的研究背景下，采用事物特性表( s m l ) 技术，研究零件变型设计 的方法与技术，重点研究工艺变型设计。 1 1 2 研究范围 完整的变型设计可能涉及的领域是较广的，如图l _ l 所示，既包括零件级的变型设计又 包括产品级的变型设计。产品级的变型设计包括产品族模型的建立，产品装配关系变型和装 配加i i 艺变型；零件级变型包括零件几何变型、零件工艺变型和数控加工n c 代码变型等。 而且完整的变型设计中的产品变型和零件变型不是孤立的，而是应该具有一致性和集成性 2 第一章绪论 的，正如产品模犁的层次性一样，变型设计也具有层次性。 图1 1 本文研究范围设定 零件几何变型包括零件模型的建立和零件变型的实现，零件工艺变型包括支持工艺变型 的零件族模型的建立和工艺变型的实现，同理，n c 代码的变型也包括建模和变型这两个阶 段。如图1 1 所示，产品族的变型设计是在建立在零件族的基础上的，而零件族变型的前 提工作是对零件族进行规划，建立零件族。 本文研究的范围不涉及产品，以零件族为对象；同时不研究零件族的规划方法，假设已 经规划好零件族，图中椭圆形内的部分是本文重点研究的内容，包括支持工艺变型的零件族 模型的建立和零件族变型( 包括零件几何变型和工艺变型) 的实现方法。 i i 3 研究目标与意义 1 ) 研究目标 本文的研究目标主要体现在以下三个方面： 建立零件族的参数化工艺模型。参数化工艺模型是实现工艺变型的前提条件， 目前还没有一种变型是在脱离了建模的基础上进行的。零件族的参数化工艺模型不 同于零件的参数化几何模型，零件的参数化几何模型能很好的支持零件的几何变 型，但不能支持工艺变型，因此要支持工艺变型设计，就必须重新建立零件族的参 数化工艺模型。 研究零件工艺变型设计技术。工艺变型设计的实现在只有零件的工艺模型的基 础上是行不通的，还需要一种技术可以来改写模型中的信息，从而生成新的工艺实 例。工艺变型设计技术与零件的几何变型的实现技术具有同样的机制，但是由于工 艺的复杂性而使其具有一些独特的功能。 开发支持零件工艺变型的应用系统。变型设计的实现还需要应用系统的支持， 3 第一章绪论 本文将开发一个支持工艺变型的应用系统 2 ) 研究意义 设计不是终点而是起点，通过本文研究，试图实现零件变璀设计与工艺变硝设计的集成， 为真正实现快速响麻客户需求奠定基础。 研究的意义主要体现在技术上，包括支持j = 艺变型设计的零仲建模技术和啊 艺变型技 术。实施快速响应工稃的主要内容中的其中两个模块分别是：实现产品的快速设计和推行快 速响应制造的生产体系，工艺变型技术的研究是基于产品设计的，但是着眼丁：制造环符的， 所以将成为联结c a d 和c a m 的纽带，使产品全生命周期的生产活动有机地联系起来，从 而推进快速响应j ：稃的实现。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 零件建模的研究现状 从国内外现有的研究成果分析，建模研究主要包括产品的建模和零件的建模，其中对 于产品族的层次模型研究得比较多。但无论是零件建模还是产品建模都没有建立相应的工艺 模型，即所建立的模型都不能支持相虑的零件或产品的工艺变型设计。 产品模型是对整个产品生命周期内产品，零件、部件等产品资源、知识和信息的描述， 不单要建立组成产品的零件的模型，还要对零件或组件之间的关系建模；零件建模是产品建 模的基础组成部分，同时零件模型也是为了支持零件的变型设计而建立的。 乔进友”提出了简单族和结构族的概念，所谓简单族是指具有功能、结构、制造相似 的简单件的集合，可以理解为零件族：结构族是指具有相同装配规范的结构件的集合，可以 理解为产品族。 产品族建模和零件族建模具有相辅相成的关系，零件的设计和零件的表达所需要的数 据和数据之间的关系可以直接从装配组件或产品中继承，这样就有了零件族的形状模型和它 隐含的数据关系，然后建立零件族的事物特性表并与其形状模型建立关系，这样便形成了一 个零件族的模型。相反，零件族模型又决定整个产品族模型的结构。 王峰”提出了全息产品建模技术，把全息模型看成是几何模型和信息模型的有机组合。 其中，几何建模包括三维参数化零件建模和三维参数化产品建模，信息模型分为结构化的属 性信息和非结构化的经验知识信息。全息的含义是表达这种建模技术把与产品全生命周期相 关的各种信息都集成在一个模型中。 何波“1 等提出了双向式分层建模的概念。把产品的建模过程分为三个层次：概念层， 装配层和零件层。模型的顶层是概念层，建立的模型是概念模型，它是建立产品模型首先要 建立的模型；零件层处于最底层，在这一层建立零件模型；装配模型则处于中间的装配层。 此外，参数化模型的建立适合于产品或零件规格变化时，模块化模型的建立适合于产品 或零件型号的变化，还有基于事物特性表的建模。 4 第一章绪论 参数化建模“以其强有力的草图设计、特征造型、尺寸修改的功能，成为初始设计、 产品和零件建模及其修改、系列化设计、多方案比较的有效手段。并在实体造型，装配，公 差分析与综合，机构仿真，优化设计等领域发挥越来越丈的作用。 模块化建模”1 需要首先建立成组技术系统，即将构成产品的具有相似功能、作用、相 同结构、位置的模块作为组，模块之间根据结构组成不同和具体的功能参数不同而相互区 别。在变型设计过程中需要确定某一功能模块时，就在相应得模块中进行调整、选择。 基于事物特性表的建模”1 通过事物特性表把不同层次的产品信息联系起来。在零件层， 它描述零件的几何特性；在装配层，它描述参与装配的对象以及各种对象之间的基准定位点。 事物特性表还可以表达各种对象之间的关系。 荷兰的r a f a e lb i d a r r a “1 提出协同产品建模的方法多视图特征建模。将产品的建模分 为详细设计视图和制造特征视图，文中提出了自项向下( t o d o w n ) 的产品建模和任务分 配、自底向上( b o t t o m - u p ) 的零件和组件建模方法。他在文献”1 开发了一个协同特祉建模系 统w e b s p i f f , w e b s p i f f 提供了个将产品分级分解成部件的方案。 荷兰的九n o o r t “”在r a v e lb i d a r r a 的基础上提出了加强型多视图特征建模。这种先 进的建模方法通过所谓的特征视图提供产品不同状态之间的相互翻译，并使各状态下的相互 翻译保持一致性。文中集中在详细设计视图和制造特征视图上进行了研究，研究这两个视图 之间的联系和一致性。 香港的j i a n x i nj i a o “”提出了逐步展开产品族结构( p f a ) 的方法，用合理化思想来指 导产品的设计。文中使用公理设计中域的思想来指导产品的设计，对产品的功能域进行细化， 并将物理域用公式进行表达。 1 2 2 零件变型的研究现状 从国内外的研究现状来看，变型设计的研究般只支持零件几何的变型设计或产品的装 配的变型设计，而不支持零件工艺的变型设计。 ( 1 ) 基于特征的变型设计理论 传统的c a d 系统的零件建模方法是几何建模，是基于形体的几何尺寸的造型方法，所 建立的模型不包括诸如定位基准、公差、表面租糙度、经济精度和材料等工程信息，所以只 是零件的几何表示，不能满足加工制造的要求。 特征设计是面向设计和制造全过程的，它以几何模跫为基础并包括了零件设计、生产 过程所需的各种信息。特征技术的发展给产品和零件的变型设计提供了一种手段，用户通过 对一系列特征的实例化和特征的自动维护达到产品的变型设计的目的。 特征设计是零件级的设计，特征设计在用于变型设计时，一般和参数化设计方法结合。 但是目前的特征还是侧重于零件的几何特征，如：槽、筋、凸台、键槽等，变型设计也主要 侧重零件几何的变型设计；而对工艺特征，如 定位基准、公差、表面粗糙度、经济精度和 材料等工程信息引起的工艺的变型设计很少研究。 第一章绪论 ( 2 ) 基于参数化和变量化的变型设计理论 参数设计和变量设计适用于产品的初始化设计和定型产品系列设计，使产品的设计图纸 可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改。 参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动，但是对 工艺参数对设计结果的驱动研究还不多。 变量设计通过求解一组约束方程来确定产品尺寸和形状，约束可以是几何关系，也可以 是1 = 程关系，包括一e 艺制造约束关系。因其约束的多样性和处理丁稃约束的复杂性，使目前 的变晕设计从系统上无法完全解决变型设计中存在的问题。 ( 3 ) 基于实例推理技术的变型设计理论 基于实例推理技术的核心思想是在进行问题求解时直接利用以往的成功经验“”，将它 应用于设计领域就是直接参考以往的类似的产品或零件实例，通过必要的修改生成新的产品 或零件。这种推理技术符合人们的传统思维形式，所以适合已进行比较大型的结构变型设计 的智能推理，是进行变型设计的基本推理方法。 杨海“2 1 提出了基于实例的变型设计的基本原理和关键技术，其中几个关键环节难点是： ( 1 ) 实例的内容和表示；( 2 ) 实例的组织和检索；( 3 ) 实例的修改。 所以基于实例的推理技术是一种推理方法，可以适用于各种变型设计的领域，如零件 的变型设计，产品的变型设计和工艺的变型设计。 1 2 3 工艺建模的研究现状 目前，对于工艺建模的研究多用于c a p p 系统的开发设计中，支持c a p p 的系统实现的 工艺建模功能同样能支持工艺变型设计的需要，因为c a p p 系统是一个复杂的过程，它能涵 盖工艺变型设计中需要的工艺建模的原理和功能。 邢建国“”提出了工艺可重用的层次性模型。由于零件变型设计具有层次性，零件的层 次分为零件层，结构层和单元层，单元层包含构成零件的基本结构单元和符合结构单元，零 件的每一个层次都是变型的原始对象。所以与零件相对应的零件的工艺路线模型也是具有层 次性的，包括零件工艺层，结构工艺层和单元工艺层，结构工艺层包括各个组合单元的加工 链信息、单元工艺层包括基本单元的加工链信息，各个层次的工艺信息都是变型的原始信息。 许之伟1 提出了零件事例的工艺模型表达。文中将事例分成两部分：一部分是事例的 问题和属性，另一部分是事例的答案。答案对象最为事例对象的一个组成部分记录了该事例 的解决方法和它与子事例和父事例的关系，冈此答案可以理解成是零件事例的工艺部分，所 建立的工艺模型定义为：s o l u t i o n = ( s l t i d ，p 。a ，m ，r ，c ) ，其中s l t i d 是工艺模型的唯 一标志符；p 是操作状态集，由一系列有序的操作组成，可以用链表表示；a 是属性集，每 一个属性是一个具有三元素的集合( a ，t ，v ) ，a 是对象的属性名，t 是该属性的数据类型， v 是其属性值；m 是方法集，每一个方法具有一个多元素的集合；r 是关系集，定义了该工 艺模型与其子项和父项的关系；c 是约束集，每一个约束条件定义了属性的取值范围和使用 6 第一章绪论 条件，同时还包括工艺的知识规则和操作之间的约束条件等工艺知识。 王雷刚“”提出了半轴类零件的工艺模璎，不仅包含了传统c a p p 系统的工艺建模中包 含的几何信息和精度信息，还包含了零件的管理信息、加i ：信息，并把特征模型转化为工艺 数据模型，采片】面向对象技术来表达这个工艺数据模型，能实现c a p p 系统中对零件工艺过 程的全描述。 王新杰“”提出了基于3 d 定鼍化的1 = 艺建模。基于3 d 定量化的工艺模璎由工序图模型、 尺寸链模型和它们之间的映射关系组成。其中3 d 参数化 序图模碰在几何空问内对每个加 工1 二序的状态及各1 ：序之间的关系进行定量描述；3 d 参数化1 序空间尺寸链模型则是在解 析空间对每个加i 1 一序的状态及相关工序之间的尺寸关联进行详细的参数化描述，从而来描 述零件各加- 表面从毛坯到成品的转化过程；两者之间的映射关系用来实现1 二艺设计过程的 参数化双向驱动。 亚利桑那州大学的y a n y a nw u “7 1 提出了几何尺寸和公差的计算机建模方法，来实现公 差的规范化、确认和公差分析。文章以公差的逻辑分类为研究目标，提出了a s m ey 1 4 5 这种公差逻辑分类方案。 意大利的g m o r o n i “”提出了在实体造型中基于公差的变型设计方法。他指出公差和机 械零件和产品中的信息在产品全生命周期中是1 # 常重要的，由于要考虑功能、技术和经济等 方面的因素使公差的设计成了一项非常复杂的任务。文中对公差引起的变型设计方式进行了 研究。 1 2 4i 艺变型的研究现状 目前，对于工艺变型设计的直接实现系统还不多，主要体现在工艺可重用技术的研究上， 工艺可重用技术是研究工艺变型设计的基础。从目前的研究成果来看，工艺可重用大致包括 两个类型：工艺设计方案的重用和工艺设计系统结构的重用。 工艺设计方案重用是指设计方案能有效地利用已有的成熟工艺方案，以尽可能小的修改 代价、以尽快的速度变型出需要的设计工艺。零件的结构实体与加工方法之间、相似结构与 相似工艺之间存在对应性是工艺方案可重用的基础。目前具备工艺方案可重用功能的设计模 式有基于成组技术的派生式设计方式和基于实例的设计方式“”。 基于成组技术的派生式设计系统是建立在成组工艺的基础上的，根据相似性组建零件 族，每一个零件族对用一个成组工艺，通过检索成组工艺并修改实例可以实现零件的工艺变 型设计，其中成组工艺是零件族工艺可重用的信息源。 王平安”1 提出了计算机辅助工艺设计的做法是：应用成组技术，把具有相似或相同特 征的零件分类编码，采用统一的解决方案，利用技术人员的经验，对工艺进行优化设计，实 现工艺标准化和规范化，再利用计算机进行数据处理，存储如计算机，为以后工艺设计提 供模板 王军“”等开发的y d g t c a p p - i 系统是基于成组技术原理的工艺设计系统，包括计算 7 第一章绪论 机辅助编码模块、零件工艺生成模块和工艺文件管理模块。 基丁二实例的工艺设计方式建立在已有工艺信息的基础上，通过对相似 艺的修改获得当 前设计零件的工艺方案。基于实例的设计过程如图i - 2 所示，其中实例的分类检索，实例匹 配算法，实例的修改是关键环前，实例库是基础。 图l - 2 基于实例的设计过程 实例的检索是关键，通过检索可以将一个实例从实例库中提取出来。实例的描述决定了 实例检索的方式，工艺设计中常用的检索方法有：编码方式、特征或表面描述方式。 目前基于实例的工艺可重用的研究与应用基本上是针对回转体零件，研究的重点也集中 在实例索引模型的建立和实例检索的算法。 蔡力钢“1 针对回转类零件提出了基于实例的工艺决策方法，主要介绍了实例的定义、 实例的表达、实例的获取、实例的管理、实例的匹配与抽取、实例的工艺信息筛选和实例的 工艺路线修改。其中在实例的匹配与抽取环节提出了相似系数的计算公式，相似性系数的计 算考虑了零件外形相似和加工工艺象素两个方面的因素，它不但与零件的类型( 用于确定零 件的基本类型) ，主、辅特征的类型有关，还与零件的加工方式、材料类型、热处理方法、 毛坯类型，以及主、辅特征的精度等级、表面粗糙度和形位公差等因素相关。 邢建国。提出了基于特征工艺重用的工艺变型设计方法，该方法主要是针对结构复杂 的箱体类零件提出的。文中提出了具有5 位数字代码的特征编码结构和戍用基于实例方式进 行加工特征的工艺链设计，加工特征和实例特征的匹配不仅要考虑特征类型、特征形状的相 似，还要考虑材料、热处理、精度等因素的相似，为此提出了进级匹配的搜索策略，根据特 征信息因素对加工工艺的影响程度，逐级进行特征信息因素的匹配，进级顺序为：特征类型 一材料一精度一热处理一尺寸一特征形状。 h a oy a n g ”提出了零件信息的表达采用主字符串和子字符串的形式。其中主字符串代 表主特征，描述了零件的沿轴线方向上的主特征序列，子字符串代表辅助特征，包含辅助特 征和热处理、材料等其它属性。 新加坡大学的w d u “提出了一种能对机床资源进行优化选择的工艺规划模型。模 型采用四种推理机制来阐述工艺优化的过程，并开发了一个基于w e b 的原型系统，使使 用者可以进行可视化的操作并可以远程调用它的服务系统来进行工艺设计。 1 2 5 基于s m l 变型设计的研究现状 我国多年来一直从事基于事物特性表的产品信息建模技术的研究，但是由于技术和设备 8 第一章绪论 等方砸的原因，研究重点一直局限于产品设计开发的前端，如产品变型设计，配置设计，工 艺设计等方面，迫切需要将事物特性表技术拓展到产品设计开发的后端，如加一【和测量等方 面，形成基于事物特性表的产品设计，工艺，制造与测量一体化的集成系统，从而有效地提 高产晶设计开发的质量和效率。目前的研究成果体现在以下几个方面： 浙江大学的杨志雄“”研究了面向大规模定制的w e b 零件库的构建方法，其中采用事物 特性表对零件进行描述；吴扬东“1 对基于事物特性表的主结构参数设计原理进行的阐述； 顾巧祥“”对基于事物特性表的产品变型设计的关键技术如何在参数化c a d 中创建产 品主模型、如何建立产品的事物特性表进行的探讨，对产品事物特性表类对象的层次结构进 行了分析，增加了事物特性表的表头集合类( s m l p r o s s e t ) 和表行集合类( s m l l n s s e t ) ； 张燕“”提出了基丁二事物特性表的标准什库的建立。 南京航空航天大学的钱晓明“”以面向对象的方法构造了产品结构模型类和基于参数的 事物特性表，通过参数化设计实现从零部件类到零部件实例的转化。 清华大学的王爱民”1 通过分析由零件族和装配体族构成的配置模型，建立了基于事物 特性表的产品族组织方法。 目前正在进行的中德合作项目基于事物特性表的协同产品设计、制造与测量集成系统 一 p r o n e t 及其预研项目正在致力于研究基于事物特性表的集成产品模型，形成支持异地 协同的产品设计、工艺，制造与测量的完整的平台。 中德双方在理论研究上具有共同的基础，在应用研究上具有很强的技术互补性。德国最 早研究事物特性表技术，并于1 9 8 1 年颁发了工业标准d i n 4 0 0 0 i - 8 1 事物特性表定义和原 理。我国也等效采用了d i n 4 0 0 0 标准，公布了g b t 1 0 0 9 1 1 - 9 5 事物特性表定义和原理 国家标准，因此该项目具有共同的理论基础，便于项目的交流和合作。同时，德方多年来也 一直专注。f 事物特性表技术在产品加工测量等方面的研究，迫切需要将研究重点向前拓展至 产品设计开发的前期阶段，而中方的研究优势恰恰在产品设计开发的前期阶段，因此该项耳 具有很强的技术互补性，有利于实现从产品设计、工艺、制造到测量的集成开发环境。 1 3 论文的研究内容和组织结构 本论文结合浙江省科技厅重大攻关项目和国家8 6 3 c i m s 项目，对零件工艺变型设计的 技术和系统开发进行研究，具体内容如下： 1 ) 研究零件工艺变型设计的总体技术 本文的总体技术是采用基于s m l 的零件工艺变型设计方法，将公理设计与s m l 技术 相结合，运用公理设计理论，分析零件族各个模型的参数传递模璎，然后运用s m l 技术， 在该参数传递模型的支持下，实现工艺的变型设计。 2 ) 研究支持零件工艺变型的零件族建模技术 分析支持工艺变型的零件族模型的表达形式和组成模块，对零件族的建模过程进行分 析，并对各个模块的建模方法进行详细研究和讨论，最后建立支持工艺变型的事物特性表。 3 ) 研究基于s m l 的的零件工艺变型设计技术 o 第一章绪论 变型是指定具体的几何参数和工艺参数值，填入s m l 表中，并生成具体零件及其工艺。 工艺变型设计技术重点讨论s m l 的驱动机制，实现【艺路线的变型和工序专片的变型。 4 ) 设计与开发基于s m l 的零件工艺变型设计原型系统 本文在将理论应用于实际的过程中开发了支持零件下艺变型设计的原型系统。 论文的结构框架如下： 图卜3 论文框架 1 0 第二章基于s m l 的零件工艺变型设计总体技术 第二章基于s m l 的零件工艺变型设计总体技术 摘要：本章首先对零件工艺变型设计和基于s m l 的零件工艺变型设计原理进行了比较性的分 析，提出了基于s i h i , 的零件工艺变型设计的方法，讨论了基于s m l 的零件工艺变型设计的总 体过程，指出了支持变型设计实现的关键技术，最后给出了基于s m l 的零件工艺变型设计的 系统总体框架 2 1 引言 基丁二s m l 的零件上艺变型设计的总体技术是建立在工艺变型没计的原理和总体过程的 基础上的，本章将对零件- 艺变型设计的原理进行详细的介绍；并在分析零件及其工艺变型 设计总体过稃的基础上，提出零件工艺变型设计的关键技术，并对零件工艺变型设计系统的 总体框架进行了规划，为系统设计和功能开发提供指导。 2 2 基于s m l 的零件工艺变型设计方法 2 2 1 零件工艺变型设计基本原理 1 ) 设计域分解 美国麻省理工学院的n a mp y os u h 所著的公理设计“”一书中详细介绍了公理设计 的概念，公理设计不是一种特殊的设计，实际上是发现了控制一切设计活动的公理。该理论 将设计世界分成四个域：用户域、功能域、物理域和过稃域( 如图2 - 1 ) ， x 是每个域的特 征向量，在设计过程中从左边的域走向右边的域。过稃在某种意义上是迭代的，即设计师根 据在右边的域中产生的主意可以返回到左边的域。在机械产品设计过程中，用户的需求决定 了产品的功能，设计人员根据不同功能设计产品的结构，这个过程是产品结构设计的过程； 但是要使这些功能在具体的零件实体中实现，设计人员必须根据试验数据和以往的经验构思 出一个设计的解决方案，并确认物理域中的设计参数，这是工艺设计的过程：最终为了生产 出由物理域中的设计参数所表达的产品，设计人员还要制定一个在过程域中由过程变量描述 的过程，这是数控( n c ) 程序设计的过程。所以，把完整的产品设计过程分为：结构设计 过程，工艺设计过程、n c 程序设计过程。 第二章基于s m l 的零件t 艺变型设计总体技术 用户域功能域物理域过稃域 图2 - l 设计世界的四个“域”与设计过程的对应关系图 根据公理设计的理论，建立零件设计的基本模型是：c a f r d p p v 。在该基本模 型的基础上，再建立一个零件变型设计的基本模型： 限定范围：零件族，且零件族的分类编码已经编好，这是一组具有相似功能和结构 的零件的集合； c a 、f r ，d p 、p v 均是针对该零件族的，在变型设计领域，c a 表示变型设计 需求分析、f r 表示零件变型域、d p _ 嚎示工艺变型域，p v - 表示n c 变 型域； 映射关系是各个域之间的参数的传递。 2 ) 映射关系 根据s u h 2 ”的独立公理的方稃： v r = 【a 】 d p d p = b j p v 方程中 f r 向罩是设计目标的功能需求集，d p 是物理域中被选择来满足f r s 的设计 参数集，【a 】被称为设计矩阵，要满足独立公理的要求，f i r s 和d p s 的数目必须相同或者设 计矩阵【a 】必须是三角形或对角线形矩阵；方程表示从物理域中d p 到过程域中的p v 的映 射过程，【b 】是表征过程设计特征的设计矩阵，与【a 】的形式相似。 零件变型设计的基本模型中反映了并行工程的思想。在零件变型设计之后，f r s 发生了 变化，为了保证产品能够被制造出来，工艺域中的d p s 也要发生相应的改变；在某些d p s 变型之后，必须通过更新制造过程变量( p v s ) 从物理域映射到过程域( 即n c 变型设计) ， 这个过程设计的映射必须满足独立公理。有时零件发生了变型，可以应用已有的工艺方案， 但是另外一些时候必须创造新的工艺规程。当必须使用已有的工艺方案以求降低新设备的资 金投入时，就必须使用已有的工艺规程，此时它们在选择d p s 中起到约束作用。零件变型 第二章基于s m l 的零件工艺变型设计总体技术 和工艺变型两者必须同时加以考虑，这才能支持“并行工程”。 为了使并行工程成为可能，公式所表示的工艺变型设计和公式所表示的n c 变型设 计过程两者都要满足独立公理，意味着矩阵【a 】和【b 】两者或者是对角线的或者是三角形的， 它们的乘积【c 】= 【a 】 b 】才将是对角线的或三角形的。 3 ) 基于公理设计的零件工艺变型设计模型 公式是设计最高层次上的表达方程，但是最高层次上没有细节设计，所以必须分解最 高层次的设计以生成可以实施的设计细节，表达式变为： = 苫琊哥 如图2 - 2 所示，零什变型域中的一个f r 变化，导致相应的工艺变璎域的d p 发生变化。 然后回到零件变型域，产生下一级的f r ! 和f r 2 ，共同满足最高层次的f r ，f r i 和f r 2 是对应最高层次的d p 的f r s 。然后在工艺变型域中寻求分别满足f r i 和f r 2 的d p i 和 d p 2 ，这个过程一直继续下去直至所有的分支都达到不能再分解的状态。 图2 - 2 基于公理设计的零件工艺变型设计原理 4 ) 通过分解实现零件工艺变型设计 以图2 3 所示的联结叉的通孔变型为例讨论零件变型域功能需求( f r s ，和工艺变型域参 数设计 d p s ) 的关系。 图2 3 联结叉 1 3 第二章摹于s m l 的零件- 艺变型设计总体技术 表2 1 最高层的功能需求与设计参数 功能需求( f r s )设计参数( d p s ) 加工通孔变型后的联结叉零件加工