（机械制造及其自动化专业论文）基于公差约束的capp的关键技术研究.pdf

摘要 摘要 本文在国家自然科学基金“面向产品几何技术规范的集成公差设计理论和方法”( 5 0 2 7 5 1 3 6 ) ， 和浙江省自然科学基金“面向c a p p 的工序公差设计研究”( 5 0 2 0 1 6 ) 研究的基础上，研究了c a p p 中定位基准设计、工艺设计和工序公差设计及优化等关键技术，开发了基于公差约束的c a p p 的 原型系统，并采用实例验证了其正确性和有效性。本论文的主要研究内容如下： 第一章：在对定位设计、c a p p 以及计算机辅助公差设计( c a t ) 的国内外研究现状综述的 基础上，介绍了论文的研究的主要内容、结构安排及创新之处。 第二章：分析了定位基准设计、工艺设计以及公差设计的基本理论和方法，着重阐述了产品 几何技术规范的体系结构、基本原理以及功能 引入了i s o t c2 1 3 最新定义的特征类型，基于 群论研究了特征分类，为下一章的自动定位设计研究奠定了坚实的基础。 第三章：基于变动几何约束理论，研究了特征几何约束的定位基准设计规则；基于公差约束 对几何定位基准集进行定位基准优化设计研究，分析了公差约束类型，定义了相对公差影响因子， 并提出相对公差影响因子建模方法，采用图论方法将零件表示成特征与相对公差影响因子有向 图，在些基础上研究基于公差约束的定位基准优化设计规则。 第四章：分析影响加工方法选择的主要因素，构建尺寸公差、表面粗糙度、形位公差、材料 等因素与加工方法的模糊隶属模型，研究了特征终加工工序加工方法的模糊推理决策；构建并搜 索特征加工方法链库，得到特征在整个加工过程中所有可行的加工方法链；分析了机床选择必须 遵循的原则，构建了工序能力指数、最大加工尺寸与机床型号的模糊隶属模型，研究了机床型号 的模糊推理决策；对国内某一企业的不同加工方法的成本与公差关系进行研究，构建了不同加工 方法的成本一公差模型。 第五章：采用分层方法进行零件工艺路线设计，研究特征加工过程中的定位顺序设计，提出 定位顺序设计的基本规则，研究基于定位基准的特征加工顺序设计，构建基于定位基准的特征加 工顺序设计算法，结合第四章中特征加工方法链实现零件工艺路线设计；研究了面向制造环境的 集成式c a p p 设计的体系结构和系统模型，构建面向制造环境的集成式c a p p 优化设计模型；开 展了基于参数化工序树的工序公差设计的研究，构建了工序公差设计模型，分析了约束条件；构 建了不同加工方法的工序公差优化设计模型，采用g a 算法进行工序公差优化设计。 第六章：基于以上各章的理论和方法开发了基于公差约束的c a p p 原型系统，给出了原型系 统总体框图及系统构成，并结合实例进行验证，完成了零件定位基准设计、工艺规程设计及优化 以及工序公差设计及优化的过程。 第七章：给出了全文的总结；并对进一步开展研究进行探讨和展望。 关键词：特征，定位基准，几何约束，绝对公差，相对公差，相对公差影响因子，有向图，模糊 隶属函数，加i = 方法链，成本一公差模型，工艺路线，参数化工序树，优化设计。 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o j e c to f 1 1 l e o r i e sa n dm e t h o d so fi n t e g r a t e dt o l e r a n c ed e s i g no r i e n t e do n g e o m e t r i cp r o d u c t i o ns p e c i f i c a t i o n ”f n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n dp r o j e c t ，n o 5 0 2 7 5 1 3 6 ) a n dt h e “s t u d yo np r o c e s st o e r a n c eo r i e n t e do nc o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ”n q a t u r es c i e n c ef u n d p r o j e c to fz h e j i a n g , n o 5 0 2 0 1 6 ) , t h ek e yt e c h n i q u e so fc a p ps u c ha sl o c a t i o nd a t u m 。p r o c e s s ，a n d p r o c e s st o l e r a n c ea r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep r o t o t y p es y s t e mf u rk e yt e c h n i q u e so fc a p p b a s e do nt o l e r a n c ei sd e v e l o p e da n dv e r i f i e db ye x a m p l e s i nt h ef i r s tc h a p t e r , s t a t e - o f - t h e - a r to fs e t u pp l a n n i n g , c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) a n dc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g ( c a t ) a th o m ea n da b r o a da r es u m m a d z e d b a s e do nt h o s e ，t h ek e y t e c h n i q u e si nc a p pa r ep r o p o s e d t h eb a c k g r o u n d , m a i nc o n t e n t s g e n e r a ls t r u c t u r es c h e m ea n d o r i g i n a l i t i e so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h eb a s i ct h e o r i e sa n dm e t h o d si ns e t u pp l a n n i n g , p r o c e s sp l a n n i n ga n d t o l e r a n c e d e s i g n i n ga r ea n a l y z e d t h ea r c h i t e c t u r e b a s i ct h e n r i e sa n df u n c t i o n so fg e o m e t r i c p r o d u c t i o ns p e c i f i c a t i o na r ce l a b o r a t e d b a s e do ng r o u pt h e o r y , t h en e wf e a t u r et y p e sa r cd e f i n e db y i s o t c2 1 3 1 1 1 em a i no b j e c t i v eo f t h i sc h a p t e ri st oe s t a b l i s has o l i db a s i sf u rs e t u pp l a n n i n g , w h i c hi s t ob ee x a m i n e di nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r 1 l lt h et h i r dc h a p t e r , b a s e do nt h e o r i e so fv a r i a t i o n a lg e o m e t r i cc o n s t r a i n t s ，t h er u l e so fg e o m e t r i c l o c a t i o nd a t u md e s i g n i n ga r ed i s c u s s e d a l lt o l e r a n c et y p e sa r ec l a s s i f i e di n t ol o c a la n dr e l a t i v e t o l e r a n c e ，a n dt h em o d e l so fr e l a t i v et o l e r a n c ef a c t o ra r ec o n s t r u c t e d b a s e do ng r a p ht h e o r i e s ，t h e c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) m o d e lo fw o r k p i e c ei se x p r e s s e da sad i r e c t e dg r a p ho ff e a t u r e sa n d r e l a t i v et o l e r a n c ef a c t o r a c c o r d i n gt ot h i sd i r e c t e dg r a p h ，t h eo p t i m a ld e s i g nr u l e so fl o c a t i o nd a t u m b a s e do nt o l e r a n c ec o n s t r a i n t sa r ep r o p o s e d i nt h ef u u r t hc h a p t e r , t h em a i nf a c t o r so fp r o c e s sm e t h o da r ea n a l y z e d b a s e d0 nt h et h e o r yo f f u z z y , t h ef u z z ym e m b e rm o d e l so fd i m e n s i o nt o l e r a n c ea n dp r o c e s sm e t h o d ，s u r f a c er o u g h n e s sa n d p r o c e s sm e t h o d ，g e o m e t r i ct o l e r a n c ea n dp r o c e s sm e t h o d ，m a t e r i a lo f w o r k p i e e ea n dp r o c e s sm e t h o da r e a l lc o n s t r u c t e d ，a n dt h em e t h o do ff u z z yr e a s o n i n ga n dd e c i s i o nm a k i n gf u rp r o c e s sm e t h o dd e s i g n i n g a r es t u d i a d i na d d i t i o n al i b r a r yo fp r o c e s sm e t h o dl i n ko r i e n t e do nf e a t u r ei se s t a b l i s h e di nt e r m so f p r o c e s sl i t e r a t u r e ，a n da l lp r o c e s sm e t h o dl i n k so ff e a t u r e si nm a n u f a c t u r i n ga r ed e v e l o p e db yt h i s l i b r a r y w h a t sm o r e ，t i l e n c i p l e so fm a c h i n es e l e c t i n ga r ea n a i y z e d ，t h ef u z z ym e m b e rm o d e l so f p r o c e s sc a p a b i l i t ya n dm a c h i n et y p e ，d i m e n s i o no f w o r k p i e c ea n dm a c h i n et y p ea r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e m e t h o do ff u z z yr e a s o n i n ga n dd e c i s i o nm a k i n gw h e ns e l e c t i n gm a c h i n et y p e si ss t u d i e d f u r t h e r m o r e , t h er e l a t i o n s h i po f c o s ta n dt o l e r a n c eo f d i f f e r e n tp r o c e s sm e t h o d si ss t u d i e dh a s e do ns a m p l i n gt h ed a t a o f c o s ta n dt o l e r a n c e f i n a l l y , t h ec o s t - t o l a r a n c em o d e l so f d i f f e r e n tp r o c e s sm e t h o d sa r ec o n s t r u c t e d i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ep r o c e s sr o u t ed e s i g ni sc l a s s i f i e di n t ot w ol e v e l s f i r s t l y , t h ed e s i g no f s e t u p s e q u e n c e si nm a c h i n i n gi ss t u d i e d ，a n dt h eb a s i cr u l e so fs e t u ps e q u e n c e sa r ep r e s e n t e d ；s e c o n d ly t h e m a c h i n i n gs e q u e n c eo f f e a t u r e si nt h e $ a n l ep r o c e s sa n ds a m el o c a t i o nd a t u mi ss t u d i e d ，a n daa l g o r i t h m o fm a c h i n i n gs e q u e n c ed e s i g ni sd e v e l o p e d ；t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sm e t h o dl i n k sf u re v e r y f e a t u r ed e v e l o p e di nf o u r t hc h a p t e r , a l lp r o c e s sr o u t e si nw o r k p i e c e m a c h i n i n ga r ed e s i g n e d t h et y p e s o fi n t e g r a t e dc a p pa r er e v i e w e d ，a n dt h ea r c h i t e c t u r eo fan e wi n t e g r a t e dc a p po r i e n t e do n m a n u f a c t u r i n gi sp r e s e n t e d i na d d i t i o n ，t h en e wi n t e g r a t e dc a p pd e s i g ni so p t i m i z e d ，t h eo p t i m a l m o d e li sd e v e l o p e d ，a n dt h ec o n s t r a i n t sa r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，b a s e do ng r a p ht h e o r y , t h ep r o c e s s a b s t r a c t r o u t ec a l lb ee x p r e s s e da sap a r a m e t e rt r e e ，a n da c c o r d i n gt ot h i st r e e ，t h ep r o c e s st o l e r a n c ei ss t u d i e d t h e n ，t h em o d e lo fp r o c e s st o l e r a n c ed e s i g ni se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o n s t r a i n t si np r o c e s st o l e r a n c e d e s i g ni sa n a l y z e d a tl a s t t h ep r o c e s st o l e r a n c ei so p t i m i z e db a s e do nd i f f e r e n tc o s t - t o l e r a o c em o d e l s ， t h eo p t i m a lm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h ec o n s t r a i n t sa r ea n a l y z e da n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i su s e d t oo p t i m a l l yd e s i g nt h ep r o c e s st o l e r a n c e i nt h es i x t hc h a p t e r , t h ep r o t o t y p es y s t e mf o rk e yt e c h n o l o g i e si nc a p pb a s e do nt o l e r a n c ei s d e v e l o p e d ，a n dt h ee x a m p l e sa r eu s e dt od e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l yd e s i g nl o c a t i o n d a t u m ，p r o c e s sa n dp r o c e s st o l e r a n c e i nt h es e v e n t hc h a p t e r , a l lo f t h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m e du p a n dt h ef u t u r er e s e a r c ho i l k e yt e c h n i q u e si nc a p p i sp r o p o s e d k e y w o r d s ： f e a t u r e ，g e o m e t r i cc o n s t r a i n t s ，l o c a lt o l e r a n c e ，r e l a t i v et o l e r a n c e ，r e l a t i v et o l e r a n c ef a c t o r , d i r e c t e d g r a p h , f u z z ) , m e m b e rf u n c t i o n , p r o c e s sm e t h o dl i n k ，c o s t - t o l e r a n c em o d e l ，p r o c e s sr o u t e ，p a r a m e t r e d p r o c e s st r e e ，o p t i m a t i o nd e s i g n i i j 学号! q q q 墨q 垒9 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘茎或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：产“舌年1 2 月v 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎垄盘堂。有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸婆盘茔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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：) “年 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 。 通讯地址： 导师签名： 旁_ 咽 签字日期：加以年，z 月8 日 电话： 邮编 浙江大学博t 论文 基于公差约束的c a p p 的关键技术研究 第一章绪论 摘耍；本章综述r 国内外c a p p 中定位、工艺以及工序公差设计发展状况；结合国家自然科学摹金“基于产品几 何技术规范的集成公差设计理论和方法”和浙江省自然科学基金“面向c a p p 的工序公差设计研究”，提出了本文 的研究内容，并给出了本文的总体框架和创新点。 1 1 引言 2 1 世纪是全球化、信息化和技术创新的时代，经济全球化进程的加快，使制造业面临全球性 的市场、资源、技术和人才的竞争。个性化、多样化的消费需求使得市场快速多变，客户化、小 批量、多品种、快速交货的生产要求，迫使制造企业必须加快技术升级的步伐，提高企业的综合 竞争能力。 定位设计是零件加工工艺设计的重要内容，定位是用来保证产品相对于加工工具的正确位 置，因此定位正确与否将直接影响到零件的加工质量和制造成本1 1 - 4 1 。国i 为# 1 - 对定位以及定位基准 设计进行了大量研究，并提出了许多有针对性的理论和方法，然而就目前的情况来看，定位设计 是一项复杂的系统工程，涉及产品设计和制造等方面知识，因此这些理论和方法仅仅针对一种或 几种零件实现定位基准自动设计，还缺乏完整性、通用性和一致性。尽管在一些c a m 软件上增 加了定位设计的子系统，然而多数模块只能完成一次定位等简单零件的加工自动定位，而对于多 次定位的复杂零件加工则难以胜任口j 。 产品工艺设计作为一项重要的生产技术准备工作，被认为是连接产品设计和产品制造的桥 梁，是产品生产过程中的关键环节【5 卅。生产制造过程中的加工工艺信息，描述了从原材料、半成 品开始，各种物料在各个阶段的处理方法和过程，加工工艺信息对产品生产过程的技术组织和管 理具有关键作用，对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。在这个领域，借助于计算机辅助 技术改变传统工艺设计模式，自动生成零件加工工艺信息，以克服传统手工工艺设计存在的工作 繁琐、重复、速度慢、周期长、标准化程度低、一致性差等缺点，推进工艺设计自动化，被公认 为是实现现代制造技术的关键。 长期以来，对c a p p 的研究、开发、应用一直是学术界、工业界关注的热点，国内外都投入 大量的资金和力量，开发、应用了为数众多的c a p p 系统，在利用计算机完成零件工艺设计方面 取得了较大的发展。 就某一个具体的c a p p 来看，由于追求设计自动化的目标以及工艺设计自身的复杂性，往往 只能针对某一类零件实现某一种工艺过程的自动设计，几乎没有一个系统能完成多种类型零件、 多种工艺过程的自动设计任务。存在系统应用范围过于狭窄，整体通用性差，系统开发周期长， 费用高，缺乏必要的柔性和灵活性等问题1 6 - 8 1 。 计算机辅助工序公著设计就是在机械产品加工过程中，利用计算机对产品及其零部件的尺寸 第一章绪论 和公差进行并行优化和监控，力图用最低的成本，制造出满足用户精度要求的产品降k 1 2 “3 6 l 。计 算机辅助公差殴计是c a d c a m 集成中的关键技术之一，它不仅影响产品的质量，且对制造成本 起着决定性影响。随着c a d c a m 集成技术的发展，计算机辅助公差设计系统的研究的重要性曰 渐突出，国内外众多学者从事该领域的理论研究和软件开发，取得了显著的成果1 1 1 , 1 2 lo 然而，目前c a t 的研究仍落后于c a d 、c a p p 、c a m 自身的研究，使其无法与c a d c a m 集成、c i m s 的发展相适应，从而己成为制约它们进一步发展的一大关键所在，计算机辅助公差 设计( c a t ) 成为c a d c a m 集成的瓶颈技术，亟待解决 1 0 , 1 2 , i 3 j 4 1 。本章在总结了定位基准自动 设计、计算机辅助工艺设计以及计算机辅助公差设计系统的研究现状、研究成果和亟待解决的关 键技术的前提下，提出了本课题的研究内容及总体框架。 1 2 定位设计综述 定位设计是机械制造过程中的一个重要内容，也是工艺设计中的一个重要组成部分，s a r m a | ” 等人认为工艺设计可分为两个不同的层次，即：宏观设计和微观规划，定位设计和工序构成了宏 观工艺设计；而微观规划则主要指的是一些加工工具的选择，刀具路线的制订，切削参数的选择 等等方面的内容。 严格意义上的定位设计就是为如何实现产品加工而进行准确、合理以及经济的定位所做的各 项准备工作，定位设计主要由以下一些内容构成：定位构造、加工基准选择、定位次序安排等1 2 , 4 1 。 工件的定位就是保证工件在某一加工设备的确定位置上完成一组切削加工，一旦工件的位置发生 变化，则须进行重新定位；定位构造指的是将所有的制造特征按照不同的定位进行分类，这样保 证具有相同定位的特征能同时获得加工；加工基准选择主要是寻找适合作为定位基准的特征。定 位次序则是指以一定的规则对不同的定位进行排序，从而保证特征在每一定位状态下能准确的加 工。 计算机辅助制造技术的发展尤其现代制造技术的发展，使得定位设计的研究越来越受到人们 的关注，提出了许多方法和理论，并在实际中获得了应用。然而由于定位设计的复杂性，而且研 究人员对定位设计研究的侧重点也不同，因而所提出的定位设计方法也各有千秋。通过对所提出 的各种定位设计的方法分析，大致可以分为三种类型：多约束优化定位设计，装夹驱动，公差分 析定位设计等。当然在这些定位设计方法之间并没有严格的区别，这种分类仅仅是为了便于更好 的理解和掌握。 1 2 1 多重约束优化定位设计 这种定位设计方法主要从优化的角度来进行零件加工时的定位设计，通常是将定位设计问题 构建为零件定位的搜索模型，从而保证所获得的定位方式以及定位基准在满足所有约束条件下使 得所定义的目标函数实现最优。针对这一问题的研究，目前已经有许多可行的算法。同时不同的 目标函数也被j i 来作为对定位选择的评价标准。采_ l l j 该方法进行定位设计的主要流程如下所示： 2 浙江人学博i 论文 基于公差约束的c a p p 的关键技术研究 标函数的构建： 定熊毁韵删吡； 制由扰轻剥吡； 等等 图1 1 定位设计的主要流程图 在多重约束优化定位设计中，生成各种可行的定位选择无疑是最重要也是最复杂的工作，因 为如果所有的定位组合都有约束检验的话，那么随着制造零件的特征数量的增加以及复杂程度的 不断提高，在进行定位规划以及定位基准搜索中必然会发生搜索爆炸的现象，从而使定位优化设 计无法进行。为此，z h 9 1 3 1 等人提出两种方法来解决上述所出现的问题，一种方法是对具有相同 几何以及加工属性的特征进行归类，在进行定位搜索过程中，作为一个复合特征出现，一旦属于 该复合特征的某个特征满足了所有约束要求，则所有属于该复合特征的所有特征也都满足约束要 求；另一种方法则是仅仅对有可能组合的特征进行搜索，从而减少了搜索时间，提高了定位设计 和选择的效率。z h g 【4 1 采用了复合模拟退火的梯度递减算法对定位设计进行优化设计。 在多重约束优化的定位设计中，目标函数的确定是一个很重要内容，同时对多个目标函数进 行优化将决定定位设计的复杂程度，通常在定位设计中所采用的目标函数是最小化定位次数；此 外另一个比较常用的目标函数就是加工质量，z h a n g 4 l 提出了一个基于目标函数的综合成本的优化 设计方法，该综合成本由五个不同的成本因子构成制造成本，工具成本，制造转移成本，定 位转换成本以及刀具转换成本，这些成本因子或单独或以成本组合得以应用，具有很好的灵活性， 能满足不同制造条件的要求。 一些研究人员采用人工智能技术来进行定位设计的研究，m i n g 5 等人以零件的装夹刀具加工 方向、公差相互关系等为约束条件，采用t k o h o n e n 自组织神经网络的方法生成可能的定位规则， 并在此基础上进一步通过采用h o p f i e l d 神经网络来解决定位的先后顺序问题。此8 b c h e n l 6 , 1 6 采用无 监督学习算法来进行定位规则的生成，并将目标函数和定位规则的生成进行集成。 多重约束定位优化设计从理论上而言是可行的，而且具有广阔的前景，因为这一方法考虑了 定位设计所有可能的途径，所获得的定位规划是一个全局优化的结果。但是从目前的实际研究以 及应用上来看还是处于初始阶段，还存在很多不足，比如采用人工智能技术进行定位基准的设计 和生成，所获得的定位方法并不能满足实际制造的要求，因此多重约束的定位优化设计将随着人 工智能，神经网络等技术的发展而不断取得成功。 1 2 2 装夹驱动定位设计 这一方法主要强调了定位和装夹的集成设计，换言之，就是以工件加工时的装夹要求作为主 3 第一章绪论 要的约束条件，从而进行定位设计。这种方法的突出之处在于进行定位设计的同时也生成了定位 所需的装夹配置。与多重约束优化定位设计相比，这种方法在理论层面上要求比较低，因而在实 际中被广泛采用。 s a k u r a i l ”采用了一个典型的装夹反馈法来进行定位设计，首先对每一个己加l ：的特征，根据 定位基准方向生成一个加工方向，在每一次定位中，采用启发式的方法来选择最优的定位表面， 一旦这样的表面无法找到，则在定位中的一些特征将被排除，并对加工零件的装夹进行可行性分 析，其结果反馈到定位设计系统，作为定位设计是否重新进行以及定位分组的判断依据。f o z t u r k 平 z h a n g 1 8 - 2 0 增人也在这方面开展了相关的研究。 h u a n g 2 1 l 等人则认为定位和装夹的关系就尤如是“鸡和蛋”的悖论问题，定位就是将工件放 在工作台的理想位置，而装夹就是对工件进行夹紧，从而消除因重力或者切削力而引起的位置变 化。在满足约束基础上进行工件的定位设计，也为装夹设计提供了理论指导。大多数研究人员对 定位和装夹采用规避的方式，在进行定位设计和装夹设计时强调不同的重点，如在进行定位设计 时主要考虑面向特征的分析和优先约束的方式，而在进行装夹设计时则主要突出运动分析和受力 分析等方法，而到目前为止尚没有实现定位和装夹集成设计的方法。 在装夹驱动的定位设计中，由于考虑了装夹约束和刀具的加工方向，很容易实现定位的分类、 组合，以及定位基准的选择，由此生成的定位规则也在实际中得以广泛应用，但是由于在定位的 序列上采用启发式方法来完成，因此，所获得的工件的定位设计并不是最优结果。 1 2 3 基于公差分析的定位设计研究 基于公差分析的定位设计研究区别于别的定位方法的最大特点，就是在定位设计中主要考虑 了零件的设计精度，因此零件的公差信息将很大程度上决定了零件如何进行定位加工。b o e r m a 州 研究了特征间相互公差关系对定位设计的影响，认为加工工件在工作台上排列错误而造成的误差 等于甚至大于设计精度的要求，因此在上一次定位中已经加工的特征位置精度就难以满足特征间 的精度要求，因此对于精度要求高的特征应尽量在相同定位状态下进行加工，而对于精度要求低 的特征的加工，则可以在不同的定位条件下来完成。z h a n g i ”l 等人则进一步研究了在定位设计中 公差分析的作用。认为在进行特征加工时存在三种不同的定位方法：一是在相同定位状态下进行 特征加工；二是在加工特征互为定位基准时进行特征加工；三是临时生成确定定位基准在不同的 定位条件下进行特征加工。并分析了这三种定位方式对精度的影响，认为第一种定位方式下所获 得的特征间尺寸方向的误差最小，因此对于具有紧密公差要求的特征加工应尽量在相同的定位条 件下来完成。 h u a n g l 2 ”等人采用图论的方法来表示特征间公差和定位基准的相互关系，将定位设计优化问 题转化为对图的搜索问题，根据刀具的加工方向约束进行初始定位构建，然后采用图论的方法对 定位构造不断细化，并进行定位基准的选择，将特征间的公差作为确定定位次序的依据。 采用公差分析方法进行定位设计能提高特征的制造精度，然而采用公差分析所生成的定位方 法同样也不是最优规划，还需其他方法的协作才能提高定位设计精度。 4 浙江人学博 论文基f - 公差约束的c a p p 的关键技术研究 1 3 计算机辅助工艺设计概述 计算机辅助上艺设计在设计和制造集成系统中扮演着重要的角色，一项调夯表明： 艺人员 在进行技术决策中所花费的时间仅仅占全部1 。艺设计时间的1 5 ，而其他时间则主要用丁数据收 集、计算以及相关文献的准备中，同时研究也表明一个有效的计算机辅助工艺设计系统将使得整 个制造成本下降3 0 ，而且整个制造周期缩短5 0 唰l 。 工艺设计的思想最早是i 扫c h a n g l 2 4 睫出的，认为工艺设计体现了在制造设备间通过确定加工 工序以及各种加工参数，以实现由加工零件到成品的转换的功能。而制造工程协会则将工艺设计 定义为“保证产品制造的系统的、经济的决策方法”口2 。”。 上个世纪六十年代，n i e b e l 首先提出通过借助计算机快速、高效的特点辅助进行工艺规划设 计的观点，拉开了计算机辅助工艺设计研究的帷幕。然而尽管在计算机辅助设计中掌握了工序及 其加工方法的提取，几何零件的描述，但是由于计算机本身的局限性，以及相关软件的缺乏，使 得计算机辅助工艺设计一度被人们所忽视，直到1 9 7 6 才完成了两套c a p p ( c a p pa n dm 1 p l a n ) 系 统的开发，随后w y s k 【2 4 】于1 9 7 7 年针对工序选择提出了创成式系- 统t a p p a s ，至此，c a p p 的研究才 开始受到应有的关注。 从第一个c a p p 系统于上个世纪六十年代推出至今，c a p p 获得了巨大的发展，针对不同设计 问题开发出了各种层次和用途的c a p p 系统，有研究型和工业型c a p p ，企业版或者是商业用的软 件包等等，例如国外一些比较著名的c a p p 系统：美国普度大学的a p p a s 和t i p p s 、柏林工业大学 的c a p s y d 、英国曼彻斯特大学f f j a u t o c a p 等2 5 0 7 。1 。9 , 8 0 9 代初期，我国也开始研究和开发 c a p p 系统，例如上海交大的s i p 、北航的b h c a p p 等。目前国内得到一定程度应用的c a p p 系统包 括华中理工大学的开目c a p p 、浙江大学的g s - - c a p p 、清华大学的t h - - c a p p 等1 3 “”。经过3 0 多年的发展，c a p p 在生产原理、系统结构、决策方法等方面，己经取得了很大的进展。近几年， 国内外对c a p p 系统的研究，主要集中在工艺决策的自动化方面，包括自动工艺决策的建模分析、 工序工步排序研究等方面。 目前已有的c a p p 系统大致可以分为两种类型，即派生式c a p p 系统以及创成式c a p p 系统。 1 3 1 派生式c a p p 这种c a p p 系统是在成组技术基础上发展而来的，认为相似零件具有相似的工艺规划，这种 方法通常包括了几个步骤：人工分类及信息输入，在数据库中对现有的相似规划的检索，对现有 的规划进行修改。因此可以看出派生式c a p p 主要是完成两个方面的工作：对存在的工艺设计进 行检索，以及进行修改、编辑。通常在对一个新零件进行工艺设计时包括对存在于系统的规划和 模型进行检索。除此之外，一些派生式c a p p 系统采用制造方式的相似性对零件进行分类，具有 相同加工方法的零件处在同一产品族中，并采用成组技术对产品族中具有代表性的零件进行工艺 描述。与手工的工艺设计相对比，派生式c a p p 方法在信息处理上具有极大的优势，适用于复杂 t 件或者对时间和人工要求高的零件的制造；同时也能对【艺人员的制造知识进行整理并写入系 第一章绪论 统中，实现系统对制造知识和工艺规划的组织和保存，对新生成的j ：艺规划进行评价。 然而派生式c a p p 在进行实际工艺的编制中还缺乏稳定性，不能有效的协调制造零件的儿何、 尺寸、精度、材料质鼙以及1 ：厂制造能力之间的关系，而最显著的不足则是体现在派生式c a p p 不能缺乏人的参与，还在很大程度上需借助工艺技术人员来进行1 ：艺编制。 1 3 2 创成式c a p p 创成式c a p p 主要采用了决策逻辑、公式、制造规则、基于数据的几何等方法来进行工艺设 计，从而实现产品由原材料向成品的转变，根据输入零件的特征及其属性来生成新的工艺规则。 由于创成式c a p p 的复杂性，因此这种系统与派生式c a p p 系统相比在设计和使用上都存在极大的 挑战。然而创成式c a p p 系统并不需要人的参与，能对于不属于零件族的零件进行工艺的自动生 成。和创成式c a p p 系统相比，派生式c a p p 系统更易于开发且系统成熟度高，适合于大批零件制 造的工艺设计，对于离散加工的零件而言，则创成式c a p p 更为适合。然而到目前为止，在所开 发的各种c a p p 系统中，尽管已经掌握了推理优化等技术，但尚没有一种属于真正意义上的创成 式c a p p 系统，大多数c a p p 系统或是属于派生式c a p p 或者是属于半创成式c a p p ，因此对于这两 种c a p p 系统还需进一步的研究。 1 3 3 其他一些新的c a p p 在过去的二十年间，在计算机辅助设计领域里开展了大量富有成效的研究，这些研究可以按 照零件的类型进行分类，如棱柱类零件，圆柱类零件，板材零件等，除了这些广义的分类外，也 可基于几何建模技术进行分类。 1 j j 1 基于特征和实体模型的工艺设计 基于实体模型的工艺设计主要采用实体建模软件包对三维零件进行设计，在基于特征的工艺 设计系统中，采用特征提取和识别技术获得零件特征，并从c a d 文档中获得特征相关属性完成零 件的工艺设计。 n a s r 和e l g a v c 一冽以及其他的一些学者针对c a d ，c a m 集成系统提出了基于实体模型的 工艺自动设计原型系统，通过三维软件包来完成对零件的设计，该系统由三个方面的内容：c a d 接口，产品知识以及工艺规划。其中c a d 接口主要包括了设计图，而产品知识则包含了制造所必 须的基本知识，如加工设备、刀具、原材料、切削参数等等，而工艺规划则通过实体初始特征以 及产品规则来实现，在基于特征的工艺自动生成系统中，对特征的识别是从切削量的角度来研究 的，而不是通常所采用的从设计角度来完成的。该系统整个过程类似于工艺人员进行工艺设计的 思考过程。y o n g ! ”1 等人对圆柱表面制造过程进行研究，采用基于特征的方法来实现。该过程包括 以下几个步骤：( 1 ) 特征形状识别；( 2 ) 特征形状向加工尺寸转化；( 3 ) 合成可选择的加工 尺寸；( 4 ) 加工尺寸和加工过程组合；( 5 ) 优先关系生成。 目前许多学者纷纷采用面向对象的方法来研究工艺设计，面向对象的工艺设计采用逻辑方法 在制造系统中表达零部件。从问题域中确定一系列系统对象并且将系统操作表示成对象间的相互 6 浙江人学博h e 文 基于公差约束的c a p p 的关键技术研究 作用，对象的行为由对象所能完成的l7 作来定义，面向对象的设计和编程的戍_ l f j 为该系统的开发 提供了有力的j ：具。 1 3 j 2 动态的c m ) p 系统 u s h e r t f f l f e m a n d e z i ”1 在对现有c a p p 系统以及理论分析的基础上提出了静态和动态c a p p 的概 念，将传统的c a p p 称为静态c a p p ，认为静态c a p p 主要考虑了所有可能的工艺规划，仅仅包括 了工艺选择、分配以及工序设计等内容，而忽视实际制造过程中信息对工艺设计的实时要求，因 而仅仅只是采用计算机查询已有工艺文件来替代传统人工设计工作，而无法突出其智能决策的功 能。 动态c a p p 系统主要由三个相互联系的核心构成，这三个核心是工艺设计子系统、工艺设计 评价体系以及工艺设计重新设计子系统，其中工艺设计评价体系以及重新设计子系统是建立在对 零件加工工艺可制造性分析和制造过程是否合理选择的基础上，动态c a p p 采用a o s 树( a n do r s e l e c t i o n