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浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 摘要 变型设计是产品快速设计的二种主要方法。目前对变型设计方法的研究非常 广泛，取得了很大的成果。但是这些变型设计的结果还仅仅是几何模型。随着多 学科协同设计需求的发展，仅仅包含几何信息的模型很难与工艺模型、制造模型、 测量模型等进行无缝集成。主要原因在于工艺、制造和测量等学科领域不仅仅需 要几何信息，同时还需要相应的公差信息。因此实现公差模型( 为描述方便，本 文将带有公差信息的几何模型定义为公差模型) 的变型设计是解决这些学科模型 集成的关键。本文在公差与配合理论、变型设计方法和理论以及基于事物特性表 的产品建模技术的研究基础上，提出了基于事物特性表的零件族公差模型变型设 计方法。本文的主要工作如下： 第一章，说明了统一模型是多学科设计优化理论研究的重点和难点。讨论了 变型设计的研究现状，并提出其不足之处在于缺少对产品模型中公差信息的研 究。基于上述两点，提出了本文的研究内容和研究意义，并给出了全文的组织结 构。 第二章，建立了零件族公差模型变型设计的理论框架。分析了变型设计中的 公差信息。阐述了零件族公差事物特性表的构成和特点。说明了零件族公差主模 型的内容和创建过程。最后提出了基于事物特性表的零件族公差模型变型设计的 原理。 第三章，提出了基于事物特性表的公差模型实现变型设计的关键技术。阐述 了零件族公差主模型变型设计派生出带有公差信息产品实例的具体过程。详细说 明了对建立零件族公差主模型起决策支持作用的公差知识库。具体阐述了知识库 的结构以及知识库中规则的表现形式。 第四章，根据前文所述建立零件族公差模型变型设计方法的内容，开发了基 于事物特性表的零件族公差模型变型设计系统。并以工业汽轮机汽缸为例，在该 系统下进行应用验证。将得到的结果导入计算机辅助测量系统，对系统原理做了 进一步的验证。 第五章，对全文进行总结并提出了本文的创新点，对后续的研究工作进行展 望。 关键词：复杂零件，事物特性表，公差主模型，变型设计，知识库，工业汽 轮机汽缸，u g 二次开发。 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 a b s t r a c t v a r i a n td e s i g ni st h ep r i m a r ym e t h o do fp r o d u c tr a p i dd e s i g n r e s e a r c ho n v a r i a n td e s i g ni sw i d e l ya n dp r o l i f i c a l l y b u tt h e ya l w a y sf o c u so nt h eg e o m e t r y i n f o r m a t i o n t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm d on e e d sap r o d u c tm o d e lw i t h t o l e r a n c ei n f o r m a t i o na l s o ，t oa c h i e v et h ea i mo fi n t e g r a t i o n s s o ，p u t t i n g f o r w a r dt h em e t h o do fv a r i a n td e s i g no ft o l e r a n c em o d e li si m p e r i o u s t h i s d i s s e r t a t i o ns t a r t st h er e s e a r c ho ft o l e r a n c ea n df i t ，v a r i a n td e s i g n ，a n dp r o d u c t m o d e lb a s e do ns m l p u t sf o r w a r dt h em e t h o do fv a r i a n td e s i g no fp a r t f a m i l y st o l e r a n c em o d e l b a s e do ns m l t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro r e ，t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l a i n e dt h a te s t a b l i s h i n gu n i m o d e li s t h em o s ti m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tw o r ko nmd o i td i s c u s s e st h es i t u a t i o no ft h e v a r i a n td e s i g n 。p u t sf o r w a r dt h ep r o b l e m ：m o r er e s e a r c hi sn e e d e do n t o l e r a n c ei n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s et w op o i n t s ，i tp u t sf o r w a r dt h i s d i s s e r t a t i o n sc o n t e n ta n dm e a n i n g a n dt h es t r u c t u r eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni s g i v e n i nc h a p t e rt w o ，i tc i t e st h et h e o r ys t r u c t u r eo ft h ev a r i a n td e s i g no fp a r t f a m i l y st o l e r a n c em o d e l i ta n a l y z e st h et o l e r a n c ei n f o r m a t i o ni nv a r i a n td e s i g n a n dt h ec o m p o n e n t sa n dt r a i t so fp a r tf a m i l y ss m lo nt o l e r a n c ea r es t a t e d i t p u t sf o r w a r dt h em e t h o d st oe s t a b l i s hp a r tf a m i l y st o l e r a n c em a i nm o d e l a t l a s t ，t h et h e o r yo ft h ev a r i a n td e s i g no fp a r tf a m u y st o l e r a n c em o d e lb a s e do n s m li sg i v e n i nc h a p t e r t h r e e ，t h ek e yt e c h n o l o g yo fr e a l i z i n gt h ev a r i a n td e s i g no fp a r t f a m i l y st o l e r a n c em o d e lb a s e do ns m li sg i v e n t h ep r o c e s so fc o m b i n i n g p a r tf a m i l y st o l e r a n c em a i nm o d e lt od e r i v et h ep a r tw i t hc o n c r e t et o l e r a n c e i n f o r m a t i o ni se x p o u n d e d t h et o l e r a n c ek n o w l e d g eb a s ew h i c hg i v e sd e c i s i o n a n a l y s i sf o re s t a b l i s h i n gp a r tf a m i l y st o l e r a n c em a i nm o d e l i ss p e c i f i e d a n di t s t a t e st h es t r u c t u r eo ft o l e r a n c ek n o w l e d g eb a s ea n dd e s c r i b e st h er u l e si n t h i sb a s e i nc h a p t e rf o u r , a c c o r d i n gt ot h em e t h o d so fe s t a b l i s h i n gv a r i a n td e s i g n o fp a r tf a m i l y st o l e r a n c em o d e lb a s e do ns m l ，m e n t i o n e da b o v e ，i td e v e l o p s t h es y s t e mo ft h i sf u n c t i o n a n dt h ei n d u s t r i a is t e a mt u r b i n ec y r l i n d e ri st a k e n f o re x a m p l et ob ec e r t i f i e di nt h i ss y s t e m i m p o r tt h ep a r ti n t oc a tf o rm o r e c e r t i f i c a t i o n c h a p t e rf i v es u m m a r i z e st h ea c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n so ft h i s 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 d i s s e r t a t i o na n dp r o s p e c t st h ef u t u r er e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e y w o r d s ：c o m p l e xp a r t ，s m l ，t o l e r a n c em a i nm o d e l ，v a r i a n td e s i g n ， k n o w l e d g eb a s e ，i n d u s t r i a ls t e a m t u r b i n ec y l i n d e r , t h es e c o n dd e v e l o p m e n to f u g 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，也不包含为获得逝姿盘堂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：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿态堂有关保留、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 权迸姿态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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：。年 月日签字日期：年 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： * n t * * 女# f 事自* b * * 模型变刑设* r 1 1 引言 第一章绪论 过去1 0 年m o o ( 多学科设计优化) 的发展与一般设计方法和吏践的结台 更加符切，除航空航天领域外，l 一木工程、机械、汽车、舭船、化学、机电和电 子设训等学科和应用中也能看到m d o 的效果，在所有这些学科中，m o o 极大 地改善设计过程效率和产品质量，取得广泛共识。1 1 1 多学科设计优化的理论、技术标志着国家产品创新技术与理论的制高点之 一具有重大的战略前沿意义，也是当今我国茬展复杂t 程系统中的重大难点。 对m o o 研究的主要包括多学科醴计优化方法的研究和支持m o o 方浊软件 框架的研究两a 面，其中多学科优化集成设训框架是通过软什的协同驱动产品设 计优化，其最关键的两个问题是设计任务流程管理和用致的模型描述形式表示 设计问题。 虽然对统一的产晶模型的研究已经有很多年但始终没有在应用领域提出过 较为完搏和具体的产品模型。笔者所在的课题组长期从事于基丁事物特性表的产 品建模技术的研究。它是一种产品模块化开发设计技术。而模块化已经成为当今 程产品的主要发展趋势之一口q 】。基于对这建模技术的深入研究，试图建立 基于事物特性表的产品模型框架体系，如图1 - 1 所示。通过事物特性表构建起产 品在异个学科领域的产品模型，形成完整的统一的产品模型。 围1 1 基于事物特性表的完整产品模型 图1 - 1 表示了基1 一事物特性表的完整的产品模型体系，具体包括产品的开发 设计、工艺过程规划、加工制造、质量管理、成本规划、销售、售后服务等产品 * 女日 * 立；* f 4 # n 女o * 模 女 r 模型。根槲对各阶段备应用领域中产品所具有特点的分析，提取产品的事物特性， 构建起产品的事物特性表。并且在各学科应用领域，构建起与之相应的产品模型。 通过事物特性表的参数驱动，快速形成各个阶段不同j 侈式的却又相互保持一致的 实例产品模型。通过更改事物特性表中某实例产品的事物特性参数，就可以使 备应用领域中该产品的模型发生相应的变化，使同产品在各环节始终保持一致 性。 完整的产品模型的建立是一个逐渐完善的过程甘前的研究多吼产品的儿何 模型( c a d 模型) 为基型，在此基础上与其它学科的模l “进行集成。对于静力 学模型t 动力学模型等仪关注模型形状结构及其尺寸大小的情况，几f u 模型能够 很好的提供这些相黄的特征数据，凼此得到了很好的集成和应用。但对于测量模 型来说，除了需要有一定的几何信息以外，还需要有公差信息来描述其制造误差 的大小，指导测量规划的生成。因此儿何模型难以与测量模型实现较好的集成。 对此情况，本文提出了带有公差信息的几何模墨! ! ( 定义为公差模型) 以其 带有公差信息的特性，实现公差模型与测晕模型的有效集成。图1 - 2 表示的就是 公差模型与测量模型理想的集成过程。 * “园 幽登j o m r h m _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 图1 - 2 公差模型与测量过程的集成过程 1 2 变型设计的研究现状 1 21 变型设计的主要方法 、爹、 舅 = m i * b m 变型设计是关于设讣方法和过程的种分类定义，足指提取己存在的设计或 设计计划、做出特定的修改以产牛个和原设计相似，但在功能上或外观上具有 瞄一 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 创新意义的新产品。这种修改一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要求1 7 1 1 8 j 就整体而言，变型设计就是一个相应于产品的基本组成结构而对设计任务逐 步分解、求精的过程，即运用一定的规则将对整个产品的设计归结为对其中各个 部件、零件等功能模块的设计。现有的变型设计理论主要是针对变型设计这一特 点进行理论上研究的，研究范围包括变型设计过程、产品模型及建模方法、资源 重组与重用、变型修改方法等。 目前主要有以下几种变型设计的方法： ( 1 ) 基于事物特性表的变型设计1 9 】 i 0 1 1 1 1 】 基于事物特性表的变型设计能够很方便地对产品配置模型中的各模块进行 变型设计，从而达到缩短产品设计周期，提高产品质量，降低成本，满足市场需 求的目的。另外，基于事物特性表的变型设计还能够有效地实现下游过程的变型 响应，从而实现产品开发和设计的标准化和规范化。 ( 2 ) 基于相似设计理论的变型设计r 。j 基于相似设计理论的变型设计是相似设计理论在变型设计中的应用。系统相 似，尺寸与性能参数皆成一定比例关系的纵向系列产品为相似系列产品。相似系 列的产品设计是首先选定某一中档产品为基型，对它进行最佳方案设计，确定其 材料、参数和尺寸，然后再按系列设计原理求出系列中其它产品的参数和尺寸， 前者称为基型产品，后者称为扩展型产品，即变型设计产品。系列化设计是企业 目前广泛应用的设计方法之一，它具有如下优点： 1 ) 系列产品的不同规格仅仅是基于一种规格变化而形成的，这就大大节省 了产品的开发周期和成本，提高了产品的性能和可靠性； 2 ) 系列产品在满足用户需求的前提下，遵循适当的参数变化规律可以提高 不同规格产品的生产批量，从而使产品质量稳定、成本下降，这对企业和用户都 有利； 3 ) 对企业来说，系列产品便于库存管理；对用户来说，系列产品使用规定 和方法相同，方便了使用。 基型产品是发展系列产品的基础，其设计过程应遵循科学的设计方法，并注 意其扩展的可能性和方便性，注意提高其标准化、通用化程度，并尽可能提高其 设计质量。 ( 3 ) 模块化变型设计1 1 3 1 在对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用模块，根据市场 需求，对这些模块进行选择组合，就可以构成不同功能，或功能相同但性能不同、 规格不同的变型产品。模块化变型设计实际上是模块化设计思想在变型设计中的 3 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 应用，具有模块化设计的优点和缺点。 模块化设计包括模块创建和模块综合两个过程。模块创建包括功能模块的划 分过程和功能模块的设计过程；模块综合则是根据具体的设计要求，进行功能分 解，并从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将各功能模块组合形成 产品。模块化设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短、降低成本且提高产品 质量，并可使产品具有很大的灵活性和适应性；能快速响应用户对多品种、小批 量的需求，使产品具有很强的竞争力。 模块化设计是建立在模块定义和组织管理基础之上的，其对特定产品的模块 划分不是随意的，而且模块之间的装配关系是预先确定的，不能随意更改，因而 限制了其使用范围。它适用于机床等行业中产品功能基本相同，但品种多的产品 设计。使用这种方法不可能建立一种统一的设计环境或适应较大范围的产品设 计。 ( 4 ) 基于特征的变型设计【1 3 】【1 4 】 p a r t t 和w i l s o n 1 5 l 对特征给了一个概念性的定义，特征是在零件层面上有意 义的区域。特征技术是为了弥补传统c a d 软件的不足，是而向设计和制造全过 程的。它是以几何模型为基础，包括零件设计、制造等信息的一种产品建模方法。 过去的c a d 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展 阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力，亦即只描述了产品的几何信息；而 特征造型则是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的 集成信息模型服务。 特征( f e a t u r e ) 在这里作为一个专业术语，兼有形状和功能两种属性，它包括 产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要 求。特征造型技术使得产品的设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对 象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素。特征设计面向产品设计与制 造全过程，以形状特征为主干，将工程信息挂靠在形状特征上。常用的形状特征 由c a d 系统设计者以特征库的形式提供给用户，如槽、凸台、筋、键槽等，且 允许用户自定义特征，以扩展系统的特征库，系统提供了用不同属性值实例化特 征的能力。特征技术的发展为产品的变型设计提供了一种手段，用户通过一系列 特征的实例化和特征的自动维护达到产品变型设计的目的。从根本上讲，特征设 计是零件级的设计，无法支持概念设计、自项向下的设计，不支持产品设计的全 过程。 ( 5 ) 基于参数化和变量化设计方法的变型设计【1 3 j 【1 4 j 【1 6 j 参数设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可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显式的对应关系，设 计结果的修改受到尺寸的驱动，生产中最常用的系列化标准件就是属于这一类 4 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 型。 变量化设计是设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程组 来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件， 设计结果的修改受到约束方程组驱动。变量化设计允许尺寸欠约束的存在，这样 设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第 一位，暂时不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。 在参数化变量化设计中需着重考虑的是约束的合理性和完备性，否则可能无 解或产生意料不到的结果。当产品结构复杂时，参数之间的关系也非常复杂，使 得设计难以控制。参数化变量化设计适合于产品设计初始阶段草图设计，可以非 常方便地利用参数化变量化技术更改设计。由于参数化变量化技术表达的信息量 小、约束的多样性和处理工程约束的复杂性，使其无法完全解决变型设计中存在 的问题。 ( 6 ) 基于关系型产品模型的变型设计理论 上海交通大学的陈俊、钟廷修等【1 7 】根据合理化工程哲理的订单规划的需 要，提出了一种关系型产品模型，即在先进的信息理论和计算技术的支持下，定 义和表达重用产品资源所必需的产品数据及其数据关系的数字化信息模型，分析 了订单规划活动和信息类型和信息内容，得到了关系型的逻辑构成，它们是：设 计模型、工艺模型、制造模型、成本模型。作者详细分析了设计模型，利用产品 重组技术对企业资源按面向对象的方法进行分类重组，建立了对象分类框架，实 现了对象的抽象定义，在此基础上建立了对象的类属模型，利用这些技术实现了 企业产品的合理、快速变型设计。 ( 7 ) 基于产品动态模型的变型设计理论 中国矿业大学的赵继云、上海交通大学的钟廷修【1 9 1 等提出了基于产品动态 模型的变型设计理论，将产品设计分为三个阶段：概念设计阶段、技术设计阶段、 施工设计阶段，这三个阶段的产品模型分别对应着概念设计模型、装配设计模型、 产品定义模型。具有过程性、动态性和层次性。这三个动态子模型反映了产品设 计不同阶段的产品的信息，它们既相互独立，又相互影响。为了全面反映产品设 计不同阶段的信息，引入了动态子模型多视图概念，从不同的侧面描述产品，视 图是一类特征属性的集合，试图利用多视图来表达动态子模型信息。根据对企业 资源的利用程度，将变型设计分为初始变型设计和二次变型设计，并将二次变型 设计分为概念变型设计、装配变型设计、产品定义变型设计。利用r b r 和c b r 混合推理的方法进行二次变型设计。 ( 8 ) 智能变型设计理论 浙江大学的江力、孙守迁1 2 0 】等提出了智能变型设计模型框架，用基于实例 的技术表示产品模型，以基于实例的推理为基础，综合运用规则推理和约束满足 5 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 方法来完成产品的变型设计活动。 设计内容分为两类，一类是数值计算，另一类是符号推理，数值计算可由计 算机直接处理，符号推理部分必须采用知识工程技术。智能化是变型设计的发展 方向，目前常用的变型设计方法是基于实例推理技术的变型设计，或基于实例和 规则混合推理的知识智能变型设计。基于实例的设计( c a s eb a s e dd e s i g n ，c b d ) 是人工智能技术c b r ( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ) 在c a d 领域内的应用。c b d 是 组合或修改已存在的设计结果，产生满足新设计要求的新设计的过程。c b r 技 术具有知识表示简单、不需要精确模型、具有自学习能力等优点，是目前一个研 究的热点。将c b r 技术应用于产品变型设计便是基于实例推理的变型设计，将 c b r 与r b r ( 基于规则的推理) 机制用于变型设计，发挥各自的优势，称为基于 实例和规则的混合推理智能变型设计。 1 2 2 变型设计存在的问题和发展趋势 目前变型设计的研究工作虽然做了不少，但是还存在以下一些问题： ( 1 ) 缺少一种标准化的开放的产品变型主模型结构。 目前的产品变型主模型都难以全而地包含产品设计信息、生产加工信息、客 户需求信息、销售信息等：而且国内外学者由于研究的重点不一，因此产生的产 品变型主模型都不尽相同。一个标准化的产品变型主模型结构可以使得产品变型 主模型可以在不同的变型设计系统中实现数据转换：一个开放的产品变型主模型 结构可以让设计人员自定义产品信息，以实现企业自身的需求。 ( 2 ) 缺少一种灵活的变型设计方法。 针对零部件的变型设计系统难以实现对整个产品的变型设计：而针对产品的 变型设计系统，又难以支持对产品中单个零部件的变型设计。在产品变型设计系 统中，产品中的零部件之间往往是相互关联的，对单个零部件的变型往往会影响 到整个产品，甚至破坏产品结构。而一种既支持零件变型设计，又支持产品变型 设计的变型设计系统将会更加符合企业的实际需求。 ( 3 ) 无法充分利用企业现有的资源。 随着市场的进一步细分和客户需求的个性化，变型设计往往会使企业产品种 类增多，使得企业的资源空间呈现出膨胀的趋势，这将会造成企业资源的浪费、 管理成本和制造成本的增加以及生产效率的下降。针对这样的情况，大批量定制 技术必须更加完善地指导产品变型设计，建立和形成一套完整而有效的变型分析 方法是充分利用企业现有资源的关键。企业应该在大批量定制的思想指导下整合 产品族中各产品类型的资源，尽可能地使用现有的资源来满足客户需求，针对不 能满足客户需求的零部件则采用变型设计来解决。另外更重要的一点是变型设计 技术应该在大批量定制技术思想的指导之下，在充分调查客户需求的基础上，应 6 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 该采用最少的变型产品满足最广大的客户需求。 ( 4 ) 缺乏系统集成方面的研究。 产品变型设计过程是一个有机整体，只有将与产品变型设计有关的产品模 型、设计过程模型、产品资源( 实例库、知识库、数据库) 、任务模块、分析评价 及修改等集成起来，才能充分发挥作用。 因此建立一个标准化的可与不同学科有效集成的主模型是发展变型设计理 论的关键。 1 3 公差信息的建模与表示的发展过程及研究现状 1 3 1 公差信息建模与表示 公差信息的建模与表示是指在计算机中对某一实体模型或特征模型进行准 确无误的公差表述【2 1 l ，并对其语义做出正确合理的解释。通过建模与表示，公 差信息能够在产品的整个生命周期被使用，从而相应的操作也能顺利进行，这就 为学科间的集成提供了更好的基础。 公差信息的建模与表示首先要有一个数学模型，其次是表示模型【2 2 l1 2 3 l 。数 学模型是指对公差信息语义的数学描述与解释，它应该包括两个问题：公差域边 晃的描述和满足公差要求的变动要素的描述，即按工程语义来解释公差信息；表 示模型是指公差信息在计算机中的表述，以一种数据结构的形式存在。一般来讲， 正确合理的公差信息建模首先需要一个数学模型，并针对该数学模型建立相应的 计算机表达方式即表示模型，这样可以在表示模型中完整地表示数学模型所需的 各种信息。但数学模型与表示模型之间并不存在严格的一一对应关系，而是交叉 对应关系，理论上针对一个数学模型可以设计出多种表示模型，反之，一种表示 模型也可以为多种数学模型服务，仅仅将公差当作文本符号处理的简单表示模型 甚至可以没有对应的数学模型，此时对其所表示的公差信息未做出任何语义的解 释，公差仅为一种符号。 1 3 2 数学模型研究内容与现状 从七十年代末开始研究计算机辅助公差设计技术以来，对公差信息建模与表 示的数学模型从不同的侧面进行了大量的研究，出现了以下几种数学模型。 ( 1 ) 漂移模型( o f f s e t t i n gm o d e l ) r e q u i c h a 2 4 l 2 5 针对几何造型的需求，以变动簇为基础，于19 8 3 年提出了 一种全新的公差数学模型，这个模型用点集形式来表述，实体s 是欧氏空间的 一个正则子集，用点集定义了其上特征 f ) 。在r e q u i c h a 看来，公差目的就在 7 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 于定义一系列物体组成的类，它们满足在装配过程中可互换和功能上等价。并把 这个类称为变动类( v a r i a t i o n a lc l a s s ) 。由此公差就指一个具有计算功能的实体， 是对一个变动类的表示，公差的数学表达是： 7 i = ( s ， 助，似府) ( 1 ) 式中：s 为所需添加公差的实体； f ) 为该名义实体的边界；弘毋是公差要求。 上述定义的公差经过漂移，得到漂移实体o ( ，s ) 为： 郴固= 雠苫岔 0 鲫) 图1 - 7 零件的t t r s 表示及对应的m g d e 5 ) 基于公差元的公差信息表示模型 g u i l f o r d 4 6 在变动几何造型系统g e o s 中提出了表示元( r e p r e s e n t a t i o n a l p r i m i t i v e ) 的概念。在该模型中，表示元及公差基准均是以类的形式定义，公差 的所有信息如公差类型、大小、作用对象及所引用的基准等均以类属性的形式给 出，通过定义类方法引用这些属性并将公差添加于c a d 系统中。通过定义少量 的表示元及其组合来表达标准中绝大部分类型的公差，但还不能完全地表达标准 中所有的公差信息。产品模型数据交换( s t e p ) 标准在与i s o1 1 0 1 标准相适 应的前提下，致力于完整，无二义性地表示公差，并适应产品数据模型交换的需 要。它也采用了类似于表示元的形式来表示公差，但是它在公差中定义位置和方 向时使用的是矢量方式，对于实际实体来说，如何在零件上附加坐标系并未清楚 地说明。w i i l h e l m 和l u 2 9 在并行工程环境中发展了基于条件公差的公差元 ( t o l e r a n c ep r i m i t i v e ) 概念来表示公差。表示元与公差元都是面向对象的概念， 适合并行工程下的特征造型系统，表示元侧重于公差表示，公差元侧重于公差设 计。 基于公差元的公差信息表示模型主要侧重于公差本身信息的组织，对于其如 何在c a d 系统中添加考虑较少，即对c a d 系统中的几何信息未进行重新的组 织处理，只是将公差信息直接添加于相应的对象上。 ( 6 ) 基于特征的公差信息表示模型 考虑到公差信息具有很强的工程语义，刘玉生【3 9 】提出基于特征来解决公差 信息的表示问题。在该模型中，先对c a d 系统中零件信息进行拓扑意义上的特 1 3 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 征识别和几何意义上的分类与组合，将零件的信息以特征的形式组织，然后借用 t t r s 的概念，构造基于特征的t t r s ，即f t t r s ( f e a t u r e b a s e dt t r s 。 f t t r s ) ，与( 4 ) 相比，这里的f t t r s 构造有两个主要不同点： 1 ) f t t r s 的构造是有序的，相同表面集的不同构造顺序将生成不同的 f 1 r t r s 树； 2 ) f t t r s 的表面集只能属于同一特征内，而不能分属于不同的特征，这样 不仅考虑了拓扑上表面的相联，而且也考虑了技术上表面的关联。 该表示模型的构造过程如下图1 8 所示。目前以a c i s 5 0 为底层开发了一 基于特征的层次公差表示模型。该模型的主要特点是具有很强的语义，实现了按 语义表示公差，便于对公差信息进行合理性、充分性及有效性的评价。目前其主 要不足之处是能处理的特征类型还有限，且如何进行公差信息的评价还需进一步 研究。 图1 - 8 基于特征的公差信息表示的算法流程 1 3 3 存在的问题与可能解决方法 ( 1 ) 公差建模与表示的数学模型 对数学模型的研究已有很多，但目前实用能力均还有限。i s o 公差标准已经 在实践中应用多年，对于过去的“蓝图”时代是十分适合的，但它具有二义性， 不适合于计算机的表示。a s m e 新标准1 3 6 l 是以点集矢量的形式对公差进行定义， 消除了文字定义的二义性，因此实用数学模型的获得最终要以公差的数学定义为 1 4 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 基础，同时融合其它的方法，在对公差的语义做出正确解释的同时，尽可能多表 示公差丰富的内涵信息。 ( 2 ) 从设计特征到制造特征映射过程中公差信息的映射技术 虽然制造特征大部分情况下就是设计特征，但并不总是这样。在设计特征到 制造特征的映射过程中，公差信息如何由设计特征的公差信息映射为制造特征的 公差信息是值得深入研究的。一个可能解决问题的办法是记录从设计特征到制造 特征映射时有公差求的要素之间的映射关系，以制造特征的要素为封闭环、设计 特征的要素为组成环建立映射要素之间的公差链，从而求解出制造特征的公差。 ( 3 ) 面向c a p p 的公差信息表示模型 在进行c a p p 时，存在有大量的工序公差，这些工序公差对工艺规划、加 工机床的选择等是至关重要的，因此必须对之加以建模与表示。目前对c a p p 中公差优化设计的研究已有很多1 4 5 1 1 4 7 1 4 8 】，相对地，对建模与表示却很少，处于 刚刚起步阶段。d e s r o c h e r _ 【3 4 提出了基于t t r s 的公差图( 树) 的方法，但这种 方法只对尺寸公差比较有效，还需要进一步拓展图中节点的定义，使之既可包含 尺寸公差信息，也可包含形位公差信息。因此与c a d 系统中的表示模型相比， 面向c a p p 的公差信息表示模型应该具有以下几个特征： 1 ) 对应的c a d 系统中公差表示模型的扩充应该同时支持c a d 系统中的公 差信息表示； 2 ) 表示模型不仅要能表示不同要素之间的公差关系，同时还要可以表示同 一要素不同时间( 工序) 之间的关系； 3 ) 研究的重点应该是工序尺寸公差及其之间的相互之间的关系。 因此面向c a p p 的公差信息表示模型的建立应该是以c a d 中的表示模型为 基础，通过必要的扩展而得到。 ( 4 ) 复合公差的建模方法 进一步研究在组特征( 如孔系、轴系) 中运用复合公差时公差信息建模方法 是必然的需求。刘玉生在考虑复合公差( 如同时有尺寸公差和形状公差) 时，主 要是针对单个特征进行的，对于组特征，如孔系，当运用复合公差时，情况变得 比较复杂，这种情况在实际中也是比较常见的，值得进一步研究。解决的方法应 该仍然以公差的数学定义为基础，在此基础上，深入剖析组特征整体及其内部复 合公差之间的相互变动关系，找到建模的约束条件。 本文所研究的公差信息的表达方式是在变型设计应用环境下的特殊的表达 方式，因此与以上研究的侧重点有所不同，但目的都是为了让公差信息更好的在 计算机中表达和在不同学科领域之间有效的交换。 1 5 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 1 4 本文研究的内容 对于变型设计和公差模型的表示都已经有了一定的研究，但是对于两者的交 叉部分的研究没有文献上的说明，本文根据理论研究和系统开发过程中遇到的问 题，提出以下几方面公差模型创建上的难点。 ( 1 ) 公差信息的表达方式； 目前研究的公差信息的表达多在于公差本身的工程语义以其在计算机上的 描述，缺少针对变型设计特点的公差信息表达方式。 ( 2 ) 公差模型的数据在不同学科间的交换； 公差信息在不同的学科系统中有着不同的表达格式，在学科系统之间进行存 储和交换等操作往往因为格式的不同而无法识别，因此，采用一种标准并且通用 的数据格式是实现学科间模型集成的基础和关键。 ( 3 ) 公差信息与几何模型的集成； 公差信息只有跟几何模型建立相对应的映射关系才能体现其在制造上的实 际意义，因此如何将公差信息与几何模型建立映射关系是需要考虑的问题。 ( 4 ) 公差模型的变型设计； 系统开发的目的就是通过变型设计快速有效的得到产品实例，因此如何实现 公差信息的数据驱动几何模型，变型设计得到产品实例是最为现实而且最为重要 的问题。 针对以上难点，本文进行了如下方面的研究工作： ( 1 ) 面向变型设计的公差分析 本文所讨论的公差信息都是基于变型设计应用的公差信息，因此关注的是公 差信息在变型设计中的应用。对公差信息作面向变型设计的分析主要是针对公差 值进行分情况处理，使其符合变型设计的要求。 ( 2 ) 建立公差事物特性表 针对公差信息面向变型设计的分析结果，设置公差对象列的公差属性，根据 产品行数据自动得到产品公差信息，用事物特性表的格式和规范描述变型设计中 的公差信息，得到公差事物特性表。由于事物特性表的规范性和标准性，公差信 息借助这样一个格式，得以在不同学科领域实现交换。 ( 3 ) 建立公差主模型 主模型是事物特性表和几何模型的集合，也是进行变型设计的基础。本文在 建立公差事物特性表和公差几何模型的基础上，对两者的数据进行了处理，使其 建立一一对应的映射关系。 ( 4 ) 公差主模型变型设计 利用参数化c a d 软件的a p i 接口语言，实现事物特性表行数据对几何模型 1 6 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型交型设计研究 变量表变量的驱动，得到派生的产品实例。 ( 5 ) 应用于工业汽轮机汽缸 将公差模型理论运用于汽缸产品，建立一个公差模型变型设计系统，实现汽 缸产品事物特性表的建立和产品的变型，得到带有公差信息，并能应用于测量系 统的产品实例。 本文的研究意义如下： ( 1 ) 提出了建立公差事物特性表及其公差主模型的方法 ( 2 ) 提出了一套针对变型设计的公差信息分析方法，得到实用有效的分析 结果，结合分析结果建立的公差事物特性表能够很好的描述产品的公差信息，建 立的主模型能够方便快捷的派生出所需要的产品实例。 ( 3 ) 拓宽了产品模型的应用领域 带有公差信息的产品模型能够很好的与测量模型集成，实现检测特征的自动 提取和测量规划的自动生成，大大提高了工作效率，缩短工作时间。该产品模型 也可应用于c a m 模型，c a p p 模型等需要公差信息的学科领域，形成一个统一 的完整的产品模型。 ( 4 ) 提出了公差模型变型设计系统 提出的公差模型变型设计系统结合了公差设计所用到的通用知识和过程，降 低设计人员对公差设计相关知识的要求。采用选择，提示等交互方式，使设计过 程更为简便，并使得设计结果趋于标准化。系统能够快速有效的实现产品的变型 设计，得到符合要求的带有公差信息的产品模型。 1 5 论文结构框架 i 第一章绪论一 l 第二章基于事物特性表的公差模型设计原理一 i 第三章公差模型变型设计的关键技术一 l 第四章公差模型变型设计系统的开发和应用一 i 第五章总结与展望一 图1 - 9 论文的组织结构 本文的组织结构见图1 - 9 。第一章是对产品的完整模型进行论述，提出本文 1 7 浙江大学硕士学位论文：基于事物特性表的公差模型变型设计研究 的研究背景和研究意义，并介绍了变型设计和公差模型的研究现状，提出了本文 研究的内容。第二章对基于事物特性表的公差模型进行理论研究，提出了建立零 件族公差事物特性表和构建零件族公差主模型的过程，最后提出了公差模型变型 设计的原理。第三章提出了复杂零件公差模型变型设计的关键技术。阐述了零件 族的公差主模型与相应实例事物特性表相结合派生出实例产品的具体过程，并详 细介绍了对建立公差主模型起决策支持作用的公差知识库。第四章提出了零件族 公差模型变型设计系统的开发及实例应用。第五章对本文进行总结与展望。 1 6 本章小结 随着多学科设计优化的理论、技术应用的广泛，越来越引起人们对它的注意 和重视，多学科设计优化的理论、技术标志着国家产品创新技术与理论的制高点 之一，具有重大的战略前沿意义，也是当今我国发展复杂工程系统中的重大难点。 对m d o 的研究最关键的两个问题是设计任务流程管理和用一致的模型描述形式 表示设计问题。 目前的研究缺少一个完整的产品模型，究其原因是由于原有的多学科模型之 间的集成是以几何模型为基型的，几何模型仅仅描述模型的几何结构及其尺寸大 小，不包含公差等信息，而公差信息等恰恰是很多学科模型的重要参数。 基于上述背景，本文对变型设计应用环境下的公差信息进行了一定的研究， 并提出了建立零件族公差事物特性表和公差主模型的方法，以及相应的变型设计 的原理。 1 8 * 日# n * 女：* f $ 特# & * 模变 w r 第二章公差模型的变型设计原理 2 1 基于s m l 的产品建模技术 在产品设计过程中，为丫快速，优质地满足窖户的个性化需求，往往需要对 产品进行变型设计，这就需要建市支持变型设计的产品主模型。目前建立支持变 型产品模型有很多方法，本文采用事物特性表技术建立产品主模型，为产品在弄 学科系统之间的变换提供服务( 如图2 1 ) 。 兰g 2 1 1 事物特性表技术 事物特性是指表征产品( 包括部件和零件) 几何特性、功能特性和制造特性 的信息集台。通过这些特性，可以对一个零件进行描述。例如通过直径、宽度、 齿数、模数、材料和所传递的扭矩等特性，可以大致确定一个齿轮。埘这些特性 赋予具体数值以后就可以明确地描述该类齿轮中的每一只齿轮。h 9 - 5 2 事物特性表( 英文：t a b u l a rl a y o u 把o f a r t i c l