（机械制造及其自动化专业论文）基于相似性的通用模具成本估算系统研究与实现.pdf

摘要 手葡斐 模具报价是模具制造企业技术、经济、效率和管理的综合反映，同时也是决 定模具制造企业和客户间能否成交的一个重要经济条件。随着模具制造业的快速 发展，依靠个人经验所进行的报价已明显不能满足市场竞争和变化的需要，过高 或过低的报价容易导致企业失去市场和信誉，也容易使企业收支不平衡。同时并 行工程、协同设计技术的发展，也要求企业在模具设计与制造的不同阶段及时提 供模具的估算成本与价格。因此，开发一套既能反映模具制造企业自身的生产能 力，又能在速度、准确程度和详细程度上满足客户需求的模具报价系统成为模具 制造企业和客户所共同关心的话题。 本文以注塑模具和冲压模具为主要研究对象，首先对其成本构成和成本影响 因素进行了详细分析，运用相似性原理建立了模具成本的相似性组成模型。在此 基础上并结合国内外研究现状，采用不确定度方法和基于实例推理方法开发了一 套通用型模具成本估算系统，为快速准确的进行模具报价提供了有效可行的解决 方法。 结合注塑模具和冲压模具结构组成和成本影响因素，提出了建立相似性模具 成本组成模型的概念，建立了顶层。中间层底层的三层成本通用的模型。 根据不确定度的基本概念和评定方法，结合本文中模具成本估算的业务流程， 建立了模具成本估算的不确定度的评定流程，在此基础上，结合模具成本的组成 相似性模型，阐述了模具成本不确定度评定中数学模型的建立。 将基于实例的推理应用于注塑模具成本估算，构建了系统成本估算的c b r 模型。采用框架表达法对注塑模具实例进行了表示；在实例的检索机制中，构建 了基于最近邻居法的检索模型，并给出了一种权重动态调整方法；采用了交互式 改写法和基于规则改写法两种实例改写方法，为实例改写提供了一整套方法，从 而实现了实例改写的多方法集成。 关键词模具报价；成本估算；相似性；不确定度；基于实例推理 a b s t r a c t a b s t r a c t m o l dq u o t a t i o ni sac o m p r e h e n s i v er e f l e c t i o no ft e c h n o l o g y , e c o n o m y , e f f i c i e n c y a n dm a n a g e m e n to fm o l dm a n u f a c t u r e r s ，a n di ti sa l s o a l li m p o r t a n te c o n o m i c c o n d i t i o nt h a td e t e r m i n e sw h e t h e rm a n u f a c t u r e r sa n dc u s t o m e r sc o u l dm a k ead e a l w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yo fm o l d s ，q u o t a t i o nr e l i e do n i n d i v i d u a le x p e r i e n c eo b v i o u s l yc a n n o tm e e tt h en e e d so fm a r k e tc o m p e t i t i o na n d c h a n g e s i th a sb e c o m eac o m m o nc o n c e r no fm a n u f a c t u r e r sa n dc u s t o m e r s t od e v e l o p as e to fm o l dq u o t a t i o ns y s t e mw h i c hc a nn o to n l yr e f l e c tt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo f t h em a n u f a c t u r e r s ，b u ta l s os a t i s f yt h ed e m a n d so fc o n s u m e r si na c c u r a c yt i m e l y i n j e c t i o nm o l da n dp r e s sm o l da r et h em a i no b j e c t sr e s e a r c h e di n t h i sp a p e r f i r s t l y , i tm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so fm o l dc o s ts t r u c t u r ea n df a c t o r st h a ta f f e c tm o l d c o s t o nt h eb a s eo fs i m i l a r i t yt h e o r y , w eb u i l ts i m i l a rs t r u c t u r em o d e lo fm o l dc o s t o nt h i sb a s i sa n dc o m b i n e dw i t hh o m ea n do v e r s e ar e s e a r c ha c t u a l i t y , t h i sp a p e r u t i l i z e du n c e r t a i n t yt h e o r ya n dc b rm e t h o da n dd e v e l o p e dam o l dc o s te s t i m a t i o n s y s t e mf o rc o m m o nu s e ，p r o v i d i n gap o t e n ta n dv i a b l ew a yf o ri n s t a n ta n dp r e c i s e m o l dq u o t a t i o n c o m b i n a t i o no fc o s ts t r u c t u r ea n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fi n j e c t i o nm o l da n dp r e s s m o l d ，t h ec o n c e p to fm o l dc o s tc o m p o n e n t sm o d e lw i t hs i m i l a r i t yw a sr a i s e d a n d m o l dc o s tm o d e lo ft h r e e 。l a y e r so ft o p m i d d l e b o t t o mf o rc o n l m o nu s ew a s b u i l t a c c o r d i n gt ot h eb a s i cc o n c e p t sa n de v a l u a t i o nm e t h o d so fu n c e r t a i n t yt h e o r y a n dc o m b i n e dw i t hb u s i n e s sp r o c e s s e so fm o l dc o s te s t i m a t i o ni n t h i sa r t i c l e ，t h e a s s e s s m e n tp r o c e s so fu n c e r t a i n t yo fm o l dc o s te s t i m a t i o nw a sb u i l t o nt h i sb a s i s ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fu n c e r t a i n t ya s s e s s m e n tw e r eb u i l t c a s eb a s e dr e a s o n i n gi sa p p l i e dt oe s t i m a t et h ec o s to fi n j e c t i o nm o l d ，a n dt h e s y s t e mc b rm o d e lf o r c o s te s t i m a t i o ni sa l s oc o n s t r u c t e di n t h i sp a p e r c a s e r e p r e s e n t a t i o ni sg i v e nb yu s i n gt h em e t h o do ff r a m er e p r e s e n t a t i o n o n er e t r i e v a l m o d e l sa r ee s t a b l i s h e df o rr e t r i e v i n gs i m i l a rc a s e sw h i c hi sb a s e do nt h em e t h o do f n n ( n e a r e s tn e i g h b o r ) a na l g o r i t h mo fr e v i s i n gt h ew e i g h td y n a m i c a l l yi s a l s o p r o p o s e d t h em e t h o d so fi n t e r a c t i v ea d a p t a t i o na n dr u l e - b a s e da d a p t a t i o na r eg i v e n t op r o v i d eac o m p l e t es e to fm e t h o d sf o rc a s ea d a p t a t i o na n di tr e a l i z e st h ei n t e g r a t i o n o ft h e s ea d a p t a t i o nm e t h o d sf o rc a s ea d a p t a t i o n k e yw o r d s m o l dq u o t a t i o n ；c o s te s t i m a t i o n ；s i m i l a r i t y ；u n c e r t a i n t y ；c b r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它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 确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： ；汐 第1 幸绪论 1 1 引言 第1 章绪论 模具是生产各种工业产品的主要工艺设备，它以其特定的形状使其原材料成 型。使用模具加工产品，具有高精度、高复杂度、高一致性、高效率、低消耗等 其他加工方法无法比拟的特点，因此在国民经济的各个部门中，特别是在航空、 航天、电子、电器、机械和汽车等工业部门中得到了极为广泛的应用。 在现代化的模具工业生产中，塑料模具占有越来越重要的地位，大约占模具 总量的4 0 【1 】。而在各类塑料模具中，又以注塑模的产量最大，最有代表性。冲 压模具在模具工业的总产值中约占5 0 ，注塑模和冲压模在模具工业中的重要 性显而易见。如何科学地、合理地计算模具成本，确切地对其进行估算，以便真 实地反映其价值，已成为一个很重要的问题。模具的定价是否合理不仅关系到用 户的切身利益，而且还关系到制造商的盈利水平、市场竞争策略的制定以及预定 的经营目标是否能够顺利实现等，已成为提高企业竞争力的一个急需解决的问 题。 目前成本估算领域的研究方法很多，大多依据一定的经验公式来进行成本估 算，而模具成本的估算属于弱理论科学，通过经验公式进行成本估算具有很大的 局限性，而把相似性理论、不确定度概念和基于实例推理的人工智能技术应用于 模具成本估算，对于模具行业实现通用性的成本估算具有非常重要的意义。相似 性理论方法为分析度量系统相似性，特别是为分析机械产品相似性和差异性提供 了新的理论方法和依据。不确定度理论是现代测试技术、仪器仪表以及工程实验 等多领域不可缺少的重要理论基础，它在科学与生产实践中起到了重要的作用， 因此受到了普遍地重视并得到了迅速而广泛地发展和应用。人工智能是研究模拟 人的某些思维过程和智能行为( 如学习、推理、规划等) 的- - i - j 学科，其主要任务 是建立智能信息处理理论，使计算机系统拥有近似于人类的智能行为。在模具成 本估算过程中采用相似性原理、不确定度概念、c b r 人工智能技术，实现模具 成本估算的通用性方法，可以克服传统成本估算方法的不足，提高成本估算的效 率和准确性，具有很大的可行性和有效性。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 成本概述 1 2 1 成本概念 “成本”这一概念在不同的学科中的概念是不同的，即使在同一学科领域中 的不同分支也存在不同的解释。在本文中我们采用会计学中的成本定义：即成本 是为了实现一定目的而付出( 或者可能要付出的) 、用货币测定的价值牺牲【5 1 。 1 2 2 成本有关的理论 1 2 2 1 并行工程在竞争日益激烈的市场中，产品更新换代的周期越来越短，为 了能使产品生存的时间更长，需要尽可能的缩短产品的设计和制造时间，缩短交 货期。传统的生产和管理方法很难适应当前竞争激烈的市场。在传统的生产和管 理模式下，企业各个部门间的物资和信息交流是单向的，通常是从设计部门到生 产部门，从生产部f - j n 销售部门。但是在实际运行过程中，企业内部的每个部门 都可能对产品的价格、质量和交货期产生重大的影响，例如销售部门的销售情况 和预测会产生到生产部门的计划、原材料和零配件的采购，影响到设计部门对产 品的改进和进一步开发。 为了降低成本，缩短交货期，1 9 8 6 年美国国家防御分析研究所( i d a i n s t i t u t e o f d e f e n s ea n a l y z e ) 完整地提出了并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 的概念， 即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过 程) 的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期 中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求”。 并行工程的核心是使产品开发人员在设计过程中尽早的考虑产品整个生命周期 中的所有因素，解决好产品的t 、q 、c 、s 、e 难题，即以最快的上市速度t ( t i m e t om a r k e t ) 、最好的质量o ( 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 ) 来满足顾客的不同需求和社会可持续发展的需 求。 并行工程的实施可在三个方面降低产品的成本：首先，它可以将错误限制在 设计阶段，避免了很多设计返工。在产品生命周期中，错误的发现越晚，造成的 损失就越大。其次，并行工程不同于传统的“反复试制样机”的做法，强调“一 次达到目的”。这种一次达到目的是靠软件仿真和快速样件生成实现的，省去了 昂贵的样机试制。其三，由于在设计时就考虑到加工、装配、检验、维修等因素， 第1 章绪论 产品在上市前的成本将会降低，同时，在上市后的运行费用也会降低，所以，产 品的寿命循环价格就降低了，既有利于制造者，也有利于顾客。 d f x 是d e s i g nf o r x ( 面向产品生命周期各某环节的设计) 的缩写，其中， x 可以代表产品生命周期或其中某个环节，如装配、加工、使用、回收、报废等， 也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等等。而 这里的设计不仅仅指产品的设计，也指产品的开发过程和系统的计划。 d f x 作为一种哲理、方法、手段、工具，它既是并行工程的关键环节，也 是并行工程的思想核心，同时也是并行工程的支撑工具。d f x 领域中存在着许 多课题，其中与成本相关的领域有： ( 1 ) d f m 面向制造的设计( d f m - d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ) 是从产品的整个 生命周期出发，在产品概念设计阶段就考虑产品成本的一种使用技术。它的主导 思想是：在产品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑制造的可能 性、高效性和经济性，即产品的可制造性。其目的是在保证质量的前提下缩短周 期、降低成本。在这种情况下，潜在的制造性问题能够即时暴露出来，能显著地 降低成本，增加产品的竞争力，使得企业在竞争日益激烈的市场中取得优势。 ( 2 ) d f a 面向装配的设计( d f a - d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 指在设计的过程中考 虑产品零部件的装配问题，避免因无法装配而造成的返工。f d a 中与成本相关 的方面是在设计过程将产品的装配成本考虑进去，寻求最优成本的产品装配设 计。 ( 3 ) d f cd e s i g nf o rc o s t 是面向成本设计。面向成本设计最早出现于九十年 代初期，属于并行工程中的d f x 技术中的一个分支。面向成本的设计是指在满 足用户需求的前提下，尽可能地降低成本，通过分析和研究产品制造过程及其相 关的销售、使用、维修、回收、报废等产品全生命周期中的各个部分的成本组成 情况，并进行评价后，对原设计中影响产品成本的过高费用部分进行修改，以达 到降低成本的目的【仃】【1 剐。 1 2 2 2 可制造性评估可制造性评价在实现产品及其过程设计的集成中起着非 常重要的作用，是实现产品并行设计的重要手段。它使得在产品设计的同时，就 能考虑到与制造相关的因素，使设计者在制造工艺和制造环境的约束下进行产品 的结构设计，同时基于有关制造约束对产品进行一定的工艺信息分析和处理，从 而做到产品设计的一次成功，降低产品的成本。 ( 1 ) 产品的可制造性定义产品的可制造性是指：从产品的可加工性、经济性 出发，对产品的设计质量的量的度量。即产品的可制造性是在满足功能要求的前 提下，在相对资源环境的限制下用以衡量产品制造品质的总和指标，在这样的概 念下，一个产品若有最低的生产成本、最短的制造周期、最容易实现的技术操作 北京工业大学工学硕士学位论文 表集，则被认为这个产品具有可靠的可操作性。 ( 2 ) 可制造性评价的指标产品的可制造性评价指标分为三种：技术指标、经 济指标、生产率指标。 a ) 技术指标技术评价主要是评价设计方案满足设计要求和技术性能要求的 程度。评价指标可分为：可加工性、结构工艺性、可装配性、加工工艺性、标准 化分析和可装夹性等。 b ) 经济指标经济评价主要围绕产品设计方案的经济效益进行评价，包括方 案的成本、利润、实施的费用、周期和资金回收等。可制造性中所包括的成本有： 外购件费用、材料费用、劳动力费用、制造费用、装配费用、非生产费用和工装 费用。可制造性所包括的时间主要有：工装准备时间、加工准备时间、加工时间、 装配时间。 c ) 生产率指标生产率评价指标可分为产品开发时间、产品制造时间。产品 开发时间包括：市场需求调研时间、产品设计时间、产品软件开发时间；产品制 造时间包括：生产准备时间、零件加工时间、检验时间、装配时间。 ( 3 ) 产品可制造性评价中的费用估算d f m 研究者都指出，费用估算是可制造 性评价的主要部分。19 8 5 年e h r l e n s p i e l 首先发表专著，综合论述了机械设计中 费用的影响作用和构成关系，随后在设计过程中进行费用估算的工作日益受到重 视。为了对机械产品的生产费用进行估算，研究人员针对具体的应用领域，按照 制造过程的特性，对制造过程的费用进行了分类，并建立了对应的产品费用模型 ( c o s tm o d e l ) 。这些费用模型主要包括： a ) 基于操作的费用模型( b a s e do no p e r a t i o n ) 这种费用估算模型是最早被使 用的，模型认为在机械加工过程中，加工、装配、检测等操作的费用是影响产品 费用的主要因素，对不同设计方案的操作费用进行估算可以得到较优的方案。这 种评价模型，通常被用于产品设计完成后的不同方案的评价。 b ) 基于操作过程的费用模型( b a s e do na c t i v i t i e s ) 这种费用估算模型认为产 品生产的各个活动都会影响到方案的选择，将总费用定义为材料、加工、装配、 测试、夹具等各个环节的总和。 c ) 基于产品重量和材料成本的费用估算模型( b a s e do nw e i g h ta n dm a t e r i a l ) 这种费用估算模型认为产品费用与产品重量( 材料) 之间存在着对应的关系，通过 构造产品费用和重量( 材料) 的关系函数，进行粗略的费用估算。这种模型仅是一 种粗略的估算方法，它对产品本身的复杂性所带来的费用增加的考虑是明显不足 的。 d ) 使用物理关系来确定费用模型( u s eo fp h y s i c a lr e l a t i o n s h i p ) 在某些特殊 的产品生产过程中，某个具体属性的要求，是决定产品费用的主要因素，且存在 第1 章绪论 着一定的对应关系，这时候可以以这一具体属性作为费用评价的依据。 e ) 使用相似性原理估算费用( u s eo fs i m i l a r i t yp r i n c i p l e ) 这种方法只适用于 具有相似关系的同类产品，相似产品之间的费用也存在着对应的关系，可以通过 已知的同类产品的费用，依据它们的相似性，推算出新产品的费用情况。 d 混合费用模型( b r a dm o d e l ) 通过两个或者两个以上的上述方法结合使用， 来进行费用评价。 通过对产品费用的评价，可以在产品设计初期对其进行成本估算，使设计人 员把生产费用作为评价设计意图的一个指标，避免了因生产费用过高而造成的废 品或返工j 。 1 2 3 成本组织模型 通常，成本是指企业生产一个产品、提供服务、完成项目所消耗的以货币计 量的资源总和。成本有很多种类型，如：开发成本、制造成本、管理成本、销售 成本、运行成本和回收成本等。一个产品从概念设计到报废整个过程中的所有成 本称为全生命周期成本。产品的全生命周期成本信息模型如图1 1 所示【6 1 。 图1 1 产品的全生命周期成本信息模型 f i g u r e1 - 1l i f e - c y c l ec o s ti n f o r m a t i o nm o d e lo fp r o d u c t 北京工业大学t 学硕士学位论文 1 3 成本估算 1 3 1 产品成本估算 目前，成本估算的方法很多，按照估算原理，一般可以分为以下三大类：参 数估算法、类比法、基于过程的分析估算法。 ， ( 1 ) 参数估算法( p a r a m e t r i ce s t i m a t i o n ) 参数估算法或统计分析法( s t a t i s t i c a l ) 由产品成本历史统计信息，建立产品成本和产品特征二者之间参数关系或建立起 来成本估算的数学表达式，通过这些统计数据和关系式估算出新产品的成本。这 类方法无需对产品本身做详细的结构分析，只需部分产品信息即可得出成本估算 公式，特别适合解决产品设计早期阶段的成本估算问题，而且工作量相对较小。 其缺点是由于新产品设计信息尚未完全确定，造成估算精度不高，误差较大。常 见的该类估算方法有以下几种： a ) 回归分析估算法( r e g r e s s i o na n a l y s i s ) 这种方法主要是通过统计评估，借助于回归计算，求得与产品特征参数有关 的成本参数，可用于产品设计的各个阶段。回归分析是一种研究变量之间非确定 性关系的统计方法，主要有线性回归和多项式回归。 b ) 功能成本法 此种方法源于价值工程，它针对用户关心的功能，从用户需求出发，估算产 品提供给用户的功能成本。 c ) 神经网络法( n e u r a ln e t w o r k s ) 是用于设计早期阶段的一种成本估算方法。神经网络方法具有并行分布处 理、自组织、自适应、自学习和容错性等独特的优良性能，能较好地处理成本预 测这类多因素、不确定性、非线性问题。虽然神经网络方法采用黑匣子式的预测， 但它自己的强大学习能力可将需要考虑的多种因素的数据进行融合，输出一个经 非线性变化后较准确的产品成本预测值。 使用神经网络成本进行成本估算的基本步骤：识别与产品成本有关的特征， 如材料、尺寸、公差等；对识别出来的特征进行分类与量化，构造并训练神经网 络：在实际使用中不断训练、校正神经网络的权值、阀值。 ( 2 ) 类比估算( a n a l o g o u sm o d e l s ) 利用功能、结构、工艺过程相似的产品来类 比估算新产品的成本。常用的技术方法有：成组技术( g t ) 、基于实例的推理( c b r ) 等。 类比估算是建立在与过去类似的产品和技术经验进行类比的基础上得出的 第1 章绪论 成本估计。当新产品的功能、结构和性能等与某个已有产品相似，则可以利用类 似产品现有的成本数据并考虑到新产品与类似产品的不同之处加以修正，即可得 新产品的成本。类比方法有两种：一种是将正在开发的产品直接与具有相同特征 的类似产品进行比较并估算其成本；另一种是将正在开的产品与具有相同成本特 征的不同产品进行比较并估算其成本。使用类比方法进行成本估算主要是利用历 史数据，然后根据技术进步的影响和价格因子进行修正。类比法一般在产品设计 的早期阶段采用，当类似产品的数据库比较大，并且数据可靠时，它是比较合适 的成本估算方法。 ( 3 ) 基于过程的分析估算方法( g e n e r a t i v e a n a l y t i c a lm o d e l s ) 基于过程的分析 估算法的出发点是跟踪产品生命周期的行为( 设计、制造、装配、销售、使用、 维护、报废等) ，通过详细分析这一过程中造成成本的“动因”来实现产品的成 本估算。 与基于统计和参数拟合的方法比较，分析估算法的精度更高，误差小，因为 它始终面向造成成本的“动因”。但这种估算方法是建立在产品信息比较完整的 基础上，因此更适合在产品设计的后期阶段或设计完成后的成本估算。 a ) a b c 法( a c t i v i t y - b a s e dc o s t i n ga b c ) 这种方法也称为作业成本法。此方法把企业视作最终满足客户需要的设计的 “一系列作业”的集合体，形成一个由此及彼、由内到外的作业链，每完成一项 作业要消耗一定的资源，而作业的产生又形成一定的价值，转移到下一个作业， 按此步骤逐步推移，直至最终把产品提供给客户。该方法首先计算每一作业的单 位成本，然后计算新产品所消耗的作业数，两者相乘即得到产品的总成本。其特 点是估算精度较高，缺点是估算要在产品设计完成后进行，而且单位作业成本不 易获得。 b ) 基于工艺规划的估算法( p r o c e s so r i e n t e d ) 根据设计模型及现有的制造资源创成加工工艺规划，再对工艺规划进行优 化。根据工艺规划来计算整个产品的制造时间和成本，定量评价。由于这种方法 将对设计模型的评价转化为对制造该设计的加工工艺规划的评价，故必须在产品 完成设计之后方可进行。 1 3 2 模具成本估算 模具成本估算从原理上与一般产品无异，本节列出几种具体的估算方法。 ( 1 ) 重量一成本预测法重量- 成本预测法是根据模具的成本与重量近似成正比 的统计规律进行成本估算的。此方法首先统计计算某类典型模具的单位重量制造 北京工业大学丁学硕+ 学位论文 成本( 重量成本系数) ，然后乘以所求模具的重量，即可估算出当前模具的制造成 本。 ( 2 ) 材料系数法材料系数法是利用模具的材料成本来估算模具的制造成本。 模具的制造成本c 主要有材料成本e m 和加工成本c 罾组成。由于模具的结构复杂 程度和加工特点是不同的，所以其材料成本在制造成本中占的比例也是不同的， 但每类模具的材料成本相对于制造成本的百分比即材料成本率m 是有一定的范 围的，可用统计方法得出。根据资料统计，模具的材料成本率m 的参考数值约 为4 2 5 8 ，视其结构及加工特点取值不同。 ( 3 ) 类比法为了确定模具的成本及其特征，需要找出数据库里已有的具有相 似特征的模具。将已有模具的价格，按照模具特征分类，以供新模具定价用。 ( 4 ) 基于基点工时的估算法基于基点工时的成本估算法就是根据模具的制 造工时计算模具的成本。其计算方法是：首先计算出单位工时的成本值，然后再 计算出某套模具的制造总工时，最后两项相乘得到该模具的成本。其计算公式是 m o i = g 叠1 ( 1 d 1 ) c 1 e i 幸u 1 y l( 1 1 ) 式中 m o l 模具的成本，元： g 毫j 模具的加工费，元： d ：设计费系数； c 1 原材料费，元； e i 专用工具费，元； u l 试模费，元； y l 包装运输费，元 模具的加工费g a l 是模具制造全过程中所发生的全部工时费用之总和，模具 加工费的计算公式如下 g 童i = a ix t i( 1 - 2 ) 式中 1 1 模具制造过程总工时，h ； r 第1 章绪论 式中 a i 制造过程中的单位公式费用，元h t 1 的计算公式是 t i = t 0 1xk i l k i 2 k 1 3xk i 4 ( 1 k i s ) ( 1 - 3 ) t 0 1 模具制造基点工时，h ； k 1 1 模具型腔深度因素； k 1 2 模具形状复杂因素； k 1 3 模具精度因素； k i 4 模具型腔表面粗糙度因素； k i 模具结构因素 模具原材料费用c i 的计算公式是 式中 c 1 = p 工i ( 1 + k i 6 ) n p i 2x 1 2 + i 3 ( 1 - 4 ) p l i 模架的毛重，k g ； k i 6 与模架结构有关的材料重量修正因素； 1 1 模架材料的单价，元k g ； p i 2 模板的毛重，k g ； 圯模板材料的单价，元k g ； 。：其它各种模具标准件的费用，元 1 4 模具成本估算研究现状 最早的塑件成本评估方法出现于1 9 8 5 年，o s t w a l d 等【2 0 】开发了工具成本、 材料成本评估的一系列方法。但是，这些方法不能直接支持产品设计和再设计， 北京工业大学工学硕士学位论文 而且其他信息也不易计算。u l r i c h 【z ”等开发了一个评估印刷电路板设计和制造成 本的系统。但是这个成本只有当工艺计划确定后才能获得。s h a h 等【 j 提出了一 个借助专家获取信息的框架，并被用于基于特征的c a d 系统中，实现了设计最 大利润率和再设计之间的平衡。b o o t h r o y d 等【z 副开发了一个选择制造塑件所可能 采用的工艺和材料的评估方法，此方法分四个步骤，依次为几何输入、工艺选择、 材料选择和更新。几何分类依据尺寸、形状和相交特征。工艺选择依据模糊集理 论，最后给出了基于成本的塑件工艺和材料分级方法。k o c h 等【z 4 j 提出了在设计 过程中集成c a d 和基于活动的成本估计方法。 对于注塑成本评估研究比较深入的是台湾成功大学的y u h m i nc h c n 等【2 5 】 人，他们采用的研究采用对注塑件进行特征分类，然后在注塑件设计中的特征、 预备设计和详细设计阶段分别考虑这些阶段塑件特征的变更可能引起的后续成 本要素，如材料、工艺和模具制造成本的变化，进而建立专门的知识库，从而在 设计的早期阶段就可以排除不合适的设计。但是该方法并没有以定量的方式来计 算模具的成本。此外，香港大学的k w a i s a n gc h i n 等【z 6 j 建立了注塑模成本评估 专家系统( e s i m c o s t ) ，该系统考虑了注塑件设计、注塑模设计、模具制造工艺 决策的并行关系，并采用基于规则的方法来评估注塑模成本，利用一系列 i f t h e n 规则来求得成本，取得了一定的效果，但其规则太复杂，有2 7 1 个之 多，规则组合很困难，限制了其使用；随后，k w a i s a n gc h i 等【z ，j 又建立一个主 要用于电子行业的专家系统，采用决策树的方法来实现基于规则的推理，通过一 系列决策树的交互来求解制造成本。此方法有一定的使用效果，但因其所需参数 较多而限制了使用范围。 新加坡南洋理工大学的o n g n a ns h i n 9 1 2 8 】通过建立一系列复杂的数学公式， 将成本分为材料、模具和工艺成本。此方法并不依赖于特定的几何模型，而是通 过确定一系列特定参数，在产品的概念设计阶段求得注塑件和模具的成本。 t w e n t e 大学的i f w e u s f n k t 等【2 9 】人构造了一个产品设计成本评估和控制的通用框 架，按照分层的思想，建立特征级、部件级和装配级结构。每一级都分为几何、 材料、工艺和生产计划四种成本属性。麻省大学的d a v i d w r o s e n 3 0 1 分析了注塑 件的特征和这些特征对于模具成本评估的影响，定义了从塑件特征到模具成本特 征的映射关系，给出了相关算法；最后得出了涉及特征转换和基于特征的模具成 本评估的一系列结论，为利用特征计算模具成本奠定了基础。a d e k u n l ef a g a d e 等p ”回顾了模具价格评估方法，并且对其进行了比较和分析，指出注塑成型复 杂因子是模具评估方法的基础。 d o n gg a n gy a o 3 2 提出了解决多重质量和成本优化问题的方法，采用塑件制 造成本为问题求解的目标，而将质量问题作为求解的约束条件，采用罚函数法， 第1 章绪论 将此问题转变为单位目标优化问题；俄亥俄州立大学的e i m e h a l a w i m i 等【3 珀j 人则根据几何相似性采取基于事例的推理方法来求得净成型件的估计成本。采用 属性图来记录几何信息，将塑件的几何信息文件首先转换为s t e p 模型，然后再 将其装换为属性图表，其c b r 推理的依据是塑件属性图表的相似性。但其评估 的是成型件成本，而对模具成本问题则并为详细考虑；s t e v e n s 理工学院的 m e r i n o n 等【3 7 】采用统计模型来估算注塑件的成本，采用修改的成组技术将注塑成 本分为资本成本、工艺成本、后工艺成本、材料成本和构造成本：w h u 和c p o l i 3 a 】 利用成本评估公式对注塑件和冲压件的成本特征进行了探讨，他们着重讨论了注 塑件和冲压件的功能等价性原理，并且给出了相应得计算公式，用来分析一个产 品的制造是用注塑方法还是冲压方法，以及是用单件还是用装配件的制造策略， 最后给出了比较实例。该方法主要偏重于对不同工艺的比较，对注塑模成本的考 虑并不全面。 此外，还有p o l i 、v i l l e g a s 、a h m a d 、f e r n a n d e z 、e s c u d e r o 、k u o 等【3 9 删提出 t - 系列的注塑模成本评估方法，这些研究方法奠定了注塑成型成本评估方法的基 础。 国内学者对成本问题的研究主要集中在通用机械领域 4 6 舶】。而在模具领域， 俞子骁【4 5 】对注塑模报价问题进行了一定的总结，指出了注塑成型成本评估的重 要性。 1 5 课题背景和意义 本课题来源于北京市科委课题。 模具是生产各种工业产品的主要工艺装备。随着现代化工业的发展，模具工 业在整个国民经济发展中的作用越来越显著。据统计，在现代工业中6 0 9 0 的产品依靠模具进行生产。但是，模具市场的发展和逐步成熟的同时却面临着一 个非常严峻的问题，那就是如何科学地、准确地计算模具成本，从而合理地对模 具进行报价。 模具价格是模具制造企业技术、经济、效率和管理的综合反映，同时也是决 定模具制造企业和客户之间能否成交的一个重要经济条件。随着模具制造业的快 速发展，依靠个人经验所进行的报价已明显不能满足市场竞争和变化的需要。同 时并行工程、协同设计技术的发展，也要求企业在模具设计与制造的不同阶段及 时提供模具的估算成本和价格。因此，开发一套既能反映模具制造企业自身的生 产能力，又能在速度、准确度和详细程度上满足客户需要的模具报价系统成为模 具制造商和客户所关心的问题。 北京工业大学丁学硕士学位论文 1 6 本课题的主要研究内容 本文围绕模具成本展开了对其进行估算的方法和理论研究。主要内容包括以 下几个方面： 根据相似性原理建立了模具成本通用性的组成模型，对建立通用型模具成本 估算系统的可行性提供了基础依据。 本文主要以注塑模具和冲压模具为例，通过对其模具结构和成本影响因素的 分析，抽象出模具成本构成的三层模型。一方面建立了可行的通用模具成本模型， 另一方面为之后的模具成本不确定度研究提供了基本的数值依据。 根据测量不确定度的基本理论，阐述了不确定度的几种评定方法。根据不确 定度的一般评定流程，结合本文中模具成本估算的业务流程，建立了模具成本估 算的不确定度的评定流程，在此基础上，结合模具成本的组成相似性模型，阐述 了模具成本不确定度评定中数学模型的建立。 根据c b r 的相关理论，详细阐述了c b r 的核心技术原理，在此基础之上构 建了系统成本估算的c b r 模型。介绍了系统如何实现实例的表示、实例的索引、 实例的检索和实例的修改等关键技术。采用框架表示法对模具实例进行表示，构 建了一种实例检索模型：基于最近邻居法的检索模型；采用交互式修改法和基于 规则修改法相结合，为实例修改提供了一套可靠可行的方案。 1 7 本章小结 本章介绍了成本有关的概念和理论，简单介绍了成本组织模型。介绍了国内 外关于成本的估算方法和模具成本研究现状，以及本文研究相关的背景、意义和 内容。 第2 章模具成本相似性模型分析 2 1 相似性 第2 章模具成本相似性模型分析 什么是相似性? 传统的相似性定义为：服从统一自然规律，可以用完全相同 的方程组所描述，组成相似现象的一切单值量彼此互成比例，且比例系数存在一 定的约束关系一一相似指标，其相似指标为1 。这种经典相似不仅要求具有性质 的同类性，才有相似可言，而且要满足个单值量的线性变换系数相等。而相似系 统的理论认为，任何事物都具有一定的属性和特征，属性是内在的，特征是外在 的，以下简称为特性。当事物之间存在有共有特性，而刻画其特征值可能有差别 时，则称事物间共有的特性成为相似特性。相似特性的外部表现形式常说成是相 似现象。 但我们在实际比较两事物的相似性时，往往把这些相似特征的差别转化成某 种数学模型，设计出计算相似性的算法公式，从而我们能够精确地去判断和分析。 因此，将事物之间的相似性转化成数学模型是分析事物相似性的关键。 2 1 1 系统相似性的定义 假设系统么中的特性有a m ，a 2 q ，吼，系统b 中特性有轨，b 2 点，6 f ，当两 系统中的特性q ，a 2 ，吼与6 1 ，6 2 也，6 f 的定义相同，且成一定的对应关系，则系 统么与系统b 的特性有相似性。记 彳= q ，a 2 q ，a 。) ( 2 1 ) b = b i6 2 4 ，6 ，) ( 2 2 ) 我们把q ，a 2 口f ，鲰和6 1 ，6 2 4 ，6 f 称为a 和b 的组成元素。系统4 中元素 q 相似于系统b 中元素6 f ，则它们构成相似元“( q ，乃) ，简记为甜。若系统彳、 系统b 之间有，1 个相似元素，则，z 个相似元素构成集合 u = u 1 “2 ，u n ) ( 2 3 ) 此时系统彳和系统口之间的相似性可以用图( 2 1 ) 来表示。 北京工业大学t 学硕士学位论文 q 口2 ： a ) 同构映射 a ) i s o m o r p h i cm a p p i n g b l 6 2 ： 吃 b ) 异构映射 b ) i s o m e r i s mm a p p i n g 图2 - 1 映射类型 f i g u r e2 - 1m a p p i n gt y p e 当系统爿与系统b 的序结构相同，用同构映射得出特性有对应性和相似性的 相似元，如图2 1 ( a ) 。若某些特性数量有变化时，缺少或增加特性造成不能对应 相似性，以0 扩充。用异构映射建立相似元特征模型，如图2 1 ( b ) 。相似元多个 特征变化仍可用特性对应相似性规律去建立多维特征相似模型。 将系统么与系统b 中元素适当排序后，组成集合可表示为： a = a l , 口2 ，q ，a n ，a 州，a t ( 2 - 4 ) b = b 1b 2 ，6 j ，瓯，玩小，岛( 2 5 ) 将系统彳与系统b 中一切元素组成的集合称并集 s = a ub ( 2 6 ) 当相似元素特性等同时，则有 u = 彳nb( 2 - 7 ) 当相似元素特性相似时( 即相似元素数目不等，见异构映射的情况) ，可表