（机械制造及其自动化专业论文）基于相关模型的产品变型设计关键技术研究.pdf

摘要 摘要 产品设计作为整个产品研发的前端过程对产品的成本、研发周期、销售利 润有着至关重要的影响。为了应对不断加剧的市场竞争和千变万化的顾客需求， 越来越多的设计人员采用变型设计方法作为产品开发策略。本文对变型设计理 论和方法进行了深入的分析和探讨，对变型设计实施的主要关键技术一系统框 架构建、产品模型建立、原型修改方法、产品方案评价、设计资源重用、产品 信息集成和传递及重组进行了深入的研究。具体研究内容如下： 从分析变型设计实施的动机、策略和模式入手，提出了生长式和介入式两 种变型设计的实施方法，对变型设计中设计资源的重用方式、变型设计知识环 境的构建进行了深入研究，从设计信息传递的角度提出了以变型设计相关模型 为核心的变型设计系统框架。 对变型设计相关模型丌展了全面细致的研究。首先从总体上对变型设计相 关模型的作用和建立进行把握，论述了变型设计相关模型的构建基础一可拓学 的基元理论；深入研究了变型设计相关模型中的节点模型构建、设计约束的分 类、特性与作用，探讨了变型设计相关模型相关关系的表示方法；按照需求设 计、概念设计、装配设计和详细设计对变型设计活动进行细分，研究了上述四 个阶段变型设计相关模型的建立方法：利用可拓变换和质量功能展丌建立需求 设计阶段的变型设计相关模型；通过对概念设计过程的深入分析，提出了以基 本f b s 为核心的概念设计阶段变型设计相关模型，利用功能物元、行为物元、 结构物元和可拓变换对变型设计概念设计过程进行建模，详细论述了介入式和 生长式两种变型设计方式的实施过程；利用顶层基本骨架( t b s ) 和u gn x 提 供的知识熔接设计环境建立装配设计阶段的变型设计相关模型；以u gn x 中的 知识融合语言建立详细设计阶段的变型设计相关模型。 鉴于变型设计知识难于获取与管理，本文进一步引入了c b v d ( 基于实例的 变型设计) 技术，全面研究了变型设计的基础一变型实例库的相关技术：实例 的表示、实例检索特征的确定、实例检索方法、实例检索系统的构建；研究了 变型设计概念设计阶段功构映射的支持技术一功能目录、原理目录、结构目录 的建立；对变型设计相关模型中功能、原理、结构的相容关系进行了深入分析； 摘要 将变型设计过程中的设计冲突划分为不相容问题和对立问题，利用可拓变换理 论建立相应的问题模型并对冲突进行消解；研究了变型设计相关模型中对节点 的删除、增加、替换的操作方法；基于以上研究成果提出了基于变型设计相关 模型的原型修改方法。 对变型设计中的评价决策方法进行了系统的研究，讨论了变型设计评价指 标体系的建立方法、评价指标权重的确定、评价决策模型的构建，利用层次分 析法和可拓模糊物元方法对变型设计产品方案进行评价；提出了基于动态可重 组检索特征的实例检索策略；给出了功能相容度、原理相容度、结构相容度的 计算方法。 基于论文的研究成果开发了变型设计系统，研究了主界面模块、需求设计 模块、概念设计模块、装配设计模块、详细设计模块、节点和约束管理模块、 知识库管理模块的开发工作，以发动机曲轴的变型设计实例验证了本文所建立 的变型设计原型系统的可用性。 关键词：变型设计相关模型，基本f b s ，顶层基本骨架，设计约束，设计变量， 可拓变换，节点模型 i l a b s t r a c t a b s t r a c t a saa n t e r i o rp r o c e s so ft o t a lp r o d u c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ( r & d ) ，t h e p r o d u c td e s i g nh a si m p o r t a n te f f e c tt ot h ep r o d u c tc o s t ，r & dp e r i o d ，s e l l i n gp r o f i t f o r t h em o r ea n dm o r ef u r i o u sm a r k e tc o m p e t i t i o na n dv a r i o u sc u s t o m e rd e m a n d ，m a n y d e s i g n e ra d o p tt h ev a r i a n td e s i g na st h e i rp r o d u c tr & ds t r a t e g y t h ep a p e rh a v ea i n d e p t ha n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nt ot h ek e yt h e o r ya n dm e a n so fv a r i a n td e s i g n ：t h e s y s t e mf r a m ec o n s t r u c t i n g ，t h ep r o d u c tm o d e lm o d e l i n g ，t h ep r o t o t y p em o d i f y i n g m e a n s t h e p r o d u c tp r o j e c te s t i m a t i n g ；t h e d e s i g n r e s o u r c e r e u s i n g ，t h ep r o d u c t i n f o r m a t i o n i n t e r g r a t i n g ，t r a n s f e r i n g a n dr e c o m b i n i n g t h e i d i o g r a p h i c r e s e a r c h c o n t e n ti s ： f r o ma n a l y s i n gt h ev a r i a n td e s i g ni m p l e m e n t i n gm o t i v e ，s t r a t e g ya n dm o d e ，t h e p a p e ra d v a n c et h ed e v e l o p i n ga n di n t e r v e n i n gv a r i a n td e s i g nm e a n s ，r e s e a r c ht h e v a r i a n t d e s i g n r e s o u r c e r e u s i n gm o d e ，v a r i a n td e s i g nk n o w l e d g ee n v i r o n m e n t c o n s t r u c t i n g f r o mt h ei n f o r m a t i o nt r a n s f e r r i n gp o i n to fv i e wt h ep a p e ra d v a n c et h e v a r i a n td e s i g ns y s t e ma n dt h ev a r i a n td e s i g nc o r r e l a t i v em o d e l ( v d c m ) b e c o m et h e s y s t e mc o r e t h ep a p e rd e v e l o paa l l s i d e da n dm e t i c u l o u sr e s e a r c ha b o u tt h ev d c m f i r s t t h ep a p e rp r e d o m i n a t et o t a l l yt h ef u n c t i o na n dc o n s t i t u t i o no ft h ev d c m ，d i s c u s st h e b a s eo fv d c m e x t e n t i o nb a s i ce l e m e n tt h e o r y t h ep a p e rr e s e a r c ht h en o d em o d e l c o n s t i t u t i o no ft h ev d c m ，d e s i g nc o n s t r a i n ts o r t i n g ，c h a r a c t e ra n df u n c i o n ，d i s c u s st h e e x p r e s s i o no fv d c m a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n td e s i g n ，c o n c e p t i o nd e s i g n ，a s s e m b l y d e s i g n ，d e t a i l e dd e s i g n ，t h ev a r i a n td e s i g nm o v e m e n ti ss o r t e df o u rt y p e s t h ep a p e r r e s e a r c ht h ec o n s t i t u t i o no ff o u rt y p e sv d c m ，u s ee x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o na n d q u a l i t y f u n c t i o n d e p l o y m e n t t oc o n s t r u c tt h ev d c mo fr e q u i r e m e n td e s i g n p h a s e t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc o n c e p t i o nd e s i g np r o c e s s ，t h ep a p e ra d v a n c et h e v d c mo fc o n c e p t i o nd e s i g np h a s et h a th a sac o r eo fb a s i cf b s t h ep a p e rc o n s t r u c t t h ec o n c e p t i o nd e s i g np r o c e s sm o d e lb yf u n c t i o nm a t e r i a le l e m e n t ，b e h a v i o rm a t e r i a l e l e m e n t ，s t r u c t u r em a t e r i a le l e m e n t ；d i s c u s sh o wt oi m p l e m e n tt h ed e v e l o p i n ga n d i l i a b s t r a c t i n t e r v e n i n gv a r i a n td e s i g n m e a n s t h ep a p e ru s et o pb a s i cs k e l e t o n ( t b s ) a n d k n o w l e d g ef u s i o ne n v i r o n m e n tt oc o n s t r u c tt h ev d c m o fa s s e m b l yd e s i g n ，m a k eu s e o fu gn x k n o w l e d g e f u s i o nl a n g u a g et oc o n s t r u c tt h ev d c mo fd e t a i l e dd e s i g n f o rt h ed i f f i c u l t yo fa c q u i r i n ga n dm a n a g i n gt h ev a r i a n td e s i g nk n o w l e d g e ，t h e p a p e ri n t r o d u c et h ec a s eb a s e d v a r i a n td e s i g n ( c b v d ) t e c h n o l o g y , t o t a l l yr e s e a r c ht h e b a s i ct e c h n o l o g yo fv a r i a n td e s i g n t h ev a r i a n td e s i g ne x a m p l el i b r a r y ：t h ee x a m p l e e x p r e s s i o n ，t h ee x a m p l es e a r c hc h a r a c t e rc o n f i r m i n g ，t h ee x a m p l es e a r c hm e a n s ，t h e e x a m p l es e a r c hs y s t e mc o n s t r u c t i n g t h ep a p e rr e s e a r c hh o wt ot h ev a r i a n td e s i g n c o n c e p t i o n d e s i g np h a s e f u n c t i o ns t r u c t u r e m a p p i n gt e c h n o l o g y f u n c t i o n c a t a l o g ，p r i n c i p l ec a t a l o g s t r u c t u r e c a t a l o g a r e c o n s t r u c t e d ，h o m ea n a l y s e t h e f u n c t i o n ，p r i n c i p l e ，s t r u c t u r ec o n s i s t e n tr e l a t i o no fv d c m ，s o r tt h ed e s i g nc o n f l i c ti n t o i n c o n s i s t e n tq u e s t i o na n do p p o s i t eq u e s t i o n ，u s et h ee x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o nt h e o r y c o n s t r u c t i n gr e l e v a n tq u e s t i o nm o d e lt oc l e a ru pt h ec o n f l i c t t h ep a p e rr e s e a r c ht h e n o d ed e l e t e ，t h en o d ea d d ，t h en o d er e p l a c ei nv d c ma n da d v a n c et h ep r o t o t y p e m o d i f y i n gm e a n s b a s e do nt h ev d c mo nt h eb a s i so ft h ep a p e rr e s e a r c hr e s u l t t h ep a p e rr e s e a r c ht h ee s t i m a t ea n dd e c i s i o n m a k i n gm e a n so fv a r i a n td e s i g n b yt h en u m b e r s ，d i s c u s s h o wt oc o n s t r u c tt h ev a r i a n td e s i g ne s t i m a t i o ni n d e x s y s t e m ，e s t i m a t i o ni n d e xw e i g h tc o n f i r m i n g ，t h ee s t i m a t ea n dd e c i s i o n m a k i n gm o d e l c o n s t r u c t i n g ，u s ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) a n de x t e n s i b l ef u z z y m a t e r i a l e l e m e n tt oe s t i m a t et h ev a r i a n td e s i g np r o d u c tp r o j e c t ，a d v a n c et h ee x a m p l es e a r c h s t r a t e g yb a s e do nt h ed y n a m i cr e c o n f i g u r a b l es e a r c hi n d e x ，b r i n gf o r w a r dt h ef u n c t i o n c o n s i s t e n c yd e g r e e ，t h ep r i n c i p l ec o n s i s t e n c yd e g r e e ，t h es t r u c t u r ec o n s i s t e n c yd e g r e e c a l c u l a t i n gm e a n s w ed e v e l o pav a r i a n td e s i g ns y s t e mb a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l to ft h e p a p e r , r e s e a r c h t h e d e v e l o p m e n t o fm a i ni n t e r f a c e m o d u l e ，r e q u i r e m e n td e s i g n m o d u l e ，c o n c e p t i o n d e s i g nm o d u l e ，a s s e m b l yd e s i g n m o d u l e ，d e t a i l e dd e s i g n m o d u l e ，n o d ea n dc o n s t r a i n tm a n a g e m e n tm o d u l e ，k n o w l e d g el i b r a r ym o d u l e ，u s et h e e n g i n ec r a n k s h a f tv a r i a n td e s i g na se x a m p l et ov e r i f yt h ev a r i a n td e s i g np r o t o t y p e s y s t e m sv a l i d i t y k e y w o r d s ：v a r i a n t d e s i g n c o r r e l a t i v e m o d e i ( v d c m ) ，b a s i cf b s ，d e s i g n c o n s t r a i n t ，d e s i g nv a r i a b l e ，t o pb a s i cs k e l e t o n ，e x t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o n ，n o d em o d e l i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名孺球姆 年乡月名日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士学位论文! 基王担去椹型的芒品变型遮让差毽 撞丕婴究= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含 任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：绷 2 0 0 8 年翩“日 基丁相关模犁的产品变型设计关键技术研究 1 1 概述 第1 章绪论 自从人类进入工业社会以来，随着科学技术的发展，新材料、新工艺、新 技术的不断出现，产品的更新换代周期同益缩短，如自行车从丌始研究到定型 差不多经过了8 0 年，1 9 世纪以前蒸汽机从设计到应用花了近1 0 0 年时间，开发 电动机用了5 7 年( 1 8 2 9 1 8 8 6 ) ，电子管用了3 1 年( 1 8 8 4 1 9 1 5 ) ，汽车用了2 7 年( 1 8 6 8 1 8 9 5 ) ；进入2 0 世纪后，由于科学理论和新技术的发展，开发雷达用 了1 5 年( 1 9 2 5 一1 9 4 0 ) ，电视机用了1 2 年( 1 9 2 2 1 9 3 4 ) ，原子反应堆用了3 年 ( 1 9 3 卜1 9 4 2 ) ，而开发激光仅用了1 年。 这些成果的取得，一方面得益于新的技术、原理不断被研究人员从大学、 科研机构、企业实验室中探索出来，其应用产品迅速走入人们的日常生活；另 一个方面是由于设计理论、设计方法的不断发展进步，使得产品的开发周期大 大缩短。在设计方法领域，研究人员研究了变型设训1 舶1 、创新设计【1 7 。捌、并行 设计【3 1 卅、绿色设计【4 8 1 、智能设计1 5 9 7 1 1 、虚拟设计【7 2 瑚l 、协同设计【8 9 - 1 0 3 1 、健 壮设计1 1 悼1 1 3 l 等众多设计方法来满足设计人员对丌发周期短、产品质量高、研发 成本低、产品服务好的不懈追求。 对于机械产品的设计，通常可以分为创新设计和变型设计两大类。前者基 于全新的工作原理，采用基本新颖的结构方案，设计出创新的机械产品；后者 基于已有的工作原理，采用基本不变的结构方案，通过对产品的某些局部功能 和结构的调整、变更以适应新的要求，或是通过对产品的结构形式和尺寸的调 整、变更以满足不同工作性能的要求。创新设计可借鉴的资源较少，技术开发 风险较大，耗费的人力、物力、财力、时问较多；变型设计则是在已有的产品 原型的基础上，根据变化的产品需求对产品原型进行修改以满足新的产品需求， 在此过程中，变型设计实现了对企业的设计资源、制造资源、服务资源、管理 资源的重用，有效降低了产品的研发、制造成本，提升了企业的核心竞争力。 p a h l 和b e i z 指出在实际的设计工作中大约7 0 属于变型设计1 1 1 4 l ( 考虑到适 应性设计和变型设计的特性和国内的习惯，将适应性设计和变型设计统称变型 设计) 。实际上，出于开发周期、技术水平、市场风险等诸多因素的考虑，很多 第1 章绪论 企业都将自己产品的主要设计方式定位为变型设计。 1 2 产品变型设计发展概况 变型设计方式出现以来，为了进一步提高设计效率、减少设计失误，研究 人员从资源的重用和管理、信息集成和传递及重组、方案生成等多个角度，与 新的技术理论结合，包括特征技术、事物特性表、人工智能、生物进化理论等， 开发出众多的变型设计方法。 1 2 1 变型设计的研究内容及其发展 1 基于实例推理技术的变型设计理论1 1 1 5 小8 】 近年来有大量的文章研究基于实例的推理技术( c b r ，c a s e b a s e d r e a s o n i n g ) 。基于实例的推理技术提供了将经验知识应用于求解新问题的过程 模式。基于实例的推理技术与变型设计结合的过程是：首先将设计方案提出的 要求转换为变型产品实例库的检索条件，然后根据满足检索条件的程度找出最 符合要求的产品实例，最后修改产品达到设计方案要求并把它作为新实例存入 变型产品实例库。 基于实例的推理技术在国内外获得了广泛的应用，其应用范围包括产品设 计、方案评估、故障诊断、法律、农业、气象、软件工程等各个领域。基于实 例的推理技术较好的解决了实例的知识表示和知识获取，但在知识的重用方面 是它的薄弱环节，因此存在与知识重用能力较强的其它推理技术( 如基于规则 的推理技术) 混合使用的趋势。 2 基于特征的变型设计理论【1 1 9 ，1 2 0 l 特征设计面向设计和制造的全过程，它是以几何模型为基础并包括零件设 计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它允许设计者通过组合常 见的特征体( 如多面体、圆柱、圆台、环等实体) ，以及孔、键槽、筋、凸台、 倒角等工艺特征来完成零件和产品的设计，而不是使用抽象的几何点、线、面 来描述产品模型。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。 国内外许多研究单位和学者对特征技术的发展和应用进行了研究。美国 2 基于相关模型的产品变型设计关键技术研究 p u r d u e 大学的a n d e r s o n 等人研究了基于特征设计工艺规程的几何推理问题；美 国a r i z o n a 州立大学的s h a h 探讨了特征表达和解释问题；意大利热那亚应用 数学研究所的f a l c i d i e n o 等人提出了用边界模型描述和识别特征对象的方法， 并丌发了相应的系统；德国柏林技术大学的b e i t z 开发了基于特征的造型系统 g e k o 。国内的北京航空航天大学、清华大学、华中科技大学、浙江大学、上海 交通大学、西北工业大学以及其他单位也发表了一些关于特征技术研究的论著， 并开发了一些特征造型系统 近年来，商业c a d 软件及工具基本上都融入了特征的思想和方法例如 p t c 公司的产品p r o e n g i n e e r ；s d r c 的产品i - d e a sm a s t e rs e r i e s ；u g s 公司 的产品u n i g r a p h i c s ；i b m 公司的产品c a t i a ，a u t o d e s k 公司的产品m d t ；中国 广州红地技术有限公司的产品金银花( l o n i c e r a ) 系统等等 3 基于参数化设计和变量化设计方法的变型设计【1 2 1 - 1 2 5 】 参数化设计是在设计对象结构比较定型的基础上，用一组参数来表示尺寸 值和约束关系，其核心是尺寸参数驱动。首先建立产品主模型即基于参数化c a d 系统的三维产品装配图，用参数化设计的思想对模型进行参数分析，然后重新对 模型进行参数定制修改( 建立参数间新的关联和约束) ，最后应用尺寸变型设计 的思想，对某些尺寸参数或产品的局部结构进行修改，更新某些尺寸参数值和约 束关系以驱动模型生成新的相似产品，达到变型设计的目的。 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 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。除考虑几何约束之外，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，无须另建模型处理。 变量化技术现在已经在多数主流c a d 软件中得到应用。变量化技术的最新 发展方向是v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) ，即超变量化几何，它是由 s d r c 公司独家推出的一种c a d 软件的核心技术。与传统变量化技术相比，v g x 的技术突破主要表现在以下两个方面：第一、v g x 提供了前所未有的三维变量化 控制技术。能够任意改变三维尺寸标注方式，这也为寻求面向制造的设计( d f m ) 解决方案提供了一条有效的途径。第二、v g x 将两种最佳的造型技术直接几何描 述和历史树描述结合起来，从而提供了更为易学易用的特性。在s d r c 公司宣布 3 第1 章绪论 的新版软件i d e a sm a s t e rs e r i e s5 中，已经用到了这一技术。福特汽车公司 已经决定把i d e a sm a s t e rs e r i e s5 软件应用到开发完整产品的数字样车的各 个方面。 4 基于装配模型的变型设计理论【1 抓1 3 q 基于装配模型的变型设计是利用建立在参数化技术基础上的t b s ( 顶层基本 骨架，t o pb a s i cs k e l t o n ) ，即从位于设计顶层的产品几何模型中抽象出来的 空间点、线、面或产品模型中的点、轮廓线、轮廓面等，来控制装配体各零部 件的空间位置和特征，建立产品总体结构和子装配结构模型；并通过建立具有 横向关系的装配子部件在产品总体结构中的相对坐标系，将t b s 的设计理念扩 展到次级子装配之中，能够实现装配模型建模过程中产品设计信息的共享、继 承、传递和变更。t b s 可以结合参数化设计技术实现自顶向下的设计，它可以 作为产品的各个模块的整体结构功能框架，以参考复制和设计变更的方式生成 各个子模块( 子装配) 和具体零件的细节设计，然后将细节设计后的零件以坐标 重合的方式装配在一起，摒弃了传统装配零件之间的互相贴合、定位或对齐的 装配模式。t b s 支持变型设计，可以通过对原有设计进行快速修改，以获得新的 设计效果。 5 基于模块化的变型设计【1 3 5 1 3 8 1 模块化设计的核心思想是将系统按功能分解为若干模块，通过模块的不同 组合，得到不同品种、不同规格的产品。在机械产品中，所谓模块就是一组具 有同一功能要素，但性能和结构不同，却能互换的单元。从2 0 世纪5 0 年代欧美 一些国家提出这一设计方法以来，它已扩展到很多行业，并与c a d 技术、成组加 工技术、柔性加工技术等先进技术密切联系起来，应用到实际产品的设计与制 造中。 模块化设计将产品上具有同一功能的单元设计成具有不同性能、可以互换 的模块，如选用不同模块，即可组成不同类型、不同规格的产品。模块化设计 的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足用户要求的基础上使 产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉。为了保证模块的互换性，必须 提高其标准化、通用化、规格化的程度。对于生产批量较小的系列产品，模块 化设计特别有效。 如何合理划分模块是在进行模块化设计时的一个关键问题。模块种类少， 通用化程度高，加工批量大，对降低成本有利。但从满足产品的各种功能和性 4 基于相关模型的产品变型设计关键技术研究 能，提高整个模块化系统的柔性考虑，又希望模块种类多些。设计时必须从产 品系统的整体出发，对功能、性能和成本各方面进行全面分析，才能合理确定 模块的种类和数量。划分模块的出发点是功能分析。模块化产品的设计中还要 考虑模块如何组合，组合产品的种类，以求用较少类型模块组合成更多不同功 能和性能的变型产品。 6 基于事物特性表的变型设计【1 3 钆1 4 4 j 事物特性是指表征产品、部件和零部件等的功能特性、制造特性和几何特 性的信息集合。通过这些特性，可以对一个产品、部件和零件进行描述。事物 特性表是为建立零部件的数据库而采用表格的形式，以固定的格式记录事物特 性，对零部件进行特性描述的a s c i i 文件。事物特性表定义了从对象组中表征 和区分一个对象的决定性特性，规定了特性数据的表示格式，使零部件的特性 数据能在不同的系统间交换，是建立产品数据库的基础。 事物特性表是零部件的母图、工艺及工装等的共享数据。一个合理的事物 特性表，不仅可以方便地进行产品的变型设计，而且也将有效地实现下游过程 的“变型”响应。 基于事物特性表的变型设计过程是针对通用产品设计的一种设计方法。它 是在原有零部件的基础上，通过改变事物特性表中的特性值，从而得到相似零 部件的设计方法。它要求c a d 系统不仅是关系型系统，而且具有表格驱动的功 能，利用事物特性表，可以建立一类零部件或产品的模型。 7 基于配置的变型设训1 4 5 j 产品配置设计的思想最早是由f r e e m a n 和n e w e l l 在1 9 7 1 年提出的。产品配置 设计可以理解为一个根据预定义的部件集和部件之间的相互约束关系，按照某 种确定的有效性规则，使产品属性与用户需求逐级匹配，通过匹配问题求解，最 终组合形成客户需求的产品。产品配置的作用就是根据客户定制产品的要求，通 过对产品族通用模型的功能、性能、结构构型以及零部件进行选配，以及对局部 零件功能和结构、尺寸的相应变化来快速设计出满足客户需求的定制产品。产 品配置的前提和基础是一组已经建立的、模块化的零部件集合，约束条件是指外 部的客户需求以及内部的零部件之间的结构关系。 如今产品配置设计研究引起了人们巨大的兴趣，但和其他应用领域相比， 目前并没有一个般意义上可接受的定义和配置过程理论，众多专家、学者都 提出了各自的理解；但也存在着共同点，即产品配置是指以客户需求为输入， 5 第1 章绪论 通过对产品配置模型的实例化，以产品的最终配置结果为输出的一类产品常规 设计活动。 1 2 2 现有变型设计存在的问题 变型设计作为一种高效、稳健的设计方式已经存在了许多年，但是这种设 计方式依然存在不少缺陷，研究人员仍在不断改进使之与设计人员的期望不断 接近。现有的变型设计方式主要缺陷在于： 缺乏对原型修改智能支持的深入研究现有产品的设计有复杂化的趋势，这 导致了产品丌发的高风险、低效率和丌发周期的拖延。根据现有的产品设计 方法的研究成果，对于如何改善这些方法的缺陷，研究人员已经基本达成了 共识，即以设计方法的智能化、协同化、数字化、集成化加以应对。其中智 能化设计方法是重要的一环。对于基于实例设计的变型设计而言，实例包含 的知识、经验很多是以隐性方式存在的。当对实例进行修改时，经验丰富的 设计人员可以用自己积累的设计经验弥补隐性知识带来的不便；但是对于经 验缺乏的设计人员，因为不了解修改部分和原型部分的内在联系，因而无从 下手。基于实例设计的变型设计优势在于强大的实例检索功能，至于实例中 的知识特别是隐性知识的重用则主要由设计人员来完成，而智能化的变型设 计系统可以在较大程度上弥补这些由于设计经验的缺乏所导致的设计低效 和错误，通过对实例中存在知识的有效重用，智能化变型设计系统加速了新 老设计人员的转化过程，提高了设计效率，降低了产品丌发风险，并且可以 对企业宝贵的设计经验进行管理和积累，增强企业的核心竞争能力。 缺乏对整个变型设计的系统集成研究产品设计的复杂化带来的后果之一就 是产品设计的全生命周期相关，即在产品设计的初始阶段就要考虑产品的加 工、制造、装配、销售、运输、售后、环保、维修、回收等环节对产品设计 提出的要求。而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，使得对变型产品任一环节的修改导致 的变化有效地传递到与之相关的每一个环节，这样才能充分发挥变型设计方 法高效率、低风险的特点。变型设计系统一般以c a d c a e c a m p d m 技术作 为依托，因而c a d c a e c a m p d m 系统集成是变型设计系统集成的基础。 6 基于相关模型的产品变型设计关键技术研究 对变型设计灵活性的限制现有的多种变型设计方法对原型的变型程度均有 一定的限制：对于基于特征的变型设计理论而言，特征技术有自身的特点， 把这种技术应用于产品的变型设计，可以大大方便设计师的设计工作。但特 征技术仍然存在不少问题：设计人员在设计时必须采用系统预定义的特征来 设计产品；特征设计使概念设计、技术设计完全受制造方法的限制；特征设 计用于变型设计时，一般和参数化设计方法结合，但特征间的交互作用对特 征的影响和设计过程中特征的有效性的维护，有着这样或那样的缺陷。基于 事物特性表的变型设计对结构相似性要求严格；基于模块的变型设计带来变 型便利的同时，其模块间的接口设计却大大限制了设计人员设计能力的发 挥。 缺乏对变型设计实现方式的深入研究通常的产品变型设计模式有两种：自 顶向下和自底向上。自顶向下设计是先确定产品设计总体控制目标，如概念 设计中的功能要求、装配设计的位置关系和空间关系等，以此为依据逐步将 设计要求分解、细化直至单一零件的设计；自底向上设计从单一的零件个体 着手，在完成零件设计后进行装配形成部件，再将设计完成的各个部件和零 件组装在一起完成整个产品的设计。对自顶向下和自底向上两种设计模式已 经有很多深入的研究，但是在变型设计中，因为有原型的存在，整个产品设 计过程中各个步骤的采用依据、相互联系已经明确，所以经验丰富的设计人 员在设计时，除采用上述的两种设计方式外，有时还可能从整个设计过程( 需 求设计一功能设计一原理设计一结构设计一装配设计一部件设计一零件设 计) 的任一中间阶段介入直接修改原型，但是这种修改是在设计人员头脑里 的种种约束下进行的，我们称这种设计模式为“介入式设计”。 1 3 基于知识的工程技术概况 基于知识的工程( k b e ，k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ) 是一种工程设计方 法学，它通过对设计方案、设计过程进行知识的捕捉和构造，并对设计方法和 设计过程进行定义，根据功能要求、部件信息和处理过程的描述，快速生成新 的设计方案，从而高效地指导设计。k b e 的核心是产品模型( p r o d u c tm o d e l ) ， 它既包含了设计内容，也包含了设计方法和设计意图；同时，它不仅包含了产 品静态的几何属性和非几何属性，如几何特征、材料类型，同时也包含了产品 7 第1 章绪论 动态的处理信息，如产品分析、制造、试验等处理过程。知识工程的主要研究 内容有三项，即知识的表示、知识的获取、知识的推理。 国外基于知识的工程在工业领域的应用研究在2 0 世纪8 0 年代就已经丌始 了，主要应用于飞机制造业、汽车制造业、工业设备和建筑业。该研究以欧盟 为先导，如k b e 的旗舰产品- k t i 公司的i c a d 和k b o 已应用于世界发达国家的工 业领域，如欧洲的空中客车公司、德国的宝马汽车公司、美国的福特汽车公司、 波音飞机公司、通用汽车公司、日本本田汽车公司、三菱公司等。目前欧盟在 k b e 领域的一些主要研究工作如下：k b e 的应用研究；支持k b e 应用开发方法和 工具研究：工程知识的管理；网络联盟企业k b e 。美国在这方面的研究比较集中 的是一些基础技术，如s t a n f o r d 大学的知识系统实验( k n o w l e d g es y s t e m sl a b ， k s l ) ，k s l 把知识的表示和推理作为人工智能领域的核心内容来进行研究。其研 究的内容包括设计和开发知识服务器，知识库，知识系统模块，知识系统在科 学、工程和国防中的应用等。可以看出，国外对k b e 的研究正向通用化、标准 化和网络化方向发展。 国内的一些大学、研究所也有一批科技人员长期从事知识工程基础的研究， 如中国科学院计算所、南京大学、吉林大学、清华大学计算机系知识工程组、 长城战略研究所，以及台湾交通大学知识工程研究所等。相对国外，国内对知 识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ，k e ) 在机械制造领域应用方面的比较系统的研 究很少，较系统研究的有上海交通大学阮雪榆教授【1 椎1 4 9 】和严隽琪教授1 1 5 m 1 5 2 l 等，如基于实例的工艺知识获取模型”引、冷挤压工艺规划知识基系统功能设计 1 5 4 l 、基于事例推理的同构模具工艺设计模型1 5 5 1 。目前对k e 在机械工程领域的 应用研究主要有以下方面：产品的集成设计、工艺过程规划( 创成式工艺过程规 划、基于特征的专家制造工艺规划) 、公差设计、制造系统研究、产品造型技术、 协同产品开发、夹具设计与分析、基于专家系统的复合式设计。 1 4 评价技术相关研究 如何针对变型设计的特点，选取适宜的评价方法，对有效实施变型设计具 有重要的意义。由于变型设计中所需要做出的评价决策往往具有多目标、多因 素、模糊，以及受时间影响( 如产品或零部件等的价格随时间推移而不断变化) 等特点，因而所使用的评价方法最好能在适应这些特点的同时，简化整个过程、 8 基于相关模型的产品变型设计关键技术研究 缩短评价周期和规范各个因素和目标等等。 常用的设计方案评价方法有：层次分析法【1 5 6 1 、模糊评价法1 1 5 7 1 、灰色理论法 【1 5 8 1 、物元分析法【1 5 9 1 、聚类分析法【1 6 0 ，1 6 、价值工程法【16 2 ，1 6 3 1 、神经网络法1 1 “，1 6 5 l 以及综合评价法等。 层次分析法把相互关联的要素按隶属关系分为若干层次，请有经验的专家 对各层次、各因素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法综合专家意见给 出各层次、各要素的相对重要性权值，作为综合分析的基础。目前，层次分析 法已是进行定性、定量因素相结合的复杂的多准则、多目标系统决策评价的一 种较为实用的方法，在各个决策领域都有所应用。 目前，模糊评价技术在系统方案评价与决策支持中应用较为广泛。模糊评 价是用模糊数学的理论方法，将评价中的模糊信息数值化，再进行定量评价的 方法。应用模糊数学理论建立方案评价的数学模型，可以使定性的评价指标定 量化，定量的模糊评价指标向精确性逼近，使评价方法更具科学性、实用性。 在国内，项源金将模糊评价技术成功地运用在铁路客票