（机械制造及其自动化专业论文）计算机辅助工序尺寸及公差设计的研究.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 本文在分析国内外计算机辅助公差设计技术的发展历史和研究现状的基础上，结合国 家自然科学基金项目“基于产品几何技术规范的集成公差设计理论与方法( 5 0 2 7 5 1 3 6 ) ” 以及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 ) ”，研究了工序尺 i j + 及公差自动生成的方法，提出了一一种基于尺寸式的计算机辅助工序尺寸设计方法，建立 了公差并行设计的优化数学模型，并开发了相应的原型系统。 第一章：介绍了计算机辅助公差设计的发展历史与研究现状；综述了计算机辅助公差 设计要解决的部分关键技术；提出了本文的研究内容和总体框架。 第二章：分析了传统的工序公差设计方法及工序公差优化设计模型，并根据并行工程 的需要及工序公差设计的特点，建立了公差并行设计的优化数学模型。 第三章：分析了常用的工序尺寸计算方法，在阐述工艺尺寸式原理的基础上，提出了 一种基于尺寸式的计算机辅助工序尺寸设计方法。 第四章：分析了工时定额的计算和管理方法，研究了基于神经网络的工时定额管理方 法，建立了相应的工时定额数学模型。 第五章：以s o l i d w o r k s 为开发平台，开发了工序尺寸及公差自动生成的原型系统，最 后给出了实例验证。 第六章：总结了全文的主要研究内容，对计算机辅助公差设计进一步开展的工作进行 了探讨与展望。 关键词：工序尺寸、工序公差、工艺尺寸式、工时定额、加工成本、成本模型、模糊 神经网络、三维c a d 系统 浙汀大学硕十学位论文 o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sf o rr e c e n tr e s e a r c hs t a t u so fc o m p u t e r - a i d e d t o l e r a n c i n g ，b i n d i n gp r o j e c t ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n a ( 5 0 2 7 513 6 ) a n dn a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n o fz h e j i a n g ( 5 0 2 0 16 ) ，t h em e t h o d o l o g ya n d t e c h n o l o g yo f p r o c e s sd i m e n s i o na n dp r o c e s st o l e r a n c ed e c i s i o ni ss t u d i e d i nc h a p t e r1 ，t h ei m p o r t a n tr o l eo fc o m p u t e r a i d e dt o l e r a n c i n gi nm o d e mm a n u f a c t u r ea n d r e s e a r c hs t a t u so nk e yt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so ft h er e g i o na r es u m m a r i z e d t h em a i nc o n t e n t s a n dg e n e r a ls t r u c t u r es c h e m eo f t h i sd i s s e r t a t i o na r cg i v e n i nc h a p t e r2 ，t h et r a d i t i o n a lp r o c e s st o l e r a n c ed e s i g n i n gm e t h o d sa n dt h em o d e lo fo p t i m i z e d d e s i g no fp r o c e s st o l e r a n c ea r es t u d i e d t h e m o d e lo fs i m u l t a n e o u sd e s i g no ft o l e r a n c ei s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fs i m u l t a n e o u sd e s i g na n dc h a r a c t e r so fp r o c e s s t o l e r a n c ed e s i g n i n c h a p t e r3 ，t h e u s e dm e t h o d so fp r o c e s sd i m e n s i o na r ea n a l y z e d ；t h et h e o r i e so f t e c h n o l o g i c a ld i m e n s i o nf o r m u l a sa r es u m m a r i z e d t h em e t h o df o rc o m p u t e r - a i d e dp r o c e s s d i m e n s i o na c c o u n to nt h eb a s i so f t e c h n o l o g i c a ld i m e n s i o nf o r m u l a si sp u tf o r w a r d i nc h a p t e r4 ，t h ea c c o u n ta n dm a n a g em e t h o d sf o rm a n h o u rr a t i o na r ca n a l y z e d ，t h em a n a g e m e t h o d sf o rm a n - h o u rr a t i o no nt h eb a s i so fn e u r a ln e t w o r k sa r es t u d i e d t h er e l e v a n tm o d e lo f m a n b o u rr a t i o ni sb u j l t i nc h a p t e r5 ，b a s e do nt h e3 dc a ds y s t e m ( s o l i d w o r k s ) ，ap r o t o t y p es y s t e mf o rp r o c e s s d i m e n s i o na n dt o l e r a n c ed e c i s i o ni sd e v e l o p e d i nc h a p t e r6 ，t h ei m p o r t a n tr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h e f u t u r er e s e a r c ho nc o m p u t e - a i d e dt o l e r a n c i n gi sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：p r o c e s sd i m e n s i o n ，p r o c e s st o l e r a n c e ，t e c h n o l o g i c a ld i m e n s i o nf o r m u l a s ， m a n - h o u rr a t i o n , m a n u f a c t u r i n gc o s t ，c o s t - t o l e r a n c em o d e l ，f u z z yn e u r a ln e t w o r k s ，3 dc a d s y s t e m i l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 内容提要 本章分析了计算机辅助公差设计的发展历史和研究现状，阐述了计算机辅助公差设计 急需解决的关键技术，最后提出了本文的主要内容和总体框架。 1 1 引言 计算机辅助公差设计( c o m p u t e r a i d e dt o l e r a n c i n g 一简称c a t ) ，是指在机械产品的 设计、加工、装配、检测等过程中，利用计算机对产品及其零部件的尺寸和公差进行并行 优化选择和监控，力图用最低的成本，设计并生产出满足用户精度要求的产品的过程i ”。 计算机辅助公差设计是c a d c a m 集成中的关键技术之一 1 卅，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 研究的重要性日渐突出，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。 尽管如此，目前c a t 的研究仍然落后于c a d 、c a p p 、c a m 自身的研究，还不能满 足c a d c a m 集成发展的需要，从而成为制约其进一步发展的一大关键因素。因此，需要 研究计算机辅助公差设计( c a t ) ，使其跟上c a d 、c a p p 、c a m 技术的发展，以解决这 一技术瓶颈。 本章首先分析了计算机辅助公差设计的发展历史和研究现状，接着阐述了计算机辅助 公差设计急需解决的关键技术，最后提出了本文的主要内容和总体框架。 1 2 计算机辅助公差设计的发展与研究现状 1 2 1 计算机辅助公差设计的发展 计算机辅助公差技术的发展始于1 9 7 8 年，丹麦的b j o r k e 教授在他发表的专著 ( ( c o m p u t e r a i d e dt o l e r a n c i n g ) ) 1 7 1 ( 该书第二版于1 9 8 9 年由a s m e 出版【8 1 ) 中提出利用计算 机化的尺寸链进行设计和制造公差的控制。同年，英国剑桥大学的h i l l y a r d 博士在其博士 论文形状设计中的尺寸和公差 9 1 中首次提出利用计算机辅助确定零件的几何形状、尺 寸和形位公差的概念，他提出用数学方程式来描述零件的几何形状，并以此来进行零件的 浙江大学硕j 学位论文 尺寸和公差设计。他们的工作为后来c a t 的发展指明了方向。 1 9 8 3 年，r e q u i c h a 提出了漂移公差带理论，奠定了计算机辅助公差设计的理沦基础【j o 。 1 9 8 8 年，以色列学者w e i l l 发表了( ( t o l e r a n c i n gf o rf u n c t i o n ) ) j 一文，它是计算机辅助公 差设计史上的一个重要转折点，掀起了世界范围内的c a t 研究热潮。 1 9 8 9 年，国际生产工程协会c i r p 在以色列的海法召丌首届计算机辅助公差设计专题 学术国际会议，并规定从此每隔一年召开一次团际c a t 学术会议。 1 9 9 1 、1 9 9 3 和1 9 9 5 年，在美国、法国和n 本分别召开了第二、三和四届国际c a t 会 议1 3 , 1 2 - 2 3 ，这段时间是计算机辅助公差设计理论研究的发展期。这期间c l e m e n t 等 4 , 1 4 - 1 6 1 在 漂移公差带理论、矢量公差理论、虚拟边界理论以及计算机辅助检测方面的研究成果基础 上提出了t t r s 理论，从而奠定了在c a d 系统中建模尺寸和形位公差的基础；美国机械工 程师学会于1 9 9 4 年颁布了最新的尺寸和公差标准( a n s iy 1 4 5 m ，1 9 9 4 ) 1 2 4 】：在1 9 9 4 年1 月的佛罗里这会议上，i s o 联合协调小组( j o i n th a r m o n i z m i o ng r o u p ) 1 2 副批准组建统计公 差工作小组，1 9 9 5 年i s o 建立了以s n n v a s a n 教授为首的统计公差工作小组着手统计公差 标准的研究和准备工作。1 9 9 6 年6 月1 4 曰，i s o 成立技术委员会2 1 3 ( i s o t c 2 1 3 2 5 】) ，其 主要致力于“尺寸和几何产品规范和检测”标准的制定。 1 9 9 7 年，第五届国际c a t 会议在加拿大温索尔大学召开【2 6 3 6 1 ，这次会议的主题是形位 公差设计的研究和实用性公差设计软件的开发。该校的n a s s e f 于1 9 9 7 年撰写的博士论文1 3 7 j 开始了计算机辅助形位公差设计理论研究；同年，中国学者张洪潮教授主编了a d v a n c e d t o l e r a n t i n gt e c h n i q u e s 3 8 - 3 9 1 _ _ 书。 1 9 9 9 年，第六届公差会议在荷兰t w e n t e 大学召开【4 0 - 5 6 ，开发实用的三维c a t 系统成 为这次会议的主题。s a l o m o n s 博士自1 9 9 5 年完成其博士论文1 6 以来，一直致力于实用性 c a t 系统的开发，到1 9 9 9 年其在c a t 系统软件的实用化方面经取得了突出的成绩，其研 究小组开发的f r o o m 系统可实现二维的公差分析。 2 0 0 0 年8 月，国内首届计算机辅助公差设计专题会议在浙江大学召开，会议共收录了 1 0 2 篇论文【5 7 】，这是国内c a t 研究者的一次学术盛会。 2 0 0 1 年，第七届国际公差会议在法国举行 5 8 - 6 0 1 ，这次会议的主题是i s o t c 2 1 3 制定的 g p s 系统。集成g p s 系统( 第二代g p s 系统) 是提供一个对产品和制造过程中可变性的 经济管理的工程工具，可解决目前公差标准在设计与检测阶段描述语义上的不一致问题。 在国内，有关计算机辅助公差的研究始于九十年代初，到目前也已经取得了较大的成 绩，如浙江大学8 5 罐川计算机辅助公差设计课题组从1 9 9 3 年起连续获得“计算机辅助公差设 浙江大学硕士学位论文 计”、“设计和制造公差并行优化设计l 的研究”、“综合公差计算机辅助设计系统的研究”、“基 于产品几何技术规范的集成公差设计理论与方法”四个国家自然科学基金资助项目，并出 版了国内首本c a t 专著计算机辅助公差优化设计 2 1 。重庆大学1 1 , 3 9 , 9 9 - 9 3 1 的张根保教 授等、华中科技大学阱】的李柱教授、蒋向前教授、徐振高教授等以及山东理i i 大学的张宇 教授等对c a t 研究投入了极大的热情。另外，哈尔滨工业大学 9 5 - 9 6 1 、北京理工大学 9 9 8 、 上海交通大学啡 、谣安交通大学、合肥工业大学等高校都有专门从事c a t 技术的研究 团体，开展了不少工作，在国内外发表了很多学术论文。 综上所述，随着现代制造技术的发展，计算机辅助公差设计理论也在不断更新，以适 应发展的需求。目前c a t 系统领域每隔一年召开的国际会议，代表了当前c a t 研究的最 新发展方向。c a t 系统的研究已经取得了一定的成果，但还是落后与c a d c a p p c a m 集 成的研究和发展，并且由于其设计的难度，商业化c a t 软件的开发和推广发展缓慢，c a t 系统的研究机遇与挑战并存。 1 2 2 计算机辅助工艺规划技术的发展 计算机辅助工艺规划( 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 ，简称c a p p ) ，是利用计算机 对信息的快速处理能力以及各种具有决策功能的软件来自动生成产品的加工方法和工艺规 程，它是计算机辅助公差设计的重要内容口船1 。作为连接设计与制造的纽带，计算机辅助工 艺规划在先进制造生产模式的应用过程中占有十分重要的地位，对于保证产品质量、缩短 生产周期、降低制造成本和提高经济效益都具有极为重要的作用。正因如此，计算机辅助 制造国际组织c a m 1 ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a l ) 认为c a p p 是企业各 部门信息交叉汇集的环节，并将c a p p 列为其重点研究与开发项目1 1 3 9 。 国际上对计算机辅助工艺规划技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代后期。第一个c a p p 系 统是1 9 6 9 年诞生于挪威的a u t o p r o s 系统【”8 1 ，它根据成组技术原理，利用零件的相似性 去检索和修改标准工艺来制定相应的零件规程。在c a p p 发展史上，真正具有里程碑意义 的是由计算机辅助制造国际组织c a m i 于1 9 7 6 年推出的c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s s p l a n n i n g 系统【1 3 8 ，1 3 9 1 。 8 0 年代c a p p 研究开始受到工业界的普遍重视。1 9 8 5 年1 月国际生产工程研究会 ( c i r p ) 首次举行了c a p p 专题研讨会，1 1 月美国机械工程师协会( a s m e ) 冬季年会的 主题定为“计算机辅助智能工艺过程设计”。在这个时期，人工智能技术开始应用于c a p p 系统的开发，使c a p p 的研究进入一个崭新的时代【1 3 9 1 ，各国的研究人员相继开展了各种智 浙江大学硕十学位论文 能c a p p 技术的研发，并取得了丰硕的成果，例如g u p t a 和g h o s h i “0 1 提出基于专家系统 ( e x p e r ts y s t e m ) 的工艺规划系统；s h a n 【1 等人结合专家系统和人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ) 算法进行加工顺序的决策。另外，还有范例推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ) 、 分布式人工智能( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 以及模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 、进化计 算( e v o l u t i o nc o m p u t a t i o n ) 等等各种类型的智能c a p p 系统1 。 国内的c a p p 系统研究是从7 0 年代末开始，1 9 8 2 年，上海同济大学率先研制成功我 国第一个c a p p 系统t o j i c a p 。随后，其它院校单位也分别研制了适用于特定类型零件的 c a p p 系统。1 9 8 8 年5 月在南京航空航天大学召开了国内第一次c a p p 的专题研讨会，引 发了国内的c a p p 研发热潮 1 38 1 。至今，国内开发出的各类c a p p 系统已有近百种，对c a p p 理论的研究也有了长足的进展。例如，同济大学张为民1 4 1 1 等提出了基于协作的动态c a p p 系统设计思想；合肥工业大学褚学宁1 4 2 1 提出了基于形象视觉思维的人机协同智能工艺设计 方法：上海交通大学吴朝辉1 4 3 1 等认为a g e n t 技术将越来越受到c a p p 研究者的重视，可能 会成为下一代c a p p 系统软件开发的重要突破点；清华大学蒲建等【1 4 4 】认为：随着人工智能 中的神经网络技术重新焕发活力，以神经网络为基础的c a p p 系统研究也成为新的研究方 向。 经过三十多年的发展，c a p p 的理论和应用都取得了许多重大的成果，但还需要做进 一步的研究。随着c a d c a p p c a m 朝着集成化、智能化、网络化、可视化方向发展，以 及并行工程、敏捷制造等先进生产模式的出现，c a p p 系统有了新的要求，其内涵也在不 断的发展。c a p p 系统作为信息交汇枢纽，应该是网络化、开放性的，而不应是一个单独 的系统。图1 1 展示了集成化c a p p 系统的基本流程图，实现了与c a d 、c a m 系统的集 成。 4 浙江大学硕上学位论业 说明： 1 、d a t r ( d a t ae x c h a n g ea n dt r e a t m e n tr o u t i n e ) ：数据交换及处理模块 2 、c o f e ( c e l lo ff e a t u r ep r o c e s sk n o w l e d g e ) ：特征工艺知识元； 3 、g p r p ( g e n e r a lp r o c e s sp l a n n i n gr o u t i n e ) ：总体工艺路线设计模块。 图l - 1 集成化c a p p 系统流程图 1 2 3 工序尺寸及公差设计的发展 1 2 3 1 工序公差设计的发展 国际上对工序公差设计的研究始于2 0 世纪8 0 年代，到目前为止主要有以下研究成果： 1 1 9 8 6 年，f a i g u e l e m t ”4 l 提出了包括安装误差、位置公差、刀具磨损和最小加工厚度 的全面的数学模型，并用直接搜索法进行公差优化，但该法没有考虑加工经济性。同年， a l u w a l i d ”3 1 在c a d c a m 集成中开展了计算机辅助公差控制系统的研究。 2 1 9 8 8 年，t a n g 1 5 2 l 使用矩阵树法跟踪工序路线和检查最终尺寸的累积公差，用搜索法 进行公差平衡工序，算法的迭代次数依赖于公差的初始分配和加工余量的总和。 3 1 9 8 9 年，i r a n i 1 5 7 1 根据不同刀具、加工成本和工序能力作为约束进行全面公差优化， 但没考虑加工尺寸分配，且只能在大型机中运行。同年，c z h a n g t l5 8 1 粗略提出了设计公差 和工序公差的并行设计思想，但没有再具体深入的研究，几乎不涉及到理论问题。 4 1 9 9 4 年，z d o n g i ”5 】用与或树描述和搜索产生所有可行的加工顺序，加工顺序的划 浙江大学硕士学位论文 分是基于特征方法，如毛坯、旋转表面、平面、孔加工、孔定位，在满足工序公差限的情 况下，使成本最小并采用非线性优化来确定：i ：序顺序及最优i ：序公差分配。 5 1 9 9 6 年，n g o i l l 5 6 提出了公差平衡工序模型，用加权系数来描述工序的相对重要性， 采用线性规划方法，可在微机上运行，其中权系数的确定带有一些主观因素。 国内工序公差设计方面的研究起步较晚，但也取得了一些成果：1 9 9 1 年，吴迎学【l “】 介绍了一种解算工艺尺寸链的计算机程序，利用它能自动确定工序公差和余量，并能根据 不同情况调整工序公差；1 9 9 9 年5 月，李淑娟1 1 6 3 j 等以最低加工成本为目标，根据成本与公 差问的函数关系，建立了非线性的公差优化模型，并采用遗传算法解决了多零件多工序非 线性公差综合优化问题；2 0 0 0 年6 月，黄平捷、杨将新【】“】提出了一种基于工序能力指标最 大化的工序公差优化设计模型，并采用功效系数法将多目标规划转换成单目标规划，对于实 现工序公差的稳健设计、提高c a p p 的质量，有重要意义。 虽然工序公差设计的研究取得了丰硕的研究成果，但其中还没有一个成果能解决实际 c a p p 中的工序公差问题，离应用还有很大的距离。设计公差和工序公差采用串行设计方 法时，如果设计公差不合理，那么无论后续的工序公差设计方法如何精致，设计出的工序 公差都不会合理。因此研究公差的并行设计是很有必要的。 1 2 3 2 工序尺寸设计的发展 工序尺寸的计算是生成工艺文件和工序图的先行环节，准确而合理地确定各工序尺寸 是编制工艺规程的一个很重要内容。计算工序尺寸通常可以采用工艺尺寸链法、尺寸跟踪 法、图论法、工艺尺寸式法。前三种方法都需要画图来寻找工艺尺寸关系，当工艺关系稍 复杂时，寻找尺寸关系很容易出错；相比之下，工艺尺寸式法具有不需画图，寻找尺寸关 系方便，便于计算机辅助设计等优点。 国际上有关工序尺寸设计自动化与最优化方面的研究已经取得了一些成就：1 9 8 2 年， p h o f f m a n l l 删提出工序尺寸公差设计的线性规划方法；1 9 9 4 年，j ip i n g i 1 对该方法作了 补充；1 9 9 6 年，n k b r y a n ”1 1 等人又提出工序尺寸公差设计的非线性规划方法。至此，工 序尺寸设计向自动化和最优化方向大大地迈进了一步。 近年来，国内在工序尺寸设计自动化方向上也开展了许多研究：谭豫之1 1 5 9 运用图论工 具建立了c a p p 系统中工序尺寸求解的数学模型，提出了用无向图树型结构叠加来建立轴 类零件工序尺寸求解模型的方法；陈志同【1 6 0 l 提出了较为完整的工序尺寸设计的尺寸图表结 构：郝秀真等坫1 1 论述了用“图表追踪法”求解工序尺寸的原理、步骤以及计算机辅助求解 6 浙江大学硕士学位论文 的方法。虽然关于工序尺寸发计的研究有了很大突破，但是现有的各种方法都存在一些不 足： 1 没有明确表示出基本尺寸与余量之间的关系，不易于实现加工余量的定量控制； 2 没有明确表示出毛坯尺寸与其它尺寸之间的关系，1 i 利于实现精密毛坯的设计与制 造； 3 有些工序直接选择经济加工精度对应的公差作为其工序公差，这只表明所选择的公差 值对这些工序是最优的，并不能表明它们对整个工艺过程是最优的。 按照现有的方法求得的“最优解”一般硝i 是该问题的真实最优解，因此，加大对计算 机辅助工序尺寸设计的研究力度是很有必要的。 1 3 计算机辅助公差设计的关键技术 计算机辅助公差设计的关键技术主要包括并行公差设计理论、动态公差控制技术、公 差成本建模技术、功能尺寸的自动化标注、形位公差的确定、功能方程和加工方程的自动 生成、公差信息在计算机中的表示方法、公差的数学表示、尺寸链技术的应用、制造资源 约束研究、公差稳健性研究、工序尺寸及公差设计、工时定额研究等等，下面主要介绍一 些与本文研究内容有关的关键技术。 1 3 1 并行公差设计 传统的公差设计的研究主要集中在四个分开的阶段：产品设计阶段、工艺设计阶段、 生产制造阶段和质量检验阶段1 1 4 5 1 。 在产品设计阶段，设计者根据产品的精度指标和产品结构确定和分析设计公差，很少 考虑加工和制造的问题，在公差分配时所用的成本模型不能反映实际加工工艺的因素，因 此所确定的公差往往不能达到最低加工成本；在工艺设计阶段，工艺师根据设计公差确定 加工工艺路线、加工方法、加工余量和加工公差，目的是满足零件的设计公差要求，基本 上不考虑产品的功能要求和结构设计，工艺人员的工作仅仅是把不合理的设计信息反馈给 设计人员；在加工制造阶段，操作工人只须按工艺规程调整和操作机床，b 的是保证零件 的实际误差小于或等于工艺设计中确定的加工公差；在质量检验阶段，检验师只考虑已加 工零件的检验问题，并与设计公差相比看它是否满足设计公差的要求，也不需要考虑产品 的功能要求、设计结构和加工方式。 这种处理公差的方式会使制造成本增加，设计和制造周期变长。为此，应该大力加强 浙江大学硕士学位论文 并行公差设计理论的研究，使得在设计阶段就充分考虑其他几个阶段的约束条件，从而直 接设计出既能满足精度要求又能在现有条件下实现的加工公差和检验规程来。 1 3 2 公差成本模型 为了实现合理的公差分配，建立一个实用性的成本模型是很重要的。目前国内外已经 提出了一些成本模型，如指数模型、幂指数模型、负平方模型、多项式模型、指数和幂指 数组合模型等。这些模型建立时有一些共同点，即都是在某一特定的加工环境下，先采集 足够的公差成本统计数据，然后用最小二乘法等来确定模型中的参数。这种方法建立的成 本公差模型与具体实现公差的工艺过程没有或很少联系，不能确切反映成本和公差之间的 真实关系。另一方面，全面收集公差成本数据也是很不现实的，所以上述公差成本模型基 本上无法在实际中应用。因此，必须研究新的公差成本模型，建模时要充分考虑工艺过程 的约束因素，才能开发出实用性强、面向并行公差设计的成本模垂! ! l “。 1 3 3 公差的数学表示 i s o 公差系统己在实践中应用多年，很适合手工设计环境。但随着计算机技术在设计 和制造中的推广应用，i s o 公差系统已越来越显示出它的不足，其中突出的缺陷在于i s o 公差很不适合计算机的表达、出路以及在各个阶段的数据传递。所以，以美国机械工程学 会和美国国际标准研究所为首的学术组织和一些专家学者正在研究s t e p 标准中公差信息 的表示方法，并取得了一定的效果1 4 7 1 。 一个新的公差系统应满足以下条件： 能够确切反映产品的功能要求； 能够使加工中的误差补偿； 便于用三坐标测量机进行测量和数据处理； 使计算机处理公差信息变得更加容易、更加直观，特别要便于用计算机表达和处 理公差信息，便于公差信息在设计、工艺、加工和检测各阶段中传递。 应具备表达i s o 公差的能力，因为经过多年的实际应用，i s o 公差已在广大技术 人员中深深地扎下了根，从i s o 公差向新公差系统地过渡将是个漫长的过程，需 要两种公差系统之间能够实现相互表达和换算。 浙江大学硕士学位论文 1 3 4 工序公差设计 工序公差设计主要基于工艺尺寸链技术。传统的工序公差设计方法主要是采用手工图 解法进行设计t 公差和工序公差关系的验证，其中关键工序公差由设计人员的经验来确定， 其它的工序公差通过计算得到。该法不能得到最优工序公差，不能提供定量的加工费用和 最优的工艺路线。随着计算机技术的发展，工序公差设计目前主要有两个研究方向：工艺 尺寸链结构优化和用于工序公差优化分配的数学模型1 1 0 2 1 。 传统的工艺尺寸链技术采用手工绘制。该法枯燥、费时、易出错，不易被计算机所识 别。不少学者在研究工序公差优化分配的同时，也致力于研究工艺尺寸链结构的优化，其 目的是在计算机中容易描述工艺尺寸链结构。用于工序公差优化分配的数学模型由目标函 数和约束条件组成，但到目前为止还没有一种模型能够客观地、方便地设计出合理的工序 公差。 到目前为止，工序公差设计已取得了很多成就，但是还没有解决实际c a p p 中的工序 公差问题，离应用还有很大的距离，并且设计公差和工序公差采用串行设计方法，当设计 公差不合理时，无论后续的工序公差设计方法如何精致，所设计出的工序公差都不会合理。 因此研究公差的并行设计是很重要的。 1 3 5 工序尺寸计算 零件一般都是由毛坯经过多道加工工序形成的，为了保证零件的设计尺寸要求及确保 每次加工都有合理的余量值，就必须合理地控制每道工序的工序尺寸及公差。正确地分析 和计算工序尺寸是制订工艺规程不可缺少的重要内容，应用它可以合理地确定工序尺寸、 公差和技术条件，也有助于分析工艺路线拟定的合理性。 常用的工艺尺寸换算方法有工艺尺寸链法、尺寸跟踪法、图论法、工艺尺寸式法。前 三种方法均需用画图的方法来寻找工艺尺寸关系，当工艺关系复杂时，图形就会很乱，工 艺人员稍有大意就会出错。相比之下，工艺尺寸式法具有不需画图、寻找工艺尺寸关系方 便、便于计算机辅助设计等特点。工序尺寸的确定一直是c a p p 的一个难点，所以，研究 实用的工序尺寸计算原型系统有着重要意义【1 0 8 。1 1 3 1 。 1 3 6 工时定额研究 工时定额是指在一定的生产技术和组织管理条件下，为生产一件合格产品( 或完成一定 9 浙江大学硕】学位论文 工作) 预先规定的劳动时间消耗。它是编制生产计划，确定产量定额及合理安排劳动力的依 据，是企业实行经济核算和经济责任制考核的基础。制订合理先进的工时消耗定额是企业 合理安排劳动力，提高劳动生产率的重要手段。 工业企、世定额管理的对象主要是材料消耗及1 时消耗两大类，加强对工艺定额的管理 ：作，不断提高工艺定额的水平，是企业降低成本、提高经济效益的主要途径。制订好工 艺定额，加强工艺定额的贯彻实施，及时修订定额，是工艺管理的重要任务之。 随着计算机技术和先进制造技术的不断发展和应用，国内在工时定额的制定和管理方 面做了许多探索性和开发性的工作，相继涌现了许多有关工时定额制定的商品化软件。哈 尔滨工业大学和清华大学在工时估计数学模型、定额计算整体框架和相关数据库设计方面 做了一些开创性的工作，开辟了计算机辅助计算工时定额的先例，促进了工时定额这一课 题的展开和深入：西安理工大学首次提出了基于神经网络的快速计算加工时间定额的方法， 该模型采用实测数据为样本集数据，展现了人工神经网络技术在工时定额计算方面的广阔 应用前景；华中理工大学在其开发的h z - - r c a p 系统中采用数学模型法实现了工时定额的 计算，这是一个国内比较完善的带有工时定额计算的c a p p 系统软件。 目前，普遍采用的工时定额制定方法主要有：人工查表法、计算机查表法、数学模型 法、神经网络法和混合法。其问题主要表现在：对于计算机查表法存在定额数据的存储量 大、数据库维护和操作不便的缺点；对于数学模型法则存在数学模型建立困难的弊端【1 1 4 。1 1 6 1 。 1 4 本文的研究内容及总体框架 从前面的分析中可以看到，计算机辅助公差设计技术还有许多工作需要研究，而工序 尺寸及公差设计是关键技术之一。工序尺寸及公差的设计对于保证产品质量、缩短生产周 期、降低制造成本和提高经济效益具有十分重要的作用，针对其目前的发展状况和存在的 问题，本文将对工序尺寸及公差的设计方法及其在计算机辅助设计方面的应用进行了一定 的探索。 1 4 1 本文的研究内容 本文的主要研究思路为：分析工序公差设计方法及工序公差优化设计模型，构建公差 并行设计的优化数学模型：分析常用的工序尺寸计算方法及工艺尺寸式的计算原理，在此 基础上提出一种基于尺寸式的计算机辅助工艺尺寸设计方法；分析工时定额的计算和管理 方法，研究基于神经网络的工时定额管理方法；最后在分析系统实现技术的基础上开发原 浙江大学硕上学位论文 型系统。 论文的主要研究内容如下： 第一章：介绍了计算机辅助公差设计的发展历史和研究现状；综述了计算机辅助公差 设计要解决的部分关键技术：最后提出了本文的主要内容和总体框架。 第二章：在分析传统的工序公差设计方法及工序公差优化设计模型的基础上，构建了 公差并行设计的优化数学模型。 第三章：分析了常用的工序尺寸计算方法，介绍了工艺尺寸式原理，在此基础上提出 了一种基于尺寸式的计算机辅助工艺尺寸设计方法，最后给出了一个工艺尺寸式设计实例。 第四章：分析了工时定额的构成及计算方法，研究了两种常用的建模方法，在此基础 上，建立了基于模糊神经网络的工时定额模型。 第五章：在s o l i d w o r k s2 0 0 4 系统平台上，丌发了工序尺寸及公差设计原型系统，并通 过实例验证了系统功能及其有效性，给出了原型系统的功能介绍及部分运行界面。 第六章：总结和展望，总结了全文的主要研究内容，并对计算机辅助公差设计应该进 一步开展的工作进行了探讨和展望。 1 4 2 本文的总体框架 本文的总体框架如图1 - 4 所示。 浙江大学硕士学位论文 1 5 本章小结 图1 - 4 论文框架 1 综述了计算机辅助公差设计( c a t ) 技术的发展和研究现状 2 分析了计算机辅助公差设计需要解决的几项关键技术； 3 提出了本文的主要研究内容，弗给出了本文的总体框架。 磊 墓 浙江大学硕士学位论文 第二章工序公差设计方法研究 内容提要 本章在分析传统的工序公差设计方法及工序公差优化设计模型的基础上，根据并行工 程及工序公差设计的特点，建立了公差并行设计的优化数学模型。 2 1 引言 工序公差设计是c a p p 的重要内容之一，传统的工艺设计中，工序公差设计依靠工艺 人员的经验，带有较强的主观因素，得到的工序公差往往不是最优解。近年来，工艺人员 根据不同的目标函数和约束条件，建立了工序公差的优化设计模型。但是设计公差与工序 公差间采用串行设计模式，因此当设计公差不合理时，无论后续的工序公差设计方法如何 精致，也不能设计出合理的工序公差。 设计公差和工序公差分步的设计方法，使得设计周期长，不利于c a d c a m 的集成和 并行工程的发展。本章在分析现有的传统工序公差设计方法及工序公差优化模型的基础上， 建立了工序并行设计的优化数学模型。 2 2 传统的工序公差设计方法 传统的工序公差的设计通常分为三步【l 】： 1 以平均经济精度初拟各工序公差值； 2 工序封闭环尺寸公差校核，如不满足要求，调整各工序公差值； 3 工序余量校核，如不满足要求，调整余量或工序公差值。 在确定尺寸链各组成环的初始公差时一般有二种方法：等公差法和等精度法；等精度 法即各工序尺寸取相同精度等级，工序公差值由工序尺寸的大小决定。等公差法不论尺寸 大小和加工难易程度使各组成环具有等量公差；等精度法虽然照顾到尺寸大小的差别，但 仍不能照顾到工艺条件的差别，如粗加工工序与精加工工序的差别。 在工序公差的调整过程中通常采用“高精度优先”原则，从实践中得知，工序加工成 本和工序公差具有单调递减的关系，如图2 1 所示。 浙江大学碗士学位论文 加 工 成 本 工序公差 图2 1 ) j n z 成本与工序公差关系 从图中可以看出：在一定范围内，工序公差减小，工序成本增加不大或相对稳定，超 过这个范围，工序公差稍有减小，成本将急剧增加。在精加工工序中，工序尺寸精度要求 较高，公差值已较小，如果稍作调整就会导致成本急剧增加，因此在进行工序公差调整中 要优先考虑高精度工序尺寸、尽量减少其公差值的调整量，保证高精度工序加工经济合理， 然后再考虑较高精度和低精度工序，这就是“高精度优先”原则。 2 2 1 初拟工序公差值 在工艺尺寸链计算中，应首先保证封闭环尺寸不超差，依照极值法，封闭环尺寸公差 值与各组成环公差值的关系如下式： 疋= 乏+ l = i ( 2 1 ) z = l j = l i = 1 式中：正是封闭环尺寸公差值；已是增环公差值：i 是减环公差值；m 是增环数；n 是减 环数。 为了合理的将封闭环尺寸公差分配给各组成环，兼顾工序尺寸及加工精度的差别，各 增、减环公差由下式初定： 正= a k ， ( 2 - 2 ) 式中：a 为封闭环尺寸公差系数；k 为组成环精度系数；，为组成环公差单位。j ，由公差 标准计算公式选取： i ，= o 4 5 征i + o 0 0 1 l ，渤她， 5 0 0 m m ) ( 2 4 ) 1 4 浙江大学硕士学位论文 f q ( 2 2 ) 式和( 2 4 ) 式可推得： a = t ：y ， ( 2 - 5 ) 忙l 在计算a 值时，疋取对应的设计尺寸公差值，组成环精度系数应视具体加工情况定， 以精磨加工为基准，f 定为痂，其它以狐为优选系列依次递增。由于内表面加工在通常 条件下比外表面加工难一些，如果工序尺寸加工面为内端面，精度系数可乘上一个系数k ， 建议k = 1 6 t l o 。至此由式( 2 2 ) 可以初定尺寸链中各组成环公差。 采用上述方法初拟工序公差： 1 计算封闭环尺寸公差系数a 时，t 取对应的设计尺寸公差值，所以初拟的各工序尺 寸公差可以直接保证结果尺寸不超差： 2 精度系数f 反映了工序或工步的加工精度，公差单位反映了工序尺寸大小的区别， 所以初拟值可以做到经济、合理、为公差调整奠定良好的基础。 2 2 2 工序余量校核 各i 序基本余量由工艺手册所提供的数据确定，根据已查明的各工序余量尺寸链，则 工序余量变动量可表示为： z = 丁， ( 2 6 ) 式中：k 为余量尺寸链中组成环数，t i 为增环或减环公差值 对于大批量生产，由于采用调整法加工，所以应校核余量z ，使其满足z 。 z 。即可。否则，就应调整余量值或 工序公差。如果工序余量不符合要求便需要进行调整，调整方法如下： 1 找出m 脒阮一心2 一z m 。) 所对应的余量尺寸链。其中z 。一了a z z m 。 o ，z m 为平 均余量。 2 若采用试切法加工，增力l l z m 使z ：z m 。一等，如还不满足要求可进行下一步。 3 由式乙一等z m m 得出最小余量不足量( 绝对值) 为： 留：z m i 。十t z - 一乙 ( 2 7 ) 浙江大学硕士学位论文 进而根据“高精度优先”原则确定各组成环公差调整量为 a t , = 6 zi y j ij y ? i ? j = l 4 最后根据各组成环公差调整量对工序余量进行调整。 2 2 3 经济精度校核 ( 2 - 8 ) 初拟的工序公差，经工序余量校核及调整之后，应既满足封闭环尺寸不超差，义满足 工序余量极限z 。( 或z 。) 的要求。但是，不同的加工方法都有各自的加：j ：经济精度，比 如精磨的经济精度为i t 7 i t 6 。工艺手册中给出了类似的参考数据，所以经上述过程确定 的工序公差仍需进行经济精度校核。 如果工序公差比所对应的加工方法经济精度范围的上限要求高，则该工序公差超限。 遵循“高精度优先”原则经济精度校核及工序公差调整过程如下【1 0 4 1 ： 1 从高精度工序开始向前逆序进行，如果该工序公差超限，则应检查低精度工序公差 有无可调整量。假如某工序公差为z ，所对应的加工经济精度范围的下限公差为z ，上 限公差为z 一，如有：z z 。 0 ，则称该工序公差有可调整量，记为：疋= 正一i 一。 2 如所校核工序j 的公差超限量为 皿= 一一乃 ( 2 - 9 ) 则该道工序之前的低精度( 较高精度) 工序公差的可调整量为： k 坑= e a r , = ( 乃一正一) f 0 )( 2 一l o ) f = 1t = l 3 为了避开公共