（机械制造及其自动化专业论文）面向并行工程的零件可制造性评价方法研究.pdf

塑堡垒兰些! ；兰堡兰兰 全文摘要 提高产品质量、降低生产成本、缩短开发时间是制造业在全球激烈竞争的 市场上取得成功和发展的关键因素和永恒的追求目标，并行工程的产品开发 哲理、设计与制造集成的开发方式是近年来人们的研究热点。本文提出个 面向数控机床和金属切削加工零件的计算机辅助可制造性评价的系统方法， 采用在产品设计过程中逐步评价和设计完成之后的整体评价相结合的评价策 略。旨在提供一个设计决策支持工具，用于在产品的详细设计过程中从制造 的角度来改进设计质量和缩短设计时间。 f 评价一个零件的设计方案的可制造性，涉及根据制造资源判断零件的整个 制造过程中各个环节的可行性和制造难易程度，包括零件的结构工艺性、零 件精度设计的合理性和经济性、可装夹性、可装配性等方面，指出设计方案 存在的问题、提供设计方案的制造经济指标。本文的研究内容主要涉及以下 几个方面：详细设计过程中的可制造性逐步评价方法、基于简化加工工艺规 划的整体可制造性评价方法、面向组合夹具的零件可装夹性评价方法等。 在本研究中，零件的设计方案以b 实体模型表示，零件的公差和表面rep 质量以实体模型中各个相关面的属性表示。通过自动特征识别方法获得零件 的制造特征模型，基于制造特征模型建立零件的设计方案和制造资源之间的 联系。以零件的制造特征作为可制造性评价方法的基本评价单元，实现可制 造性评价的各个评价目标。 在零件的设计过程中的任一阶段，可制造性的逐步评价方法以当前已生成 的特征模型为评价对象，实现了可制造性评价与产品设计过程穿插交替进行。 逐步可制造性评价方法基于加工方法存在性规则，判断零件的所有特征是否 存在可行的加工方法。通过充分利用零件前一次的评价结果和前后两次评价 之间零件特征模型的变化，确定零件当前状态中真正需要进行评价的特征集 合以及当前需要评价的特征参数，保证了可制造性评价的实时性。 基于简化加工工艺规划进行零件的整体可制造性评价方法，即根据零件的 精加工工艺规划进行可制造性评价。为了获得零件的简化工艺规划，进一步 提出了保证公差要求的装夹和加工操作自动规划方法和基于相交特征的相交 边界信息确定特征加工顺序约束的方法。在简化加工工艺规划中，根据公差 要求和加工顺序，有效地处理多刀具访问方向的特征的加工方法优选和确定 问题，有效地处理顺序约束冲突问题，从而压缩了工艺规划过程的搜索空间， i i 望! 堡垒兰些! ：! ! 篁篁兰 提高舰划的效率。在整个简化工艺规划过程中判断零件的公差设计是否可达 到，判断工艺规划是否存在，判断零件的装失方案否可行。 为了实施零件的可装夹性评价，本文提出一种基于组合夹具自动规划的可 装央性评价方法。通过判断主定位基准的质量，可行侧面定位方案数量，可 行装卸运动和工件的可行央紧边四个方面实现可装夹定位可行性评价。为了 自动获得零件的装央定位方案，提出一种面向孔系基础板组合夹具的央具自 动规划方法，该方法利用连杆机构原理和连杆曲线与工件边界的交点来确定 全部候选定位方案。提出平移装卸运动和旋转装卸运动概念，根据工件边界 和定位销的位置关系确定工件的装卸方便性。从几何角度和力学角度分析工 件的可行夹紧边的质量，提出了可行夹紧边的确定方法和夹紧质量评价准则。 基于以上研究的成果，本文研制了一个面向并行工程的零件可制造性评价 的原型系统- - z d m e s 。当前该系统以钻铣类加工中心和数控机床为制造资 源，面向棱柱形的零件，实现了在零件的整个设计过程进行基于规则的可制 造性逐步评价、针对完整设计的整体可制造性评价，以及面向孔系组合夹具 的零件装夹可行性评价。从而验证了本博士论文提出的学术思想以及所开发 的原型系统z d m e s 的正确性。i。 关键词：并行工程多d f m ，可制造性评价；逐步评价，整体评价，自动工艺 规划y 孔系组合夹具，自动装夹规划，可装夹性评价，自动特征识 别? 特征 i i i 浙江人学f 啦l 。学位论文 a b s t r a c t i ti st h ef i n a l o b j e c t i v ep u r s u e db ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a n dr e s e a r c h c o m m u n i t yt h a t t o i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y a n dr e d u c el e a d t i m ea n dc o s to f p r o d u c t ，a n di st h em a i n l y f a c t o ro ft h ee n t e r p r i s ei ng l o b a lm a r k e t p l a c et oa c h i e v e t h es u c c e s sa n dt h ed e v e l o p m e n t i no r d e rt oa c h i e v es u c ho b j e c t i v e s ，i n c r e a s i n g r e s e a r c ha t t e n t i o ni sb e i n gg i v e nt oc o n c u r r e n te n g i n e e r i n ga n dt h ei n t e g r a t i o no f e n g i n e e r i n gd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gd u r i n gt h e l a s td e c a d e s i nt h i st h e s i s ，a s y s t e m a t i ca p p r o a c ht oc o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o no fm a c h i n e d p a r t sh a s b e e n d e v e l o p e d t h i sa p p r o a c hc o m b i n e s t h ei n c r e m e n t a le v a l u a t i o nu s e d d u r i n gt h ed e t a i l e dd e s i g np r o c e s sa n dt h e e n t i r e n e s se v a l u a t i o nu s e da f t e rt h e d e s i g n t h ef i n a lg o a l o ft h i sr e s e a r c hp r e s e n tad e c i s i o n 。m a k i n gs u p p o r tt o o l ， w h i c hc a nb eu s e dd u r i n gd e s i g ns t a g e st oi m p r o v et h ep r o d u c t sq u a l i t yf r o mt h e m a n u f a c t u r i n gp o i n t v i e w e v a l u a t i n gt h em a n u f a c t u r a b i l i t yo fap r o p o s e dd e s i g ni n v o l v e sd e t e r m i n i n g w h e t h e ro rn o ti ti sm a n u f a c t u r a b l ew i t hag i v e ns e to fm a n u f a c t u r er e s o u r c e d u r i n gi t sw h o l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i fap a r ti sm a n u f a c t u r a b l e t h e nf i n d i n g t h ea s s o c i a t e dm a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c y , i fap a r ti sn o tm a n u f a c t u r a b l e o r , t h e n p o i n t i n go u tt h ep r o b l e m s t h em a n u f a c t u r a b i l i t yi n c l u d e sm a n ya s p e c t s ，s u c ha s g e o m e t r y s t r u c t u r eo f p a r t s ，t h e r a t i o n a l i t y o ft h et o l e r a n c e s p e c i f i c a t i o n ， f i x t u r a b i l i t ya n dt h ea s s e m b l a b i l i t ye t c i nt h er e s e a r c h ，t h em a i n r e s e a r c ht o p i c s a r ef o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h es t u d yo nt h ei n c r e m e n t a le v a l u a t i o n a p p r o a c hd u r i n gt h ed e t a i l e dd e s i g np r o c e s s ，t h es t u d y o nt h ee n t i r e n e s se v a l u a t i o n a f t e rt h ed e s i g nh a sc o m p l e t e da n dt h es t u d yo nt h ef i x t u r a b i l i t ye v a l u a t i o no ft h e m a c h i n e d p a r t sf o rm o d u l a r f i x t u r e i nt h i sr e s e a r c h ，d e s i g ni sr e p r e s e n t e da sab - r e ps o l i dm o d e l t h et o l e r a n c e a n ds u r f a c er o u g h n e s si n f o r m a t i o ni sr e p r e s e n t e da sa t t r i b u t e so fv a r i o u sf a c e so f t h es o l i d t h e m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e m o d e lo fp a r t d e s i g n i se s t a b l i s h e d b y a u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n gf e a t u r er e c o g n i t i o nm e t h o d m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sa r e u s e dt om o d e lt h ea v a i l a b l e m a c h i n i n go p e r a t i o n s o ft h e p a r td e s i g n t h e m a n u f a c t u r i n gf e a t u r eo ft h ep a r td e s i g ni s t a k e na sab a s i ce l e m e n tt oc a r r yo u t i v ! ! 兰：兰塞圭兰篁篁兰 ： 一一 v a r i o u se v a l u a t i o nt a s k si na l le v a l u a t i o no b j e c t i v e s t h e p r o p o s e d i n c r e m e n t a le v a l u a t i o n a p p r o a c h c a n e f f e c t i v e l yp e r f o r m s m a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o no na n y i n t e r m e d i a t ep r o d u c tm o d e ld u r i n gt h ed e s i g n p r o c e s s t h ef u n c t i o no f t h ei n c r e m e n t a le v a l u a t i o ni st of i n do u tt h ef e a t u r ew i t h m a n u f a c t u r a b i l i t yp r o b l e mb yd e t e r m i n i n g t h e f e a s i b i l i t y o ft h e o p e r a t i o n s o f v a r i o u st y p eo fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e i tm a k e st h ed e s i g nm o d e le v o l v e m e n t f r o m o n es t a t et oa n o t h e rs t a t e b yp e r f o r m i n g t h e m a n u f a c t u r a b i l i t y e v a l u a t i o n a l t e r n a t i v e l y m o r e o v e ri t i si n c r e m e n t a l ，i e i tc o n d u c t st h ee v a l u a t i o no nc u r r e n t p r o d u c tm o d e lb a s e do nt h ee v a l u a t i o nr e s u l t so nt h ep r e v i o u sm o d e l i no r d e rt o m a i n t a i nt h ec o h e r e n c ea n dt h es p e e do ft h ee v a l u a t i o np r o c e s s ，t h es t a t u sc h a n g e o ft h ef e a t u r ei nd e s i g np r o g r e s si si n v e s t i g a t e d ，a n da sar e s u l t ，t h ef e a t u r es e tt h a t m u s tb ee v a l u a t e da tc u r r e n te v a l u a t i o ni se s t a b l i s h e d t h e p r o p o s e d e n t i r e n e s se v a l u a t i o n a p p r o a c h c a n e f f e c t i v e l yp e r f o r m s m a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o no nc o m p l e t e dp r o d u c tm o d e l ，w h i c hi sb a s e do nt h e s i m p l i f i e dp r o c e s sp l a n n i n g i n o r d e rt oo b t a i nt h e s i m p l i f i e dp r o c e s sp l a n a u t o m a t i c a l l ya n de f f i c i e n t l y , an o v e la p p r o a c ht o a u t o m a t i cs e t u pp l a n n i n ga n d o p e r a t i o ns e q u e n c i n g o fa p a r t i s p r o p o s e d ，m e a n w h i l e ，a na p p r o a c h t o e s t a b l i s h m e n to ff e a t u r es e q u e n c ec o n s t r a i n t sb a s e do nt h ei n t e r s e c t i n gb o u n d a r yi s p r o p o s e d i n t h i s a p p r o a c h ，a c c o r d i n g t o g e o m e t r i cp r e c e d e n c e a n dt o l e r a n c e p r e c e d e n c ea m o n g f e a t u r e s ，t h er e a s o n a b l em a c h i n i n go p e r a t i o n so ff e a t u r e sw i t h m u l t i p l em a c h i n i n go p e r a t i o n s a r ed e t e r m i n e d ，a n dt h ec o n f l i c t sb e t w e e n g e o m e t r i cp r e c e d e n c e a n dt o l e r a n c e p r e c e d e n c eo ff e a t u r e s a r e d i s p o s e d t h e a p p r o a c hc a ng e n e r a t e t h ep r o c e s sp l a nb yw h i c ht h ep a r tc a nb em a c h i n e dt o s a t i s f yt h er e q u i r e dt o l e r a n c e s ，a n dt h ea p p r o a c ha l s oh a sh i g he f f i c i e n c y t h e e n t i r e n e s sm a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o ni sa c c o m p l i s h e db y j u d g i n gt h er a t i o n a l i t y a n df e a s i b i l i t yo ft h et o l e r a n c e s p e c i f i c a t i o n ，b yd e t e r m i n i n gw h e t h e r i te x i s t f e a s i b l ef i x t u r ep l a na n dw h e t h e ri te x i s tt h ef e a s i b l ep l a n i no r d e rt op e r f o r mt h ef i x t u r a b i l i t ye v a l u a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s sp l a n n i n g ，a s y s t e m a t i cm e t h o d o l o g yf o ra u t o m a t i cp l a n n i n go fm o d u l a rf i x t u r ei sp r e s e n t e d t h e p r o p o s e df i x t u r a b i l i t y e v a l u a t i o n a p p r o a c h c o n s i s t so ff o u re v a l u a t i o n m e t h o d s ：t h ed e t e r m i n a t i o no ft h e f e a s i b i l i t y o ft h e p r e l i m i n a r y d a t u m ， d e t e r m i n a t i o no ft h e q u a l i t yo ft h e s i d el o c a t i o n p l a n ，t h e e v a l u a t i o no ft h e a c c e s s i b i l i t yo f t h el o c a t o ra n dt h ee v a l u a t i o no ft h ef e a s i b i l i t yo f c l a m p i n g t h ep a r t t h ea p p r o a c hc o n s t r u c t sa l lt h ef e a s i b l ef i x t u r e p l a no fap a r tw i t h l i n e a ra n d v 塑堡垒兰竺：! ；茎些堡兰 c i r c u l a re d g e sb y u s i n g t h em e c h a n i s mt h e o r y b a s e do nt h eg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i p b e t w e e nl o c a t o r t r i p l e t a n dt h r e e b o u n d a r ye d g e s o fa p a r t ，t h el o a d i n g a n d u n l o a d i n gm o t i o no ft h ep a r ta r ec l a s s i f i e d i n t ot w ok i n d s ，i e t r a n s l a t i o nm o t i o n a n dr o t a t i o nm o t i o n m o r e o v e rt h en o t i o n so ft h el o c a t o rv i s i b l ec o n ea n dt h ep i v o t l o c a t o ra r e p u tf o r w a r d ，a n dt h ea c c e s s i b i l i t yo f t h el o c a t o ri se v a l u a t e d b yu t i l i z i n g t h e s en o t i o n s b ya n a l y z i n gt h ec o n t a c tf o r c eo ft h et h r e el o c a t o r sa g a i n s tt h ep a r t ， t h ef e a s i b i l i t yo fc l a m p i n gt h ep a r ta r ee v a l u a t e d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h e s ，ap r o t o t y p ee v a l u a t i o ns y s t e mz d m e s - - t h e m a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mf o rc o n c u r r e n te n g i n e e r i n gi sd e v e l o p e da n d t e s t e dw i t han u m b e ro fe x a m p l ed e s i g n a tp r e s e n t ，t h ez d m e sc a l lp e r f o r mt h e i n c r e m e n t a lm a n u f a c t u r a b i j i t ye v a l u a t i o n d u r i n g t h e d e s i g np r o c e s s ，a n d t h e e n t i r e n e s se v a l u a t i o na n dt h ef i x t u r a b i l i t ye v a l u a t i o nf o rt h ec o m p l e t e dd e s i g n ，t h e e v a l u a t i o no b j e c t so fz d m e sa r et h ep r i s m a t i cp a r tt ob em a c h i n e db yd r i l l i n g o p e r a t i o na n dm i l l i n go p e r a t i o n k e y w o r d s ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，d f m ，m a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o n ， i n c r e m e n t a l e v a l u a t i o n ，e n t i r e n e s se v a l u a t i o n ，a u t o m a t i cp r o c e s s p l a n n i n g ，d o w e l p i ns y s t e mm o d u l a rf i x t u r e ，a u t o m a t i cm o d u l a r f i x t u r ep l a n n i n g ，f i x t u r a b i l i t ye v a l u a t i o n a u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n g f e a t u r er e c o g n i t i o n ，f e a t u r e v l 浙江人学博 学位论上 特别致谢 本文研究受到国家自然科学基金研究项目( 6 9 9 73 0 45 ) 、 国家8 6 3 c i m s 应用基础研究项目( 8 6 3 - 5 1 1 - 9 4 2 一0 17 ) 资助 a c k - n o w l e d g e m e n t s t h i sr e s e a r c hi s s u p p o r t e db y t h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 6 9 9 7 3 0 4 5 ) a n dt h e8 6 3h i g h t e c h n o l o g yp l a nf o u n d a t i o n o fc h i n a ( 8 6 3 - 5 1 1 - 9 4 2 0 1 7 ) 第1 章绪论 内容提要 本章对基于特征的机加工零件可制造性评价的研究成果和现状进 行综述。首先介绍可制造性评价研究中的几个问题，然后对基于特征 的可制造性评价方法进行分类，介绍了具有代表 生的方法和系统并阐 述各个方法的特点，对该领域还存在的问题及其可能的解决策略进行 了讨论。最后提出本文的研究内容。 1 1 并行工程概论 传统制造业是以互换性、标准化等理论基础，以专业分工协作为生产模式的， 在这种生产方式下，整个产品开发过程被划分为具有明确职能的各个环节，如市 场需求分析、产品设计、工艺设计、装配设计等，并通过顺序衔接建立了串行产 品开发模式。这种串行方式在给我们带来好处的同时也引起一些新的问题：一是 如何实现不同领域内信息的沟通，这个问题促使人们思考如何把某一生产环节的 结果记录下来，并以此为媒介把上一生产环节的意图准确无误地传达给后续环 节；二是控制问题，例如怎样在生产全过程进行质量控制，怎样控制设计活动， 以避免出现无法制造的情况等等；三是协调问题，在顺序作业方式下，如何对各 环节进行规划，以保证产品开发按期完成。5 0 年代以后，随着数控技术、计算机 技术的广泛应用，出现以n c 机床、f m s 系统等为代表的柔性制造方式，以适应 市场对多品种小批量的需要。尽管从局部上自动化水平得到很大的提高，但由于 各单项技术彼此孤立而成为“自动化孤岛”，因此在总体上往往并不能取得最佳效 益。为了解决产品开发的不同领域信息沟通及生产全过程的控制与协调问题，7 0 年代人们提出信息集成的思想，尝试进行从c a d c 八m 的集成乃至集成生产管理 信息以实现c i m s 。此外，从降低成本、改善质量等方面考虑，人们还提出d f m 、 t q c 、j r r 等思想和方法。这些技术本质上仍属于串行模式，但它们的应用与实 施为并行工程思想的提出奠定了坚实的技术基础。进入8 0 年代，国际市场出现 以下一些新特点：信息技术的飞速发展，加速了市场的全球化，使得世界范围内 的市场竞争越来越激烈：市场需求变化快，且品种多样、批量不定；用户希望买 到能体现自己兴趣和爱好的商品，出现所谓“个性化”趋势：产品质量标准不再按 是否满足使用要求来评价，而是按是否满足用户要求来评价等等。在这种情况下， 能否以最低的成本、最快的上市速度、最高的产品质量、最好的服务适时地推出 令用户满意的产品已成为企业赢得竞争的关键，并行工程的产品开发设计思想应 运而生。 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 的概念最早是由美国人r i w i n n e r 提出来 的，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及相关过程( 包括制造过程和支持 过程) 的系统方法”i l l 。这种开发方法要求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，利用并行工程的产品开发模式可用图1 1 所示的功能框图来表示。 任困 - 分 厅乏西r - 析 - 装配设计j 一 评 价 一 i 垒竺堡生卜一 - 匡堕 卜 图1 1 并行工程示意图 并行工程在先进制造技术中具有承上启下的作用，并行工程是在c a d ， c a m ，c a p p 等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重迭， 充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、网络技术的优秀成 果，使其成为先进制造技术中的前沿发展学科。 并行工程的研究领域主要包括： 1 ) 并行工程基础理论的研究。主要包括概念设计模型、并行设计理论、鲁棒设 计及支持产品开发全过程的模型研究。尤其是并行设计的建模技术，在计算机环 境下，进行并行设计要求信息模型能够获取和表达产品信息、制造信息和资源信 息；能够方便地获得有关产品可制造性、可装配性、可维护性、安全性等方面的 信息；能够使小组成员共享信息。要满足这些要求，必须建立一个能够表达和处 理有关产品生命周期各阶段所有信息的统产品模型。 2 ) 制造环境建模。在并行工程中，产品的设计阶段就考虑制造因素，使得产品 设计和工艺设计同时进行，因此，无论在产品的初期方案设计阶段还是详细没计 阶段都要及时地进行产品可制造性及可装配性的评价，并生成合适的工艺，这就 必然涉及到从现有制造资源角度评价所涉及产品的制造工艺性能，同时还要考虑 工厂、车间、工段的生产能力、设备布局及负荷情况等，这些制造环境的数据和 知识模型是保证并行必不可少的部分。 3 ) 面向并行工程的c a p p 。传统的c a p p 不具备与产品设计并行交互的能力， 不能对产品或零件进行可制造性评价并反馈结果，为实现计算机辅助并行工程， 面向并行工程的c a p p 是关键。为了达到这一目的，零件信息模型应是一个动态 的数据结构，设计者可以在设计中的任何阶段将设计结果移交工艺评价模块，并 根据评价结果修改模型或继续设计。 4 ) d f x 方法。典型的d f x 方法主要包括面向制造的设计( d f m ) 【2 1 、面向装 配的设计( d f a ) 【4 ”、面向质量的设计( d f q ) 、面向维护的设计( d f s ) f 6 ”、 面向循环再利用的设计( d f s r ) 【8 】等几个方向上。许多先进的计算技术，包括基 于规则的推理，约束网络和优化等应用到自动并行设计系统的开发上。其中面向 制造的设计( d f m ) 是并行工程中最重要的研究内容之一，它是指在产品设计阶 段尽早地考虑与制造有关的约束( 如可制造性) ，全面评价产品设计和工艺设计， 并提出改进的反馈信息，及时改进设计。在d f m 中包含着设计与制造两个方面， 传统上制造都是遵循设计要求的，但是设计时考虑制造上的要求不够充分，在 d f m 中必须充分考虑制造要求，一般通过可制造性评价来实现。面向装配的设 计( d f a ) 与d f m 类似，它是将可装配性在设计时加以考虑、设计与装配在计 算机的支持下统一于一个通用的产品模型，来达到易于装配、节省装配时间、降 低装配成本的目的。 5 ) 并行工程集成框架。所谓集成框架就是使企业内的各类应用实现信息集成、 功能集成和过程集成的软件系统。主要包括基于思想模型的辅助决策系统、支持 多功能小组的多媒体会议系统、计算机辅助冲实解决的协同系统等【9 】o 6 ) 面向并行工程企业的体系结构和组织机制。主要包括人的集成( 客户、设计 者、制造者和管理者) ，企业各部门功能集成、信息集成及设计、制造工具集成 的组织机制。 1 2 面向制造的设计( d f m ) 与产品可制造性评价( m e ) 面向制造的设计是一种设计方法，其主要思想是在产品设计时不但要考虑功 笫1 帝绪沦 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。其目标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。在这种设计与工艺 同步考虑的情况下，很多隐含的工艺问题能够及早暴露出来，避免了很多设计返 工。通过对不同的设计方案根据可制造性进行评估取舍，根据加工费用进行优化， 能显著地降低成本，增强产品的竞争力。因此，面向制造的设计是并行工程中最 重要的研究内容之一。早在七十年代，就有学者提出了d f m 的概念，出现了许 多反映d f m 思想的设计方法，这些方法大多是定性的指导原则，对指导设计师 的工作起了重要作用，可以认为是d f m 技术发展的前期阶段。其中比较典型的 方法有：设计公理i o m a f i c a p p m a c h ) 1 1 0 l ，认为良好的设计都符合一定的原则或 公理，在设计与制造的每个阶段中，用这些公理去指导设计决策就可以得到工 艺性好的设计：设计准则【”，即从多年的设计和制造实践中总结提取出来设计规 则，如最少零件数量规则、模块化设计规则、零件多功能化规则等；成组设计， 新设计方案是从成熟设计中( 数据库) 中得来的，可以保证新的设计的可制造性。 随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，全球化的市场竞 争日趋激烈，产品设计在整个产品生命周期内占有越来越重要的地位，对d f m 的要求也越来越强烈。另一方面，计算机软硬件技术的发展，数据库技术的广 泛应用，特征技术的出现，c a d 开放式结构的广泛使用等为计算机辅助d f m 方 法的实现提供了有效的工具，使d f m 的真正实施成为可能。这些因素促使d f m 向应用阶段发展，出现了一些基于计算机的d f m 系统。d f m 作为并行工程的关 键技术受到了广泛的重视。 并行工程的关键是设计产品时同时考虑下游的相关过程，包括加工工艺，装 配，检测，质量保证，销售和维护等等，在这过程中，面向制造的设计( d f m ) 是并行工程的核心技术之，我们可以从以下几个方面来看d f m 和c e 之间的 关系： 1 ) d f m 是并行工程的思想核心设计与制造，是产品生命周期中最重要的两个环 节。所谓并行工程，最重要的是产品设计与制造过程的并行。在设计阶段就考虑 可制造性是c e 最基本的优势所在。 2 ) d f m 是实现并行工程的关键技术要实现并行工程，设计和制造决不可能再保 持传统的串行分离的方式。d f m 方法所提倡的在设计中考虑制造工艺，根据加 工能力来设计产品及其零件的方法必然是并行工程的设计方法。并行工程只是一 种生产哲理，要应用到实际生产，必须要有诸多的支撑工具。在c i m s 中，最主 要的工具是c a x 技术，而在并行工程中，最核心的工具是d f x 技术。 3 ) 并行工程是d f m ( d f x ) 在产品生命周期上的拓展自从d f m 的概念被提 4 塑兰垒兰些! ：兰竺篁兰 出以来，又相继出现了很多d f x 的概念，例如d f o ( d e s i g nf o rq u a l i t y ) ， d f r ( d e s i g nf o rr e l i a b i l i t y ) ，d f d ( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l y ) 等等，这些概念逐渐覆 盖了从设计、制造、使用到回收的整个产品生命周期，这实际上已经拓宽了d f m 的概念，形成了并行工程的思想。 从并行工程的研究领域以及与面向制造的设计的关系的分析可知，产品可制 造性评价是实现面向制造的设计和并行工程的关键的一环。产品可制造性评价、 面向制造的设计并不是一个全新的设计思想 1 1 】，制造业也早已认识到设计与制造 集成的重要性。某些早期的设想包括企图建立一个设计与制造交叉的部门【，各 专业协会和企业也出版了指导面向制造的设计手册和书籍 2 】o 在c a d 方法中最 早也是最有影响的产品装配成本估计方法是由b o o t h r o y d 等【1 3 】提出的，而研究可 制造性评价问题始于8 0 年代后期，由于受当时的c a d 技术的限制，只能根据各 种设计手册中规定的规则进行评价，这期间开发的系统多是针对特定的应用领域 的，涉及的领域包括可装配性分析，近净加工( 铸造与注塑) 加工，可切削性分 析以及印刷电路板的可制造性分析。 所谓可制造性评价，广义上讲，要求设计过程中考虑产品从生产到报废的整 个产品生命周期中的所有影响因素，包括制造、测量、装配、维护以及回收再利 用等方面对产品的约束；狭义上讲通常指根据现有制造资源条件，对产品模型的 各设计属性( 形状、尺寸、公差、表面质量等) 满足制造约束的程度进行分析， 找出设计模型中不利于产品制造和产品质量的因素，从而指导产品设计，缩短产 品开发周期，改进产品质量。从机械产品的研究范畴出发，可制造性评价是一种 提高产品设计质量的一种有效手段，它通过对产品制造过程中的相关因素( 结构 工艺性、装配工艺性、加工工艺性、经济性等) 进行检验和制造评估，及时发现 设计问题、改善设计质量，减少设计环节与制造环节的循环迭代，为进一步进行 设计修改提供理论依据；它是寻求最简单、最经济、又能满足用户需求的设计方 案的过程。 1 3 产品可制造评价方法的研究状况 随着特征技术的逐步成熟，产品建模工具的功能和结构得到了很大改进。现 有的实体和特征建模工具已经能够支持可制造性分析活动进行复杂的几何推理， 从而为研制灵活、通用的可制造性评价系统提供了条件。近年来国内外针对制造 系统的各个领域，进行了大量的可制造性评价研究，取得了丰硕的成果。 第l 章绪论 1 3 1可制造性评价的策略 近十几年来，国内外出现了一些针对具体应用领域的可制造性评价独立系统 或相关模块，总结其所采用的评价策略，总体可分为基于规则进行可制造性评价 和基于规划进行可制造性评价以及基于模糊集合理论的整体综合评价等三类。 1 1 基于规则进行可制造性评价 这类策略主要针对零件的结构工艺性方面进行缺陷检查，将设计模型的各个 设计属性与设计规则进行比较，直接找出设计模型中的不易制造或不能制造的设 计属性，作为评价结果进行输出。这类策略通常都有各种规则的知识库，适用于 铸造、冲压及注塑等非切削加工的制造领域【1 4 “16 1 7 1 ，因为这类制造工艺具有 较强的产品结构与制造结果的对应关系，即不良的设计属性对应相应的制造缺 陷。因此，通过定义设计属性与产生制造缺陷的可能性之间的关系，比较容易建 立各种评价的规则库，也容易形成比较明确的反馈修改意见。然而这种策略存在 两点不足。第一，当两个设计方案都满足所有设计规则时难以比较各自的优缺点。 第二，这种策略不适用于切削加工领域，这是因为，对于切削加工而言，设计属 性可能存在多种加工方法，各种：j h t 方法又强烈地依赖于机床、刀具等制造资源， 因此，设计属性与制造结果之间不是一一对应的关系，特别是当设计模型中不同 设计属性之间相互交叉时，会造成设计属性的多种制造解释。这些因素使得直接 考察设计描述来决定可制造性相当困难，难以建立面向切削加工的设计规则。 2 1 基于规划进行可制造性评价 这类策略首先根据设计规则对各设计属性进行初步评价，然后根据设计模型 及现有的制造资源刨成加工工艺规划，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【1 8 , 1 9 。总体上这种