（机械制造及其自动化专业论文）面向产品族的机床结构可适应动态设计理论、方法与应用.pdf

面向产品族的机床结构可适应动态设计 理论、方法与应用 r e s e a r c h0 u t h e o r y , m e t h o d o l o g ya n d a p p l i c a t i o n o f a d a p t a b l ed y n a m i cd e s i g n o fm a c h i n et o o l ss t r u c t u r e sf o rp r o d u c t f a m i l y 一级学科扭撼工程 学科专业担越剑造盈墓自动他 作者姓名主壶查 指导教师 固数援 韭态里数援 机械工程学院 2 0 0 8 年1 月 摘要 本文结合国家8 6 3 项目和企业研究项目，以数控弧齿铣齿机系列产品设计 为例，系统地研究了机床结构可适应动态设计理论、方法、工具及实现技术。 在对可适应设计研究的基础上，提出了可适应动态设计的概念，建立了可 适应动态设计的数学模型和定量化的分析工具。提出了结构性能评价原则和结 构方案优选准则。分析了可适应动态设计的技术流程。 在市场需求分析的基础上，建立了客户需求模型，包括顾客需求矩阵的建 立、顾客之间距离的量化表示，以及顾客群体与细分产品之间的对应关系。建 立了产品平台规划与设计模型，该模型包括产品系列规划矩阵、功能模块矩阵 及结构模块矩阵。在产品系列规划矩阵的基础上，依据一定的规则和方法规划 出不同的产品平台。 应用基于知识工程的原理和方法，指出了产品功能分析与功能求解方法， 建立了数控弧齿铣齿机功能层次分解树以及功能与原理解的映射矩阵。建立了 数控弧齿铣齿机运动功能解析式、产品平台和广义结构模型。采用有限元计算 和试验分析相结合的方法，对数控弧齿铣齿机结构性能进行了分析，提出了一 种有限元模型修正方法，得到了数控弧齿铣齿机系列产品的结构性能特征。 应用定量化的分析工具，对机床结构可适应动态设计过程进行了分析。通 过在方案设计阶段给出各方案的可适应性度量数值以及对修改设计的难易程度 做出定量评价，可以有效地指导机床结构设计过程。 提出了产品可适应性综合评价指标，建立了产品可适应性综合评价模型。 应用多级模糊综合评价方法在对产品功能适应性等多种评价指标初级评价的基 础上，进行了二级综合评价，得到了某数控弧齿铣齿机产品可适应性综合评价 等级，从而为进一步改进产品设计提供指导和修改依据。 应用基于组件技术的软件原型系统开发方法，开发了面向产品族的机床结 构快速可适应动态设计软件原型系统。建立了y h 6 0 系列数控弧齿铣齿机主要 结构模块的模型库、性能参数库、域问重用参数库等产品技术平台数据库。 上述研究成果丰富了可适应设计理论，并填补了可适应设计理论和实践之 间的鸿沟。所开发的软件原型系统实用性强，可以有效地提高企业新产品快速 创新设计的能力。研究成果已在企业成功应用，并取得了显著的社会和经济效 益。 关键词：数控弧齿铣齿机产品族产品平台结构设计可适应动态设计 a b s t r a c t u n d e rt h es u p p o r to ft h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a ma n de n t e r p r i s er e s e a r c hp r o g r a m ， t a k i n gc n cs p i r a lb e v e lg e a rc u r i n gm a c h i n et o o l ss e r i e sp r o d u c t sa sa ne x a m p l e t h e o r ya n dm e t h o d o l o g y o fa d a p t a b l ed y n a i 面cd e s i g no fm a c h i n et o o l ss t r u c t u r e sa r e r e s e a r c h e db yt h en u m b e r s ，d e s i g nt o o l sa n dr e a l i z a t i o n t e c h n o l o g ya r ea l s o p r e s e n t e d o nt h eb a s i so ft h es t u d yo na d a p t a b l ed e s i g n ，t h ec o n c e p t i o no fa d a p t a b l e d y n a n l i cd e s i g ni sd e f i n e d m a t h e m a t i c sm o d e lo fa d a p t a b l ed y n a m i cd e s i g ni s f o u n d e d q u a n t i f i c a t i o na n a l y t i c a lt o o l so fa d a p t a b l ed y n a m i cd e s i g na r ee s t a b l i s h e d t h ee v a l u a t i o np r i n c i p l e sf o rs 仃u c t u r ec a p a b i l i t ya n dc h o s e nr u l e sf o rs 缸1 l c t l i r e p r o j e c ta r ep u tf o r w a r d t h ep r o c e s so ft e c h n o l o g yo fa d a p t a b l ed y n a m i cd e s i g ni s a n a l y z e d o nt h eb a s i so fm a r k e tr e q u i r e m e n ta n a l y s i sf o rc n cs p i r a lb e v e lg e a rc u t t i n g m a c h i n e ，t h ec u s t o m e rr e q u i r e m e n tm o d e l sa r ef o u n d e di n c l u d i n gt h ef o u n d a t i o no f c u s t o m e rr e q u i r e m e n tm a t r i x ，t h eq u a n t i t ye x p r e s s i o no fc o n n e c t i o na m o n g c u s t o m e r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nc u s t o m e rc o l o n ya n ds u b d i v i s i o n p r o d u c t t h em o d e lo fl a y o u ta n dd e s i g nf o rp r o d u c tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e dw h i c h i n c l u d i n gt h el a y o u tm a t r i xf o rp r o d u c ts e r i e s ，t h ef u n c t i o nm o d u l em a t r i xa n dt h e s t r u c t u r em o d u l em a t r i x o nt h eb a s i so fs e r i e sl a y o u tm a t r i xt h ep r o d u c tp l a t f o r m f o re a c hk i n do fs 仃u c t i j j _ ei sd e s i g n e da c c o r d i n ga sd e f i n i t er u l e sa n dm e t h o d s m e t h o d so ff u n c t i o na n a l y s i sa n df u n c t i o ns o l u t i o na r ei n d i c a t e db yu s i n g p r i n c i p l ea n dm e t h o do fk b e ( k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 1 1 1 ed e c o m p o s i t i o n t r e eo ff u n c t i o na r r a n g e m e n ta n dm a p p e dm a t r i xb e t w e e nf u n c t i o na n dp r i n c i p l ea r e e s t a b l i s h e d t h ef o r m u l a t i o no fm o v e m e n tf u n c t i o na n dp r o d u c tp l a t f o r ma n d g e n e r a l i z e ds 订u c n l r em o d e la r ef o u n d e df o rc n cs p i r a lb e v e lg e a rc u t t i n gm a c h i n e as o r to fm o d i f i e dm e t h o df o rf e mm o d e li sp r o p o s e da n ds t r u c t u r ec a p a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i co fm a c h i n et o o l ss e r i e sp r o d u c ti so b t a i n e db ys 1 肌c n l r ec a p a b i l i t y a n a l y s i su s i n gf e m c a l c u l a t i o na n dt e s ta n a l y s i s u s i n gq u a n t i f i c a t i o na n a l y s i st o o l s ，t h ec o u r s eo fa d a p t a b l ed y n a m i cd e s i g nf o r m a c h i n et o o l si sa n a l y z e d a d a p t a b i l i t yi sc a l c u l a t e da n dq u a n t i f i c a t i o ne s t i m a t i o n l e v e lo fd i f f i c u l t yi si n d i c a t e df o re a c hp r o j e c ti nt h ed e s i g np h a s e ，w h i c hp r o v i d e d a ne f f e c t i v eg u i d ef o rd e s i g np r o c e s so fm a c h i n et o o l ss n l j c t t i r e s n t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d i c e sf o rp r o d u c ta d a p t a b i l i t ya r ep u tf o r w a r d ， i nt h i sb a s i st h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lf o rp r o d u c ta d a p t a b i l i t yi sg i v e n a c c o r d i n gt op r i m a r ye v a l u a t i o n r e s u l t sf o r p r o d u c tf u n c t i o na d a p t a b i l i t ye t c e v a l u a t i o ni n d i c e ss e c o n d a r ye v a l u a t i o na r ep u tu pu s i n gm u l t i l e v e lf u z z yi n t e g r a t i o n e v a l u a t i o nm e t h o d s 。a n dt h eg r a d eo f a d a p t a b i l i t yi n t e g r a t i o ne v a l u a t i o no fo n ec n c s p i r a lb e v e lg e a rc u r i n gm a c h i n ei so b t a i n e d ，t h e r e b yg u i d a n c ea n dm o d i f i e d f o u n d a t i o na r ea f f o r d e df o rm o r ei m p r o v e m e n to f p r o d u c td e s i g n u s i n ge x p l o i t u r em e t h o d so fs o f t w a r ep r o t o t y p es y s t e mb a s e dc o m p o n e n t t e c h n o l o g y , t h es o f t w a r ep r o t o t y p es y s t e mf o ra d a p t a b l ed y n a m i cd e s i g no fm a c h i n e t o o l ss t r u c t u r e st op r o d u c tf a m i l yh a sb e e nd e v e l o p e d t h ed a t a b a s e so fp r o d u c t t e c h n o l o g yp l a t f o r mi n c l u d i n gs t r u c t u r em o d u l ea n dc a p a b i l i t yp a r a m e t e ra n d r e u s a b l ep a r a m e t e ri nd i f f e r e n td e s i g nr e g i o na n ds oo nf o ry h 6 0s e r i e sm a c h i n e t o o l sa r ee s t a b l i s h e d t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sm a k ei tr i c h e ro fa d a p t a b l ed e s i g nt h e o r i e s a n dt h e g a pb e t w e e na d a p t a b l ed e s i g n t h e o r ya n dp r a c t i c eh a sb e e nf i l l e d t h es o f t w a r e p r o t o t y p es y s t e mw h i c hh a sab e t t e rp r a c t i c a l i t yc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h er a p i d i n n o v a t i o nd e s i g nc a p a b i l i t i e sf o rn e wp r o d u c t t h i sr e s e a r c hh a sb e e ns u c c e s s f u l l y u s e di ne n t e r p r i s e s ，a n dh a sy i e l d e dr e m a r k a b l es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ： c n c s p i r a lb e v e lg e a rc u t t i n gm a c h i n e ，p r o d u c tf a m i l y , p r o d u c t p l a t f o r m , s t r u c t u r ed e s i g n ，a d a p t a b l ed y n a m i cd e s i g n 。 i i i 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和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗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了谢意。 学位论文作者签名：备专是 签字同期：矽扩多年，月力护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 莎东 导师签名： 一f 多 立 7 签字同期：劢7 多年月矽r签字r 期：z 卯脾， 月2 口同 第一事绪论 第一章绪论 产品质量是企业生存和发展的核心，现代机械产品日益高速化、结构轻型化， 机械结构的工作环境也更加复杂，因此，对产品质量的要求也愈来愈高。其动态 特性、产品的创新性、快速满足不同用户对产品各项功能与性能的要求、以及产 品全生命周期的性能特征等问题更加突出。而产品所达到的质量、性能、价格 成本、寿命等综合指标如何，主要是由设计阶段所决定的。据有关专家统计，一 种产品的质量，设计的贡献率可达7 0 ，并且影响着产品的运行、维修等产品生 命周期过程的各个环节。因此，高度重视研究、发展设计技术，具有十分重要的 意义。 对应于世界科技与经济的迅猛发展，产品设计方法也在发生着不断的变化， 特别是计算机及其相关技术的发展和成熟极大推动了c a d 和c a e 技术的发展和 应用。并行设计、虚拟设计、稳健设计、优势设计、模糊设计、创新设计、协同 设计、模块化设计、产品族设计、动态设计等现代设计方法不断出现，这些设计 方法从不同角度来满足用户对现代产品的需求【l 】。机械产品设计是项动态的系 统工程，但机器的多样化、需求的频繁变更、制造技术的更新给设计提出了新的 要求。同时随着社会环境的变化，客户需求结构性的调整，产品使用者或工作环 境的变更、制造管理模式的变化以及企业信息化、数字化设计与制造模式的普及， 必将对产品的设计产生更为深远的影响。 随着现代工程技术的发展，各种机械、结构的振动、噪声问题正日益突出， 迫使机床、汽车、船舶、电气机械、工程机械、建筑、航空、航天等行业从动态 的角度来考虑他们的产品性能。由于这些产品的功能目益增大，重量相对减轻， 结构越来越复杂，对产品的工作精度要求越来越高，对振动、噪声的限制越来越 严格，因此，动态性能常常成为现代机械产品的重要追求目标。针对现代机械产 品和制造装备由静态设计转变为动态设计，急需大型复杂机械产品动态设计方面 的理论和相应的实用设计技术。 1 1 机械产品设计理论国内外研究综述 1 。1 1 机械结构动态设计 机械结构动态设计是指对满足工作性能要求的产品初步进行结构设计或改 进，并进行动力学建模，作出动态特性分析，然后根据工程实际情况，给出其动 态特性要求或预定的动态设计目标，再按结构动力学“逆问题”方法直接求解结 天津大学博? f j 学位论文 构设计参数，或按结构动力学“正问题”分析法，进行结构修改设计与修改结构 的动态特性预测，其结构的修改与预测过程往往需要反复多次，直到满足各项设 计要求，从而得到一个具有良好动静态特性的产品设计方案1 2 j 。其研究内容主要 包括二个方面：机械结构动力学建模、机械结构动态优化设计。 1 ) 机械结构动力学建模 结构动力学模型的建立主要是采用有限元方法，商品化有限元软件( a n s y s 、 n a s t r a n 、a b a q u s 等) 在微机上的应用已非常普及。但对于大型复杂机械结 构如机床等，用有限元模型进行结构动力分析，精度还不能完全满足要求，其主 要原因是结构阻尼、部件之间的结合面动力学特性( 刚度特性、阻尼特性) 很难 用解析的方法精确描述。近年来，由于振动测试技术的迅速发展，实验建立的模 型已更能准确地反映结构的动态特性，可弥补理论建模的不足。目前，结构动态 设计中广泛采用的是理论与实验相结合的建模方法，即物理坐标模型与模态坐标 模型相结合，因为物理坐标模型直接与结构的设计变量相联系，而模态坐标模型 直接反映结构动态特性的优劣。 由于零部件联接处的结合条件对结构性能的解析计算精度，特别是结构的动 态特性解析计算精度影响很大，要想建立一个精确的结构动力学模型，就必须准 确了解结合部的动态特性。对结合面静、动态特性及其参数识别归纳起来有三类 方法：解析方法、试验测试方法、试验测试和有限元分析模型相结合的识别方法。 这三类方法均建立在结合面的线性特性假设之上，将结合面简化为由一系列的等 效弹簧和等效阻尼器构成的动力学模型【3 1 。郁文恺【4 】等采用线性弹簧与阻尼单元 对结合面进行了研究，应用优化参数的方法修正带接触单元的结合面特征参数。 张学刚5 】等通过实测传递函数矩阵来识别机械结合面阻尼参数，由于没有涉及机 械结构的质量矩阵和刚度矩阵，避免了这两种矩阵建模误差对阻尼参数识别精度 的影响。张波【6 】等采用试验与有限元分析相结合的方法对某型数控车床床身结合 面进行了有限元建模，利用有限元软件提供的优化模块对结合面线性弹簧一阻尼 单元的刚度进行了参数优化识别。张广鹏i _ 7 】等将结合部简化为由弹簧和阻尼构成 的系统，通过试验的方法得到结合面的动态基础特性参数一刚度和阻尼的通用特 性公式，建立了机床导轨结合部动态特性的解析模型，并将其应用于机床整机动 态特性的解析。 基于实验数据的结构有限元模型修正是指以实际结构的试验测试获得的试验 数据为目标值，对已建立的有误差的解析模型进行改进以达到要求，它是建立合 理的动力学模型的必要步骤。结构有限元模型修正主要是对结构的截面形状、几 何尺寸、结合部参数等进行修正。模型修正方法主要有灵敏度修正法【8 】、模糊修 第一章绪论 正法【9 】、局部修正、法【1 0 1 、元素修正法【1 1 】等。刘明辉【1 2 】应用脉冲激振方法对某滚齿 机进行了模态分析，从而确定出机床振动的薄弱环节，通过与机体试验模态分析 结果进行比较、修正并建立了机体较精确的三维有限元模型。 有限元分析模型与试验模型相结合的方法在工程分析及应用中较为普遍。贺 银芝【13 】等分别运用试验模态分析及有限元分析对某机床小立柱的动态特性进行 了分析，通过两种方法的结合，更精确的确定了该模型各阶的固有频率及振型。 文献【1 4 】针对结合部的接触问题采用自定义的矩阵单元，通过试验获取机床结合部 的接触刚度和接触阻尼，通过对刚度矩阵单元和阻尼矩阵单元的元素取不同的值， 描述两点间的各种联接情况，在商品化有限元分析软件平台上对某机床整机的动 态特性进行了分析，实现了对机械结构动态性能的预测。r s b a i s 1 5 】等人分别采 用锤击和随机噪声发生器对某钻床进行模态试验，应用分析与试验结果对有限元 模型进行了修正，并进行了灵敏度分析。 2 ) 机械结构动态优化设计 优化设计产生于2 0 世纪6 0 年代，它是建立在现代数学规划论和计算机程序 设计基础上。动力学优化可分为三个层次：优化结构元件的参数，称为参数优化 或尺寸优化( s i z i n go p t i m i z a t i o n ) ；优化结构的形状，称为形状优化( s h a p e o p t i m i z a t i o n ) ；优化结构的拓扑结构，称为拓扑优化( t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ) 。拓 扑优化难度最大，但它是优化中最具有生命力的研究方向。许超【l6 】等人将人工智 能技术应用于机床大件结构优化设计研究中，通过建立设计知识库，应用结构设 计推理模块求得最佳设计方案，并较好地解决了结构设计中拓扑、工艺以及造型 等信息不易介入的难点。汤文成【17 】等人应用有限元方法分析了某数控加工中心的 床身结构，通过比较几种方案的机床导轨柔度值、一阶振型等对床身结构筋板布 局的几种不同方案进行了探讨。倪晓宇【1 8 】等人应用有限元分析软件对机床组件进 行了分析和优化，并开发出基于有限元软件的结构优化软件。胡如夫【1 9 】等人利用 灵敏度分析方法分析了某内圆磨床部件筋板布局型式和筋板参数对动态性能的影 响，利用模态频率修正技术，考虑部件结构优化时各部件之间模态频率的分离， 选择相互之问模态频率分离的主要装配部件作为整机集成的优选部件。 优化设计的发展方向是面向产品全系统、全过程和全性能的广义优化设计 【2 们，内容包括功能与方案优化；产品建模与规划( 包括建立产品模型、确定求解 策略和生成优化数学模型) ；协同寻优搜索( 包括算法和搜索策略) 及后处理( 结 果分析及评价) 。 3 ) 传统的机床动态设计方法 天津大学博十学位论文 对于机床动力学和结构设计问题，人们经过了几十年系统的理论和试验研究， 已经得到足够的认识并形成了一套较完整的机床动力学理论体系和设计方法，包 括虚拟样机技术、模块化设计技术、预测解析建模方法等。包括对机床部件结构 的优化、选择2 1 2 2 】；机床结合部参数的识别及应用【2 3 - 2 5 1 等，但这类动态分析与设 计还是相对独立的，没有形成系统化的设计方法。近年来，人们研究较多的是直 接从机床结构动态特性出发，分析计算机床结构的改进量，即反演设计机床结构。 于德介【2 6 1 提出一种基于复模态综合技术和优化方法的结构局部动力修改反演设 计计算方法，李书【2 7 2 8 1 等将对称结构动力学设计问题归结为一类含设计参数的广 义逆特征值问题进行求解，j o s e p hk 【2 9 】和s e i f , n p 【3 0 j 分别对逆特征值的求解i 口- j 题 进行了研究。这些动态反演问题大多可归结为结构质量刚度矩阵的逆特征值求解 问题，获得的只是满足动态特性的质量刚度矩阵，要将其转化为结构尺寸并不容 易。陈新【3 l 】等则对利用基于结构设计参数的有限元模型修正技术，用设计变量的 显式表达结构的动态特性约束问题。虽然这能解决从质量刚度矩阵转化为结构尺 寸的难点，但其方法并不具有普遍性，因为对于复杂结构的动态特性几乎不可能 用显式表达出与结构尺寸的函数关系来。 机械结构的动态特性是以模态参数表示的，结构动态设计主要是采用基于结 构的模态分析结果，而模态分析结果是以模态坐标下的质量、刚度、阻尼等参数 表示的，只有将模态坐标转换成物理坐标，即将结构的质量、刚度、阻尼等模态 参数转换成工程设计需要的结构参数如结构尺寸等，才能实现真正意义上的机床 动态设计，即以结构的质量、刚度、阻尼等模态参数为设计目标或设计约束，设 计出对应的机床结构。而这种设想是不可能实现的，原因是由于机床结构复杂， 表征机床动态品质的目标函数和约束函数与结构设计变量之间的关系是非光滑 的，不能通过结构动态反演设计中的逆特征值求解从质量刚度矩阵直接得到结构 尺寸。影响机床动态特性的因素很多，既有结构形状和尺寸的影响，又有工况参 数的影响，且其中还存在许多非线性因素，如部件之问的结合面状态等。 传统的机床结构动态设计，是以经验和反复实测为丰要手段，虽然依据模态 分析结果能够判断出初步结构的性能缺陷，但在结构修改问题上却往往茫然无知， 设计工程师只能依据经验和现有条件进行反复修改和实测，有时甚至将原设计完 全推翻重新设计，这大大减缓了设计速度，设计质量也难以达到最优。 1 1 2 可适应设计 可适应设计的理念最早由p g u 教授提出，他在文章【3 2 】中详细讨论了可适应 设计的概念、原理、方法以及可适应设计评价等。文献 3 3 1 研究了实现产品可适应 第一亭绪论 性的指导过程，包括可适应平台设计、可适应模块化设计、可适应接口设计和详 细设计。 1 l 可适应设计方法 文献f 3 4 】针对可适应设计的方法和应用做了全面、系统的阐述，提出了可适应 性的三种类型：产品可适应性、设计可适应性和制造可适应性。在产品的功能结 构、物理结构的基础上，针对机械产品结构，研究了实现产品可适应设计的具体 方法，包括可适应平台设计、可适应模块设计和可适应接口设计。分析了产品平 台的四种类型：广义平台、工艺和制造平台、标准部件平台和模块化平台。提出 了五种可适应接口类型：机械接口、能量转换接口、电气接口、固件驱动接口和 软件接口。建立了可适应设计过程模型，指出可适应设计是在一定的可适应度和 性能鲁棒裕度约束下面向产品族的系统优化设计。实现可适应设计的实用技术包 括基于灵敏度分析和相似分析平台变量决策、基于广义柔性模块的变型产品创建、 综合各种现代设计技术的可适应设计系统构建等。针对机械结构设计，给出了可 适应度和性能鲁棒裕度的具体计算公式。文献【3 5 , 3 6 j c r 对喘涂机器人研究了实现可 适应设计的方法和技术，并提出了机械总线的思想，在研究可适应设计一般方法 的基础上针对管道喷涂机和箱体喷涂机的具体情况进行了模块划分、平台构造、 模块模型创建、产品结构强度评价等系列工作，并进行了总线接口的创建技术研 究，在此基础上完成了计算机辅助喷涂机可适应设计系统开发工作。华中科技大 学的p e i g e nl i 教授在文献【3 7 】中把产品的可适应设计的重点放在实现产品的调节 和适应能力上，不仅能满足顾客的要求而且能满足当前的和进化的产品环境。提 出了面向产品的可适应设计方法架构( 产品系统信息设计一评价) 、产品到产品 系统的可适应度定量评价方法，并指出了如何在工业中实施此方法的指导方针。 w u q i n g r n i n g t 3 8 】等人将可适应设计分为四个主要过程：产品建模、产品平台的设 计、详细设计和产品再设计。提出了基于设计过程数据模型的概念( p d d m ) ，对 设计过程中知识获取、产品模型数据的表达、设计规则、数据共享和再利用等进 行了研究，建立了基于p d d m 的产品平台架构。 2 1 可适应设计质量评价 可适应设计是为适应社会经济和市场需求而提出的一种现代综合设计方法， 该方法的设计效果、产品设计质量以及产生的社会效益，要通过科学的评价方法 进行评价或检验。e g u 在文型3 2 】中提出以产品的制造设计成本来评价产品可适应 性的大小。他认为任何一个行为都包含了两个特征：在一定的约束下实现目标； 消耗成本。而企业追求的是成本必须最小化，这有利于资源的节约和社会的可持 续发展。e g u 还指出成本( 总成本) 不仅指设计中的资源消耗，而且包括适应已 天津大学博 ：学f c ：f ：论文 有产品的工程行为过程中所耗费的资源。提出了已有产品或者某个设计的可适应 性的计算方法，认为产品设计可适应性a ( p ) 与适应任务的可适应性因素a f ( t p i ) 及任务的实现概率p r ( t p i ) 成正比。文献【”】提出了一种新的产品族可适应度评价方 法，并确定了与重用设计和可适应度有关的四个因素：产品总体布局、截面形式、 筋板布局元结构和筋板，并将可适应设计简述为在可适应边界下的可适应平台设 计。提出了两个共用性决策标准：灵敏度和相似度。通过广义模块化方法和对元 结构建模的变型得到产品变型。文献【4 0 j 提出了基于可适应设计的产品族可适应度 度量方法，研究的内容包括：可适应度分类、可适应度的影响分析、可适应度的 评价等。 1 1 3 模块化设计 模块化设计是在对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基础上，划分并 设计出一系列功能独立、结构独立的基本单元模块，并使模块系列化、通用化、 标准化，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品或系统，以满足不同的需求。 对模块化设计的研究主要包括模块划分、模块编码、接口型式、模块组合等方面。 1 ) 模块划分 u l r i c h l 4 l 】认为模块划分与设计中的两个特点紧密相关：一是设计中功能域与 物理结构域之间地对应程度影响模块划分的程度；二是产品物理结构间相互影响 程度的最小化。p a h l 和b e i t z 4 2 l 认为模块划分是完成从功能需求域到模块功能域的 映射，然后在考虑模块性能( 如尺寸、重量等) 基础上完成从模块功能域到模块 结构域的映射，即模块的划分。s u h 4 3 】从功能一设计参数映射的角度定义模块化 设计：模块化设计是一种分析结果的产生，这种结果以产品、过程和系统的形式 表现，并满足预定的需求，其方法是选择适当的设计参数( d p s ) 完成从功能需求域 ( f r ss p a c e ) 至- i j 设计参数域( d p ss p a c e ) 的映射，即【f r 】= 【a 】 d p 】，其中【a 】是设计矩 阵。e r i x o ng j 研究了面向产品全生命周期的模块划分方法，通过对各功能载体 进行聚类，从而实现产品功能模块的划分。p i m m l e rt u 和k u s i a ka 4 5 , 4 6 等人 研究了基于相关程度分析的模块划分方法。c h u n c h eh u a n g 和a n d r e wk u s i a k d 7 开发了一种针对机械、电子及机电一体化产品进行模块划分的方法。k u s i a k 等人 【4 8 1 研究了一种综合考虑产品成本和性能两项指标的模块划分方法。e g u l 4 9 1 等提出 了一种面向产品牛命周期的多目标( 易于回收性、可升级、可重复用、重构等) 的模块划分方法。吕利勇【5 0 】等人通过分析生命周期各因素对产品零部件交互的影 响，提出了一种面向生命周期的产品模块化分解方法。 2 ) 模块编码 第。章绪论 当模块化产品及模块都设计完成之后，为了使各个模块不发生混乱，需要对 设计完成的模块按功能、品种、规格以及层次等特性进行分类编码，同时对这些 编好码的模块要建立适当的管理系统。y i t o ”】等人研究了机床模块化设计的编 码，他们把机床的基型设计、结构内部的力流、成组技术等因素作为机床编码的 依据。赵阳【5 2 】研究了模块的广义编码系统，利用成组技术进行分类编码，通过模 块的设计编码进行模块的信息描述，实现计算机辅助模块化设计中各环节的信息 传递。 3 ) 模块组合 模块化产品的多样化是通过模块组合来实现的。因此，模块组合是产品模块 化设计研究的重要内容。苏联学者证明【5 3 1 ，在模块组合时，对所有可能组合的每 个方案进行简单枚举是不可行的。陈敏贤等 5 4 , 5 5 提出了基于模块编码的计算机辅 助模块组合方法。h e ，d a v i dw 5 6 , 5 7 1 研究了模块化产品的装配设计问题，也即模块 化产品的组合，针对模块化产品的特点，提出了系统组合的方法。o c j r a d y 5 8 , 5 9 研究了分布协同的网络设计环境下模块的组合方法，通过一个面向对象的模块化 产品设计环境，可以将不同地区、不同模块制造商提供的模块快速组合成满足用 户需求的模块化产品。 4 ) 接口型式 模块组合的依据是模块的接口，接口的设计与规划对模块化的实施有直接的 影响。g u ，p 等人【删对产品族中产品平台及与其连接的其它专用模块之间的接口 问题进行了研究。受到计算机总线技术的启发，文中提出了机械总线的概念，即 机械产品的产品平台和专用模块之间的专用接口，并说明了机械总线的设计过程， 开发了相应的软件执行这一过程。此外，还指出了进行结构设计时机械总线应该 具备的关键特征。 5 ) 模块化设计的发展 模块化设计与c a d 的融合产生了计算机辅助模块化设计，姜慧【6 1 】提出了计 算机辅助模块化设计的一般过程，并对辅助设计系统中相关问题进行了研究，开 发了计算机辅助机床模块化设计原型系统。文献 6 2 删在分析产品特点、研究其设 计过程的基础上提出了广义模块化设计理论和方法。文献 6 5 - 6 7 】对机械产品广义模 块化设计理论、方法进行了研究，提出了包括柔性模块、虚拟模块、虚拟柔性模 块等概念的广义模块用于产品结构设计，形成了一套较为完整的广义模块化设计 理论和方法体系。齐尔麦【6 8 】基于上述的广义模块化设计理论和方法开发了用于机 械产品快速设计的工具集，用计算机辅助进行机械产品的广义模块化设计。 天津大学博i j 学何论文 1 1 4 产品族设计 产品族设计的基本思想是开展“平台战略”，它旨在利用通用、成熟的产品 平台，通过匹配功能、色彩和性能等不同的定制模块，以最短的开发周期、最低 的成本向市场提供不同系列的产品，以满足不同顾客群的需求。通用化、模块化 和标准化是产品族设计的核心。产品族设计是模块化设计的拓展，是实现大批量 定制生产的有效保证。 面向产品族的设计方法是指结合已有客户需求的预测分析，根据产品拟采用 的定制方法提取变型参数，同时设计一族产品的设计方法。其目标是提供可变型 的产品模型，为针对单个客户需求进行产品配置和快速设计提供基础。 1 ) 客户需求模型的建立 满足客户多样化、及时化的需求是产品族设计的起点和归宿，首先根据市场 调研等渠道了解、掌握客户的需求，建立客户需求模型。文献【6 9 】从小型农业作业 机的市场需求出发，建立了大批量定制生产下产品的客户需求模型，为产品族规 划、功能模块化以及产品快速设计中及时响应客户群体需求倾向技术奠定了基础。 j i a n x i nj i a o 等人【7 0 】系统地探讨了大规模定制生产模式下产品的组织、客户需求模 型的建立等内容。朱斌等【7 1 , 7 2 人从产品设计过程中的需求建模、功能原理建模和 结构设计建模三个方面阐述了产品族设计建模方法，并对顾客需求的表示与聚类 分析等进行了探讨。文献【1 7 3 】研究了产品族模型的组成和表达方法，提出了准确理 解客户需求等关键技术，建立了一个适合于产品族建模的信息环境。 2 ) 产品族构建方法 模块化设计是产品族设计的基础，在模块化设计中，产品及模块系列的规划 也是重要内容，如文献 4 6 1 中根据模块化产品在系列产品中所覆盖的形式和程度， 把模块化产品规划为横系列模块化、纵系列模块化，跨系列模块化和全系列模块 化四类。文献【6 l 】在上述研究的基础上，根据产品的结构变型和规格变化可以将一 组产品构造为一个产品矩阵，矩阵中每行的第一个元素称为基型产品，第一列称 为基型产品系列。并以基型产品为研究对象派生功能模块矩阵，再把功能模块映 射为结构模块矩阵，这些结构模块可以组合成不同的模块化产品。该方法从宏观 上进一步分析了模块化产品设计的横系列、纵系列及跨系列模块化之间的关系， 并对其深层作用机理的作了深入的分析，提出一套基于矩阵的产品及模块系列的 规划方法。u l r i c hk t t 7 4 】等学者研究了模块化产品系列规划和设计方法在产品品 种、部件标准化、产品性能及产品开发管理方面的影响。基于产品平台的产品族 规划不同于模块规划，j o n a t h a nr m a i e r 【7 5 】等人指出，面向产品族的产品平台规划 第一幸绪论 策略可以分为两种类型，即自顶向下法和自底向上法，并重点对自顶向下法的规 划过程进行了研究。自顶向下法是针对新产品开发的规划方法，它从分析市场 客户的需求数据入手，在此基础之上确定产品的功能、特性，再把这些产品的功 能、特性转化为用共用产品平台和不同功能模块来表达的框架结构。自底向上的 产品族规划方法是对已有产品进行重新规划、重新设计和组合的方法，通过对已 经存在的几种相似的产品进行分析，在此基础上规划出几种产品共用的产品平台 及不同的专用模块。王爱民r 7 6 】等人采用这种方法对几种产品的相似性和零部件的 可替换性等特点进行分析，从功能和结构两个层次进行界面关联并构建量化的设 计结构矩阵，然后进行信息处理和部件的敏感性分析。通过部件之间关联信息量 及其比例的分析，规划了部件的开发顺序，从任务聚合的角度实现部件聚合，综 合考虑两种层次的界面关联分析，在实现模块化的基础上确定了核心平台。g a b r i e l d o b r e s c u 等人【77 】采用自底向上的方法通过数学规划把几个相似产品设计成为一 个共用的产品平台与多个通用模块构成的集合。 此外，s r i d h a rk o t a 7 8 1 等人发现，对于一个产品族而言，随着新功能或新技术 的不断加入，如果不及时的对产品族进行检查将使产品族越来越庞大和复杂，因 此：需要不断的剔除那些在整个产品族中已经无价值的变型部件。他们分析了使 产品族复杂化的因素，并提出了一种定量的衡量产品族规模的指标一产品共用指 数( e c i ) ，该指数表示产品族中部件共用的程度。 z a m i r o w s k ie j1 7 9 等人讨论了基于用户需求的产品族的整体规划及其构架的 确定，在此基础上，g o n z a l e z - z u g a s t ij p 8 0 】等人又提出了实时选择与随机选择的方 法用于在众多的产品族设计方案中选择最优解。k u o m i nc h e ni s l 等人对模块化产 品构建、功能模块、产品内外部影响因素、产品平台和产品族等方面进行了研究， 并以机床工业为例进行了产品革新策略的探讨。y u v a ls e r e d