（机械工程专业论文）基于模块化技术的气密检测设备产品族可适应设计平台构建.pdf

摘要 用于汽车缸体、缸盖、变速箱壳体等零件及总成的气密检测设备，属非标专 机单台( 套) 定制生产，如何快速响应客户需求、降低生产成本、提高产品质量 已成为亟待解决问题。本文将可适应设计的思想引入到机电产品的设计中，研究 了一般的可适应设计理论和方法在气密检测设备设计中的具体应用，以达到产品 开发中企业的目标。通过规划产品族、型谱系列，建立全参数化和数字化模型， 在p d m 平台上搭建可适应设计平台，实现需求转化、产品设计、分析、仿真、 制造等无缝集成，使设备结构优化，性能稳定，变型快速。实现单机生产方式到 大规模定制生产方式的转化，从而增强企业核心竞争能力。本文的主要研究内容 包括： 系统阐述了可适应设计和可适应产品平台的概念，研究了可适应设计的一般 过程，在此基础上，详细地研究了气密性检测设备的可适应设计过程。 归纳产品需求信息，对气密性检测设备进行了产品族规划，建立了功能结构 图，进行了模块划分和模型创建与管理。在此基础上研究了基于模块矩阵的气密 性检测设备模型系列化扩展的方法。针对基于模块化可适应设计方法，建立了气 密性检测设备的柔性编码系统，简化了模块的信息管理。 详细介绍了有限元分析的概念和过程，基于s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 对气密性 检测设备的关键部件进行了有限元分析，验证了设备的性能。 研究了基于c a d c a e p d m 的可适应设计平台实现技术。分析了可适应设 计系统的特点、流程框架和开发框架，针对系统软件开发中的关键技术进行了深 入的研究并提出了实现方案。对于系统开发中信息检索这个关键问题，提出了基 于自适应熵权的灰色关联检索算法。 关键词：可适应设计模块化设计气密检测设备产品平台c a d c a e p d m a b s t r a c t t h ea i rt i g h t n e s sd e t e c t i o ne q u i p m e n tj sn o n s t a n d a r ds p e c i a lm a c h i n ea n de a c h o n ei sc u s t o m i z e d h o wt or e s p o n dq u i c k l yt oc u s t o m e rd e m a n d ，r e d u c ep r o d u c t i o n c o s t sa n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t yh a sb e c o m eau r g e n tp r o b l e m i nt h i sp a p e r ，t h e i d e ao fa d a p t a b l ed e s i g n ( a d ) i si n t r o d u c e dt ot h ed e s i g no fe l e c t r o m e c h a n i c a l p r o d u c t ，t h eg e n e r a la dm e t h o di sa p p l i e di nt h ed e s i g no fa i rt i g h t n e s sd e t e c t i o n e q u i p m e n tt om e e tt h ed e m a n do fe n t e r p r i s e s b ym e a n so fp l a n n i n gp r o d u c tf a m i l y a n dt y p es e t s ，e s t a b l i s h i n gf u l l yp a r a m e t r i ca n dd i g i t a lm o d e l ，b u i l d i n ga dp l a t f o r m b a s e do nt h ep d m p l a t f o r mt or e a l i z et h et r a n s f o r m a t i o no fd e m a n da n dt h es e a m l e s s i n t e g r a t i o no fp r o d u c td e s i g n ，a n a l y s i ss i m u l a t i o na n dm a n u f a c t u r i n g t h e nm a k et h e e q u i p m e n t s t r u c t u r eo p t i m i z e d ，p e r f o r m a n c es t a b l ea n dv a r i a n tq u i c k l y a n dt r a n s f o r m t h em o d eo fp r o d u c t i o nf r o ms i n g l ec u s t o m i z a t i o nt om a s sc u s t o m i z a t i o n s ot h ec o r e c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s ei se n h a n c e d t h em a i na s p e c t sa r ea sf o l l o w s ： s y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b et h ei d e ao f t h ea d a p t a b l ed e s i g na n da d a p t a b l ep r o d u c t p l a t f o r m ，r e s e a r c ht h eg e n e r a lp r o c e s so fa d o nt h i sb a s i s ，a d e t a i l e ds t u d yo nt h e a d p r o c e s so fa i rt i g h t n e s sd e t e c t i o ne q u i p m e n ti sd o n e s u m m a r i z et h ei n f o r m a t i o no ft h ep r o d u c td e m a n da n dp l a nt h ep r o d u c tf a m i l y o ft h ea i rt i g h t n e s sd e t e c t i o ne q u i p m e n t e s t a b l i s ht h ef u n c t i o ns t r u c t u r ec h a r ta n d t h e nd i v i d et h ee q u i p m e n ti n t om o d u l e s c r e a t et h em o d e lo fm o d u l e sa n dd e s c r i b e t h em a n a g e m e n tm e t h o do ft h em o d e l o nt h i sb a s i s ，r e s e a r c ht h em o d e ls e r i e s e x p a n s i o nm e t h o do ft h ea i rt i g h t n e s sd e t e c t i o ne q u i p m e n to nt h eb a s eo fm o d u l e m a t r i x a c c o r d i n gt om o d u l a rt e c h n o l o g yb a s e da d a p t a b l ed e s i g n ，e s t a b l i s haf l e x i b l e c o d i n gs y s t e m ，a n ds i m p l i f yt h em a n a g e m e n to fm o d u l ei n f o r m a t i o n i n t r o d u c et h ec o n c e p ta n dt h ep r o c e s so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) i nd e t a i l a n a l y si st h ek e yc o m p o n e n to ft h ea i rt i g h t n e s sd e t e c t i o ne q u i p m e n tb ym e a n so f f e ab a s e do nt h es o l i d w o r k ss i m u l a t i o n t h e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee q u i p m e n ti s v e r i f i e d t h ea dp l a t f o r mr e a l i z e dt e c h n o l o g yb a s e do nc a d c a e p d mi sr e s e a r c h e d f i r s t l y i n t r o d u c et h eo v e r a l lc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o c e s ss t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n t f r a m e w o r k t h e nd ot h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es o f t w a r e d e v e l o p m e n ta n dp r o p o s et h ei m p l e m e n t a t i o n s s e l f - a d a p t i v ee n t r o p yw e i g h tg r e y c o r r e l a t i o na l g o r i t h mi su s e df o ri n f o r m a t i o nr e t r i e v a lw h i c hi sak e yp o i n ti nt h e 1 d e v e l o p m e n to f s o f t w a r es y s t e m k e y w o r d s ：a d a p t a b l ed e s i g n ，m o d u l ed e s i g n ，a i rt i g h t n e s sd e t e c t i o ne q u i p m e n t ， p r o d u c tp l a t f o r m p d m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 气密性检测设备研究现状 1 1 1 气密性检测设备的意义 伴随着我国经济的迅猛发展和城镇化战略的逐渐实施，整个社会对电器、车 辆以及油燃气等行业的产品需求日益扩大。在这些相关的产业已经变成为我国经 济快速发展的支柱的同时，针对这些产业的相关产品进行质量和安全性能检验也 显得日益重要，而产品的气密性检测是确保质量以及性能的一种重要手段。气密 性检测设备已经成为质量技术监督局在对生产企业进行生产资质认证时必备的 设备之一。以汽车工业为例，2 0 1 0 年我国生产各种汽车总共1 8 2 6 4 7 万辆，然而 汽车中的一些关键的零部件，例如气缸体、各种阀门、变速箱体等，在出厂前， 每一种零部件都必须进行严格的气密性检验，以生产出高质量的产品和保证工作 过程的可靠性。 1 1 2 气密性检测设备的发展现状 气密性检测也称为泄露检测，因此气密性检测设备也称为测漏设备，属于性 能指标范畴，主要用来检测密闭容器的气密性状态。 湿式检测法是一种在过去经常被采用的检测方法，一般包括u 管法和水没 法( 即“水检”法) 等。虽然“水检”法不要求操作者具备较高的技术水平，而 且不需要装备特殊的设备，但是受到操作者的主观因素的影响很容易导致误判， 且浸水过后的被测件还需要进行处理，从而增加了操作者的工作强度和检测所需 的费用。一些科学技术先进的国家为了克服该方法的弊端，从七十年代中后期就 开始研究能替代“水检”法的新工艺和新装备。到九十年代初，干式检测法逐步 成熟并替代了原来的湿式检测法 2 。干式检测法通常使用空气作为测量介质，但 在有些情况下也会使用其他气体，比如使用还是作为介质的氦气检测法。氦气测 漏方法具有很高的精度，这种方法非常适合对气密性要求很高的工件。然而这种 检测方法除了设备投入大外，检测运行的费用也很高，所以工业上氦气检测法已 经极少使用。干式检测法不仅二卜净无污染，而且简便易行，极大的方便了实际的 生产生活，因此得到了j 一泛使用；干式检测法的原理是，气体的泄露将引起工件 内部气体的质量变少，这样必然导致工件的内部气体一些参数产生变化，依据这 第一章绪论 些参数的变化从而推断出气体的泄漏量。 检测技术的提高极大的促进了产品品质的提高，不仅使测量的效率得到了提 高，而且节约了大量人力资源和物力资源，在确保产品的质量方面出现了质的飞 跃。国外有一些技术比较先进的公司，他们的检测产品综合考虑系统误差的自我 校正以及采样数据的合理性等因素，并与检测手段有机结合在一起，极大的提高 了检测的准确性。例如法国a t e q 公司的a t e q d 2 p 型检测设备，广泛地使用 了层流管式连续流量泄露检测仪，而且其设备中采用的压力传感器和压差传感器 等都带有自动补偿零点漂移的功能，从而大大保证了检测的准确性【3 j 。还有日本 的c o s m o 公司生产的l s 18 4 2 产品，该产品具有标准工件自动取样修正和标准 工件误差修正的功能，甚至还能够修正由于环境温度变化导致的检测误差。此类 气密性检测产品不仅可以测试产品合格与否，还能测量出被测工件的泄漏量。 我国的气密性检测设备大多数还比较落后。伴随着工业科技的进步，我国的 气密性检测技术也取得了很大的发展。其中天津津伦精密机械股份有限公司的产 品具有一定的优势，检测速度快，自动化程度高，非常适合企业高效的生产节拍。 合肥的智能机械研究所所研发的测漏设备也具备较强的优势，其设备把模糊检测 的方法结合人工智能信息处理的手段，使检测结果更精确。 1 1 3 气密性检测方法简介 一般采用的检测产品气密性的测量方法有以下几种：水检测量泫、直压测量 法、流量检测法、压差测量法、氦气检测法以及超声波检测法等等 4 。按照测量 手段的不同，可以将以上几种方法划分为直接检测法和间接检测法。水检测量法 和氦气检测法是通过直接检测泄漏量的大小来测量，属于直接检测法，而其他方 法则属于间接检测法。流量检测法以及压力、压差检测法是先测量相关参数，然 后通过气体流量公式来推算气体的泄露，相关参数的选择将在很大程度上影响检 测的准确性。至于超声波检测法，则通过检测被测件的物理特性定性地检测工件 的气密性。 ( 1 1 水检测量法 水检法是最主要的传统测漏方法，这种方法的操作流程一般是先将一定压力 的气体充入被测工件内，然后将被测件密封并浸入水中，通过观察气泡的产生情 况来判断泄露的大小。水检法不但可以确定工件泄露的具体位置，而且操作简单， 技术要求低。但是水检法很容易受到操作人员的主观因素的影响，同一被测件 的测量结果也会因操作员的不同而有差异。此外对于电器零部件和一些体积太 大或太小的被测件，水检法并不适用。 f 2 1 直压测量法 第一章绪论 直压测量法的检测原理是，在一个充满一定压力气体的密闭被测件内，如果 经过一段时间后被测件内部的压力产生下降，则说明被测件存在泄露，如图1 1 所示。通过测量前后气体压力变化的大小，来判定被测件是否存在泄露，而且可 以计算出工件泄漏量的大小。由于受到压力传感器的精度限制，该方法只能用于 精度要求较低的场合。操作简便、费用低以及检测快速等是其优点。 图1 1 直压检测原理图 ( 3 ) 流量检测法 流量检测法的检测原理是，向被测件充入一定压力的气体加压，然后采用微 小流量检测仪直接测量泄漏量的大小。其检测原理如图1 2 所示。 图1 2 流量检测原理图 目前主要采用的流量传感器有容积式、节流式、层流管式、动量式、涡流式、 热式、电磁式、多相流式等许多种。采用流量法进行检测时，流量的大小与喷管 的截面积成正比，所以要求很高的精度时，必然导致喷管很小。而且如果泄露很 小，空气阻力就会变得很大，检测的时间将会变得很长。因此，流量法比较适合 用在泄漏量较大的场合。 ( 4 ) 压差测量法 压差法的测试原理如图1 3 所示，向两个相同的工件内同时冲入一定压力的 气体，其中的一个是无泄漏的标准工件，如果被测工件存在泄漏，则可以通过两 个工件问的压差传感器测出标准工件和被测工件之间的压力差，从而通过相应的 推算得出泄漏量。 图1 3 压差测量法原理图 由于在这种测试方法中标准工件和被测工件具有完全相同的结构，因此检测 ： 第一章绪论 过程中的各种误差因素都可以不予考虑，如温度及气化、绝热因素等，而且压差 传感器具有很高的测量精度，从而能够准确地测量出微小泄漏。 ( 5 ) 氦气检测法 氦气检测法如图1 4 所示，其检测原理是把被测件放入密封容器中，然后向 被测件冲入一定压力的氦气，如果被测件存在泄漏，则氦气将会泄漏到密封容器 中，通过检测容器中的氦气量来判断被测件是否泄漏。因为氦气测量法具有很高 的精度，所以通常用在精度要求高的场合。而其缺点则是费用昂贵且检测消耗较 大，在检测后如果不能清理干净容器内的氦气，对下一次检测的结果会产生很大 的影响，而且任意排放的氦气会污染环境。所以，通常不使用这种方法。 图1 4 氦气检测法原理图 ( 6 ) 超声波检测法 超声波检测法如图1 5 所示。其检测原理是：首先向被测件内冲入具有一定 压力的气体，使被测件内部的压强大于其外部的压强，由于较大的内外压差的作 用，一旦被测件发生泄漏，气体会从泄孔冲出。如果泄孔具有比较小的尺寸且雷 诺数比较高时，泄漏的气体会在泄孔附近形成湍流，湍流则产生一定频率的声波， 该声波的频率是与泄孔的尺寸相关联的。因此，根据声波的频率可以间接得出被 测件的泄漏量。 净匝互，匝 图1 5 超声波检测法原理图 除去以上几种方法以外，还有使用放射性元素作为检测介质的检测方法等。 1 2 可适应设计概念和研究现状 1 2 1 可适应设计概念 适应性是主体适应客观条件和约束变化的能力；町适应性是一个主体在构造 系统中可以适应客观条件和约束变化的能力：自适应性是主体所具备的一种机能， 第一章绪论 当环境或约束条件变化时，主体能够主动适应客观条件和约束变化，从而进行正 常的活动【5 】【6 l 。比如人对寒冷的适应性，通过调节人体的机能来适应温度的变化， 是人的自适应能力，但是这种适应能力是有限的。然而通过构造的系统，例如多 穿衣服、房间中供暖等，在很大程度上人体可适应温度的变化。 可适应设计的最终目的就是使设计出的产品具有可适应性。因此在进行产 品设计时，不能只对单一产品的具体实现进行研究，同时还要考虑实现适应性 的途径，比如产品的衍生及其功能扩展等，并且考虑其从结构i 二实现的可能， 从而最终实现产品的最强生命力和企业利益最大化【7 j 。 1 2 2 可适应设计的研究现状 可适应设计是由e g u 教授最早提出的，他在文章【8 中论述了可适应设计作 为一种设计理念其目的不应仅局限在企业的成功，也应该包括对环境资源的保 护，并将可适应性定义为产品的服务和功能的延伸。文中首次提出了可适应设 计和可适应产品的概念，并指出可适应性度量、功能独立和设计过程模型函数 是可适应设计的三个核心因素。文献【9 】对产品可适应性的实现过程进行了研究， 包括可适应模块化设计、可适应平台设计以及可适应接口设计，并且对于每种 方法的每个过程做了详尽的陈述。在文章 1 0 中g u 对可适应设计的基本概念、 方法及其应用进行了系统的论述，对可适应设计与其他设计理论( 例如平台设 计、模块化设计、产品定制等) 的异同做了讨论，并列举了一些可适应设计方 法在机电产品设计中的应用。 文献 1 1 以液压机为研究对象对可适应产品平台设计的原理进行了深入研 究，定义了可适应产品平台的概念，给出了表达可适应产品层次的方式，并对 可适应产品族配置设计进行了数学描述，讨论了建构液压机参数化平台的过程。 在研究可适应设计的基础上，文献【1 2 提出了可适应动态设计并构建了其数学模 型，同时建立了定量化分析可适应设计的工具，制定了评价结构性能和优选结 构方案的准则，详细陈述了可适应动态设计的技术流程。文献【1 3 提出了面向多 域空间的可适应设计，深入研究了其基本设计理论。以组合框架式液压机为研 究对象探讨了构建可适应模块的基本原理，描述了可适应元结构和可适应模块 的概念，并探讨了可适应模块的建模过程。在文献【1 4 中p e i g e nl i 教授重点关 注了如何在可适应设计的过程中实现产品的可适应能力，即产品不仅能满足客 户的需求而且能够适应当前和以后的产品环境。文章针对产品可适应设计提出 了设计方法的架构、定量评价可适应度的方法，并制定了存工业中实旋可适应 设计的指导方针。 第一章绪论 1 3 可适应设计相关技术研究现状 1 3 1 模块化设计 模块化设计作为专业术语是在十九世纪五十年代首次提出，不同的应用领 域对于其定义也各不相同，一般认为是：对于具有不同功能的多品种产品开发， 不需要对每种产品进行单独设计，而是创建出许多模块，根据不同的要求通过 组合相应模块来构成不同产品，来解决功能、规格多样化和生产周期以及成本 之间的矛盾，这就是模块化设计【l 川。 较早的研究模块化设计的是日本的y i t o l l6 j 等人，通过分析系列化产品的 结构，在1 9 7 9 年提出了分层模块化结构的概念。研究指出，机床结构的描述具 有十分重要的作用，他们提出了利用力流和g t 码来表达机床并形成机床的结构 模式。s h i n n o 和i t o 1 5 j 采用上述结构模式来评价机床结构的相似性，并将共同度、 相似度和相同度的概念引入到了模块化设计中。 国内最早进行模块化理论研究的是贾延林和童时中两位学者，文献 17 系 统论述了模块化的基本概念、发展情况，详细讲解了模块化的基本原理和设计 方法，并且在最后为了深化对模块化设计的理解列举了各种实例，是国内比较 早的对模块化进行介绍的著作。 针对模块化设计传统方法的不足之处，徐燕申 1 8 】教授通过对传统模块化设 计深入研究，在此基础上提出了广义模块化设计的概念。广义模块化设计的出 现解决了分级特性不明显或结构不易标准化、系列化和通用化的产品难于进行 模块化设计的问题。广义模块化设计主要借助变量化和参数化技术实现了非定 型结构产品的模块化设计。 1 3 2 产品平台设计 产品平台的概念有许多种，在文献 1 9 1 中对产品平台的定义是，一组产品 共享设计和零部件的集合，通过对产品平台添加、去除或替换一个或多个模块 可以扩展出不同产品。共享同一个产品平台的产品系列就构成了产品族。产品 族中的单个产品称作产品变量。产品旗的中所有产品变量具有相似性，它们共 享相同的结构和产品技术。 在基于产品平台的设计模式中，尤其重要的是构建产品j 卜台。早期构建产 品平台的方法是由t i m o t h 3 ，w s i m p s o n ，j o n a t h a nr a m a i e r 2 0 j 等人提出的白顶向 下法和白底向上法。针对企业开发规划新产品问题，自顶向下法首先对市场和 客户的需求数据进行分析，以此为基础确定产品的应有的功能和特性，最终将 第一章绪论 这些功能和特性进行转化，使其成为能够用不同的功能模块和公共的产品平台 来表达的框架结构。基于已有产品的功能结构，文献 2 1 禾l j 用自底向上的设计方 法，划分出产品模块，并通过对模块矩阵进行分析得到模块化平台。 文献 2 2 研究了一种在设计产品方案阶段建立模块化平台的方法，遵循模块 化设计的思想，该方法按照功能对产品划分模块，利用模块来建立产。口1 平台。 利用参数可调节模块进行产品平台构建，使平台得到最大程度扩展，从而基于 产品平台实现高效快速的产品族设计。文献 2 3 通过分析产品族的多样化指标 和耦合指标，在此基础上，研究建立产品族的模块化平台。以上两种方法都是 构建模块化平台的具体实例。 文献 2 4 在研究相容决策支持问题的基础上确定公共平台及其可调因子， 采用改变构成产品族的设计变量值的方法来实现产品族创建；文献【2 5 在平台创 建中引入回归分析法，通过回归分析找出平台中的个性参数和公共参数。通过 在产品平台设计中引入聚类分析，文献 2 6 1 以构建解析模型和分析灵敏度为基 础，将性能损失作为聚类分析的衡量指标，分类候选的设计变量值，实现构建 参数化产品平台。 根据广义模块化的理论，在柔性元结构的基础上建立的广义模块化产品族 和产品平台，则是柔性模块化平台【17 | 。 1 3 3 参数化设计与性能分析 参数化设计是当今c a d 中最热门的应用技术之一，该设计方法更符合现代 c a d 的设计理念，更贴近并行设计的思想。工程师在产品设计的最初阶段迅速 草拟出零件图，然后通过修改零部件的形状、大小以及约束成为精确的图纸。当 第二次设计同一系列的产品时，可通过直接对第一次设计进行参数驱动来实现。 采用参数驱动的形式用户设计和修改更加方便，通过参数的修改就可以完成对产 品的设计及优化。总之，参数化设计不仅使设计质量得到了改善，而且极大地提 高了设计效率。文献 2 8 研究了基于s o l i d w o r k s 的产品参数化设计和虚拟装配技 术，讨论了在s o l i d w o r k s 平台上进行参数化建模的方法，并以机床刀架作为研 究对象，开发了刀架的参数化设计模块和虚拟装配模块，而且以插件的形式集成 在了s o l i d w o r k s 中。 在市场经济国际化的过程中，企业间的竞争日趋激烈，为了取得竞争的优势， 企业必须生产高质量低成本的产品来迅速占领市场，企业迫切需要能够提高质量 降低成本的方法。由此而发展起来的各种有限元分析工具满足了企业的需求，并 广泛地应用于航空航天、汽车交通、机械制造、土木工程等各行各业。而且伴随 着现代力学和计算数学研究的深入以及计算机软硬件的发展，不论是在基础理论 ? 第一章绪论 还是在技术应用方面有限元分析都有了巨大的跨越。有限元方法已经变成在工程 应用中最广泛、最有效的分析方法。杨帅在文献 2 9 中针对螺旋锥齿轮铣齿机， 提出了基于有限元、实验模态混合方法并结合动响应分析的动态性能分析体系。 以有限元方法为基础，实验模态方法为验证，对机床结构动态性能进行了分析研 究，并修正了机床结构的有限元模型。结合机床动响应分析，确定了机床的性能。 1 3 4 平台编码系统 产品、模块或零部件等对象的结构和信息存储在数据库中，为了便于实现计 算机管理，应该有能够描述其特征的语言。编码就是一种能够简单明了的表达特 征信息的语言。所谓编码，就是通过各种符号来表达定的信息，这里的符号可 以是字母、汉字或者数字中的一种或者组合，由于汉字符号不方便在计算机中进 行处理，因此最常使用的还是字母和数字1 3 。 上个世纪八十年代，一位日本的学者以成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ，简称 g t ) 为基础，提出了一种编码系统，对结构比较固定且接口相对简单的机械结 构实现了信息描述。但是由于其编码长度仅为5 位，所以不但不能实现对信息的 充分描述，而且不便于计算机进行管理，从而产品无法实现计算机辅助应用p 1 | 。 基于这位日本学者的研究，国内学者增加了对接口信息的描述，对其编码进 行了扩展，实现了模块的计算机辅助组合【32 1 。但是该套编码系统没能描述功能与 结构参数，根据设计要求无法实现模块的自动选择。文献 3 3 针对这个问题，在 文献3 4 1 研究工作的基础上增加了非定长参数编码，以此来表达模块自身的性能 特征信息。 表1 1 具有代表性的成组技术编码系统 国家成组技术编码系统 东德 苏联 捷克斯洛伐克 英国 挪威 瑞典 荷兰 南斯拉夫 美国 日本 d d r w a i j e r 等 m i t r o f a n o v l i m o 等 v u o s o ，v u s t e 等 b r i s c h ，p e r a 等 t e k l a p g r m m i c l a s s l a m a c o d e s a g t k c ( - l ，一2 ) ，k k ( - l ，一2 ，一3 ) g t 是成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 的简称，该技术的原理是根据结构的形 第一章绪论 状、尺寸和工艺等特征的相似性，将不同零件按照相关的准则划分成组( 族) 3 5 1 。 根据成组技术，产品、模块或零件等对象的有关信息全部通过编码进行描述，即 利用字符并根据一套相应的规则，形成一条编码来表达有关特征。随着成组技术 的不断发展，产生了许多的编码系统，表1 1 列出了目前世界上最具有代表性的 成组技术编码系统。 以上编码系统存在一个共同之处，即注重接口的编码，强调编码在模块组合 中所起的作用，而忽视了其对于选择模块和信息管理的重要性。 1 4 课题的提出和研究内容 1 4 1 课题的提出和意义 基于模块化技术的气密检测设备产品族可适应设计平台构建的意义如下： ( 1 ) 随着工业大规模生产的进一步深化，我国对气密性检测设备的需求越来 越大。而国内开发的气密性检测产品与国外产品相比不仅品种少，而且生产成本 较高，导致在与国外产品的竞争中处于不利地位。而采用可适应设计的方法，能 够减少设计时间和成本，能够减少制造时间和成本，能够快速响应用户需求的变 化，因此提高了气密性检测设备的生产企业的竞争力。 ( 2 ) 气密性检测设备属于个性化单台定制的非标设备，与金属切削机床等通 用设备的设计生产方式大不相同，将可适应设计的理论方法应用到气密性检测设 备当中，对于可适应设计理念的研究与应用具有广泛的意义，而且对于非标设备 采用可适应设计，实现大规模定制生产具有指导意义。 ( 3 ) 可适应设计平台面向可重构、再制造，可以降低能源消耗，重用设计制 造资源，符合低碳环保、转变生产方式的科学发展观理念。 1 4 2 课题研究内容 本文针对气密性检测设备的具体特点应用了基于模块化技术的可适应设计 方法，对气密性检测设备的可适应设计原理、可适应平台的规划、结构的有限元 分析、平台的软件系统开发等进行了系统的讨论和研究。 全文的内容安排如下： 第一章：绪论：介绍本课题的研究意义和背景。首先介绍了气密性检测设备 的发展及测漏技术的研究现状，接着论述了可适应设计的基本概念，并在此基础 上对可适应设计及其相关技术( 模块化设计、平台设计、参数化设计与性能分析、 平台编码系统) 的研究现状进行了阐述，最后介绍了本课题的研究内容。 第一章绪论 第二章：气密性检测设备可适应设计的基本原理。首先论述了可适应设计的 相关概念及构成要素，相关概念包括可适应设计、可适应产品、可适应产品平台。 接着对可适应设计的一般过程进行了阐述，在此基础上，结合气密性检测设备的 特点，提出了气密性检测设备的可适应设计过程。 第三章：气密性检测设备可适应平台规划。本章主要介绍气密性检测设备可 适应平台的规划，首先阐述了气密性检测设备的需求分析方法，并在此基础上规 划了产品族型谱系列，然后对气密性检测设备进行了模块的划分和模型的创建方 法进行了研究，并提出了模型系列化扩展的方法，最后为了便于管理和企业信息 化的实施，研究了模块化可适应设计平台的柔性编码系统。 第四章：有限元分析。首先介绍了有限元分析的基本概念，然后对基于 s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 的有限元分析进行了概述，阐述了有限元分析的一般过程， 在此基础上对气密性检测设备的主机架等关键部件进行了分析，并根据分析结果 总结出了零部件参数化系列设计表。 第五章：基于c a d c a e p d m 的可适应设计平台实现技术。主要讨论了可 适应设计平台软件系统的总体框架和实现过程，首先介绍了系统的特点并阐述了 系统的流程框架和开发框架，然后研究了软件系统开发的关键技术，并给出了具 体实现方法。最后提出采用了自适应熵权灰色关联算法计算关联度，满足了可适 应设计平台快速精确检索的要求。 第六章：总结与展望。总结全文研究内容，并展望课题发展方向。 第二章气密性检测设备可适应设计的基本原理 第二章气密性检测设备可适应设计的基本原理 要建立气密性检测设备的可适应设计平台，首先必须深入地研究呵适应设计 的基本原理，通过分析可适应设计的实施过程，在此基础上，本章研究了气密性 榆测设备进行可适应设计的过程。 2 1 可适应设计相关概念与构成要素 2 1 1 可适应设计定义 为了解决经济、资源和环境不断变迁的问题，顾佩华教授率先提出了可适应 设计( 英文名称a d a p t a b l ed e s i g n ，简称a o ) 这种全新的设计理念。该设计理念从 环境和经济的角度出发，解决如何设计产品或者产品族，实现通过替换或修改零 部件以及柔性的结构变换就能适应新的需求。产品所具有的能够满足市场需求 的多样性变化的特性叫做可适应性，在进行产品设计的过程中使产品具备这种 可适应性的一系列工作就是可适应设计。可适应设计的定义是，在满足社会、 经济、资源和环境等约束的前提下，面向产品全生命周期的各个阶段，以满足 用户对产品个性化和不断变化的需求为目标，应用各种现代设计方法和技术， 快速的设计出可适应产品的综合设计方法。 随着产品越来越向多样化、个性化的方向发展，可适应设计通过将许多现代 设计方法( 其中包括公理设计、产品平台设计、参数化设计和模块化设计等) 进 行综合应用，构建出产品可适应设计平台，从而实现可适应产品的设计，并且 产品具有节约资源、性能稳定、功能可扩展的特性，能够迅速响应需求变化。可 适应设计从广义上说是指适应顾客需求的个性化；适应社会经济、资源、环境 的变化；适应全生命周期内产品与社会的协调：适应科学技术的发展。可适应 设计在技术方面的特点包括以下三条： ( 1 ) 将外界对各种产品所有方面的约束进行全面的考虑，针对每一利，约 束都有相对应的设计技术： ( 2 ) 在产品设计平台上集成多种不同的设计技术，以此约束产品使其具 有不同属性和形态； ( 3 ) 通过采用可适应设计方法，可以在同一个产品模型上迅速设计出具 第二章气密性检测设备可适应设计的基本原理 有可适应性的可适应产品。 2 1 2 可适应产品 如果某一产品具有可适应性，我们就将这样的产品称为可适应产品。可适应 产品能够适应设计要求的变化，具有定制方便和便于升级、服务等特点。 可适应产品经过变型、演化或升级形成的一系列产品就组成了可适应产品 族。可适应产品族中的每一个产品，在特定的时间域内有特定的功能、性能和 生命周期特征，以适应不同的用户需求。 可适应产品首先其本身的构造具有可适应性。产品( p ) 的可适应性是因为其 使用的环境由旧环境( e ) 变化到新环境( e ) ，其结果是需要新的产品( 尸) 来满足 新环境的要求。 可适应产品的特点是：( 1 ) 可适应产品能够满足社会经济和环境资源的约束 条件；( 2 ) 可适应产品以产品族的形式来适应市场的变化，而每个客户从产品族 中选择自己适合的产品；( 3 ) 可适应产品特征的可适应性，除去功能特征外，还 应该包括性能特征和生命周期特征。 2 1 3 可适应产品平台 可适应产品平台是参数化平台和模块化平台的有机综合形成的柔性设计平 台。可适应平台具有可适应性，其可适应性主要体现在能够适应未来需求的变 化，当面对新的需求而设计新的产品时它可以保证消耗最少的成本。可适应产品 平台是可适应产品的必然要求。在已有的产品系列的基础上开发平台不仅是为 了减少产品设计的工作量，而且将产品将来的变化也要考虑进来，包括市场变 化、环境变化、科技变化等，延长产品平台的寿命是可适应平台设计的宗旨。设 计平台具有越强的生命力，则其就具有越好的可适应性，能够缩短产品开发周期， 降低开发成本，使企业的效益得到提高，而且平台寿命越长，其效益就越明显。 基于模块化技术，产品通用模块、柔性模块以及可适应模块共同构成了可 适应产品平台，组成模块可以进行升级，具有可适应的柔性接口和确定的独立功 能，不但平台参数能够变化，而且可以扩展拓扑结构。 通常构建好产品平台以后，其结构有一个稳定期，只需更新部分组成模块 就可以对产品进行升级，便于升级和更新平台产品。我们亦可以升级或变型产 品平台，只要选择原有产品平台部分组成模块进行变型就可以实现产品平台的 变型，不需要再次从头分析产品族，因此基于模块化技术的产品平台更便于对产 品进行扩展。图2 1 表示了基于可适应产品平台的升级和变型过程。 第二章气密性检测设备可适应设计的基本原理 图2 1 基于可适应产品平台的升级和变型过程 2 1 4 可适应设计的构成要素 通过局部的修改、替换和重用来实现可适应设计是其实现方法之一。可适应 设计以扩展产品或设计的效用为目标，面向的是产品的整个生命周期。可适应设 计的构成要素包括可适应功能结构、平台设计、可适应接口设计和评价决策等四 个方面，如图2 2 所示。 图2 - 2 可适应设计构成要素 1 ) 可适应功能机构冈 通过对已有的设计进行修改或变更是实现可适应设计的常用方法，因此通过 保持零部件和模块的功能和物理结构独立，来尽可能保证零部件和模块的独市性， 使潜在的设计变更局部化。 2 ) 平台设计 1 第二章气密性检测设备可适应设计的基本原理 产品平台根据其构成要素的不同可以分成三种类型：基于功能分析的产 品平台。该产品平台偏重于功能模块的组合，在产品进行配置设计时，将不同 功能的模块进行组合以实现用户所需的功能。基于参数共享的产品平台。平 台内通过共享参数以实现产品族设计。基于实例推理的产品平台。通过搜索 实例库中符合条件的设计实例来实现产品族设计。一个甲台既可以属于某一类 型，也可以是几种类型的平台的集合。 3 ) 呵适应接口设计 接口在系统中起着传递信息、能量和物质的作用，是系统不同组成部分之间 传递功能的共享界面，产品就是模块借助接口组合形成的。针对用户的不同需求， 需要根据相应的接口组合各个相关模块形成相应的产品，因此接口在可适应设计 中是必须的而且十分重要的。 4 ) 评价决策 基于模块化技术的可适应平台设计评价决策包含模块度评价、可适应度评价、 结构设计与性能的评价等。可适应度评价是其中最重要的一种评价，产品的可适 应性越好，表明当用户对产品的需求改变时，产品在原有基础上通过修改、变型 或替换能够越快速的响应，而且设计成本越低。 2 2 可适应设计的过程 2 2 1 可适应设计的一般过程 可适应设计可以用来进行产品族的设计并产生新的产品，通常可适应设计 的一般过程分为以下6 个步骤： 1 ) 定义可适应设计的目标。对产品的职能和生命周期目标进行定义，需要 注意的是可适应设计的产品是可发展的。 2 ) 产品与系统的设计。决定目标产品的功能流，并以功能流和可适应功能 流为基础初步设计每种目标产品。 3 ) 挖掘通用性。对一个产品族结构或功能上相似的方面进行分析，找出其 在设计过程中的通用性。同时对一类产品在设计过程中能够重用的方面进行挖 掘，在设计新产品时共享可重用方面。 4 ) 通用设计。发展可以在产品中共享的通用设计。 5 ) 基于生命周期的考虑。基于生命周期目标进行部件分组。 6 ) 评价：设计的评价和可适应性的评价。 基于具有多需求、多产品特点的常规设计，利用需求的可延伸性进行可 第二章气密性检测设备可适应设计的基本原理 适应设计映射模型的构建，包括可适应设计和产品及其实现过程，见图2 3 。 图2 - 3 可适应设计模式 岂誓 基于产品各种现有的相关设计知识( 例如企业过去产品的图纸) ，通过将相 应的设计理论、设计方法、设计工具在设计过程中进行综合运用，确保可适应产 品所应具有的诸多特征，从而实现可适应设计的设计目标。而且当所设计的产品 特别复杂的时候还需要进行网上协作、异地协同等，并且科学地管理大量相关资 源和数据，从而可以进行共享重用：处在经济全球化的环境之下，必须要对全 球资源进行充分利用，从而确保设计出的产品具有最大的竞争力。实现可适应 设计的框架体系如图2 4 所示。 构造具有可适应性的产品是可适应设计的关键，从而使得给定需求在一定 范围内变化时，相应产品的结构能够在给定的约束条件下进行局部的调整。 第二章气密性检测设备可适应设计的基本原理 图2 4 可适应设计的过程和工具 2 2 2 气密性检测设备的可适应设计过程 气密性检测设备属于个性化定制的单件小批量生产的产品，将可适应设计的 理念引入到该产品的设计当中，一是有助于提高和改进气密性检测设备的设计， 能够更快速的相应市场的需求，增强市场的竞争力；二是将可适应设计的方法应 用到个性化定制的非标设备中，可以扩大可适应设计的应用范围，总结出普遍适 用的可适应设计的方法和规律。根据公理设计中可以将设计过程划分为四个过程 域的理论，将气密性检测设备的设计过程划分为需求分析、功能、结构及力和评 价四个流程。首先进行需求分析，对被测工件进行分析聚类，确定测漏设备的总 体功能要求并将功能逐步细化，产生功能流。然后依据功能要求对整体结构方 案和局部结构方案进行设计，即结构力流，最后评价总体方案、局部方案以及 参数，完成设计。图2 5 表示了四个过程域的映射过程，这个设计过程其实是一 个不断迭代的动态的过程。 1 ) 产品族规划 对产品族进行规划要依据需求分析进行。首先对被测件进行全面细致的分 析，包括分析被测件的形状、材质、规格系列、性能