（机械电子工程专业论文）与概念结构生长同步的三维公差设计研究与开发.pdf

摘要。 当前的公差设计研究大多集中于详细设计阶段，对于设计前期的公差研究较 少，也少有涉及三维公差。本文以国家自然科学基金项目“产品概念结构与公差 同步综合进化设计理论与应用研究”( 项目号；5 0 4 7 5 1 2 9 ) 为依托展开研究。按照 自顶向下、分解重构的设计思想，在生长型概念结构设计的基础上，将三维公差 设计研究提前到概念设计阶段，开发了与概念结构生长同步的三维公差设计系统， 并用实例验证了其正确性和可行性。设计前期的三维公差设计技术可以及时发现 设计中的公差问题，减少设计修改并缩短设计周期，从而极大地降低产品成本。 论文主要研究内容如下： 第一章：在综述国内外计算机辅助公差设计与机械产品概念结构设计的基础 上，提出了公差设计及概念结构设计中亟待解决的问题，说明了在设计前期研究 三维公差设计问题的必要性，并介绍了本文的主要研究内容和结构安排。 第二章：根据产品概念设计与生物生长的相似性，在分解重构理论、功能表 面、广义定位原理这些基础理论支持下，将公差设计与概念结构生长型设计相结 合，提出了与概念结构生长同步的三维公差设计理论，建立了功能结构公差集成 模型，给出了与概念结构生长同步的公差设计总体框架。 第三章：建立了产品四层三维公差表示模型，进行了产品名义结构的约束分 析，并引入了旋量理论，给出了各种公差类型与旋量之间的对应关系。给出了与 概念结构生长同步的三维公差单步设计过程，及其全局优化框架。 第四章：首次提出了功能定位模式的标准化概念，结合标准化模式给出了公 差类型自动生成的规则。完成了三维公差链的自动搜索，采用了运动学模型进行 三维公差取值的分配计算。 第五章：在现有软件d a r f a d 基础上，开发了与概念结构生长同步的三维公 差设计系统，并以活塞夹具设计过程中定位圆盘和定位销的设计为例，验证了本 文理论研究与技术实施的正确性和有效性。 结论与展望：对本文的研究内容进行总结，对需要进一步解决的问题和以后 应开展的工作进行了探讨和展望。 关键词三维公差设计；生长型设计；概念结构设计；分解重构；功能表面； 本文得到国家自然科学基金资助( 5 0 4 7 5 1 2 9 ) a b s t r a c t t h e 叫r r t s e 砌o nt o l e m d e s i g nm o s t l y 恤治曲舭s t h ed e t a i l e d d 髂i g ns t a g e t h e i sv e r ) rl i t t l e 聆s e a r c ht l l a tf o c u s 船o nt l l ea l ，p l i c a ：t i i n t 0m e 酬i e r p e r i o do f 也ed e s i 朗锄dm e3 dt o l e 斌1 c ed c s i 班t h ec o 糟o f t l l i sp a p e ri sl h es t l l d y n a t i 伽i a ln a n 鹏s c i e n c ef u n dp r o j c c to 妯：5 0 4 7 5 1 2 9 ) ，彻m c d s t i l d y w o g t h e o r ya n dt e c l l i m l o g yo fs ) 恤c h r o 璐咖e t i ct o l 盯黜i 1 1 9j np i d d u c tc o n c e p 帅a l d 鼯i g n a c c o r d i l l g t ot h e p r i n c i p l 韶 o f t o p - d o w n 托dd e c o m p o s i t i o n 舭d 黜n s t i 州，t l l e3 dt o l e r 弛c ed c s i 髓a ms t l l d i c di nt l l ec o 眦e p n l a l s 咖c n md 懿i 朗 s t a g eb 船e d g r 州hd e s i 班m e l o d o l o g yo fc c c p t i l a ls 咖c n 鹏d e v e l o p m e n tt l i e s y n c h r o 嘴s y s t 锄f o rt l l e3 dt o l c r a n c ed e s i 弘锄d 咖c n 玳i l lc o n c 印td 髓i 印p r o c c s s 锄dp r o v e db y 麟锄p i 嚣t h e3 dt o l e 啪d 船i 印i nc c 印t i l a l s 仃u c n md 髓i 驴s t a g e c 孤i d 锄t i 母t h ep i o d i l c tp b l 锄，1 e s s e nm ed e s i g nr e w o 出，s h o n m ed 髓i g np 廿i o d 狮dr t ，d u c e t l ”c o s t t h em a i l lc o n t c n to f t l l i sp a p 盯i sm 础e d 私b e l o w ： mt h e 丘璐tc h a p t e r t h ec l l l 砌l t 他s e a r c hs i t l l a t i o no fp l 崩婀l td 伽e s 石c 趾do v e r 勰 c o m p 咖a i d e dt o l 叫i n g 锄dc 蛐c c p t l l a ld 髓i 驴i s 锄n m a r i z c d b a s e d l o ，t l 塘 k e yt e c h l l i q u e s 锄dd e v e l 叩m c n t 伽sa p p o s c d t h en c c e s s 盯yo f3 dt o l 盯a i l c e d e s i g n i i l t h ee a r l y d 鼯i g ns t a g e i s t o 戗p l a i n 锄d t h e 他s e a r c hg o a l 勰d t h e p a p 盯e i sp u tf o m a r db a s e d t h ec o n t l 斌m 胁t i c da b o v e bt h es e c dc h a p t t h eb 私i so f t l l ec o m p 盯a b i h t yb e 押e 吼c o 批印t i l a ld e s i 驴 o fp r o d u c t枷b i o l o g y 乎o w t l l ，r 豁e 眦h c dt l l r b 勰a lt h r i e s ：t h 哆o f d c c _ 咂l p o s i t i 锄d 黜；c o n 8 t i t i l t i o n r ) ，f u n c t i f a c e 姐dg 锄e r a l i z e dl o c a t i o n p r i l l c i p l e t i l i sp 印盯a l c 0 曲b i i l o dt l l et o l e r a n c ed e s i g nw i l ht h ec o n c 印t i l a l - s 咖c t i l r e g r o w i n gd e s i g na n dp u tf o n 棚t h et k 幻巧o f s y n c h 砌。璐3 dt o l e f a n c cd e s i g ni nt h e c o n c 印t i l a l s 蜘l c t i i 刚i n gp r o c e s s i i 唱 b u i nt h e i n t e g r a t i o n m o d e io f 劬c t i o n - 曲m 姗- t o l 盯a n c ea n dg i v eag e m i 鼬eo fs y n c h r o u s3 dt 0 1 锄c e d c s i 弘i l lt l l ec c 印t l l a l - g 咖c t l 】r c 掣州n gp 玎o c e s s t h et l l i r dc i l a p t 盯c o n s m l c t e dt l l ef o l l r - l l i e r a r c h yt o l 锄n c e 托p 他s 豇i 切t i m o d e l 山东大学硕士学位论文 锄da i l a l y s i s 也ec o n s n 面n ti i lt h ep f o d u c tn o m i n a lc o n s 咖c t t 1 l i sp 印e ra 1 i 1 1 仃o d u c c d t h cs c r e w 觚d s e a r c h e dt h ec o r r c s p d i i l g 他l a t i o 璐o ft o l e 啪c et y p e s 粕dt h e r e w a tl a s t ，t l l es i i l 酉es t 印o f3 dt o l e r a n c ed c s i 弘锄dt h eo v e m i l 叩t i m i z a t i o n 劬m ea mp u t f o r l a r d h it l l e 如“hc h a p t t h ec o n c 印to f t h es t a l l 捌f i l l l c t i l o c a t i o nm o d e li s 觚 p r c s 即t 。d 锄dp u t 姗砌t h em l e so ft l l e t o l e r a n c et y p 嚣a u t o m a t i cg e n 唧t i s e a r c h 髂t h et h r e ed i m e n s i o nd l a i 】啮a u t o m a t i c a l l y 卸dt a k e sm ed i s 仃i b 砸o n 锄d c a l c u l a t i o nb yt h el 【i n 锄a t i c sm o d e l h lm ef i f i hc h a p t m eb 勰i so f m c 耐西l l a ld e s i 髓s y s t c md a i 如r c s e a “i h t l l es y s 咖li i n p l 锄c n t 鼬a l 堍m ev a l i d i t yo fm cm 劬o d 0 1 0 9 yi si l l u s 僦e db ym c d c s i 印o f l o c a t i d i s ki l it l 堵p i s t o nc l 锄p a t1 a s t ，a no f l h ew o i ki nn l i sd i s s 盯嘲蛐i s 鲫瑚m e du p ，a n d 也e 如觚er 锚e 缸c h 嚣 a r ep m s p c c t e d 1 ( e y w o r d s3 dt o i e r a n c ed e s i 驴；g r o w i n gd e s i g ；c o n c e p 佃a i 。s 加i c t l i nd 岱i g ； d e c o m p o s i t i o 粕dr e c o n s 铀l t i o np r ) ；f u n c t i o n a ls u 嘲c e ； 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盈：照日 期：丑：苎：兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：五醯导师签名：垂蔓鱼日期：竺丑：! ：兰 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 公差设计是产品设计中不可缺少的一环，它不仅直接制约着产品的质量，同 时对制造成本也起着决定性的作用。因此，全面合理的公差设计是保证优良产品 质量的关键所在。目前，计算机辅助公差设计还未能与a m ，c a m 集成、与c 讧s 的发展也还有一定的距离，工程中的公差设计基本上还是依靠设计人员的经验或 图表，采用类比的方法进行人工或半人工设计。而随着现代高新技术的发展和产 品复杂程度的增加，装配精度和可靠性的问题已越来越突出。尤其是随着航天、 航空等复杂产品的小型化、轻量化、精密化和光、机、电一体化方向的发展，装 配精度要求越来越高，装调的难度也越来越大，甚至会发生因为精度设计的不合 理而导致根本无法安装的问题。因此，利用计算机进行机械产品的尺寸和公差设 计已成为当前国际国内学术界研究的热门技术之一，受到越来越广泛的重视。但 是现在计算机辅助公差设计的研究多数集中于详细设计阶段，即在完成产品的结 构详细设计之后，基于具体的结构参数值进行公差设计。这种设计方式多依赖于 经验，可能会出现为满足精度要求而对前期的设计改动较大，更甚于全部放弃前 期设计的情况。这样产品设计周期就会被无限延长，增加了产品的生产成本。 概念设计在全面考虑各种设计约束的前提下，以设计目标为输入，以产品概 念设计方案为输出。在产品的全生命周期中，5 0 的产品特征( 包括产品的性能、 可制造性和生产成本等) 由概念设计阶段决纠1 1 。由概念设计开始，然后经过参数 化设计和详细设计阶段，形成一种渐进的设计过程，称为自顶向下( 1 叩d o w l l ) 设 计。自顶向下( t o p d o w n ) 的设计可以保证对产品及其相关过程进行集成、并行 地设计，要求开发人员在设计一开始就考虑由产品概念产生直至消亡的整个生命 周期里所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现，以 缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质量。 本文在产品概念结构设计自动化技术基础上，通过研究产品设计过程及其公 差设计过程，探索公差设计的一般规律，不断细化公差设计过程，从设计的源头 1 山东大学硕十学位论文 开始考虑公差因素，并把公差因素作为产品设计的推动因素，启发式引导产品创 成过程，对产品方案进行评价和优化。深化产品创新开发系统的研制工作作为推 进企业产品开发技术的有力工具，具有较强的科学意义和经济、社会价值，对创 新理论与技术、制造业信息化技术，具有基础性的影响和推动作用，从而促进理 论与技术的发展。 1 2 计算机辅助公差设计概述 1 2 1 引言 公差信息作为机械产品模型中的一部分，公差的表示、分析和分配必须依赖 于具体的产品生产、制造环境，因此计算机辅助公差设计( c o m p u t e r 加d e d t o l e r a n c e ，c a t ) 是基于某一个产品建模系统的。c a t 系统的体系结构如图1 1 所示， c a d 系统位于产品建模系统之内，其公差表示模块通过造型接口与产品实体建模 系统相连，用户通过用户接口进行公差建模、公差分析和分配工作，生成的模型 数据、设计结果与产品原有的数据统一存储在产品数据库中。其中，公差表示位 于公差分析和公差分配的底层，是c a t 系统工作的基础。而公差设计( 包括公差 分析和公差分配) 需同时考虑产品周期中的多种要求，如制造、工艺、质量、成 本和装配等，采用设计公差与工序公差并行或串行设计模式，其结果通过表示模 型表达。 2 图1 1c a r 系统框图 山东大学硕士学位论文 1 2 2 计算机辅助公差设计的发展历史 l 、计算机辅助公差设计理论的提出 1 9 7 8 年，英国剑桥大学的h i l l a r d 【2 】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，他建议用数学方程式来描述零件的几何形状，并以 此来进行零件的尺寸和公差设计。同年，丹麦的b j o r k e 教授【3 】发表专著计算机辅 助公差设计，提出利用计算机化的尺寸链进行设计和制造公差的控制( 该书的 第二版于1 9 8 9 年由a s m 巳出版【3 】) 。两人的工作为计算机辅助公差设计打下了基础， 这是计算机辅助公差设计史上的第一个里程碑。 2 、计算机辅助公差设计理论的形成 1 9 8 3 年，r 棚u i c “4 坡表几何公差理论基础一文，提出漂移公差带理论， 奠定了计算机辅助公差设计的理论基础。w e i l l 【5 】1 9 8 8 年在国际生产工程协会年会 发表了论文t o l 黝c i n g 矗) rf 岫c t i 。这一时期的研究工作已经涉及到公差设 计的各个领域，形成比较系统的理论，这些工作构成了计算机辅助公差设计发展； 史上的第二个里程碑 3 、计算机辅助公差设计的发展 w c i l l 教授的研究在计算机辅助公差设计研究领域掀起了一片热潮，对于计算 机辅助公差设计的研究进入了繁荣的发展时期。1 9 8 9 年国际生产工程协会c 强在 以色列的海法召开首届计算机辅助公差设计专题学术国际会议。并规定每隔一年 召开一次。c 琢p 国际公差会议基本上代表了计算机辅助公差设计研究的最新方向。 同时新的设计理论，如“矢量公差设计”、“并行公差设计”、“r n i s 理论”、 “动态公差设计”等也不断涌现。 美国机械工程师协会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 ) 嘲。 1 9 9 6 年国际标准化组织( i s o ) 决定将原来独立的i s 0 厂r c 3 ( 极限与配合、尺寸公 差及相关检验) 、t c l o s c 5 ( 几何公差与相关检验) 和t 5 7 ( 表面纹理与相关检 验) 三个技术委员会合并，成立了新的技术委员会i s o 厂r c 2 1 3 【刀( 产品尺寸和几何 规范及认证技术委员会) ，着手全面修订i s o 公差标准体系，研究和建立一个基于 信息技术，适应c a d ，c 舢讧的技术要求，保证预定几何精度为目标的标准体系，即 g p s 标准体系。 3 山东大学硕+ 学位论文 1 2 3 计算机辅助公差设计的研究现状 l 、国外学者的研究情况 以c 1 锄e n t 、b o u r d e t 等为代表的法国公差研究团队从8 0 年代起就一直致力于公 差理论研究和软件的开发，并在c 口中发表了大量学术论文【8 _ 1 们。他们形成了以 c l 锄e n t 的珊s 理论为核心的法国计算机辅助公差设计研究流派。 美国的b r i g l l a m y o u n g 大学的c h 私e 教授极其领导的a d c a t s 协会( a s s o c i a l i o n f o rt l l ed e v e l o p m e mo f c o l i l p u t 盱加d e dt o l e 瑚c i n gs y s t c m ) 对二维和三维公差分析 的理论研究和软件开发取得了丰富的成剁1 1 】【1 2 】。该协会一直致力于基于c a d 系统 的公差分析软件的开发，成绩显著。 荷兰t w e m e 大学的s a l 鲫o m 等将研究重点放在实用化c a t 软件的研究上，其 f i 的0 m 系统旨在实现c 雠a p p 集成环境的公差表示和分析，其实质是1 限s 理论 的实用化【”】。 加拿大w i l l d o r 大学的e 1 m 嬲西l y 教授【1 4 】领导的研究团队主要从事形位公差设 计、检测等领域的研究。南洋理工大学的n g o i 教授【1 5 1 一直从事于c a p p 系统中自动 公差图技术以及工序公差的最优分配的研究。 2 、国内学者的研究情况 国内研究主要集中在高等院校，计算机辅助公差设计技术的进展与国外研究 情况相比还存在较大的差距。但近几年来，在计算机辅助公差表示与设计方面有 多个单位相继开展大量研究工作，取得了较大进展。 浙江大学的吴昭同教授、杨将新教授【幡1 研及其团队自1 9 9 3 年起连续获得“计 算机辅助公差设计”、“设计和制造公差并行优化设计的研究”、“综合公差计 算机辅助设计系统的研究”三个国际自然科学基金资助，出版了国内第一本计算 机辅助公差设计专著计算机辅助公差优化设计，并发表了大量的博士论文和 学术论文【1 蛇2 1 。 重庆大学张根保教授进行了公差并行设计、分形公差理论等方面的研究1 2 卦。 华中科技大学的李柱教授和徐振高教授等很早就从事互换性与测量技术研究， 在统计公差及其误差评定等领域进行的研究成果显著2 帕们。 哈尔滨工业大学的马玉林教授2 7 】和北京理工大学的宁汝新教授2 ”9 1 等都对公 4 山东大学硕士学位论文 差问题从不同的角度进行了深入的研究。 3 、现有的计算机辅助公差设计系统 以往的公差设计常独立于c a d 系统之外，这样往往造成用户对公差信息的重 复输入。因此，主流c a d 软件厂商纷纷致力于公差设计与c j 系统集成的商用软 件的开发。这样使结构设计与公差设计同步进行，极大的方便了用户的使用。 现有的计算机辅助公差设计系统按其开发原理可以分为两种模式：其一，整 个系统从底层开发，直接与c a d 系统在底层紧密集成，这类系统中，公差完全集 成于c a d 系统，无需考虑另建数据库管理公差信息；其二，外挂于已有的c a d 系 统，这类系统可以利用已有的c a d 系统，从中提取必要的几何信息和约束条件等 需要的信息，进而生成尺寸链等进行公差分析与设计。 目前主流的公差设计软件有c a 加魄3 df d t 、c e t o l6s i x g n l a e m t o h m 舱、 v s a g d t 和v s a 3 d 、3 d c s 3 d 删。上述各软件的功能对比如表1 1 所示 表1 1 商业软件的功能对比图 c a t l 3 dc e t o le 剐【_ 1 b l m a 协v s | a r3 d c f d t 6 s j g 瑚 g d t ，3 ds 3 d 公差定义 公差类型定义 m mmmm 公差值定义mmmmm 基准指定 m mmmm 公差检验 + + 公差分析 极值法 + 统计法 + 敏感性分析 + 与检测系统联系情况 生成检测程序 + 记录测试结果 + 表中m 代表：人为指定，a 代表：自动生成，+ 代表：具有此功能，代表：没有此 功能。 5 山东大学硕士学位论文 1 2 4 计算机辅助公差设计中有待解决的问题 综合以上分析，可以看到计算机辅助公差设计的研究已经取得了较大的进展。 但仍存在以下几方面的问题： ( 1 ) 计算机辅助公差设计与三维c a d 系统还不能很好的集成。现有的公差优 化集中于数学优化方面，对于利用c a d 系统中的信息实现公差设计的自动化研究 不多。现有公差设计软件的实用性还有待于进一步加强。 ( 2 ) 计算机辅助三维公差设计的研究有所欠缺。目前的公差研究大多还是集 中于二维尺寸公差方面，对于尺寸链公差分配技术研究取得较大进展。但是对于 三维c a d 系统中尺寸公差与形位公差的综合设计及其相互影响研究较少。 ( 3 ) 现有的公差设计多是详细阶段进行的公差设计，即现有的公差设计方法 都需要详细的几何结构，是在结构设计完成之后再设计精度设计，这样公差与结 构设计是完全分离的，研究内容也仅限于在详细设计阶段预测装配误差或公差分 配方法的研究。如果精度设计中出现问题，往往需要反馈到结构设计阶段进行反 复设计。这种设计过程不能保证设计的最优化，很难保证一次设计成功率。 1 3 产品概念设计概述 1 3 1 概述 p a l l l 和b e 沱1 【3 l 】1 9 8 4 年在e n 百n e 嘶n gd e s i 印一书中指出，概念设计是指“在 明确任务之后，经过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合，确 定出基本的求解路径，得出求解方案的设计工作”。 概念设计是产品设计中创造性设计的思维阶段，在这一过程中，设计师将构 思快速转化为草图。概念设计位于详细设计之前，对整个产品开发、市场拓展及 企业经营目标的实现起着至关重要的作用。概念设计一旦确定，产品设计的 6 0 7 0 也就基本完成【3 2 1 ，而且详细设计阶段很难纠正概念设计产品的缺陷。在 概念设计期间，所涉及的设计需求和条件等，往往是不精确的、近似的或未知的， 造成概念设计过程的复杂和困斛3 ”。 6 山东大学硕士学位论文 从概念设计包含的内容来看，广义上的概念设计是从产品的需求分析到进行 详细设计之前的设计过程，包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初 步的结构设计。从概念设计的本质来看，概念设计是人性化的设计，是用户全， 程参与概念设计、设计师超越用户导向的产品创新设计。从概念设计流程来看， 概念设计不仅与需求分析、详细设计紧密相连，其内部的各个环节也相互依赖， 互为驱动，因而概念设计是一个相当复杂的过程。 1 3 2 产品概念设计的研究现状及问题 概念设计的本质在于设计的人性化和创新性，概念设计方法学的研究也要体 现这两个本质特性。近来涌现的诸如绿色设计【3 5 1 、定制设计、敏捷设计、并行设 计【3 6 】、全生命周期设计、创新设计等方法，其本质目的也在于透过设计营造一个 人性化的环境，满足人们个性化和多样化的需求。在概念设计创新技法方面，国丸 外学者先后提出了发明创造的科学方法1 r i z 【3 7 3 9 】、基于系统综合方法的产品创造。 性设计理论t 口s 【柏】、组合创造方法【4 1 1 等，还有许多学者尝试着以进化模型【4 2 j 、多 级菱形思维模型m 垮获得概念设计方案。 另外，p j l 0 v e t t 等m 学者提出了基于知识工程( 强) 的设计方法，以知识 驱动为基础进行工程设计，将人工智能( 知识库，知识规则，逻辑推理) 与c a d 、 c a m 、c a e 有机结合，使其应用对象从几何造型、分析及制造等扩展到工程设计 领域，使工程设计知识融入c a x 系统。m ar o s e n m 柚【4 5 j 通过对功能、行为和结构 的标准定义及功能的分解，将设计过程变成语义与句法的转换过程，将每一阶段 的设计过程用准确的数学公式表达，便于计算机处理和应用：t s a i c 脚】提出基于 d f x ( 面向装备、面向制造、面向质量、面向维修、面向拆卸、面向全生命周期、 面向环保、面向回收、面向可靠性) 的概念设计方法，可减少全生命周期的成本。 在国内，邹慧君【4 7 l 【船】从机械的运动机构设计角度进行计算机辅助概念设计的研究， 以机械运动系统作为概念设计的对象，用组合分类对机构分类，建立相应的存储 的编码规则，以二元逻辑推理和模糊综合评价相结合的办法建立推理机制，得出 可行的方案解；檀润华【4 9 垮将功率健图和健合图用于概念功能设计中，提出了基 于功率健图的概念设计方法。冯培恩教授啪】对复杂产品方案设计阶段的智能优化 和优化模型的特征识别进行了探索，并提出了基于设计目录的原理方案选择智能 7 山东大学硕七学位论文 方法，并将其应用到了固液分离设备当中。山东大学的艾兴教授、黄克正教授【5 i l 【5 2 】 提出了设计自动化理论，从刀具设计过程中的离散综合法出发，提出了具有普遍 实用意义的分解重构原理，把刀具c a d 系统的智能从变参设计提高到适应性设计 的新阶段，使之具备了进行创新设计的潜力，进行了基于功能表面分解重构原理 的“生长型”设计自动化研究以及相应工具系统的开发。 目前概念设计存在的问题是传统c a d 系统不能支持概念设计过程，而只能让 设计人员依据以往经验手绘图纸。对概念设计的计算机支持是提高设计效率的重 要手段，是c a d 技术发展的必然要求。对概念设计过程的计算机支持主要有两个 障碍：一是概念设计产品的信息建模，二是如何有效地进行概念分析。 1 4 本论文课题来源及主要研究内容 本论文研究的课题是国家自然科学基金项目“产品公差与概念结构同步综合 进化设计理论与技术研究”( 5 0 4 7 5 1 2 9 ) 的一部分。 本文首先系统调研了国内外计算机辅助公差设计研究和概念设计研究现状， 针对上述两大领域中存在的问题，在本实验室在产品设计自动化领域所做的研究 和开发的基础上，提出了与概念结构生长同步的三维公差设计理论，并进行了工 具系统的开发。本文的创新点有以下几点： ( 1 ) 以往的与概念结构设计同步的公差设计仅局限于二维尺寸公差设计，尺 寸链的生成方面。本文提出了三维公差设计。多精度需求技术研究：以往二维公 差设计只能提出单一的尺寸精度需求，三维公差设计要求可以提出多种精度需求。 本文主要研究开发了多精度需求输入、判断比较、确定主要精度方向等方面。 ( 2 ) 概念结构模式标准化研究：包括模式约束分析、模式基准的分析，智能 化模式选取等。 ( 3 ) 三维公差设计研究：包括自动生成公差类型的原则研究，三维方向上尺 寸链，角度链的自动生成等。 本文的总体结构框架如图1 2 所示。 论文主要的内容如下： 第一章：综述了计算机辅助公差设计和概念结构设计的研究现状以及本论文 的研究内容。指出在概念结构阶段研究公差的必要性以及本文的研究目标和框架。 8 山东大学硕士学位论文 第二章：首先介绍了概念结构生长型设计的基本概念和设计原理，紧接着详 细介绍了概念结构生长型设计的指导原则、定位原理以及概念结构生长型设计的 基本单元和关键技术，即分解重构理论，广义定位原理，功能表面以及功能定位 模式。以上理论体系为概念结构生长型设计系统的实现提供了理论支持。最后给” 出了与概念结构生长同步的公差设计框架。 文献综述( 公差设计和概念设计) ( 第1 章) n 与概念结构生长同步的公差设计理论研究( 第2 章) jl 与概念结构生长同步的三维公差设计( 第3 章) 表示模型约束分析旋量应用 设计过程 jl 三维公差设计系统关键技术研究( 第4 章) 上 原型系统实现与实例应用( 第5 章) jl 结论与展望 图1 2 论文总体框架图 第三章：本章对与概念结构生长同步的三维公差设计理论进行了详细论述。 首先介绍了基于功能表面的层次式三维公差表示模型，然后分析了三维公差设计 中约束分析与公差设计的关系并指出了约束分类与公差分类的对应关系。其中本 章重点介绍了旋量在三维公差设计中的应用，并给出了旋量与公差类型的对应关 系。最后对与概念结构生长同步的三维公差设计过程进行了阐述 第四章：本章主要介绍了与概念结构生长同步的三维公差设计系统实现的几 个关键技术。包括公差原始需求的分析、确定和输入存储，功能定位模式的标准 化技术以及系统中公差类型的自动生成技术和三维公差链的搜索与公差分配技 术。最后引入了运动学模型，建立了三维公差积累的运动模型。 第五章：在现有软件d a i u p a d 基础上，研究了三维公差设计的原型系统，以 m d t 为开发平台，以o b j t a r x 2 0 0 0 为开发工具，以活塞夹具的设计过程中定位 圆盘的设计为例，验证了本文理论研究与技术实施的正确性和有效性 结论与展望：对全文进行了总结，并对下一步的工作作了探讨和展望。 9 第2 章概念结构生长型设计及其公差设计 2 1 概念结构生长型设计概述 我们认为，面向市场并能够指导企业开发设计的概念产品的完整定义应该是： 产品总体系统特征、性能、结构、尺寸形状的具体描述和实现，是用以验证产品 对目标市场的适应性和产品需求说明书的满意度，也是用以指定、实施产品后续 开发过程，即生产、营销、服务等计划的基础。概念产品可作为制造企业开拓市 场、赢得竞争的工具，通过总体性能、结构、尺寸、形状和系统技术特征等参数 来表达以实现概念产品的市场可竞争性、可生产性、经济性、可维护性等，它还 不是直接用于生产、营销、服务等的最终产品。其中，可竞争性、可生产性、经 济性是概念产品的企业属性，主要尺寸、形状、功能描述是概念产品的用户属性 通过上面分析，概念产品应包括产品的功能信息、原理信息、简单的装配结 构、简单的零部件形状信息、基本的可制造与可装配信息、市场竞争力与成本信 息、可服务与维修信息，具备比较详细精确的尺寸、形状、制造与装配信息，可 以通过功能性、原理可行性等检验其主要性能特征或进行动态仿真。正因为如此， 我们将概念设计称之为概念结构设计。 近年来，生物学的迅猛发展引起了世人的关注，人们对生物学应用的研究空 前高涨。自然界中的生物经过了自然选择、优胜劣汰、由简单到复杂的逐步进化 历程，成为了适应自然环境的、品质优良的物种。可以说，生物的生长过程本身 就是一个不断适应环境的优化过程。通过分析生物机理，我们发现机械产品结构 特性与生物体具有一定的相似性，以生物生长的机理指导产品概念结构设计，即 概念结构生长型设计。 产品生长型设计与生物生长过程比较见图2 1 所示： 山东大学硕十学位论文 图2 1 生长型设计与生物生长过程对照 产品概念设计与生物生长具有的相似性，主要体现在三个方面，一是产品概 念结构与生物体构造上的相似性，即结构上的相似；二是产品概念设计过程与生 物生长机理的相似性，即过程上的相似；三是阶段重要性的相似。 在结构形式方面，一个完整的机械产品就类似于一个复杂的生物体，它所包 括的每个机构或零部件类似于生物体中的细胞，而具体体现着机构或零件的功能 的表面，就类似于细胞中的基因。表面组中的每个表面的具体特征，包括表面的 类型、位置、法矢或轴向等，则类似于基因中的碱基对。碱基对、基因的特性直 接决定着结构细胞、产品生命体的性质，碱基对、基因的改变都将引起结构或产 品的功能改变。所有组成产品的类似于细胞的结构相互协调、制约，共同实现着 产品生物体的功能。 在整个过程方面，产品概念设计一般为自上而下的设计，原始功能需求包含 所有的遗传物质，从原始功能需求开始逐渐分解、重构创成执行件、传动件、定 位件的过程就相当于细胞分裂、生长的过程。产品中每个类似于细胞的结构都具 有可生长性，生长的目的就是为了满足类似于自然环境的产品功能需求要求，而 每一步生长都是对自身结构的再组织。 在阶段重要性方面，生物体生长的整个过程中最具有创新性、跨越性的阶段 就是生命最初诞生的时期。而对于产品设计全过程，最具有创新性的时期就是产 品设计的早期阶段一概念设计阶段。如果在这一阶段能够作出正确的决策，对最 终设计不仅可起到事半功倍的效果，还可以有效的避免设计中的弯路。 综上所述，机械产品与生物体在结构、过程、阶段重要性方面具有诸多的相 似性，决定了以生物生长机制进行产品设计是可行的。 机械产品一般由多个部件组成，而每个部件又可分解成许多零件，各零件的 1 2 o o 两到国型 圈 圈 山东大学硕+ 学位论文 功能则通过该零件的功能表面来实现。这些以产品需求为标准的功能表面和功能 表面的组合，就形成了产品的最原始基因，可以称之为产品基因。 产品的功能描述的是产品对某些作用对象的特定反应或作用能力概念结构 生长型设计从产品的功能出发，通过产品基因完成全部有效原始信息的提取，并 规定了产品的结构及其自动生成的机制，在合适的外界环境条件下，使产品基因 自动创成特定的产品结构，进而作为实现同类产品功能的最初表示形态。不同的 基因单元组合则可导致不同产品基因的出现。因此，根据各种具体产品实现机理 的不同，对产品基因细化，可设计出具有相同功能，但结构各异的产品。这也是 概念结构生长型设计的优势所在。 概念结构生长型设计的独特之处可表现为两点：一是生长型设计过程中，结构、 尺寸、公差方面的信息，随结构呈生长型逐步完善，最终达到产品概念结构的完 善。二是在设计过程中，可以借助于当前的结构、尺寸、公差信息进行生长方向 的评价与控制，实现最终优化设计的目的。 “ 山东大学c a d 省重点实验室在生长型设计领域进行了一些理论的探讨和工具 的开发工作。黄克正教授从9 0 年代初以创新设计自动化为目标，成功建立了适用 于计算机的分解重构原理，在8 6 3 计划资助下，首创了基于功能表面分解重构的产 品结构创成自动化技术，使得计算机辅助概念设计信息模型及其相关设计推理过 程，在有利于计算机表达和操作的同时，较好地符合设计者的设计思维习惯，解 决了现有概念设计与结构设计和参数设计衔接功能差、设计步骤操作性差、没有 自动综合能力、没有c a d 环境支持等问趔5 删。 本实验室的曹树坤博士【6 1 】，在充分借用生物生长机理的基础上，分析了实现 产品概念结构生长型设计的关键问题，在原有分解重构设计理论的基础上，建立 了基于功能表面分解重构的生长型设计理论框架，提出了细胞结构概念，规定了 细胞结构中的碱基对元素，并实现了产品概念结构生长型设计中的力学综合技术。 本实验室的陈洪武博士【6 2 铡用功能表面集对应需求功能基因，来解决功能一结构 映射问题，研制开发了支持产品基因工程设计理论的工具。杨波博士嘟】对生长型 设计中的广义装配原理进行了研究。对于基于功能表面分解重构的生长型设计， 设计工具平台已经具备，设计过程的优化和完善还需要各种知识来填充。 山东大学硕十学位论文 2 2 概念结构生长型设计的基础理论 2 2 1 生长型设计的指导原则 当前产品结构创新设计存在的关键问题就是缺乏实现创新的设计理论和相应 的设计方法。如果说科学发现是人类对物质世界的本质认识，那么创造发明则是 产生物质世界不曾存在的新事物。归根到底，创造发明的本质是对已有物的分解 与重新组合构造，也就是说，新发明是对现实世界的结构重组。通过澄清发明与 发现的关系，将创造发明抽象概括为分析与综合，可形式化的基本模式就是分解 与重构。这里的分解与重构是辨证统一的，我们称之为“分解重构理论”( 蹦n c i p l e o f d & r r d e c o m p o s i t i a n dr c c o n s t i 叫) 。 分解从理论上讲，任何物质都是可分的。但是，对于特定的领域和特定的 目的，在分解对象和分解层次上需要做出认真分析与研究。比如机械产品设计问 题、设计需求、产品结构、设计过程和设计结果等都是可以分解的对象。 重构重构就是综合，是在不改变产品功能的前提下改变其结构。对于创新 设计具有分析方法不可替代的作用。在设计过程中，方案筛选、模型统一、组合 相容性和整体性检查、系统完备性检查等都需要重构技术。 分 解 过 程 设计需求产品结构 需求功能l 需求功能n 厂_ 广 子功能l 子功能i 子功能n 机构n 功能特征1 功能特征n 结构特征l 结构特征n 厂厂 功能元l 功能元( 性胄皂，行为)特征要素1 特征要素n ( 表面，约束) 重 构 过 程 图2 - 2 设计需求与产品结构的分解与重构 产品设计过程可以按照设计内容分解为不同阶段，常见的分解方式是：先功 能( 作用原理) ，后定性( 结构) ，再定量( 参数计算、优化) 。产品设计过程分解的每 山东大学硕士学位论文 一步都可以与产品的结构分解一一对应，重构过程实际上也是分解的一种逆向回 溯过程。如图2 - 2 设计需求与产品结构的分解与重构。 分解重构理论的提出，在产品概念结构设计中，各独立单元的功能与结构都 可以在分解的基础上重新构成，根据对象的关系模型，各独立单元的功能与结构 可以分层逐步综合，使机械产品创新设计程式化，乃至符号化、算法化。分解重 构理论从根本上指导着产品概念结构生长型设计的进行。可以说生长型设计就是 产品不断分解重构的过程。 2 2 2 生长型设计的定位原理 根据人造系统的位置确定性这一基本而普遍要求，由单个静态刚体人造物的 狭义定位概念，扩展到动态人造物系统的广义定位概念哗】【6 5 】，从基本定位功能和 结构层次建立普遍的设计方程，可以达到对人造物的完全定位。 2 2 2 1 狭义定位原理 l 、单个静态刚体人造物定位需求 圉2 - 8 人造坳及坐标系统 设环境e 坐标系为全局坐标系o e x y z 人造物a 坐标系为o a 陀，如图 2 3 所示。根据对人造物的控制需要，具有相对确定的位置是单个静态刚体人造物 有效工作的必要条件。为方便表达一个单刚体人造物a 在三维空间的位置和姿态， 采用空间旋量概念，用沿某一轴向的移动d i 和绕这个轴的转动0 i 的合成一螺旋 矢量w 0 表示： w o - 【) 【，y ，z ，a ，p ，丫】1 ( 2 - 1 ) 1 5 山东大学硕十学位论文 定义：变动趋势矢量t ，简称变趋矢量t 对应客体的6 个旋量分量，共有1 2 个变动可能性，在这里把影响人造物a 位 置和姿态的变动可能性定义为变趋矢量，简称趋矢t 。如图2 _ 6 所示，旋量w 第 一个分量x 对应的2 个趋矢为t - x 和n - x 。圆柱体绕其轴线旋转不改变其位置和 姿态，所以不是变趋矢量。 定义：双螺旋量w ；由旋量6 个分量对应的1 2 个趋矢组成的综合量，用、) l ，表 示。 旷。 t 、，o o ，t 。t 乜一一一k t 呻，t 叩t 1 t 叶) ( 2 - 2 ) 2 、满足人造物定位需求的基本结构 对应人造物的定位需求：双螺旋、矿，需要确定满足该要求的措施和途径。对 应变化趋势特点，采用实际工程中常用的物理限位概念，即在人造物变动趋矢方 向设置起限位作用的障碍。在概念表达时，用接触表面表示障碍实体对象，以便 于直观分析综合和自动化处理。用传统机械结构元素，以限位作用完成定位功能， 称为狭义定位。 具有限制人造物位置的功能的基本几何元素，称为限位元素： ( 1 ) 限位点域p ( p t ( t ) ，n p ( t ) ，6p ( t ) ) ：在空间某一固定基点p t ( x ，y ，z ) ，法矢为 n ，(