（机械电子工程专业论文）产品设计自动化系统中生长型设计关键技术开发.pdf

摘要 摘要 本文针对产品概念设计的特点，结合设计自动化系统d a r f a d 系 统原有功能，对d a r f a d 系统进行完善和新功能开发，完善了生长型 产品概念设计模块，开发了产品概念结构中的公差设计模块和产品概 念结构实体匹配功能模块等系统关键技术，并通过实例验证了系统的 有效性。 全面调研了国内外机电产品概念设计研究现状，深入探讨了机电 产品计算机辅助概念设计研究中存在的问题。论述了分解重构理论、 广义定位原理、生长型设计机理，定义了功能表面和功能模式等概念， 介绍了系统现有功能。 文章阐述了产品概念设计与生物生长的相似性，在基础理论支持 下，提出了符合自顶向下设计思想的基于功能模式的生长型产品概念 设计构思，讨论了概念设计中实现生长型设计的关键问题，给出了生 长型设计的基本单元、过程控制因素、生长实现方法、完整统一性保 证，建立了生长型设计模型，通过面向对象的编程技术进行了系统实 现。基于功能模式的生长型产品概念设计，使设计思路更易于理解、 效率更高，便于没有较强专业背景的用户使用。 在公差设计模块开发中，讨论了概念设计中的公差设计理论，建 立了层次式尺寸公差模型，实现了尺寸链的智能生成，并采用传统的 公差分配方法和尺寸链解法进行了智能求解，从而实现了产品概念结 构设计中的公差设计功能。产品概念设计中实现公差设计，不仅在设 计初始阶段便考虑了产品的可装配性、可制造性，体现了并行设计的 思想，并且为设计过程提供了判断和选优的标准，避免了概念设计过 程中方案生长的随机性。 为了将产品概念设计方案向详细设计方案转化，本文开发了概念 结构实体匹配功能。建立了实例零部件知识库、图形库，给出了实例 零部件评价的标准，应用基于实例推理的思想，通过概念结构实体匹 配功能实现了由概念设计到详细设计的自然衔接。 最后，阐述了d a r f a d 系统的功能、模块设置、系统开发技术和 运行环境。并以偶件滚字夹具概念设计为例进行了基于功能模式的产 品生长型概念设计过程演示；以活塞半精镗夹具的设计过程为例，验 证了本文理论研究与技术实施的正确性和有效性。本文工作对从事机 山东大学硕士学位论文 电产品计算机辅助设计、尤其是机电产品计算机辅助概念设计系统的 研究与开发工作具有重要的借鉴和指导意义。 关键词：分解重构功能模式生长型设计公差模型实例匹配 i i a b s t r a c t a b s t r a o t b a s e do nt h ec h a r a c t e r is t i e so fc o n e e p t u a ld e s i g no fp r o d u c ta n d t h ef u n c t i o n so ft h eo l dv e r s i o no fd e s i g na u t o m a t i z a t i o ns y s t e m ， d a r f a d ，t h ep a p e rp e r f e c t st h eo l df u n c t i o n sa n de m p o l d e r ss o m e n e wf u n e t i o n so fd a r f a ds y s t e m t h ef u n c t i o nm o d u l eo fg r o w t h c o n c e p t u a ld es i g no fp r o d u c t i s p e r f e c t e d t h ek e yt e c h n o l o g i e s i n c l u d i n gt h ef u n c t i o nm o d u l e so f t o l e r a n c ed es i g ni n p r o d u c t c o n e e p t u a l s t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o nm o d u l eo f e x a m p l ep a r t m a t c h i n ga r ed e v e l o p e d a n de x a m p l e sa r eg i v e nt op r o v et h ev a l i d i t y o ft h es y s t e m t h ep a p e rc o m p l e t e l yr e s e a r c h e sa n ds t u d i e st h ed e v e l o p i n g s t a t u sq u oo ft h ec o n c e p t u a ld e s i g no ft h em e c h a t r o n i ep r o d u c t sa t h o m ea n da b r o a d ，d i s c u s s e st h e p r o b l e m s i n c o m p u t e r a i d e d c o n e e p t u a ld e s i g no f t h em e c h a t r o n i c p r o d u c t s a n ds t u d i e st h e c h a r a c t e r is t i c so ft h e c o n c e p t u a ld e s i g n o f p r o d u c t t h e o r y o f d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n ( d & r ) ，pr i n c i p l e o fg e n e r a l i z e do r i e n t a t i o na n dm e c h a n i s mo fg r o w t h d e s i g na r ed i s c o u r s e d t h ec o n c e p t so ff u n c t i o ns u r f a c ea n df u n c t i o n m o d ea r eg i v e n a n dt h ef u n c t i o nm o d u l e so ft h ed a r f a ds y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h ep a p e re x p a t i a t e so nt h ec o m p a r a b i l i t yb e t w e e nc o n c e p t u a l d es i g no fp r o d u c ta n db i o l o g yg r o w t h o nt h eb a s iso ft h e s eb a s i c t h e o r i e sa n dc o n c e p t s ，t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h em e t h o do fg r o w t h c o n c e p t u a ld e s i g no fp r o d u c tw h i c ha c c o r d sw i t ht o p d o w nd e s i g n m e t h o d a n dr es e a r c h e st h ek e yp r o b l e m sw h i c hn e e dt ob es e f t l e di n t h eg r o w t hd e s i g no fpr o d u c t t h ep a p e ra b s t r a c t st h eb a s i cc e l l ， p r o c e s s c o n t r o lf a c t o r ，g r o w t hm e t h o d ，a n dc o n s t r u c t st h eg r o w t h d e s i g nm o d e l ，t h e na c c o m p l i s h e st h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l eb yt h e t e c h n o l o g y o f0 0 ( 0 b j e c to r i e n t e d ) 。g r o w t hc o n c e p t u a ld e s i g no f p r o d u c tb a s e df u n c t i o nm o d em a k e st h ed e s i g np r o c e sse a s i e ra n d m o r ee f f i c i e n t a n dm a k e st h es y s t e mf i tf o rt h eu s e r sw h oh a v en o m u c hp r o f e ss i o n a lk n o w l e d g e d u r i n gt h ep r o c e s so ft h et o l e r a n c ed e s i g n m o d u l ed e v e l o p i n g ， i l l 山东大学硕士学位论文 t h ea r t i c l ed is c u s s e st h et h e o r l e so ft o l e r a n c ed e s i g ni nc o n e e p t u a l d e s i g n t h e a u t h o rc o ns t r u c t st h el a y e r e dt o l e r a n c em o d e l t h e d i m e ns i o nc h a i n s a r ee r e a t e d i n t e l l i g e n t l y t h e y a r es e t t l e d i n t e l l i g e n t l yt h r o u g ht h ec o n v e n t i o n a lt o l e r a n c ed i s t r i b u t i n gm e t h o d s a n d s o l u t i o n s a c c o r d i n g l y ，t h es y s t e m r e a l i z e st h ef u n c t i o no f t o l e r a n c ed e s i g nd u r i n gt h ep r o c e s so fc o n c e p t u a ld es i g n r e a l i z i n g t o l e r a n c ed e s i g ni nt h ep r o c e s so fc o n c e p t u a ld e s i g nt h i n k so v e rt h e a s s e m b l ya n dm a n u f a c t u r ec a p a b i l i t y ，a l s oi n c a r n a t e st h et h o u g h to f p a r a l l e ld e s i g n a d d i n gi tt ot h es y s t e m ，p r o v i d est h ed e s i g np r o c e s s c r i t e r i o no fv e r d i c ta n dc h o i c e ，a v o i d sr a n d o mi nc o n c e p t u a ld e s i g n o fp r o d u c t i no r d e rt oc o n v e r tc o n c e p t u a lp r o j e c tt od e t a i lp r o je c t ，t h ep a p e r d e v e l o p sf u n c t i o nm o d u l eo fe x a m p l ep a r tm a t c h i n g i nt h es y s t e m ，t h e a u t h o rc o n s t r u c t st h ed a t a b a s ea n dg r a p h i c s b a s eo fp a r t ，p u t sf o r w a r d t h ec r i t e r i o no fe x a m p l ep a r te v a l u a t i n g b yc a s e b a s e dr e a s o n i n g ， t h es y s t e m a c c o m p l i s h e sn a t u r a ll i n kf r o mc o n c e p t u a ld e s i g nt o d e t a i ld e s i g n a tl a s t ，t h ep a p e rpr o d u c e st h ef u n c t i o n s ，m o d u l es e t t i n g ，t h e t e c h n o l o g i e sa n dt h er u n n i n ge n v i r o n m e n to fd a r f a ds y s t e m a n e x a m p l eo fc l a m pf o r c o l u m np a r tl e t t e r i n gis g i v e n t os h o wt h e p r o c e s so fg r o w t hc o n c e p t u a ld e s i g no fp r o d u c tb a s e d f u n c t i o nm o d e a n o t h e re x a m p l ei sg i v e nt ot e s t i f yt h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h e t h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ft h ea r t i c l e t h ew o r k i nt h i sa r t i c l eh a s i m p o r t a n t r e f e r e n c e sa n d g u i d i n gm e a n i n g s f o rt h e s t u d y o f m e c h a t r o n i cp r o d u c tc a d ，e s p e c i a l l yc a c d k e yw o r d ：d & r f u n c t i o nm o d eg r o w t h d e s i g n t o l e r a n c em o d e l e x a m p l em a t c h i n g 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 2 0 世纪中后期，各行各业竞争日趋激烈。在经济规律的杠杆作 用下，几乎全球范围内经济形式由计划经济转为市场经济，市场形式 出卖方市场转为买方市场。客户的需求成了企业创新与发展的源动 力。特别是进入8 、9 0 年代之后。客户订制时代悄然而至，个性化市 场日渐突出，企业由原来的大批量生产模式逐渐向小批量、多品种的 模式转变，按需生产，充分满足客户个性化、多样化需求，势在必行。 为了能够吸引顾客，抓住稍纵即逝的机遇，企业必须具备高度的 灵敏性，敏锐的洞察力，快速创新的产品开发能力。在这种时代背景 下，市场竞争的制高点转移到了满足客户需求的新产品研发速度上 来。为了保证在竞争中立于不败之地，厂家必须具备快速创新的能力： 即在有限的时间内设计出高质量、低成本的新产品。设计的本质就是 创新，因此，重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。创新 设计将是企业面对2 1 世纪市场竞争新形势所普遍采用的策略。 设计活动是产品开发过程中最重要的环节之一，而概念设计是产 品设计过程中至关重要的环节，它是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的系统所包含的 工作流程。产品概念设计是产品设计过程中最富有创造性的阶段，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) 由概念设计阶段决定1 1 】。产品概念方案设计是决定产 品最终质量、市场竞争力及企业获利的关键因素【2 】，因此，产品概念 设计越来越多地受到人们的重视。 自7 0 年代以来，计算机技术迅速而广泛的渗透到制造业。多种 c a d c a m c a p p 计算机辅助软件相继涌现，使制造业发生了天翻地 覆的变化，计算机辅助设计已经成为制造业中必不可少的设计手段。 计算机辅助设计( c a d ) 技术的应用为企业带来了明显的收益：大大缩 短了产品研发周期，降低了成本。然而，当前的c a d 技术却并未真 正的实现计算机辅助设计，并未真正的给设计者在产品设计上提供智 力支持，而更多的只是拘泥于在产品详细设计阶段的计算机辅助绘 山东大学硕士学位论文 图。在最富创造性、也是最能体现计算机辅助技术智能化的概念设计 阶段，始终没能取得突破，概念设计一直是产品并行设计中的“瓶颈” 问题。为了发挥计算机在产品概念设计中的巨大作用，实现真正的计 算机辅助设计，从8 0 年代后期开始，计算机辅助概念设计( c o m p u t e r a i d e dc 0 n c e p t u a ld e s i g n ，c a c d ) 技术逐渐受到人们的重视，目前已成 为设计领域的研究热点之一。 1 2 产品概念设计 1 2 1 产品概念设计的提出和定义 产品设计是一个复杂的过程，设计过程阶段的划分国内外有很多 种论述，归纳起来主要有三种：一是p a h l 和b e i t z 认为，机械设计分 为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段【3 1 ；二是 k o l l e r 认为，机械设计分为产品规划、功能设计、定性设计和定量设 计等四个阶段【4 1 ；三是邹慧君教授提出，机械设计分为产品规划、方 案设计、详细设计和改进设计等四个阶段【5 1 。无论那种论述，归纳起 来说，产品设计包括两个设计阶段：概念设计阶段和详细设计阶段。 概念设计应包括以下主要内容：( 1 ) 功能创新；( 2 ) 功能分析和功能结 构图设计：( 3 ) 工作原理解的搜索和确定；( 4 ) 功能载体方案构思和决 策。概念设计是产品设计的先导，又是产品详细设计的前提，概念设 计搞好了，产品设计才有可能达到高水平。 自从1 9 8 4 年p a l h 和b e i t z 在其e n g i n e e r i n gd e s i g n ) ) 一书中提 出概念设计这一名词至今，人们对概念设计进行了已经近二十年的研 究，并纷纷给出概念设计的定义。概念设计不能简单地等同于过去理 解的方案设计。概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程， 是一个求解实现功能的、满足各种技术和经济指标的、可能存在的各 种方案并最终确定综合最优方案的过程。在概念设计过程中，要求设 计人员掌握现代设计方法、先进制造技术、专业理论、商用运作等多 方面知识。由此可见概念设计的内涵是十分广泛和深刻的。那么，什 么是概念设计呢? 概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进 行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足 功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载 体方案的构思和系统化设计呐j 。 2 第1 章绪论 1 2 2 产品概念设计的研究方法与现状 与其他设计阶段相比较，概念设计阶段具有以下四方面的特点 7 1 ：( 1 ) 所设计的机械都是以其特性及与其他机械之间的关系等外部 特征出现；( 2 ) 设计要求通常都是定性的而不是定量的；( 3 ) 设计要求 一开始并不是很完善，随着概念设计的螺旋式进行，才能达到设计要 求的完善、可操作和协调一致；( 4 ) 设计过程并没有一定的程式，而 是随着设计问题和约束的特殊性、设计者的考虑等因素而变化的。 针对产品概念设计的特点，国内外学者们在概念设计方法学、知 识表达及建模等方面迸行了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。 在国外：s t u r g e s 通过定义功能之间的关系，使功能图的语义更 加完善1 8 。h a n b u r g 提出了设计人员交互工作的问题和在不确定状态 下的决策技术。b r a c e w e l l 提出分层的信息结构，实现计算机辅助的 功能一载体映射。在知识表达和建模方面，q i a n t 9 等提出了功能一行 为一结构( f u n c t i o n b e h a v i o r s t r u c t u r e ) 模型，进行了产品拓扑结构设 计，在结构设计中既考虑其功能需求，也考虑其行为特性，使得再设 计描述中蕴含浅层知识( 元素、元素属性和元素之间的关系) 和深层知 识( 功能和行为) ，由交互方式在领域内产生创新方案。u m e d a i 1 将设 计知识表达为功能一行为一状态( f u n c t i o n b e h a v i o r s t a t e ) 的组合关 系，以产生新方案。该模型给出了行为变量的不同变化方式对功能实 现的影响( f b ) ，以及结构和行为间的依赖关系( b s ) ，说明了结构 或子结构通过行为达到了设计功能的方法。c u l l e y 建立了一个产品装 配模型，以快速找出所需部件。 在国内：上海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君教授等 人自1 9 8 9 年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究，结合机械 产品概念设计开展了较为系统的研究】。他们以机械运动系统作为 概念设计的对象，用组合分类法对机构分类，建立相应的存储和编码 规则，以二元逻辑推理和模糊综合评价相结合的方法建立推理机制， 得出可行的方案解，开发了“机构系统方案设计专家系统2 】”。孔 凡国将方案创新设计过程划分为两个主要阶段：基于实例功能推理的 原始机械方案生成阶段和基于结构推理的方案创新设计阶段，开发了 机械方案创新设计智能支持系统( m c i d i s s ) 4 1 。在此基础上，他们还 提出了功能一行为一结构的概念设计模型和基于本样体知识表达和 推理相结合的方法，使领域知识和基础知识相互融合，以便产生多层 次的创新解。为了使概念设计易于为企业机械产品设计人员具体应用 山东大学硕士学位论文 和取得实效，他们在国内首次编写了机构运动方案设计手册 1 5 】 和“机构及其系统设计”【l “，采用现代设计方法进行机械运动方案 的构思、拟定和综合评价，同时按实现动作和功用将机构分类，说明 其特点和应用场合，供设计人员产品创新设计时应用。同时，编著了 机构系统设计【1 7 1 ，阐述了方案设计的理论和方法。华中理工大 学周济教授等人的研究主要集中在基于实例的基础上，将之应用于工 程中的再设计问题及实例检索与重用上f 1 “，在相控雷达的方案设计 支持系统中应用了这一方法。这种方法可以在再设计中找出相近实 例。浙江大学潘云鹤教授等人，提出了基于原型的知识表示和推理方 法【”】，并将其应用于广告的方案设计和椅子的方案设计中，冯培恩 教授提出了基于设计目录的方案选择智能方法，并将其应用到了固液 分离设备当中 2 0 】，得出适当的方案原理解。同济大学王小同等将人 工神经网络与传统人工智能相结合，提出智能设计系统i d s 模型及 其实现的关键技术，其侧重点在结构设计上，开发了机翼结构方案智 能设计系统( 2 1 1 。 1 。3 计算机辅助概念设计 c a d 技术在提高设计效率和产品质量等方面贡献巨大，但此时 的c a d 技术仍然存在着致命的缺陷。由于系统本身缺乏设计方法学 的支持，没有体现概念设计的创造性过程，因此，在概念设计阶段尚 无所作为。概念设计仍然依靠设计人员来完成，缺乏设计经验则无法 保证设计结果的正确有效性。 近年来，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展 以及c a d c a m 应用的深入，现代产品概念设计理论与技术的研究有 了长足的进步。计算机辅助概念设计( c a c d ) 已成为c a d c a m 和 c i m s 领域的一个研究热点。c a c d 是c a d 领域的一个重要分支， 它涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、c a d 技术以及认 知与思维学等多种学科的知识。目前，c a c d 系统是一种辅助性的设 计工具，随着功能的逐步强大，它必将越来越受到概念设计师的欢迎， 从而最终取代传统的c a d 系统。 1 3 1 计算机辅助概念设计的现状 为了奠定c a c d 的理论基础，众多学者对概念设计基本理论进 d 薨1 章绪论 行了研究，但仍然不够全面、深入。这也是c a c d 至今仍然难以取 得突破性进展的首要原因。 在概念设计基本理论中，产品模型是基础，它对概念设计知识库 的建立和产品概念设计方案求解模式的定义有直接的影响。对机 械产品进行描述一般需要包含三方面的信息：功能、行为和载体。各 国学者正是从这三个方面来研究概念设计产品模型。b u u r 建立了功 能一方式( f u n c t i o n m e a n s ) 模型。该模型没有区分出行为和载体，也 没有定义功能和方式之间的映射规则。m a l m q v i s t 建立了扩展功能一 方式模型，该模型中不包含行为信息，不符合设计人员的设计思维习 惯。u m e d a 和qj a n 等分别提出了功能一行为一状态( 结构) 模型， 但两者都没有给出功能一行为、行为一状态( 结构) 的映射规则。 g o r t i 等采用面向对象的方法建立了产品功能一行为一结构模型，但 没有明确地表示出产品的层次关系。z e n g 等建立了载体模型和行为 模型，但载体模型和行为模型在形式上是独立的，两者之间的关系不 够明确。 在开发辅助工具方面，人们借助人工智能技术和数据库技术来推 动概念设计的智能化。a d z h i e v 提出面向代理的方法，有利于并行设 计环境下使各种设计变量保持高度一致性【22 1 。t a b e l b e n d i a b 应用基 于实例推理和机器学习的技术，学习设计实例，并存储起来。l i 利 用定性启发式搜索方法，辅助机构的概念设计1 2 3 】。在基于计算机的 设计环境方面，t w e n t e 建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境， 支持多模型状态。t o m i y a m a 利用大型数据库建立了一个概念设计开 发环境。s h a r p e 主持开发的环境着重于集成，同时利用了超媒体和超 文本技术。在国内，有人提出了基于设计目录的原理方案求解 2 4 】和 基于知识的原理方案设计专家系统 2 5 】等方法与技术的计算机辅助原 理方案设计。许多学者从工程设计方法学中概念设计的定位出发，提 出层次概念模型、基于广义特征的概念模型1 2 6 1 、工程设计概念模型 z 7 】、基于功率键图的概念设计1 2 8 等。许多学者将他们在产品结构设 计、装配设计等方面的研究成果加以拓展，应用在概念设计过程，提 出以支持变量特征和概念设计为标志的各类产品模型，如基于特征关 联语义的模型、基于变动特征的模型 2 9 1 、信息基因模型【3 0 】、生成型 特征设计模型等建模方法。 分析现有的各种概念设计模型，总得来讲，所涉及到的方案生成 都主要包括功能分析和载体生成两个阶段。这些概念设计模型都存在 着明显的缺陷，其中不足之处主要有两个方面【3 l 】：( 1 ) 缺乏对用户需 山东大学硕士学位论文 求的分析与处理；( 2 ) 缺乏实现功能和载体问映射的具体方法。这些 明显的不足，使计算机辅助概念设计技术仍然停留在理论研究和初步 实现阶段，而不能在设计领域广泛的实施。为了突破当前计算机辅助 概念设计的瓶颈问题，我们必须在现有理论的支持下寻求可行的实施 方法。 1 3 2 计算机辅助概念设计的关键问题 计算机辅助概念设计技术经过近二十年的发展，无论理论基础研 究，还是软件实现方法都已经初见成效。然而从整个计算机辅助l 程 的发展历程来看，计算机辅助概念设训技术还仅仅处于起步阶段，要 走向技术成熟还有相当遥远的路程。从哲学的高度来讲，解决问题必 须抓住问题众多矛盾中的主要矛盾。总结其多年研究的经验，分析其 当前存在的问题，展望其未来的发展方向，我们提出了计算机辅助概 念设计中的关键技术问题： ( 1 ) 理论基础研究。任何技术的发展都离不开基础理论的支持， 没有正确理论的支持，其必将成为空中楼阁。计算机辅助概念设计技 术的理论基础研究，主要是总结计算机辅助技术的成功经验理论，立 足于现代产品的发展方向，从设计对象自身出发，用类似的方法和精 确的方法对概念设计过程及设计方法进行研究，使的c a c d 系统更 符合设计方法。 ( 2 ) 人机交互技术研究。软件系统是否能受到客户的欢迎，很重 要的一点便在于它是否具备友好的人机交互界面。在计算机辅助产品 设计软件中，友好的人机交互界面使设计软件简单、实用，具有更强 的可操作性。计算机辅助概念设计系统相对于传统的c a d 系统，需 要更好、更灵活的人机交互界面。因此，我们必须在传统的人机交互 手段基础上，研究新兴技术支持下的人机交互技术。 ( 3 ) 创新设计技术研究。为了能实现计算机的创新设计必须加 强创新设计方法学的研究，研究概念设计过程需遵循的原则和规范， 探讨各类创新设计技术。对创新设计的理论和方法，人们做了大量的 研究工作，并取得了一定的成果。从创新方法的角度提出了群体集智 法、系统分析法、联想类比法、转向创新法、组合创新法等“。从原 理方案的创新设计中，提出了功能设计法、设计目录法等。 ( 4 1 建模技术研究。要想实现计算机辅助概念设计，一种好的建 模方法是极其关键的。建模技术的研究主要是从概念设计的方法性和 模方法是极其关键的。建模技术的研究主要是从概念设计的方法性和 第1 章绪论 过程性出发，研究面向概念设计的产品模型和过程模型的建立方法， 研究面向产品级和产品全生命周期的概念设计建模技术。 ( 5 ) 产品数据管理技术。产品数据管理( p d m ) 技术最初的目的是 解决大量工程图样、技术文挡以及c a d 文件的计算机管理问题，然 后逐步扩展到产品开发过程中的三个主要应用领域：设计图样和电子 文挡管理、物料清单管理、工程变更管理【3 ”。p d m 系统的基本功能 可划分为两个层次，即应用功能和系统功能 3 ”。p d m 技术是作为协 调大量快速变化的产品信息的关键技术出现的，这些快速变化的产品 信息必须安全存储、相互关联、可转化格式以方便用户访问 ”】。c a c d 系统比传统的c a d 系统需要管理的数据量更多，需要更完备的数据 管理方案。 计算机辅助概念设计还涉及到并行协同、智能设计等技术。在所 有的技术中，理论研究是基础，创新设计技术和建模技术是关键和难 点，也是今后c a c d 研究的重点，而产品数据管理技术、人机交互、 并行、智能设计则是c a c d 中必需的和有效的支持技术。 1 3 3 计算机辅助概念设计的发展方向 概念设计具有创新性、多样性和层次性的特点，这为实现计算机 辅助概念设计增加了难度。国内外计算机辅助概念设计的研究已经开 展了多年，但如何利用计算机技术对机械系统概念设计予以完全的支 持，至今仍没有很好的解决方法，主要有以下几个问题： ( 1 ) 从功能到结构的映射链难以完成，由于功能表示的结构功用 的多样性，使功能和结构之间的正反向推理难以进行； ( 2 ) 创新方法单一，目前概念设计的知识表达所支持的创新方法 是单一层次的，无法适应概念设计多层次创新的要求； ( 3 ) 缺乏对设计过程知识的管理和利用，设计过程及过程中产生 的新想法和设计基础知识一样都是设计的资源和设计者的财富，应该 保留并加以利用： ( 4 ) 领域知识和基础知识难以融合，不对领域知识和基础知识加 以区分，使系统的通用性和重用性受到了影响。 围绕这些问题人们开展了广泛的工作，这也是我们今后努力的方 向。随着c a d 、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展， 人们对概念设计过程必然有更深的认识，对概念设计思维的模拟必将 达到新的境界。c a c d 将朝着更加自然的人机交互方式、更加有效的 山东大学硕士学位论文 设计手段的方向发展。 1 4 计算机辅助公差设计 计算机辅助公差设计( c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n t i n g ，c a t ) 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和监控，力图用最低的成本，设计 并制造出满足用户精度要求的产品的过程。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，它不仅影响着产品的质量，且决 定性影响着带i 造成本。 自8 0 年代至今，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，国内外有众多学者从事该领域 的理论研究和软件开发，并取得了显著的成果。c a t 的理论研究和标 准制定越来越成熟，软件开发方兴未艾。 以c l e m e n t 、b o u r d e t 等为代表的法国公差研究团体从8 0 年代起 就一直致力于公差理论研究和软件开发，发表了大量博士论文【36 】和 学术论文f ”38 1 ，c l e m e n t 的t t r s 理论是法国流派的理论核心。美国 b r i g h a my o u n g 大学c h a s e 教授及其领导的a d c a t s 协会 ( a s s o c i a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g s y s t e m ) 对二维和三维公差分析的理论研究和软件开发独树一帜 39 , 4 0 1 。自1 9 8 4 年召开了第一届年会以来，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，成果显著。荷兰t w e n t e 大学的研 究人员，如s a l o m o n s 将研究重点放在实用化c a t 软件的研究上 【4 1 ，42 1 ，其f r o o m 系统旨在实现c a d c a p p 集成环境的公差表示和 分析，其实质上是t t r s 理论的实用化。加拿大w i n d o r 大学的 e i m a r a g h y 教授及其研究小组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 教授从事c a p p 系统中的自动公差图技 术以及工序公差的最优分配。美国德克萨斯技术大学的张洪潮教授致 力于c a p p 系统中公差分析技术的研究。加拿大v i c t o r i a 大学的董佐 民教授系统地研究公差成本模型的建立。 在国内，浙江大学的吴昭同教授、杨将新教授及其计算机辅助公 差设计课题组出版了国内酋本c a t 专著计算机辅助公差优化设计。 李柱教授、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的研究成果显著。哈尔滨工业大学、北京理 工大学、上海交通大学等高校都有从事c a t 技术的研究团体。 8 第1 章绪论 现有辅助公差设计多是详细设计阶段进行的公差设计，在结构设 计完成之后再进行精度设计，也就是说在传统的公差设计中，公差与 构形设计是完全分离的，主要集中于在详细设计阶段预测装配误差或 公差分配的方法研究。如果精度设计中发现问题，往往需要反馈到结 构设计阶段进行反复修改。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。 产品结构设计与公差设计不同步，使的目前c a t 系统的研究， 不能适应c a d c a p p c a m 集成的研究和发展，如果这个问题不能从 根本上解决，它将成为c a d c a p p c a m 集成的瓶颈。这个问题要根 本上解决，就必须从产品的概念设计阶段开始考虑公差设计的问题。 目前，在概念设计阶段将公差设计与产品概念结构设计结合起 来，进行计算机辅助概念设计中的公差设计理论研究与系统开发，在 国内外尚无先例。将现有的计算机辅助公差设计技术与计算机辅助产 品结构设计技术相结合，并进行新系统开发，必将在其交叉领域取得 重大创新成果，促进理论与技术的发展。 1 5d a r f a d 系统理论基础和现有技术 1 5 1 系统理论基础 1 5 1 1 功能表面 零件与零件相互作用构成产品，进而实现产品的特定功能。每个 零件在同其他零件相作用构成产品时，零件的一部分组成表面实现了 它特定的功能，在借助于该表面实现产品功能过程中，这些表面或者 使零件本身在产品中定位，或者使产品中其他零件定位；而另一部分 表面在零件构成产品和实现产品功能过程中均不起作用只是用于构 成零件三维造型。我们将前一部分实现了一定功能的表面称为功能表 面 4 3 ，而后者仅用于实现零件自身造型的表面则称为非功能表面。 根据功能表面作用的不同，我们将功能表面分为：定位表面和使定表 面。图卜1 所示零件中的功能表面与非功能表面。 9 山东大学硕士学位论文 图1 - l 轴承益中的功能表面与非功能表面 功能表面与功能表面集的重构反映了设计信息由少到多、由简到 繁的综合过程，构成了从无序到有序、从低级到高级的产品设计生命 周期。功能表面与特征相比具有更强的表达能力，将产品信息的表达 置于比特征更低层的表面一级，并赋予表面几何、功能双重属性，既 描述产品功能又传递结构信息，使得信息表达更完备，信息组织更灵 活，更能根据设计要求的改变，适应性改进结构，产生可行的设计方 案。另外，功能表面从功能设计要求中提出，兼顾装配与制造等并行 过程问题，因此能够全面解决设计过程的自动化和创新设计。 1 5 1 2 广义定位原理 传统的6 点定位原理只考虑了刚性实体在空间的静态定位，仅作 为产品静止状态下定位设计的依据，它并未从结构设计角度考虑如何 实现定位和限位，也没根据机械产品功能需求综合考虑实际的定位问 题，因此，在6 点定位指导下的产品结构设计过程难以实现自动化， 产品设计中主要依据经验进行 4 4 1 。 引入广义四维空间( 三维空间域和时间域) 的概念后，我们就可以 把零件的运动传递和空间定位，传动件和定位件两组概念统一起来， 从而在机械产品设计中可以按照同样的规律来统一的处理。据此，我 们可以提出机械产品的广义定位原理 4 5 】，即机械产品中任一零件， 不论它在什么位置，什么时刻，运动与否，必须有足够且合适的表面 与其他零件表面接触，在广义力的 作用下，零件的1 2 个空间自由度f 包 括三对平移自由度+ x 、x 、+ y 、y 、 + z 、z 和三对旋转自由度+ 贯、窟、 嚣、9 、点、21 全部得到限制。 构成机械产品的每个零件在四维空 间中都必须具有确定的位置。这就 是机械产品的广义定位原理。这1 2 一l o 图1 - 2 广义定位原理示意图 y 第1 章绪论 个空间自由度我们称之为广义自由度，如图1 2 所示。 广义定位原理囊括了产品所有状态下的定位，可以作为产品概念 设计自动化和结构设计自动化的理论基础。刚体在四维空间内任一瞬 时的任意一点都是唯一确定的。两个刚体在接触时，必然发生相互作 用，即相互限制对方的自由度。由于两刚体运动特性不同，其中必有 一个成为主动件，而另一个则成为从动件，主动件通过运动不断的占 有从动件的空间，使从动件产生大致沿接触面法线方向运动的趋势。 因此，运动实质上是主动件对从动件在四维空间的动态“限位”，从 这层意义上来讲运动和定位在本质上是一致的。 广义定位原理阐明了机械产品中每一零件都应遵循的法则，即每 个零件的广义定位都是依靠与其直接相关的零件来达到。零件广义定 位是产品达到最终设计状态的一个非常重要的综合约束条件，可以作 为产品概念设计自动化和结构设计自动化的理论基础，进而实现整个 产品的自动化设计。 1 5 1 3 分解重构理论 文献”6 】指出科学发现是人类对物质世界本质的认识，而创造发 明则是产生物质世界不曾存在的新事物。创造发明的本质是对已有物 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”( t h e o r yo fd e c o m p o s i t i o na n d r e c o n s t “u t i o n 、。 分解本质上，物质是可分的。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。对于机械 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。产品设计过程可以按照设计内容分解为不同阶段，分 解方式很多，其中常见的一个分解方式是： 先功能( 作用原理) ，后定性( 结构) ，再定量( 参数计算、优化) ： 我们提出的设计过程为功能设计一功能表面集一功能结构一功能零 件一实体零件。图1 3 是设计需求和产品结构的分解情况。 山东大学硕士学位论文 需求 厂1 h 功能结构子功能1 子功能n 一一一一一一一一尚一一一- 一一 子结构l 一一一南一一 子结构n 功能特征特征1 结构特征1 一f - ：二二- = 二= 彳。i ：- = = i = 气一- 功能基元元素1 结构基元1 ( 性能行为)( 表面约束) 图1 - 3设计需求与产品结构的分解 重构重构就是综合，对于创新设计具有分