（机械设计及理论专业论文）产品变型设计系统中的模块化技术研究与应用.pdf

摘要 本文对产品变型设计的理论和方法及模块化技术进行了系统深入的研究，并在此基 础上开发了基于模块化技术的变型设计软件系统，此系统能够重用已有产品实例及其设 计知识。各章主要研究内容如下： 第一章总结了传统产品设计方法、现代产品设计方法及现代设计方法的主要研 究内容；分析了大批量定制生产模式下变型设计方法和模块化技术的核心作用。系统综 述了目前存在的变型设计的理论和方法及模块化技术的研究现状； 第二章论述了设计产品的一般过程；从模块化产品结构的构成模式、模块矩阵的 产品族规划、模块化的变型设计途径三方面研究了模块化的变型设计原理；在此基础上 分析了模块化变型设计的一般过程，建立了适应变型设计系统的产品模型及模块化的变 型设计系统的功能框架； 第三章从功能模块划分到模块综合的角度分析了模块系统的规划过程；研究了基 于模块变型设计单元的模块管理技术；论述了基于模块变型设计单元的变型设计过程， 并构建了变型设计系统； 第四章实现了c b r 技术和产品树结构在模块化产品设计中的应用；开发了基于 p r o t o o l k i t 的产品参数化设计子系统； 第五章构建了满足产品变型设计的c a d 系统，并成功地应用于螺杆泵产品变型设 计中。 最后总结了全文的主要结论，并提出了进一步研究的设想。 关键词：模块，变型设计，产品设计，螺杆泵，c b r a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sar a p i dd e s i g ns y s t e mb a s e do nt h es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e so f t h et h e o r e t i c a lm e t h o d sa n dp r a c t i c a l t e c h n i q u e so f v a r i a n t d e s i g n a n dm o d u l a r t e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t so fd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h et r a d i t i o n a la n dm o d e mp r o d u c t sd e s i g nm e t h o d sa r ef i r s td i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r t h e nt h ek e yf u n c t i o no fv a r i a n td e s i g nm e t h o d sa n dm o d u l a rt e c h n o l o g yu n d e rt h em a s s c u s t o m i z a t i o na r ea n a l y z e dw i t has y s t e m a t i c a l l yo v e r v i e wo fc u r r e n tt h e o r i e sa sw e l la s m e t h o d so fv a r i a n td e s i g na n dr e s e a r c hs i t u a t i o no fm o d u l a rt e c h n o l o g y 2 t h eg e n e r a lp r o c e s so fp r o d u c td e s i g n i n gi sb r i e f l yr e v i e w e da tt h eb e g i n n i n g av a r i a n t d e s i g nm e t h o db a s e do n m o d u l a rt e c h n o l o g yi st h e ni n t r o d u c e df r o mt h r e e a s p e c t s ， i n c l u d i n gt h es t r u c t u r a lm o d e lo fm o d u l a rp r o d u c t s 、p l a n n i n gf o rp r o d u c tf a m i l yo fm o d u l a r m a t r i xa n dt h ep a t h sv a r i a n td e s i g n b a s e do nt h et h e o r e t i c a ll i t e r a t u r er e v i e wa b o v e ，a g e n e r a lp r o c e s si nm o d u l a rv a r i a n td e s i g n i n gi sp r e s e n t e da n dt h ee n a b l e ro fb o t ht h ep r o d u c t m o d e la n dt h ef u n c t i o n a ls t r u c t u r eo ft h em o d u l a rv a r i a n td e s i g ns y s t e ma r ed e v e l o p e d 3 t h ep l a n n i n gp r o c e s so fam o d u l es y s t e mi sd i s c u s s e di nt w oa s p e c t s ：t h ed i v i d i n g m e t h o d o l o g yo fo n ef u n c t i o n a lm o d u l ea n dm o d u l es y n t h e s i st e c h n i q u e s t h e nb yf o c u s i n g o no n em o d u l a rv a r i a n td e s i g nu n i t ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ev a r i a n td e s i g np r o c e s s a n dp r e s e n t st h em o d u l a rm a n a g e m e n tt e c h n i q u e 4 t h ei m p l e m e n t a t i o no fc b rt e c h n o l o g ya n dp r o d u c tt r e es t r u c t u r ei sr e p o r t e da p p l y i n gt o m o d u l a rp r o d u c td e s i g n as u b s y s t e mo ft h ep r o d u c t s p a r a m e t e r s y s t e mb a s e do n p r o t o o l k i ti sd e v e l o p e d 5 ac a d s y s t e mf o rv a r i a n tp r o d u c td e s i g ni sp r o p o s e da n ds u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e di nt h e d e s i g np r o c e s so fas c r e wp u m p k e yw o r d s ：m o d u l e ，v a r i a n td e s i g n ，p r o d u c td e s i g n ，s c r e wp u m p ，c b r 2 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，论文中小包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼理兰丕堂 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：厶詹签字日期：跏g 年 月t o 日 ，t 厶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼堡王太堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权丞洼堡王太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本和电子文件。 ( 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：马彪 导师签名： 一，1 签字日期：勋年月t o 日 签字日期：勿彩年，月，7 日 第一章绪论 第一章绪论 随着全球经济一体化进程的加快和中国加入w t o ，我国机械产品不仅要承受国内市 场的激烈竞争，而且要面临国外产品的猛烈冲击。制造企业为扩大竞争和生存空间，必 须增强产品创新能力、缩短设计周期、提高用户化程度，同时又要降低成本，保证质量 及良好的售后服务。以数字化、集成化、并行化、网络化为基础，以缩短产品设计开发 周期为目标的快速设计技术是使企业在市场竞争中占据有利地位的关键技术。本文主要 研究基于模块化的产品变型设计的理论、方法和技术，并开发支持变型设计的c a d 系统， 使企业建立产品快速设计及制造的响应机制，对提高企业的市场竞争力意义重大。 1 1 产品设计概述 设计是一个按照给定的规则进行综合的功能系统，此功能系统由功能元件构成。产 品设计的概念不仅包括各个零件的构型，也包括把这些零件总装成一个整体，为此，设 计的意义可理解为总装、布局、外形和结构造型，以及构思、创作想象和发明【1 1 1 2 。因 此，产品设计是一个面向目标的描述分功能的形成及把它们总装成为整体功能的过程， 也可以将产品设计看作是有步骤地分析与综合，不断从定性到定量的问题求解过程。 1 1 1 传统产品设计方法 传统的产品设计与开发过程，在不同的企业或者是同一企业内不同种类的产品是不 同的，但是这些过程的共性都是以顺序的任务方式进行的。过程被分割成串行的若干阶 段，下游阶段的启动需要以上一个阶段的结束作为前提，阶段与阶段之间具有较为明显 的停顿和交接，整个过程中信息及各领域产品开发人员间的意见交流仅限于毗邻的两个 阶段。这就决定了负责某一阶段开发的人员或小组只能从本领域相对狭隘的角度去看待 与己有关的产品开发阶段，并依据本领域的知识和工具去寻求解决问题的方法。德国学 者g p a h l 和w b e i t z 于7 0 年代提出了最具代表性、权威性和系统性的产品设计方法学p j 。 他们将工程设计过程主要分为4 个阶段：明确任务阶段，概念设计阶段，具体化设计阶 段和详细设计阶段。这个设计过程很典型地代表了串行的产品设计与开发模式。尽管各 大阶段具有信息反馈使产品设计更为全面和准确，但缺乏具体和有效的机制支持。 在实际开发过程中，除了来自市场的产品需求外，还存在着其他领域对产品设计的 要求，如可制造的问题、可维护的问题及生产成本控制的问题等。因此，当按以上过程 设计的产品面i 临制造时，修改和反复是不可避免的。通常迫于产品上市时间的压力，修 改是很有限的，而这种修改是无法彻底改变产品设计的某些基本缺陷的。 在传统的产品设计与开发中，过程只被看作是完成产品设计与开发的步骤，并没有 认识到过程对产品的最终指标一一产品上市时问t 、质量q 、成本c 和售后服务s 同样具 有决定性的影响。传统串行产品开发过程的弊端就是源自于过程自身设计的不合理上， 所以改进过程设计成为改进产品设计的迫切需求和有效途径之一。 1 1 2 现代产品设计方法 第一章绪论 现代设计方法大致可以分为面向型产品设计方法，拟实型产品设计方法和产品综合 平衡设计方法【4 】。面向型产品设计方法和拟实型产品设计方法分别采用不同的手段以达 到产品设计的目标，但各有利弊。所以，产品综合平衡设计方法力求取以上两类方法的 优点，使设计变得更优。 ( 1 ) 面向型( d e s i g nf o rx ，d f x ) 产品设计方法学 面向型产品设计是指面向产品生命周期的产品设计，其方法学为在产品设计初期， 全面、有效和清晰地表达产品生命周期内各阶段、各领域对产品设计的需求；在设计过 程中，除了满足产品对功能的最基本要求，还应在满足上述多种需求中取得折衷，求得 产品在其生命周期内最优化的设计方案，从而使产品在设计阶段就具有良好的可制造 性、可装配性、可维护性和可回收再利用等方面的能力。 d f x 方法可以看作是在并行考虑产品生命周期内多种需求情况下实施产品设计的 主要方法之一，其中x 代表产品设计中除功能要求外的其他需求，如制造性、装配性和 维护性等。d f x 涉及产品生命周期内的多个领域，因此各领域对设计提出的需求，即领 域知识的表达，和对设计知识的决策是实现d f x 的核心。除了目前研究较为深入的制造 设计( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ，d f m ) 和装配设计( d e s i g nf o r a s s e m b l y ，d f a ) 之外，还有 d f d ( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l y ) ，d f r ( d e s i g nf o r r e c y c l ea b i l i t y ) 大批量定制设计( d e s i g nf o r m a s sc u s t o m i z a t i o n ，d f m c ) 簿【5 】 s l 。 在问题求解时，面向型产品设计采用的基本方法是基于约束的设计方法，它最早起 源于人工智能领域，并成为广泛应用的有效工具。产品设计最终必须要满足的来自产品 生命周期的各种需求，在形式上可以表达为约束。面向型产品设计实质上是多个代表产 品生命周期内需求的约束条件剪裁设计空间，在满足约束条件的情况下，优化求解设计 空间的问题。设计空间表示传统意义上只有功能需求的产品设计可以活动的自由空间， 即设计问题域；当考虑其他设计需求时，加入约束条件若干，由约束1 到约束n ，使原设 计空间的自由度降低，不符合约束条件的设计方案被裁剪掉，最后剩下的是优化解域。 ( 2 ) 拟实型产品设计方法学 快速成形与制造技术限a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ) 是采用离散或堆积的成形 原理，自动且迅速地将c a d 信息转换为具有一定复杂结构和功能的实体成形零件，应用 于下列产品设计开发方面：设计验证，功能验证，可制造性与可装配性检验，供货询价 及用户评价等。其特点是能以最快的速度将设计思想转化为产品原形或直接制造零件， 使产品设计开发能进行快速评价、测试和改进，以完成设计与制造过程，适应市场的需 求1 9 j 。通常意义下，它是指物理模型的快速成形。但将此道理推广至虚拟环境中，建立 一个软件环境模拟和仿真产品设计、制造、装配，乃至其他后续阶段的功能，使设计的 零部件或产品在计算机上拟实地进行制造或装配，提供对设计的评估和修改意见。因此 将这种基于物理模型的快速成形方法和基于拟实模型的快速成形方法统称为拟实型产 品设计方法。通常从设计到制造所涉及的拟实模型有产品设计、工程分析、工艺规划、 装配、生产组织与调度、数控加工等。在产品设计时，需要随时根据设计的阶段性或部 分产品信息( 指不完备产品信息) 从拟实模型各自所处领域的角度出发评价设计的合理 性，并立即将评价结果反馈给设计者，辅助设计人员做出决策。通过这种设计评价 第一章绪论 再设计的不断循环，获得产品设计与过程的优化。 面向型产品设计方法通过设计系统和组织本身内在的机制考虑产品的使用功能、生 产及经营该产品各方面条件的可能性，以获取设计的优化，是一种基于结构化产品设计 知识与经验的演绎推理方法，其中关于产品及其开发过程的知识，包括过程各活动间相 关关系的知识，它们的作用显得尤为重要。而拟实型产品设计方法则是通过物理或拟实 模型对设计进行评估和修改，实现设计结果的最优，它是一种基于试验的方法。所以两 种方法之间存在着“理论定义”和“试验验证”的关系。 ( 3 ) 产品综合平衡设计方法学 面向型设计方法和拟实型设计方法分别从产品设计的内在结构和外部机制来保证 产品设计的质量，二者互为补充，相辅相成。产品综合平衡设计方法学就是力图综合以 上两种方法，兼顾它们的优点，弥补和削弱其单独使用时的缺点。 市场分析之后确定待开发的产品，功能需求启动产品设计。衡量产品设计的指标可 能有成本、质量和生产周期等，所以在设计阶段，必然涉及到影响设计指标的多种因素， 如产品结构、机床设备、_ i 装、刀具与量具、生产组织与调度，乃至生产人员的素质。 对这些传统意义上设计后续阶段的因素进行合理的建模，以设计约束的形式到产品设计 中，避免过多的设计反复和修改，提高设计的效率，这是面向型设计方法的优势。在设 计阶段无法评价的指标，设计过程中或完成后的产品信息传递给产品生命周期内其他领 域的拟实模型进行评估，对设计的修改意见及时地反馈给产品设计，以改进原有的设计 结果，这是拟实型设计的特点。面向型设计相对于拟实型设计更能反映产品设计的概念 和内涵，是产品设计与开发的基本方法。产品综合平衡设计方法则是利用以上两种方法 在“理论”和“试验”方面的各自特点，获得满足功能及各领域需求的产品最优设计输出。 1 1 3 现代设计方法的主要研究内容 现代设计就是用现代的、高科技的手段和技术来改造传统的产品设计方法，从而建 立起一套适用于现代社会的产品设计方法。其核心内容大致可分为以下几个方面： ( 1 ) 数字化：产品在其生命周期内的数字化建模是现代设计方法的关键技术之一， 它包括：全局产品的信息定义，要用计算机来支持产品生命周期的全过程，就必须用 计算机能理解的方式给出产品生命周期全过程的数字化定义：产品的数字化工具，即 广义的计算机辅助工具，它能将产品信息自动数字化；产品数据管理，即用计算机对 产品开发与生产全过程中的大量数字化信息进行全面的管理与控制。 ( 2 ) 并行化：它是在计算机软硬件支持的信息共享基础上，采用团队工作模式， 可在异地进行设计开发的一种现代设计方法与手段。它有助于实施强强联合，优势互补， 极大地提高企业的产品设计开发能力。 ( 3 ) 智能化：是指现代设计方法及技术中越来越明显的智能化倾向：它能使设 计开发人员不必了解设计开发低层的全部细节，而由计算机智能地设计并最终制造出合 乎要求的产品；设计系统具有自动获取新知识，并丰富自己的能力。 ( 4 ) 集成化：是指现代设计系统不再是单一的c a d ，c a m 或c a p p 系统，而是支 持产品生命周期全过程的现代设计集成系统。 第一章绪论 1 2 大批量定制生产概述 1 2 1 大批量定制生产模式 大批量定制生产是根据每个用户的特殊需求，以大规模生产的效益提供定制产品的 一种生产模式。其内涵可概括为企业通过技术和管理手段在成本和时间同大规模产品一 致的基础上实现对每个客户的个性化定制过程以及对企业问题从客户出发进行思考的 方式【。 传统的大批量自动化生产模式6 - 1 ，f o r d 模式1 在技术上和经济上的辉煌成就是无庸质 疑的，怎样继承和吸收他的先进技术和生产组织方式来解决个性化生产品的生产问题， 已经得到制造界的普遍关注。1 9 9 3 年，美国哈佛大学的b j o s c p h p i n e 系统的阐述了大规 模定制生产( m a s s c u s t o m i z a t i o n ) 的概念，并与d m a n d s e r s o n 合作论述了为大规模定 制生产开发敏捷产品的问题( 1 9 9 7 年) 。 大批量定制生产将定制产品的生产问题，通过产品结构和制造过程的重组全部或部 分转化为批量生产。对客户而言，所得到的产品是定制的、个性化的；对企业而言，该 产品是采用大批量生产制造的成熟产品。大批量定制生产实现了用户的个性化和大规模 生产的有机结合。由于它能够以过去不可思议的方式来满足当今市场的要求，所以正在 逐步成为信息时代企业的主要生产模式之一。 1 2 2 支持大批量定制生产的设计方法 面向大规模定制的产品设j , 十( d c s i g np o tm a s sc u s t o m i z a t i o n ，d f m c ) 将产品开发过 程分离为新产品丌发与变型设计两个阶段，在新产品开发阶段不是针对单个产品，而是 针对产品族进行设计。在面向大规模定制的设计中，一般采用模块化设计、成组技术、 并行设计、面向产品族等设计方法，大批量定制生产的思想与方法体系结构如图1 - 1 所 示。其中，模块化设计是实现大规模定制的基础技术。采用模块化设计，可阻以大批量 生产的成本实现产品的多品种、小批量个性化生产。对于机械产品而言，模块化设计是 生产的成本实现产品的多品种、小批量个性化生产。对于机械产品而言，模块化设计是 蚓i 1 大批量定制生产的思想与方法体系结构 第一章绪论 1 2 大批量定制生产概述 1 2 1 大批量定制生产模式 大批量定制生产是根据每个用户的特殊需求，以大规模生产的效益提供定制产品的 一种生产模式。其内涵可概括为企业通过技术和管理手段在成本和时间同大规模产品一 致的基础上实现对每个客户的个性化定制过程以及对企业问题从客户出发进行思考的 方式【1 0 】。 传统的大批量自动化生产模式( h ，f o r d 模式) 在技术上和经济上的辉煌成就是无庸质 疑的，怎样继承和吸收他的先进技术和生产组织方式来解决个性化生产品的生产问题， 已经得到制造界的普遍关注。1 9 9 3 年，美国哈佛大学的b j o s e p h p i n e 系统的阐述了大规 模定制生产( m a s s c u s t o m i z a t i o n ) 的概念，并与d m a n d s e r s o n 合作论述了为大规模定 制生产开发敏捷产品的问题( 1 9 9 7 年) 。 大批量定制生产将定制产品的生产问题，通过产品结构和制造过程的重组全部或部 分转化为批量生产。对客户而言，所得到的产品是定制的、个性化的；对企业而言，该 产品是采用大批量生产制造的成熟产品。大批量定制生产实现了用户的个性化和大规模 生产的有机结合。由于它能够以过去不可思议的方式来满足当今市场的要求，所以正在 逐步成为信息时代企业的主要生产模式之一。 1 2 2 支持大批量定制生产的设计方法 面向大规模定制的产品设计( d e s i g nf o rm a s sc u s t o m i z a t j o n ，d f m c ) 将产品开发过 程分离为新产品开发与变型设计两个阶段，在新产品开发阶段不是针对单个产品，而是 针对产品族进行设计。在面向大规模定制的设计中，一般采用模块化设计、成组技术、 并行设计、面向产品族等设计方法，大批量定制生产的思想与方法体系结构如图1 - 1 所 示。其中，模块化设计是实现大规模定制的基础技术。采用模块化设计，可以以大批量 生产的成本实现产品的多品种、小批量个性化生产。对于机械产品而言，模块化设计是 矧1 - 1 大批量定制生产的思想与方法体系结构 4 第一章绪论 实现大规模定制的前提和条件。 d f m c 的核心是开发一个和与设计过程集成的、面向大规模定制生产的产品族结构 ( p f a ) 作为统一的产品建立和传递过程模型。在产品变型设计中，产品设计是基于产品 族的设计，建立基于产品族的可变型的产品模型是实现快速满足客户定单的保证。 1 3 变型设计方法和模块化设计技术相关研究概述 尽管机械产品的种类繁多，用途各异，但其设计可以归纳为以下三种类型： ( 1 ) 开发性设计( 或称创新设计) 在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用已成 熟的科学技术或已证明是可行的新技术，设计出过去没有过的新型机器，这是一种完全 创新的设计。 适应性设计在原理方案基本不变的前提下，对产品作局部的变更或设计一个新 部件，使产品在质和盘方面更能满足使用要求，提高产品的技术、经济效益。 ( 3 ) 变型设计在工作原理和功能结构都不变情况下，变更现有产品的结构配置和尺 寸，使之适应于更多容量的要求。这里的容量的含义很广，如功率、转矩、加工对象的 尺寸、速比范围等。 在目前企业实际的设计工作中，大量存在的是变型设计，根据对企业的调查分析， 有7 0 以上的设计工作属于适应性设计和变型设计，只有很少一部分是创新设计。 1 3 1 变型设计的研究内容 变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计或设计计 划、做出特定的修改以产生一个和原设计相似，但在功能上或外观上具有创新意义的新 产品。这种修改一般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结 构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不 断变化的市场的要求。 变型设计的策略，即通过对成熟产品的变型设计，以充分利用企业的产品信息资源， 最大限度的控制新零件的种类和数量，并在加快整个生产周期的同时，有效的控制成本 和保证质量。即在产品设计原型的基础上，根据用户对产品的要求，选择合适的系列产 品或组合产品，并确定各标准模块尺寸。 根据产品的层次结构模型可以将变型设计定义为以下两种基本形式： ( 1 ) 横向布局结构变化：这种变型在不改变产品主要功能参数和结构配置的条件下， 利用横向模块发展变型产品，它是在原产品的基础上，运用变更或添加模块的方法形成 系列产品。 r 2 1 纵向稚局结构变化：主要是指产品的主要功能参数也要发生变化，随之产品的 尺寸规格、局部结构也发生变更。在对产品结构进行变型设计时，要求当产品的某个零 部件的参数和结构发生变化时，应能使设计变更意图在产品整个设计过程中有效传递， 实现产品的相关性设计。因此产品建模过程实际上是对设计知识、关系、经验提取和表 达的过程，所获得的产品设计模型不仅是设计结果的描述，更重要的是设计知识的描述。 5 第一章绪论 模型在一定的约束条件下快速地进行变型，可以为快速变型设计服务。 1 3 2 变型设计的理论和方法研究现状 变型设计是对已存在的设计的结构的局部调整和参数的修改，c a d 系统要支持这种 设计方法必须满足以下要求： ( 1 ) 提供维持原有产品功能、原理的方法和工具； ( 2 ) 提供对己存在的设计的有效管理和组织的手段，方便对设计的检索和存取； ( 3 1 提供对已存在的设计的快速修改的方法和工具。 目前存在的变型设计方法有：基于参数化技术的变型设计、基于变量化技术的变型 设计、基于模块化技术的变型设计、基于c b r 技术的变型设计和基于装配模型的变型设 计方法等。 1 基于参数化技术的变型设计【1 1 1 参数化技术是将结构模型与参数进行关联，有效地反映出参数的变化对结构 的影响，随着计算机技术发展，基于参数化实体设计工具出现，产生了变量化技 术，及时迅速地反映出设计过程中参数及几何约束对设计结果的影响。 参数化( p a r a m e t r i c ) 造型系统是一种尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) 系统。采 用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集相 联系，因此改变尺寸值就能改变图形。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约 束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。 参数化设计技术彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形 式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现 形状上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。 但是，在参数化系统中工程关系( e n g i n e e r i n g r e l a t i o n s h i p ) 如：重量、载荷、 力、可靠性等关键设计参数不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要 另外的处理手段。同时，参数化造型系统一般不能改变图形的拓扑结构，因此想 对一个初始设计做方案上的重大改变是做不到的，但对系列化标准化零件设计以 及对原有设计作继承性修改则十分方便。 2 基于变量化技术的变型设计l “】 变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。变量 化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修 改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。 变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和 尺寸约束，而不是像参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。 在大量新产品开发的概念设计阶段，设计者首先考虑的是设计思想及概念， 并将其体现在某些几何形状之中。这些几何形状的准确尺寸和各形状之间的严格 尺寸定位关系在设计的初始阶段还很难完全确定，因此在设计的初始阶段存在欠 尺寸约束。此外在设计初始阶段，整个零件的尺寸基准及参数控制方式如何处理 电很难决定，只有在获得更多具体概念时，一步步借助已知条件才能逐步确定怎 第一章绪论 样处理才是最佳方案。变量化设计提供了支持上述设计情况的解决方法。 除考虑几何约束( g e o m e t r yc o n s t r a i n t ) 之外，变量化设计还可以将工程关系作 为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另行建模处理。 3 基于c b r 技术的变型设计【1 3 】【1 q c b r 是在1 9 8 8 年k o l o d n e r 在第一届国际c b r 技术研讨会上正式提出的，从 n a v i n c h a n d r a 的c y c l o p s 一一第一个真正的c b r 系统开始。 c b r 的基本原理是把以前的实例按一定的方式组织起来，存储到案例知识库 中，即以实例知识库模拟人脑的记忆，按一定的组织方式存储一些过去的相关经 历( 实例) ，在求得新解时，通过检索实例知识库，找出与新问题相似的一个或几个 实例，当被检索出的实例与新问题的情况不致时，对旧的实例做出修改，以满 足新的情况或问题的解。因此c b r 是组合或修改已存在的设计结果，产生满足新 设计要求的新设计过程。它是一种类比推理方法，与人对自然问题的求解相一致。 在实际的产品变型设计过程中，设计人员一般会参照与当前设计任务相似的 样板和经验。当找不到相关经验与样板时，才应用一般设计法则和知识经过推理 与决策进行创造性设计。而以往的以专家系统技术为基础的智能设计系统，则是 以规则推理来实现智能设计的。研究表明真正的专家在设计时更加依赖的是设计 经验，而不是借助规则来进行设计的。因此，工程设计过程是基于实例的过程。 可以说，所有的设计问题都是面向实例的。经过多年的研究与实践，证明了c b r 在智能c a d 研究中的成功性。 c b r 推理技术具有如下优点： 4 ( 1 ) c b r 推理不需要精确的领域模型，因而知识的提取变成了一个收集实例的 过程： ( 2 ) c b r 推理的执行过程简化为确定描述实例的典型特征，这比产生一个精确 的模型或众多的规则要容易的多； ( 3 1 应用数据库技术，可以解决大量信息的管理问题； ( 4 ) c b r 系统能通过把新的知识转换为实例而实现自学习，这样使系统的维护 容易。 4 基于模块化技术的变型设计【1 7 1 1 ” 模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而性能用途不同的各模块的相互组 合而实现各种基型产品和变型产品。模块化设计包括模块的创建和模块的综合两个过 程。模块创建包括功能模块的划分过程和功能模块的结构设计过程；模块综合则是根据 具体设计要求，进行功能分解，并从模块集中选择合适的模块实现分解功能，并最终将 分功能模块组合形成产品。 模块化设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短，降低成本且提高产品的质量， 并可使产品具有很大的灵活性和适应性；能快速响应用户的多品种、小批量的需求，使 产品具有很强的市场竞争力。 童时中全面阐述了传统模块化的设计内容，认为模块化设计要依次三个层次进行， 即模块化产品系统设计( 系统分析阶段) ：模块系统设计( 详细设计阶段) ；模块化产品设 7 第一章绪论 计( 系统应用阶段) ：模块选择、模块综合。 1 3 3 模块化设计技术及其研究现状 1 模块化相关概念的研究现状 对于模块化设计，目前还没有公认的权威性定义。许多学者根据各自的研究，从不 同的角度对其进行了表述。 文献认为，模块化设计综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途和性能 的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计部分专用模块) 以迅速组成适 应用户不同需求的产品。 文献【l b l 认为：模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同 规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和 组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。 文献1 2 0 l 认为，模块是一组同时具有相同功能和相同结合要素，。而具有不同性能或用 途甚至不同结构特征，但能互换的单元，模块化设计是基于模块的思想，将一般产品设 计任务设计成模块化产品方案的设计方法。它包括两方面内容：一是根据新设计要求进 行功能分析，合理创建出一组模块一即模块创建；二是根据设计要求将一组存在的特定 模块合理组合成模块化产品方案一即模块综合。 u l r i c h l 2 1 l 提出模块化与设计中的两个特点紧密相关：1 ) 设计中功能域与物理结构域 之间的对应程度影响模块化的程度；2 ) 产品物理结构问相互影响程度的最小化。这两点 从设计学角度指出了影响模块化设计的基本因素，首先是在系统分析规划时，采用适当 的方法对设计过程中各个部分，尤其是产品的功能域、结构域以及二者之间映射关系的 合理分析，是模块化设计技术的关键影响因素。其次，要保证模块的功能、结构的相对 独立性，即将模块之间相互影响的因素尽量减小。 s u h t 2 2 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l j 设计参数域( d p ss p a c e ) 的映射， 即，【f r 】= 【a 】【d p 】，【a 】是设计矩阵。 p a h l 和b e i t z ”1 认为模块化设计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f 如尺寸、重量等1 基础上完成从模块功能域到模块结构域的映射，适应性功 能a d f 定义为基本模块，并将模块功能域的功能分为基本功能b f 、附加功能a f ，专用功 能c f 、用户定制功能s f 五类，相应地将模块结b m 、附加模块a m 、适应性模块a d m 、 专用模块c m ，用户定制模块s m 。 还有一些关于模块化设计概念的定义和研究，这里不再列举。就上述提法来看，基 本上都体现了模块化设计的特征和要点。 2 模块划分技术的研究现状 模块划分是模块化设计的前提和基础。模块划分是否合理，直接影响模块化系统的 功能、性能和成本。模块划分可以有不同的方法和层次，但一般主要从功能的角度进行 分析和讨论模块的划分问题。在功能分析的基础上，进行合理的功能分解，实现合理的 第一章绪论 模块划分，创建出满足特定功能的模块。 ge r i x o n 2 4 1 等提出了子功能为独立模块的1 1 个条件，作为模块划分的通用原则，并 建立模块识别矩阵( m i m ) ，据此对各功能载体进行聚类。p g u e 2 6 1 等提出了一种面向产品 生命周期工程多目标( 易于回收性、可升级、可重复用、重构等) 的模块划分方法，在进 行功能结构分析时使用模糊数学中权重的概念，为模块划分从定性转向定量提供了依 据。 t s e n g 和j i a o 2 1 提出了通过分析设计矩阵的模块识别算法，目的是在系统设计层 次上实现电子产品的模块化电路设计。他们通过设计矩阵表达了设计对象( 功能需求) 和 物理解决方案( 设计参数) 之间的影射关系，并成功地把成组技术和单元制造中相似问题 的算法应用于设计矩阵的聚类分析。 k u s i a k i ”1 研究了一种综合考虑成本和性能的产品模块化方法，依据s u b 的公理化设 计理论，系统分析了功能需求空间、模块化功能空间和模块部件空间之间的映射关系及 其分类。 以上几种模块划分方法主要是针对单个产品、沿着产品生命周期的历程分析进行 的，没有考虑用户需求对模块划分的影响。r o b e r tbs t o n e 印】提出一种用于产品架构开 发的功能模型定量化建模方法，将模型中各个子功能与能盘流、物流和信号流相关联， 并以客户需求程度为衡量尺度，建立需求、功能数据库，并将功能与需求的关系定量化， 由此作为模块划分与模块发展的主要依据。 t s a i 刈从并行工程的角度出发，在考虑设计加工、装配复杂性的情况下，将功能按 其在设计过程中的接口关系划分为不同类型的模块，并从中选出最优模块，然后根据模 块中信息，排定模块中各个功能的优先权，作为规划设计的依据。h s u a n 通过在部件、 模块、分系统、系统四个层次上分析产品模块化的可能性及其相应的接口约束，研究生 产中企业协作关系对于模块化的影响。 高广达p 1 1 用模糊数学的方法，在功能分析的基础上建立功能载体间相关度的入截矩 阵，根据该矩阵判断功能载体之间的聚合性，当天取值不同时，产生模块划分的多个方 案。陈永亮【3 2 】用超图( h y p e r 孕a p h ) 理论建立模块化产品布局及产品族的表示模型，并提 出了基于超图的模块识别模型。 3 模块组合技术的研究现状 模块组合就是选择合适的模块进行组合，以得到满足用户需求的产品。前苏联学者 3 3 】证明，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，他们使 用有向图来表示机床的布局结构，用图的顶点表示模块，顶点之间的边连接表示模块之 间的装配关系；把机床划分为动力部分和安装部分，分别用两个子图表示，通过对子图 上始点与终点问路径的分析确定可能的组合，g g r a d y “1 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。 模块接口的匹配是模块组合的重要条件，h i l i s t r o n | ”j 结合公理化设计原理和传统的 d f m a ( 面向装配和制造的设计) 方法进行了模块化设计的接口分析。 文献 3 1 1 提出了模块接口标准化及接口编码的一般原则与实施步骤。 9 第一章绪论 为了优化模块变型的数目，c h a n g ”1 引入了鲁棒设计。f u j i t a ”1 研究了面向产品族的 产品变型优化设计方法。陈敏贤等【3 8 】提出了基于模块编码的计算机辅助模块组合方法。 4 计算机辅助模块化设计的研究现状 模块化本身是现代设计方法之一，必须充分综合运用其它各种现代设计方法和手段 才能充分发挥模块化设计的优势。将计算机辅助技术与模块化技术结合起来的计算机辅 助模块化设计充分利用计算机辅助工具进行模块化产品的数据管理、分析产品设计需 求、求解模块化设计方案：通过c a d 系统构造模块结构模型，实现模块化产品的结构装 配；用。墟工具分析、优化产品动、静态性能。计算机辅助模块化设计的一般过程如图 1 2 所示。 图1 2 计算机辅助模块化设计的一般过程 进行计算机辅助模块化设计需要建立相应的计算机辅助模块化设计系统，以实现利 用相对简单的模块快速组成特定复杂产品的要求。文献嗍以加工中心的模块化设计为背 景研究了面向用户的计算机辅助机床模块化设计系统的框架。文献【3 1 1 对数控机床的虚拟 模块化设计进行了系统研究，建立了数控机床虚拟模块化设计系统。文献基于结构模 板参数化设计与变量化分析的液压机主机模块化设计，建立了液压机广义模块化设计系 统。 上述系统均以特定的c a d 平台为基础构造模块的结构模型和模块化产品的装配模 型，如文献【”1 以a u t o d e s k 的m d t 为平台，文献【加1 以p t c 的p r o e 为平台构造参数化的模块 结构实体模型。 计算机辅助工程的发展和在产品设计中的广泛应用，为定量评价模块及其组成产品 的性能提供有效的工具。c a e 软件与c a m d 系统的集成应用将使模块化设计水平发生了 质的飞跃。为了快速得到用模块组合的整机性能，z a t a r a i n 4 1 】开发了一种使用预先计算 的模块信息来计算机床整机静、动态刚度的方法。 1 3 4 模块化设计的优点 模块化设计在技术和经济上具有以下优点： ( 1 ) 节约设计时间，缩短供货周期：采用模块化设计方法，企业产品系列中以有 很多通用模块，在用户提出要求后，可全部用已有的模块或设计制造少量专用模块便可 第一章绪论 组成用户定货所要求的产品。例如德国s c h i e s s 公司，其机床产品采用模块化设计后， 从定货到供货一般只需四个月时间。 ( 2 ) 便于产品更新换代，发展新型产品：根据用户需求，设计新的功能模块，组 合成具有新功能的模块系统。用新技术设计功能好的模块，取代原有功能模块，发展性 能好的变型产品。 ( 3 ) 提高产品质量，降低生产成本。模块化不仅是设计方法的改革，而且推动整 个工厂技术、生产、管理及组织体制的改革。德国d e m a g 公司所设计的单梁吊，改用 模块化设计后，比单件设计费用下降了1 2 ，而且生产成本下降了4 5 。 ( 4 ) 便于维修：由于产品由相对独立的模块组成，因此，便于维修，必要时可更 换模块，而不致影响生产。 ( 5 ) 便于实现标准化功能模块：传统的标准化建立在零件级基础上，而模块化则 是根据产品的不同建立在模块级上的标准化，是一种趋向于宏观的标准化。他具有两个 特点：一是面向功能，而不是具体的形状、结构和制造上的标准化；二是注重结和面的 标准化，从而把标准化管理部分从细节中解脱出来，分层次、有侧重。 1 4 课题的提出 1 4 1 课题提出的背景 2 1 世纪的制造业必须以产品创新和技术创