（机械设计及理论专业论文）产品逆向工程中的概念结构及公差设计方法研究.pdf

摘要 摘要 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 ( 编号：5 0 4 7 5 1 2 9 ) 为依托，进行基于概念结构生长型设计的公差设计理 论和技术的研究。在这些理论和技术基础之上，实现了产品逆向工程中的公差求 解和优化。主要研究内容如下： 全面调研了国内外机械产品概念设计和计算机辅助公差设计研究现状，探讨 了机械产品计算机辅助概念设计和计算机辅助公差设计中存在的问题，阐述了本 论文的选题依据。 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 定位原理等基础理论的支持下，提出了基于定位模式并符合自顶向下设计思想的 生长型产品概念设计构思，建立了结构生长型设计模型，使用面向对象的编程技 术进行了系统实现。通过讨论功能、结构、尺寸与公差之间的关系，建立了公差 信息模型j 并将其与结构生长型设计相结合，构建了公差与结构同步设计的总体 框架。 在尺寸链自动生成方法的研究中，分别探讨了封闭环和组成环的确定及其尺 寸、公差信息的存储、获取，装配误差的确定及其配合信息的存储、获取，并论 述了公差分析和公差分配方法。依据产品逆向工程理论，讨论了公差求解和优化， 实现了产品逆向设计中的公差重构。 以k d 型打码机为例，对其进行了公差逆向求解和优化，验证了本文理论研 究与技术实施的正确性和有效性。最后，探讨了基于概念结构的生长型设计和公 差生长型设计应该进一步开展的工作。 本文工作对从事机械产品概念设计、尤其是机械产品的计算机辅助公差设计 系统的研究与开发工作具有重要的借鉴和指导意义。 关键词产品逆向工程；概念结构；公差设计；生长型设计 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ft o l e r a n c ed e s i g nb a s e do nc o n c e p t u a ls t r u c t u r e g r o w i n gd e s i g ni ss t u d i e db a s e do nt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t “s t u d y o nt h ed e s i g nt h e o r ya n da p p l i c a t i o no fs i m u l t a n e o u s ，s y n t h e t i c a la n de v o l v i n gd e s i g n o fp r o d u c tc o n c e p t u a ls t r u c t u r ea n dt o l e r a n c e ( n u m b e r ：5 0 4 7 512 9 ) o nt h i s g r o u n d w o r k , t h et o l e r a n c es o l v i n ga n do p t i m i z i n gi np r o d u c tr e v e r s ee n g i n e e r i n gi s r e a l i z e d t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w e d ： t h er e s e a r c hs t a t u so fc o n c e p t u a l d e s i g n o fm e c h a n i c a l p r o d u c t s a n d c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt o l e r a n c e si sc o m p r e h e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d , t h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nt h ec o n c e p t u a ld e s i g na n dc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt o l e r a n c e sa r ed i s c u s s e d , a n dt h er e a s o no ft h es u b j e c t s e l e c t i n gc o n s i d e r a t i o ni se l a b o r a t e d a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yb e t w e e np r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g na n db i o l o g i c a l g r o w t h , i ns u p p o r to ft h eb a s i ct h e o r yo ft h a t ：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 i t u t i o n ( d & r ) ，f u n c t i o ns u r f a c e ，g e n e r a l i z e dl o c a t i o np r i n c i p l e ，t h em e t h o d o fg r o w i n gc o n c e p t u a ld e s i g no fp r o d u c tw h i c hi sb a s e do nl o c a t i o nm o d ea c c o r d i n g t ot o p - d o w nd e s i g ni d e a si sp u tf o r w a r d , a n dt h eg r o w i n gd e s i g nm o d e li sc r e a t e d , t h e s y s t e mf u n c t i o n m o d u l eb yt h e t e c h n o l o g y o fo o ( o b j e c to r i e n t e d ) i s a c c o m p l i s h e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf u n c t i o n , s t r u c t u r e ，d i m e n s i o na n dt o l e r a n c ei s d i s c u s s e d ，t h et o l e r a n c ei n f om o d e li ss e tu pa n di ti sc o m b i n e d 谢t hs t r u c t u r ed e s i g nt o g i v eag e n e r a lf r a m eo fs i m u l t a n e o u sd e s i g no ft o l e r a n c ea n ds t r u c t u r e t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o nm e t h o do fd i m e n s i o nc h a i i li ss t u d i e d , w h i c hi n c l u d e s c l o s e dl o o pe o n f n r n a t i o n , s t o r a g ea n da c q u i s i t i o no fi t sd i m e n s i o na n dt o l e r a n c e 。 i n f o r m a t i o n ,u n i tl o o pc o n f i r m a t i o n ,s t o r a g ea n da c q u i s i t i o no fi t sd i m e n s i o n i n f o r m a t i o na n da s s e m b l ye r r o rc o n f o r m a t i o n , s t o r a g ea n da c q u i s i t i o no fa s s e m b l y i n f o r m a t i o n t h em e t h o d so ft o l e r a n c ea n a l y s i sa n dd i s t r i b u t i o na r ee x p a t i a t e d o nt h e b a s i so fp r o d u c tr e v e r s ee n g i n e e r i n gt h e o r y , t o l e r a n c es o l v i n ga n do p t i m i z i n gi ss t u d i e d , a n dt o l e r a n c er e c o n s t i t u t i o ni sr e a l i z e di np r o d u c tr e v e r s ed e s i g np r o c e s s i l l 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼邑鼍曼曼i i i 皇曼曼寰 a 皿e x a m p l eo fk d - t y p ec o d ep r i n t i n gm a c h i n ei sg i v e nt os h o wt h et o l e r a n c e r e v e r s es o l v i n ga n d o p t i m i z i n g ，t h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo f t h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d t e c h n i c a li m p l e m e n t a t i o na r ev e r i f i e d ，a n dt h ef u r t h e rw o r ko f c o n c e p t u a ls t r u c t u r ea n d t o l e r a n c eg r o w i n gd e s i g na r ed i s c u s s e df u l t h e r t h i st h e s i sh a si m p o r t a n tr e f e r e n c ea n d g u i d a n c ef o rt h ec o n c e p t u a ld e s i g no f m e c h a n i c a l p r o d u c t s ，e s p e c i a l l y f o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t w o r ko f c o m p u t e r - a i d e dt o l e r a n c ed e s i g ns y s t e m k e yw o r d sr e v e r s ep r o d u c te n g i n e e r i n g ；c o n c e p t u a ls t r u c t u r e ；t o l e r a n c ed e s i g n ； g r o w i n gd e s i g n i v 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己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：三牡日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 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) ：十一名：赶巫 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着世界经济的飞速发展和市场全球化，市场竞争日益激烈，降低产品成本、 提高产品质量和缩短产品开发周期已成为企业生存和发展的关键。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、敏锐的洞察力和快速 创新的产品开发能力。在这种背景下，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，企业必须具备快速创 新的能力：即在有限的时间内开发出高质量、低成本的新产品。 利用计算机进行机械产品的尺寸和公差设计是当前国际学术界研究的热门技 术之一，受到愈来愈广泛的重视。这是因为公差不仅影响产品的质量，而且对制 造成本起着决定性的作用。 现在的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。这种设计方式也多 依赖于经验，可能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。这样产品设计周期被无限延长，进而大大提高了产品的生产 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，它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【l 】。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( t o p d o w n ) 设计】。 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，进行基于结构生长型设计的公差设计理 论的进一步研究，从设计的源头开始考虑公差因素，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。目的是深 山东大学硕十学位论文 量皇曼曼曼曼曼曼量曼皇曼皇曼曼ii iii i 一_ _ i i 皇皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量曼量 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，期望取得重大交叉创新成果，促进理论与技术的发 展。 1 2 产品概念设计概述 产品设计是产品开发过程中最重要的环节之一，而概念设计处于产品设计的 早期阶段，目的是提供产品方案。有研究表明，产品全生命周期的成本在概念设 计阶段有7 0 8 0 被确定【4 】。概念设计不仅决定着产品的质量、成本、性能、可 靠性、安全性和环保性，而且产生的设计缺陷无法由后续设计过程弥补。同时， 设计的本质是创新，概念设计对设计人员的约束最少，具有较大的创新空间，最 能体现设计者的经验、智慧和创造力。因此，概念设计被认为是设计过程中最重 要、最关键、最具有创造性的阶段【5 】。 产品概念设计是产品设计中的关键阶段，其重要性体现在两个方面： ( 1 ) 概念设计阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市 场响应速度和速率等【6 】。有关资料显示，概念设计阶段实际投入的费用只占用产 品开发总成品的5 ，但它却决定了产品总成本的7 0 1 7 1 。 ( 2 ) 详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误。 概念设计有多种定义，较权威的有： gp a h l ，wb e i t z1 9 8 4 年在e n g i n e e r i n gd e s i g n 一书中将概念设计定义为：“在 明确任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等， 确定出基本求解途径，得出求解方案的设计工作【8 j ，。 mjf r e n c e 在c o n c e p t u a ld e s i g n f o ，e n g i n e e r s 中将概念设计定义为：“概念设 计是考虑设计问题的内容，并以方案的形式提出众多的解的设计阶段【9 】，。 广义的概念设计包含了从产品的需求分析到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。它将产品概念设 计看作通过产品建模探讨未知结构的方案设计及规划，采用功能功能、表面结 构的映射模式来表达装配零件与零件之间、零件与表面之间、表面与表面之间的 2 第1 章绪论 配合、联接、位置、尺寸的约束关系，最终得到产品实体结构。机械产品的概念 设计，是机械产品设计的前期工作过程，结果是产生设计方案，因此概念设计前 期工作包括对设计任务的理解和设计理念的发挥，构筑机械产品的总体框架0 l 。 概念设计的策略可归为如下两类【l l 】： ( 1 ) 设计过程要产生多个可能的解，经过分析、比较与评价，如果其中一个 解是一个较好的解，则将此解作为目标解，然后完成后续的设计内容。此类策略 依据了“以问题为中心( p r o b l e m f o c u s e d ) 的设计思想。该策略特别适合于新 设计，即产品或部件的核心技术采用了全新的原理。 ( 2 ) 设计过程只产生一个解，如果经过修改、完善与评价后，觉得该解是一 个较好的解则进行后续的设计，反之则重新寻找一个新解，如此反复直到找到一 个认为符合目标解的较好的解。第二类策略依据了“以产品为中心 ( p r o d u c t - f o c u s e d ) 的设计思想，即待设计产品的概念是对已有产品的工作原理 进行分析总结的基础上提出来的。该策略特别适于适应性设计及变参数设计，或 改进设计。 由于概念设计的重要性，产品概念设计过程是产品设计过程中最重要、最复 杂的设计阶段，同时这一过程又是最活跃、最富有创造性的设计阶段。因为这一 阶段中，设计人员根据用户的产品需求，在一定的、有规律的设计步骤和流程基 础上，根据已有的经验和知识，充分发挥想象力与灵感，进行创造性思维，从而 设计出符合用户需要的概念产品方案。 概念设计可以被描述为从需求到概念产品解的整个过程。这一过程是极其复 杂的，有时是极其漫长，为此将其分为几个子过程，如图1 1 所示。 图1 1 概念设计过程 与其它研究一样，概念设计的研究也是从建立模型开始。概念设计模型的研 究总的来说分为三个方面：概念设计过程模型、产品描述模型和系统模型。概念 3 山东大学硕士学位论文 曼! mnm m 量皇皇曼曼曼曼曼量鼍量曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼! 曼曼 设计系统模型一般是在设计过程模型和推理方法研究基础上建立的，通常有基于 知识、基于人工智能和基于协同设计系统模型等。产品描述模型从总体上看，对 产品的描述通常采用面向对象的方法，从不同方面对产品描述，是语言、几何模 型、图( 树) 、知识、图形和图像的多种模型集成。一般来说产品的描述可以从产 品功能、行为、结构等角度进行。 概念设计方法的研究已经从最初的功能推理，发展到6 0 年代的结构推理，现 在研究的热点是概念设计的自动化。典型的智能设计方法，有约束满足设计方法、 基于实例推理法、基于规则推理法、基于知识推理法、神经网络法、优化技术法、 价值工程法、定性推理法和并行工程法等1 1 2 1 。 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【1 3 1 ，在8 6 3 项目资助下，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 环境支持等问题。 山东大学的曹树坤博士【1 4 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。 陈洪武博士利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n t l 6 1 工程设计理论的工具。杨波博士【1 7 】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。 4 第1 章绪论 量皇鼍ii _ - i 皇量量量量量曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼皇曼皇曼曼曼量皇曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼 1 3 公差设计概述 1 3 1 公差设计历史和现状 十九世纪之前的观念，公差设计以支持设计者的功能需求为主，公差用于满 足客户所需之功能。随着生产技术的改善以及生活水平的提高，产品讲究品质， 同时因为大批量生产模式的普遍化，公差设计重点则在于支持大批量生产零件的 互换性，公差用于管理产品品质与零件之间的互换性。 随着计算机技术的飞速发展，1 9 7 8 年，英国剑桥大学的h i l l y a r d 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【l 引，他建议用数学方 程式来描述零件的几何形状( 即变量几何设计的前身) ，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 提出利用计算机化的尺寸链进行设计和制造公 差的控制【1 9 】，这是计算机辅助公差设计史上的第一个里程碑。1 9 8 4 年，k a r o l i n 首次实现了用计算机表达和分析“公差图，并进行工艺规程中的公差设计；同年， l o h n s o n l l 提出在计算机中表达尺寸和公差的方法。1 9 8 6 年，法国的f a i n g u r e l e m t 等人提出在c a p p 中进行公差分析的一整套方法，包括零件的定位误差和刀具的 磨损误差。到1 9 8 7 年，美国的t u r n e r 建立了一套具有一定实用意义的设计公差 分析方法，而a h m a d 同年提出用专家系统方法进行i s o 互换性配合公差的选择。 w e i l l 在1 9 8 8 年发表的论文被列为计算机辅助公差设计发展史上的第二个里程 碑。从1 9 8 8 年起计算机辅助公差设计的研究进入大发展期，有关公差研究的学术 论文大量出现，美国机械工程师学会和国际生产工程协会也开始组织各种公差专 题讨论会，同时出现了不少新的公差设计理论，以及一些关于形位公差设计及 c a p p 中公差分析方面的新理论。 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 i r p 中发表了大量学术论文。他们形成了 以c l e m e n t 的t t r 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 h a my o u n g 大学的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 gs 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取得了丰富的成果。该协会一直致力于基于 5 山东大学硕士学位论文 c a d 系统的公差分析软件的开发，成绩显著。 荷兰t w e n t e 大学的s 甜o m o m 等将研究重点放在实用化c a t 软件的研究上， 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，其实质是 t t r s 理论的实用化。 加拿大w m d o r 大学的e 1 m a r a g h y 教授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。 目前，国外一些大型c a d c a m ( i d e a s ，m a s t e rs e r i e s ，p r o e n g i n e e r ) 软 件已配有专门的公差分析模块，可进行装配公差和灵敏度的分析工作，国外市场 上也有专门的公差分析软件，但它们的功能都有待进一步完善。 国内亦作了不少工作，这些工作对计算机辅助公差设计的研究有着很大的推 动作用。目前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【2 0 】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，并发表了大量的学术论文。重庆大 学张根保教授【2 l 】进行了公差并行设计、分形公差理论等方面的研究。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。哈尔滨工业大学的马玉林教授和北京理 工大学的宁汝新教授等都对公差问题从不同的角度进行了深入的研究。 1 3 2 公差设计中有待解决的问题 公差设计牵涉到装配图中联结件的各种配合尺寸与非联结件尺寸的判别，牵 涉到各种配合尺寸的配合性质、精度等级及基准制的确定，也牵涉到装配尺寸链 的建立等许多工作，每一方面的计算机辅助，都需要建立数模，编制相应程序， 工作量很大。 6 第1 苹绪论 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 配方法的研列2 2 1 。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 4 本文研究内容与组织安排 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。 系统的调研了国内外概念设计研究和公差设计研究现状，阅读了这两个领域 大量的研究文献，并在山东大学杨志宏博士、孟庆波硕士的论文的基础上迸行了 深入研究，提出了在产品概念设计中的公差设计的概念；紧接着本文第二章论述 了基于概念生长型设计的产品逆向工程；在第三章中着重介绍论述了概念结构设 计中的公差理论，包括公差进化理论、版本管理等概念；在第四章中建立了逆向 工程中的公差模型，研究了公差设计过程和公差逆向求解优化；在最后将理论在 软件中实现，用实例进行了验证。 本文组织结构见图1 2 。 7 山东大学硕士学位论文 8 图1 - 2 论文组织结构图 第2 章基于概念结构生长型设计的产品逆向工程 第2 章基于概念结构生长型设计的产品逆向工程 2 1 产品概念结构的生长型设计 2 1 1 广义定位原理 传统六点定位原理只考虑了刚体在空间的静态定位，并未从结构设计角度考 虑如何实现限位，也没考虑受力和运动因素。因而，六点定位指导下的产品设计 过程难以实现自动化。广义定位原理在考虑刚体定位的受力和运动因素后，将传 统机械元素接触限位的方法扩展为包括摩擦力定位、变形表面定位、非接触力定 位( 重力、电磁力等) 的广义定位方法，并且认为机构零件在运动中的任一瞬时， 都可看作为静态的刚体团】。 在广义力的作用下，零件的6 个空间自由度全部得到限制；构成机械产品的 零件在四维空间( 时间和空间) 中都具有确定的位置，这就是刚体的广义定位原 理。广义定位是产品设计过程中一个非常重要的约束条件，是产品生长型设计的 理论基础。 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，进而实现零件的自动综合设计。 2 1 2 分解重构理论 这里的分解和重构是辨证的统一体，与传统的分解方法有本质的区别，称之 为“分解重构 & r 一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 ) 理论。 分解从理论上讲，物质是可分的，任何事物也都是可分的。但是，对于特 定的领域和特定的目的，分解的对象和层次需要认真分析与研究。对于产品设计 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设计内容分解为不同阶段，分解方式很多，如下为其中 9 山东大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼量詈曼曼曼曼詈曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼i i_ i 皇曼皇置 的一个分解方式： 先功能( 作用原理) ，后定性( 结构) ，再定量( 参数计算、优化) ； 功能设计专功能表面集专功能结构专功能零件专实体零件。 重构重构就是综合，对于创新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，系统完备性检验等都需要 重构技术。 在分解重构模型中，分解的对象都需要重新综合起来。在结构设计中，各独 立单元的功能与结构，例如功能表面，功能零件，功能产品都需在分解的基础上 重新构成。根据对象的关系类型，各独立单元的功能与结构可以分层逐步综合。 例如，功能表面专功能零件专功能产品的顺序重构。 2 1 3 功能表面和功能模式 ( 1 ) 功能表面 根据设计经验，零件表面的形状主要由平面、圆柱面、圆锥面、球面、渐开 齿轮面和螺旋面等组成。功能表面是指产品设计中承担功能结构信息映射的零件 表面。 功能表面具有3 层含义：它是产品结构中承担某一特定功能的表面，是产 品功能的范畴；它是一个几何表面，因此又属于产品结构范畴；功能表面是 个信息载体，它作为功能与结构的中间媒介，在功能与结构间有效地传递信息。 这样，就使得传统的功能结构映射转化为功能功能表面结构，从而更容易实现 功能与结构的映射。 功能表面按其定位作用可分为定位表面( 零件上对自身定位的表面) 和使定 表面( 零件上对其他零件定位的表面) 。不同的功能表面在结构中起到的定位作用 可通过等效限位点数来衡量，各种功能表面的等效限位点数见表2 1 。 表2 1 功能表面限位点数 l o ( 2 ) 功能模式 第2 覃基于概念结构生长型设计的产品逆向工程 对零件上的定位表面进行几何约束分析【2 4 ，2 5 1 ，找出实现零件完全约束的表面 组合，并保持其空间拓扑结构，形成一个功能模式( 结构一行为一功能【2 6 ，2 7 】) 。功 能模式是对常见零件定位方式的抽象。在设计过程中，它和使定表面一起重构成 功能零件，快速完成生长型设计和概念结构的表达。 功能模式就是从功能和定位的角度出发，从能实现相同功能的不同零部件中 抽象出，由一组定位表面组成的，集功能、结构于一身的一个几何模型。由于功 能模式是功能表面集，无论在功能描述，还是在结构表达上，都比功能表面更具 体，并且具有可分解性。它解决了功构映射多解性问题，能快速的实现概念方案 表达，实现产品由功能域到结构域的自动映射。功能模式与使定表面共同组成功 能零部件，它是功能零件的核心组成部分。每种功能模式都采用符合广义定位原 理的定位模式，完成了自身定位和功能传递。 对功能模式附以高层次的运动信息、制造信息等功能信息，分类如图2 1 所 示。 一一；雾 网l 倒邕_ 通过功能模式，就把各种各样的零件在定位功能的层次上进行了抽象。功能 山东大学硕士学位论文 模式能实现零件的广义定位，是设计过程中产品生长的基本单元田】。生长型设计 过程中引入功能模式时，需复制一套相同的模式与原模式同时生成，原模式中的 表面为定位功能表面，是新生成零件上的表面：复制出的表面为使定功能表面， 是其他零件上对新零件定位的表面。 为了使计算机表达产品方案更方便、更清楚、更详细，我们又分别将执行、 传动、结构、原动等四类功能模式分为多种。 2 1 4 生长型设计 生长型概念设计采用t o p d o w n 设计方式，借用生物生长的机理，把机械产 品的设计过程看作是类似于生命体生长的过程 2 9 1 。生长型设计过程以功能需求为 主线，是人脑思考过程在计算机软件系统中的重现。产品生长型设计过程模型， 见图2 2 。 1 2 功能原型a i 方案评价 知识库 确定功能原理a 2 曼燃罂h 弓磊磊 概念结构生长a 3if ”。“一厂1 。 更新功能结构a 4 卜叫功能结构库 燃警卜一赢i h _ _ _ _ - - o _x i y 。 ie 实体结构a 5ij 。“”一 方案评价与优选a 6 方案输出 图2 - 2 机械产品生长型设计模型 生长型设计按以下步骤进行： ( 1 ) 创建产品功能原型a l 生物体的生长从胚胎细胞分裂开始，逐步生成各 第2 章基于概念结构生长犁设计的产品逆向工程 个器官，多个器官构成生物体。生物体遵循特定的约束、按一定的规律生长并始 终显现为一个完整的生命特征体。功能描述了产品对某些作用对象的反应或作用 能力。功能原型是功能表面表达的最简单的产品初始结构，该结构是整个设计对 象的胚胎，具有产品预期实现的所有功能。功能原型是产品功能在c a d 系统中 的几何表达，类似于生物体的胚胎，虽然还不具备产品的外形、结构，但却完全 包含了目标产品的所有功能特性。 ( 2 ) 确定工作原理a 2 工作原理是功能向结构映射的依据，也是生长型设计 中选择功能模式的依据，类似于生物体细胞分裂遵循的规律。工作原理包含两个 方面的内容：物理规律和规律作用对象。物理规律泛指各领域的定理、定律和法 则，规律作用对象是指实现物理规律的实体属性，如零件的运动特性、几何特性 等。工作原理的不同决定了整个设计方向的不同，相应地能够得到不同的产品设 计方案。例如，要将匀速转动转变为直线匀速运动，依据共轭理论可得到齿轮 齿条机构，也可采用靠摩擦传动的皮带皮带轮结构实现。 ( 3 ) 引入功能模式，概念结构生长a 3 概念结构的生长采用引入功能模式的 方式进行。首先，从产品原型中找出实现某个功能的一个或几个功能表面，依据 选定的工作原理确定功能模式，该模式与这一个或几个功能表面重构成一个可以 实现相同功能的概念零件。相当于生物体经过细胞分裂生长出了某个器官。 ( 4 ) 更新功能结构a 4 功能结构设计是概念设计的主要任务之一。复杂机械 产品的功能结构是由多个功能模块逐步组合、进化而来的。复杂生物体也是依据 自然环境的变化，由简单的原核生物通过不断地进化而来。在生长型设计中，功 能结构的设计是随结构设计同步进行的。每个产品的功能结构都单独保存在一个 产品功能视图数据库中，每设计完成一个零件就更新一次数据库。在最初功能原 型所对应的初始功能视图中，每个功能表面都定义了其能够完成的产品的某些功 能( 运动、能量转换等) 。每生成一个新零件后，就查询方案评价知识库，获得该 结构方案所需的条件、产生的副作用和环境影响，并分别与当前设计者给定的条 件、约束和环境相比较，决定是否引入新的功能。 重复操作( 1 ) 一( 4 ) 步，直至得到满足目的功能的概念结构。将此功能表 面表达的概念结构通过实体库匹配为实体结构a 5 ，并进行方案评价与优选a 6 ， 山东大学硕士学位论文 最终得到产品设计方案。 产品结构从功能原型开始，由简单到复杂，由模糊到清晰，所包含的信息呈 开放式膨胀。对于复杂机械产品要综合考虑运动、材料、制造、环保等多方面的 信息，经多次的、反复的设计，才能最终获得功能和结构都较为合理的方案。 2 2 产品逆向工程 2 2 1 产品逆向工程概述 逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同。它是根据已存在的产品或零 件原型构造产品或零件的工程设计模型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解 和改进，是对已有设计的再设计。其主要任务是将原始物理模型转化为工程设计 概念或产品数字化模型：一方面为提高工程设计、加工分析的质量和效率提供充 足的信息，另一方面为充分利用c a d c a e c 舢订技术对已有的产品进行设计服 务。 逆向工程通常是以项目方式执行模型的仿制工作。往往一件拟制作的产品没 有原始设计图文件，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头， 请制作单位复制出来。传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制 作出一比一成等比例的模具，再进行量产。这种方法为模拟式( a n a l o gt y p e ) 复 制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改，已渐渐为新型式数字元 化的逆向工程系统所取代。目前所称的逆向工程是针对现有工件( 样品或模型) 利用3 d 数字化量测仪器准确、快速的将轮廓划坐标量得，并加以建构曲面、编 辑、修改后，传至一般的c a d c a m 系统，再由c a m 所产生刀具的n c 加工路 径送至c n c 加工机制作所需模具，或者送到快速成型机( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 将 样品模型制作出来，此流程称为逆向工程。图2 3 所示为逆向工程的基本流程图。 随着时代的进步，计算机软硬件的持续发展，使得3 d 计算机辅助设计及制 造有了快速的进步，并在工业界被普遍使用，尤其在医疗界及模具业的使用上更 是有惊人的改变。3 dc a d c a m 大量简化了模具开发的时间，故在产品开发及自 动化生产上已有着举足轻重的地位。 1 4 第2 章基于概念结构生长型设计的产品逆向工程 曼曼曼曼曼曼皇詈蔓詈曼曼曼曼量曼曼量皇曼曼鼍曼曼曼鼍舅。一一 一 ；一 一 一一一i i i 皇蔓 样品 量产 3 d 轮廓 测量 模具 成型 资料 处理 模具 加工 r p 快速 处理 c a d 曲面建模 c a m 产生 n c 序列 逐层产生 s t l 图2 - 3 逆向工程流程图 外形 修改 随着工业技术不断的提升和产品需求的多样化、复杂化以及产品生命周期缩 短，如何在最短时间内完成产品设计与制造，掌握市场的先机，成为工业界重要 的课题。然而并非所有的产品均有设计图纸，有些产品的外型可能是手工制作出 来的造型近似的模具，其中的过程十分烦琐复杂且无法产生三维c a d 数据。为 了克服这些问题，逆向工程技术应运而生。 应用逆向工程技术可快速完成产品的设计与制造，并可应用于汽机车零组件、 运动器材、医疗辅具、家电用品、玻璃、木鞋模、高尔夫球头及陶瓷制品、快速 原型制作( 如精密铸造产品、工业造型设计等) 、人体形状量测( 如人头像、人造 腿骨、齿模) 、复杂曲面量测等。 传统意义的逆向工程是针对现有工件( 样品或手工模型) 利用3 d 数字化量 测仪器准确、快速的将轮廓坐标量得，并加以建构曲面、编辑、修改后，传至一 般的c a d c a m 系统，再由c a m 所产生刀具的n c 加工路径送至c n c 加工机制 作所需模具，或者送到快速原型机( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 将样品模型制作出来，再 利用快速模具技术进行小量多样的翻制。 使用快速原型技术【3 0 1 ，即是在c a d c a m 系统中建构封闭的3 d 实体模型， 并确保所有水平截面均为封闭。再将3 d 实体模型转为s t l 格式，即以多个三角 形来趋近模型曲面。曲率变化大的模型需要较多的三角形，故s t l 的档案会较大。 山东大学硕士学位论文 暑曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼i i ；i 一曼i | | 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼置 快速原型机的计算机中有s t le d i t o r ( s l i c i n gs o i t w a r e ) 可将模型切割成薄片， 并分析其截面积。该截面积将透过液体或粉末的固化或着将固体薄片粘接而堆栈 成型。 国内厂商在产品研发、设计流程及生产方式上大部分源始于o e m ( o r i g i n a l e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ，原始设备生产商) 再到o d m ( o r i g i n a ld e s i g n m a n u f a c t u r e r ，原始设计制造商) ，然后再逐渐建立自我品牌，因此逆向工程一直 是国内企业研发设计的主轴，让企业界发挥更广的设计创意，提升设计的质量与 能力，缩短产品研发设计周期，加快产品上市的速度，有助于企业掌握市场商机 及全球化的竞争优势。 综上所述，产品逆向工程有如下的特点： ( 1 ) 创新性：作为反求工程，顾名思义具有还原创新的延伸功能和含义。这 里逆向不要求完全按人类思维过程，而是根据成功地设计结果，重构直接而高效 的设计过程，以指导和启发新产品改进与创新设计。 ( 2 ) 难度大：作为产品反求，主要问题在于没有设计数据；产品逆向设计是 对设计思维过程的重构；由于设计