（机械设计及理论专业论文）基于特征零件结构并行设计技术研究.pdf

摘要 摘要 本文密切结合现代零件设计和制造过程中所关心的瓶颈问题，在教育部 9 8 5 基金项目“三维虚拟机械产品开发自动化平台构建理论研究”资助下，以 典型零件为例，建立了基于特征零件结构并行设计系统j 提出了运用特征技 术进行零件结构并行设计的新方法。主要研究内容如下： 口从并行工程的理论出发，构建了基于特征的零件结构并行设计环境，分析 并指出了其关键技术，建立了整个零件结构设计系统的总体框架和设计流 程，阐述了该系统在三维机械虚拟创新设计中的重要地位和作用。 口重新赋予设计特征、制造特征、工艺特征和评价特征新的含义，并首次提 出了中性特征的概念。通过功能需求与应用特征间的分层映射关系将概念 化的需求特征转化为具体的结构形状和约束，进而利用广义布尔运算将映 射后的特征根据约束关系进行具体零件结构建模。 口在设计特征和制造特征之间首次提出一种混合特征映射机制。即对于设计 域中的形状特征与制造域中的加工形状特征，采用直接映射机制。而对于 制造过程中所需使用的非几何信息则采用以中性特征为桥梁的间接映射 机制。从而为c a d c a p p c a m 集成提供完整的设计信息。 口首次将一种非线性的工艺规划方法一a 0 s 树理论应用于箱体类零件，用 a o s 树的结构形式完整表达工艺规划所需的工艺特征信息集，通过对a o s 树进行整合和遍历，获取待加工零件的工序、工步以及加工过程中所需要 的制造资源。为后续零件的可制造性评价奠定了坚实的基础。 口首次将层次分析法( a h p ) 用于机械零件的多目标优化过程中。针对可制造 性评价函数所涉及的多因素和量纲不统一问题，分别建立各评价因素的线 性归一化的目标函数，运用a h p 方法确定各评价因素的权重因子。据此， 将权重因子和各分目标函数带入统一的评价函数，得出最优目标值，并以 此确定出最优设计方案。 口自主开发了一套适用于箱体类和轴类零件设计的软件系统。该系统以 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统为依托，运用v c + + 6 0 编程工具实现了基于特征 的零件并行设计，并对s o l i d w o r k s 2 0 0 0 参数化造型平台进行二次开发实现 了系统的实体造型功能。 关键词：并行设计特征映射a h p 特征多目标优化可制造性评价 a b s t r a c t a b st r a c t a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so fa d v a n c e dp a r t d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，a n ds o m er e p r e s e n t a t i v ep a r t s a se x a m p l e s ，af e a t u r e - b a s e dc o n c u r r e n t d e s i g nm e t h o d o l o g y i sp u tf o r w a r da n das y s t e mf o rp a r ts t r u c t u r ei sb u i l tu p a l l t h e s ew o r k sa r e s u p p o r t e db y “9 8 5 ”p r o j e e l f u n d o fm i n i s t r yo fe d u c a t i o n ， r e s e a r c ho ht h ee x p l o i t a t i o no f a u t o m a t i cs y s t e m f o r3 dv i r t u a lm e c h a n i s m t h e m a i no u t c o m e si nt h i sp a p e ra r es t a t e da sf o l l o w s ： af e a t u r e b a s e dc o n c u r r e n td e s i g nc o n d i t i o nf o rp a r ts t r u c t u r ei s g i v e no nt h e b a s i so ft h ec o n c u r r e n te n g i n e e r i n gt h e o r y m o r e o v e r , s o m ek e yt e c h n o l o g i e sa r e a l s oa n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l ya tt h es a m et i m e ，t h e n ，t h ef r a m e w o r ka n d p r o c e d u r e o ft h ew h o l es y s t e ma r eb u i l tu p r e s p e c t i v e l y a tl a s t ，t h es t a t u sa n df i m c t i o n so f a b o v e s y s t e m o nt h e3 dv i r t u a lm e c h a n i s mc r e a t i v e d e s i g n a r ed i s c u s s e d e x t e n s i v e l y t h ef e a t u r e so f d e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ，t e c h n i q u e a n de v a l u a t i o na r e r e i n t e r p r e t e da n dan e w k i n do ff e a t u r e t h a ti sn e u t r a lf c a t u r e 、i sd e f i n e df o rt h e f i r s t t i m e 。t h r o u ：g h t h ed e l a m i n a t i o n m a p p i n ga m o n g t h e s e f e a t u r e s ，t h e n o n f i g u r a t i v er e q u i r e m e n t c a l lb et r a n s f o r m e di n t o3 ds t r u c t u r e s h a p e s a n d c o n s t r a i n t s a f t e rt h a t g e n e r a l i z e db o o l e a no p e r a t i o ni su s e dt ob u i l dt h ed e t a i l p a r tm o d e l w i t ht h ec o n s t r a i n t s am i x e dm a p p i n g m e t h o d o l o g yi sp u tf o r w a r db e t w e e nt h ed e s i g nf e a t u r em a d m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ：t h ed i r e c tm a p p i n gi su s e df o rt h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e n t h es h a p ef e a t u r eo fd e s i g nf i e l da n dm a n u f a c t u r i n gf i e l d ；t h ei n d i r e c tm a p p i n g b e t w e e nt h ed e s i g nr e g i o na n d m a n u f a c t u r i n gr e g i o nt h a ti sb r i d g e db yt h en e u t r a l f e a t u r ei su s e df o rt h en o n g e o m e t r yi n f o r m a t i o nm a p p i n g s ot h ew h o l ed e s i g n i n f o r m a t i o nc a nb ep r o v i d e df o rt h ec a d ，c a p p c a m a o st r e e ，an o n l i n e a rm e t h o d o l o g yf o rp r o c e s sp l a n n i n g ，i su s e di nt h eb o x p a r td e s i g nf o rt h ef i r s tt i m e i tc a nd e p i c tt h ed a t ao fp r o c e s sp l a n n i n gp e r f e c t l y a f t e r s e a r c h i n g t h ed e t a i la o s t r e e ，t h ew o r k i n gs t e p ，p r o c e d u r e a n d m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ec a nb e c a l c u l a t e da t 也es a m et i m e t h u st h es o l i d f o u n d a t i o nf o rt h em a n u f a c t u r i n ge v a l u a t i o no f p a r ti sl a i d ， a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) m e t h o di s u s e di nt h e m u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nf o rp a r ts t r u c t u r ef o rt h ef i r s tt i m e f i r s t 。b e c a u s ea l lt h ef a c t o r sw i l l a f f e c tt h ee v a l u a t i o nr e s u l ts i m u l t a n e o u s l y , d i f f e r e n ts u b - o b j e c t i v ef u n c t i o n sa r e b u i l t u p f o rd i f f e r e n tm e a s u r ef a c t o r s t h e n ，a h pm e t h o di su s e dt oc o n f i r m w e i g h t i n gc o e f f i c i e n t s o ft h ee v a l u a t i o nf a c t o r s f u r t h e r m o r e ，w e i g h t i n gf a c t o r s a n ds u b o b j e c t i v ef u n c t i o n st h a ta r en o r m a l i z e dl i n e a r l ya r et a k e ni n t oe v a l u a t i o n i i a b s t r a c t f u n c t i o n a c c o r d i n gt oa b o v ef u n c t i o n ，t h ee v a l u a t i o nr e s u l tc a l lb er e c e i v e d ，a n d t h eo p t i m i z e ds c h e m eo f p a r ts t r u c t u r ec a l la l s ob eg a i n e d af e a t u r e b a s e dc o n c u r r e n td e s i g ns o f t w a r ei s d e v e l o p e df o ra x i a la n db o x p a r t s t h i ss o f l w a r ei s r e l i e do nt h ew i n d o w s2 0 0 0a n dv c + + 6 0 a n dt h e3 d m o d e l i n gf u n c t i o no ft h es o f t w a r ei s b u i l do nr e d e v e l o p i n go ft h es o l i d w o r k s 一 2 0 0 0 k e y w o r d s ：c o n c u r r e n t d e s i g n f e a t u r em a p p i n g a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s f e a t u r e m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o n i 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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。 学位论文作者签名签字日期：鲫多年f 厶月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘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印件和磁盘。 ( 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 签字日期：舯；年似月日 导师签名：王玉系斤 签字日期：如0 6 年肛月曰 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入2 1 世纪，经济全球化浪潮扑面而来。虽然世界已经跨过了信息社会 的门槛，但其载体仍然是制造业。制造业是一个国家综合国力的重要体现， 是国民经济的发动机、对外贸易的支柱和国家安全的保障，是实现工业化的 源泉和现代化的原动力。高度发达的制造业特别是装备制造业和先进的制造 技术，已成为衡量一个国家竞争能力的标志【1 】。鉴于此，我国己将制造业的振 兴当成经济发展的热点问题，但其面临的形式却十分严峻，制造业总体水平 与发达国家相比，还存在较大差距，已成为制约我国经济发展的瓶颈问题之 。为了解决这一问题，这就需要进一步提高制造业的技术创新能力、市场 快速响应能力和市场开拓能力。其核心主要表现为产品更新换代快、质量好、 价格便宣、产品的技术含量高和与之配备的服务完善。以上所述对产品而苦 可归结为时间t ( t i m e ) 、质量q ，( q u a l i t y ) 、成本c ( c o s t ) 和服务s ( s e r v i c e ) ， 它们是制造业一个永恒的研究主题，是企业不断追求的一个目标。而它的实 现离不开先进制造技术这个基础，随着知识经济时代的到来，以信息技术为 主导的高新技术为制造业的发展提供了极大的支持，并推动着制造业的变革 与发展，基于现代化特征的数字化、网络化、虚拟化、集成化和绿色化计算 机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m c i m s ) 技术的应用 及产业化是最重要的组成部分。其中，并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g c e ) 就是先进制造技术中的一种，它是针对企业中存在的传统串行产品开发方式 的一种根本性的改进，是一种新的设计哲理与产品开发技术。机械产品的并 行设计符合工程领域专家群相互合作的思维活动形式和生产组织模式的需 要，其设计思想要求设计人员在产品的设计阶段要考虑产品的制造、装配、 质量、成本、使用维护等方面可能涉及到的影响因素，力争缩短产品开发周 期，降低成本。故并行设计技术一直成为先进制造技术领域的一个重点研究 前沿课题。 据此，本论文结合教育部9 8 5 资助项目“三维虚拟机械产品丌发自动化 平台构建理论研究”，以典型零件为例，对其进行基于特征的结构并行设计技 术研究。 第一章绪论 1 2 并行工程 1 2 1 并行工程概述 并行工程是于1 9 8 8 年根据美国国防分析研究所发表的著名的r 一3 3 8 报告 来定义的。该报告认为并行工程是对产品及其相关过程( 包括制造和支持过程) 进行并行集成设计的一种系统化的工作模式，该工作模式使产品开发人员从 一丌始就考虑从概念形成到产品报废整个产品生命周期中的所有因素，包括 质量、成本、进度和用户需求等1 2 - 3 】。并行工程强调在产品生命周期的各个阶 段中，产品设计最为关键，它包括产品结构设计和工艺设计，该工作对制造 和装配等各个环节具有决定性的影响作用。研究表明产品全部开发费用的 7 0 8 0 是直接或间接由产品设计阶段所决定的。为此，目前并行工程所研究 的主要是强调在产品设计中，将市场、功能、结构及工艺等因素同时加以考 虑，并以团队机带1 ( t e a m w o r k ) 的形式来保证产品设计各阶段间的全局观，减 少设计的更改、重复和返工。零件设计作为产品开发的重要环节，除需要先 进的技术工具支持且与其它环节集成之外，还需要考虑按照并行设计的思想 来规划零件设计的全过程，并协调与其它环节的关系。从功能设计、结构设 计到工艺设计的每一阶段都需要顾及其它阶段设计的因素，进而形成一个面 向并行工程的产品设计环境。 1 2 2 并行工程的关键技术【2 。4 】 并行工程犹如盒字塔的塔尖，组成其塔身的是支持并行工程的关键技术。 如：过程重构技术、组织结构、产品数据管理系统p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ) 、d f x 和协同工作环境等。而支持这些技术的最底层则是其理论 研究的焦点。如：c a x 、数据交换标准、特征技术、数据管理技术、人工智能 技术、司制造性评价技术、数控加工仿真技术和网络技术等。并行设计及与 底层支撑技术的关系如图1 1 所示。其关键技术主要包括以下内容： 过程重构：将产品开发的各个活动视为一个集成过程，从全局优化的角度 对该集成过程进行集中管理和控制，并对已有产品开发过程不断的进行改 进和提高。 组织结构：主要是打破传统部门之间的界限，组成跨部门多专业的产品丌 发团队。 产品数据管理系统p d m ：因为在产品的设计过程中将会产生大量的数据、 图形和文件，故为了保证不同设计阶段设计信息一致性，必须按产品结构 2 第一章绪论 配置的思想，对数据、文档、工作流和版本进行全局管理和控制。 d f x 技术：其中x 代表生命周期中的各种因素，如制造、装配、拆卸、检 测、维护和支持等。面向装配设计( d f a ) 与面向制造设计( d f m ) 是并行工 程的关键技术，它能使设计人员在早期就要考虑设计决策对后续过程的影 响。d f x 是近年来并行工程研究的难点和热点之一。 协同工作环境：主要是支持协同工作的网络与计算机平台。 图1 1 并行工程的组织结构 由图1 1 可知，并行工程是一种系统化的技术模式。它强调产品的生命周 期从需求分析、概念设计、初步设计、 个相关阶段过程的集成、并发与优化。 详细设计、生产制造、产品支持等各 要实现并行产品开发，就必须采用各 种计算机辅助工具，通过数字化产品模型的定义，在产品数据管理技术的支 持下，实现各个团队间的协同工作及各阶段、各部门间的过程和信息集成。 因此，作为并行工程的基础c a x 技术，数据交换标准，特征技术，数据管理 技术，可制造性评价技术等已成为推动并行技术发展的关键所在。 掘此，针对上述关键技术，将分别从基于特征的设计技术、制造特征的 获取技术、计算机辅助工艺设计技术、面向并行工程的零件可制造性评价技 术等方面对国内外研究现状进行分析。 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 基于特征设计技术 1 特征的定义1 ”。1 “ 特征包含几何信息和非几何信息。从设计观点来看，传统的特征是由几 何及其拓扑元素组成的形状信息集；从制造观点来看，特征是表示与制造相 关的形状和技术属性；若基于构造c a x 集成化产品信息模型为目的，并从并 行工程的观点看，特征的内容主要包括形状特征、精度特征、装配特征、材 料特征、性能分析特征和附加特征等。 由此可知，特征是构成产品描述的形状、参数、属性和性质表达的信息 集，在不同工程活动中，特征的形式和内涵不同，并且可以识别、混合、转 换，且在各种应用中能覆盖该项应用的全部要求。 2 基于特征建模技术 1 8 - 2 8 】 传统的特征建模技术仅指特征造型技术，即以实体模型为基础，用具有 一定加工概念的特征作为造型的基本单元，建立零部件的几何模型。如目前 商用软件中m d t s o l i d w o r k s ，s o l i d e d g e s 等均提供这种造型方法。其优点是 可按照用户所熟悉的方式进行设计，而缺点在于建立的信息模型仅限于几何 与拓扑信息，面向加工的信息还很少。主要表现在： 集成度差。因为c a d 和c a p p 等系统是分别研制的，系统间无统一的通 信标准，易造成信息“孤岛”，故无法实现信息的完全共享与交换。 数据少。因为当前的c a d 系统仅涉及产品的几何和拓扑信息，缺乏公差、 材料和表面质量等在c a p p c a m 阶段使用的信息，故不能满足后续工程 对信息的需求。 信息层次低。因为实体造型描述的仅限于几何外形的设计和表示，缺乏产 品设计及加工过程中需要描述的功能结构、形状特征、设计基准和质量属 性等高层次信息。 基于特征设计技术是在原有特征造型技术基础上发展而来的，是解决当 前c a x 集成的最主要途径。随着网络技术的发展，特征技术被认为是解决 i c a dr i n t e r n e t b a s e dd i s t r i b u t e dc a ds y s t e m ) 数据共享、传输速度的关键技 术。基于特征的零件信息建模技术采用了具有一定工程意义的特征作为基本 构造单元，使得整个信息模型具有丰富的语义，而且还可提供高层次的产品 第一章绪论 信息来完整地、全面地描述产品，是一种连接工程知识和几何信息的工具。 3 基于设计特征的设计 基于设计特征的设计是传统意义上的特征建模，它运用一系列具有一定 功能的特征经过布尔运算形成零件模型，故该方法也可称之为特征拼合法【”】。 该方法可以准确地捕捉设计者的设计意图，通过提供的用户自定义特征功能 使设计者以高效率完成专业性较强的设计工作。 s m o t a v a l l i 【2 9 】认为基于特征的设计技术是c a d 和c a m 集成的关键， 利用面向对象的方法将对特征的定义和操作进行封装，从而便于用户利用特 征进行设计、造型和制造。 gb r u n e t t i 3 0 1 运用基于特征的设计技术将概念设计阶段、结构设计阶段 和详细设计阶段等涉及产品整个设计过程的数据集成，解决了概念设计阶段 产品的数据表达和计算机处理方法，从而有力支持了并行设计过程。 t b a c h m a n nt 3 1 1 运用基于特征的方法进行机械产品的结构设计。通过将 特征数据的扩充与完善不仅将基于特征的方法用于零件的几何形体设计而且 还可用于产品的整个设计过程。此外，对于特征的处理技术也不仅仅局限于 几何特征的生成、删除和修改。 4 基于制造特征的设计 基于制造特征的设计可直接采用制造特征来设计零件模型，该方法模仿 零件的加工过程，从零件的毛坯上逐步去掉制造特征，最终形成零件的特征 模型。其中最具代表性的当属k u s i a k 教授提出的体积分解法。 k u s i a i 【3 2 3 4 1 提出的体积分解法实质是基于制造特征进行零件的设计，该 方法利用预从毛坯上切除一定体积的材料来表达一个零件，而不是用几何特 征来表达。它将零件看作是由毛坯经切除一定数量的材料而成，而且通过对 被切除的材料体积的不同分解方法形成不同的加工方案，即每种加工方案所 导致的切削成本、刀具使用成本和夹具使用成本不同，并以此确定最佳加工 方案。然而值得指出的是该方法仅应用于规则的几何形体，尚未见其用于复 杂零件形体。 j i a n d o n g 3 5 】在k u s i a k 教授研究的基础上提出了基于制造特征的体积分解 优化方法。他认为体积分解的最基本单元是在一次走刀过程中所切削掉的材 料体积，而制造特征就是这些切削单元的不同组合，不同的组合就会导致不 同的加工成本和制造资源。为此，该研究运用退火算法和神经网络算法分别 第一章绪论 对由切削单元组合成制造特征进行优化计算，找到制造成本最低的晟佳制造 方案。 5 存在的问题 虽然很多学者在特征技术研究方面做了大量而卓有成效的工作，并取得了 很高的学术成就，但是需要说明的是他们研究的重点还仅限于设计和制造两个 孤立的领域。因此，产品设计与制造间缺少一定的联系，不利于产品的可制造 性评价和实施并行设计；另外，因为设计特征与应用特征间没有特征信息的转 换，故无法实现信息集成。 换而言之，特征设计虽然可为c a p p ，c a m 等后续工作提供足够的工艺 信息，但因c a d 与c a p p 和c a m 侧重点和目的不同，导致两者在特征表达、 组织、调用和参数处理等方面都存在差异，因此若该信息不经过转换，便不 能直接为c a p p 和c a m 所用。而对于如何运用基于特征设计技术将设计领域 与制造领域联系起来，建立二眷间的桥梁则是当今研究的重点，也是亟待解 决的问题。 1 3 2 制造特征的获取技术 特征是集成制造系统中在c a d 、c a p p 和c a m 间传递产品模型信息的媒 介，因此，理论上基于特征的c a d 系统应能为后续c a p p 和c a m 系统提供 其所需的零件信息，但由于系统间的侧重点和目的不同，所以在对特征的表达、 组织、调用和参数处理等方面都存在差异【3 7 】。如图1 。2 所示相同的形状特征在 不同的应用领域中含义不同。 设计特征 注塑模特征制造特征 图1 2 特征在不同应用领域的含义区别 第一章绪论 1 不同应用领域的特征建模 在c a d 领域，以低层次的几何形状特征为主，其它特征为辅。通过三维 几何形状特征问的布尔运算建立虚拟的空间模型，由几何模型可进行零部件 的装配和碰撞检验，并且通过力学分析软件可进行强度和力测试与分析。在 c a p p 和c a m 领域，以低层次的几何形状特征与高层次的语义特征相结合。 通过赋予不同表面以尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等非几何特征而进行 工艺和制造方面的设计。 但是，基于c a x 特征建模仍然存在两个层面上的问题，第一层面是由于 c a d 系统的零件信息不经过转换常不能直接为c a p p 、c a m 系统所使用，所 以c a p p 系统不能自动输入零件信息。第二层面上，即使经过信息转换，将 c a d 系统的设计特征转换为c a p p 和c a m 系统所需的制造特征，但是因为 c a d 模型与c a p p 和c a m 模型在组织结构上存在较大差异，若不将转换后 的零件信息再进行组织结构的转换，c a p p 和c a m 系统同样不能直接读取按 c a d 模型结构存储的零件信息。 因此，在不同的设计领域，特征的含义是不同的，为了实现 c a d c a p p c a m 的无障碍集成，需要对特征的表达以及不同领域间的特征转 换映射进行研究。 2 由设计特征模型提取制造特征 国内外学者在由设计特征模型提取制造特征的研究中，主要从特征识别 技术和特征映射技术两方面进行了阐述。 j u n gh y u n 3 剐认为特征识别技术是将计算机辅助设计系统与制造系统进 行集成的关键，总结了三种特征识别算法，即基于图论算法、基于体积分解 的算法和基于启发式的算法，对三种方法分别进行了分析。j o s h i 和c h a n g l 3 到 最早提出基于图的特征识别算法，也是最成功的基于图论的算法，己被商用 工艺设计软件如：t e c h n o m a t i x p a r t 等使用。该方法将零件的结构以图的形 式表示，用图的节点代表零件的面，图的边代表零件的邻边。最后，将图分 解为子图，通过子图的判断来确定特征的类型。s o r m a z 【4 0 】将启发式算法应用 于特征识别技术中，将基于图的特征识别技术向前推进了一大步。基于体积 分解的特征识别技术是由k y p r i a n o u 4 1 1 在1 9 8 0 年提出的，之后被w o o 4 2 正式 作为一种方法进行研究。随后，k i m 4 3 的研究使之得以推广。该方法主要分四 步进行。首先，利用a s v p 方法将零件模型进行分解；其次，识别形状特征； 第一章绪论 再次，产生原始的制造特征 最后，聚合制造特征。刘云华【巧l 提出了一种从 设计特征提取制造特征并将制造特征进行多重解释的识别算法。首先采用增 量法实现特征的提取，并将特征分为正基本特征、负基本特征，正复合特征 和负复合特征。针对不同类型可对设计特征进行转化，将设计特征转化为单 个制造特征模型，并通过特征模型解释技术将其解释为多个制造特征模型。 在充分利用已有零件特征模型信息的基础上，生成零件所有可能的制造特征。 该方法虽然对单特征模型的特征提取十分有效，但对混合特征模型的特征提 取还存在困难，并且未对特征的可制造性进行评价。 由此可知，基于特征识别技术提取制造特征的方法可以有效地解决单一 特征的识别问题，但对于相交特征的识别则无能为力。为此，国外学者转向 了对特征映射技术方面的研究，并试图通过特征映射来解决c a x 的集成问题。 特征映射技术主要分以下几种方式【4 4 5 9 】： 启发式特征映射法：是基于预定义规则来进行映射。 坤性结构映射法：与特征识别类似，用几何推理识别与应用领域有关的特 征。 体积单元分解法：一种共轭映射方法，把体积分为不同的组来产生不同应 用的特征。 基于图的映射法：根据特征是一些与典型子图同态的子图，基于同态图的 匹配进行映射。 上述映射方法主要是基于形状特征的映射，由于在零件的设计与制造过 程中所用特征的种类不同，影响特征映射的因素也很多，因为它不仅取决于 特征的形状。而且也取决于零件的材料、精度、表面质量和工艺方法等因素。 宋玉银【5 5 】提出了基于知识的特征映射方法。由于对不同设计因素的映射 所涉及的知识不同，故需要采用不同的知识结构来进行映射。该方法可看作 是启发式特征映射方法的一种改进，因为采用专家系统进行智能化映射比传 统的人工映射要先进得多。高健 5 6 - 5 9 | 等在研究基于特征映射的c a p p 系统中 介绍了c a d 与c a p p 模型的区别，给出了经特征映射模块得到的零件信息向 c a p p 模块组织结构转换的算法，并以s t e p 格式文件将转换后的零件信息直 接传输给c a p p 系统，从而实现了c a p p 系统零件信息的自动化输入。郑德 涛等【”介绍了一种面向非回转体零件的特征映射方法。该方法建立在c a d 特 征模型的层次结构基础之上，根据特征分解后的平面轮廓法向矢量判别准则 对造型特征进行自动化分类。其中，形状特征分为基本形状特征、造型特征、 映射级特征和基元特征四层次，特征映射分为特征预处理、形状特征匹配和 第一章绪论 特征属性识别三个阶段。据此，可利用特征的自动分类和特征映射的分阶段 映射实现从设计特征到制造特征的映射。但该方法尚处于起步阶段，仍有以 下工作亟待解决： 系统需要通过特征提取模块来提取设计特征，在提取过程中仍需将特征分 解为点、线、面进行，究其实质仍是利用特征识别技术，从而增加了特征 映射的难度。 对于提取的特征语义不明确的现象，还需要后续模块进一步进行处理，以 便将特征进行重新组织，生成便于c a p p 使用的零件信息，而这无疑会增 加映射过程的复杂性。 1 3 3 计算机辅助工艺设计技术 计算机辅助工艺设计是根据设计给出的产品、零件信息运用计算机软件进 行产品工艺设计。工艺设计是根据产品模型制定出从原材料加工成符合设计 要求的产品所需要的一系列加工方法、制造过程及有关资源需求的计划。制 造成本主要是由制造该零件的资源所确定。如：所用机床、刀具、夹具和工 时等。成本预估则是在欲制造零件的工艺规划基础上，确定制造该零件所需 的制造资源，并将其折合为成本进行评估。而通过工艺设计结果进行成本预 估是对产品进行可制造性评价的一个很重要方法，它可以间接地评价设计方 案的优劣舭。”。 c a p p 系统主要分两类：派生式和刨成式。当今研究的热点在于新知识的 表达和对原有方法的综合应用上。如，面向对象的方法，混合式知识模型表 示及各种模糊知识表达等。在推理方面出现不精确推理，在系统结构方面出 现元知识系统，分布式知识系统和多层次系统结构等。 t o m ，p r o p l a ，g a r i 7 4 】等系统运用基于知识的表达方法建立设计规则， 经人工智能推理，进行计算机辅助工艺设计。a n d r e w k u s i a k ”一7 7 】提出利用体 积分解法进行零件的工艺设计。根据获取的零件设计信息确定待加工零件的 工艺方法，选择加工步骤( 车，铣，刨，磨，铰，镗，钻，拉等) 、机床、刀具 和夹具。并通过分解将被切削的材料体积，进行具体工序设计。该方法虽然 在一定程度上可以将工艺量化，便于后续零件的可制造性评价，但未提及具 体切削用量的确定这一实际的工艺设计问题，因此该方法还不能满足实用性 的要求。裘向军【78 】建立了基于知识库的专家系统，通过对产生式规则的推理 机制，提出了二叉查找树的算法，以零件设计信息为输入，得出工艺排序结 果，并将其存入数据结构中，传递给后续子系统。c h a n gx u e ( j a c k ) f e n g 7 9 1 试 0 第一章绪论 图在基于特征的设计中将制造成本量化，将形状特征划分为简单特征和复合 特征两大类，制造成本不仅由形状特征而且还由特征间的相互位置关系来确 定。通过基于图的工艺设计，确定最短的工艺路径，以此进行产品的制造成 本估计，并得出在设计阶段减少产品成本要比在制造阶段减少成本有效得多 的结论。王先逵等1 8 0 】提出面向对象的工艺设计方法，将检索式和创成式工艺 设计相结合进行工艺设计，在工艺规划算法中提出了利用模拟退火算法进行 工步排序优化。该方法的最大优点在于将概率引入到启发式工艺规划方法中， 避免了陷入局部最优的缺陷，有效地提高了工艺规划系统的优化能力。 1 3 4 面向并行工程的可制造性评价技术 产品可制造性是指对给定的产品和制造环境，通过对具有相似功能产品 的制造的比较，给定产品所需工作量、材料、成本和加工时间应最小1 9 4 1 。可 制造性评价方法可以分为以下几类： 经验法 n e s u h t 9 5 】提出一种公理方法( a x i o m a t i c a p p r o a c h ) ，该方法基于设计原则 或公理来达到优化制造系统的目的。在产品设计和制造的每一阶段中，每个 决策都由公理和推论引导，最终获得最优解。但是设计公理较为抽象，难于 用在详细设计阶段。与此相似的还有优化建议法o s ( o p t i m a ls u g g e s t i o n ) ，工 艺驱动设计法p d d ( p r o c e s s d r i v e nd e s i g n ) ，专用设备设计法f s d ( f a c i l i t y s p e c i f i cd e s i g n ) 等。b o o t h r o y d 【9 6 】主要考虑材料费用、加工费用、刀具费用、 机床费用和非加工费用等因素，提出了一种评估方法。该方法运用经验公式 进行量化处理，近似估算出总费用，通过总费用进行可制造性评价。总之， 上述方法较公理方法有所提高，但其柔性化仍很差。 量化评估法 n j y a n n o u l a k i s 【9 7 】等提出将回转体分为两大类：即锥面和圆弧面。根据形 状特征确定加工轨迹、速度以及切削量等参数，并由经验公式定量计算加工 该回转体的费用和工时。n j y a r m o u l a k i s 认为将设计工程中的各评价因素进行 量化，定量评价零件结构工艺性是一种提供给设计者最好的反馈信息，定量 的评价零件可以为零件的再设计指明目标，并有助于按照零件的可制造性进 行分类。s h o j ia r i m o t o 【9 8 】等建立了一种m e m ( m a c h i n i n g p r o d u c t a b i l i t y e v a l u a t i o nm e t h o d l 系统，将加工表面分为2 0 种基本元素，通过每种元素与 加工代价值的映射来评价方案成本的高低。上述定量评价法，大多采用经验 公式来评价产品的可制造性，如制造费用和时间。由于产品可制造性所包括 1 0 第一章绪 论 的因素很多，各因素的影响系数也不尽相同。因此，对其只能是近似估计。 所以全面考虑可制造性的影响因素，并正确表示这些因素的影响程度，是对 可制造性评价研究的重点。 人工智能法 宋玉银等【9 9 】提出采用分层递阶的产品可制造性评价策略。由面向对象的 方法来建立基于知识的评价框架，对产品级、零件级、特征级分别进行可制造 性模糊综合评价。徐燕申【1 0 2 以0 3 】等提出按照零件的构成特征来进行特征划分， 同样采用面向对象的方法，将特征定义及特征加工和评价知识库封装在一起， 通过工艺的自动生成和专家系统的智能化来完成产品的可制造性评价。 基于特征的可制造性评价法 基于特征的评价是将产品的设计特征转换为评价特征( 如成本特征) ，代入 评价模型。评价模型可大致分为以下两类：基于设计特征的评价和基于制造 过程的评价。基于设计特征的评价是根据构成零件的形状特征的结构工艺性 来衡量零件的可制造性。c h a n g l 7 9 】在基于形状特征的设计中，通过对形状特征 的分类，比较不同特征的加工成本。该方法的优点在于将形状特征引入到零 件的可制造性评价中，并以此作为零件可制造性评价的主要因素。而缺陷在 于尚未将精度和零件加工质量作为评价因素。a r m i l e h a m ，g , c c u r r i e 2 通 过设计方案特征参数与成本特征参数间的映射，对方案设计阶段参数化成本 估计方法进行了研究，该方法在一次成型零件( 如：铸造) 中取得良好效果。 基于制造的评价是根据已确定的加工方法集、定位方案和给定资源，从 待加工特征的加工精度、表面粗糙度和相互位置精度的保证情况推理得到制 造所占用的制造资源和生产时间来评价对零件的可加工工艺性。王先逵【8 0 等 提出了一种针对冲压零件的可制造性设计方法，运用设计特征与制造特征间 的映射，将制造资源作为约束条件，将制造成本和加工时间作为目标函数进 行零件的可制造性评价。黄新刚 1 0 4 1 建立了零件结构工艺性评价系统的结构， 探讨了零件结构工艺性约束的一般性表达，并通过刀具空间和切削空间之间 的约束关系对零件的结构工艺性进行了评价。瑞士学者i l i a 设计一种了基于材 料、毛坯和制造特征的知识库的成本估算软件，该软件可以对同种零件的不 同加工方法进行成本估算与比较。该方法的优点在于可进行不同制造方法的 成本比较，有助于选用低成本的加工方法。但由于需要人机交互输入制造特 征及相应的参数，工作量大，工作效率低。 综上所述，产品可制造性和其本身结构、制造资源有密切的关系。产品 本身结构包括产品的形状、精度和表面质量等属性。制造资源包括各种加工 第一章绪 论 设备、工具、夹具及物料传输系统等。因此，可制造性是一个多指标概念， 它涉及的因素很多，而且各种因素对可制造性影响程度也不尽相同。有些指 标是定量的，有些指标是定性的甚至是模糊的。因此，建立合理的评价模型 是评价零件可制造性的基础，同时也将会对零件的再设计提供可靠的依据。 1 4 课题背景及意义 本研究是基于教育部9 8 5 资助项目“三维虚拟机械产品开发自动化平台 构建理论研究”所建立的“三维虚拟机械创新设计系统”之子模块。该系统 由符号方案的自动生成模块、计算机辅助产品结构设计模块，计算机辅助产 品细化设计模块，三维虚拟机械的空间布局设计模块和计算机辅助产品工业 美学设计模块等组成。如图1 3 所示。其中： 图1 - 3 三维虚拟机械创新设计系统图 符号方案的自动生成模块是建立在基于发散思维的基础上，通过逻辑推 理的变异设计方法，得到大量结构新颖以符号方式表达的设计方案。 计算机辅助产品结构设计模块是以符号方案作为输入，通过符号方案的 三维实体化将抽象的符号方案经系统辨识自动生成直观的三维实体( 仅能实现 机构运动功能的高度简化的实体) 。 三维虚拟机械的空间布局设计模块通过考虑机械系统的结构合理性、寿 命、强度和可靠性等因素使设计结果在满足功能的基础上尽可能小巧玲珑。 计算机辅助产品细化设计模块主要是针对机械产品的零部件设计进行， 是基于特征的并行设计系统。以结构设计模块和空间布局设计的设计结果作 第一章绪论 为输入，通过基于特征的结构设计得到满足要求的零件结构，经过特征映射 将设计特征映射为制造特征