（机械制造及其自动化专业论文）基于proe的零件可制造性仿真分析系统的研究和实现.pdf

摘要 提高产品质量、降低生产成本、缩短开发时间是制造业在全球激烈竞争的市 场上取得成功和发展的关键因素和永恒的追求目标，并行工程的产品开发哲理、 设计与制造集成的开发方式是近年来人们的研究热点。本文提出个面向检验产 品制造过程的零件可制造性仿真分析系统的系统方法，采用再产品开发过程中对 工艺规划进行评价的策略。旨在提供一个设计的辅助决策工具，帮助设计人员从 制造的角度来改进设计质量和缩短开发时间。 本文对一些相关的现代设计理论和产品可制造性评价策略等进行了研究，从 而明确了开发实用化的面向制造的设计系统( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r e ，d f m ) 的功能要求和关键技术。在总结d f m 研究的基础上，指出了零件可制造性仿真 分析系统与c a d 系统的完全集成和高效仿真是建立仿真分析系统的关键。在对 企业制造资源、产品特征充分分析后，规范特征模型的结构，根据企业的实际情 况，基于p r o e 建立企业制造资源模型库与加工零件的特征模型，构建零件可制 造性仿真分析系统。 零件可制造性仿真分析系统根据设计的工艺流程，对产品的加工过程进行全 局的干涉检查( 包括零件、刀具、夹具、工作台等各部分之间的干涉) ，并对各 种干涉进行分类分层，通过定量的制造仿真评价，将分析结果反馈给设计人员， 使其能够判断和纠正产品设计结果中存在制造困难的特征。 最后，文章结合一个典型实例说明零件可制造性仿真分析系统应用过程，并 对全文工作做了总结，并指出了需要进一步研究的工作。 关键词p r o _ ，e ；仿真系统；仿真；协同 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti st h ef i n a l o b j e c t i v ep u r s u e db ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a n dr e s e a r c h c o m m u n i t yt h a tt oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n dm d u c el e a d t i m ea n dc o s to fp r o d u c t ， a n di st h em a i n l yf a c t o ro ft h ee n t e r p r i s ei ng l o b a lm a r k e t p l a c et oa c h i e v et h es u c c e s s a n dt h e d e v e l o p m e n t i no r d e r t oa c h i e v es u c ho b j e c t i v e s ，i n c r e a s i n gr e s e a r c h a t t e n t i o ni sb e i n gg i v e nt oc o n c u r r e n te n g i n e e r i n ga n dt h ei n t e g r a t i o no fe n g i n e e r i n g d e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n gd u r i n gt h el a s td e c a d e s i nt h i st h e s i s ，as y s t e m a t i c a p p r o a c ht oc o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o no f m a c h i n e dp a r t sh a sb e e n d e v e l o p e d t h i sa p p r o a c hc o m b i n e st h e i n c r e m e n t a le v a l u a t i o nu s e dd u r i n gt h e d e t a i l e dd e s i g np r o c e s sa n dt h ee n t i r e n e s se v a l u a t i o nu s e da f t e rt h ed e s i g n t h ef i n a l g o a lo f t h i sr e s e a r c hp r e s e n tad e c i s i o n m a k i n gs u p p o r tt o o l ，w h i c hc a nb eu s e dd u r i n g d e s i g ns t a g e st oi m p r o v et h ep r o d u c t sq u a l i t yf o r mt h em a n u f a c t u r i n gp o i n t v i e w t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e ss o m ea d v a n c e dd e s i g nt h e o r i e sa n ds e v e r a le v a l u a t i o n m e t h o d so fp r o d u c tm a n u f a c t u r a b i l i t y , t h e nd e c i d e st h ef u n c t i o n sa n dt h e e s s e n t i a l t e c h n o l o g yo fd f m b a s e do ns u m m a r i z es t u d i e so fd f m ，i ti st h ek e yp o i n tf l o r at h e c u r r e n tm a n u f a c t u r a b i l i t ya n a l y s i ss y s t e mt oi n s t a n t a n e o u sd f md e s i g ns y s t e mw h i c h i st h ei n t e g r a t i o no fm a n u f a c t u r a b i l i t ya n a l y s i ss y s t e ma n dc a ds y s t e m a f t e rt h e a n a l y s i so fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r er e s o u r c e t ob ep r o c e s s e da n dv a r i o u sp r o d u c t s f e a t u r e s ，s i m u l a t i o ns y s t e mc o u l ds t a n d a r d i z et h ef r a m e w o r ko fs t a n d a r dm o d e la n d e s t a b l i s ht h ed a t a b a s eo fs t a n d a r dm o d e l so fr a ws o u r c e sa n dp r o d u c t s b a s e do nt h i s d a t a b a s ea n ds p e c i f i cs i t u a t i o no fc o m p a n i e s ，s i m u l a t i o ns y s t e mc o u l dc o n s t r u c tt h e e m u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mb yp r o e f o rad e s i g no ft h ep r o d u c i n gp r o c e d u r e ，t h i s s y s t e mc o u l dp e r f o r ma no v e r a l lt e s t ，i n c l u d i n gt h e t e s to fi n t e r f e r e n c ea m o n g d i f f e r e n tc o m p o n e n t ss u c ha sp a r t ，r e a m e r , c l a m pa n dw o r k b e n c h ，e t c ，a n dy i e l da q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sr e s u l ta n de s t i m a t i o n t h ed e s i g n e rc o u l do p t i m i z eh i sd e s i g nb y c o r r e c tt h o s ep r o b l e m sr e p o r t e db yt h i se m u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e m i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，i ta l s oe x p l a i n e dt h es i m u l a t i o ns y s t e ma p p l i c a t i o n p r o c e s sw i t har e p r e s e n t a t i v ee x a m p l e a n dac o n c l u s i o ni se d u c e da n dn e x tr e s e a r c h i sp o i n t e do u t k e yw o r d sp r o e ；s i m u l a t i o ns y s t e m ；s i m u l a t i o n ；c o o p e r a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：旅缀日期：幽：壁：堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：荔k 绽 导师签名 日期：迎3 = ! ! ： 第1 章绪论 第l 章绪论 2 0 世纪，人们曾把制造业定义为：“通过加工把生产资料转化为产品的工业”， 产品的增值主要在加工过程中得以体现。几十年前，生产规模无疑曾是最重要的 制造策略，随后制造成本、产品质量和市场响应能力，分别在不同时期取代生产 规模而成为最重要的策略，这表明制造策略是随着时问的推移在变化的，新世纪 的第一制造策略是技术创新。 随着市场竞争加剧和产品更新换代加快，产品创新、市场营销和服务的增值 作用明显提高，知识和信息已经成为重要的生产要素，制造业已经成为同时对物 质和信息进行处理的产业。产品增值的关键来源是新产品的开发、市场营销和客 户服务，是知识和信息处理的过程，而不是物质加工的过程。创新产品的快速实 现就成为企业的核心竞争能力。很多企业家已经认识到当前的竞争焦点往往不是 能不能把产品制造出来，而是能不能快速开发出符合市场需求的、有竞争力的新 产品。 产品设计是企业活动的源头，我们的目的是实现快速产品开发、缩短新产品 上市周期，从而取得市场竞争优势，获得较大的利润。换句话说，要以更快的速 度、更低廉的费用和更高的质量去完成传统的工程设计和业务过程，更多地创造 效益。并行工程作为一种有效的产品设计方法应运而生。 1 1 并行工程 信息技术飞速发展，加速了市场的全球化，使得当今市场竞争日益激烈：市 场需求变化快，且品种多样、批量不定；用户希望买到能体现自己兴趣和爱好的 商品，出现所谓“个性化”趋势，产品质量标准不再按是否满足使用要求来评价， 而是按是否满足用户的要求来评价等等。在这种情况下，能否以最低的成本、最 快的上市速度、最高的产品质量、最好的服务适时的推出令用户满意的产品已成 为企业赢得竞争的关键，使得传统产品设计制造的概念、方法、手段和体系结构 受到极大的挑战。这样，一方面迫切要求有一种崭新的产品设计方法，以加快新 产品的研制周期；另一方面也要求由先进的生产系统来替代传统的生产系统。计 北京工业犬学工学硕士学位论文 算机辅助设计对产品的设计过程的各个活动给予极大的支持和帮助，有时甚至完 全替代设计人员的工作。但是，从根本上说，它的设计过程与传统的设计阶段没 有从整个生产过程的角度出发，很少考虑新设计的产品的成本、工艺性、装配性 等，产品从设计到成品的整个过程中可能产生的问题。只能在生产过程中发现并 反馈给设计部门，进行反复的修改。这种落后的设计思想和方法与先进生产系统 带来的生产率的可能性形成尖锐的矛盾，因而要求有先进的设计思想和方法与之 相适应。在激烈的市场竞争中，企业为了赢得市场竞争的胜利，不得不解决加速 新产品开发、提高产品质量、降低成本和提高优质服务等一连串的问题。在这些 问题中迅速开发出新产品使其尽早进入市场成为赢得竞争胜利的关键，在这里最 核心的是时间。然而要解决这一问题必须改变长期以来传统的产品开发模式。传 统的产品丌发模式是沿用“串行”、“顺序”和“试凑”的方法。这种方法，由于 在产品设计中，各个部门总是独立地进行很少考虑到其它部门的要求，因此常常 造成设计修改大循环严重地影响产品的上市时间、质量和成本。基于并行工程的 产品开发设计思想正是这种背景下产生的，它着眼于整个产品的生命周期，并对 各个环节新要求的信息在设计阶段先行加以优化，从而获得全局最优的设计结 果、提高生产率、降低成本、提高质量。图1 - 1 是传统串行设计流程和并行设计 流程的比较，从图中可以看出，并行设计流程的三个主要设计阶段有所重叠，加 强了不同设计阶段的信息交换，缩短了开发周期。0 - 4 1 反馈修改 ( a ) 串行产品开发流程 ( ”并行产品开发流程 产品生命周期 l - - 一一一一一一 图1 i 两种产品开发流程的比较 f i g i 一1c o m p a r i s o no f t w op r o d u c tm a n u f a c t u r ef l o w - 2 - 第1 章绪论 并行工程的概念最早由美国人r i ，w i n n e r 提出来的，即“并行工程是集成地、 并行的设计产品及相关过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统方法”。 5 1 这种 开发方法要求开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念到产品报废 的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求，利用并行工程开发模式可 用图1 2 所示的功能框图来表示。 l概念划- 圃 - 分 十+ 圃 - 桁 十 垂亟 - 评 - 厂蕊甄f 1 _ 价 1 7 i兰竺兰：! l 7 - 厂1 i i i j i - 图1 2 并行工程不意图 f i g 1 2c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gs k e t c hm a p 并行工程在先进制造技术中具有承上启下的作用，并行工程是在c a d ， c a m ，c a p p 等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重叠， 充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、网络技术的优秀成 果，使其成为先进制造技术中的前沿发展学科。 1 2d f m 的提出及其重要意义 面向制造的设计( d f m ) 是一种设计方法，其主要思想是在产品设计时不 但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即 产品的可制造性。其目标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。在这种 设计与工艺同步考虑的情况下，很多隐含的工艺问题能够及早暴露出来，避免了 很多设计返工。通过对不同的设计方案根据可制造性进行评估取舍，根据加工费 用进行优化，能显著的降低成本，增强产品的竞争力。因此，面向制造的设计是 并行丁：程中最重要的研究内容之一。 i 2 1d f m 提出的重要意义 随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，全球化的市场竞 争日趋激烈，产品设计在整个产品生命周期内占有越来越重要的地位，对d f m 的要求也越来越强烈。有关资料表明：设计阶段实际投入的费用只占总成本的 5 ，但它决定了产品总成本的7 0 ，所以在设计被完全确定以前必须进行分析 和评价，使在设计以后的各个环节中可能出现的制造问题能够提前在设计部门得 到修改，避免返工。在根据设计任务和产品结构特点在进行的产品设计的同时， d f m 在早期概念设计阶段就对产品设计方案进行评价及优化，分析和考虑加工 工艺、加工条件等与制造有关的相关因素，全面评价产品设计和工艺设计，并提 供的反馈信息，及时改进设计。 国内外的实践证明，d f m 技术的应用可以大幅度降低产品成本、提高产品 质量和可靠性，并缩短上市时间，从而增强产品的市场竞争力。这对于在我国加 入w t o 之后即将面对更加积累全球竞争的中国企业来说，d f m 技术的研究和 应用具有重要意义。 1 2 2d f m 的发展历程 早在1 9 6 0 年，一本名为“m a n u f a c t u r i n gp r o d u e i b i l i t yh a n d b o o k ”手册的出 版，标志着可制造性研究已经开始。这本手册为设计师列出了大量资料，强调零 件设计的可生产性，但该手册涉及到装配方面的知识很少。7 0 年代初开始， b o o t h o y d 教授对d f a ( 面向装配的设计) 进行了一系列的研究，涉及到了装配 方法、装配约束、成本等方面，并同d e w h u s t 教授共同提出b o o t h o y d & d e w h u s t 法【6 9 】。1 9 8 8 年，s t o l l 把d f a 的思想发展成为d f m ，不仅仅进行可装配分析， 而且对制造过程中涉及到的所有过程和阶段进行分析i l0 1 。这些方法大多是定性的 指导原则，对指导设计师的工作起了重要作用，可以认为是d f m 技术的发展的 前期阶段。然后，1 9 8 8 年，h e n s t o c k 提出d f r ( d e s i g nf o rr e c y c l a b i l i t y ) 的恩想， 1 9 9 1 年l e o n a r d 提出了d f e ( d e s i g n f o re n v i r o n m e n t ) 思想，a l t i n ge t c t 提出d f l c ( d e s i g n f o r l i f e c y c l e ) 思想”。综合以上思想，研究者有时统一把它们称为d f x 。 9 0 年代以后，对d f x 的研究和应用进入了一个高潮，许多的系统出现并得到了 应用。 1 2 3 主要的d f m 方法 对可制造性评价的研究已经经过了2 0 多年的时间，研究者从各个方面提出 了许多理论和方法。从这些方法的性质和评论策略，可以将可制造性的评价策略 分类为。 1 2 3 1 定量分析法 研究者首先开展的是d f a 的研究。自从m a s s a c h u s c t t s 大学的b o o t h r o y d 教 授提出了d f a 这一概念后，对d f a 的研究和应用进入了一个高潮，比较有名的 d f a 方法有：b o o t h o y d d e w h u s t 法、a e m 法、p i 法和d f a h o u s e 法等，这些 方法都是定量分析法。 b o o t h o y d 提出了最少零件数原则，即一个零件不能与其它零件合并，必须 具有下述三条原因之一：与其它零件之间有相对运动要求；由于性能要求而必须 使用同其它零件不同的材料；为了维护和替换，要求能够拆卸。 在b o o t h o y d 提出的定量评估方法中，主要考虑材料费用、加工费用、非生 产费用、刀具费用、机床参数等因素，把这些因素用经验公式进行量化处理，可 近似估计出总费用。根据不同零部件的特征，如对称性、尺寸、重量、厚度、柔 性等给零部件标以装配时间量值、装配成本量值和数值代码。把装配系统分为手 工装配、刚性自动化装配及柔性装配三大类。对不同的装配系统分别建起描述搬 运、夹紧和插入等装配环节的分类和编码系统，并在计算机里建立对应的数据库。 当使用d f a 时，用户首先根据产品的年产量、零部件的数目等参数选择不同的 装配方法，然后回答由计算机提出的一系列问题为分析提供足够的信息。分析结 果中包括装配效率、总的装配时间、总的劳动力价格，总的操作数目、子装配数、 理论上最少零件数等参数设计者可根据分析结果改进产品的设计。经许多公司 使用该d f a 系统后表明：零件数目可减少3 0 - - 5 0 ，降低装配成本2 0 4 0 i 幢】。 l u c a s 定量分析法就是在b o o t h r o - y a 方法的基础上发展起来的，其主要步骤 是：功能分析、输送分析、配合分析、夹持分析。 价值工程方法从经济、技术和生产率三个方面来分析产品提供的功能和每个 北京工业大学工学硕士学位论文 功能的价值，基于分析结果来寻求一种创造性方法来消除不必要的特征和功能， 以最低造价获得所要求的功能。 定量分析法试图建立一种产品可制造性的定量评价体系，大多采用经验公式 来评价可制造性”】。但由于产品和生产条件的复杂多样性，许多用于评价的数据 是难以获取的。例如，零件的加工工时是一个重要的生产率指标，它与所使用的 机床、刀具、工艺、产品结构及参数、人工的技能水平等诸多因素有关，经济评 价指标中的加工成本几乎与制造过程中所有因素有关，对这些因素进行量化是困 难的。定量分析系统还要依靠用户手工填写计算表格和绘制装配顺序流程图，或 者在计算机系统支持下通过人机对话方式要求用户回答大量问题，不及繁琐、效 率低，而且容易出错。 1 2 3 ，2 仿真分析法 利用三维c a d 系统、计算机图形学和方针技术在计算机上仿真产品的实际 制造加工过程，称为产品的制造仿真。制造仿真通过制造序列规划、制造路径规 划和干涉检查等手段进行可制造性分析，协调产品结构设计，以可视化方式展示 改进产品的可制造性。姜华【1 4 】通过装配工艺规划和数字化预装配等方式来实现 d f a 分析。张林煊i l 别实现了一种装配仿真系统a s m l s 。制造仿真的关键技术包 括：加工特征建模、加工工艺规划、干涉检查、机构运动分析。 仿真分析法本质上是通过几何形体的干涉检查来发现一些结构设计问题，为 及时修j 下产品设计中问题提供根据。 1 , 2 3 3 基于知识的分析方法 最早提出的是d f m 规则方法( d f mg u i d l i n e ) ，d f m 规则被认为是优化设 计建议( o p t i m a ls u g g e s t i o n ) 。d f m 规则都是从多年的设计和制造经验中获取， 如最少零件数规则、模块化设计规则、多功能零件规则等。 s u h 提出公理方法( a x i o m a t i ca p p r o a c h ) ，基于设计原则或公理来达到优化 制造体统的目的【1 ”。在产品设计、制造的每一阶段中，每个决策由公理和推论引 导，最终获得优化解。设计公理较为抽象，难于用在详细设计阶段。 c h e n 等提出基于特征和面向对象技术( o o ) 的d f m 方法【”】，建立基于特 第l 章绪论 征和面向对象的产品信息模型。v e n k a t a c h a i m 等提出一种基于知识的d f m 方法， 该方法把工艺知识和费用知识用面向对象的技术进行表达，直接从c a d 中提取 特征进行评价，在一定程度上实现了信息共享。c h u 等提出基于人工神经网络可 制造性评价方法，该方法把产品信息模型中的产品信息作为a n n 网络的输入， 可制造性评价计算m c ( m a n u f a c t u r a b i l i t yc a l c u l a t i n g ) 值作为输出，用变量统计 样本对b p 网进行训练。 x u e 和d o n g 提出一种智能定量d f m 方法【”1 ，以实现并行工程设计，所 提出的定量智能系统方法包括了基于设计和制造知识的定性推理和根据推理所 生成的设计信息和制造数据的定量计算与优化，该方法可以将一些非操作性原 则，如制造、管理、服务、回收和成本等融合进设计阶段，并试图设计一个软件 工具来搜索并行设计过程中的信息和集成不同设计过程的任务尤其是功能设 计、可制造性分析和生产成本估算。在所开发的原型软件系统中，采用集成数据 描述语言i d d l 来描述设计数据。 x u e 在文1 1 9 1 中对其并行设计系统做了进一步的研究，提出了智能化并行设 计系统的知识库和数据库建模的方法，其中包括数学模型和系统开发。 国内的研究者也在基于知识的可制造性评价方面进行了许多研究。宋玉银对 基于知识的集成化机械零件d f m 方法进行了研究，从产品层、零件层和特征层 等三个层次及其七个不同设计阶段来进行可制造性评价，利用面向对象技术将框 架和规则两种知识表示方法结合起来表达可制造性的评价知识，通过s t e p 文件 来实现c a d ，d f m 的集成【2 0 - 2 2 。胡庆夕对回转类零件的可制造性评价问题进行了 研究，主要从零件结构的工艺性、零件结构的可加工性、特征组合的工艺性和精 度合理性等方面进行评价1 2 引，还从工艺咨询和工艺评价的角度对零件进行可制造 性评价 2 4 - 2 5 】。国内的其他学者也做了许多卓有成效的工作 2 6 - 3 0 1 。 1 2 4 存在的问题和不足 上面对现有的一些可制造性评价策略进行了研究，可以发现这些评价策略存 在下列局限和不足之处。 定量分析法需要统计大量的数据，而且不同企业的数据存在较大的差异，难 以开发通用的系统。实际应用中大量经验公式的系数还依赖用户计算并填写表 北京工业大学工学硕士学位论文 格，或要求回答大量的问题，不仅繁琐，而且这些计算和问题都是非常专业化的， 很难被设计新手掌握。 多数基于知识的d f m 系统的知识表示方法实质上都只是采用规则的形式， 因此这种系统要求用户根据产品模型的信息输入大量的事实或回答大量的问题 之后，才能进行可制造性评价的推理。x u e 采用的i d d l 语言则要求用户将产 品信息按照其特定的谓词逻辑形式重新进行描述。 制造仿真分析法往往只是可以给出零件的可制造性方面可能存在的问题，而 不能给出在设计的建议，设计的改进完全依赖用户来决定。多数d f m 系统是针 对某一种工艺或某种产品而开发的，有些d f m 系统实质上是规则知识的存储检 索系统，目前还没有开发出能够适应工程实际要求的通用d f m 系统。 l _ 2 5 基于特征的产品设计阶段可制造性分析方法 产品的可制造性分析是指产品设计定义与生产工艺能力之间适合度的评价， 或者说是产品设计的质量，即设计的产品是否容易的利用一个企业或组织的制造 资源而尘产出来。可制造性可以通过产品的加工成本、工时、质量和品种等方面 的指标来反映。可制造性评价。通过评价指标衡量一个零件可制造性的好坏，如： 识别能否被制造的状况；提供成本和质量信息等。通过评价，在设计零件的早期 阶段向设计者反馈产品在制造过程中的信息，帮助设计者改进不合理的设计，以 适应资源环境及满足功能要求。但目前的可制造性评价系统只能对零件的结构、 成本等进行整体的量化分析，而不能给设计者指出详细的设计问题位置，并给出 相应的修改和提示。 作者认为产品的可制造性分析是面向制造的设计系统的基础，面向制造的设 计系统对可制造性分析有两个基本要求。 可制造性分析系统必须能与主流的c a d 系统集成； 可制造性分析系统的通用性以及操作效率需要不断提高。 近年来，随着特征技术的不断成熟，利用特征技术进行可制造性分析占了主 导地位。所谓基于特征的可制造性分析是指产品的制造特征为基本对象进行产品 的可制造性分析的方法，这类方法通过对产品的所有制造特征的可制造性分析， 找出不易制造或难以制造的设计属性，或者对加工它们所需要的时间和成本进行 第l 章绪论 计算，定性和定量的评价产品的可制造性。 可制造性分析中采用的特征模型是产品的制造特征模型，制造特征是包含有 特定加工方法的几何形状，其包含的属性有：几何形状属性、位置和方向属性、 材料属性以及特征之间的相互关系等，这些属性既包含了设计模型的有关信息， 又可通过这些属性将产品模型与特定的制造资源和加工方法等信息( 机床、刀具、 夹具、工艺参数) 相联系。由于制造特征与工艺人员分析思考问题的对象十分吻 合，因此产品制造特征模型能够有效的支持c a p p 、c a m 和产品的可制造性分 析，这也是为什么基于特征的可制造性分析近年来占据了主导地位的原因。 在现代企业实践中，计算机仿真方法在产品可制造性分析过程中得到了广泛 的应用。例如在图1 ，3 中，通过仿真方法研究壳体零件当中四个螺钉孔的加工方 法，这是典型的可制造性分析，通过仿真，不仅可以得出该孔特征属于不良工艺 设计的结论，而且通过制造资源模型的调用试验，逐渐明确加长刀具、钻模夹具 的需求，并获取相关的结构尺寸信息。这些信息可以为产品开发活动规划管理行 为提供有效的参照，从而更好的指导产品开发活动的实施。计算机仿真应用于产 品试制阶段，为工艺规划等提供了丰富的参照信息，这需要对传统的产品开发过 程进行调整，以便更好的应用仿真过程中获取的深层次加工信息。 图1 3通过对内台阶孔的检查提出钻孔夹具的需求 f i g i 一3b r i n gb o r ec l a m pd e m a n db yc h e c k u pt oi n s i d es t e ph o l e 由此可见，产品制造仿真系统的深入研究与应用为挖掘产品试制活动之间的 关系信息提供了有效支持。 本课题的研究重点在零件的可制造性分析，在可制造性分析后，提出设计存 在的问题和修改建议。系统的功能在于帮助设计师及时发现设计问题，并及时的 北京工业大学工学硕士学位论文 在加工、制造前改正问题。 1 4 本课题的研究内容 本论文是在课题实践和理论研究的基础上完成的，在第五章应用研究中将细 致介绍有关课题研究的情况。 1 4 1 课题的背景介绍 本论文的课题基础是北京市科学技术委员会关于“数字化制造系统集成技术 研究”课题。该项目围绕零件可制造性仿真分析系统的研制任务展开，结合北京 科艺公司的实践情况，建立满足企业设计生产需要的实用并行工程工具集。零件 可制造性分析系统属于并行工程使能工具之一，与面向装配的设计( d f a ) 、计 算机辅助工艺规划( c a p p ) 、计算机辅助工装设计( c a f d ) 、加工过程仿真 ( m a n u f a c t u r ep r o c e s ss i m u l a t i o n ，m p s ) 等分系统相互配合，支持产品设计到制 造的协调实施过程。 1 4 2 本文研究的主要内容和章节结构 对产品的制造性的研究已经经过了2 0 多年的时间，研究者从各个方面提出 了许多理论和方法，现在最重要的问题是应用这些理论和方法开发出相应的设计 系统，使它能够应用于工程设计之中。基于并行工程理论的产品可制造性分析不 仅可以对产品进行定性评价，也可以进行定量的评价，其功能定位主要是判断和 纠正产品设计结果中存在制造困难的特征。 本论文在并行工程的集成框架和c a d 技术环境的支持下，围绕复杂零件的 可制造性分析展开研究，主要的研究内容包括： ( 1 ) 零件可制造性仿真分析系统在产品开发整体过程中的功能定位。根 据设计的工艺流程，对产品的加工过程进行全局的干涉检查( 包括零件、刀具、 夹具、工作台等各部分之间的干涉) ，并对各种干涉进行分类分层，通过定量的 制造仿真评价，将分析结果反馈给设计人员，使其能够判断和纠正产品设计结果 中存在制造困难的特征。 第1 军绪论 ( 2 ) 根据零件可制造性仿真分析系统的系统功能要求，分析c a d 系统建模 的关键技术，结合课题具体要求，建立系统框架。 ( 3 ) 分析用于零件可制造性仿真分析系统的各部分模型应包含的信息，在 此基础上，规范特征模型的结构，根据企业的实际情况，基于p r o e 建立企业制 造资源模型库与加工零件的特征模型。 ( 4 ) 研究实用韵零件可制造性仿真分析系统结构，用于通用的零件可制造 性分析，并提供设计友好的用户操作界面 全文按照如上的逻辑脉络组织章节，共分6 章，各部分内容简介如下： 第一章：阐述本文的研究意义和课题来源，对内外可制造性的评价策略进行 研究和分析，提出零件可制造性仿真分析系统是产品生产d f m 系统的基础，在 此基础上提出了本文的研究内容。 第二章：在对零件可制造性仿真分析系统的功能要求进行研究的基础上，规 划系统功能，划分零件加工过程中的干涉层次，提出零件可制造性仿真分析系统 的结构。 第三章：在对零件分析和对零件的可制造性分析知识研究的基础上，提出了 利用c a d 系统建模的方式，并对其关键的建模技术进行分析。 第四章：阐述了零件可制造性仿真分析系统的实现方式，在通过p r o e 的关 键技术对企业资源建模完成后，实现对复杂零件的可制造性分析，利用仿真分析 结果，判断和纠正产品设计结果中存在制造困难的特征。 第五章：介绍零件可制造性仿真分析系统的相关研究成果，以及零件可制造 性分析的具体实现过程。 第六章：对全文工作进行总结，并提出进一步的研究工作 第2 章零件可制造性仿真分析系统框架体系 在产品开发过程中。零件可制造性仿真分析系统的主要目标在于检测出产品 设计过程中的工艺性问题，对产品设计提出反馈，并预先发布制造准备的相关信 息。在并行工程框架下，通过已有辅助设计软件的二次开发，实现零件可制造性 分析功能，克服由于产品制造环节差异性导致的潜在冲突，是颇具意义的工作。 本文建立的零件可制造性仿真分析系统，将设计过程中纳入制造可行性的分 析，可动态调整设计参数，考察制造资源需求，通过在产品设计前期进行干涉检 查，调整和排除产品设计中的冲突，从而实现快速、精确和深入的设计制造协作， 提高产品设计模型与企业制造资源之间的协调性，为构建企业产品开发信息环 境，实施产品协同制造技术提供了一个良好的技术平台。此系统基于现代c a d 工具建立，面l 临新的企业环境时，无需重新建模，具有良好的通用性。 2 1 产品开发过程中的制造冲突 由于工程技术人员预见能力的局限性和产品开发活动的复杂性，即使十分细 致充分的产品设计也很难完全避免产品试制过程中的冲突问题，而冲突问题是延 缓整个产品开发活动实现的瓶颈性因素，因此需要加以重点关注。 产品丌发活动的冲突主要是产品特征的设计需求与制造能力之间的冲突，产 品特征具有多方面的指标，包括功能、性能和结构特性等，这些指标之间既有可 能相互依存、相互加强，也有可能相互抵触。例如产品结构尺寸加大可以加强刚 度，但增加了重量。 产品特征是产品开发活动的目标，而制造资源设定产品开发活动的条件约 束，因此设计与制造的协调性是关系产品试制活动成功性的关键问题。产品开发 约束协调观念认为产品开发是产品设计的目标需求与制造资源的条件约束相互 协调的过程，因此产品特征与制造资源被看作产品开发活动中的主要冲突对象。 产品特征与制造资源之间的冲突包括三种层次：资源数量配置失调、资源布局配 置失调和功能缺失，分别对应制造资源的数量、分布和功能范围，这三种冲突类 型激烈程度依次提高。 第2 章零件a t 制造性分析系统框架体系 当产品特征的制造需求在数量方面超出企业制造资源现有能力时，出现制造 资源数量上的不足，这种不足不包括通过在企业内部制造资源的调整即可应付的 情况，而是一种绝对意义上的数量不足。 制造资源功能缺失是制造资源“没有”完成产品特征所需的制造功能，制造 资源数量失调是制造资源“不足以”保证产品制造的要求，而制造资源布局上的 失调反映制造资源“错位于”产品设计的要求。这三种类型的冲突的解决方法不 尽相同，第一种冲突是产品开发阶段所关注的，而后两种冲突一般在稳定生产阶 段的初期进行产品设计阶段应尽量提供相应的参考信息。 零件的可制造性分析是判断制造资源是否存在功能缺失问题的主要方法，而 产品开发过程中的零件可制造性分析又可分为各类冲突问题，如静态干涉、安装 过程中的干涉以及制造运动过程中的干涉等等。本文针对零件加工过程中的全局 干涉( 包括零件、刀具、夹具、工作台等各部分之间的干涉) 进行检查分析，将 干涉情况分为静态干涉和动态干涉两大类，而运动干涉叉分为三种情况，如表 2 1 所示。 表2 - i 产品开发过程中的冲突表现 t a b l e2 - 1i n t e r f e r ei nm a n u f a c t u r ep r o d u c e 干涉类型说明 辅助工具 静态 零什宜姨干涉由于零件结构冲突和参数不致，导致的安装冲突c a d 干涉 零件征】荟明时，与其它零部件碰撞产生的死点、冲 零什运动干涉 运动仿真工具 突等 动态 零件在加工过程中，与夹具、机床、刀具之间的干 干涉 加1 过程干涉d f m m p s 工具 涉 零件在装配过程中，与装配夹具、操作人员、其它 装配过拌干涉d f a l 具 零部件之间的干涉 计算机辅助工具扮演解决干涉问题的主力军的角色，基于c a d 平台进行二 次开发的仿真方法是实现干涉检查与解决冲突的主要方法之一。仿真方法不仅应 用于冲突问题的预测，而且在探求冲突消解方案方面亦十分有效，支持冲突问题 消解的计算机仿真系统必须满足如下几个方面的条件。 全面反映企业的制造资源和产品特征在冲突问题产生点的实际模型状态： 支持干涉检查和碰撞警告，支持运动仿真与加工仿真； 实时调整冲突关联对象的尺寸、结构等属性，例如在仿真刀具加工零件过程 北京工业大学工学硕士学位论文 i u 中，可以更改刀具规格，从而挑选合适的加工刀具。 由于零件在加工过程中的干涉问题对制造周期的显着影响，本文着重研究如 何利用零件可制造性仿真分析系统对加工过程进行评价，然后将评价结果反馈给 工艺规划和生产规划，从而提出优化的设计方案，合理并且充分利用企业的制造 资源。基于p r o e 平台构建了针对加工过程干涉的仿真分析系统，以期帮助提高 设计与制造的协调性。 2 1 2 零件可制造性仿真分析系统的需求分析 产品丌发是产品形成中的创造性阶段。一般认为产品开发包括产品规划、产 品设计、生产准备和样品试验4 个阶段。在产品开发中，产品性能、产品形状、 产品尺寸及零件材料、数量、结构工艺性和装配工艺性都将确定。产品开发过程 不仅确定了产品的大部分，而且也占用了生产周期的大部分时间。因此提高产品 开发环节的运作效率是降低产品成本，缩短产品上市时间的关键。随着信息技术 的发展，产品开发的概念和内涵在不断改变和拓宽。具体表现为【3 ”。 ( 1 ) 产品开发由单目标规划向多目标规划的转变，产品开发不再仅以产品 性能作为主要考虑目标，而要考虑产品生命周期内的各阶段的要求，包括材料、 能源、环境在内的各种影响因素。 ( 2 ) 产品开发从串行设计到并行设计的转变，即在并行产品开发环境中要 求概念设计、详细设计和工艺设计是同步、交叉和重迭进行的。 ( 3 ) 工艺设计向过程设计转变，生产准备不仅包括工艺过程设计，还包括 装配过程设计、使用过程设计和维护过程设计。 ( 4 ) 实物样品向虚拟样品转变，即采用数字样品和虚拟现实技术可 以部分代替实物原型。 ( 5 ) 产品设计以基于特征技术的产品模型为零件的功能信息和几何 元素的主要载体。 由此可见，产品开发在产品生命周期中起着越来越重要的作用，在信息时代， 产品的增值活动将取决于设计开发过程，而非制造过程。 据报道，美国通用、福特等大汽车公司的制造成本7 0 以上由设计阶段决定， 产品的结构、性能、质量、成本、交货时间，可制造性以及人、机、环境关系等 第2 章零件口】制造性分析系统框架体系 等，原则上都是在产品设计阶段确定的，产品设计是制造业的灵魂因此，保证产 品开发质量的关键在产品设计的质量。 机械产品设计除了具有产品设计的一般特点之外，还有其自身的设计特点。 ( 1 ) 设计问题的表示以及问题求解的策略和方法存在的多样性。例如一个 设计功能可以用多个不同的特征来表示，同一设计特征可以用不同的制造方法来 实现。但不同的制造方法产生同一个特征所需要的代价即加工成本的差别可能会 很大，因此选择适当的设计特征来实现产品的设计功能十分重要。 ( 2 ) 设计决策过程的分散特点。设计决策是随着设计过程的进化逐步作出 的，图2 ，】显示了决策的分散特性，在每一个设计阶段都会建立、分析、决定候 选设计方案因此，如何保证设计决策的一致性是产品设计成功的关键。 ( 3 ) 产品设计是一个计算和推理的交替过程。设计类问题的求解不仅需要 推理而且需要计算，以支持设计人员进行设计决策。 ( 4 ) 一般情况下不可能并行出现多个详细设计方案。虽然在设计过程的每 一步都可能存在候选的设计决策，但在实际的产品设计过程中，不可能存在多个 候选设计方案，事实上，图2 1 的这棵树的每一个分支是很少能够完全枚举或搜 索到的，这棵树的许多分支在设计的早期就已经剔除了，实际的设计过程可能只 是经过了这棵树的一个分支。 产 功 能 特征l l 特征1 2 特祉1 n 特征2 l 螭锰 特鼢 特征 图2 - 1 设计过程中的决策分散特点 f i g 2 - 1d e c i s i o nd e v i a t i o ni np r o d u c td e