（机械制造及其自动化专业论文）机械装备快速响应设计的研究与应用.pdf

上海交通大学硕士学位论文 机械装备快速响应设计的研究与应用 摘要 机械装备快速响应设计技术的研究与实践，对于市场经济日益发展的当代中 国，对于实现机械装备的国产化，缩短研发的周期，提高研发的效率都有着重要 的理论和实践意义。本文从机械模块学的角度出发，对机械装备快速响应设计的 技术作了理论研究，开发了快速响应设计的软件平台，并将其应用于轿车密封条 生产线的研制实践中，取得了良好的社会效益和经济效益：( 1 ) 对现代机械装备 的组成和结构作了剖析，建立快速响应设计的研究对象的功能描述与表达体系； ( 2 ) 详细分析了实现快速响应设计的关键技术，并行工程，标准化、模块化设计， 计算机辅助及网络技术等等；( 3 ) 构建了支持快速响应设计的支持系统( 数据库、 标准库、知识库、人机接口) ，开发了实现快速响应设计的软件平台；( 4 ) 提出了 快速响应设计平台的体系结构。 本文在轿车密封条生产线的研制项目中应用了快速响应设计的技术和方法。 首先，根据客户提供新型轿车门窗密封条产品c a d 数字模型，应用r p 技术， 快速试制出密封条原型；进行了密封条加工工艺i 步分析，工序重组等，确定 密封条生产线的总体方案设计；然后，应用并行工程、模块化、标准化的思想， 借助c a d c a m 等计算机辅助工具，进行零部件结构的二维和三维设计，并且 对密封条生产线的加工工艺性进行了分析；应用虚拟现实技术，对生产线进行虚 拟制装配和过程仿真，分析设备的加工过程和加工精度。最后对生产线从环境、 资源、成本方面进行了全寿命周期的分析和评价。结果表明，用该方法进行产品 设计能与国外同步的速度快速响应市场需求。 关键词：快速响应、关键技术、支持系统、结构体系、轿车密封条生产线 上海交通大学硕士学位论文 a b 6 t r a c t r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nr a p i dd e s i g nt e c h n o l o g y f o rm e c h a n i c a le q u i p m e n t a b s t r a c t r a p i dd e s i g nt e c h n o l o g yf o rm e c h a n i c a le q u i p m e n tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n r e s p o n d i n gt h em a r k e td e m a n d 埘t l l1 1 i g hd e v e l o p i n ge f f i c i e n c y , l o wc o s t w i t h i na s h o r td e v e l o p i n gp e r i o d t h et h e s i sd i s c u s s e st h es y s t e mm e t h o df o rr a p i dd e s i g n t e c h n o l o g y 、析t l la na i mt of o r mar a p i dd e s i g nr e g i m ea n ds 仃a t e g yf o rr a p i dd e s i g no f m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t f i r s t l y , t h er a p i dd e s c r i b i n gm e a n s a r ea n a l y z e d i n c l u d i n gd i g i t a lm o d e l i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n gt h r o u g ha n a l y s i st h es t r u c t u r eo f m o d e mm e c h a n i c a le q u i p m e n t ；s e c o n d l y , k e yt e c h n o l o g yo fr e a l i z a t i o no fr a p i d d e s i g ni s d i s c u s s e di nd e t a i l ；t h i r d l y , t h es u p p o r t i n gs y s t e mo fr a p i dd e s i g ni s e s t a b l i s h e da n dr e l a t i v es o f t w a r et os u p p o r tr a p i dd e s i g na r ed e v e l o p e d ；f i n a l l y , t h e p l a t f o r mo f r a p i dd e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti sp u tf o r w a r d t h er a p i dd e s i g ns y s t e mi sp e r f e c t e db ya p p l y i n gt h er a p i dd e s i g ns t r a t e g yt ot h e e n g i n e e r i n gd e s i g no f a t r a n s f e rm a c h i n ef o rs e a l i n gp r o d u c t so f p o l oc a r s d u r i n gt h e r a p i dd e s i g np r a c t i c e ，t h ef o l l o w i n ga p p r o a c h e sa r es y s t e m a t i c a l l yc o n d u c t e d f i r s t l y , t h er pm o d e li sc r e a t e da c c o r d i n gt ot h ec a d d i i g i t a lm o d e lo fc a rs e a l ，f o rt h e s t r u c t u r ec h a r a c t e ra n dm a n u f a c t u r ep r o c e s s e sa r ea n a l y z e d s e c o n d l y t h ec o n c u r r e n t e n g i n e e r i n gs t r a t e g yi sa d o p t e dt ot h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e m t h ed e s i g no f s u b s y s t e m si s f o l l o w e dw i t hm o d u l a r i z a t i o n , s t a n d a r d i z a t i o n , a n dc a dm e t h o d t h i r d l y , d i g i t a lt o o l sa r eu s e df o rv i r t u a la s s e m b l ya n dp r o c e s s i n gs i m u l a t i o n f i i l a l l y ，t h ed e s i g nr e s u l t sa r ee v a l u a t e da n do p t i m i z e d 谢ml c a ( 1 i f ec y c l ea n a l y s i s ) m e t h o di nt h ev i e wo ft h e i ri m p a c t so ne n v i r o n m e n t ，r e s o u r c e ，a n de c o n o m y t h e s u c c e s so ft h ed e s i g no fp o l ot r a n s f e rm a c h i n eh a sa p p r o v e dt h ea d v a n t a g eo fr a p i d d e s i g ns y s t e md e v e l o p e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：r a p i dd e s i g n ，k e yt e c h n o l o g y , s u p p o r t i n gs y s t e m , s t r u c t u r ep l a t f o r m ， t r a n s f e rm a c h i n eo f c a rs t r i ps e a l 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 哩兹嗜、 日期：砧年2 月f 9 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密吐在玉年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：罗彦侈 日期：2 甥年月f 矿日 指导教师签名：等擞 日期纠年_ 月，沪日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 1 1 快速响应设计提出 2 0 世纪末，世界经济的全球化的趋势越来越明显，其最大变化是全球买方 市场的形成和产品更新换代速度的日益加快，由四通八达的铁路、公路、远洋巨 轮、航空运输、通讯卫星和“信息高速公路”组成的网络已将全球紧密的联成一 个整体，庞大的人流、物流、信息流和资金无时无刻不在沿着各自的管道奔腾流 淌，使世界成为一个喧嚣的大市场。同时，由于生产力的高度发展，使得社会的 总供给能力远大于需求量，因而普遍形成买方市场，所有企业都必须经受这个全 球买方市场的挑战。市场竞争的加剧，加上现代科技的日新月异使得产品的更新 换代不断加快，市场寿命周期不断减少。据估计，近3 0 年来出现的新技术、 新产品，已远远超过过去两千年的总和。根据各个时期一些代表性产品更新速度 与变化情况分析，一种新产品从构思、设计、试制到商业性投产，在1 9 世纪大 约经历了7 0 年的时间，在2 0 世纪两次世界大战之间则缩短为4 0 年，战后到6 0 年代更缩短为2 0 年，到了7 0 年代以后又进一步的缩短为5 1 0 年，而现在许多 新产品的更新周期只需2 3 年甚至更短的时间。可见现代社会的生产发展和科 技进步已经加快到何等的高度。这种态势必将导致市场竞争焦急的快速转移。在 以快交货t ( t i m e ) 、高质量q ( q u a l i t y ) 、低成本c ( c o s t ) 和重环保e ( e n v i r o n m e n t ) 去争取市场份额的市场竞争中，缩短交货周期，快速响应市场需求已经成为竞争 的第一要素。 从对企业的设计活动的大量调查表明”，产品的设计周期制约着技术准备周 期的加速，要想加快产品的技术准备周期，就必须充分利用企业成熟的产品资源。 这样，才能有效地控制零件的种类和数量，并在加快整个技术准备周期的同时， 有效地控制成本和保证质量。研究快速响应设计系统对于提高制造业的综合竞争 能力，保持企业长盛不衰具有重要意义。 事实上，制造业的生产方式和市场竞争焦点会随着社会生产力的发展水平和 科学技术的进步状况而不断地改变。在工业化初期，由于生产力水平还比较低 下，市场上产品短缺，企业生产什么顾客就买什么，“皇帝女几不愁嫁”，所以企业 就拼命扩大产量、降低成本，因而形成以“规模效益第一”为特点的少品种、大 批量生产方式。当产品产量达到一定水平以后，企业之问的竞争逐步从“价廉、 物美”转变为“物美、价廉”，使“质量第一”成为市场竞争的焦点。到了9 0 年代，由于社会生产力高度发达，市场上产品日趋丰富，消费者的选择余地日益扩 大，所以对产品就提出越来越高的要求，使用户需求呈现出差异而多变，这迫使 企业跟随用户，采用多品种、小批量的生产方式，按定单组织生产。同时，面对瞬 上海交通大学硕士学位论文第一章 息万变的市场环境，更要求企业具有高度的灵敏性，能抓住稍纵即逝的机遇，不 断地迅速开发新产品，以吸引顾客，变被动适应用户为主动引导市场，这样才能 保证企业在竞争中立于不败之地。可见，在这种时代背景下，市场竞争的焦点就 转移到速度上来，即凡能“领先一步”，快速提供更高性能价格比产品的企业， 将具有更强的综合竞争力。 1 2 国内外研究现状 当前国际需求市场快速变化的特点和2 1 世纪个性化的市场趋势，促进了快 速设计和制造技术的发展，美国a u t of a c t 9 6 主题就是“快速设计与制造”， 各国也掀起了“快速设计一理论、方法”研究的热潮。美国加利福尼亚州立大学 的k - h g r o t e 教授，在美国成功地采用“系统的工程设计”，在“多媒体技术” 的计算机技术和图象处理及快速设计原型( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 等领域研究上取 得了研究成果“1 。我国1 9 9 8 年机械工业科学基金也对“快速设计”进行立项， 国内的许多大学如上海交通大学、合肥工业大学天津大学等开始“快速设计”的 研究。天津大学的徐燕申教授建立了基于知识的模块化柔性生产线的设计模型， 研究开发了基于知识的快速设计系统，并且建立了模块化柔性加工装备快速响应 设计系统中的评价模型，并对评价中的定量与定性问题进行了研究闻。上海交通 大学的钟廷修教授对快速响应设计系统做了研究，提出了快速响应设计的理论和 方法，建立了应用于快速响应设计的产品动态模型，并给出了一个基于标准化编 码方法的实施快速响应设计的系统框架，研究了支持产品快速响应设计的变型设 计的方法和理论。目前我国机械产品快速设计的研究刚刚起步多数是在原 c a d c a m 与仿真技术的基础上进行。 1 3 快速响应工程 实施“快速响应工程”可以使企业具备从捕捉产品信息到及时投放市场的全 面快速响应能力，主要内容包括以下几个模块m ： ( 1 ) 建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制； ( 2 ) 实现产品的快速设计； ( 3 ) 追求新产品的快速试制定型； ( 4 ) 推行快速响应制造的生产体系。 为了提高快速响应能力，企业首先应能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息， 并及时作出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特征和上市时间。明确了新 产品的开发项目以后，实现快速设计就成为重要的一环。工程设计的重要性是不 言而喻的。据统计伽，工程设计的费用虽然只占产品最终成本的- - 4 部分( 不到 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章 1 0 ) ，但往往决定了它的8 0 9 6 以上的制造成本，而且还决定性地影响产品的性能 和交货期。为了实现快速设计，人们提出了c e ( 并行工程) 、d f x ( 面向制造、装 配、检验、质量、服务等的设计) 、c s c w ( 计算机协同工作支持环境) 和功能分解 组合的设计思想，并且充分应用信息技术和计算机网络技术的成果，这些将引 起对现代设计方法和c a d 发展的新探索。 产品开发周期中，除了设计外的后几个环节可以统称为试制定型阶段。在此 阶段加快产品的试制、试验和定型，以快速形成生产力，需要尽量利用制造自动 化的各种新技术，如f m s ( 柔性制造系统) 、r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ，快速成形) 和( v i r t u a ll i a n u f a c t u r i n g ，虚拟制造) 。应用快速成型技术能以最快的速度 将c a d 模型转换为产品原型或直接制造零件，从而使产品开发可以进行快速测 试、评价和改进，以完成设计定型，或快速形成精密铸件和模具等的批量生产能 力，虚拟制造技术充分利用计算机和信息技术的最新成果，通过计算机仿真和多 媒体技术全面模拟现实制造系统中的物流、信息流、能量流和资金流，可以做到 在产品制出之前，就能由虚拟环境形成虚样品( s o f tp r o t o t y p e ) ，以替代传统的 实样品( h a r dp r o t o t y p e ) ，进行试验和评价，从而大大缩短产品的开发周期。 推行产品的快速响应制造，必然导致企业从组织形式到技术路线的一系列变 革。首先，在企业内部，应改变传统的以注重规模和成本为基础建立起来的生产 管理系统和组织形式，按照快速响应制造的战略思想，探索一套全新的组织生产 方式，例如将生产部门从以功能为基础的工序组合改变为以产品为对象的加工单 元，并且尽量采用各种先进制造技术手段等等。其次，从面向全局的视野出发， 以产品为纽带，以效益为中心，不分企业内外、地域差异，实行动态联盟，有效 地组织产品的设计、制造和营销。企业在确定产品目标后，可以只先进行总体设 计，即功能设计、方案设计和经济分析，然后通过公共信息网络，寻找最佳的零 部件供应商和制造商，进行跨地区、跨行业的合作，实行生产资源的优化组合， 并由承包商按照快速响应的原则进行具体设计，即结构设计、详细设计和工艺设 计，组织产品的快速响应制造，以保证产品及时上市，经由遍布各地的营销网络迅 速抢占市场。 由此可知，实施快速响应工程，至少有如下优点：及时交货，争先抢占市场， 因缩短制造时间和消除各种浪费而降低制造成本，因加快产品更新换代而向市场 大量提供质量更高、价格更低的高性能产品。其结果就大大提高了企业的综合竞 争力和持续发展的生命力。 1 4 本文的研究背景及内容 目前我国生产设备的自动化和机械化很低，大量采用手工制造，因此产品的 一致性差，产品质量比较不稳定。采用机械化和自动化的生产方式后。可以提高 上海交通大学硕士学位论文第一章 产品的质量，减轻工人的劳动强度，改善工人的劳动条件和环境。如果引进国外 设备，需要花费巨额资金，而且不一定适合中国目前国内生产规模造成资源浪 费，设备闲置时间长。另外，引进不利于国内设计、生产技术水平的提高。因此， 提高机械加工装备的自动化，开发机械化、高度自动化的机械加工装备是非常必 要的。 本课题来源于上海汽车科学技术发展基金项目轿车密封条多工位加工 的关键技术研究( 项目资助号：2 3 4 8 a ) ，要求和国外同步开发出p o l o 家轿的门 窗密封条生产装备，该装备综合了机、电、液、气和模具、控制等技术，设备复 杂程度高，研制时间要求短促。快速响应设计技术在项目研发中得到了具体的应 用，达到了与国外同步的速度响应市场，缩短了研发周期，取得了良好的社会和 经济效益。 本文先对现代机械装备组成与结构特性分析的基础上，对现代机械系统的组 成与体系结构作剖析，并且主要针对机械装备的快速响应设计作研究，建立支持 快速响应设计的数据库、标准库和知识库，开发出支持产品快速响应设计的软件 平台，创新提出了快速响应设计结构体系，并将快速响应设计技术和方法应用于 轿车密封条全自动多工位加工装备的设计实践中。 总体说来，研究的主要工作如下： ( 1 ) 先从机械模块学角度出发，探讨现代机械产品的组成和结构，建立快速 响应设计设计的对象功能描述与表达体系； ( 2 ) 研究实现快速响应设计的关键技术； ( 3 ) 研究快速响应设计系统的构成，建立快速响应设计系统的数据库、标准 库、知识库，开发了快速响应设计系统的软件平台； ( 4 ) 提出快速响应设计的平台的体系结构； ( 5 ) 将快速响应设计技术与方法应用于轿车密封条生产线的研发工程实践 中。 4 上海交通大学硕士学位论文第二章 第二章现代机械的组成与结构 2 1 传统机械与现代机械 传统的机械一般由动力机、传动机构、执行机构及操纵控制的装置等部分 组成。如图2 1 示。而现代机械没有公认的定义，1 9 8 4 年美国机械工程师( a s m e ) 在对美国国家科学基金会的报告中提出现代机械是“由计算机信息网络协调与控 制的，用于完成包括机械力、运动和能量等动力学任务的机械和或机电部件相 互联系的系统”。因此，可以说现代机械是机电一体化的机械系统。 机械产 图2 1 传统机械系统组成模型 ( + ) 表示该部件由其下所有分部件组成。即包含关系： ( 一) 表示该部件由其下部件之一来具体化。即选择关系； 压传动部件 压传动部件 5 上海交通大学硕士学位论文 第二章 ( + ) ( 一) 表示该部件由其下部件中的几个所组成。即部分组合关系 2 2 机械模块学 近二、三十年，电子工业发展迅速，从晶体管放大器到集成电路具有划时 代的飞跃，而从集成电路发展到超大规模集成电路则给电子产品的面目有了开天 辟地的改观。从几个房间大的晶体管电子计算机，到现在的电子计算机和掌上电 脑，无论从体积、形态以及性能上，都是前所未有的进步。集成电路的间世，使 得电子技术专家在设计电子产品时，从有关晶体管放大器等电子元件的传统设计 中彻底解放出来，采取直接选用相应功能的现成的标准化集成块的手段，来组合 成所需要的电子产品。即电子技术专家在设计有关的电子产品时，只需要了解有 关集成块的输入要求和输出功能即可，不必考虑集成块内部的组成结构及有关电 子元件如电容、电阻、电感的具体设计过程。因此，可以大大节省电子专家的时 间和精力，使其有更充足的时间和精力去发展各种具体功能的电子产品。这便是 电子产品，尤其是电子计算机飞速更新换代的主要依据。 英特尔公司的奠基人之一摩尔在20 世纪70 年代发现，集成在一块芯片上 的晶体管数量大约每两年增加一倍。这一发现被其后数十年芯片发展的实际情况 所验证。这就是人们所说的摩尔定律。目前，对于机械技术而言，目前机械本身 集成化、模块化的程度很低。仅仅在组合机床和液压方面有所触及。为了让机械 专家摆脱机械零件的束缚，而直接选用有关功能的部件，就像电子专家摆脱单一 电子元器件设计的束缚而直接选用有关功能的集成块那样，建立机械模块学是十 分迫切的。 机械模块学是一门研究机械系统中各个独立功能部件模块化的科学。它认为 机械系统这个大模块是由具有独立功能的一些子模块所构成。这些子模块是指上 述机械产品组成一般模型中的各种功能部件( 通常指零件等基本元件的集合体而 非单一的零件) 。功能部件的模块化包括功能部件的模块化设计、模块化制造和 模块化装配。不同用途的机械，可以通过内部层次结构和功能的需要，由相应的 模块集合而成。 2 3 几种典型机械产品的组成分析 机械产品的种类和规格很多，但从某种意义上说，任何机械产品之间都存在 不同程度的共性。这里以汽车、机床和飞机为例，简要分析其组成，以便抽象出 一般化的机械系统组成模型。 6 上海交通大学硕士学位论文 第二章 ( 1 ) 机床 图2 2c x 6 1 4 0 数控车床 从图2 2 可以看出，该数控车床是由床身、底座、动力头、夹具、工作台、 导轨、变速箱、控制台等几大部分组成。按功能可划分为动力部分( 动力头及其 它驱动部件如电机等) 、传动部分( 变速箱) 、支撑部分( 床身、底座、夹具) 和 控制部分( 控制台) 等组成。 ( 2 ) 汽车 汽车是日常生活中最常见的机械产品之一，它由发动机、变速器、驱动轴、 万向传动轴、制动器、转向器、悬架、底盘、驾驶室、车身、车轮等组成，现 代较高档的车还配有自动防抱死、安全气囊等设备。这些部分也不外乎可以划 分成驱动部分、传动部分、执行部分、支撑部分、控制部分等几大部分。 ( 3 ) 飞机 飞机也是人们较熟悉的机械产品。它由发动机组、变速装置、传动轴、转向 器、机翼、起落架、轮胎系、制动器、机舱、驾驶室、壳体、黑匣子等组成。也 可以归纳为驱动部分、传动部分、支撑部分、控制部分等几大类。 7 上海交通大学硕士学位论文第二章 2 4 现代机械系统的组成 从上述几种典型的机械产品的组成分析可以知道，具体说来，现代机械的结 构为： ( 1 ) 机械本体 机械本体是现代机械的基础。它基本上是传统机械产品中的机械结构部分， 包括机身、框架、机械连接等内在的支持结构。现代机械产品引进电子技术后， 使产品的技术性能、功能和水平都有了很大的提高，因此对机械结构也提出了更 高的要求。采用新结构、新材料、新工艺，以适应现代机械产品在多功能、可靠、 高效、节能、小型、轻量、美观等方面的要求。 ( 2 ) 动力部分 动力部分是对系统提供动力，驱动执行机构，使系统正常运行。电机( 各种 交、直流电机等) 、内燃机( 柴油机、汽油机) 、外燃机( 气轮机、蒸汽机) 都是 动力元件，现代机械多以电能利用为主，因此，动力部分应包括电源、电动机等 执行元件及其驱动电源。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的输出，以及保持 它的高度可靠性，这是对动力部分的主要要求。 ( 3 ) 传动部分 传动部分是将动力的运动和动力传递给执行模块，并改变动力模块的的运动 的速度和形式、力矩或力矩的大小与方向，使执行模块实现预期功能的一大类模 块。主要有机械传动、流体传动、电力传动及复合传动( 以上几种传动方式的结 合) 。机械传动分为带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、行星轮系等； 流体传动包括液压传动、液力传动、和气压传动等。 ( 4 ) 控制及信息处理装置 该部分是系统的“大脑”，根据系统功能要求和传感器的反馈信息( 反映被 调量变化的某种物理量如力、位移、速度、电流和电压等) ，进行处理、运算和 决策，指挥和控制系统各个部件正常运转。主要由计算机及其相应的软、硬件构 成的控制系统及多种接口模块组成。目前，常见的控制方式有机控、电控、数控、 气控、磁控、光控、声控、温控和复合控。系统这部分要求具有高速和高可靠性， 同时不断向柔性和智能化方向发展。 ( 5 ) 检测传感装置 检测传感装置功能是对系统运行时内部状态和外部环境进行检测。被测信息 包括位置、速度、位移、力、力矩、电压、电流、温度、湿度等物理量。传感器 把这些物理量变成一定规格的电信号，反馈给控制系统，然后由控制及信息处理 装置处理、决策、确定下一步的动作。传感器的种类繁多，可分为开关量及接近 传感器、位移传感器、速度、加速度传感器、力和力矩传感器，此外还有触觉传 感器、图像和色彩传感器、温度传感器、模糊传感器等。传感器的发展趋势是( 1 ) 8 上海交通大学硕士学位论文第二章 固态化：( 2 ) 多功能化和集成化；( 3 ) 智能化；( 4 ) 光学化；( 5 ) 加强模糊传感 器的开发与研究；( 6 ) 开发仿生传感器。现代机械设计中，对传感器首先要求精 度高、测量范围宽；其次，是小型化、系列化和标准化；再次，高可靠性、稳定 性好。 综上所述，现代机械系统一般是由控制及信息处理装置、检测传感装置、执 行元件、机构和动力部分组成。大家知道人体是由头脑、感官、肌肉、手足、内 脏和骨骼等几大部分组成。而它们与人体结构已形成大致一一对应的关系。如表 2 1 嘲所示。 现代机械系统人体结构功能 控制及信息处理装置头脑控制( 包括信息存储、处理、传递 检测传感装置感官检测( 包括信息收集与变换) 执行装置肌肉、手足 动作 动力部分内脏吸收和转化能量 传动部分 血液循环系统传输和转移能量 机械本体骨骼构形与基础 表2 1 现代机械系统与人体结构对应关系 2 5 小结 通过对传统机械与现代典型机械产品的分析，并结合现代机械模块学的发 展，分析了现代机械的体系与结构，即现代机械是由机械本体、动力模块、执行 模块、传动模块、检测传感模块以及控制和信息处理模块等部分构成。 9 上海交通大学硕士学位论文第三章 第三章实现快速响应设计的关键技术 产品设计是制造业的灵魂。因为产品的质量、性能、成本，交货时间以及可 制造性、可维护性及人、机、环境关系等。原则上都是由产品设计阶段所决定的， 而一代代产品能否在激烈的市场竞争中，为广大用户所选中和接受是制造业能否 生存和发展的关键。 产品快速响应设计是先进制造技术发展的产物，是计算机辅助设计与制造技 术的发展和延伸，它涉及到并行工程技术、产品数据管理技术( p d m ) 、专家系统、 集成建模、优化技术、网络技术以及价值工程和生产工程技术等。 目前我国机械产品快速设计的主要研究内容，是基于实例推理技术，开发针 对机械产品，具有总体方案快速生成，性能评价，可制造性，可装配性评估以产 品快速报价为技术特征的机械产品快速设计系统。实现产品快速响应的关键技术 主要包括并行工程技术、模块化、标准化设计以及计算机辅助设计、信息技术、 仿真技术等。 3 1 并行工程 3 1 1 并行工程的原理及作用 并行工程是为探求加快产品的开发提高产品质量的最有效的方法而提出的 并行工程是一种系统的集成方法，它采用并行方法来处理产品设计及其相关过 程，包括制造过程和支持过程，使得产品开发人员从一开始就能考虑到产品整个 生命周期的所有因素包括质量、成本、进度及用户需求m 1 。并行工程中并行的概 念包括纵向和横向两个方面。纵向以产品为主线，使产品的设计分析制造装配过 程并行：横向指同阶段相关设计任务的并行化。 并行工程是以信息技术为基础，在原有信息集成基础上更强调产品设计与后 续活动的协调运行，强调功能和过程的集成。并行工程通过组成多学科产品设计 开发小组改进产品设计流程，利用各种d f x 工具和预发布等手段实现产品设计开 发过程的集成，从而达到以下目的： ( 1 ) 通过纵向和横向设计过程的并行化重组缩短产品研制开发周期包括减 少设计反复缩短设计时间生产准备时间制造时间和发送时间等； ( 2 ) 通过合理规划和利用的各种资源降低产品整个生命周期的成本包括产 品设计制造发送支持客户使用以及产品报废的成本； ( 3 ) 通过严格合理的过程管理和优化控制全面提高产品质量包括设计工艺 制造和服务的质量。 因此针对工程设计的特点实施并行工程运用并行工程的哲理和方法进行工 1 0 上海交通大学硕士学位论文 第三章 程设计是实现快速工程设计的有效方法。 3 1 2 基于并行工程的工程设计过程 工作模型根据工程设计的特点和并行工程原理提出工程设计过程主要包含 以下三个方面的并行工程内“”： ( 1 ) 在工程设计过程中同一设计阶段的不同设计专业间的设计活动的并行 交叉； ( 2 ) 在工程设计过程中不同设计阶段的并行交叉优化和相互补偿监督； ( 3 ) 工程设计过程各阶段与制造过程、施工安装过程及相关过程设计、储 运、服务等工程产品生命周期活动阶段并行和一体化设计。 交叉优化 。_ 。- 并行设计 图3 1 基于并行工程的工程设计过程工作模型 因此工程设计过程的并行工作模型如图3 1 所示。工程设计中实施并行工 程核心就是要实现设计过程的优化和控制，工程设计过程是由一系列设计活动组 成的，设计活动的结果是产品各个设计活动均需要协调管理，包括组织资源和资 金等的支持以及基于工程设计产品成本质量等分析的设计过程控制和评价，因而 实施并行工程的技术方案的重点应以设计过程为核心。根据工程设计活动的特点 建立工程设计过程模型如图3 2 所示： 第三章 设计协调：控制机制 设计脚调，支持机制 图3 2 工程设计过程模型 3 1 3 基于并行工程的快速工程设计体系结构 根据工程设计过程模型为实现快速工程设计的目的实施并行工程应达到以 下三个方面的要求：即设计活动的并行执行，设计活动的并行协调和设计信息共 享如图3 3 所示。 并 一一设计活动的并行协调 行 快速 工 工程 程 - - j 设计活动的并行执行 设计 的 实 麓 - i设计信息共事 图3 - 3 工程设计实施并行工程的功能要求 为达到以上功能要求，必须以设计过程为核心在设计过程并行重组，包括工 程设计流程、组织结构、资源的配置等的基础上，利用过程集成和信息集成技术 方法，实现并行设计过程控制与管理，力求设计活动最大限度地并行。因此结合 工程设计特点实施并行工程实现快速工程设计应从以下三方面进行研究： i 设计过程并行重组 流程重组：建立适应并行工程要求的并行流程减少不必要的设计环节尽 可能减少设计过程中的非增值人员； 上海交通大学硕士学位论文第三章 组织重构：建立由来自不同部门，包括用户人员组成的集成项目设计团 队，以项目为中心为实现团队的总目标而协同工作； 资源优化配置：合理配置设计所需软硬件设备及其他资源。 2 并行设计支持技术及环境 为实现复杂工程项目并行设计，所需的各项技术包括p d m c a ) 【d f x 技术d f o 技术和计算机协同工作环境等。 实施关键技术 图3 4 工程设计实施并行工程的总体技术框架 3 设计过程控制和管理 基于各设计阶段对设计质量成本的要求，通过对设计状态和设计过程的监控 实现对设计流程设计活动的并行控制和管理。 求， 能要 如圆 求， 能要 如圆 上海交通大学硕士学位论文第三章 产品设计及有关过程并行进行，使产品开发周期减少4 0 一6 0 ： 制造成本降低3 0 一6 0 ； 产品的报废及反复工作减少7 5 。 3 2 标准化、模块化设计 标准化是对重复性事物和概念通过制订标准、实施标准以达到统一和限制的 目的，以简化、统一、通用化、系列化、组合化的基本形式，运用于实际工作中， 而模块化是由若干不同功能并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的 方法。它与标准的基本形式有着许多相似之处，且相互交叉，相互渗透。 3 2 1 标准化系统设计的内涵 进行产品设计的标准化系统设计，出发点就在于标准化对象的系统特征和标 准化追求整体优化的目标。一个产品具有性能、结构、可靠性、安全性等多方面 的特性，这些特性的组合构成了产品特点的系统特征。而产品设计中的标准化工 作就是针对产品的系统特征所制订、贯彻实施标准所完成的系统性工作。针对产 品各个特性的不同层次、不同类别的标准构成了一个标准化系统，它们互相影响 和制约，并作为一个整体作用于产品设计工作，产生一个整体的标准化效应。标 准化活动的实践表明，标准化系统的整体效应远远超过各标准个体效应简单相加 的总和，这是一个综合的效应。因而，在进行产品设计的标准化活动中，应对有 关标准进行系统化处理，按照结构与功能关系，建立标准的阶层秩序、时间序列、 数量比例及其合理的组合，形成具有优化结构的系统，以求得最佳的标准化效果。 这个过程即产品设计中的标准化系统设计。 3 2 2 标准化系统设计的原理 根据系统工程学的基本理论，一个系统的基本组成为：系统目标和系统约束。 系统目标即系统应达到的功能和目的；系统约束即对系统内部和外部的限，对于 就是的自然条件和其外界的资源界限。系统目标表示了系统设计要达到的最大技 术效果和经济效果；而系统约束则规定了系统的活动范围。二者共同构成了系统 模型。 进行系统设计，建立系统模型的基本内容为“”： ( 1 ) 外部设计：对环境和社会等客观情况迸行调查研究，确定设计思想，考 察有实现可能的系统及其价值，制定整体规划，明确目标和功能； ( 2 ) 内部设计：进行系统设计，选定优化方案，进行分析； ( 3 ) 功能分配：对系统功能合理分工。 通过对系统因素进行分析、综合和评价，即可建立起一个适用的系统。其过 上海交通大学硕士学位论文 第三章 程如下： 系统暮求分析综合系统设计 l 评价， i评价l 3 2 3 标准化系统设计的方法、步骤 进行产品的标准化系统设计时，首先，要确定系统的两个基本条件： ( 1 ) 产品设计的标准化系统的目标：通过在产品设计的全过程中的标准化活 动，贯彻标准、制定标准、采用系列设计和组合设计，扩大零部件、组件及整机 的通用性和互换性，以简化设计工作，缩短设计周期，降低设计、制造成本，使 产品达到技术先进、经济合理、安全可靠、维修方便等，从而获得最佳的，综合 效果。 ( 2 ) 系统的约束；实现产品设计的标准化目的的限制条件分内部、外部条件。 内部限制条件包括：产品设计的方针、计划，产品的自然状态，技术人员、生产 人员的技术水平及对标准规范的掌握情况，现有标准状况，物质技术条件及管理 制度等等。来自外部的限制条件包括：国家的方针、政策；产品行业状况及产品 系列和价格结构；与产品相关的标准规范的数量规模和完善程度；市场需要；协 作厂家，等等。这些条件限制并解决了标准化措施实现的时间、期限、人员、技 术准备方法和步骤等。 其次，要按照系统设计的四个阶段进行标准化系统的设计： ( 1 ) 第一阶段，阐明问题。明确标准化系统的对象，即所设计产品的属性， 看看其是属于： 开发性新产品； 变型或派生性新产品； 利用外来技术制造的产品； 扩大服务领域的产品等 几类产品中的哪一类，以及产品的行业情况和目前市场对其的要求，国家的 方什、政策和的计划安排，所要设计的标准化系统应达到的要求等。 ( 2 ) 第二阶段，确定系统的价值观念和评价准则。根据第一阶段所要求的内 容，确定评定标准化系统工作效果的判定规则，如标准化系统作用于产品设计是 否满足系统的目标要求，配合程度如何为最优，应达到怎样的要求等。 ( 3 ) 第三阶段，综合、分析、决策。在前两阶段的基础上，进行系统的试设 计，从系统目标出发，根据问题情况建立理想的标准化系统。进行系统设计，要 考虑系统的时间结构、空间结构及功能结构。其中时间结构是系统作用的周期， 应对产品设计开发的各阶段提出相关的标准化要求；空间结构和功能结构是系统 作用的存在方式和行为机制，系统要恰当地安排在标准层次上、序列上的组成与 1 6 上海交通大学硕士学位论文第三章 相互关系，使各层次( 国家标准、行业标准、地方标准、标准) 的标准规定及各 类各种标准相互协调、配套，形成一个有机的整体。 ( 4 ) 第四阶段，实施。将建立的标准化系统应用干设计工作，并加以评审、 修正，保证系统的先进性和适用性。 3 2 4 产品设计的标准化系统 产品设计的标准化系统主要分为：工作系统和规范文件系统。 工作系统是产品设计中的标准化活动过程，它决定标准化措施的制定与标准 规范的实施，保证标准化目标得以实现。应建立标准化工作规范体系，明确规定 在日常工作中及在产品设计开发的每一阶段，标准化工作的内容、作用、目标、 效果及考核办法，使标准化工作制度化、规范化、系统化。其内容包括： 产品的标准化设计的准备工作，它贯穿于标准化人员全部的工作过程。标准 化人员在日常工作中要注意搜集、整理和加工有关信息资料，建立完善标准体系， 研究有关的产品及其组件、部件、零件的系列化、通用化特征，在设计及生产中， 根据系列化、通用化、组合化的原则，制订指导规范，引导产品及其零部件的设 计走上标准化的轨道，并注意提炼具备条件的产品及零部件，建立“通用产品、 零部件库”，为产品设计的系列化、通用化、组合化打下良好的基础。还应针对 本产品的类别，分析其各项特性要求，找到所适用的各项标准规范，建立一个通 用的标准体系框架。 在产品开发设计过程的各个阶段的工作，如：在计划决策阶段，标准化人员 应积极参与调研，搜集有关资料，进行分析，对产品应贯彻的产品标准和其他现 行技术标准、应达到的标准化系数、对材料和元器件的标准化要求，与国内外同 类产品的水平对比、预期应达到的标准化的经济效果等做出规定，提出标准化 综合技术要求；在设计阶段，应将标准化综合技术要求落实到产品设计中， 参与设计，服务于设计，用明确和隐含的手段与方法，引导设计工作，使之走上 标准化轨道。并按规定审查设计图样与设计技术文件，监督有关标准、规定的贯 彻实施；在试制阶段，完成产品标准的制订、备案工作。在正式生产阶段，根据 反馈信息和有关的具体情况，修订产品标准，完善技术文件。 规范性文件系统由技术标准体系、通用化指导文件和技术管理规范等三部分 组成。其中：技术标准体系分为： 基础标准：它给出统一技术语言规定，保证量和单位制正确统一的规定，保 证结构要素合理性与互换性的规定，是标准化、系列化、通用化、组合化设计的 基础和依据； 产品标准：它保证产品满足明确和隐含需要的质量特性； 方法标准：对需要统一的试验和计算及其他一些方法做出规定，使操作的结 果及过程具有可比性和可验证性： 1 7 上海交通大学硕士学位论文 第三章 安全、卫生、环保；保证产品使用过程中入、物的安全，保护人身健康，保 护生态环境； 工装标准：保证加工制造符合设计要求，保证产品质量； 计量器具和测试仪器标准：提供正确统一的检查手段； 器材标准：保证原材料和外购、外协件品种、质量满足设计要求，且具有综 合效益。 通用化指导文件是标准化人员所制订的，如典型配合、典型结构要素、 通用零部件目录( 图册) 等文件；技术管理规范包括国家的、的方针、政策， 产品开发设计、制造管理规定等，是保证运作正确的措施规范。 对于产品设计，上述的标准化系统基本上可以满足一般性的标准化要求，如 合理利用资源，节约原材料和能源；技术先进、安全可靠、经济合理：同类产品 尺寸参数成系列，零部件通用化程度高；相关标准协调配套；充分考虑使用要求； 保护环境、安全、卫生等目标。在具体产品的开发设计时，根据约束条件，本着 统一与因地制宜的原则，最大限度地促进技术进步和质量提高的原则，考虑具体 情况、具体条件，对系统的通用框架以调整和修正，就会形成一个适用于产品设 计的标准化服务系统。 3 2 5 模块化设计 模块化设计就是用积木的概念，对设计任务的总功能作功能分解，将完成分 解功能的零部件独立化，作成相应的模块，然后由这些模块根据组合方案图构成 产品，这个产品可以是整机，也可以是部件、零件等。模块化产品的设计过程 如图3 6 示： 组合 图3 6 模块化设计工程 结构基本相同、制造方法基木相同，但具有不同的功能。模块的基本特征有 两条，一是具有若干配合面，以便使模块间能相互“联接”，二是具有互换性， 以保证能任意组合，为此模块配合部位的结构形式必须标准化。 一个产品( 系统) 可以全部由模块组成，谓之模块系统，在工程实际中，更 多的是由许多模块