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浙江= r = 业大学硕一：学位论文 摘要 面向并行工程的零件可制造性评价研究 摘要 制造业的竞争日益激烈，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。在这种形势下，并行工程作为一种有效的解决方 案正在逐步发展起来。在并行工程环境下，面向制造的设计d f m 是一项重要的使 能技术，它通过在产品设计阶段充分考虑与制造有关的约束，全面评价产品设计 和工艺设计，并提供改进的反馈信息，从而保证产品设计、工艺设计和制造一次 成功，并尽可能降低制造成本；而可制造性评价正是实现d f m 的重要技术手段。 在对国内外可制造性评价技术研究的基础上，本文的工作主要从四个方面展 开。第一，对可制造性评价的信息需求进行建模。以特征技术为基础，面向对象 的编程机制为手段，建立了面向制造的三层次( 即零件层、特征层、几何层) 零 件模型；同时进行了面向制造的资源建模。第二，通过细化循环，采用分层递阶 的评价策略，分两层( 零件层和特征层) 四个阶段( 零件初评价、特征初评价、 特征详细评价和零件总体评价) 建立可制造性评价指标；第三，以评价指标为基 础，分别提出了基于规则的结构工艺性评价方法、基于规则和模糊综合评判定性 和定量相结合的加工可行性评价方法、以及基于实例和特征的加工成本估算方法： 最后，以s o l i d 、v o r k s 为开发平台，v b 6 为编程工具，初步构建了面向制造的回转 类零件可制造性评价系统，它们验证了本文评价指标和评价方法的实用性和可行 性。 关键词：可制造性评价，面向制造的设计，d f m ，并行工程，特征 塑望! ! 些查堂堡：! 兰垡堕苎翌兰 r e s e a r c ho nm a n u f h c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o n f d r m e c h a n i c a lp a r tb a s e do nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h ei n t e n s i v ec o m p e t i f i o ni nm a n u f a c t u r i n gi m p e l se n t e r p r i s e st or e d u c et h ec o s t ， i m p r o v e t h eq u a l i t ya n ds h r i n kt h et i m eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t t ba c h i e v et h e s eg o a l s ， t h ec o n c u r r e n te n g i n e e “n g ( c e ) i sb e i n ga p p “e di nm a n yc o m p a n i e s t h ed e s i g nf o r m a n u f a c t u r e ( d f m ) i sa ni m p o r t a n te n a b i i n gt e c h n o i o g y 1 1c o n c u r r e n te n g i n e e r i ng w h i c ha s s u r e sp r o d u c td e s i g n ，p r o c e s sd e s 追na n dm a n u f a c t u r i n gc o u l db es u c c e e da t o n e “m eb yt a k i n gt h ef a c t o r sa s s o c i a t e dw i t hm a n u f a c t u r i n gi n t oc d n s i d e r a t i o ni nt h e p h a s eo fd e s i g n ；s ot l l em a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o ni s ai m p o r t a n tt e c h n i c a lt o o lt o i m p l e m e n t d f m t h ep 印e rw i l lb ed i s c u s s e df r o mf - o u r a s p e c t s ，b a s e d o nt h er e s e a r c ha b o u t m a n u f 她t u f a b i l i t ye v a l u a t i o no fm a n yr e s e a r c h e r si n h o m ea n da b o a r d a tn r s t ，t h e m o d e ia b o u ti n f o r m a t i o n r e q u i r e m e n t i n m a n u f a c t u r a b i l i t y e v a l u a t i o ni ss e t u p b a s e do nt 1 1 ef e a t u r e t e c h n o l o g y a n d o b j e c t - o “e n t e dm e c h a n i s m ，w e f o u n dt h e m a n u f a c t u r e o “e n t e dt 1 1 r e e l e v e l s ( n a m e l yp a r l ，f c a t u r e a n d g e o m e t r y ) m o d e l o f m e c h a n i c a lp a na n dt h er e s o u r c en l o d e l ；s e c o n d l y w er e a l i z et h ec o n c u r r e n ld e s i g no f m e c h a n i c a lp a na n dp r o c e s sm f o u g hd e c o m p o s i n gc y c l e ，a n dt h e nw ec o n s t i t u t et h e e v a l u a t i o ng u i d e l i n e so nt h eb a s i so fe v a l u a t i o ns t r a t e g yo fl e v e l s ，w h i c hc a r r yo u tf f o m t w ol e v e l s ( p a r ta n df e a t u r e ) a n df o u rp h a s e s ( p a r tr o u g he v a l u a t i o n ，f e a t u r er o u g h e v a l u a t i o n ，f e a t u r e d e t a 订e v a l u a t i o na n dp a r t g e n e r a le v a l u a t i o n ) ；t h i r d ly w ep u t f o r 、柏r ds o m ee v a l u a t i o nm e t h o d sa c c o r d i n gt h ee v a l u a t i o ng u i d e l i n e s ，w h i c hi n c l u d e t h er u l e - b a s e d p r o c e s s e v a l u a t i o n m e t h o d ，r u i e - b a s e d a n d f u z z ye v a l u a t i o n b a s e d m e t h o da s s o c i a t e dw i t hr e s o u r c e s ，c a s e - b a s e da n df e a t u r e - b a s e dc o s te s t i m a t i o nm e t h o d ； a tl a s t ，w eg i v eam a n u f a c t u r i n g - o “e n t e de v a l u a t i o ns y s t e mo fm t a t i n gm e c l l a n i c a l p a n ，w h i c hv a l i d a t et h ee v a i u a t i o ng u i d e j i n e sa n dm e t h o do f t h ed i s s e r t a t i o nu s e f u la n d d r a c t i c a i k e yw o r d s ：m 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 ，d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ，d f m c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ， f e a t u r e 塑婆王些盔堂堡圭堂垡堡兰 蔓二皇堕堡一 第一章绪论 1 1 并行工程概论 1 1 1 并行工程的产生背景 市场的竞争给企业带来了巨大的压力，如何在激烈的竞争中求得生存和发展 是摆在每个企业面前的严峻问题。尽管许多企业已通过柔性制造和集成技术改善 了生产条件，获得了显著的经济效益，但这些高技术的应用远没有达到人们所期 望的目标。对国内外企业的调查和分析表明：企业组织结构的改进是企业从应用 技术中获得更大潜在效益的重要因素，改进产品的开发过程比改进产品的生产过 程获得的效益更为显著。 长期以来，产品开发过程一直采用顺序工程的方法( 如图卜1 ) ，即首先由设 计部门设计产品，产生工程文件；然后由生产部门读懂这些文件，再根据这些文 件产生生产计划( 如加工工艺，装配工艺等) ，并组织设备，安排生产，有时还需 要设计和制造专用夹具；质检部门依据有关技术要求安排检验。顺序工程方法的 缺陷在于：在设计过程不能及早考虑制造过程及质量保证等问题造成设计制造 脱节，使产品开发过程成为设计、加工、测试、修改设计大循环，产品设计通过 重复这一过程趋于完善，最终满足用户要求。这种方法不仅造成设计改动大，产 品开发周期长，而且使产品成本高。在目前这种竞争激烈，产品更新换代快的市 场条件下，这种方法的缺陷已经严重威胁着企业的发展。为解决上述问题，仅通 过改进产品的生产过程所取得的效果甚微，只有改进产品的开发过程才是最佳方 案。 那么如何改进产品的开发过程昵? b o o t h r o y d 在福特汽车公司发表的报告中指 出，尽管设计费用仅占成本的5 ，但却影响了7 0 的成本；g a t e n e y 和f o o 评价说， 设计阶段决定了8 0 到9 0 的产品生产生命周期的全部消耗，等等。人们逐渐认识 到应当通过优化产品设计使产品设计有助于产品的制造过程以达到企业的目标。 浙江_ t 业大学硕：仁学位论文 第一章绪论 于是，并行工程( c o n c u r r e me n g i n e e f i n g ，简称c e ) 的概念应运而生，它通过集 成企业内的一切资源，使生产的整个过程在设计阶段就全面展开，以确保设计和 制造的一次成功。 1 1 2 并行工程的定义和内涵 并行工程的概念是美国防御分析研究所( 1 d a ) 于1 9 8 8 年在l d a 的第一届 c e 专题研究会上首次提出的。r i w i r i l l e r 为c e 提出的定义为：“并行工程是集成 和并行地设计产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统化工作模式， 它要求产品开发人员在设计一开始就考虑到产品生命周期中从概念形成到产品报 废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。”1 2 j 并行工程提出 不久即引起各国工业界的高度重视，一些实验性的并行工程系统和并行工程环境 相继提出，有些已在工业生产中褥到应用，取德了良好的效果。 并行工程中“并行”的概念( 图卜2 ) 体现在：在设计阶段集中有关产品研制 周期部门的工程技术人员，设计产品和有关过程，并对产品性能和有关过程进行 计算机仿真、分析和评估，提出改进意见，以取得最优的结果。通过这一策略， 不仅实现产品设计优化，而且使整个产品开发过程优化。 ：童曼塑ii 地 圈1 2 并行工程 与传统设计模式相比，c e 突出表现在：一，由串行设计模式发展为并行设计 模式；二，由信息集成发展为过程集成。c e 作为一种设计哲理，它所要求的设计 过程的并行和集成是一种以工作空间的展开换取工作时间缩短的方式来处理复杂 系统的方法；与传统顺序方式相比，这种方法扩大了系统的状态空间，缩短了复 塑堡王些查兰堡主兰堡堡苎 塑二童堕堡 一一 杂问题的迭代次数，促使设计一次达到最终目标吼设计过程的集成包括3 层含 义：设计结果可以为工艺设计接受和共享：在结构设计中能够考虑到制造过程对 产品的约束，并对产品进行可制造性分析和评价；工艺设计能对结构设计提出反 馈意见，对设计进行恰当的修改。由此可见可制造性评价是实现过程集成不可或 缺的环节。 有的学者提出用“并行设计微循环”的概念来描述“并行”的本质和特点。“微 循环”可以说是在宏观上并行，在微观上串行。因为设计和工艺几乎是同时丌始 和结束的，但是具体到个微循环中，仍然是顺序作业，先考虑产品功能，然后 再考虑工艺要求。并行工程不是同时或交叉的进行设计和生产。并行工程要求同 时进行产品及其下游过程设计，雨不是设计产品的同时执行生产过程。相反，并 行工程强调所有设计工作要在生产开始前完成i4 1 。 并行工程的研究是个及其广泛的范畴，其内容主要包括【5 ，6 j ： 1 过程重构：由传统的串行产品开发模式变为集成的、并行的产品开发模式， 使下游设计过程的需求及早的反馈给相应过程中。 2 数字化产品定义：包括数字化产品模型定义和管理、数字化过程定义和管 理、数字化工具定义和信息集成，如d f m 、d f a 、c a d c a e c a m 集成等。 3 产品开发队伍重构：将传统的以功能部门为主线的产品设计，改变为以产 品为主线，组织多功能集成产品开发团队。进行产品并行开发。 4 协同工作环境：利用多媒体、网络等技术，组织协调工作环境，支持并行 设计。 与c e 相类似的概念有同步工程( s i m u l t a f l e o u se n g i n e e r i n g ，s e ) ，s e 更强调 强调产品开发早期考虑诸如可制造性可维护性等问题：另外还有欧拭体l s p r l t 项 目提出的并行协同工程( c o n c u r r e n ts i m u l t a n e o u s e n g i n e e r i n g ，c s e ) 等。近几年来， 随着互联网和电子商务技术的发展，c e 向更高层次发展，即协作工程( c o l l a b o r a t i v e e n g i n e 盯i n g ，c e ) ，协作工程又被称作新一代并行工程( c ei i ) 。支持c ei i 的是 新一代产品数据管理p d m i f ，c e i i 强调的是并行与合作的统一，而合作是真正有 效实施c e 的重要前提f 卅。 1 2 面向制造的设计d 蹦与可制造性评价 1 2 1 d f 能概念 3 沥江= 1 = 业大学硕j ：学位论文 第一章绪论 面向，x ”的设计d f x 是一种设计哲理，隐于产品设计及其工艺的设计过程 中，其中x 代表产品全生命周期中的某一个阶段，如制造、装配等；也可以是代 表产品竞争力的属性，如质量、成本等。d f x 即指在设计初期不仅注重最终结果 产品输出，同时注意“x ”的约束。并行工程环境是d f x 技术得以发挥的重要技 术支持环境，关于d f x 的研究一直是国内外学术界研究的热点。 湎向制造的设计( d e s i g nf o rn l a n u i a cl u r e ，d f m ) 是一种设计方法，其主要 思想就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；另外在可制造性评价环节检测出来的加工难点还可以进行 信息预发布，以便相关环节提前开展准备。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【们。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，能显著降低成本，增强产品的竞争力。因 此，面向制造的设计是并行工程中最重要的研究内容之一。 研究表明，设计过程的成本只占产品成本的很少一部分，但是大部分( 7 0 8 0 ) 的产品成本却是在设计阶段决定的，只有少部分( 2 0 3 0 ) 是在制造过 程中决定的。由于d f m 方法的引入，可能会导致设计阶段成本的增加和时间的延 长，但是，我们知道，在产品开发过程中，错误发现得越晚。由于这个错误而引 起的一系列修改、返工与管理协调所花费的时间就越长，费用就越高。这就是说， d f m 在设计阶段由于考虑工艺而多出的时间和费用能够在下游的加工装配等阶段 得到补偿，从而总体上达到了缩短开发周期和降低生产成本的目的。d f m 在产品 丌发中所处的地位和位置如图1 3 所示哪。 d f m 有广义和狭义之分，广义的d f m 指产品d f m ( 也称为d f m a ) ，它包 括面向装配的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，d f a ) 和面向制造的设计；狭义的d f m 指零件d f mi ，瑚，是前者的一个组成部分，因此有一些概念和前者是相通的。 国外已经有产业化的d f m a 软件，如美国布斯劳、德赫斯特的d f m a 软件呲4 1 ， 并且在企业应用中取得了可观的经济效益；在国内主要还限于d f m 和d f a 单项 技术的研究，且产业化程度低。本文的研究范畴是狭义的霉件级的o f m ，如无特 别说明，本文出现的d f m 均是指零件d f m ，可制造性评价也是指机械零件的可 制造性评价。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2d f m 方法学 自7 0 年代以来。工程师们就意识到在设计中考虑工艺的重要性，他们从 方法论的层次，提出了很多反映d f m 思想的设计方法学，这些方法大多是定 性的指导原则，在指导设计中起了重要作用9 ， 。这些d f m 方法学包括： 白 图1 3d f m 在产品开发周期中的位置和作用 ( 1 ) 设计公理( a x i o m a t i ca p p r o a c h ) 即良好的设计都符合一定的原则或公理，用这些公理去指导设计决策就可以 得到工艺性好的设计。设计公理是从大量优秀分析研究中抽象出来的，因而只有 资深工程师才能理解。 ( 2 ) d f m 准则( d f mg u i d e l i n e s ) d f m 准则是从多年的设计和制造实践中总结提取出来的一些设计准则。这些 准剐既能指导设计保持良好的可制造性，又能发挥设计者的创造性，类似于传统 的结构工艺性设计规则。如设计中要尽量使用标准件、相似特征尽量设计为统一 尺寸、改内表面加工为外表面加工等。 ( 3 ) 工艺驱动的设计( p r o c e s s d “v e nd e s i g n ) 它是为了保证设计出的零件和产品能够用某种特定的制造工艺生产出来，设 计准则大都高度专门化，可分为针对特定工艺( 如面向铸造或锻压的设计等) 和 针对特定加工设备( 如柔性装配与制造系统等) 两类。 ( 4 ) 成组技术辅助d f m 它通过识别和拓展零件在形状和工艺方面的相同或相似性来减少制造系统的 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 信息量，支持产品的设计、制造和管理。采用g t 系统作为d f m 的辅助工具时， 设计工程师只需要根据功能要求确定要设计的零件的组代码，通过对g t 零件数据 库的搜索找到相似零件后，根据新的要求对其作相应的修改就能得到新的设计。 更重要的是，成组技术可以有效地控制零件种类的繁殖，减少冗余的新设计。 ( 5 ) 价值工程方法( v a l u ee n g i n e e “n gm e l h o d ) 它是对设计对象的结构及功能特性进行分析，在各个不同的设计阶段中，研 究各个功能和成本的关系，产生一个能在价值工程中使用的功能视图。 ( 6 ) 计算机辅助d f m 8 0 年代后期，由于人工智能与专家系统技术的发展，使得既懂设计又懂工艺 的“全能设计师”成为可能；计算机网络和通讯技术的发展，使得不周职能部门 的交流变得既方便又快捷；计算机强大的计算能力可以担负d f m 中的一些繁琐的 工作。这样d f m 才真正得到发展的机会。计算机辅助d f m 系统大致可以有以下 几种形式： 基于知识的可制造性评价系统 它通过知识库中的工艺知识，数据库中资源数据，对c a d 系统的设计结果给 出可制造性评价，对不同的设计方案进行优劣评估。更进一步则可对设计方案的 制造成本和生产时间进行预估。从而为设计者决策提供参考。 c a d ，c a p p 并行交互设计系统 在这种系统中，d f m 和计算机辅助工艺设计c a p p 融为一体，其要点是c a d 和c a p p 同步进行，并且通过网络使二者非常容易和快捷地交流，在c a p p 中出 现的制造性问题能够随时反馈到c a d 部门，从而达到了d f m 的目的。 基于制造特征的设计系统 这种方法与前两者的区别在于它不是后验式的。而是直接对设计决策起作用。 d f m 过程融于c a d 系统中。具体地说，首先根据工艺类型( 铸、锻、切削等) 和制造资源建立特征元库，这些特征元在特定的制造环境中都起可制造的。c a d 以库中的特征元为“原料”进行造型过程，以保证设计出的零件有较好的可剃造 性。 可以者出簧实现计算机辅助d f m 无论楚前齄或是雁鲢豪统，可嗣遣侄评 价都是一个不可或缺的关键环节。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ，2 3 可制造性评价 所谓可制造性评价，广义上讲。要求设计过程中考虑产品从生产到报废的整个 产品生命周期中的所有影响因素，包括制造、测量、装配、维护以及回收再利用等 方面对产品的约束：狭义上通常指根据现有制造资源条件，对产品零件模型的各设 计属性( 形状、尺寸、公差、表面质量等) 满足制造约柬的程度进行分析，找出设 计模型中不利于产品制造和产品质量的因素，从而指导产品设计。 从机械零件的研究范畴出发，可制造性评价是一种提高产品设计质量的有效手 段，它通过对产品制造过程中的相关因素( 结构工艺性、加工可行性、经济性等) 进行检验和制造评估，及时发现设计问题、改善设计质量，减少设计环节与制造环 节的循环迭代，为进一步进行设计修改提供理论依据；它是寻求最简单、最经济、 又能满足用户需求的设计方案的过程i 佰，”】。因此它是计算机辅助d f m 的主要实现 手段与核心技术。关于零件可制造性评价的迸一步介绍。将在第三章探讨。 1 3 可制造性评价国内外研究豌状 随着特征技术的逐步成熟，产品建模工具得到很大改进，现有的实体和特征 建模工具已经能够支持可制造性分析活动进行复杂的几何推理，从而为研制灵活、 通用的可制造性评价系统提供了条件。近年来针对制造系统的各个领域，进行7 大量的可制造性评价研究，取得了丰硕的成果【l l l 。 从可制造性评价策略上来看。总体可分为2 类l 基于规则进行可制造性评 价。通过知识库中的工艺知识和数据库中的制造资源数据。对设计结果进行可制 造性评价，这类策略主要针对零件的结构工艺性方面进行缺陷检查，并对制造成 本和生产时间进行预测。基于知识的系统是目前国内外采用较多的d f m 系统，它 功能独立，便于模块化。但在处理复杂零件的几何闻题，尤其判断涉及到空间拓 扑关系的加工干涉问题时有一定的局限。基于工艺规划进行可制造性评价。这 类策略首先根据设计规则对各设计属性进行初步评价，然后根据设计模型及现有 的制造资源创成工艺规划，再对工艺规划进行优化。 从可制造性评价指标来看，由于可制造性评价设计面广，影响因素多，人们 对其处理程度不一，目前存在多种评价尺度或几种尺度的组合，主要有简单的可 行与否、定性评价、抽象定量评价、时间与成本指标等方法以及几种方法的组合。 更为全面的评价尺度应是综合考虑技术可行性、生产率指标、经济性指标的综合 塑堑三些奎堂堡主堂垡堡塞 塑= 童堕堡 一 一 评价方法【1 6 l 。 从可制造性评价的自动化程度来看，主要牵涉到设计者如何与评价系统进行 交互，以及评价系统的反馈信息的处理两方面。有的d f m 原型系统是与c a d 系 统集成的，自动抽取零件信息进行评价并给出反馈信息，但其功能性一般不强。 有的则是作为一个单独模块运行，需要设计者输入一些必要信息，功能性易扩展 。 从国外来看，最早涉及可制造性评价这一领域的是b o o t h r o y d 教授从事的设 计模型的装配成本估计方法的研究1 2 0 1 ，这是广义产品d f m 的一部分( 装配成本估 算) ，可制造性评价也从此初鼹端倪。s h a l l k e r 和j 锄s s o n 等人提出了核心可制造性 概念【2 l 】( c o r em 锄u f a c t u 阳b ；l i t yc o n c e p t s ，c m c s ) ，将设计中涉及的可制造性问 题分为兼容性( c o r n p a t i b i l i t y ) 、复杂性( c o m p l e x i t y ) 、设计质量( q u a l i t y ) 、制造 效率( e 衔c i e n c y ) 和兼顾性( c o u p l i n g ) 等几大类。 v e n t a t h i 锄根据产品模型的几何边界信息提取制造特征，采用基于规则的专 家系统自动进行可制造性评价】。t h e r e s e 等基于加工特征的可制造性评价方法。 把制造约束加入到零件的详细设计阶段。根据加工特征丰廿材料特征从刀具库中选 择合适的加工刀具，从而指导设计【矧。c u t l 【o s k y 等开发了一个用于机加工零件采 用制造特征的设计系统n e x t _ c u t ，设计者通过相继从工件中减去制造体积来产 生设计模型，随着制造体积从工件中减去，系统使用知识库来分析设计方案的可 制造性，给出存在可制造性方面的特征l 矧。它们的共同点是对单个制造特征进行 定性评价，因此属于初步评价。 c h e m g 等开发了一个适用于轴类零件特征建模和动态工艺规划集成的系统。 该系统也具有可制造性评价功能，将派生式和创成式两种方法相结合进行工艺规 划设计在工艺规划的同时进行零件的可制造性评价【2 5 1l 它是基于简化工艺规 划的定性评价方法。 0 u p t a 等提出了一种叫机加工零件的自动可制造性评价方法，其核心是根据零 件的制造特征( 特征识别产生 解释生成多个候选的加工工艺，并以最优的加工 工艺来计算零件的制造成本，作为零件的可制造牲值。逋过判断刀具可访问体是 否与零件发生干涉进行特征的加工可行性验证1 2 ll 当特征数量较多时可能会产 生组合爆炸问题。y a r u l o a i a k i s 等开发了一个轴对称零件的可制造性评价系统，该 系统采用经验数据来估计加工参数。根掘特征的加工时间来计算每个特征的可制 l 塑坚三些查兰堡土兰堡堡塞 笙二童堕堡一 造性指标m 2 ”。z h a n g 等基于制造及其管理的知识对加工费用、刀具费用、辅助 费用和安装调整费用进行评估1 2 9 】。它们都属于基于整个零件模型的定量评价方 法。 d a s 等在g u p t a 方法的基础上提出了以减少装夹成本为目标的再设计修改建议 的产生方法，即在不改变零件的设计功能的前提下，通过修改零件的设计特征的 局部儿何参数，如增加或修改过渡圆角半径、增加退刀槽等产生新的候选特征， 将具有更优的可制造性值的候选特征作为再设计的修改建议1 3 0 】，该方法，i ：没有对 g u p t a 方法的组合爆炸和评价速度问题加以改进。h a y e s 的可制造性分析方法建立 在产品的一个初始工艺规划基础上，采用基于规则的语言o p s 5 来描述特征和毛坯 的参数，该方法同样也通过修改特征的几何参数或采用候选特征来减少加工装央 次数，并以能降低制造成本的特征参数或候选特征作为评价的反馈信息【3 ”。这是 具有优化设计建议功能的评价方法，它们一般都建立在工艺规划的基础上采用 修改特征几何尺寸、修改毛坯形状、选用候选特征等不改变零件设计功能的方法 对零件模型进行试修改，然后重新建立加工工艺规划，计算加工成本，当存在更 优的加工成本时，则将试修改的结果作为优化设计修改建议；目前并没有更满意 的建议方法。 在国内，华中科技大学的胡庆夕、高峰等提出了基于约束的可制造性评价方 法，对回转体零件进行可制造性评价。采用与当前制造资源相关的可制造特征来 进行零件设计，将制造约束分为对特征类型的约束、对特征的属性值的约束和对 特征组合方式的约束，从刀、夹、量具方面加以约束：对此用规则进行约束检验， 规则被表示为p r o l o g 语言子旬形式，主要从零件的单个特征工艺性、特征组合的 工艺性、精度合理性方砸进行评价【3 2 q 5 1 。 清华大学的宋玉银提出了基于知识的集成化零件d f m 方法，基于面向对象技 术，采用框架和规则混合方式表达可制造性评价知识：基于集成产品模型。通 过s t e p 文件，赢接获取c a d 中的零件设训信息进行可制造性评价1 3 6 ”，3 引。清华 大学的吴瑞荣等介绍了个面向对象的可制造性评价系统，对零件设计信息、制 造资源信息、工艺参考信息分别用面向对象的技术建立了相应的层次信息模型； 基于优化工艺设计的可蒂4 造性评价策略。将优化工艺问题转化为一个目标规划问 题，在此基础上基于约束判断零件的结构工艺性和加工可行性的边界约束条件： 整个评价内容以层次树状结构加以组织，评价过程的控制知识封装在评价过程类 9 浙江1 ：业大学碗i j 学位论文 第一章绪论 咔l ，用以控制整个系统的实现过程【3 9 1 。清华大学的何煜琛等也介绍了一神利用高 端c a d 软件的信息环境丌展设计模型加工性能检查的方法，他们采用p r o e 进行 零件造型，在可制造性评价分析这一环节中，同样借助p r 0 ，e 中的动画和机构分析 模块，直观精确仿真刀具加工的情况【4 0 】。因为该方法利用现有的三维造型软件， 并且注重充分发挥人的主动性，所以实践起来较容易。 浙江大学的吴玉光提出一种可制造性逐步评价方法，其评价对象可以是详细 设计阶段不完整的特征模型，为了保证评价方法的连贯性和评价速度，仅对前 次评价之后可能产生的新的可制造性问题的特征进行评价，从而大大压缩了需要 进行评价的特征范围【1 6 挎，4 】：其独到之处在于对制造特征的存在状态进行分类，并 给出了其确定方法，提出了制造特征影响集合的概念。合肥工业大学的黄荣瑛等 从过程管理层次和过程操作层次建立可制造性评价体系，在评价中分别对技术指 标和经济、技术、生产率三大指标进行合成l 捌。其功能模块分粗评、精评和综合 评价三级评价组成。在粗评中，引进了价值工程理论的a b c 法1 4 3 1 ，这是比较创新 的方面。 在模糊可制造性评价方面，北京理工大学的何爱新等建立了可制造性的多目 标多层次综合评价数学模型【3 1 ；浙江大学的仲智刚等也根据评价指标的递阶层次模 型用模糊集理论进行求解f 4 4 】。二者基本上大同小异，且均限于理论研究。 综上所述，国内外的许多专家、学者都对零件可制造性评价从理论和实践方 面做了许多必要的和有益的探索。在理论研究方面，一个优秀的可制造性评价系 统应该是与c a d 和c a p p 是集成的，所以构建基于特征的c a d ，d f m c a p p 集成 系统就成为首选，而且由d f m 评价系统向c a d 反馈信息的智能性是亟待提高的； 目前的可制造性评价系统在加工时间和成本的定量计算方面一般都了必要的简 化，如何将毛坯选择、加工余量选择、切削参数优化、工艺优选和排序等一并考 虑进去进行更加准确和完备的加工时间和成本计算也是一个很迫切的问题。在实 践方面，由于d f m 可制造性评价系统的信息直接来源于零件模型的制造特征，而 现有的无论二维或三维c a d 系统的零件模型都只提供设计特征。如何从设计特征 获得制造特征变成了一个问题。若从底层进行c a d 造型研究以提供评价系统所需 的制造特征，必然花费诸多时间并影响其通用性；特征映射理论研究发展缓慢， 对简单特征尚可由设计特征获得制造特征。对稍微复杂点的零件则无能为力：而 基于s t e p 的特征模型虽然在理论上可以提供各种应用模型( 如制造模型) ，但仍 o 浙江： 业大学硕士学位论文 第一章绪论 在进一步完善之中；所以更切近的办法是对现有的通用c a d 软件( 如s w 、p r o e 、 u g 等) 进行必要的二次开发以提取形状特征，然后通过特征造型系统获得评价所 需要的零件模型，这当中要充分发挥设计人员的能动和智慧，与系统进行必要的 交互以获得制造特征，通过人机协作共同完成零件的可制造性评价。 1 4 本文的主要研究内容 可制造性评价是实现产品并行工程的重要环节，基于特征的可制造性评价研 究更是近年来的研究热点并且方兴未艾，这是因为零件的制造特征模型能够充分、 有效的支持可制造性评价。基于特征模型的可制造性评价方法不仅可以对零件进 行定性评价，也可以进行定量评价，还能够根据具体的设计提供修改建议。同时 我们也应该看到，基于特征的可制造性评价在评价范围、精确度、速度等方面还 存在许多挑战性的问题。有待人们去解决。本文结构拟订如图1 4 所示： 圈l - 4 论文的结构框架 1 5 本章小结 本章首先介绍了并行工程在先进制造技术中的意义和作用，指出d f m 可制造 性评价是实行并行工程的核心技术之一。介绍了d f m 的概念和方法学，初步阐述 了可制造性评价的内涵最后对基于特征的零件可制造性评价国内外研究现状进 行了综述，并对该领域还存在的问题及其可能的解决思路进行了讨论。在以上分 析的基础上提出了本文的研究内容框架。 塑堑三些查兰塑! ：兰丝堡壅苎三童里塑堕丝型塑塑兰丛望塑塑些堡 第二章可制造性评价的零件与资源建模 可制造性评价系统是在对各类信息处理的基础上完成零件的可制造性评价 的，要完成可制造性评价，首先要对可制造性评价的需求信息进行建模。这些信 息主要包括零件设计信息、制造资源信息等。在模型的实现上，将采用基于特征 的技术和面向对象的机制来完成。 2 1 零件建模 2 1 1 特征概述 传统的c a d 系统关心的是零件的几何形状信息，常以线框模型、面模型和实 体模型来描述零件，提供的零件信息是几何信息和图形拓扑数据，对于零件的可加 工性考虑很少这种设计方法显然不能满足并行设计的要求4 5 4 6 】。虽然当前的三维 造型系统如u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等都具备强大的造型功能，简便的操作以及系 统内部较完善的信息管理手段，但这些系统所建立的零件信息模型都还只限于几何 形状特征信息，而面向加工制造的特征信息很少表达。但如果考虑并行设计中c a p p 和d f m 等设计活动对零件信息模型的要求，则不但要表达零件的几何、拓扑信息， 还要表达有关零件的工程语义信息( 表达工程师的设计及制造意图) 。为了解决以 上问题，需要开发基于特征的零件信息建模系统，将零件模型中要求的高层次信息 以“特征”的形式表示。 特征技术是当前研究的热点，虽然对特征的定义众说纷纭，但对特征的性质和 作用的提法是基本一致的，并且特征技术是实现并行工程最有希塑的途径这一点已 形成共识。在这里，对特征进行如下定义：特征是一个零件的形状和其它属性的信 息集，该信息集可以用于该零件及其所在的装配体的设计、制造和性能分析1 4 7 j 。我 们知道，零件的功能是靠零件的结构形状和精度来保证的，而零件的结构形状一般 都对应一种或多种加工方法，每种加工方法又与加工设备密切相关，这样零件功能 一结构形状一加工工艺一加工设备就密切联系起来，而联系的“纽带”就是“特征”， 所以在设计阶段以特征为基础设计零件就能保证零件的可加工性。 2 1 2c e d f m 对零件定义模裂的要求 众所周知，常规c a d c a p p ，c a m 集成系统中的c a d 与c a p p 是一前一后的两 个过程，c a d 系统中产生的零件信息经前、后置处理后，进入c a p p 系统，这种 1 2 塑坚三些查堂堡土堂壁堕塞笙三皇里型堕丝堡尘塑垩竺兰篁堡墼堡一 系统不存在对零件设计结果进行工艺性评价，以及从工艺角度指导设计，更不用说 考虑下游生产制造过程中的因素，因而常规集成化的零件定义模型反映的是一个串 行信息流过程。而在并行环境中，零件设计和工艺设计是相互并行交叉进行的一个 过程，经过零件设计和工艺设计之问的多次反复迭代之后，同时生成完嵛的零件数 据和工艺过程数据，而在每一次迭代中，零件设计和工艺设计都是围绕同一个零件 数据模型进行的：所以面向并行环境的零件定义模型比常规c a d c a p p c a m 集 成化的零件定义模型具有更丰富的内容和更复杂的操作【4 引。 d f m 可制造性评价对零件定义模型的要求有以下三点【4 9 】： ( 1 ) 在并行设计过程中，该零件模型的数据结构应该是便于设计者动态操作 的。因为根据c e 原理，在设计过程中，零件设计与工艺设计是并行交叉的，所设 计的中间结果( 不完备的零件信息) 移交工艺设计模块进行工艺设计及可制造性评 价，并能根据评价结果修改零件模型内容或继续设计； ( 2 ) 该零件模型能强调零件功能与零件特征的关系。只有这样，才能使零件 设计与工艺设计在满足零件功能要求的前提下进行交叉设计，使设计出来的产品既 满足指定的功能又具有经济的可制造性： ( 3 ) 该零件模型包含有零件的总体信息、零件的功能及形状特征功能、零件 性能及约束、零件的几何形状尺寸及公差、零件各表厩( 即特征) 的精度要求及联 接关系、零件各表面间的形位公差、零件表面的加工方法、制造资源及工艺参数等 信息。 2 1 3 面向d 阳的零件模型研究 2 1 3 1 零件模型的构成 根掘并行设计系统对零件信息的需求零件定义模型应涉及描述零件的完整信 息( 包括总体、技术、形状、公差、材料与工艺信息) ；因此本文认为零件定义模 型是以特征为基础，而且应该是总体特征、形状特征、功能特征、精度特征、材料 特征及工艺特征六个子模型的有机组合，并且它是一个多层次数据结构。在具体实 现时，利用零件层、特征层、几何层三层结构来表达特征信息，可以满足并行环境 对信息多层次的需求。其中。特征层是零件定义模型的核心层，形状特征是特征级 中一个最重要的子模型，零件的精度特征、材料特征、工艺特征和功能特征直接从 属于形状模型，而总体特征则是对整个零件的总体描述。本文提出的零件定义模型 浙江。r 业火学硕j j 学位论文第二帝可制造性评价的零件与资源建模 如图2 1 所示，其各特征定义如下 j 零件定义模型 j 、 l 总体信息特征模型lll 功能特征模型i零件屠 h 筹絮枞l “、 i1 1 ”“型i i 精度特征模型ff 工艺特征模型i 特征层 l 几何，拓扑特征模型l 几何层 i ! e | 2 i 零件模型定义 1 ) 功能特征 现代设计方法学和价值工程认为功能是设计的出发点和依据，而且是面向用户 要求获得成功设计的要素之一。对于面向制造基于特征的零件设计，零件是由具有 特定功能的特征构成的，零件的功能是决定形状特征、精度特征、材料特征等的基 础，因此零件功能贯穿整个设计过程1 5 0 1 。零件有总体功能描述，但其表现形式上为 各个特征的子功能的组合，从而将子功能与特征联系在一起， 零件功能分析是零件结构设计过程中必不可少的环节。功能分析应从用户对功 能要求的角度出发，采用功能分解法对零件总功能进行划分，把总功能分解成若干 子功能，然后通过功能特征映射( 二者具有多重影射关系，即“多对多”) ，得到 相映的功能载体一形状特征；图2 2 是箱体零件的功能建模。为了实现自动化设计， 对某类零件( 如回转体零件) 的所有功能 要求，构造出一个客观存在的有限的功能 集合，而由该类零件中任一对象( 即某一 具体零件) 的总功能分解得到的所有子功 能是该类零件功能集合的子集。考虑到设 计者对于功能理解的主观因素。该子集实 际上是一个模糊子集，且可以反映这些子 功能在实现总功能上所起的作用。 在分析零件功能过程中，不仅要将零 件总功能进行分解，而且要研究零件功能 之间的关系( 即功能的连接次序) 。零件功 图2 - 2 箱体零件功能建模 浙江工业大学顶j ：学位论文 第二章可制造性评价的零件与资源建模 能间的关系有“与功能”和“或功能”，前者是实现零件总功能所必须满足的，后 者则只需满足其中之一。当零件功能树产生后，零件功能的不同次序关系可能会产 生不同的结构设计效果，而有些设计方案则可能是不合理的，需要剔除之所以确 定零件功能的先后次序关系也是功能分析中不可缺少的环节。 2 ) 总体特征( 管理特征) 与零件的管理相关的信息集合，总体特征的属性出未注表面粗糙度、利料、g t 码等组成，且对应的方法由表面粗糙度选择、材料选择、成组技术等组成，其中材 料、表面粗糙度属性引用材料特征和精度特征中的表面粗糙度特征。另外还可以包 括设计者，设计日期等。 3 ) 形状特征 它是一组与零件名义几何形状相关的信息集合。形状特征的分类在不同的应用 领域有不同的分类方式，一般常常按照零件的结构形状和加工因素来定义形状特 征，由于“结构形状”和“加工要素”都是模糊的概念，不同的领域，不同的设计 人员都有不同的