（机械设计及理论专业论文）基于概念结构生长型设计的公差设计技术研究.pdf

摘要 本文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，实现了生长型公差设计原型 系统，并用实例验证了其正确性和可行性。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，从而阐述 本论文的选题依据，介绍了本文研究的主要内容。 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 定位原理这些基础理论支持下，提出了符合自顶向下设计思想的基于定位模式的 生长型产品概念设计构思，建立了结构生长型设计模型，通过面向对象的编程技 术进行了系统实现。讨论了功能、结构、尺寸与公差之间关系，建立了公差信息 模型，并将之与结构生长型设计相结合，给出了公差与结构同步设计总体框架。 研究了尺寸链的自动生成方法，包括封闭环的确定及其尺寸、公差信息的存 储、获取，组成环的确定及其尺寸信息的存储、获取，装配误差的确定及其配合 信息的存储、获取，并首次提出了t s - u l t s m s 方法用于全局尺寸链的搜索。阐 述了公差分析和公差分配方法，成功借用于生长型公差设计的分析和分配。 在考察大量零件的基础上对定位模式进行了进一步的研究和分类，并给出了 它们概念结构的表达和程序的初步实施；实现了表面修改后公差的再计算程序。 简单介绍了三维公差设计方面的研究进展，以进一步提高公差设计技术的能力。 最后，以活塞半精镗夹具的设计过程为例，验证了本文理论研究与技术实施 的正确性和有效性；并对基于概念结构的生长型设计和公差生长型设计应该进一 步开展的工作进行探讨和展望。 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：功能表面：定位模式；生长型设计；公差模型：尺寸链；自动生成 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb 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 m d yo nt h e d e s i g n t h e o r ya n da p p l i c a t i o na n do f s 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 no f p 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 5 1 2 9 ) ， s t u d i e st h e o r ya n d t e c h n o l o g yo f t 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 eg r o w i n gd e s i g n o nt h e s e g r o u n d w o r k , 眦a c t u a l i z et h eg r o w i n gt o l e r a n c ed e s i g np r o t o t y p es y s t e ma n dr u ea e x a m p l et ov a l i d a t ei t se o o r r c c t n e s s a n dv a l i d i t y 。m yr e s e a r c hw o r k sa r el i s t e da s f o l l o w i n g ： c o m p l e t e l yi n v e s t i g a t ea n ds t u d yt h ed e v e l o p i n gs t a t u so f t h ec o n c e p t u a ld e s i g n a n dc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c ed e s i g no f t h em e c h a n i c a lp r o d u c t sa th o m ea n da b r o a d , d i s c u s st h ep r o b l e m si nt h e s et w of i e l d s ，e x p a t i a t er e a s o n sw h yis e l e c tt h i s p r o b l e m ，g i v e st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h ec o m p a r a b i l i t yb e t w e e nc o n c e p t u a ld e s i g no fp r o d u c ta n d b i o l o g y g r o w t h a n dt h r e eb a s a lt h e o r y ：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 nf 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 ea u t h o rb r i n g s f o r w a r dt h e , m e t h o do 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 n l o c a t i o nm o d ea c c o r d i n gt ot o p - d o w nd e s i g ni d e a s ，a n dr e s e a r c h e sc o n s t r u c t r u e g r o w i n gd e s i g nm o d e l ，a c c o m p l i s h e st h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l eb yt h et e c h n o l o g y o f0 0 ( o b j e c to r i e n t e d ) ia l s od i s c u s st 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 r u e ， d i m e n s i o na n dt o l e r a n c e ，s e t su pt o l e r a n c ei n f om o d e la n dc o m b i n e si tw i t hs t r u c t u r e d e s i g nt og i v eag e n e r a lf r a m eo f s i m u l t a n e o u sd e s i g no f t o l e r a n c ea n d s t r u c t u r e s t u d yt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o nm e t h o do f d i m e n s i o nc h a i n ，w h i c hi n c l u d e sc l o s e d l o o pc o n f i r m a t i o n , m e m o r y ，a c q u i s i t i o no f i t sd i m e n s i o n a n dt o l e r a n c ei n f o r m a t i o n ，u n i t l o o pc o n f m n a t i o n , m e m o r ya n da c q u i s i t i o no fi t sd i m e n s i o ni n f o r m a t i o n ，m a t i n g c l e a r a n c ec o n f o r m a t i o n , m e m o r ya n da c q u i s i t i o no fm a t i n gi n f o r m a t i o n ，f i r s t l yb r i n g f o r w a r dt f - u l - t f - m fm e t h o dt os e a r c hf u l ld i m e n s i o nc h a i n e x p a t ! a t et h em e t h o d s o 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 n dm a k e sm o d i f i c a t i o no ni tt os e r v ef o r g r o w i n gt 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 n ( g t a d ) 山东大学硕士学位论文 f u r t h e rs t u d yl o c a t i o nm o d eo i lt h eb a s i so f s e e i n ga b o u tl a r g en u m b e r so f p a r t s ， r e c l a s s i 母i ta n dg i v et h e i rc o n c e p t u a ls t r u c t u r er e p r e s e n t a t i o n ，a c c o m p l i s hi tp a r t l yb y p r o g r a m m i n g 。a c c o m p l i s ht h ef u n c t i o no fr e c a l c u l a t i n gt o l e r a n c ea f t e rc h a n g i n gs u r f a r * i n f o r m a t i o n b yp r o g r a m m i n g s i m p l yi n t r o d u c et h er e s e a r c hd e v e l o p m e n t o f t h r e e d i m e n s i o n a lt o l e r a n c ed e s i g n , w h i c hc a l lf u r t h e ri m p r o v e st h ea b i l i t yo ft o l e r a n c e d e s i g nt e c h n o l o g y a tl a s t ，a ne x a m p l eo fc l a m pf o rh a l f - p r e c i s eb o r i n go ft h ep i s t o ni sg i v e nt os h o w t h ep r o c e s so ft o l e r a n c ea n ds t m c 彻七g r o 嘶n gd e s i g no fp r o d u c t ，i tv a l i d a t e st h e c o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h e o r yr e s e a r c ha n dt e d m o l o g yi m p l e m e n t a t i o n a n dd i s c u s s a n de x p e c to nt h ef u r t h e rw o r kt h a ts h o u l db ed o n eo nc o n c e p t u a ls t r u c t u r eg r o w i n g d e s i g na n d t o l e r a n c eg r o w i n gd e s i g n 。 t h e s ew o r k si nt h ep a p e rh a v er e f e r e n c ea n dg u i d a n c es i g n i f i c a n c ef o rc o n c e p t u a l d e s i g ni nm e c h a n i c a lp r o d u c t ，e s p e c i a l l yf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ki n c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c ed e s i g ns y s t e m k e y w o r d s ：f u n c t i o n a ls u r f a c e ；l o c a t i o nm o d e ；g r 0 埘n gd e s i g n ；t o l e r a n c em o d e l ； d i m e n t i o nc h a i n ；a u t o m a t i cg e n e r a t i o 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已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：垂越 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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) 论文作者签名：垂迎导师签名：啦日期：童堕兰! 兰；z 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 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，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，快速 创新的产品开发能力。在这种时代背景下，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，厂家必须具备快 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。 设计活动是产品开发过程中最重要的环节之一，而概念设计是产品设计过程 中至关重要的环节，它是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的系统所包含的工作流程。产品概念设计是产品设计 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 】。产品概念方案设计是决 定产品最终质量、市场竞争力及企业获利的关键因素【2 j ，因此，产品概念设计越来 越多地受到人们的重视。 公差是表述零件设计信息的重要特征，它不仅影响产品的最终性能和质量， 而且也是决定产品生产成本的重要因素。产品公差设计是连接产品设计要求和加 工过程之间的桥梁，理想的设计结果是在满足产品性能要求的情况下使综合制造 成本最低。传统的公差设计方法是依靠设计人员的经验和图表，采用类比的方法 进行设计，这种方法具有结果不精确、成本高、周期长等局限。随着c a d c a m 技 术的迅速发展，传统的公差设计方法己经严重落后于整个行业的研究水平，不能 满足现代工程技术需要，影响到了其它相关技术的发展进程，所以开发一种新型 实用的公差设计方法迫在眉睫。 本文在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 山东大学硕士学位论文 计的推动因素，启发式引导产品刨成过程，对产品方案进行评价和优化。目的是 深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 机械产品概念设计概述 1 2 1 机械产品概念设计理论与方法的研究进展 从分析市场开始到发展概念产品、确定产品技术说明书，是产品设计过程的 主要任务与内容，产品设计就是定义产品的过程，它将决定性地影响产品创新过 程中后续的产品生产开发、产品市场开发，以及企业经营战略目标的实现。产品 设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作方法的一门综合性 学科。设计方法学的研究包括了设计理论和设计方法。设计理沦是研究产品设计 过程的系统行为和基本规律 3 1 。如日本学者y o s h i k a w a ( 吉川弘之) ，t o m i y a m a 等借助 集合论等数学工具建立“通用设计理论”【4 l t a u r a 等在此基础上建立“设计空间度 量理论”1 5 1 ，美国学者s u h 提出“公理化设计理论”嘲。g r a b o w s k i 提出“泛设计理 论”等。设计方法是指产品设计的具体手段，包括功能一结构方法、并行设计、 面向x 的设计、三次设计、可靠性设计、精度设计、智能设计、绿色设计等。 设计理论所要解决的基本问题是，如何能设计出成为企业竞争优势所需要的 产品。产品设计理论要在企业系统过程更广的范畴内，来研究企业开发产品所应 遵循的规律，建立起新的产品设计理论体系。自2 0 世纪8 0 年代以来，国际上便有 过关于设计理论的研究。1 9 9 8 年5 月在德国举行了国际上第一次通用设计理论讨论 会，有德、美、日等国家的学者与会。主流的观点认为设计是从需求出发寻求设 计解( 产品) 的过程。设计的理论是研究设计人员在设计过程中的思维、行为规律。 研究设计理论的目的在于发展新一代用计算机可帮助产品设计人员高效率和高质 量地寻求设计解的技术，为发展新一代计算机辅助设计技术奠定理论基础。现今 的c a d 技术只能解决产品的二维、三维的描述，而不是真正意义上的辅助产品设计。 有代表性的一些设计理论方法简述如下： 2 第1 章绪论 ( 1 ) t r i z 的方法前苏联g s a l t s h u l l e r 等人通过5 0 年来对世界近2 5 0 万件发 明专利的分析研究，总结出人类进行发明创造解决技术问题过程中所遵循的4 0 个 原理和法则，而建立一个由解决技术问题、实现创新开发的各种方法、算法组成 的综合理论体系，简称t r i z t 7 4 1 t r i z 可视为一种知识库的方法，但是它没有提出如 何随着人类在构思、创新产品过程中的规律而建立一种有效的产品设计机制。 ( 2 ) 公理化设计( a x i o m a t i cd e s i g n ) 美国麻省理工学院机械工程系n a mp s u h 等学者自1 9 9 0 年来对设计理论进行了系统的研究，提出了设计公理体系【9 】。a n 的 出发点是改变传统上以经验为主的设计，建立以科学公式、法则为基础的公理体 系。它提出了两个基本公理：1 ) 独立性公理；2 ) 信息公理，即使设计信息内容最 小化。a d 基本上是一种概念上的表达，距离实用尚有很大的距离，但a d 表明了一 种关于“设计”的考虑。 ( 3 ) 通用设计理论( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 与泛设计理论( u n i v e r s a ld e s i g n t h e o r y ) 日本东京大学人造物工程研究中心吉川弘之等自2 0 世纪7 0 年代起研究提 出g d t ，主要通过数学形式化来表达设计过程，将人类思维活动领域内的设计表示 为知识处理的概念模型。g d t 的学者主要兴趣在于研究设计活动中的认知问题，对 于工程问题的表达尚难以处理。德国k a r s l r u h e 大学“计算机应用于设计与生产 研究所”的学者h g r a b o w s k i 教授提出泛设计理论，研究结构化表达设计过程的方 法，以奠定实现新一代计算机辅助设计技术系统的理论前提，并开发了一个原理 性的演示系统，其目的在于探求设计过程是如何组织的，计算机如何能用于支持 设计的全过程。 ( 4 ) p a h l 与b e i t z 的理论德国学者p a h l 和b e i t z 于2 0 世纪7 0 年代提出有相当 代表性、系统性的产品设计方法学【io 】他们将设计过程分为：明确任务、概念设计、 具体化设计和详细设计等四各阶段。该设计过程很典型的代表了串行的产品设计 与开发模式，但缺乏有效的反馈机制，实际作用不大。 设计自动化技术是基于产品设计基本理论而发展的产品设计过程自动化系统 技术。设计自动化技术的实现，其基础又是设计过程的结构化表达方法或信息建 模，即可计算机描述与处理的方法。艾兴、黄克正1 1 1 - 1 5 1 从刀具设计过程中的离散 综合法出发，提出了具有普遍实用意义的分解重构原理，把刀具c a d 系统的智能从 变参设计提高到适应性设计的新阶段，使之具备了进行创新设计的潜力，进行了 基于功能表面分解重构原理的“生长型”的设计自动化研究及相应的工具系统开 3 山东大学硕士学位论文 发。 1 2 2 机械产品概念设计的研究现状 随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品设计在整个 生命周期内占有越来越重要的位置。据统计，产品全生命周期的成本在产品设计 阶段有9 0 已经被决定，特别在概念设计阶段，有7 0 一8 0 被决定。此外，产品的 质量和性能等在概念设计阶段很大程度上也被确定下来。 p a h l 和b e i t z l l 9 8 4 年在( e n g i n e e r i n gd e s i g n 一书中指出，概念设计是指 “在明确任务之后，经过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合， 确定出基本的求解路径，得出求解方案的设计工作”。 概念设计是产品设计过程中的关键环节，根据产品生命周期各个阶段的要求， 进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计：进行满足功能和结构 要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设 计。概念设计是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的、满足 各种技术和经济指标的可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。 机械的概念设计方法总体上有两种：第一种方法基本上是一种很原始的机械 设计，即生成机械产品功能目录；第二种方法涉及到了用抽象化表示和符号化表 示机械的各个功能方面。第二种方法是朝向通用化方向的进步。用抽象化符号表 示可以为规律化、系统化描述提供基础，但是要求有一个便于理解的方法表示抽 象的功能解答方案。概括而言，概念设计具有如下特性：创新性、多样性、层次性 和残缺性。 ( 1 ) 创新性：创新是概念设计的灵魂，包括功能、结构等的修改、改良和创新 等。 ( 2 ) 多样性：概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样性和设计结果的 多样性。 ( 3 ) 层次性：分为功能层、行为层、结构层和形状层，且各层自身又包含一定 的层次关系。 ( 4 ) 残缺性：概念设计阶段区别于其它设计阶段的显著特点之一是在该阶段产 品信息是残缺的，即表现为：产品信息是定性的( q u a l i t a t i v e ) ，产品信息是不精 4 第1 章绪论 确的( i m p r e c i s e ) ，产品信息是不确定的( u n c e r t a i n ) ，产品信息是不完全的 ( i n c o m p l e t e ) 。正是概念设计具有这些特性使概念设计成为世界范围内的研究难 点和热点。 近年来由于人工智能的发展尤其是专家系统在许多领域的迅速发展和成功运 用，引起了机械c a d 专家的高度重视。将概念设计智能化是目前的研究方向。国内 对概念设计的研究与国外相比开始较晚，但基本上和国外的研究方向相同，这里 仅介绍国内的发展情况，就可知国际目前的发展。上海交通大学邹慧君1 1 6 - 1 8 教授 等人自1 9 8 9 年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究，他们以机械运动系统 作为概念设计的对象，用组合分类法对机构分类，开发了“机构系统方案设计专 家系统”。华中理工大学周济【1 川教授等人的研究主要集中在基于实例的基础上。 浙江大学潘云鹤【2 0 1 授等人，提出了基于原型的知识表示和推理方法。同济大学王 小同【2 l 】等将人工神经网络与传统人工智能相结合，提出智能设计系统i d s ( 入侵检 测系统) 模型及其实现的关键技术。 1 2 3 机械产品概念设计有待解决的问题 概念设计是从用户需求产生设计概念的过程，它一般包括设计概念的产生和 设计概念的评估选择两个过程，它是一个总体方案的设计。随着概念设计的结束， 设计的主要方面就被确定下来了，而后续的产品开发过程，只是对这些设计概念 的具体化及实现。因此，概念设计是产品开发过程中最重要的阶段之一。但遗憾 的是传统c a d 系统并不能对概念设计过程进行任何支持，而只能让设计人员凭经验 在纸上进行。对概念设计的计算机支持是提高设计效率的重要手段，是c a d 技术发 展的必然结果。对概念设计过程的计算机支持主要有两个障碍：一是概念设计的产 品信息建模：二是如何有效地进行概念分析。本文针对这两个问题分别进行了研 究。在概念设计阶段产品信息是模糊和不确定的，这使得以精确尺寸为特征的传 统c a d 建模技术无能为力，因此，要支持计算机辅助概念设计，就必须要建立面向 概念设计的产品信息建模技术。以及进行概念设计的分析评价，比如力学综合评 价、精度分析与综合等。 山东大学硕士学位论文 1 3 计算机辅助公差设计概述 1 3 1 计算机辅助公差设计的研究内容 按公差设计所应用的对象不同，可分为装配级的公差设计和零件级的公差设 计。装配级的公差设计研究装配中各有关零件误差的积累对产品性能的影响。零 件级的公差设计讨论零件上尺寸和公差的相容性问题。 公差设计一般分布在五个阶段： ( 1 ) 产品定义阶段的公差设计：设计师根据产品功能要求和产品结构决定设 计公差，主要进行产品功能和装配误差的设计【2 2 1 ( 2 ) 产品装配图阶段：研究零件误差积累对产品性能的影响，包括尺寸标注 模式设计和公差设计 2 3 - 2 5 1 。 ( 3 ) 工艺规划阶段：工艺师根据设计公差确定加工工艺路线、方法、余量和 加工公差，进行从设计尺寸和公差到加工尺寸和公差的转换 2 6 - 2 9 ；不对产品功能 要求和设计结构加以考虑； ( 4 ) 制造阶段：加工人员对加工过程进行监控，利用某种公差模型进行过程 控制，使加工过程产生的误差小于或等于设计公差【3 0 j “。 ( 5 ) 质量控制和检测阶段：检验师只考虑加工零件的检验问题，并与设计公 差相比看是否满足设计公差要求，不考虑功能要求、设计结构和加工方式等。包 括根据设计公差确定三座标机检测规程，对检测结果进行评估等【3 2 】。 公差设计的目标可分为：公差分析和公差综合，公差相容性检验【3 3 】、功能尺寸 标注模式设计【3 4 】、设计尺寸和公差到制造尺寸和公差的转换以及并行公差设计 3 5 - 3 8 。 1 3 2 国内外研究现状及问题 利用计算机进行公差设计的研究比计算机在机械设计和制造其它领域的应用 有一定的滞后。虽然对c a d 系统中公差信息的建模与表示己研究了近二十年，但目 前实用能力均还有限。i s o 公差标准已经在实践中应用多年，对于过去的“蓝图” 6 第1 章绪论 时代是十分适合的，但它具有二义性，不适于计算机中公差的表达、处理和传递， c a t 中公差的表达及公差尺寸链的计算实现起来比较困难。 在国外，有关c a t 的研究起步较早计算机辅助公差设计史上的第一个里程碑 是1 9 7 8 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 8 3 年a a g r e q u i c h a 提出的漂移公差带理论，成为计算机公差建模的理论基础。 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，j o h s o n t 提出在计算机上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 r n t 等人提出在c a p p 中进行公差分析的一套方法，包括零件的定位误差 和刀具磨损误差。1 9 8 7 年美国的t u r n e r 建立一套具有一定实际意义的设计公差分 析方法。1 9 8 8 年w e i l l 发表的“t o l e r a n c ef o rf u n c t i o n ”一文，标志着计算机辅 助公差设计史上一个转折，从此计算机辅助公差设计进入了一个快速发展的阶段。 从1 9 9 8 年起，计算机辅助公差设计的研究进入大发展时期，许多科学工作者在用 计算机表达尺寸和公差、设计公差分析方法、工艺规程中的公差设计、制造中的 公差控制等方面进行了研究。有关公差研究的学术论文开始大量出现。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。 在国内，有关这方面的研究主要集中在高等院校，c a t 技术的进展与国外尚 有较大差距。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开展研 究工作如浙江大学吴昭同 3 9 - 4 3 1 教授领导的“c a t 课题组”自1 9 9 3 年起连续获得了 “计算机辅助公差设计”、“设计和制造( t 序) 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”三项国家自然科学基金资助项目，对c a t 的诸 多领域作了许多探索性的工作；哈尔滨工业大学马玉林、姬舒平m 舶l 等对虚拟装 配下公差并行设计方法等进行了研究；重庆大学的张根保m 7 , 4 羽在国际上率先提出 了“并行公差设计”，北京理工大学的闰艳、宁汝新从事设计制造一体化环境下 的计算机精度设计研究【4 9 】，文献【卯l 提出了并行的公差设计方法及公差设计特征专 家系统。中南工业大学的夏建芳1 5 1 , 5 2 1 提出基于几何公差结构块的公差表示模型。 华中科技大学的黄美发f 5 3 l 等提出一种工序公差的并行优化分配方法。 总之，无论国外还是国内，计算机辅助公差设计都未达到实用的程度，其发展 无法与目前c a d c 蛳集成、c i m s 发展相适应，己成为制约它们进一步发展的一大关 键问题。另外，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 7 山东大学硕士学位论文 计方法都需要详细的几何结构，是在结构设计完成之后再进行精度设计，也就是 说在传统的精度设计中，公差与构形设计是完全分离的，研究内容主要集中于在 详细设计阶段预测装配误差或公差分配的方法研究。如果精度设计中发现问题， 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。 目前，将公差设计与产品设计结合起来、在概念设计阶段进行公差设计研究 与开发无论在国外还是国内都处于刚起步的阶段。u r o y 等于2 0 0 1 年提出面向公 差的设计，在设计的过程中，他基于多层次的方法、从概念设计阶段开始直到最 终详细设计阶段以不断增加的方式描述公差，建立了集成功能、装配和行为表达 的综合的信息模型f a b d f t 。 a d e s r o c h e r s ，r s o d e r b e r g 等也研究了在产品设计阶段进行公差设计的问 题。c i r p 中关于该领域的报道有两篇，一是2 0 0 1 年l m e t h i e u l l 研究基于t o p - d o w n 的方式设计关键特征以及装配参数的几何变动；二是2 0 0 3 年法国j y d a n t a n 研究 提出集成公差设计的概念，指明是关键而未解决的难题，提出了三层结构的信息 模型，为设计管理数据并提供跟踪查询数据的功能。因为设计自动化，特别是概 念设计，至今还没有完善的可操作的实现工具，没有计算机化的产品概念设计过 程做基础，这些进行集成公差和概念设计的研究仅仅还处于探讨阶段【5 4 1 。 1 4 本论文课题来源及主要研究内容 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。 本文首先系统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，并在实验室已毕业博士杨志宏的论文的基础上进行了深 入研究，主要有如下几方面： 1 ) 公差设计技术的深入研究：原有给出的公差模型中只是在理论上给出了装 配误差模型，但是没有给出实现的方法，本文则给出了确定装配误差的方法，在 设计过程中加入了装配误差的设计。 2 ) 尺寸链的自动生成：尺寸公差设计的一个很重要的内容就是尺寸链的生成， 特别是全局尺寸链的生成。本文对原有的局部尺寸链搜索方法进行了改正，并首 8 第1 章绪论 次提出了t s - u l t s m s 搜索方法自动搜索全局尺寸链 3 ) 组成环的修改及公差的重新计算：基于生长型设计的公差设计不但要支持 回溯机制，而且要支持一个版本中的表面信息的修改功能，表面信息修改后其所 对应的组成环也随之修改，必然紧跟着要进行公差的重新计算和分配。本文实现 了这一功能。 4 ) 针对形位公差和三维公差的设计，本人和他人对此进行了初步的研究，做 了一些前期的工作。 9 第2 章基于概念结构生长型设计的公差设计系统 2 1 概念结构生长型设计概述 设计自动化的既定目标是实现产品设计全过程的自动化，真正达到设计过程 的全面综合，实现设计信息的高度集成，完成产品设计由变量设计、适应性设计 向新设计的最终过渡。就结构设计过程的本质而言，设计过程的初始阶段一般要 求有部分设计信息的存在，设计信息伴随设计过程的逐步展开而逐渐丰富起来， 这种原始设计信息在产品设计过程中的传递与增加，是对生物生长中遗传与进化 现象地体现和直观地模拟。 设计初期的产品是具有所有遗传物质的概念产品，在以后每一步进化设计中， 按照系统给出的图形和文字提示信息，帮助设计者在最短时间内，找到最符合设 计要求的零件，完成产品由简单到复杂、由抽象到具体的进化设计。 我们认为，面向市场并能够指导企业开发设计的概念产品的完整定义应该是： 概念产品应是产品总体系统特征、性能、结构、尺寸形状的具体描述和实现，是 用以验证产品对目标市场的适应性和产品需求说明书的满意度，也是用以指定、 实施产品后续开发过程，即生产、营销、服务等计划的基础。概念产品可作为制 造企业开拓市场、赢得竞争的工具，通过总体性能、结构、尺寸、形状和系统技 术特征等参数来表达以实现概念产品的市场可竞争性、可生产性、经济性、可维 护性等，它还不是直接用于生产、营销、服务等的最终产品。其中，可竞争性、 可生产性、经济性是概念产品的企业属性，主要尺寸、形状、功能描述是概念产 品的用户属性。 通过上面分析，概念产品应包括产品的功能信息、原理信息。简单的装配结 构、简单的零部件形状信息、基本的可制造与可装配信息、市场竞争力与成本信 息、可服务与维修信息，具备比较详细精确的尺寸、形状、制造与装配信息，可 以通过功能性、原理可行性等检验其主要性能特征或进行动态仿真。正因为如此， 我们将概念设计称之为概念结构设计。通过研究产品从无到有的设计过程，我 们发现可以借用生物生长机理予以指导产品的设计过程。 山东大学硕士学位论文 产品生长型设计与生物生长过程比较见图2 1 所示： 图2 - i 生长型设计与生物生长过程对照 综观自然界的生物，它们都经过了历史的进化历程，自然选择，适者生存、 优胜劣汰。由简单到复杂，逐步进化。能够保存到现在的都是适应自然环境的、 优良的物种。可以说，生物的生长过程本身就是一个不断适应环境的优化过程。 之所以说产品概念设计与生物生长具有相似性，可以从下面三方面考虑： 一是结构上的相似，即产品概念结构与生物构造上的相似性。一个完整的机 械产品就类似于一个复杂的生物体，它所包含的每个机构或零部件类似与生物体 中的细胞，而具体体现机构或零件功能的表面，就类似于细胞中的基因。所有组 成产品的类似于细胞的结构相互协调、制约，共同实现着产品生物体的功能。 二是过程上的相似，即产品概念设计过程与生物生长机理的相似性。产品概 念设计一般为自上而下的设计，原始功能需求包含所有的遗传物质，从原始功能 需求开始逐渐分解、重构创成执行件、传动件、定位件的过程就相当于细胞分裂、 生长的过程。产品中每个类似于细胞的结构都具有可生长性，生长的目的就是为 了满足类似于自然环境的产品功能需求要求，而每一步生长都是对自身结构的再 组织。 三是阶段重要性的相似，即在生物体生长的整个过程中最具有创新性、跨越 性的阶段就是生命最初诞生的时期。而对于产品设计全过程，最具有创新性的时 期就是产品设计的早期阶段一概念设计阶段。如果在这一阶段能够作出正确的决 策，对最终设计不仅可祈祷事半功倍的效果，还可以有效的避免设计中的弯路。 概念结构“生长”型设计表现为两点：一是生长型设计过程中，结构、尺寸、 公差方面的信息，也应呈生长型逐步完善，到最终产品概念结构完成的时候达到 完善。二是在设计过程中，可以借助于当前的结构、尺寸、公差信息进行生长方 o o 困 圜 第2 章基于概念结构生长型设计的公差设计系统 向的评价与控制，实现最终优化设计的目的。 2 2 概念结构生长型设计的理论 因为公差系统要研究装配体中由于装配而形成的各零件之间的公差关系，所 以公差设计是与产品设计分不开的为了利用计算机进行装配级的公差设计，产 品模型和装配信息建模在计算机辅助公差设计系统中有着重要的作用，是公差系 统的重要组成部分，所以首先要对机械产品进行计算机描述。一个装配体中一般 有多种装配关系，在产品模型中只有保证对复杂的装配关系有清晰、准确、高效 的描述结构，公差系统才有良好的架构，零件的公差才能正确的确定、查找、计 算或保存。 在实际的设计过程中，个产品的设计首先要考虑的是该产品的功能及装配 方面的事项。然后才对组成装配体( 产品) 的子装配体、零件进行详细设计。在这 一过程中，首先需要考虑子装配体、零件在装配、功能及制造方面的设计，即子 装配体、零件的设计依赖于前期的功能及装配设计：后者为前者规定了行为准则和 性能要求。因此实际的设计过程是一种自顶向下( t o p - d o w n ) 的设计过程，在以计 算机为辅助工具的设计自动化理论中也要采用这种t o p d o w n 的设计过程 5 5 - 5 s 1 。 众所周知产品约7 0 - 8 0 的成本是在概念设计阶段决定的。近年来概念设计领 域开展了大量研究工作。其中，基于功能表面分解重构的设计自动化理论i 绷的研 究在产品概念结构设计方面取得了明显进展：文献 6 0 1 提出了新的基于功能表面分 解重构的产品设计过程理论模型，文献1 6 ”提出了定性封闭空间( q c s ) 的概念以支持 概念结构设计自动化，文献【6 2 】把机械产品概念结构设计自动化工具d a r f a d 与 i n t e r n e t 技术结合，开发出协同概念设计支持系统c o d a r f a d 作为具有明确功能概念的最小几何单位一功能表面具有表面几何、功能双重 属性，在设计过程中充当了抽象概念直观表达的媒介。功能表面与功能表面集的 重构可以直观地反映设计信息由少到多、由简到繁的综合过程，构成从无序到有 序、从低级到高级的产品设计生命周期。我们将功能表面作为功能与结构的中间 媒介，使传统的映射方式( 功能一结构) ，转化为新的直观的映射模式( 功能一功能 表面一结构) ，尝试实现由功能到结构的稳定的映射关系。 在产品信息组织方法上，通过基于面向对象的技术，我们设计了产品类 山东大学硕士学位论文 ( m p r o d u c t ) 、零件类0 4 p a r t ) 、功能表面类( 1 f 【f u n c f a c e ) 三个层次的信息组织方式。 基于功能表面的产品信息模型需要表达装配体零件与零件之间、零件与表面之间、 表面与表面之间的配合、联接、位置、尺寸的约束关系产品设计信息模型由功 能分解而来通过功构映射，最终演化为产品实体结构。设计过程可以用这种实 体结构上的分解重构过程进行描述。本节的理论研究和实践为基于结构生长型设 计的公差设计理论研究及工具系统开发提供理论上的支持和开发的基础。 2 2 1 分解重构理论 文献【椰l 指出科学发现是人类对物质世界本质的认识，而创造发明则是产生物 质世界不曾存在的新事物。创造发明的本质是对已有物的分解与重新组合构造， 也就是说，新发明是对现实世界的结构重组。通过澄清发明与发现的关系，将创 造发明抽象概括为分析与综合，可形式化的基本模式就是分解与重构。这里的分 解与重构是辨证统一的，我们称之为“分解重构理论”( t h e o r yo fd e c o m p o s i t i o n a n dr e c o n s t r u c t i o n ) 。 分解本质上，物质是可分的。但是，对于特定的领域和特定的目的，在