（机械设计及理论专业论文）基于集成环境的产品性能检验系统研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于集成环境的产品性能检验系统研究+ 摘要 在现代机械设计与制造领域，计算机辅助零件设计和加工等相关技术都得到 了长足的发展，而对于产品的性能检验由于种种原因还存在一些不足，不能很好 地满足产品开发和维护的需要。针对这种现状，本文对基于集成环境的产品性能 检验系统进行了研究。 为满足系统集成性和开放性的要求，通过分类和比较，将产品性能检验内容 确定为：物理性能、静平衡性能、动平衡性能、可装配工艺性性能。对于物理性 能检验，采用模糊优化设计的方法针对具体设计情况进行常用零件的设计与检验， 实现了m d t 下零件的三维造型，克服了传统设计的局限性。在静平衡性能检验中， 通过对回转体结构对静平衡性能影响的分类，提出了能够消除摩擦力影响的轴类 和辊筒类回转体静平衡检验方法和一种消除人为测量误差的数据处理方法。在动 平衡检验方面，开发了一种可以充分利用冗余加重信息的影响系数优化算法，该 算法可以实现动平衡检验的程序化，减少加重次数，提高经济效益。在可装配工 艺性评判的实现过程中，利用模糊理论和人工神经网络技术，建立零件级和产品 级可装配工艺性评判a n n 模型，提出一种可装配工艺性模糊综合评判方法，并利 用数据库技术建立评判信息库实现对评判信息的操作，为可装配工艺性评判提供 可靠的技术分析和评判依据。 在此基础上，本课题以v i s u a lb a s i c6 0 为开发环境，开发完成了基于集成环 境的产品性能检验系统。在该环境下，能够方便地实现产品的一些性能检验。实 验表明，该系统性能稳定，能够保证检验质量。 关键词虚拟设计模糊理论静平衡动平衡可装配工艺性 4 论文工作得到了辽宁省自然科学基金资助( n o0 0 2 0 1 4 ) i i 东北大学硕士学位论文a b s l r a c t r e s e a r c ho fp r o d u c tp e r f o r m a n c et e s ts y s t e m b a s e do n i n t e g r a t e de n v i r o n m e n t 木 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fm o d e mm e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，t h et e c h n i q u e so f p a r t sc o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dp r o c e s sh a v em a d e a g o o dp r o g r e s s o t h e r w i s e ，t h e r e a r es o m e d i s a d v a n t a g e si np r o d u c tp e r f o r m a n c e t e s tc a u s e db yt h ec o m p l e x i t yo f m a n y r e l a t e df a c t o r s s os o m ep e r f o r m a n c et e s tm e t h o d sc a n tm e e tt h en e e do fp r o d u c t d e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c e f o rt h i s ，t h ep a p e rd e v e l o p san e w r e s e a r c ho nt h ei t e m b a s e do n i n t e g r a t e de n v i r o n m e n t b yc l a s s i f y i n ga n dc o m p a r i n g , t h ec o n t e n to fp e r f o r m a n c et e s t i sd i v i d e di n t o p h y s i c a lp e r f o r m a n c e ，s t a t i cb a l a n c ep e r f o r m a n c e ，d y n a m i cb a l a n c ep e r f o r m a n c ea n d a s s e m b l ya b i l i t yp e r f o r m a n c e i n t h ea s p e c to f p h y s i c a lp e r f o r m a n c e ，f u z z yo p t i m i z a t i o n i su s e dt os o l v et h e p r o b l e mo fp a r td e s i g n i nc o m m o nu s e i tc a no v e r c o m et h e l i m i t a t i o n so fc o n v e n t i o n a lm e t h o da n dg i v ea3 d p a r tm o d e l b a s e dm d t m o d e l i n gf o r s t a t i cb a l a n c e ，t h ep a p e rp r e s e n t sam e t h o df o ra x i sa n dr o l l e rt u r n i n gp a r t ss t a t i c b a l a n c ec h e c k i n gs e p a r a t e l yt h r o u g hr e a s o n a b l ep a r tc l a s s i f y i n g ，w h i c hc a ne l i m i n a t e t h ee f f e c to ff r i c t i o nf o r c e m e a n w h i l e ，i td e v e l o p sad a t ap r o c e s sm e t h o dt od i m i n i s h m a n m a d ee r r o r t om a k ea g o o d u s eo f r e d u n d a n c yl o a di n f o r m a t i o n , t h e p a p e rb r o u g h t f o r w a r dag e n e r a li c ( i n f l u e n e ec o e f f i c i e n t ) a l g o r i t h mf o rt u m i n g p a r ti nh i g hs p e e d i t n o to n l ym a k e sd y n a m i cb a l a n c ew o r kt ob es i m p l eb u ta l s or e t r e n c hc h e c k i n gc o s ti n a s s e m b l ya b i l i t ye v a l u a t i o n , f u z z yt h e o r ya n da n n a r ei n d u c t e di na s s e m b l ya b i l i t y e v a l u a t i o nc o m p o s e d b yp a r tl e v e la n dp r o d u c tl e v e le v a l u a t i o n d a t a b a s et e c h n o l o g y u s e dt ob u i l de v a l u a t i o ni n f o r m a t i o nd a t a b a s em a k e si t v e r ye a s ya n dg i v e sb e a e r a n a l y s i sa n d b a s i sf o ra s s e m b l ya b i l i t ye v a l u a t i o n b a s e do nt h e s e ，ap r o d u c td e s i g np e r f o r m a n c et e s t s y s t e mb a s e do ni n t e g r a t e d e n v i r o n m e n ti s d e v e l o p e d i nt h ev b6 0e n v i r o n m e n t i ti sc o n v e n i e n tt ot e s t p e r f o r m a n c e o fs o m e p r o d u c t si nt h ei n t e g r a t e ds y s t e mm a n ye x p e r i m e n t si n d i c a t e t h a t t h es y s t e mi so f g o o ds t a b i l i t ya n di tc a ni n s u r et h et e s tq u a l i t yr e m a r k a b l y 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d sv i r t u a ld e s i g n ，f u z z yt h e o r y , s t a t i cb a l a n c ec h e c k i n g ，d y n a m i cb a l a n c e c h e c k i n g ，a s s e m b l ya b i l i t ye v a l u a t i o n + t h es t u d yi ss u p p o r t e d b y n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f l i a o n i n g p r o v i n c e ( n o 0 0 2 01 4 ) i v 声明 本人所呈交的硕士学位论文是在导师的指导下完成的，论文中所取得的成果 除了加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不 包括本人为获得其它学位而使用过的材料，与我一同工作的其他同志对本文做出 的贡献在论文中也已经做了明确说明并表示谢意。 一i 本人签名：苫豇) 趸鲤 日 期：捌楫7 巾7 蹰 。l 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在市场变化日益激烈的今天，企业之间竞争的核心归根结底就是成本和质量 的竞争。因此，在产品开发过程中，在一定的成本前提下最大可能地提高产品的 质量是一个企业所应该竭力追求的目标，同时，好的产品质量还可以降低一些如 售后服务和维护等边缘成本【l 】。优秀的企业需要优秀的产品，而这些就需要产品的 性能检验来保证。因此，严格而有效的产品性能检验对企业的兴衰成败有着至关 重要的作用。 目前，在机械设计与制造领域也不例外，对产品各项性能的评价与检验也是 产品开发的一个关键环节。机械产品的性能检验直接决定了产品设计结果的优劣， 同时也是对设计结果进行修改与改进的依据，如果忽视了这一环节，在这之前许 多设计工作中的错误将很难被发现，从而造成产品在实际制造过程中出现错误， 造成人力物力浪费和经济损失 2 1 。这样也就使产品的各项成本加大，产品开发周期 延长，从而削弱企业的市场竞争能力。另外，对于在服务期限内出现故障的产品， 也需要可靠而有效的性能检验来解决所出现的问题。就此看来，机械产品的性能 检验对整个产品开发和维护起着决定性的作用，它是保证产品质量和降低产品成、 本的有效手段【3 1 。因此，产品性能检验是机械产品开发环节中的重中之重。 如上所述，由于市场竞争的日益激烈，传统的产品开发过程己满足不了新技 术和新企业模式的需要，不能适应现代经济发展的需求 4 1 。随着计算机技术在工程 领域的应用，以虚拟现实技术、仿真技术和信息技术为支撑的虚拟产品设计和制 造向着数字化、集成化的方向发展【扪，在集成产品设计环境中，对产品进行构思、 设计、分析和测试，摆脱了传统的产品开发设计过程，即由二维设计向三维设计 的转变，几何模型向虚拟产品模型的转变，实现了产品的设计、加工、装配逐步 由计算机仿真技术的虚拟制造过程所替代，为进一步实现产品设计与制造的数字 化、集成化、智能化、网络化、虚拟化和标准化，世界各国都投入巨资加速进行 该领域的相关技术及其软件的研究开发工作【6 】。近年来，以获取知识为核心的现代 设计方法，特别是并行设计和虚拟设计与制造技术己得到了长足的发展【”，其研究 东北大学硕士学位论文第一辛绪论 成果的应用，大大加快了产品的设计进度、缩短了开发周期，从而解决了企业在 产品开发过程中速度、成本等问题，大大提高了企业在市场中的竞争力 ”。 在机械设计与锘4 造领域取得这些成绩的同时，其中一项非常重要的技术却没 有得到充分的发展，这就是对产品初步设计的评价和对存在故障产品的性能检验， 尤其是在充分利用计算机技术方面，产品的性能检验还存在许多局限性【9 l 。作为产 品设计质量的保证，计算机辅助性能检验在面向制造和装配的产品的开发过程中 起着决定产品开发成功与否的作用，是目前产品开发中的一个重要环节。对于存 在故障的产品性能检验，通过应用计算机辅助性能检验，也可以显著提高检验水 平和效率。因此，集成环境下计算机辅助性能检验是一个需要人们深入研究的课 题，这也是本文开发基于集成环境的产品性能检验系统的现实依据。 1 2 产品性能检验技术国内外现状 1 2 1 产品性能检验技术的制约因素 从设计与制造领域的技术发展来看，随着计算机技术的应用，计算机辅助零 件设计和加工的相关技术都得到了长足的进步【，比如产品与过程的建模、图形 图像处理、工程计算分析与优化以及产品的装配和运动仿真等技术都在工程应用 中得到了充分的应用与实蹦1 1 l ，并取得了令人满意的成果，人们对为产品开发服 务的必要技术给予了充分的重视，赫衡量产品开发成功与否的技术一产品的性能 检验却还存在着一定的难点，这是由于实施方法的无标准性和实旖效果难以精确 评价所引起的，也就造成了至今对性能检验系统的研究还停留在对产品的部分性 能评价上，对于系统化、通用化的性能检验系统的研究还很少，这些不尽人意的 现象与技术的限制有一定的关系【1 2 】，比如，产品的性能指标因产品的差异变化很 大，不同的企业或消费者对产品性能要求的侧重点也不同等，这都对开发一个通 用的性能检验系统形成了很大的障碍。 除了技术上的限制以外，导致产品性能检验技术水平不高的另外一个重要原 因就是设计者的质量观念和意识还需要更进一步地加强【1 3 】。在设计过程中，过度 地相信先进的设计技术，把设计工作的检验环节当成是一种形式化的工作的现象 还存在，许多设计只是经过简单的评估甚至不加评估就被用到现实制造环境中， 这样导致的直接后果对设计者而言，只是完成了一个错误或不完善的设计，但是 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对一个企业而言，则有可能是巨大的经济损失，甚至可能是一场灾难 “】。因此， 无论从何种角度考虑，在产品的设计应用到现实制造环境中之前，对产品的重要 性能进行细致而严谨的评价，是保证设计质量的重要措旌，也是对设计者本人和 企业负责的一种手段，只有这样，才能使先前的设计工作更有现实意义。 1 2 2 产品性能检验的技术水平 事实上，由于计算机辅助性能检验已经成为产品开发的一个不容忽视的环节， 在发达国家，市场竞争的压力、对产品设计质量和成本的严格要求已促使计算机 辅助性能检验在产品开发过程中占有重要位置，国外许多学者在性能检验方面也 做了大量的研究。 在物理性能检验方面，由于2 0 世纪7 0 年代初美国学者k i m u r a 等人提出了虚 拟制造的概念【”】，一经问世，立刻受到了制造业的普遍关注和重视，由于不需要 制造样机，该技术就能够在传统物理性能检验的基础上更高效率地完成产品的物 理性能检验，从而显著降低了物理性能检验的成本，但是由于虚拟制造还是一项 尚不太成熟的、很具前沿性的技术，加之资金、人员方面的限制，目前只有美国 波音公司的无图纸飞机、福特公司的虚拟产品开发方式等较全面地引用了虚拟制 造技术【1 6 】，其它一些机构和企业仅能通过“虚拟”产品实施中的某一项或几项功 能，如虚拟设计、虚拟装配来提高传统的物理性能检验方法的效率。 在静平衡性能检验方面，、研究主要是围绕静平衡测试法和试凑法开展的，国 内浙江大学的王可成和上海交通大学的王显正等人对基于静平衡测试法进行了研 究】【4 5 l ，丁叙生和郭综合等人对试凑法进行了探讨f 4 6 1 m ，在此基础上制成静平衡 机，在现场取得了很好的效果。这些方法存在的一个共同问题就是对消除误差方 面不够理想，有待进一步研究解决。 在动平衡检验方面，对动平衡中振动测量的研究比较多，而关于算法的研究 较少，平面解法已经逐渐被目前应用比较广泛的影响系数法代替，国内上海交通 大学的胡贵钱通过影响系数法对动平衡实验进行了改进【4 9 】，湖北电力研究所的余 小平也对影响系数的求解方法进行了探讨【】。从目前的研究水平来看，由于方法 的内核涉及复数方程组的求解，而病态矩阵的影响容易得出不合理的平衡结果， 因此，对影响矩阵的求解仍然需要进一步的研究。 对于产品的可装配工艺性，美国马萨诸塞大学( u n i v e r s i t yo f m a s s a c h u s e t t s ) 的 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 g b o t h r o y d 和r d e w h u r s t 对此进行了深入研究【2 ”，并得到了制造业的普遍认可， 作为一种工程技术，它已广泛应用于许多著名的企业，如日本的h i t a c h i 、s o n y 、 n e c ，美国的g e 、g m 、德国的s i m e n s 等。y a m a g i w a 等人对此都曾做过深入的 研究，提出了一些评价算法，如零件数目和零件之间的装配关系等因素对产品可 装配性的直接影响以及从产品总体结构上评价产品的可装配性等p 4 l 。随着d f a 技 术的引入，国内学者对产品的可装配工艺性评判也做了许多尝试。其中，天津大 学的霍平、郭玉申等人对产品可装配工艺性评估中评价模型的建立和评价数据的 描述方法进行了系统的研究芦4 l ；宋玉银、褚秀萍等提出了基于广义键的产品可装 配性模糊评价方法p 8 l ，这些都为以后的研究打下了良好的基础。 即使这样，由于设计模式和观念的影响以及缺乏完善的产品性能检验体系， 再加上管理相对落后，许多企业仍然存在着设计效率低，设计质量不能保证的现 象【”l 。在国内，与国外工业发达国家相比，除了设计手段落后，加工技术相对落 后之外，我国大量机械产品缺乏竞争力的一个重要原因就是对产品设计效果的重 视程度和对产品质量意识不够，这也直接导致产品在国际市场上处于劣势。没有 好的产品就没有优秀的企业，因此，提高设计者对设计效果的重视程度，加强产 品的质量意识是目前我国机械制造领域内企业需要解决的重要问题。 由此看来，无论国际还是国内，在机械设计与制造领域，在诸如产品的设计、 n t 、装配都获得了长足发展的情况下，产品设计的质量没有得到足够的重视， 计算机辅助性能检验技术的发展不能满足迅速发展的产品开发技术的需要，从事 设计与开发研究的科技人员大多是对产品的建模、装配和运动仿真进行研究，对 计算机辅助性能检验的研究只是针对具体性能指标的研究，缺乏系统性和实用性， 计算机辅助性能检验在具体设计过程中应用就更少，这些都需要在以后的生产实 践中进一步地加强质量意识，提高检验技术水平。 1 3 产品性能检验系统的集成 1 3 1 产品性能检验系统集成的作用和意义 对大多数的机械产品来讲，其性能指标有很多项，而且不同的产品，其性能 检验的内容可能会大不相同，而且即使内容n n ，不同的企业或消费者对产品性 能要求侧重点也可能不同。另外，产品还存在着虚拟产品和实物产品的差别，这 - 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 些都是开发性能检验系统的难点所在i l ”。如何建立一个尽可能通用的、面向制造 和装配并能够兼顾维护的性能检验指标体系就成为开发性能检验系统的目标，也 就是如何使性能检验系统的适用范围更广，实用性更好，这就需要产品的各项性 能检验能够在同一个集成环境下运行【l ”。将产品的各项性能检验集成在一个系统 环境下后，通过在系统中实现与其它设计环境的通讯，不仅可以方便产品的设计 开发，还可以在满足检验系统的实用性的同时提高开放性和通用性的需要f l ，从 而更好地发挥系统的检验功能。 1 3 2 产品性能检验系统集成技术和方法 国内外对产品性能检验集成系统的研究与产品开发集成系统的研究是紧紧联 系在一起的。国外如r o b e r tp 、s i u k - a g h a i 等人曾对分布式集成环境下产品的知识 提取进行了深入的研究，提出了一种基于知识的系统集成方法 3 3 1 ；w i l l i a m b i r m i n g h a m 、r o s t a mj o o b a b b a n i 提出了一种用于专家系统的系统集成方法【3 4 】； f c b e r g s t e 从产品设计、制造、装配和检验的角度对产品开发集成技术进行了探 讨，并在实际生产中进行了推广，得到了较好的实用效果。国内赵良才、景旭文 等人也在装配仿真的基础上对产品的开发和性能检验进行了尝试【1 9 】；王道平、马 少平等人在产品故障诊断方面对产品检验集成技术也做了许多有效的研究工作 3 1 1 ，从这些研究的内容来看，大多是对具体实例或具体环境下将产品性能检验与 其它开发环节的集成，专门对产品性能检验集成系统的研究还不多，为了提高产 品性能检验的通用性和开放性，需要对此进行专门和深入的研究。 从产品的开发实践中可知，建立一个包罗万象的性能检验系统是不可能的也 是不必要的，针对机械产品的特点，通过对产品性能影响程度的大小对性能指标 进行筛选，然后进行归类，比如可以将产品的性能检验内容确定为：物理性能检 验、平衡检验、可装配工艺性检验。为确保性能检验的质量，对于具体的检验内 容可由许多更详细的指标来共同评价，比如可装配性工艺性检验又可分为：经济 性指标、技术性指标等。其中经济性指标又可划分为：装配成本、装配检验成本 以及物流成本等指标；技术性指标又可划分为公差可加工性、装配精度、表面质 量等指标。通过对这些指标进行分析和归类，可以建立性能检验网络模型( 或称 指标树) 以及针对各指标的测评准则，对可能出现的评定结果提供可行的建议， 尤其是对不合理的或错误的设计能够进行分析并提供改进或改正措施。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在建立了合理的性能检验指标体系后，实现性能检验系统与设计与制造环境 的集成和通讯就成了计算机辅助性能检验的重要工作。根据检验指标的特点，采 用不同的方法实现设计与检验的集成，更好地为产品开发这一中心目标服务。举 例来讲，对于产品的物理性能检验，由于其评价指标的原因，在某种程度上，它 也可以看作是设计工作的逆过程，这一重要特点就为集成设计过程和检验过程提 供了良好的途径，通过对设计过程的反推，在各个环节加入必要的物理性能指标 的评价准则，就可以得到一个物理性能检验的模型，这也就实现了检验与设计过 程的集成。对于平衡性能，由于在检验时需要测量轴向偏移和振动数据，也就是 说检验时产品必须是已经存在的实物，在这种情况下，再对产品进行建模和造型 并没有任何意义，因此，平衡性能检验的工作重心应该放在对振动数据的分析和 处理上。产品的可装配性评价主要是对产品的工艺性和与产品相关的一些企业资 源条件进行评估，因此，除了其它相关问题以外，产品可装配性检验还需要解决 一些系统集成方面的技术问题。例如，如何在集成环境中对评价信息的存储、调 用、查询、修改等。 由上述可以看出，在产品性能检验集成的实现过程中，最重要的是对各项检 验内容的特点进行分析与研究，在确定合理评价指标体系与测评准则基础上。实 现与设计环境或必要应用环境的通讯或集成，从而满足产品性能检验系统面向制 造、装配与维护的要求。 1 4 课题研究的目的和意义 ： 在当今市场竞争日益激烈的时代，如何提高产品的性能和技术含量，降低产 品开发成本，缩短产品开发周期就成为制造企业适应快速变化的市场需求、提高 企业竞争力的重要问题。针对计算机辅助性能检验不能很好地满足产品设计与制 造技术日益发展需要的现状，本课题对基予集成环境的产品性能检验系统开展研 究工作，针对产品重要性能指标的不同制定合理的测评准则和方法，实现对虚拟 产品模型或实物产品性能指标的智能化检测。 仅对设计本身而言，性能检验不仅能够保证所设计的产品完全满足设计制造 要求、有利于进行创新设计，对推广应用先进设计方法实现产品创新具有重要的 意义和实用价值。对于一个企业而言，它可以减少重复劳动，太大节省新产品的 研制成本、缩短产品的研制开发周期，保证产品的质量，提高产品在市场上的竞 一6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 争能力，促进企业的发展。从理论研究来看，计算机辅助性能检验概念的提出有 利于科研人员加强设计质量的意识，引发对性能检验技术的思考和研究，使计算 机辅助性能检验更好地应用于产品开发和维护，带来巨大的经济效益和社会效益， 这些就是本课题研究的意义所在。 1 5 课题研究的主要内容和方法 本课题以v i s u a lb a s i c6 0 软件为开发环境，以基于集成环境的产品性能检验 为核心，对产品性能的重要指标进行评价，针对不同的检验内容采用合理的检验 手段以及实现与设计加工过程的集成，利用模糊理论和人工神经网络技术，建立 合理有效的产品性能检验评价准则和数据传输协议，提出一种建立基于集成环境 的计算机辅助性能检验系统的方法。在此基础上，利用v i s u a lb a s i c6 0 开发环境， 完成基于集成环境的产品性能检验系统软件的开发。该软件将实现以下功能： ( 1 ) 常用零件的设计与物理性能检验； ( 2 ) 产品中重要回转件的静平衡； ( 3 ) 高速回转件的动平衡； ( 4 ) 产品可装配工艺性的评价； ( 5 ) 集成系统与评判信息库的通信； ( 6 ) 产品设计结果的评判与决策。 运用该软件，输入必要的参数信息，可以完成某些产品的性能检验，提供产 品性能的综合评价报告，对于不合理的设计给出改正建议，为产品开发过程中的 决策问题提供科学的依据。 东北大学硕士学位论文 第二章系统设计 2 1 系统功能分析 第二章系统设计 在产品开发过程中完成了产品的初步设计以后，如何在一个面向制造和装配 的产品性能检验集成系统中得到全面的、客观的性能评价，如何为改正和完善错 误的或不合理的设计提供解决方法，这些是产品性能检验系统最重要的功能，也 是性能检验系统设计过程中需要解决的主要问题。 产品的质量受多方面性能的影响，不同的产品、不同的制造水平、不同的企 业和消费者对性能的侧重点要求也存在着差异，而且产品也有虚拟产品和实物产 品的区别，因此将哪些性能检验集成在同一环境下就需要慎重选择，在经过对多 类产品的性能对产品质量影响的分析、研究、归类的基础上，确定系统提供物理 性能、平衡性能、可装配工艺性能的检验。 产品的物理性能是产品存在的载体，是产品其它性能存在的前提。在该系统 中，应该可以与设计环境进行连接完成初步设计以及对所设计的产品进行物理性 能检验，物理性能检验与设计过程可以同步进行，要具有良好的可移植性。对于 平衡性能的检验，系统要能够完成对产品重要回转件的静平衡检验和高速回转件 的动平衡检验，而且要充分利用计算机辅助检验的特点，提出科学可靠的检验算 法，利用数理统计的知识对检验过程中测试数据的处理，最大可能地消除人为误 差，使待检部件达到精确静平衡或动平衡。最后，产品的可装配工艺性在一定程 度上是对产品设计质量与设计制造资源的评价，因此不仅仅要考虑产品的技术指 标，还应该考虑产品的经济性指标，这就涉及到对制造加工环境、设计加工者的 技术水平、产品从设计到制造成产品各个环节的成本等多方面的问题，这些因素 水平的高低在本系统中都应该能够进行评定和分析。由于评判过程中需要对大量 评判信息进行处理，该部分应该能够与评判信息存储的环境有效集成，建立可靠 的连接，实现评判信息的存储、查询与更新功能。 除了上述功能以外，此系统还应该支持并行设计，具有良好的通用性和友好 的人机界面以及优异的可维护性。 东北大学硕士学位论文第二章系统设计 2 2 系统结构设计 2 2 1 设计原则 在对产品性能检验的特点和系统功能的分析的基础上，确定此系统的设计应 遵循以下原则： ( 1 ) 准确性 准确性是一个性能检验系统最基本的设计原则，一个缺乏准确性的检验系统 就如同一台假的验钞机一样危险，因为它直接决定了之前的设计工作能否应用到 生产实践中，无论是将错误的设计判断为合理的设计还是将合理的设计误判错误 的设计都将导致严重的经济损失和人力资源的浪费。 ( 2 ) 通用性 一个性能检验系统能够很好地满足一种或少数几种产品性能的检验要求并不 困难，但是这样的系统实用性太差，不能满足实际产品开发的需要。因此，在开 发基于集成环境的产品性能检验系统时要在满足准确性的同时最大限度地拓展它 的使用范围，也就是充分考虑它的通用性。 ( 3 ) 指导性 如果仅仅能找出问题所在。这样的性能检验系统是不完整的，基于为整个产 品开发过程服务的耳的，它不仅要能正确地发现问题，还应该能给出解决问题的 方法，也就是能够给出下一步设计工作的方向，这就需要将指导性作为系统设计 的一个重要原则。 。 ( 4 ) 简约性 在满足系统功能要求的基础上，要使系统尽可能地方便用户使用。对一个系 统要求简约性也就是要用最方便快捷的方法处理既定的任务。如果在一个系统中 的性能检验工作比产品设计过程都要复杂，那么该系统的实用性就要大打折扣， 在某种程度上讲，此类性能检验系统的设计是没有意义的。 ( 5 ) ，可移植性 为了满足并行工程的需要，要求此系统能够应用到不同的设计环境下，在不 同的设计阶段可以随时对已完成的产品部分进行检验测试，及早发现设计中的错 误，这也是系统设计时所要解决的一个重要问题。 东北大学硕士学位论文 第二章系统设计 2 2 2 结构体系 在遵循系统设计原则的基础上，为满足系统的功能要求，建立此性能检验系统 的结构体系，如图2 1 所示。 图2 1 系统结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f s y s t e m 2 3 系统设计关键技术 2 3 1 面向对象方法 面向对象方法( o b j e c t o r i e n t e dp a r a d i g m ，简称o o p 方法) 就是以对象和类 为基础，将数据和操作封装在对象的统一体中，用外部传递的消息触发对象内部 操作。它最基本的原则就是：使描述问题的问题空间和解决问题的方法空间在结 1 0 查些垄兰堡主兰竺笙查苎三主墨丝堡盐 构上尽可能一致，使分析、设计和实现一个系统的方法学与认识客观世界的过程 尽可能一致【3 ”。采用o o p 方法解决问题时，可看成对一系列相关对象的操纵，也 就是发送消息到目标对象中，由对象执行相关的操作并返回结果。它强调的是对 对象的操作，也就是以对象为中心的问题求解方法p6 1 。一个面向对象的系统应该 具备基本特征是抽象性、封装性、多态性和继承性口”。 ( 1 ) 抽象性 抽象是处理复杂信息一种方式。它可以在给定的时间和为了特定的目的提取 出对象的重点特质，标识事物相似的方面，并忽略对象中与目的不相关的方面， 也就是通过考虑一般性而不囿于具体细节的方法处理对象。 ( 2 ) 封装性 系统功能由程序实现，程序都由两个基本要素组成：程序语句( 代码) 和数 据。代码是程序实现其行为的部分，数据是这些行为所影响的信息。封装是把代 码和代码操纵的数据实行联编的编程机制，保护接口外面的安全，防止误用。 ( 3 ) 多态性 多态性是允许一个接1 2 1 用于通用类的行为特性。特性的行为是由状态的本质 所决定的。更一般的情况，多态性的概念用“一个接1 2 1 ，多个方法”来表达，意 思是可为一组相关的活动设计一个通用的接1 2 1 。通过允许使用同一接口指定一个 通用行为来降低复杂性。 ( 4 ) 继承性、 继承性是一个对象可以从另一个对象获得其特性的过程，其意义在于它支持层 次分类的概念。使用继承后，一个对象只需定义那些表现其独特于其它对象的品 质，它可以从其父类继承通用属性。这样，继承机制就可以只用一个对象作为多 个一般情况的特殊实例。 在基于集成环境的产品性能检验系统设计过程中，始终采用“面向对象”的设 计思想。“面向对象”的设计思想在此包含两方面的内容，一方面是开发软件时的 “对象”化，一方面是利用本软件进行检验时的“对象”化【2 2 l ，其中，在软件开 发过程中的“对象”化是软件使用过程的“对象”化的基础。在软件开发过程中， 面向对象技术的抽象性可以用来解决检验内容的复杂性和检验内容又受多种因素 影响的问题，增强系统的通用性；对于不同性能检验内容独立性的安全问题，可 以通过面向对象技术的封装性来处理；而多态性和继承性可以降低系统在开发过 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章系统设计 程中的难度，减少开发工作量。 2 3 2 知识库 知识库是人工智能和数据库技术相结合的产物。它是用来存储人类专家已经 归纳整理的使用一定形式表示的知识的实体。知识库技术使计算机应用系统具有 更多的智能，建立知识库的目的就是为了获取知识，对知识进行操作，为推理决 策服务。 在性能检验过程中，有许多因素的评判需要依靠专家根据经验进行评定，由 于这些因素种类繁多，如何有效管理这些测评信息就成为性能检验过程中的一个 难点，建立基于专家评定的知识库可以解决这一问题。对于系统中所建立的知识 库，它应该可以被程序自动访问和更新。另外，还要能够确保知识库的正确性和 一致性，这也是能够得到正确推理结果的前提条件。知识库的安全性也是非常重 要的一个要求，建立严密的安全机制保护知识库不被非法使用，避免知识库内容 的泄露、更改和破坏。 此系统的知识库是一种基于关系数据库的知识系统，即是在关系数据库的基 础上建立的。因此，选择一种合适的知识库就显得非常重要。目前比较流行的数 据库有o r a c l e ，s q ls e v e r ，a c c e s s ，f o x p r o 等。其中，前两种数据库属于大型数 据库系统。由于本文使用数据库是为了记录和管理专家评判训练信息，信息量并 不是过于庞大，选用大型数据库无疑会给开发者和使用者都增加不必要的负担。 故采用比较简单且功能比较完善的m i c r o s o f t a c c e s s 数据库。它具有使用方便，功 能强大，访问便捷的特点，适用于建立系统中所需的中小型数据库系统。 1 2 东北大学硕士学位论文第三章物理性能检验模块的实现 第三章物理性能检验模块的实现 物理性能检验模块的实现是以计算机辅助设计为基本原理，以m d t 三维造 型软件为开发平台，运用v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，采用面向对象的设计方法， 综合运用各种理论与工具，进而完成典型零件的设计、造型、检验。因此，该模 块具有设计和检验的双重功能。 3 1 开发平台的选择及意义 随着c a d 技术的普及，三维c a d 软件也迅速发展起来，目前比较受欢迎的 三维造型软件有m d t ，u g ，p r o e n g i n e e r ，s o l i dw o r k s 等。这些软件在不同应 用领域内各有所长，但是考虑到支持创新设计和逆向设计以及将知识与性能检验 系统结合的需要，在物理性能检验模块中，拟采用m d t 作为设计和检验的开发平 台。 m d t 是a u t o d e s k 公司开发的一款架构在a u t oc a d 之上的三维造型软件，因 而具有无可比拟的数据兼容性，m d t 可以通过中间数据格式完成数据的交换过程， 与其他c a d 软件相互利用数据，减少重复劳动【3 6 】。另外，m d t 进行实体造型是 建立在当今市场上最高精度级别基础上的，其精度为o0 0 0 0 0 1 m m ，这是因为m d t 是以符合工业标准的a c i s 实体造型为核心，高精度的有利之处在于能够确保客户 毫无困难地读取实体造型数据，不论是用s a t 、i g e s 、s t e p 标准中的哪一种来进 行数据交换，都有利于产品的集成。其他的三维造型软件是建立在相对较低精度 的实体造型基础上的，如p r o e n g i n e e r 系统是建立在精度仅为o 0 0 1 2 r a m 的基 础上的。因此读取包禽在这些系统中生成的实体的图形文件时会出现困难。 m d t 三维造型通过尺寸参数的值驱动确定几何结构。严格来讲，参数化造型 是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用，与一个几 何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其他几何。在三维造型方面，m d t 主要有 以下技术特点： ( 1 ) 基于特征 将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，将其所有尺寸存为可调参数， 进而形成实体，以此为基础进行更为复杂的几何形体的构造。 1 3 。 东北走学硕士学位论文 第三章物理性能检验模块的实现 ( 2 ) 全尺寸约束 将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型 必须以完整的尺寸参数为出发点( 全约束) 。 ( 3 ) 尺寸驱动 设计修改通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 ( 4 ) 全数据相关 尺寸参数的修改导致其他相关模块中的相关尺寸得以全局更新。 m d t 还在p c 平台上首次实现了当今高档u n i x 工作站c a d 系统引以自豪的 混合建模技术。m d t 不仅包含了世界上最著名、最完整的二维绘图工具集，而且 提供了非参数化实体造型和基于特征的参数化实体造型、基于约束的装配造型、 n u r b s 复杂曲面造型、实体与曲面融合以及i g e s ，s t e p ，v d a - f s 数据交换器 等一系列先进的三维设计功能及工具，圆满地将2 d 绘图与3 d 造型技术融为一体， 率先解决了以往各类c a d 系统难以解决的问题，即采用一致的界面和图形数据结 构在同一系统环境中同时进行2 d 绘图和3 d 造型。它还可以帮助设计者把待设计 的机械产品首先实现概念化，然后再对其进行造型设计，最后生成产品文档。m d t 的每一种工具都提供了一种特定的设计功能，如实体造型、曲面造型或装配造型 等。m d t 集这些功能于一体，提供给设计者一个强有力的机械设计综合工具，如 设计优化、有限元分析、机械运动仿真、数控加工以及公差分析等，从而形成了 一体化的从设计到制造的全面解决方案，因此支持并行产品开发。同时，m d t 提 供了强有力的参数化设计方法。参数化设计方法允许设计者以零件的尺寸、几何 形状和相互位置等关系来进行产品造型设计。m d t 能识别这方面的关联信息，并 对造型的任何修改在整个设计中方便、快捷地反映出来。 鉴于以上m d t 的这些特点，选用它作为开发平台必能满足系统功能的需要。 3 2 模块实现的难点与解决方法 物理性能检验包含多方面的内容，如，截面面积、体积、质心、重量、惯性 矩、转动惯量、强度计算、刚度计算、变形、应力状态、振动分析等。产品种类 的不同，对物理性能要求侧重点也不同，而且在检验过程的同时还要兼顾设计功 能的需要，在尽可能满足通用性的前提下，根据检验对象的不同选择不同的指标 来衡量产品的物理检验性能，下面详细介绍模块实现过程中的难点和解决方法。 1 4 - 东北大学硕士学位论文 第三章物理性能检验模块的实现 ( 1 ) 检验对象的选择 检验对象应该选取要遵循两个原则；一是检验产品中最重要的零件，如轴、齿 轮等；二是检验产品中最基本的零件，如轴承、螺栓等。 ( 2 ) 物理性能指标的确定 根据实用性的原则确定性能指标，不求面面俱到，舍弃对零件总体性能无关 紧要的指标。 ( 3 ) 参数信息的处理 在检验过程中需要根据零件的一些特征查取相关系数，这些在程序中都要能 自动实现。这可通过v i s u a lb a s i c6 0 的数据库接口调用存有参数信息数据库，实 现对信息库的访问。 ( 4 ) 检验效果的保证 检验效果的保证是以上所有工作的肯定，它可以利用经过验证的实例进行对 检验算法的测试，多次测试，确保检验效果。 3 3 模块功能的实现 3 3 1 轴的设计与检验 轴的物理性能检验程序规则说明： ( 1 ) 轴的受力模型 如图3 1 所示，图中1 ，2 ，3 ，i ，i 1 ，n 为危险截面的序号；为危险截 面处所受的外力，图中的箭头方向为正方向，与箭头方向相反的即为负方向；m i 为危险截面处的力矩，图中的箭头方向为正方向，力矩如与图中规定的相反，则 为负值：截面处如果不受力或力矩，则以“0 “代替。凡阶梯轴有断面变化的，或 受力点处，均视为危险剖面。 ( 2 ) 程序面向实心轴设计。 ( 3 ) 每个危险截面认为有三种应力集中，取其应力最大者即为危险截面的应 力集中位置。1 ( 4 ) 截面的序号一定是自左向右选择。最左边是0 ，最右边是n 一1 。 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章物理性能检验模块的实现 f of 2 f 3 图3 1 轴的受力模型 f i g 31m o d e lo f a x i sf o r c e 下面结合一个实例来说明轴的物理性能检验实现过程( 该实例来自参考文献 2 8 ) 。 ( 1 ) 必要信息录入 轴段数= 7 ； 危险截面数= 1 0 ； 材料为4 5 钢。 。 ( 2 ) 详细参数信息录入 。 轴的详细参数信息如表3 1 所示( 长度单位：m m ；力矩单位：n m m ) 。 表3 1 轴的参数信息表 、t址，le 3 】p a r a m e t e r si n f o r