（机械制造及其自动化专业论文）产品公差与概念结构同步综合进化设计理论与技术研究.pdf

摘要 摘要 目前中国要从制造业大国走向制造业强国，根据经济发展对企业获得 新产品开发能力和更多自主知识产权的迫切需要，以及我国以信息化带动 工业化的发展战略，本文选择概念结构设计中的公差集成设计这一国际前 沿课题，研究公差集成设计理论，丌发相关软件系统，以促进制造业信息 化技术研究与应用。 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，总结出当前的公差设计实践和计算机辅助 公差设计( c a t ) 技术的三个特点：静态设计、详细设计、异步设计。本 文首次提出并开展了将概念结构设计与公差设计结合起来的课题研究，在 公差设计理论、技术和软件开发等方面取得以下创新性成果。 在理论研究方面，首先提出了公差与概念结构同步、综合、进化设计 的新理论思路。从设计的源头开始考虑公差因素，把公差决策提高到概念 设计阶段，在每一步概念结构设计的同时完成公差设计；把公差作为产品 设计过程的推动因素与评价指标，实现自顶向下风格的公差综合设计与优 化。通过综合分析基于功能表面分解重构原理的“生长”设计过程和公差 设计，建立了公差设计与概念设计的关系模型以及公差分解与重构模型， 通过功能表面与公差同步的分解重构来实现结构和公差的集成设计，大幅 度提高公差设计效率和质量。 然后从系统的观点出发，分析和研究了公差同步综合设计的机理。它 包括支持产品概念结构设计的产品信息模型；公差表示模型与产品信息模 型的集成：在结构创成的过程中直接生成功能方程、自动生成公差链：能 执行并行公差分析和并行公差综合两项任务；产品设计过程中公差设计的 可回溯性等。 建立公差信息的计算机表示模型是进行计算机辅助公差设计等后继工 作的基础。通过分析现有公差标准，明确基于计算机表达公差所要满足的 一些要求；分析产品设计中尺寸和公差的作用，提出了智能设计可以理解 和表达的基于功能表面的层次式尺寸和公差模型。该模型与公差回溯机制 v 山求人学博士学位论文 一起实现产品设计过程中的公差管理。 研究了传动链概念结构设计中的公差同步综合进化设计模型。作为广 义定位原理的重要应用，产品传动链的概念结构设计是典型的动态定位系 统，分析和建立了传动链的误差模型，提出了传动链公差同步综合设计模 型及算法。 在技术研究方面，研究了公差回溯机制，通过概念结构生长型设计中 的设计版本管理技术实现公差的回溯与追踪：结合概念结构设计的特点， 建立了层次式版本模型。系统采用差值的方式保存各个版本，子版本继承 父版本的内容，并且增加自己独有的东西。实现了版本生成、存储、回溯、 切换等版本管理操作。该模型及技术也是进行公差设计过程管理的基础。 建立了公差同步综合设计行为模型，该模型描述了公差同步综合设计 的过程，包括定义产品原始概念模型、概念结构生长式设计、确定产品概 念结构、公差链的动态生成、公差快速分配、确定功能公差等，以及其中 每部分之间的输入输出关系。 开发了基于结构约束关系的局部公差链及全部尺寸链的动态生成技术 和优化算法：研究公差设计与产品精度要求的关系模型以及研究概念结构 设计中通过公差同步综合来满足精度原始需求的系统方法。本文运用传统 公差设计原理建立同步设计过程中的综合计算模型，实现快速计算，把精 度作为产品设计过程的推动因素，来影响相关产品的方案创成、评价和优 化。 在系统开发研究方面，研制了与产品概念结构设计同步进行的公差综 合设计软件子系统，对其系统结构、系统实施进行了介绍。文中研究了夹 具概念设计过程以及夹具原始概念模型等基础工作。以夹具概念设计为例， 通过夹具概念结构及其公差同步综合设计说明了系统实施过程，验证了本 文理论与技术系统的正确性和有效性。本文工作对提高我国企业的自主开 发能力具有重要的指导意义，对开发新型实用的生长式创新设计系统具有 重要的实用价值。 关键字：公差设计；同步综合；概念结构；公差模型：功能表面 v i a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n ai sb e c o m i n gag l o b a lm a n u f a c t u r i n gc e n t e ra n ds h em u s tm a k ef o ra g r e a tp o w e ri nm a n u f a c t u r i n g t h ea b i l i t y o fd e v e l o p i n gn e wp r o d u c tw i t h m o r e i n d e p e n d e n tk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t s i sn e e d e d b y t h e e c o n o m y d e v e l o p m e n t a n da d e v e l o p i n gs t r a t a g e m o fl n f o r m a t i o n l i z a t i o n d r i v i n g i n d u s t r i a l i z a t i o ni s b r i n g i n g f o r w a r d t h en e wi n t e r n a t i o n a l p r o b l e m ，i e ， t o l e r a n c e i n t e g r a t i n gd e s i g n ，i s r e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h er e s e a r c hi s d e v e l o p e da r o u n dt h et o l e r a n c et h e o r ya n dt h et o o ld e v e l o p m e n ti no r d e rt o p r o m o t e t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n l i z a t i o n t h er e s e a r c hs i t u a t i o no f p r e s e n td o m e s t i ca n do v e r s e a sc o n c e p t u a ld e s i g na n d t o l e r a n c ed e s i g ni s i n v e s t i g a t e dr o u n d l y l o t so fr e s e a r c hl i t e r a t u r e si nt h e s e t w of i e l d sh a v eb e e ns t u d i e d t h r e ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h a ti ss t a t i cd e s i g n ，d e t a i l d e s i g na n da s y n c h r o n o u sd e s i g n ，h a v eb e e nd r a w e df r o mt h ec u r r e n tc o m p u t e r a i d e dt o l e r a n c i n g ( c a t ) p r a c t i c e t h ep r o j e c to f i n t e g r a t i n gc o n c e p t u a ld e s i g n a n dt o l e r a n c ed e s i g ni s p u tf o r w a r da n dd e v e l o p e df o rt h ef i r s t t i m ei n t h i s t h e s i s ，a n d t h ei n n o v a t i v er e s u l t si nt h e t h e o r y ，t e c h n o l o g y a n dt o o l d e v e l o p m e n t a r ed e s c r i b e da sf o l l o w s i nt h et h e o r yr e s e a r c h ，t h en e wt h e o r yo ft o l e r a n c es y n c h r o n o u ss y n t h e s i s e v o l v i n gd e s i g ni sp r o p o s e d t h ef a c t o ro ft o l e r a n c ei sc o n s i d e r e df r o mt h e h e a d s t r e a m o f d e s i g n ，s i n c e t o l e r a n c e d e c i s i o n m a k i n g i sm o v e dt ot h e c o n c e p t u a ld e s i g np h a s e a si m p e l l i n gf a c t o r sa n de v a l u a t i n gi n d e x e si nt h e p r o d u c td e s i g np r o c e s s ，t o l e r a n c es y n t h e s i si s c a r r i e do u ts y n c h r o n o u s l yw i t h e a c hs t e po fc o n c e p t u a ls t r u c t u r ed e s i g nw i t ht o p d o w ns t y l e a f t e ra n a l y z i n g t h ep r o c e s so ft o l e r a n c i n ga n di t s p l a t f o r m ，g r o w t hd e s i g np r o c e s sb a s e do n f u n c t i o n a ls u r f a c e sa n d d e c o m p o s i t i o n a n dr e c o n s t i t u t i o n p r i n c i p l e s ，t h e r e l a t i o nm o d e lo ft o l e r a n c ed e s i g na n dc o n c e p t u a ld e s i g na n dt h em o d e lo f t o l e r a n c e d e c o m p o s i t i o n a n dr e c o n s t i t u t i o na r ee s t a b l i s h e d t h u s ，t h e i n t e g r a t i n gd e s i g no fc 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 ec a nb er e a l i z e db yt h e v 山尔大学博十学位论文 s y n c h r o n o u sd e c o m p o s i t i o n a n dr e c o n s t i t u t i o no ff h n c t i o n a ls u r f a c e sa n d t o l e r a n c e s ，t h r o u g hw h i c hd e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yi si m p r o v e dg r e a t l y t h e n ，f r o m t h e s y s t e m i cp o i n t o fv i e w , t h em e c h n i s mo ft o l e r a n c e s y n c h r o n o u ss y n t h e s i s i s a n a l y z e d a n ds t u d i e d ，w h i c hi n c l u d e s p r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d e ls u p p o r t i n gc o n c e p t u a ls t r u c t u r ed e s i g n ，t h ei n t e g r a t i o no f t o l e r a n c e e x p r e s s i n g m o d e la n dp r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e l ，t h ea u t o m a t e d c r e a t i o no ft o l e r a n c ec h a i ni nt h ep r o c e s so fs t r u c t u r ef o r m u l a t i n g ，p e r f o r m i n g c o n c u r r e n tt o l e r a n c e a n a l y s i s a n d s y n t h e s i s ，t h er e t r o s p e c t i n g o ft o l e r a n c e d e s i g nj np r o d u c td e s i g n ，e t c e s t a b l i s h i n gt h ec o m p u t e re x p r e s sm o d e lo ft o l e r a n c ei n f o r m a t i o ni s t h e b a s i so fc a ta n df o l l o w i n gw o r k t h er e q u i r e m e n to fe x p r e s st o l e r a n c eb a s e d o nc o m p u t e ri sm a d ec l e a rt h r o u g ht h ea n a l y z i n ge x i s t i n gt o l e r a n c es t a n d a r d t h ef u n c t i o no fd i m e n s i o na n dt o l e r a n c ei np r o d u c td e s i g ni sa n a l y z e d ，a n da h i b e r a r c h yd i m e n s i o na n dt o l e r a n c em o d e lb a s e do nf u n c t i o n a ls u r f a c ei sp u t f o r w o r d t o l e r a n c em a n e g e m e n tc a nb ed o n eb yt h i sm o d e la n dt h et o l e r a n c e r e t r o s p e c t i n gm e c h a n i s m t h et o l e r a n c e s y n c h r o n o u ss y n t h e s i s m o d e lo ft r a n s m i s s t i o nc h a i n c o n c e p t n e ls t r u c t u r ed e s i g ni sa l s os t u d i e d a s a ni m p o r t a n tc a s eo f g e n e r a l i z e d l o c a t i n gp r i n c i p l e ，t h ec o n c e p t u e ls t r u c t r ed e s i g no ft r a n s m i s s i o nc h a i ni s a n t y p i c a ld y n a m i cl o c a t i n gs y s t e m t h et o l e r a n c i n g m o d e lo ft r a n s m i s s i o ni s a n a l y z e da n d f o u n d e d t h et h e o r ya n di t sa l g o r i t h m sa r ep u tf o r w a r d i nt h et e c h n i q u er e s e a r c h ，t h et o l e r a n c er e t r o s p e c tm e c h a n i s mi ss t u d i e da t f i r s t ，w h i c h i sr e a l i z e d b yt h ed e s i g n v e r s i o nm a n a g e m e n tt e c h n i ci nt h e c o n c e p t u a l s t r u c t u r e g r o w t hd e s i g n ah i b e r a r c h y v e r s i o nm o d e li sb u i l t c o n b i n i n g w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n c e p t u a ld e s i g n t h em o d eo f d i f f e r e n c ev a l u ei si n t r o d u c e dt os a v ee a c hv e r s i o n t h e s o nv e r s i o nw i l l i n h e r i tt h ec o n t e n to fi t sf a t h e rv e r i s o na n da d di t so w np a r t i c u l a rs t u f f t h e v e r s i o nm a n a g e m e n to p e r a t i o n s ，s u c ha sc r e a t i o n ，s a v e ，r e t r o s p e c t ，s w i t c h ，a r e r e a l i z e d t h i sm o d e la n di t st e c h n i q u ea r et h eg r o u n d w o r ko ft h et o l e r a n c e d e i g np r o c e s sm a n a g e m e n t v i i l a b s l r a c l t h ea c t i o nm o d e lo ft o l e r a n c e s y n c h r o n o u ss y n t h e s i s i s b u i l t ，w h i c h d e s c r i b e st h ep r o c e s s e s ，a n dc o n s i s t so fd e f i n i n gp r o d u c to r i g i n a lc o n c e p t u a l m o d e l ，c o n c e p t u a l s t r u c t u r e g r o w t hd e s i g n ，e s t a b l i s h i n gp r o d u c tc o n c e p t u a l s t r u c t u r e ，d y n a m i cc r e a t i n go f t o l e r a n c ec h a i n ，s p e e dd i s t r i b u t i n go ft o l e r a n c e s ， e s t a b l i s h i n g f u n c t i o n a l t o l e r a n c e s ， e t c a n dt h e i n p u t a n d o u t p u t i n t e r r e l a l i o n s h i pb e t w e e n e a c h p a r t t h ed y n a m i cc r e a t i n g t e c h n i q u e o fl o c a lt o l e r a n c ec h a i na n dg l o b a l t o l e r a n c ec h a i na n di t so p t i m i z e da l g o r i t h ma r ed e v e l o p e db a s e do ns t r u c t u r e r e s t r i c t i o n t h er e l a t i o nm o d e lo ft o l e r a n c ed e s i g n a n d p r o d u c tp r e c i s i o n r e q u i r e m e n ta n dt h es y s t e m a t i c m e t h o dt os a t i s f yt h eo r i g i n a lp r e c i s i o na r e s t u d i e d i nt h i st h e s i s ，t h et r a d i t i o n a lt o l e r a n c ea l l o c a t i o np r i n c i p l e sa r ea p p l i e d t oe s t a b l i s ht h es y n t h e s i s - o p t i m i z i n gm o d e ls y n c h r o n i z e dw i t hs t r u c t u r ed e s i g n i no r d e rt or e a l i z es p e e d i n e s sd e s i g n t o l e r a n c ec a nb el o o k e da sad r i v i n g f a c t o ri nt h e p r o c e s s o fp r o d u c t d e s i g np r o c e s s t oi n f l u e n c et h e c r e a t i n g ， e v a l u a t i n ga n do p t i m i z i n go f t h ep r o d u c ts c h e m e i nt h er e s e a r c ho f s y s t e mi m p l e m e n t ，t h ec a t t o o ls y s t e ms y n c h r o n i z i n g w i t h p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n i s p r o p o s e d i t ss y s t e mc o n f i g u r a t i o n a n d i m p l e m e n t a r ei n t r o d u c e d t h e g r o u n d w o r k o ff i x t u r e c o n c e p t u a l d e s i g n p r o c e s sa n df i x t u r eo r i g i n a lc o n c e p t u a lm o d e l i sa l s os t u d i e d t h er u nr e s u l to f f i x t u r ec o n c e p t u a ld e s i g na n di t st o l e r a n c es y n c h r o n o u ss y n t h e s i ss h o w st h e i m p l e m e n t i n go f t h es y s t e ma n dt h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h ea f o r e s a i d t h e o r ya n dt e c h n i c a ls y s t e m w h a tw eh a v ed o n ei nt h i st h e s i sh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f o r i m p r o v i n gi n d e p e n d e n tp r o d u c td e v e l o p m e n ta b i l i t y o f e n t e r p r i s e so t 、o u rc o u n t r ya n ds i g n i f i c a n tv a l u et od e v e l o pg r o w t hi n n o v a t i v e d e s i g ns y s t e mo f o u r c o u n t r y k e y w o r d s ：t o l e r a n c ed e s i g n ；s y n c h r o n o u ss y n t h e s i s ；c o n c e p t u a l s t r u c t u r e t o l e r a n c em o d e l ；f u n c t i o n a ls u r f a c e x 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，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 包括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 究做出重要贡献的个人和集体，均已经在文中以明确的方式标明。本 声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：目期：2 q q 垒生垒旦 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，允许沦 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、缩印或其它复制手段 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：导师签名：曰期：2 q q 垒生垒月 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 ( 1 ) 国民经济发展迫切需要新产品丌发能力 根据新华社2 0 0 2 年9 月1 9 同消息，中国跻身世界制造业大国行列。 但是，我国制造业仍面临严峻的现实：高技术所需装备仍依赖于进口，即 使已形成生产能力，其生产技术和装备也都来自国外。国有大企业经济效 益低下，新产品开发周期长。5 0 年来，我国制造业发展走的是模仿式创新 模式，现在要由技术装备引进型向技术引进与自主创新相结合型过渡。由 此决定了中国制造业对技术创新，特别是产品设计技术创新的需求愈来愈 迫切：新产品开发能力是企业核心竞争能力，提供具有创新和自主知识产 权的产品是市场竞争的基本形式。这样才能从制造业大国走向制造业强国。 为此，我国提出了以信息化带动工业化的重大战略；企业c a d 技术深化 应用，也迫切需要获得新产品开发技术和工具的支持【l ，z j 。 ( 2 ) 设计自动化理论与技术研究的现状 到目前为止，国内外在常规设计辅助工具系统的开发方面取得了大量 成果。产品造型技术从晤期设计阶段逐渐向前扩展，从二维到三维线框、 实体造型、特征造型、参数化设计、变量设计、装配建模与设计等，以交 互方式为用户提供越来越好的产品造型工具。然而，国内外至今尚未有真 正的产品创新设计自动化工具系统存在【 6 。从设计全过程自动化的角度， 计算机对结构设计的支持就非常有限，仍然依赖设计人员结构构思、生成 过程操作、凭经验和直观能力综合等。山东大学c a d 省重点实验室在此 领域已经做了一些理论的探讨和工具的开发工作。从9 0 年代初开始了以创 新性设计自动化为目标的c a d 技术研究开发，成功建立了适于计算机的 分解重构原理，在8 6 3 计划资助下，首创了基于功能表面分解重构的产品 结构创成自动化技术，解决了现有概念设计与结构设计和参数设计衔接功 能差、设计步骤操作性羞、没有自动综合能力等问题，实现了基于生物细 山尔大等：博十学位论文 胞生长机制、自顶向下风范的计算机辅助构型创新设计技术系统【7 。”。 ( 3 ) 公差信息是c a d c a m 技术集成和企业信息集成的关键 虽然c a d 系统能够在2 d 与3 d 空问精确地描述物体，但缺乏像公差、 材料以及功能晓明之类的高层语义信息和产品生命周期的其它信息，对于 设计意图、功能要求和装配关系等非几何信息无法表达，所以并不能支持 产品设计的决策过程e 2 , 1 4 】。公差是贯穿产品整个生命周期从设计、制造、 装配、检验、使用到回收中一个非常重要的因素，在设计与制造之间起桥 梁作用。公差是保证实现产品功能与性能的关键、衡量产品结构可制造性 和可装配性的决定因素，而制造成本的估算又是企业经营决策的重要依据。 因为误差是不可避免的，不管用一般c a d 进行的产品设计，还是虚拟数 字样机，如果缺少精度设计，就不能称之为完整的产品设计。所以，有效 的公差管理是一个极具挑战性的工作 1 ”。可以说公差信息也是企业信息集 成的关键。 ( 4 ) 研究国际前沿难题，发展我国自主知识产权的信息化软件产业 公差本身的特性使得它可以作为并行设计的基石、产品概念结构设计 的推动工具。当前的c a t ( c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g ) 未达到实用要求， 作者认为主要存在的问题之一就是产品设计过程中没有考虑零件的公差， 公差设计目前是在设计的最后一个阶段来进行，这与公差没计本质过程有 所向悖。零件的特征之间的公差关系同时影响零件的装夹规划、加工方法 和加工顺序，不考虑公差的系统既不符合实际情况，而且也影响最后设计 方案的正确性。集成化公差设计是目前国际公认的技术关键。目前，公差 设计与产品设计结合、在概念设计阶段进行公差设计的研究，在国内外处 于刚起步的阶段。国际生产工程领域最权威学术机构c i r p 2 0 0 3 年大会论文 1 6 1 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。 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，进行公差同步综合进化 设计理论的研究，从设计的源头开始考虑公差因素，并把公差因素作为产 品设计的推动因素，启发式引导产6 , 1 成过程，对产品方案进行评价和优 化。目的是深化产品创新_ 丌发系统的研制工作。作为推进企业产品开发技 术的有力工具，具有较强的利学意义和经济、社会价值：对创新理论与技 第1 章绪论 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 产品概念设计研究概述 1 2 1 产品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【i 。”。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。设计理沧是研究产品设计过程的系统行为和基本规律1 1 8 】，如f 1 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”i t 9 1 ，t a u r a 等在此基础上建立“设计空间度量理论”【2 0 】， 美国学者s u h 提出“公理化设计理论”【2 l 】，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1 2 2 1 、并行设 计眇25 1 、面向x 的设计 2 6 , 2 7 1 、三次设计【2 8 】、可靠性设计、精度设计【3 0 。3 3 】、 智能设计 3 4 , 3 5 】、绿色设计 3 6 , 3 7 1 等。 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。当今， 由于经济竞争已明显地呈现出企业整体优化与全球化的势态，产品设计与 产品开发、生产过程及市场发展成为企业整体过程及全球化过程中相互联 系的组成部分，产品设计已是企业的系统行为。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。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【3 0 1 ， 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 新代汁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 山东大学博十学艟论文 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： ( 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 l 4 1 , 4 2 。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 1 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 mr 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【4 3 1 。a d 的出发点是改变传统上以经验为主的设计，建立以科学 公里、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 l d 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。 f 4 1p 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【“1 。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 4 第l 章绪论 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【4 5 4 9 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 长式”的设计自动化研究及相应的工具系统开发1 7 - j 3 】。 1 2 2 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 z1 9 8 4 年在( ( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) ) 【4 4 】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”，人们 对概念设计已经进行了近2 0 年的研究。 概念设计是产品设计过程中的关键环节，指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【5 。 机械的概念设计方法总体上有两种：第- - e e 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。f l 、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 山东大学博士学位论文 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。 于1 9 8 6 年才发表有关机械产品方案设计专家系统的研究成果。上海交通大 学邹慧君 5 1 - 5 3 1 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 5 4 1 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【55 j 教授等人，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 模型及其实现的关键技术。 1 2 3 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 吏得以精确尺寸为特征的传统 6 第1 章绪论 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。 1 3 公差设计概述 在产品装配时，每个人都会遇到由于尺寸公差而引起的问题。假如尺 寸变动不能被精确的控制，将会导致产品质量的