（机械设计及理论专业论文）形位精度数字化设计与评价技术的研究.pdf

摘要 y6 3 8 9 8 0 摘要 目前c a d c a m 的发展已经取得了重大突破和引人注目的成就，但作为机械产品设计 和制造过程中的一项重要内容，产品的精度设计主要还是依靠设计人员的经验或图表，采 用类比或专家系统的方法进行人工或半人工设计。虽然此类方法实用、可靠、方便，尤其 是专家系统法在工程应用中也取得了一定的成效，但此类方法不能对产品的几何精度进行 必要的数学描述，也不能对繁杂的影响因素实施有效的优化分析，因此难以实现c a d c a m 集成中精度信息的传输、共享与控制，精度设计已经成为制约制造业信息化发展的瓶颈环 节。这其中形位精度因其被控对象结构形状的复杂性、功能特征要求的多样性和影响因素 的综合性，实现其数字化的设计与控制难度更大。本课题就是在这样的背景下提出的。 本论文的总体研究目标是：建立具有智能化和数字化功能并存互补的计算机辅助形位 精度设计系统，并着重对其中形位精度( 公差) 的数字化设计与评价技术进行深入地研究， 为全面实现系统的数字化功能奠定理论和技术基础。其研究思路是基于新一代g p s 的数字 化分析描述技术，实现计算机辅助形位公差项目的分析与确定：分析典型零件中形位公差 与尺寸及尺寸公差的关系，运用尺寸链技术、优化设计、特征建模等先进技术和设计方法， 建立有形位公差参与的尺寸链并求解，达到用计算法优化形位公差值的目的；并利用 s o l i d w o r k s 对设计和装配结果进行评价模拟。 本论文的主要研究内容是：( 1 ) 基予匣定类、特征和要素等g p s 的数字化分析描述技 术，综合考虑设计对象的结构、功能特征及相关影响因素，实现形位公差项目的设计；( 2 ) 在分析典型零件中形位公差与尺寸及尺寸公差的关系的基础上，利用尺寸链技术，考虑尺 寸、形状、位置等特征的综合影响，建立有形位公差参与的综合尺寸链，并利用优化方法 进行求解，实现了用尺寸链建立数学模型；( 3 ) 抽象各种尺寸链的“共性”，建立尺寸链模 板；根据零件“个性”特点和匹配规则修改模板得到综合尺寸链；( 4 ) 尺寸链求解优化的 方法研究：既利用传统的极值法和概率法求解尺寸链，同时也用蒙特卡罗方法对尺寸链进 行优化，合理确定形位公差值；( 5 ) 基于s o l i d w o r k s 中的参数化建模技术和二次开发功能， 利用面向对象技术v b ，模拟评价设计和装配结果。 形位公差由于其特殊性和复杂性，其数字化的零件特征信息描述是基础性的难题。新 一代g p s 标准体系为从根本上解决几何模型中表达几何公差信息的问题，提供了理论基础 和操作方法。其几何公差设计借鉴c a d 及c a d c a m 中表面实体的几何造型技术概念与 思路，将工件的几何形体划分为七种常用的种类，所有的理想要素都属于七种恒定类中的 一种，每种恒定类由本质特征和方位特征来描述。本论文基于恒定类、特征和要素等g p s 的数字化描述技术，建立了面向c a x 集成的零件特征信息模型，综合考虑设计对象的结 构、功能特征及相关影响因素，分析并给出了形位公差项目的生成方法和规则。 摘要 形位公差值的确定要受到零件功能、尺寸及尺寸公差、受力受热变形和加工方式等诸 多因素的影响，因此建立数学模型非常困难。本论文利用尺寸链技术，根据形位公差与尺 寸及尺寸公差的关系，考虑零件结构、功能影响等因素总结出形位公差参与尺寸链的方法， 建立典型零件中有形位公差参与的综合尺寸链。总 结具有同类零件结构和功能影响的尺寸链的“共性”，建立尺寸链模板并进一步建立尺寸链 模板库：并根据零件的具体结构和功能要求制定匹配规则，调用模板并修订得到某“个 性”尺寸链。利用极值、概率和蒙特卡罗优化算法，建立尺寸链解法库，完成对尺寸链的 求解进而实现用计算法确定形位公差值的目的。 根据并行设计思想，在设计阶段就应该考虑零件的制造、检验和装配的相关问题，因 此有必要在设计时对装配结果进行模拟。本论文利用s o l i d w o r k s 的参数化建模功能，建立 装配体的三维模型；并采用面向对象技术v b 对s o l i d w o r k s 二次开发，实现装配结果的评 价模拟。 综上所述，通过本论文的研究和探讨，主要结论和成果如下： 基于g p s 的形位公差项目的分析和设计，建立了面向c a x 集成的零件特征信息模型 完成了形位公差生成方法的分析和规则的建立，为形位公差信息在c a d c a m 中的集成控 制奠定了基础。 基于建模优化理论和尺寸链摸板技术，构造了计算法确定形位公差值设计系统，该系 统具有实用性、集成性和二次开发性。 基于s o l i d w o r k s 的参数化建模技术采用v b 开发的模拟零件设计和装配结果的系统， 该系统与前面的形位公差值设计系统一起可以完成零件设计以及装配结果的模拟，具有较 好的实用性。 根据目前国际和国内在计算机辅助形位公差方面研究的理论成果和应用进展来看，各 种理论都有其特点、适用范围和局限性，没有形成相对成熟的理论和应用技术。新一代g p s 标准体系集合了各流派的理论优点，规范了面向c a x 集成的几何特征信息描述机制，通 过要素、恒定类、恒定度、特征、表面模型等一系列概念的互补应用，为从根本上解决过 去几何公差设计中存在的问题提供了理论基础和操作方式。以此作为理论基础，更有利于 实现计算机辅助形位公差设计的数字化建模和优化、解决几何公差信息在c a d c a m 集成 控制中的“瓶颈”问题，对于促进制造业信息化进程有着极为重要的意义。 关键词：形位公差、g p s 标准体系、要素、尺寸链、模板、优化、s o l i d w o r k s 、模拟 摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ed e v e l o p m e n t o fc a d c a mh a v e a c q u i r e dg r e a tb r e a k t h r o u l g ha n dr e m a r k a b l e a c h i e v e m e n t b u t a sa n i m p o r t a n tp a r t o fm e c h a n i c a l p r o d u c t i o nd e s i g na n dm a n u f a c t u r e p r o g r e s s 山ed e s i g no fg e o m e t r i ct o l e r a n c ed e p e n d i n g o nt h ee x p e r ts y s t e mo re x p e r i e n c e so f d e v i s e ro nt h em a i nh a sb e e ni nm a n p o w e ro rh a l f - m a n p o w e rs t a t e a l t h o u g hi ti sc o n v e n i e n t 、 u t i l i t y 、r e l i a b l ea n dh a v i n gp u tt ou s e i ne n g i n e e r i n g ，t h ee x p e r ts y s t e m g oa g a i n s tt oa c c o m p l i s h m a t h e m a t i c sr e p r e s e n to fg e o m e t r i ct o l e r a n c ea n dc a n td oe f f i c i e n c yo p t i m i z ea n a l y s i so na l l k i n d so fi n f i u e n tf a c t o ri ti sd i 伍c u l tt or e a l i z et o l e r a n c ei n f o r m a t i o n st r a n s m i v 2 n ga n d s h a r i n gi n c a d c a mi n t e g r a t i o n t h e d e s i g no ft o l e r a n c eh a sb e c o m e ac h o k ep o i n t r e s t r i c t i n g t o c a d c a m o ns e c o n d d e v e l o p m e n t u n d e r t h i sb a c k g r o u n dt h et a s ki sp u tf o r w a r d t h es t u d y i n gt a r g e to ft h i sp a p e rh a st h r e es e g m e n t t h ef i r s to n ei s a n a l y z i n gr e l a t i o n s b e t w e e n g e o m e t r i c t o l e r a n c ei t e ma n di d e a lf e a t u r e 、o r i e n t a t i o nf e a t u r eb a s e do nt h et e c h n o l o g i e s o fd i g i t a l a n a l y z i n ga n dd e s c r i b i n g t h er e l a t i o n s w i l lb eb a s i st of u l f i l l c o m p u t e ra i d e d a u t o f o r m i n gg e o m e t r i ct o l e r a n c ei t e m t h e s e c o n do n ei st h o u 曲o p e n i n go u tc o n n e c t i o n sa m o n g g e o m e t r i ct o l e r a n c e 、d i m e n s i o na n d d i m e n s i o nt o l e r a n c e ，u s i n ga d v a n c e d t e c h n o l o g ya n dd e s i g n m e a n sa sd i m e n s i o n c h a i nt e c h n o l o g y 、o p t i m i z a t i o n d e s i g n 、f e a t u r em o d e l i n g t ob u i l d d i m e n s i o n c h 山i n c l u d i n gg e o m e t r i ct o l e r a n c ea n de v a l u a t ei t r e a c h i n gt h eg o a lo fo p t i m i z i n g g e o m e t r i ct o l e r a n c ev a l u e t h et h i r do n e i s e v a l u a t i n ga n ds i m u l a t i n gt h er e s u l to fd e s i g na n d a s s e m b l y 1 1 1 ec o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：f 1 ) b a s e do ng p s d i g i t a la n a l y z i n ga n dd e s c r i b i n g t e c h n o l o g y , s u c ha ss t a b l ec l a s s 、c h a r a c t e r i s t i ca n df e a t u r ee t c ，c o n s i d e r i n gt h ec o n s t r u c t 、 c a p a b l ef e a t u r ea n d c o r r e l a t i o ni n f l u e n c ef a c t o ro f t h ed e s i g no b j e c t ，s ot h e d e s i g no f g e o m e t r i c t o l e r a n c ei sc a r r i e do u t ；( 2 ) u n d e ra n a l y s i st h er e l a t i o n s h i p a m o n gg e o m e t r i ct o l e r a n c e 、 d i m e n s i o nt o l e r a n c ea n dd i m e n s i o no f t h ec l a s s i cp a r t ，c o n s i d e r i n gt h ec o m b i n a t i o ni n f l u e n c e so f d i m e n s i o n 、s h a p ea n dp l a c ee t c 。b yd i m e n s i o n c h a i nt e c h n o l o g y , s y n t h e s i sd i m e n s i o n - c h a i ni s s e tu pi nw h i c ht h eg e o m e t r i ct o l e r a n c et a k ep a r t ，s i m u l t a n e i t y ，i ti se v a l u a t e db yo p t i m i z e d m e t h o d ，s o t h em a t h e m a t i c a lm o d e l b y d i m e n s i o n c h a i ni s r e a l i z e d ( 3 ) a b s t r a c t i n g t h e c o m m o n d e s so fa l lk i n d so fd i m e n s i o n - c h a i n ，t h et e m p l a t eo fd i m e n s i o n c h a i ni s e s t a b l i s h e d ； a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro fs e p a r a t ep a r ta n dt h em a t c hr u l e ，t h et e m p l a t ei sm o d i f i e da n da s y n t h e s i z e dd i m e n s i o n c h a i n i s o b t a i n e d ( 4 ) w i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o do fe x t r e m u ma n d p m b a b i l i t ym e t h o d ，t h ed i m e n s i o n - c h a i n i s e v a l u a t e d ，s i m u l t a n e i t y , t h ed i m e n s i o n c h a i ni s o p t i m i z e db y m o n t ec a r l om e t h o d ，t h ev a l u eo fg e o m e t r i ct o l e r a n c ei sc e r t a i n ( 5 ) a c c o r d i n gt o i l l 摘要 t h ef u n c t i o n so fp a r a m e t r i cd e s i g na n ds e c o n dd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s w i t l lo b j e c t - o r i e n t e d t e c h n i q u ev b ，t h ed e s i g na n da s s e m b l y a r es i m u l a t e d f o rt h es t r u c t u r eo ft h eo b j e c tc o n t r o l l e db yg e o m e t r i ct o l e r a n c ei sc o m p l e x i t y , t h er e q u i r e s o ff u n c t i o nf e a t u r ea r ev a r i e t y , a n dt h ea f f e c t i n gf a c t o ri ss y n t h e s i z e ，s ot h e c o m p u t e r a i d e dd e s i g n a n dc o n t r o lf o rg e o m e t r i ct o l e r a n c e ，e s p e c i a l l yt h ed i g i t a ld e s i g na n dc o n t r o l ，i sv e r yd i f f i c u l t t h e n e wg e n e r a t i o ng p ss t a n d a r ds ”t e mp r e s e n t sa c a d e m i cb a s i ca n do p e r a t i o nm e t h o d i ng p s s t a n d a r ds y s t e m ，b a s e do nt t r s p u tf o r w a r db yc l e m e n ta n dt e c h n o l o g i c a l l ya n dt o p o l o g i c a l l y r e l a t e ds u r f a c e s ，t h e r ea r es e v e ns t a b l ec l a s s e s ，w h i c hr e g u l a t et h eg e o m e t r ys h a p eo f w o r k p i e c e e v e r yw o r k p i e c ei sc o m b i n e db yo n eo rm o l lc l a s s e s ，a n dg i v ee v e r ys t a b l ec l a s s e s s e n c ef e a t u r ea n do r i e n t a t i o nf e a t u r e i nt h i s p a p e r , w i t h t h eg p sd i g i t a l d e s c p t i o n t e c h n o l o g y ，s u c h a ss t a b l ec l a s s 、f e a t u r ea n de l e m e n t e t c ， c o n s i d e r i n gs y n t h e t i c a l l y t h e s t r u c t u r e 、f u n c t i o nf e a t u r ea n dc o r r e l a t i o ni n f l u e n c ef a c t o r s ，t h ec r e a t e dm e t h o da n dr e g u l a t i o no f g e o m e t r c t o l e r a n c ea r ea n a l y z e d t h ev a l u eo fg e o m e 啊ct o l e r a n c eo fp a r ti si n f l u e n c e db yf u n c t i o n 、d i m e n s i o na n d d i m e n s i o nt o l e r a n c e 、d i s t o r t i o ns u f f e r e db yf o r c ea n dh e a ta n dm a n u f a c t u r em e 也o de t c ，s o s e t t i n gu pt h em a t h e m a t i c sm o d e l i sv e r yd i f f i c u l t i nt h i sp a p e r , d e p e n d i n go nd i m e n s i o n - c h a i n t e c h n o l o g y , a c c o r d i n g t ot h e r e l a t i o n s h i pa m o n gg e n m e t r i ct o l e r a n c e 、d i m e n s i o nt o l e r a n c ea n d d i m e n s i o u ，c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f p a r t ，g e o m e 衄c t o l e r a n c et a k ep a r ti nd i m e n s i o n - c h a i n s y n t h e s i sd i m e n s i o n c h a i ni n c l u d i n gg e o m e t r i ct o l e r a n c e i nt y p i c a lp a r ti ss e tu p s u m m a r i z i n gt h ec o m m o n n e s so fd i m e n s i o n c h a i n ，t h ed i m e n s i o n c h a i n t e m p l a t ei ss e tu p ，a n df u r t h e rm o r e ，t h e d i m e n s i o n c h a i nt e m p l a t eb a s ei se s t a b l i s h e d ；a c c o r d i n g t ot h es t m c t u r ea n df u n c t i o no fs e p a r a t ep a r t t h em a t c h i n gr u l ei s e s t a b l i s h e d 。s y n t h e s i s d i m e n s i o n c h a i ni so b t a i n e d t h r o u g h u t i l i z e da n dr e v i s e d t e m p l a t e ，s o s o m e p e r s o n a l i t y d i m e n s i o n c h a i ni sg e t u s i n ge x t r e m u r n 、p r o b a b i l i t ya n dm o n t ec a r l om e t h o d ，d i m e n s i o n - c h i n e s o l u t i o nb a s ei ss e t u p t h e d i m e n s i o n - c h a i ni se v a l u a t e da n dr e a l i z e a s c e r t a i n i n g t h e d i m e n s i o n - c h a i n b y n u m e r a t i o n a c c o r d i n g t oc o n c u r r e n td e s i g n t e c h n o l o g y ，t h ep r o b l e m sa b o u tm a n u f a c t u r i n g 、i n s p e c t i n g a n da s s e m b l i n go f t h e p a r ts h o u l db ec o n s i d e r e d i i lt h ec o u p s eo f d e s i g n i n g 。s oi ti sn e c e s s a r yt o s i m u l a t ea s s e m b l yd u r i n gd e s i g n i n gt h em a c h i n e b a s e do nt h ep a r a m e t r i cd e s i g nf u n c t i o n ，t h e t h r e e d i m e n s i o nm o d e lo ft h ep a r t si se s t a b l i s h e d u s i n go b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o 幻r - v bt 0 d e v e l o p e ds o l i d w o r k s e v a l u a t e sa n ds i m u l a t e sa s s e m b l yr e s u l t a n a l y z i n g a n dd e s i g n i n go f g e o m e t r i ct o l e r a n c e si t e mb a s e do ng p sh a v ea c c o m p l i s h e dt h e r u l e so fa u t o - f o r m e dg e o m e t r i ct o l e r a n c ei t e m i ti st h eb a s i so fi n t e g r a t i o no fg e o m e t r i c t o l e r a n c e si n f o r m a t i o ni nc a d c a m t h es y s t e ma b o u t d e s i g n i n gg e o m e t r i c t o l e r a n c ev a l u e u s i n gc a l c u l a t i n gm e t h o di s 摘要 c o n s m a c t e db a s e do nm o d e l i n ga n do p t i m i z i n g t h e o r y t h i ss y s t e mp o s s e s s e sp r a c t i c a b i l i t y , i n t e g r a t i o na n d s e c o n dd e v e l o p m e n t f u n c t i o n ， t h es y s t e mo fs i m u l a t i n gt h ed e s i g na n da s s e m b l yr e s u l th a v eb e e nd e v e l o p e db a s e do n t h et e c h n o l o g yo f p a r a m e t r i c m o d e l i n g i ns o l i d w o r k sa n dv b 。t h i ss y s t e mw i t ht h es y s t e ma b o u t d e m g n i n gg e o m e t r i ct o l e r a n c ev a l u ec a i ls i m u l a t ed e s i g na n da s s e m b l yr e s u l t s i m u l t a n e i t y , i t p o s s e s s e sp r a c t i c a b i l i 吼 a c c o r d i n g t ot h eh e a d w a yo n t h e o r ya n da p p l i c a t i o no f c o m p u t e ra i d e dg e o m e t r i ct o l e r a n c e i ni n t e r n a la n di n t e r n a t i o n a l ，e v e r yt h e o r yh a si t sp a r t i c u l a ra n d a p p l y i n gs c o p ea n d t h e r ea r el i t t l e a l l p u r p o s e d 、m a t u r et h e o r y t h en e wg e n e r a t i o no f g p ss t a n d a r ds u m s u pt h ev i r t u e so f a l l g r o u p s a n du n i f i e sa l lt h en o t i o n ss u c ha s f e a t u r e ， s t a b l e c l a s s ， s t a b l e d e g r e e ，c h a r a c t e r i s t i c ，s k i n - m o d e le t c ，i to f f e r st h e o r yb a s i sa n da p p l i c a t i o nw a yt os o l v et h e p r o b l e mi ng e o m e t r i ct o l e r a n c ed e s i g n b a s e do nt h eg p sw i l lm a k ef o rf u l f i l l i n ga u t o f o r m e d g e o m e t r i ct o l e r a n c e si t e m ，m a k ef o rr e a s o n a b l ea s s i g no fg e o m e 砸ct o l e r a n c ev a l u em a k i n gu s e o f o p t i m i z em e t h o d ，r e a l i z ei n t e g r a t i o na n dc o m m u n i o no fg e o m e t r i ct o l e r a n c ei n f o r m a t i o ni n c a d c a m ，r e s o l v et h ep r o b l e mo fi n t e g r a t i o na n dm a n i p u l a t i o no fg e o m e t r i ct o l e r a n c ei n m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i z a t i o na n d a c h i e v et h er e q u i r e m e n to f c o n c u r r e n t k e y w o r d s ：g e o m e t r i ct o l e r a n c e 、g p ss t a n d a r d 、f e a t u r e 、d i m e n s i o n - c h a i n 、t e m p l a t e 、 o p t i m i z e 、s a l i d w o r k s 、s i m u l a t e v 郑州人学硕上学位论文鼐一市绪论 第一章绪论 本章在综述了计算机辅助公差设计( c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g c a t ) 发展进 步的基础上，着重阐明了计算机辅助形位公差的立题背景及意义，进一步指出了当前计算 机辅助形位公差方面存在的问题及应对策略，明确了本课题的总体研究思路及主要研究内 容。 1 1 课题的立题背景和意义 1 1 1c a t 和计算机辅助形位公差设计产生的背景 精度设计是机械零件设计与制造中的一个重要环节，零件设计不仅要有机械运动设 计和机械结构设计，更要有精度设计来保证零件的质量和性能。精度设计包括尺寸精度、 形位精度和表面特征等几项基本几何精度。随着科学与生产技术的发展，计算机技术等多 种学科在机械制造业中得到了广泛应用，c a d c a m 以及c i m s 技术得以确立并取得了发展， 为适应这种科学和生产技术的发展，计算机辅助精度设计也应运而生“1 。 1 9 6 2 年，m i t 林肯实验室的萨斯兰发表的博士论文：“s k e t e h p a d ：am a n - m a c h i n e g r a p h i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”，首次使用了计算机图形学“c o m p u t e rg r a p h i c s ”， 证明了交互式计算机图形学( c g ) 是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图 形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。7 0 年代是计算机图形学技术进入实用化的阶 段，依托c g 的计算机辅助设计( c a d ) 技术得以确立并取得很大发展。随着电子技术和计 算机技术的飞速发展和广泛应用、信息产业的形成和迅猛发展，计算机辅助制造( c a m ) 技 术进入了制造行业。与此同时，电子技术、通信技术等的发展，使世界变小了，过去相对 稳定的市场，演变为动态多变的市场。市场的激烈竞争，对企业的生存和发展构成了极大 的压力。企业主们开始探索新的生产方式和经营模式，以此提高企业对市场应变能力、缩 短产品研制周期、提高产品质量、降低成本。传统的生产设备单一产品和自动化制造系统 已由计算机控制机床、柔性制造单元和系统所替代。由原来的局限于产品制造自动化发展 到集成产品设计过程、生产过程和经营为一体的自动化系统。计算机集成制造系统( c i m s ) 产生了，并成为信息时代工业革命的核心。 1 9 7 3 年美国j h a r r i n g t i o n 博士在c o m p u t e ri n t e r g r a t e dm a n u f a c t u r i n g 一书中 首先提出了c i m 的概念，从8 0 年代起日益受到世界各国工业界和科研部门的广泛重视，并 取得了巨大发展。1 。他提出的c i m s 概念包括两个基本观点：( 1 ) 企业生产的各个环节是不 可分割的整体。要紧密连接考虑；( 2 ) 整个生产过程实质上是一个数据集传递和加工处理 郑州入学硕。学位论文第一章绪论 的过程，最终形成的产品可看作是数据的物质表现。c i m 的目标是建成一个具有高度集成、 总体优化、充分柔性和最佳效益的计算机集成制造系统。 集成系统中的核心是产品数据的管理。传统的生产方式中，数据是以一种串行的模式 传递的，产品的设计、工艺规划、制造等一步步进行，下一个过程必须要等到上一令过程 完全结束后才能进行，并将本过程的结果反馈到上一过程。这使得产品生产周期较长，不 能很快对市场作出相应的反应。8 0 年代起，一种新的设计概念并行工程应运而生。并 行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 以c i m s 信息集成为基础，通过一系列的方法和技 术支持产品开发设计人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中的各种因素实现产品 开发过程的集成，其主要目标是缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。其中，对产品 开发过程的监控和管理是系统化工作模式的集中体现。 1 9 8 7 年，我国根据世界高技术发展趋势以及制造业的未来技术改造的需要，在c i m s 被选择为中国高技术研究发展的同时，还明确规定2 0 0 0 年8 6 3 c i m s 的战略目标：跟踪国 际上c i 潞高技术的发展掌握c i 惦的关键技术，同时在锦4 造业中建立能获得高经济效益并 能带动全局的c i m s 示范点。1 9 9 5 年，国家科委从战略的高度出发，将并行工程作为c i m s 进一步发展的方向，设立了关键技术攻关项目。对其方法和技术进行系统的研究。 综上所述，c a d c a m 已经取得了令人瞩目的成就，并取得了世界范围内的广泛承认和 重视。是机械制造行业的一个重要发展方向。而实现c a d c a m 的基础是产品信息模型的建 立。一个完整的产品零件信息包括了几何元素、拓扑关系、尺寸和公差等。在目前的造型 系统中，零件的结构信息是能够很好表达，但却不能表达有工程语义的公差信息。公差的 确定、分析和综合都还是通过手工查表、计算，设计人员需要依靠经验来进行公差的设计， 这就极大地阻碍了设计和生产过程的自动化，更不能进一步实现设计和生产过程中信息的 共享。而公差描述的自动化和公差信息在c a d c a m 间的传递和共享又是并行工程发展的基 础，并行工程要求设计过程与制造过程同时并行地进行。公差信息是制造过程中必不可少 的信息，设计过程中微小的变化都会引起制造过程大量的费用损耗。并行工程意义上的 c a d c a m c a p p 集成，已不仅仅只要求数据的共享与交换，还要求相互评价、相互协调。于 是各种分柝手段的应用越来越显得重要，在这些分析手段中，公差的分析与综合对于联系 c a d 、c a m 来说是重要环节之一，可用于评价所设计的产品性能、可加工性、可装配性和加 工成本，并能给出具体的设计改进意见。 因此，在1 9 7 8 年0 b j o r k e 教授在其专著c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g 一文中 提出利用计算机进彳亍尺寸公差设计后“1 。很快得到了制造业的广泛认可。国内外学者在计 算机辅助公差分析与综合、公差建模与表示、并行公差设计及公差信息的验证等方面作了 大量的研究，取得了丰硕的研究成果和较大的应用：随着计算机辅助公差设计的进一步发 展，到1 9 9 3 年，由n a s s e f 首次提出计算机辅助形位公差设计( c o m p u t e ra i d e dg e o m e t r i c t o l e r a n c i n g c a g t ) ，自此以后提出的种种理论和方法，为计算机辅助形位公差设计的 迸一步发展奠定了基础。 z 郑州人学顾l 学位论空 第一章绪论 1 1 2c a t 和计算机辅助形位公差提出的意义 如上所述，制造业信息化要求几何公差能够实现集成控制，丽实现几何公差集成控制 的基础是几何公差描述的自动化。然而目前，c a d c a m 已取得了重大的突破和引人注目的 成就，作为机械产品设计和制造过程设计中的一项重要内容，机械零件的公差设计在国内 基本上还是依靠人员的经验或图表，采用类比的方法进行人工或半人工设计，在各种c a d 软件是仅能实现公差的标注。在国外，已有许多学者开展了计算机辅助公差设计的研究， 但尚未达到完全实用的程度，如i d e a s 等软件中已出现公差分析模块5 ，但仅能作公差 分析之用。因此公差设计的现状无法与目前c a d c a m 集成、c i m s 发展相适应，已成为制约 它们进一步发展的一大关键问题，所以进行计算机辅助公差设计技术的研究已成为迫切的 需要。 8 0 年代中期以来，并行工程作为一种新的产品开发方法在工程界出现，立刻引起了强 烈反响。并行工程与c i m s 的结合，为c i m s 的发展提供了新的内容。在并行工程环境中c a d 、 c a m 的集成化，不仅仅要求在整个系统内数据的共享与交换，还要求相互评价、相互协调 以实现并行设计，因此就需要各种分析与评价手段。设计公差与公序公差并行设计以及公 差分析技术是c a d 、c a m 集成的重要内容，又是它们相互评价和协调的手段。公差的设计结 果不仅影晌产品的精度，也影响到产品的加工成本，而公差设计所涉及的因素比较多，如 何合理分配公差是一个复杂的问题。因此计算机辅助公差设计又是实现c a d 、c a m 集成化和 并行工程设计的重要组成部分。 计算机辅助公差设计就是在机械产品的设计、加工、装配、检测等过程中，利用计算 机对产品及其零部件的尺寸和公差进行并行优化和监控，争取以最低的成本，设计并制造 出满足用户精度要求的产品。计算机辅助公差设计是c a d c a m 集成中的关键技术之一，它 不仅影响产品的质量，且对制造成本起着决定性影响。随着c a d c a m 集成技术的发展，计 算机辅助公差设计系统研究的重要性日渐突出，国内外众多学者从事该领域的理论研究和 软件开发，取得了显著的成果。 c a t 是机械工程应用中不可缺少的部分，是现代生产模式中所必需的啪”3 。然而，目前 c a t 的研究仍落后于c a d 、c a m 自身的研究，使其无法与c i m s 的发展相适应，从而成为制 约它们进一步发展的瓶颈环节。 自从计算机辅助公差设计提出后，二十多年来人们的研究多是尺寸公差，而形位公差 由于其被控对象结构形状的复杂性、功能特征要求的多样性