（机械制造及其自动化专业论文）面向汽配产品的快速设计系统研究及应用.pdf

摘要 本论文结合浙江省科技计划重点攻关项目“快速响应客户需求的产品设计和 生产管理信息系统研究及其在汽车配件制造业中的应用”( 项目编号： 2 0 0 4 c 1 1 0 0 4 ) ，对汽配产品的快速设计系统研究及应用进行了深入的研究。提出 了面向汽配产品的快速设计方法，给出了利用产品、零部件族的分类原理+ 最近 相邻算法+ 知识引导的检索方法，并设计与开发了汽配产品快速设计系统。 第一章讨论了快速设计的概念和兴起，综述了相似实例检索方法的研究现状 和c a d 技术的发展历程。最后给出了本文的研究背景、研究的目的和论文的主要 研究内容。 第二章对瑞立集团的汽配产品设计过程分析后，总结了瑞立集团的快速设计 需求，并给出了汽配产品快速设计的总方法，给出了支持快速设计的各个分方法。 第三章给出了汽配产品快速设计系统的总体设计方案，建立了该系统的主要 的功能模型，即项目管理模块、产品概要设计模块、基于p d m 的相似性检索模 块、产品建模功能模块、产品变型设计功能模块、知识管理功能模块、计算仿真 功能模块和创新设计功能模块，并给出各个模块的详细结构。 第四章介绍了面向汽配产品快速设计的产品概要设计的实现，分析了概要设 计的几个关键技术，最后还给出m a t l a b 和v c 进行集成方法。 第五章介绍了支持产品快速设计的实例检索的具体实现，分析了支持该相似 性检索的实例存储结构，同时给出汽配产品相似性检索的策略，最后给出检索模 块的关键技术的实现方法。 第六章给出了系统运行实例。 第七章对全文进行了总结与展望。 关键词：相似性检索；粗集理论；快速设计；概要设计；汽配产品 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nk e yt a c k l et e c h n o l o g yp r o j e c to fz h eb a n gp r o v i n c e ”r e s e a r c ho n p r o d u c td e s i g na n dp r o d u c t i o no fm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m si nr e s p o n s et oq u i c k c u s t o m e rd e m a n da n di t sa p p l y i n gf o ra u t op a r t sm a n u f a c t u r i n g ( i t e mn o 2 0 0 4 c i1 0 0 4 ) , r e s e a r c ho nr a p i dd e s i g nt e c h n o l o g i c a la n ds y s t e mo ft h ep r o d u c t sd e e p l y p r e s e n tt h e m e t h o d o l o g yo fp r o d u c t sr a p i dd e s i g nf o rm o t o r p a r t sa n ds i m i l a re x a m p l e sr e t r i e v a ls o l u t i o n so f u s i n gp r o d u c t 、p a r tf a m i l yg r o u pm e t h o d a n dn e a r e s t - n e i g h b o rm e t h o da n dk n o w l e d g ei n d e x i n g m e t h o d ，d e s i g na n dd e v e l o pr a p i dd e s i g ns y s t e m f o r a u t op a r t s c h a p t e rid i s c u s s e dt h ec o n c e p ta n dt h er i s eo f t h er a p i dd e s i g n ，i n t r o d u c ec u r r e n t s t a t eo ft h er e t r i e v a im e t h o d so ft h es i m i l a re x a m p l ea n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h ec a d t e c h n o l o g y f i n a l l yg i v e nt h eb a c k g r o u n do ft h i ss t u d y 、t h ep u r p o s eo ft h e r e s e a r c ha n dt h em a i nc o n t e n to f t h es t u d y c h a p t e ri ia n a l y s e sa u t op a r t sd e s i g np r o c e s so ft h er u i l ic o r p o r a t i o n , s u m m a r i z et h er a p i dd e s i g nr e q u i r e m e n t so fn er u i l ic o r p o r a t i o n , a n dp r e s e n tt h e r a p i dd e s i g np r o c e s so ft h ea u t op a r t s ，f i n a l l yg i v e nb r a n c ho ft h em e t h o d so ft h e r a p i dd e s i g n c h a p t e ri l lg i v e st h eo v e r a l lb l u ep r i mo ft h ep r o d u c tr a p i dd e s i g ns y s t e m ，s e t s u pt h em a j o rf u n c t i o n a l m o d e l so ft h es y s t e m t h e s ef u n c t i o n a li n c l u d ep r o j e c t m a n a g e m e n tm o d u l e ，p r o d u c to u t l i n ed e s i g nm o d u l e ，n l cm o d u l eo fs m i l a r i t i e s r e t r i e v a lb a s e do np d m s y s t e m ，p r o d u c tm o d e l l i n gm o d u l e ，v a r i a n td e s i g nm o d u l e , k n o w l e d g em a n a g e m e n tm o d u l e , t h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nm o d u l ea n d i n n o v a t i v ed e s i g nm o d u l e e a c hm o d u l eg i v e sd e t a i l e ds t r u c t u r e c h a p t e ri vg i v e st h er e a l i z a t i o no f p r o d u c to u t l i n ed e s i g nw h i c ho r i e n tp r o d u c tr a - p i dd e s i g n , a n a l y s e ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so f t h ep r o c e s sm o d e l ，f i n a l l ya l s og i v e s i n t e g r a t e da p p r o a c ho f m a t l a ba n d v c c h a p t e rvg i v e st h er e a l i z a t i o no f s i m i l a r i t i e sr e t r i e v a lo f r a p i d p r o d u c td e s i g n , a n a l y s e se x a m p l e ss t o r a g es t r u c t u r ew h i c hs u p p o r tt h es i m i l a r i t i e sr e t r i e v a l ，g i v e s s i m i l a r i t i e sr e t r i e v a ls t r a t e g yo f t h ea u t op a r t s ，f i n a l l yp r e s e n tt h es o l u t i o no f t h ek e y t e c h n o l o g i e so f t h e r e t r i e v a lm o d u l e c h a p t e rv ig i v e so u tt h er u n n i n ge x a m p l eo f t h es y s t e m c h a p t e r s a l m m a r i z e s a n d p r o s p e c tt ot h i sp a p e r k e yw o r d s ：s i m i l a r i t i e sr e t r i e v a l ；r o u g hs e t st h e o r y ；r a p i dd e s i g n ；o u t l i n ed e s i g n ； a u t op a r t s 学号2 0 4 0 8 0 5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：录氟冱签宁日期：力昭年。月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完，牟= 了解造姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向围家有关部| j 或机构送交沦文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸姿盘生可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：尔敏冱 导帅签名 签字同期：知彤年f 月日签字h 期：。占年月，石日 学位沧文作者毕业后去向 t - 作单位： 通讯地址： 电话 邮编 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 快速产品设计的概念和兴起 1 1 1 快速设计的概念 为了满足当前市场对产品多样化、个性化和快速化等需求的形势下，国外学 者提出了快速设计的概念。快速设计技术( r a p i dd e s i g nt e c h n o l o g y ；r d t ) 是 一种设计哲理，它是在并行工程技术基础上发展的，其主要目的是为了缩短产品 开发周期，保证产品的质量和实现对市场的快速响应。从1 9 9 8 年开始，国内的 一些大学与研究机构也开始了对“快速设计”理论的研究，并取得了一定的成果。 当前顾客对产品的需求快速变化的特点和2 l 世纪产品功能应具有更加个性化、 多样化的市场趋势，因此交货期成为市场对产品要求的一个重要指标，使对客户 需求的快速响应日益成为决定产品竞争力的重要因素，促进了快速设计技术的发 展。 1 1 2 快速设计的兴起 制造业的设计、生产方式会是随着社会生产力的水平和科学技术的进步而不 断地改变。在生产力水平还比较低下时，由于市场上产品短缺，那时候基本上是 卖方市场，顾客对产品没有多少的选择余地，在这样的条件下，企业就拼命扩大 产量、降低成本，进行大批量生产。到了上个世纪末，随着社会生产力高度发展， 市场上产品日趋丰富，消费者对产品的选择余地越来越大，顾客开始对产品提出 了更高的要求，使用户和厂家之间的关系发生了变化，逐步由卖方市场向买方市 场转变，企业不得不适应新市场的发展趋势，采用多品种、小批量的生产方式， 按定单组织生产。同时，为了适应瞬息万变的市场环境，要求企业具有高度的灵 敏性，能不断的改进自己的产品，迅速开发新产品，以吸引顾客，变被动适应用 户为主动引导市场的生产方式。据估计“，近3 0 年来出现的新技术、新产品，已 经远远超过了过去两千年的总和。现在好多产品，特别是高科技的产品在市场上 的更新速度明显加快。在汽车配件制造行业中，由于近几年来国际大型汽车公司 纷纷进入到中国市场，给中国的汽配行业带来了机遇，但是汽车的多样化和快速 更新的特点又造成了汽配产品必须快速的适应这一特点，使得汽配厂商之间的竞 争更加激烈，汽配厂商需要以快交货( t ) 、高质量( q ) 、低成本( c ) 和重环保( e ) 等要求嘲去争取市场份额。缩短交货期，快速响应市场需求，已经成为竞争的第 一要素，因此提出了“快速响应工程嘲”以适应市场环境的变化。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 快速产品设计的关键技术的研究现状 产品快速设计是一种新的设计方法，产品快速设计的主要目的是缩短产品的 设计周期，保证产品的设计质量，从而提高产品的制造质量，提高企业对市场的 快速响应能力。目前产品的快速设计方法只是将重点放在缩短产品的设计时间 上，主要是应用在产品的概要设计和产品的详细设计阶段，并没有把这种方法应 用到企业的生产领域一，。 产品快速设计是先进制造技术发展的产物，是计算机辅助设计与制造技术的 发展和延伸，它涉及到并行工程技术“1 、产品数据管理( p d m ) 技术、专家系统、 模块化技术、知识工程、合理化工程技术、产品建模、仿真技术、价值工程和优 化技术等。快速设计的理论和方法主要有参数化设计、异地协同设计、模块化设 计、智能化设计和变型设计等。 1 2 1 实例相似性检索的研究现状 1 实例检索的概念 检索是在目标库中的某个范围内搜索满足一定条件下的结果过程，可以形式 化的表示为旧 r = s ( c o n d ，研s c o p e 其中：r 为检索的结果； c o n d 为检索的条件； b 为检索的目标库； s c o p e 为检索范围的约束； ( 1 - 1 ) s 为检索算子。 2 检索方法概述 最近相邻方法叫嘲 最近相邻方法是非常简单的技术，把输入实例与实例库中的所有实例进行逐 索引域的比较，求出实例之间的每个域的相似度，再根据以前定义的加权向量，最 终确定所有实例与输入实例的相似度，将相似度超过阀值的实例返回给用户。该 策略既是实例的检索策略，也是实例的组织策略。 k o l o d n e r ，j m 提出的根据特征权重的相似度计算方法： 2 硕士学位论文第一章绪论 w jx s i m ( x , ，y ，) s i m ( x ，y ) = 立l 一 h h 其中：帆= 特征f 的权重； ( 1 - 2 ) s i r e ( x , ，y ，) 为相似度函数； 疗为实例特征的数目； 一，y ，新实例与被检索实例同一特征的值。 对与定量属性，实例的相似度为利用海明距离1 来计算，计算公式如下： s ( a ，b ) = i 一w , d i s t ( a ，巨) ( 1 3 ) 其中a 和b 实例，a l ，匆是实例属性的两个属性值，嵋代表第f 个属性权重值， 标准d i s t ( x , ，弘) 表示如下： d i s t ( a j ，匆) 爿a l 一龟i l m a x , - m i n ，i ( 1 4 ) 其中m a x ，帛l l r a i n ，是实例的属性的最大值和最小值当m a x ( s ( 4 ，动) 的实例 就是和当前最相近的实例。 对与相似的的计算，还有常用的距离定义嗍为 ( 1 ) 绝对值距离吒= i 一i ( 卜5 ) k = l 其中与v 。分别表示实例f 和实例，的第阶属性值 ( 2 ) 欧氏距离即空间几何距离办= ( 1 6 ) ( 3 ) 麦克斯基距离d ，= 【i v 。一1 9 】“9 ( 卜7 ) t z l 对与定性属性，采用语义距离“”来描述两个定性属性之间的距离。在语义上， 一个模糊区间数 a ，b c f 表示该模糊数落在 a ，b 中的可能度为c f ，当 a b 取 最大区间时，满足c f = i 。一个模糊中心数 c ，r c f 表示该模糊数落在以c 为中 心，r 为半径的“超球”之中的可能度为c f ，当r 为最大偏差时，c f = i 。论域为 实数域时，两模糊数a ，b ： a l ，b ， c 5 和【口2 ，b 2 c f 2 之间的语义距离定义为： 硕士学位论文 第一章绪论 j i d ( 彳，功= ( w o o i a l 一吒r + w ；l6 i 一6 jr + w c f o i c e c ei 。) “。( 1 8 ) 对于各非模糊的特征，若为字符型表示指标，k u s i a k “”提出的： 卿西，书乏耄 m 。， 其中：靠，表示实例f ，的属性踌征值 若为数学指标：则 e ( 厶，厶) = l 一丽- f j k ( 1 1 0 ) 其中：r a n g e ( f k ) 为k 特征值的范围。 最近相邻策略的主要问题是检索速度较慢，相似度阀值的确定以及缺乏多视 角的检索功能。 对比匹配策略 t v e r s k y “”对比匹配函数的公式为： t c ( n , p t ) = 而 ” 其中月与慨分别表示新实例和第k 个旧实例，分子表示新旧实例特征集中相 匹配的特征数，分母则表示新旧事例的特征总数( 扣除重叠即匹配的那部分) ，即 计算相匹配的特征数占新旧实例总特征数的比例，以此判断新旧实例的相似度。 归纳推理策略 该方法来源于机器学习的研究者通过抽取规则或构成决策树。在c b r 中最常 用的i d 3 算法，它通过对实例库中的实例构建决策树，来发现和划分实例最有价 值的特征，并以此为标准划分实例。 i d 3 算法采用“分而治之”的思想，每步都选取信息增益最大的属性，递归 地逐层决定根节点和叶节点，直至把所有的实例归结为一决策树。其启发函数如 下： 坳，胛) = 一圭l 0 9 2 笔一三l 0 9 2 圭 ( 1 _ 1 2 ) p + np q - 一p 4 - 疗。p + n 以s 为根节点的期望信息和信息增益为： g a i n ( s ) = z ( p ，一) 一e ( 研( 卜1 3 ) 其中e ( s ) = 等，( 见，q ) 4 硕士学位论文 第一章绪论 i d 3 采用的“信息熵”不是最优的启发函数，从而导致i d 3 易偏向于取值较 多的属性等确定。 神经网络的检索方法 文献嘲1 采用神经网络的方法来检索，探讨了利用神经网络方法进行实例检索 的途径，通过对c b r 系统中输入条件的编码，经过对神经网络的样本训练，最近邻 法调整和人类专家调整，得出求解事例相似性的神经网络结构利用此方法，可以 对后续设计步骤提供了很好的指导 3 权重的确定方法 专家确定权重 专家确定权重法，就是让专家事先根据自己的经验，确定每个特征的重要度， 然后利用该重要度去计算每个新旧实例的相似度。这样的前提条件是决策者能为 每个特征重要性程度提供解释，但往往在实例检索中，关于属性权重的确定不能 提供一个精确的估算，这样的确定权重方法具有很大的随意性，每个专家确定权 重的方法都不相同。由此引发了是否可能无需由决策者给出明确的输入就能确定 特征值重要性的权值的问题“”。 遗传算法的权重确定 文献恤1 给出利用遗传算法的权重确定方法，对检索实例进行特征编码，即 形成新实例的原型索引：给出特征权重w 的原始种群：对新实例输入c b r 系统 进行检索，计算待测试事例和参考事例的相似度，并以该值作为检索精度：分 别评估各特征权重所对应的检索精度：判断遗传算法的收敛条件是否满足。如 果满足，则停止，输出当前代中适应度最大的特征权重作为优化特征权重值，否 则，转至：对优质特征权重向量进行复制、杂交、变异等操作，产生下一代 特征权重种群，重复 - 。 a h p 法的权重的确定n 6 1 蚓州捌嘲 a h p 法能将定性问题定量化，这种方法对于解决多层次、多目标的系统优化 问题行之有效，具有高度逻辑性、灵活性及简洁性等优点。a h p 可以使人的主观 判断与定量表达相结合，使问题的解有理有据。 a h p 是把问题层次化，把问题分解为不同的组成因素，按照因素问的相互关 系和隶属度等因素按不同的层次进行聚合，最终把系统分析归结为最低层相对于 最高层的相对重要度的排序问题。在权重确定上，可以构造一个判断矩阵，通过 判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，计算出某一层元素相对于上一层元 素的重要度权值。 文献“”分析了现有的层次分析( a n a l y s i so fh i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 法中 的不足并进行了改进，利用改进的n i p 法求得的判断矩阵自然满足一致性要求， 不需要进行一致性检验。引入a h p 法可有效地解决冷挤压工艺规划系统c b r 事例 5 硕士学位论文 第一章绪论 检索权值确定的难题。 园其他方面 文献“1 根据应用的需要，在先后分析了基于数据库、i d 3 决策树和k - d 树的 事例检索算法，并在标准的k - d 树啪1 算法的基础上引入聚类的概念，将原始的事 例库组织成聚合中心库和类库二级结构，提出了一种改进的k - d 树事例检索算 法，通过理论分析和对比实验证实了该事例检索算法在事例检索速度上逼近i d 3 决策树检索算法，但在检索精度上远远超过了i d 3 决策树检索算法和标准的k - d 树检索算法。 文献啪1 结合基于事例的推理技术对可视化智能映射进行研究，提出了一种适 合可视化映射的事例检索新方法。分析了可视化映射问题的索引模式，在集成神 经网络与模糊认知图的基础上，给出了可视化映射事例的匹配算法和最佳事例选 择算法，消除了基于固定相似性评价尺度进行事例检索的缺点，也解决了带有主 观评价因素的可视化映射的表示准则和有效准则问题。 文献例在采用实例索引、直接匹配和相似匹配三级实例检索策略基础上，应 用灰色理论的灰色关联分析方法，建立了基于灰色关联分析的相似匹配方法模型， 并给出其算例应用该实例检索策略和相似匹配方法可以提高实例检索速度和实 例匹配准确性。 1 。2 2c 加技术的发展 在激烈的市场竞争和巨大的内外环境压力下，企业若要最有成效的提高或扩 大预期的市场占有率，提高企业的应变能力和竞争能力，就必须用最短的时间生 产出市场所需要的产品，满足客户所需要的产品和服务。影响产品的质量的主要 因素是产品设计手段和制造手段。为了提高产品的设计手段和产品制造手段， c a d c a e c a m 技术应运而生。 c a d 技术经历了如下的过程。”： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代至7 0 年代初期线框造型技术 随着计算机在屏幕上的绘图变为可行并迅速发展起来，人们希望借助此项技 术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。此时c a d 技术的出发点是用 传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维的计算 机绘图技术。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代初期至8 0 年代初期曲面造型技术 由于汽车及飞机的制造中遇到了大量的自由曲面的问题，而当时只能采用多 截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面，经常发生制造出来的 样品和设计者设计的初衷不一样。由此，法国人提出一种新的算法，使得人们在 6 硕士学位论文第一章绪论 用计算机处理曲线及曲面的问题变得可以操作，随后推出了比较成功的三维曲面 造型软件c a t i a 。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代初期至8 0 年代中期实体造型技术 尽管曲面造型技术可以解决c a m 问题，但是无法解决c a e 问题。为了解决这 个问题，1 9 7 9 年，s d r c m l 公司发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大 型c a d c a e 软件一i - d e a s 。实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理 论上统一了c a d 、c a e 、c a m 的模型表达。 ( 4 ) 2 0 世纪8 0 年代中期至今参数化技术和变量化技术 2 0 世纪8 0 年代中期，参数化实体造型技术出现，它的特点是：基于特征、 全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动修改。参数化造型系统对系列化标准化零件 设计以及对原有设计作继承性修改则十分方便，但不能改变图形的拓扑结构，因 此想对一个初始设计做方案上的重大改变是做不到的。 变量化技术1 是参数化技术进一步改进后提出的设计方法。变量化设计 ( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 技术是指几何约束系统的求解不依赖于几何元及约束关 系构造过程的一种变量几何( v a r i a t i o n a lg e o m e t r y ) 设计方法。变量化设计将 几何图形约束与工程方程耦合在起联立求解。变量化技术既保留了参数化技术 的优点，又克服了他的许多不利之处，它的成功应用为c a d 技术的发展提供了更 大的空间和机遇。 1 2 。3 仿真技术佟钉 在国民经济中制造业往往都会占很大的比重，自2 0 世纪后期开始，全球的产 品市场竞争日益激烈，产品需求向多元化、个性化方向发展，产品的生命周期和 交货期日益缩短。仿真技术作为响应产品快速设计的一种重要手段，也在随着科 技的进步在不断的发展。 简单的说，仿真是建立相应物理系统的数学模型，然后在计算机上进行解算、 模拟的过程。数学模型是仿真的基础，要使仿真具有意义和价值，需要建立正确 的数学模型和数据。计算机的发展经历了模拟计算机、混和计算机、数字计算机 的历史过程。相应地，仿真的发展也经历了模拟仿真、混合仿真、数字仿真的历 史过程嗍。 计算机仿真过程的实现一般都可由计算机软件高级语言、仿真语言和仿真软 件来完成。典型的仿真软件有仿真环境、仿真语言和程序包3 种形式，其功能覆 盖是完全相同的至s 1 8 0 年代中后期，开始出现了一体化仿真环境。现在，面向制 造系统的仿真出现了一体化支撑软件，实现了仿真建模、仿真运行，输出分析的 集成环境；仿真监控运用了并发执行机制，在数据库管理的基础上实现了模型资 料、实验资料、仿真结果的同时管理。 7 硕士学位论文第一章绪论 1 3 租集理论 粗集理论嘲侧是波兰华沙理工大学z p a w l a k 2 0 世纪8 0 年代初提出的一种研 究不完整、不确定知识和数掘的表达、学习、归纳的理论方法。这里给出一种基 于粗集理论的属性权重分析方法。 粗集理论的定义为：给定论域u ，r 是u 上定义的等价关系；n 】。是u 上的等价关 系r 生成的足等价类；x 是u 上的一个子集，x c u ，疋( 工) ，r 弋) 分别是xc z u 的 下近似，上近似，且满足足( x ) = 缸u | 【x k 抑，r 一( x ) = 伽u i 【x k n x ) ， 集合对( 足( x ) ，r 一( j ) ) 称作xc z u 的粗集。 信息系统可以表示为一个四元组s = ( u ，a ，v ，力，其中u 表示所要讨论对象的 非空有限集合，也称为论域；属性集合表示为a = c u d ，子集c 和d 分别称为条件 属性集和决策属性集；v = u 圪是属性值的集合；f ：u x 彳矿是一个信息 函数，它指定u 中每一个对象x 的属性值。对于每个属性子集b ，可以定义一个不 可分辨二元关系： 1 n d ( b ) 2 f i x , y ) i ( 工，y ) u 2 ，v a 罡i ( t 口) = ( 弘口) ( 2 1 ) 属性重要度的定义为：设s = ( u ，a ，v ，力一个信息系统，a = c u d ，x c 是属性子集，j x 是一属性，考虑x 对x 的重要度，即x 中增加属性x 后分辨度提 高程度，提高程度越大，认为x 对于x 越重要。属性d 对c 的依赖度定义为： r c ( d ) = c a r d ( p o s 。( d ) ) c a r d ( u ) ( 2 2 ) 其中p o s 。( d ) 是d 关于c 的正域，u 是实例集合，c a r d 表示集合的基数。当依 赖度越高说明特征属性的重要性就越大。通过特征属性依赖度转化为特征属性的 权重，这样粗集理论就可以在相似度的计算中应用进去。 目前，粗集理论在数据挖掘中的具有广泛的应用。涉及的应用领域包括市场 分析、图像处理、气象学、语音识别等。粗集理论的作用集中体现在以下几个方 面：数据约简，粗集理论是对信息系统中的数据进行约简的有效方法。通过 粗集理论删除数据中的冗余信息( 属性、对象以及属性值等) 可以大大提高系统的 运算速；规则抽取，首先得到条件属性的一个约简，删去冗余属性；然后， 删去每条规则的冗余属性值；最后对剩余规则进行合并，粗集理论可以生成相对 简单和直接的规则；增量算法寻找有效的增量算法也是粗集理论的一个研究 8 硕士学位论文 第一章绪论 热点，它能从大型数据库中增量地发现规则，并且能有效的处理噪声数据和不完 整数据。 1 4 课题的提出及其主要研究内容 1 4 1 课题研究的背景 进入2 0 世纪九十年代，产品市场发生了根本性变化，从原先的卖方市场转变 成了买方市场。产品的生命周期显著缩短、产品的品种显著增加、产品的生产批 量显著减小、顾客对产品的交货期、产品的功能、价格和质量的要求越来越高。 企业需要适应市场的这种要求，该要求可以归纳成t 、q 、c 、s 四个要素啪1 ：t ( t i m e ) 从产品设计到上市的总时间；q ( q u a l i t y ) 产品质量；c ( c o s t ) 产品设 计和制造成本；s ( s e r v i c e ) 一为满足用户的需求而提供的各种增值服务。在这 种市场发展的趋势下，对制造企业，特别是对中小型的制造企业来说，要想以更 新、更快、更好的产品占领市场，应能以客户的需求为驱动，快速的响应客户的 需求。 为了帮助浙江省的一些汽车配件行业的制造企业面对激烈的市场竞争实现 对整车厂设计要求进行快速响应，课题组承担了浙江省科技计划重点攻关项目 “快速响应客户需求的产品设计和生产管理信息系统研究及其在汽车配件制造 业中的应用”( 编号：2 0 0 4 c 1 1 0 0 4 ) 。本项目研究开发的主要内容由项目管理模块、 产品概要设计模块、实例相似性检索模块、产品建模模块、产品变型设计模块、 产品创新设计模块、产品设计知识管理模块、产品的计算仿真模块，p d m 系统等 内容组成。 1 4 2 课题研究的目的及意义 ( 1 ) 本文的研究目的有以下两点： 产品概要设计 根据汽配产品的设计特点，把汽配产品的性能要求融入设计过程中，提出基 于产品性能的产品快速设计方法，根据分析已有产品的性能属性，分析产品的设 计方法，利用性能要求来反求结构尺寸。减少设计过程中的反馈，快速响应客户 需求。 实例的相似性检索 快速设计系统的核心是利用企业已有的设计资源，尽量实现产品设计中零部 件甚至是产品重用。在产品的概要设计中，首先需要根据产品的性能要求查找具 有相似的性能的产品，在原来产品的基础上进行变型设计，快速完成设计。在零 件的详细设计中，利用概要设计已经完成的初步的结构设计和关键尺寸，查找相 9 硕士学位论文第一章绪论 似的零部件，对零部件进行重用，减少设计的时间和制造的成本。 ( 2 ) 本文研究的意义： 通过对面向快速设计的概要设计方法研究和实例的相似性检索研究，使整个 快速设计系统能够快速的响应客户的需求，利用产品性能反求产品的结构尺寸， 减少了设计过程中设计人员对设计的盲目性，大大的提高了产品设计成功的几 率。相似实例的检索，使设计人员能快速的利用已有的设计资源，加快了设计的 进度和保证了设计的质量。 本文从国内外产品设计的发展趋势出发，提出汽配产品快速设计的总体思路 和基本方法，并结合典型汽车配件产品进行实例研究，开发面向一般汽配新产品 的快速设计工具和软件平台，对增强汽配企业的市场竞争力、减少汽配产品的设 计周期和提升产品质量具有重要意义。研究一种适合我国大多数中小企业的产品 快速设计系统，以汽车零配件为对象开发具有产品数字化建模能力的、以产品变 型为手段的集成化的快速设计系统，辅助设计人员实现由用户需求驱动的、基于 已有产品模型、实例的快速设计，辅助企业对产品设计知识资源的进行管理。快 速设计方法和工具平台可以广泛应用于机械产品的快速方案设计，显著提高设计 速度和设计效率，增强制造企业对市场的快速响应能力，具有重大的经济和社会 效益。 1 4 3 本文的主要研究内容和章节安排 论文结合产品快速设计概念，对产品快速设计系统中的产品概要设计和相似 实例检索进行研究和探讨，论文主要的研究内容如下： 产品概要设计研究 把汽配产品的工作性能要求融入设计过程中，通过产品的性能来辅助产品的 设计。提出基于产品性能的产品快速设计方法，给出了该方法的几个关键技术， 并对关键技术进行详细的讨论。 0 相似性检索方法研究 在产品的概要设计中，首先需要根据产品的性能要求查找具有相似的性能的 产品，给出了相似性能检索的方法。在零件的详细设计中，利用概要设计已经完 成的初步的结构设计和关键尺寸，查找相似的零部件，给出了零部件的相似性检 索方法。 系统总体设计啪 给出了快速设计系统的总体设计方案，并给出了系统的功能模块，详细介绍 了各个功能模块的结构。 1 0 硕士学位论文第一章绪论 园系统关键技术实现 m a t l a b 和v c 系统的集成技术，使m a t l a b 能对实时对参数化的产品进行性 能仿真；给出了实例内容的数掘库表示技术和实例检索的方法，方便实例的检索， 最后利用p d m 系统和参数化c a d 的接口，实现产品的修改和存储。 系统运行实例 通过对基于汽配产品的性能要求的概要设计和相似实例的检索研究，并结合 浙江瑞立集团公司的产品设计给出相应的系统实例。 本文内容结构图如图卜l 所示： 第一章：绪论 夕 “狲 j 旦 第二章：汽配产品的 快速设计方法研究 一一x,d 欺 | 第三案设计总体ll 黟锄n 圈第第五章 摹- t - p d m t 自c 夕 图计相似性检索实现 b f 。k i 第六章：系统运行 夕 实例 童墼 、j 黔k 第- g 章：总结与展 7 望 硕士学位论文 第二章汽配产品快速设计方法研究 2 1 引言 第二章汽配产品快速设计方法研究 一般的汽配产品设计按照以下设计流程：任务分析一功能方案设计功能结 构设计一总体结构设计一零件详细设计一工艺设计一产品试制一产品装配一样 机仿真一返回修改一设计完成这样一个过程。 当前社会，人们对产品的需求越来越趋向于：个性化、多样化；产品交货期 的缩短；产品的生命周期缩短；产品的高质量；产品功能的集成化；直接面向客 户的定制。在市场需求多样化和生产成本提高的矛盾下，机械产品特别是汽配产 品需要满足这些趋势。 浙江省科技计划重点攻关项目“快速响应客户需求的产品设计和生产管理信 息系统研究及其在汽车配件制造业中的应用“( 编号：2 0 0 4 c 1 1 0 0 4 ) 为了快速响 应客户对汽配产品的以上需求而实施的，有效的缩短产品的交货期，提高产品的 质量，降低产品的设计制造成本，提高企业的快速响应能力，汽配产品的快速设 计系统主要利用已有产品的变型设计和对已有零部件最大重用化来响应汽配产 品的快速设计。 本项目的产品设计系统能从以下几个方面满足汽配产品的快速设计。对 已有产品的更好的重用，可以方便快速的查找已有产品；有效的管理各种设 计资源；建立产品的设计知识库来支持产品设计；在设计过程中实时的仿 真设计结果； 建立产品模型，支持变型设计。本章主要从支持汽配产品的快 速设计需求来讨论，并给出了汽配产品的快速设计过程和若干关键技术。 2 2 瑞立产品介绍和分类 图2 1 瑞立集团的汽配分类图 1 2 硕士学位论文 第二章汽配产品快速设计方法研究 瑞立集团的主要汽配产品包括转向器助力器、离合器助力器、制动总泵分泵、 制动气室、电缓速器、组合开关、组合仪表共七大类、上千种产品。制动气室还 可以分为单膜片制动气室、双膜片制动气室、活塞式制动气室等。图2 - 1 是瑞立 集团的主要汽配产品的分类结构图。 卜解除制动螺栓；2 - 解除制动螺栓螺母； 减磨垫圈；4 - 外壳护盖；5 一螺钉；6 一弹簧缸外壳； 7 一制动弹簧；8 一卡环；9 - 大膜片；l o _ 左气室紧固螺钉；1 1 - 中壳体；1 2 - 左气室回位弹簧； 1 3 一密封圈；1 4 大托盘；1 5 _ 小卡箍；1 6 - 小膜片；1 7 - 右气室回位弹簧；1 8 - 左气室外壳；1 9 止动垫片；2 0 - 螺母；2 1 一小托盘；2 2 一左气室推杆；2 3 - 推杆螺母；2 4 - 联结叉；2 5 - 垫片；2 6 - 弹性圆柱销；2 7 一销钉；a 、b - 接制动软管( 通压缩空气) 的孔 图2 2 双膜片弹簧制动气室的结构原理图 下面对系统中所用到的实例双膜片弹簧制动气室做简单的介绍的。图 2 2 是双膜片弹簧制动气室的产品机构图。双膜片弹簧制动气室推杆端连接的汽 车的制动器，其通过推杆产生的推力和行程来控制制动器产生在车轮制动， 达到减速、刹车的效果。双膜片弹簧制动气室由相互独立的行车制动气室( 右气 室) 和驻车制动气室( 左气室) 组合而成，右气室用于行车制动，由小膜片、右气室 外壳、右气室推杆和右气室回位弹簧等零件组成，并且被小卡箍和右气室紧固螺 钉连接到中壳上；左气室用于驻车制动，由大膜片、大托盘、左气室推杆、小托 盘、左气室回位弹簧和弹簧缸( 部件) 等组成，并且被大卡箍和左气室紧固螺钉连 接到中壳上。其中，弹簧缸由弹簧缸外壳、支承架、制动弹簧( 压缩弹簧) 、托架 和解除制动螺栓等组成。以下是双膜片制动气室的工作原理： 在非工作时，右气室不通高压气体，左气室通有高压气体，弹簧7 被压 缩，左气室通过膜片和弹簧的压力保持平衡，推杆由于回位弹簧而保持行程为零。 硕士学位论文第二章汽配产品快速设计方法研究 行车制动时，向通气口通入高压气体，高压气体通过膜片产生压力推动 推杆。当取消制动时，推杆通过回位弹簧1 7 回到原位。 驻车和紧急制动时，由于行车制动需要一个充气的过程，达不到紧急制 动的效果。在紧急制动时，放掉左气室的高压气体，这样制动弹簧释放，通过大 膜片，左气室推秆，小膜片，右气室推杆制动。由于制动弹簧是一下子释放，所 以推杆的反应时间少，可以达到紧急制动。当取消紧急制动时，先向左气室加压， 制动弹簧被压缩。大膜片通过左气室回位弹簧回位，推杆通过回位弹簧1 7 回到 原位。在驻车制动时，为了节省燃料，可以通过机械制动即弹簧制动。 弹簧制动气室自锁，当压缩机等部件发生故障时，无法产生压缩气体， 制动弹簧会发生自锁，这样导致汽车抛锚。当发生这样的情况时，拧紧解除制动 螺栓螺母，把制动弹簧拉回压缩状态。 2 。3 瑞立产品快速设计需求 需求分析是进行系统总体设计的根据，其目的是让系统设计者了解系统所需 要的总体功能要求，什么样的需要，就需要有什么样的功能与其相对应，它直接 影响了系统设计的效率和质量。系统的功能需要对瑞立集团的产品设计需求进行 全面的支持。 2 3 1 瑞立汽配产品设计流程分析 瑞立集团的新产品设计的设计流程如图2 3 所示，当整车厂家给出一个汽配 产品的设计需求时，设计人员首先通过记忆搜索与之相关的相似产品，如果有， 则去资料库找到该产品的详细资料，然后修改零件，制定工艺，产品试制，产品 装配，产品实验，直到产品满足要求。如果设计人员不知道是否已经存在，或者 已有的设计资源已经丢失，则设计人员需要对产品进行重新设计，对产品进行功 能分解，功能原理求解，功能结构求解，总体装配设计，零件详细设计，产品测 试，直到产品完成。 从图中可以看出，从接到定单到交付产品的整个流程中有很多反复的修改过 程，延长了设计周期，现在的汽配产品设计流程图有如下缺点： ( 1 ) 在根据设计要求进行相似性检索时，设计人员只是根据记忆来查找相 似实例，即使找到了也不是最相似的实例，无法实现产品很好的重用。 ( 2 ) 由于设计人员对相似实例进行修改时，对某个尺寸的修改无法实现相 关尺寸的联动，对具有配合关系的零件的修改也无法实现相关零件的联动。 1 4 硕士学位论文 第二章汽配产品快速设计方法研究 ( 3 ) 在相似实例的修改过程中，没有很好的利用以前的设计经验、经验公 式和相关设计知识。 ( 4 ) 在零件的设计过程中，有些关键的零部件需要有限元分析和运动仿真 等，最好能在制造之前发现设计的问题。 ( 5 ) 在工艺制定时发现零部件设计可能无法加工出来，或加工的成本太高， 需要重新返回设计任务，或是重新寻求设计方案进行零部件设计。 ( 6 ) 在产品装配时发现产品存在装配干涉或者设计存在问题，则返回重新分 析设计任务，或是重新寻求设计方案对零部件的设计进行修改或重新设计。 ( 7 ) 在进行产品检验时发现存在质量问题或是产品的性能无法达到客户的 要求时，返回进行重新设计。 ( 5 ) 对于没有相似实例的新产品设计，需要对产品进行创新设计。 ：”“： ；硼触i 图2 - 3 瑞立产品设计流程和对快速设计系统的需求 2 3 2 瑞立汽配产品快速设计系统需求 通过对瑞立集团七大目标产品的调研和对该集团的目前设计流程分析，总结 硕士学位论文第二章汽配产品快速