（纺织工程专业论文）机械产品模块化设计优化通用系统的研究与实现.pdf

譬 j t 主要创新点 1 1 1 1 1 1ilqllii11l 1 l l l1 1 1 1 1 1l i i l i i i l y 18 7 8 9 3 3 l 、提出了支持多样化机械产品进行模块化设计优化的通用软件系统概念，并 解决了相关关键技术，开发了相应的软件系统； 2 、通过对商用c a d 系统的二次开发、及a n s y s 的a p d l 编程，在同一软件 平台中实现了c a d c a e 模块化设计优化集成。 摘要 在当前市场对产品多样化、个性化需求形势下，产品投放市场时间已成为 决定产品竞争力的重要因素。模块化设计作为可适应设计和大规模定制中重要 设计方法和核心技术，在缩短产品设计与试制周期、提高产品质量、降低成本 等诸多方面有很大的优越性，可以快速、经济地设计出满足用户个性化需求、 具有市场竞争力的优质产品，已逐渐在各行各业深入发展，但在机械产品的设 计优化中，其推广和应用仍然存在很大的困难，由于机械产品的多样化，机械 结构各不相同，如果需要针对每一类产品都开发出一套支持模块化设计的软件 工具，无疑给模块化的发展形成了极大的障碍，因此，研究支持多样化机械产 品模块化设计优化的通用系统的研究，对模块化的推广实施，从而提高企业竞 争力，具有非常重要的意义。 本文在分析多种机械产品模块化设计，优化过程和原理的基础上，总结出设 计的一般流程，将操作的“共性”与产品的“个性相结合，研究了机械产品 广义模块化设计优化的通用系统模型，提出了支持多样化机械产品广义模块化 设计广优化的通用系统结构框架方案，并从产品模块统一信息模型、开放式数据 存储机制、c a d 参数化造型、c a d c a e 集成等方面阐述了实现该系统的若干关 键技术，在此基础上，开发了广义模块化设计优化的通用软件系统，结合具体 的实例，验证了本文所提理论的正确性和可靠性。 所开发的系统已经在一些机床企业实际应用，实践证明，该系统可以显著 地提高设计速度、改善设计手段，为企业创造经济价值。 关键词：机械产品；模块化；通用系统；多样化产品；开放式存储模式 a b s t r a c t s a tp r e s e n t , a st h em a r k e tr e q u i r e sd i v e r s i t ya n dp e r s o n a l i z e dp r o d u c t s ，t h et i m e t om a r k e tb e c o m e sak e yi s s u ef o rac o m p a n y sc o m p e t i t i v e n e s s m o d u l a rd e s i g n a n i m p o r t a n ta n dc o r et e c h n o l o g yo ft h ea d a p t a b l ed e s i g na n dm a s sc u s t o m i z a t i o n ，h a s g r e a ta d v a n t a g e si nr e d u c i n gt h el i f e - c y c l et i m e ，i m p r o v i n gq u a l i t ya n dd e c r e a s i n g c o s t e t c b ye m p l o y i n gm o d u l a rt e c h n i q u e ，an e wc o m p e t i t i v ep r o d u c tc a nb e r a p i d l ya n de c o n o m i c a l l yd e v e l o p e dt om e e tt h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s ，t h e r e f o r e ， t h em o d u l a rd e s i g ng r a d u a l l ye n t e r se v e r yi n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s m e a n w h i l e i ti sa b i gc h a l l e n g et os p r e a dt h i st e c h n o l o g yt h r o u g h o u tt h em e c h a n i c a li n d u s t r y , s i n c ei t i sd i v e r s i t yf o rm e c h a n i c a lp r o d u c tv a r i e t i e sa n dn e c e s s a r yt od e v e l o pa ni n d i v i d u a l p r o g r a mf o re v e r yv a r i e t y t h u s ，t h er e s e a r c ho nag e n e r a l - p u r p o s es o f t w a r es y s t e m o nm o d u l a rd e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm e c h a n i c a lp r o d u c t s w h i c hc a ni m p r o v ea c o m p a n y sc o m p e t i t i v e n e s s ，b e c o m e su r g e n ti nn o w a d a y s o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fs e v e r a im o d u l a r o p t i m i z a t i o np r o c e s s e sa n dp r i n c i p l e s o fm e c h a n i c a lp r o d u c t s ，ag e n e r a ld e s i g nw o r k f l o wi so u t l i n e di nt h i sp a p e r , a n dt h e n c o m b i n e dw i t ht h ec o m m o n a l i t yo fo p e r a t i o na n di n d i v i d u a l i t yo fp r o d u c tv a r i e t y , t h es y s t e mm o d e lo fg e n e r a l p u r p o s es o f t w a r ei ss t u d i e da n daf r a m e w o r ks c h e m a i sp r o p o s e d a tt h es a m et i m e ，s e v e r a lk e yt e c h n i q u e st os o l v et h ep r o p o s e dt h e o r y a r ep r e s e n t e df r o mt i l ep e r s p e c t i v e so ft h eg e n e r a li n f o r m a t i o nm o d e l o p e nd a t a s t o r a g em e c h a n i s m 。c a dp a r a m e t e r i z a t i o n 。c a d c a ei n t e g r a t i o ne t c a tl a s t , a g e n e r a l p u r p o s es o f t w a r ei sd e v e l o p e da n di l l u s t r a t e dw i t hp r a c t i c a ld e s i g nc a s e s t h es o r w a r es y s t e mi sa p p l i e di nc e r t a i nm a c h i n et o o lf i r m s i ts h o w st h a t t h i s s y s t e mc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ed e s i g nv e l o c i t ya n di m p r o v e st h ed e s i g nm e t h o d ，a n d f i n a l l yt a r g e t st h eg o a lo fa d d i n gt h ee c o n o m i c a lv a l u ef o rt h em a n u f a c t u r i n g c o m p a n i e s k e yw o r d s ：m e c h a n i c a lp r o d u c t s ；m o d u l a r ；g e n e r a l - p u r p o s es o f t w a r es y s t e m ；m u l t i p r o d u c tv a r i e t i e s ；o p e nd a t as t o r a g em o d e l ， 目录 第一章绪论1 1 1 机械产品模块化设计优化的发展现状及问题1 1 1 1 模块化设计1 1 1 2 广义模块化设计2 1 1 3 模块的c a d c a e 集成3 1 1 4 产品平台5 1 1 5 机械产品模块化设计中存在的问题9 1 2 模块化设计通用系统研究9 1 3 课题的提出及研究意义9 1 4 本文的研究内容与结构1 0 第二章机械产品模块化设计优化案例分析及体系结构1 3 2 1 液压机的模块化设计优化1 3 2 1 1 液压机广义模块化中模块及产品族规划1 3 2 1 2 液压机产品及模块信息建模1 6 2 1 3 液压机快速设计及价格估算1 8 2 2 基于聚类算法的龙门铣床的模块化产品族设计2 4 2 2 1 龙门铣床的基型产品映射问题2 4 2 2 2 聚类建模2 6 2 3 纺织机械的模块化设计3 0 2 3 1 纺织机械的快速设计问题3 0 2 3 2 纺织机械的模块划分及其快速设计过程3 1 2 4 机械产品广义模块化设计优化的系统建模3 3 2 4 1 系统体系结构原理3 4 2 4 2 系统的关键技术3 6 2 5 本章小结3 8 第三章面向机械产品模块化设计优化的通用系统的构建3 9 3 1 系统的功能结构框架3 9 3 2 通用系统的关键技术4 0 i 3 2 1 统一信息模型4 0 3 2 2 开放式数据存储机制技术4 2 3 2 3 基于黑板结构的子系统交互模式4 3 3 3c 仰参数化造型技术4 4 3 4a n s y s 参数化设计语言a p d l 及c a d c a e 集成 4 5 3 5 本章小结4 7 第四章面向机械产品模块化设计及优化的通用系统的实现4 9 4 1 机械产品模块化设计优化通用软件系统软件主要界面介绍4 9 4 1 1 支持多样化产品操作的主界面4 9 4 1 2 模块化设计优化系统主界面5 3 2 1 3 液压机快速设计及价格估算1 8 4 2 运行实例5 5 第五章结论与展望5 9 参考文献6 1 发表的论文及科研项目6 7 致谢6 9 第一章绪论 第一章绪论 1 i 机械产品模块化设计优化的发展现状及问题 在当前市场对产品多样化、瞬变性等需求形势下，产品投放市场时间目益成 为决定产品竞争力的重要因素。当前国际市场需求快速变化的特点和2 l 世纪更 加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展u 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，产品多样化逐步成为制造业的重要特征，也成为t q c s 之外的重要竞争因素。标准化设计是较早提出的一种设计方法，能够大大提高产 品的可重用性和交互性。但是随着需求的多样化，标准化设计方法无法满足用户 的个性化需求。面向大规模定制的设计成为设计发展的主要趋势1 2 j 。多数学者意 识到在概念设计晚期与详细设计的早期对后续环节的设计变更影响较大，使得产 品实现配置设计逐渐成为研究的主流 3 1 。产品配置是沟通设计和制造并且满足用 户需求的重要环节。传统的配置设计不能有效地区分其所面对的对象，展现在用 户面前的是大量的产品特征和与部件相关的具体参数的混合体，不仅造成了主体 特征的迷惑( 用户面对众多选择反而无所适从) ，而且增加了企业实施大规模定 制模式的难度。 模块化设计方法旨在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规 格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块、通过选择或组 合模块或小范围修改产品参数来构成不同的产品，以满足市场的不同需求；它提 供了产品组件重复使用的方法，通过组合或修改模块来生成新产品。模块化设计 是实现大规模定制的最有效途径之一，同时也成为产品配置设计的基础。 1 1 1 模块化设计 模块化设计最早是在5 0 年代由欧美国家的学者提出【4 j ，同时也是可适应设计 和大规模定制中重要设计方法和核心技术，在缩短产品设计与试制周期、提高产 品质量、降低成本等诸多方面有很大的优越性，可以快速、经济地设计出满足用 户个性化需求、具有市场竞争力的优质产品，它已经成为产品设计广泛使用的技 术，是值得研究和推广的一种产品快速设计方法。 2 0 世纪9 0 年代至今，国内外不少学者致力于模块化设计原理的研究 5 - 7 ，对 模块的定义、划分、接口及产品族等理论进行了较深入的研究，并在很多国家被 广泛采用，我国不少企业也进行了有效的尝试并取得了良好的成果。 1 天津工业大学硕士学位论文 如文献【 】对数控机床进行了模块化的原型系统开发，文献【9 1 在a u t o c a d 环境下对膜产品进行了模块化设计的尝试，文献【协1 1 】针对纺织机械产品的特点进 行了模块化设计理论及应用的探索。就机械行业而言，由于机床的结构相对稳定， 受功能以外的其它因素影响较小，因此机床结构模块化设计在国外应用十分普遍， 已使企业从产品设计、工艺到制造形成一整套模块化管理体系。 以上模块化设计方法中，模块划分是模块化设计的前提与基础，模块划分的 结果直接影响模块化设计系统的功能、性能和成本，一般是将产品划分为多个模 块，从功能角度描述模块特征，其模块结构的尺寸大小和拓扑形式相应的表达为 一定功能的函数，其模块可称之为刚性模块。 但由于大多数机械产品，如液压机等，在设计过程中对强度、刚度等要求严 格，这些产品无明显的系列化分级特性，产品除受功能和几何约束外，还受载荷、 材料等工程参数的约束。不能随意根据功能简单地确定产品的结构，因此难于用 上述传统的模块化设计方法进行快速设计，导致模块化设计理论和方法不能在更 多的企业中得到推广和应用。 i i 2 广义模块化设计 以上模块化设计方法中，模块划分是模块化设计的前提与基础，模块划分的 结果直接影响模块化设计系统的功能、性能和成本，一般是将产品划分为多个模 块，从功能角度描述模块特征，其模块结构的尺寸大小和拓扑形式相应的表达为 一定功能的函数，其模块可称之为刚性模块。 针对上述问题，近年来本课题组 1 2 - 1 9 分析了传统模块化设计的不足之处，提 出了模块化、参数化和变量化集成设计的广义模块化设计方法与理论，考虑了产 品的结构、功能以及工程特性，发展了模块化理论。 广义模块化设计的基本思想是：以传统模块化设计基本理论为基础，通过对 一系列产品进行功能分析并结合其在设计、制造、维护中的特点，扩展模块化设 计方法及所涉及的产品范围，考虑许多产品的结构除受功能和几何约束外，还受 载荷、材料等工程参数的约束等特点，将产品划分为尺寸参数可变、拓扑结构可 调的广义模块，并以广义模块为基础构建产品族，从而根据用户需求，通过调整 模块的结构和模块之间的连接关系而由产品族中的典型产品派生出新的符合用 户要求的产品，进而完成快速设计。广义模块化设计中的研究重点是柔性模块的 创建原理、方法等相关内容。柔性模块模型是多个模块经过抽象、归纳后形成的 参数化结构，在一定范围其结构可以变化，从而形成新的模块模型。 以广义模块化设计理论为指导，分别结合液压机、汽车覆盖件模具等产品对 广义模块化设计理论进行了实践，取得了良好的效果，目前已受到国际学术界的 2 第一章绪论 高度重视。 1 1 3 模块的c a d c a e 集成 c a d 技术 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 且p 计算机辅助设计，是先进制造设计技术的重 要组成部分。近年来，随着电子技术及计算机外围设备的发展，c a d 在建筑、 机械、航天、电子、汽车、造船等领域得到了广泛应用，成为全球最杰出的工程 技术成果之一【1 9 】。c a d 技术的发展大致如下【2 0 】： i ) 2 0 世纪5 0 年代，c a d 技术开始出现，处于简单的图形处理阶段。 2 12 0 世纪6 0 年代，c a d 技术逐步得到应用，出现了计算机图形学、交互 技术、分层存储符号的数据结构等理论，为c a d 技术的进一步发展和 应用奠定了理论基础。 3 1 ) 2 0 世纪7 0 - - 9 0 年代，c a d 技术得到了广泛的发展。1 9 8 0 年，美国波音 公司和g e 公司共同制定了数据交换规范i g e s ( 1 n i t i ag r a p h i c se x c h a n g e s p e c i f i c a t i o n s ) ，从而实现c a d c a m 的融合。c a d c a m 技术逐步从大 型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从而， c 燃a m 系统广泛用于各种设计活动中。 4 12 0 世纪9 0 年代后，c a d 技术走向标准化、集成化和智能化发展时期。 具有良好的开放性，图形接口、图形功能也日益标准化。现代智能算法， 如人工智能、多媒体技术、专家系统逐渐融入c a d 系统，使c a d 系统 日益完善和强大。 c a e 技术 构建产品模拟模型和工程绘图主要利用的是c a d 技术，从而可以显著缩短 产品设计周期，并减轻设计人员的负担，但c a e ( c o m p u t c ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技 术却可以用来真正改善产品性能、提高产品品质、降低成本等。 c a e 技术是借助计算机来求解复杂工程的力学特性和结构性能等相关问题 的一种近似数值分析方法。采用c a e 技术对产品结构性能、安全可靠性、稳定 性等进行判断，模拟工程中实际的运行状态，在设计阶段及时发现设计缺陷，并 进行优化设计。 近年来，c a e 技术在工程设计和分析中应用十分广泛，已成为解决工程性 能问题的有效途径。c a e 技术的研究技术主要如下【1 9 j ： 1 ) 网格处理 3 天津工业大学硕士学位论文 c a e 分析过程一般包括前处理、分析求解、后处理三部分。前处理中网格 划分是非常重要的一步，网格的质量直接影响到分析求解的时问和结果的精度， 当前一些c a e 软件公司都在网格处理能力方面投入了较大的财力、物力，使得 网格生成的效率和质量显著提高。 2 ) 非线性问题的解决能力 由于实际工程中，很多问题不仅仅是线性问题，因此线性理论已不能满足工 程设计的需要，而需要非线性知识才能解决。目前一些c a e 软件在解决非线性 问题方面已逐渐加大投入，加强和提升非线性问题解决的能力。 3 ) 与c a d 软件的集成 由于大多数c a e 软件中需要重新建立c a d 模型，c a d c a e 不能很好地集 成，导致分析过程中大量的重复建模劳动、或与原c a d 模型存在差异，因此， c a e 软件与c a d 软件的集成是以后的发展趋势，才能使在c a d 软件中完成产 品部件或零件，能直接输出到c a e 软件进行分析计算。 4 ) 开放性 由于用户的要求、使用的环境都彼此不同，因此要求软件自身必须给用户一 个开放性的环境，允许用户根据自己的特定要求对软件进行定制和扩展。 c a d c a e 集成 由于c a d 属于专业的产品建模工具，而c a e 的特长是工程计算和分析， 因此两者的集成将极大地促进工程设计的发展。目前，一些c a e 软件提供了与 c a d 软件集成的接口，方便与c a d 软件集成，可以更好地发挥c a d 与c a e 各自的优势。图1 1 简单地表示了c a d c a e 集成的意义【2 l 】。 第一章绪论 1 1 4 产品平台 近年来，由于剧烈的市场竞争和客户对产品越来越多的个性化要求，产生了 一种新型的生产模式大规模定制( m c ) ，它被认为是2 l 世纪最主要的生产模 式，而其核心是产品的模块的快速配置设计，这使以模块化为核心技术的产品平 台 2 2 - 2 4 1 、产品配带i 。 2 5 , 2 6 1 、产品族【2 7 】等适应m c 的快速响应设计理论和技术引起 了研究人员极大的兴趣，得到了人们的重视，分别在产品族的规划l 2 3 j 、产品族结 构进化2 9 1 与优化 3 0 l 、供应链管理【3 1 1 、客户需求拓展分析【3 2 】等多方面进行了深入 研究，为快速生成产品结构方案作出了重要贡献。 ( 1 ) 产品平台体系 产品平台作为一种以大批量生产效率来满足个性化市场需求的企业经营战 略，在过去的2 0 多年受到国内外学术界的广泛关注和研究【3 34 7 ，并在一些企业 获得成功应用。产品平台研究中主要包括产品平台体系、产品族、产品配置、模 块性、通用性、产品优化设计等关键技术。 基于产品平台的大规模定制能够提高产品开发速度，降低产品开发成本，提 高产品可靠性，增加品种及降低管理复杂性，增强商业策略的灵活性。很多学者 从不同角度对产品平台进行了定义，目前被广泛认可的定义可以分为两类： o产品平台是一个产品族中公共元素( 特征、元件、子系统及参数等) 的 5 天津工业大学硕士学位论文 集合，特别是核心技术的集合。开发公共产品平台的目的和核心思想就是利用一 组产品之间功能与物理结构的相似性和通用性，通过基本元件和生产过程的最大 标准化集合来获得产品的最大集合，为产品族提供可用于设计、开发和生产多重 产品的一个公共基础，使得在提供产品多样性的同时，减少设计、生产的成本与 时间。 产品平台的构建通常需要考虑产品功能的相1 蹦相异性的平衡【4 3 】，其核心问 题包括变量设计【3 6 】与管理【4 8 】、体系设计和产品变型设计m 、以及平台的公共需 求分析、体系构架形式化表达、平台元素及约束的识别与提取等 4 9 , 5 0 】关键技术。 例如，d u 5 1 j 等提出了运用属性图形文法来识别产品平台和定义差异化产品 的方法；m a r t i n 5 2 】通过衡量零部件的通用性指标来创建产品平台，采用质量功能 配置来描述客户需求和产品设计特征的关系，形成了基于平台的最佳产品族的布 局方案，描述了产品性能与零部件通用性的关系；刘芳【5 3 】等提出了一种建立功能 相似产品平台的方法，该方法以已有产品的功能结构为基础，通过划分产品模块、 分析模块性矩阵得到产品平台；但斌瞰】等通过对目标市场中消费者需求数据的分 析，构建多目标决策模型，并应用结合分析模型的结果，综合考虑产品平台的多 个影响因素，对产品平台的扩展方案进行排序，进而做出决策；林毅等【5 5 】分析了 基于产品生命周期管理( p l m ) 的产品平台新特点，提出了以关系配置和多层抽 象为主的产品平台建模方法，论述了基本结构单元模型及相关建模过程。 此外，t a e 即】和m o o n 5 7 】等在考虑产品完备与形态特征的基础上，将产品平 台的概念扩展到不同领域的产品品种，如软件、服务及面向过程类产品等。 产品平台是构成一个通用框架的一组子系统和接口，利用该框架可以 有效派生出产品变型，一个产品族是从产品平台上产生的、享有共同技术并说明 相关市场应用的一组个体产品。其主要任务是构建框架底层的共享逻辑和内在连 带体系。 s i m p s o n 和m i s t r e e 等人讨论了产品族的健壮设计【5 引，研究了具有扩展和可 调节特点的核心平台设计方法，提出了产品平台概念开发方法p p c e m ( p r o d u c t p l a t f o r mc o n c e p te x p l o r a t i o nm e t h o d ) 来开发可调节的c p p 。可调节c p p 是可以按 一个规范来调节以提供必需的多样性的平台，将可调节因子看作需被指定的平台 设计变量，其它定义不同变型的所有设计变量被建模为“噪音”变量。使用健壮 设计方法，将可容纳整个范围“噪音”变量的平台变量设置看作是可行的方案。 然后通过优化不同组合或平衡可行方案空间的各目标，来找到一组方案。p p c e m 的输入是整个设计需求，输出是产品平台，该方法的步骤是：创立市场划分的网 格图；分类因素和范围；建立和确认变型模型；汇总产品平台说明；开发产品平 台体系结构。实践证明用p p c e m 方法来设计一族产品的效率与设计单个产品的 6 第一章绪论 效率差不多。s i m p s o n 等人又提出了基于变型的产品平台法( 、m p d m ) 【5 9 】，该方法 延伸了p p c e m 方法，提供了更灵活的建模方法。在给定产品变量、变量与性能 参数之间关系后，确定产品族中引起产品变化的设计变量( 可调因子) ，通过可调 因子的参数值改变来满足用户的需求。v b p d m 方法分为：从产品族中的所有产 品设计变量中选择公共平台；围绕公共平台设计具体的产品。 此外在平台的评价上已逐步从对平台单一性能的评价朝平台综合性能的评 价【4 5 舶】发展，使评价过程更具客观性，同时兼顾了指标间的关联性，并综合单项 指标与多项指标两个方面对平台各阶段进行评价，以做出正确的平台决策。 产品平台不仅要包涵企业积累的成熟的资源，更重要的是要如何将这些资源 有序地组织起来以方便重用。产品结构村是一种特产品资源进行有序组织的合适 形式，结构树的叶子结点存储着企业成熟的产品资源模块，结构树的枝干表 达了一类产品( 产品族) 的逻辑构成，可通过一定的规则通过对结构树的“裁剪一 来快速配置形成某一具体产品。由此可见，搭建和维护产品平台的很大一部分工 作是构造合理的产品结构树并对它进行管理和维护。有人1 6 0 从功能视图、技术视 图和组织视图三个方面对产品平台管理进行了描述。 以上这些方法和研究极大地促进了产品平台的应用和发展，但存在的个共 同的不足：它们都假定产品平台模型是静态不变的，而实际上，产品平台模型本 身是动态演化的，针对动态演化的产品平台理论及相关关键技术仍需进一步深入 研究。 ( 2 ) 产品族 在结构和功能上具有一定相似关系并满足特定用户需求的一组产品称为产 品族。针对特定的用户需求，产品族将派生出产品实例，所有的产品实例共享产 品平台中共同的结构、接口或核心技术。从不同的角度产品族的含义不同：从市 场和销售的角度，产品族是一组共享功能和结构的产品集；从设计制造的角度， 产品族则是一组共享设计技术和制造特性的产品集。 产品族的结构和构造方法是产品平台的关键，构成产品及产品族的基础元件 是模块，大多数产品族建立的依据是模块的通用性与专用性指标，或考虑两者平 衡1 6 1 1 ，或将两者折中1 2 5 1 ；也有一些产品族根据细分市场和用户需求而建立【4 1 1 。 产品族一经建立，其成员和结构相对稳定，族与族之间的联系较松散，不能有效 促进种族的演化，对于当今个性化的市场需求，难于通过有限的模块组合满足无 限的用户需求。 ( 3 ) 产品配置 现代产品设计是基于知识的设计瞄】，包括知识的获取和大规模知识的运用。 产品配置作为一种产品设计方法，一般可以被理解为一个根据产品族内预定义的 7 天津工业大学硕士学位论文 零部件集合以及它们之间的相互约束关系，通过合理的组合，形成满足客户个性 化要求的产品设计过程。产品配置的前提是一组已经建立的、模块化的零部件集 合，约束条件是外部的客户需求以及内部的零部件之间的结构关系。 产品配置需要大量知识，以保证组合成的产品及其零部件能相互兼容，产品 配置也因此长期成为人工智能在实际中的一个成功应用。最早的产品配置系统是 8 0 年代d e c 公司著名的基于规则的计算机配置系统r 1 x c o n t 6 2 1 ，从此以后产 品配置在国外得到了广泛的研究，并在计算机软硬件、电梯、汽车、电话交换机、 组合家具、重型柴油机、森林收割机、照相机、牙科医生的椅子等方面得到了巨 大的应用。 早期的产品配置是独立研究和发展的，主要目的是为了完成个性化的产品订 单，但是配置作为数据组织与管理的一种形式，近年来也越来越与产品数据管理 ( p d m ) 结合在一起，并因此而产生了巨大的优势。在目前的一些商用p d m 系 统中，有的已经集成或部分集成了产品配置的功能。 虽然近年来产品配置的研究获得了很大的发展，但这一领域仍然有很多挑战 性的问题需要解决。例如，传统的配置设计不能有效地区分其所面对的对象，展 现在用户面前的是大量的产品特征和与部件相关的具体参数的混合体，不仅造成 了主体特征的迷惑( 用户面对众多选择反而无所适从) ，而且增加了企业实施大 规模定制模式的难度。此外，大型产品配置知识的维护、产品配置模型的动态演 化、已配置产品的再配置、如何设计可配置的产品、配置设计的重用、产品配置 与其它系统的集成等问题，如何结合大规模定制生产模式，针对机械产品的特点 进行产品的配置设计，并寻求更为简单有效的配置方法，仍然是迫切需要解决的 问题。 ( 4 ) 模块性 模块化产品体系结构显然易于实现快速设计和产品配置，满足大批量定制对 时间和成本的要求。模块化是产品平台研究以及大批量定制产品开发中的关键之 一。模块自身的扩展优化与变型、模块的划分及粒度、模块之间的接口等的研究 仍需要进一步深化和发展，从而适应变化的市场和动态的产品平台。 ( 5 ) 通用性 开发产品平台的核心思想是通过基本元件和生产过程的最大标准化集合来 获得产品的最大集合，因此，通用性和标准化是产品平台的基本和核心特征。然 而，在实践中既要严格按照客户的个性化要求，又要保持产品的通用性和规模经 济是比较困难的，即产品是独特性与通用性的矛盾统一体。因此，建立合理的通 用化平台是产品族设计的关键问题之一。 平台战略运用最广泛的是汽车行业，事实上，平台战略适用于很多装配产品 8 第一章绪论 工业，譬如各种家用电器、机床和通讯设备等，都可以通过合理运用平台战略为 公司带来巨大效益。在实践中已有一些基于平台开发产品族的成功例子，如 v o l k s w a g e n 公司、f i a t 公司、f o r d 公司、s o n y 公司、b l a c k & d e c k e r 公司、b o e i n g 公司和h u g h e s 公司等。 1 1 5 机械产品模块化设计中存在的问题 尽管模块化理论和相关技术已经广泛发展，在我国平台战略的应用也进行了 许多探索【6 3 1 ，但目前真正应用的企业并不多见。从广义模块化设计、以及以模块 为核心单元技术的产品平台在不同领域、不同产品的研究及实施应用过程中可以 发现仍然存在一些问题： a ) 开发周期长：机械产品品种多样、形式各异，需要针对不同类型产品分别 进行模块化规划，造成模块化的开发和实施周期长、成本高、不易推广应用； b ) 缺乏计算机辅助模块化设计的工具和平台冈：计算机辅助模块化设计的 过程非常复杂，从底层数据库的设计，到用户g u i 界面的设计需要大量的人力， 尤其需要既了解产品设计技术又熟悉软件开发的设计人员参与。 针对上述问题本文在研究各种模块化设计方法及其具体实例的基础上，提出 模块化设计的一般方法并构建出满足一般产品的模块化通用设计软件平台。 通用设计思想是一种可以提高设计信息和资源重用的重要方法，通用性指设 计要求改变的情况下，已有设计资源适应新的设计需求的能力。 1 2 模块化设计通用系统研究 为使模块化设计系统能够适应不同品种的产品，便于在实践中推广和实施， 一些研究者 6 4 - 6 6 1 在某些特定产品族中进行了尝试，如c a f f r e y s 等【6 7 】提出了航空 系统中的飞机开放式平台，但对于其它类型产品，如数控机床等却需要从底层开 始重新构建系统。因而，很少人提到一种真正意义上的、面向所有产品类型开放 的模块化软件系统，因此该类系统的开发仍然有待深入研究，以使模块化的优势 充分发挥、扩展到各类机械产品的设计中，从而提高设计速度、保证设计质量、 更进一步改善设计手段。 1 3 课题的提出及研究意义 鉴于计算机辅助模块化设计系统的复杂性，为了缩短模块化设计系统的开发 时间，提出支持多样化机械产品进行模块化设计优化的通用软件平台的构建技 9 天津工业大学硕士学位论文 术。其目的就是每当面对新机械产品的模块化设计时，不必再从底层数据库的构 建开始做起，而是从该通用设计平台开始搭建，设计人员不必过多地关注于数据 库设计和软件结构设计，设计人员也不必具备很多计算机专业知识，从而可以更 多地关注于所要设计的机械产品。 通用模块化设计厂优化系统具有很强的可适应性，可适应性是指系统能够被调 整以用于一个特定的设计环境，从而使系统可以满足不同产品的模块化设计要求。 这种适应是两方面的适应，即系统本身做自我调节以适应具体机械产品的模块化 设计，同时该机械产品也要调整自身的知识库结构和设计流程，以便更好地发挥 该通用系统的作用。 本文在深入研究不同类型机械产品的模块化设计优化方法和过程的基础之 上，找出其相同点与不同点，构建一个可适用于多样化产品设计优化的快速设 计软件平台。该系统主要包括设计资源管理和产品方案设计两大部分，利用该系 统可以实现多样化产品模块化快速设计及优化。 设计资源管理部分提供统一的数据结构，实现无需从最底层构建数据库开始 搭建平台，可以直接从已划分的模块开始构建，节省了建立数据库结构的开发时 间。产品方案设计提供统一的设计流程，使用时只需添加模块接口部分算法，即 可完成这一部分的构建。 该通用平台软件是在研究了多种模块化设计方法的基础上构建的，它提供统 一的底层知识库结构，提供统一的设计流程。使用时只需要添加接口算法即可完 成一个模块化设计平台的构建，其主要作用就是要将设计人员从繁重软件设计工 作中解脱出来，使其更专注于对具体机械产品模块划分、及模块设计规划。以该 平台为基础进行模块化设计软件平台的搭建，将极大的提高设计系统的质量，减 少人员投入，同时缩短设计系统所花费的时间。 1 4 本文的研究内容与结构 本文针对机械产品模块化快速设计优化在实施和推广中的困难，提出了能够 支持多类产品模块化的通用平台概念，对分析多种不同类型机械产品模块化设计 优化过程的基础上，提取模块划分、接口、参数化等共性特征，构建了开放的 数据库及c a d c a e 集成系统，并实现了多样化产品的模块化快速设计优化。 全文分为五章，论文的体系结构如图1 - 2 所示。具体研究内容如下： 1 0 第一章绪论 i 第一章：绪论 i u l 第二章：机械产品模块化设井优化案例分析及系统建模 i 上羔上羔 i 第三章：面向机械产品模块化i第四章：面向机械产品模块化i l 设计及优化的通用系统的构建l设计及优化的通用系统的实现i u0 i 第五章：结论与展望 l 图l - 2 论文的体系结构 第一章对机械产品模块化设计优化的国内外研究现状以及相关关键技术的 发展进行了研究，分析了目前研究的进展及问题，在此基础上提出本文的研究内 容，并阐述了研究的意义。 第二章分析了机械产品模块化设计，优化的基本设计过程，结合液压机、数控 机床、包装机械、纺织机械等产品的模块化问题，研究了其支持软件平台的共性 因素。 第三章提出了面向机械产品模块化设计及优化的通用系统的构建原理、体系 结构，在此基础上，分别从开放式数据结构、c a d 参数化模型、c 削d c a e 集成 等方面提出了通用系统的关键技术解决方案。 第四章开发了面向机械产品模块化设计及优化的通用软件系统，并在四柱式 液压机、整体式液压机、包装机等机械产品上实现了产品的模块化快速设计，优 化报价过程，验证了本文所提理论的可行性和可靠性。 第五章总结了本文的研究工作，并进行了展望。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 第二章机械产品模块化设计优化案例分析及体系结构 第二章机械产品模块化设计优化案例分析及体系结构 2 1 液压机的模块化设计优化 液压机是机械制造业的一种基础设备，其应用涉及国民经济的各个领域。在市场导向的作 用下，用户需求成为企业生产产品的驱动因素，产品的生命周期越来越短，消费者对产品的 要求也越来越趋于多品种和多变性。在这种环境下，要求企业必须根据动态多变的市场做出 正确的判断，然后进行决策，并经常快速地根据新的决策去改变产品、计划和生产线。 由于液压机主机产品无明显的系列化分级特性，产品除受功能和几何约束外，还受载荷、 材料等工程参数的约束，不能简单地根据功能原理确定产品的结构，因此传统的模块化设计 方法和理论无法满足设计要求，需要对其进行广义模块化规划，即对液压机进行相应的产品 和模块信息建模，从而实现液压机的快速设计及报价。 2 1 1 液压机广义模块化中模块及产品族规划 1 液压机机身结构特点 任何结构的相似性都反应出一定的设计规律，液压机产品族的规划正是基于这种规律。其 机身结构有如下特点： ( 1 ) 主机框架结构的相似性 液压机机身结构的相似性主要表现在： 1 ) 组成链相似：液压机布局形式主要有组合框架式、三梁四柱式及悬臂式等，如组合框 架式主要由上横梁、下横梁、滑块、立柱、液压垫等组成： 2 ) 力作用原理相似：工作过程中机身结构要承受较大的载荷，载荷主要由油缸压力传递， 上横梁受拉应力，工作台受压应力，立柱受弯曲应力作用； 3 ) 结构加工方式相似：主要有铸造式和焊接式两种结构加工方式。 因此，在相似的布局形式下，根据不同的用户要求，会有大小不同的结构参数，加上附加 的功能部件，从而构成了品种、规格繁多的液压机产品，这种整体结构的相似性是进行模块 化产品族设计的前提。如整体框架式液压机产品族、组合框架式产品族。 q ) 部件结构的相似性 组成部件的相似性主要表现在： 1 ) 油缸结构相似：油缸数目是该类部件结构的主要相似特征；无论单缸、双缸、三缸、 五缸的上梁模块，其油缸结构均为柱塞缸或活塞缸； 1 3 天津工业大学硕士学位论文 2 ) 承载方式相似：不同结构的上梁模块，其承载方式均为油缸与拉杆处受力；下梁模块 载方式为工作台台面承受载荷压力； 3 ) 横、纵筋板结构相似：各模块组成构件的钢板焊接结构都是由标准中、厚钢板材料裁 剪的板材零件( 标准或非标准) 构成，筋板布局以横、纵主筋板为主。 对于不同额定吨位，不同主设计参数，相同油缸数目、筋板布局特征的上梁部件，结构几 何主参数( 油缸直径、拉杆孔径) 随额定吨位而定，呈系列化分布。 2 液压机广义模块化中模块及产品族规划 ( 1 ) 液压机广义模块的划分 广义模块( 也称柔性模块) 划分过程通常是以功能为基础，以结构为载体，兼顾模块内部 的强、弱关联性而进行的，就其本质而言是功能和产品结构的重组过程。 液压机属于大型机械产品，该类产品根据用户需求进行个性化设计，非标或系列化程度不 明显，结构相对复杂，单件小批量生产为主。因此，对其进行模块划分时，模块不能太多， 结构分层不能太细，应主要以部件作为模块。以组合框架式液压机机身为例，根据模块划分 原则，机身可分解为上梁、下梁、立柱、滑块、移动工作台等若干广义模块，其中每个模块 就是一个部件，通过装配组合成为整机。图2 1 为1 0 0 0 0 k n 三缸组合框架式液压机的广义模 块划分实例。 图2 - 1 液压机广义模块划分举 ( 2 ) 液压机产品族 液压机产品族的规划建立在详尽的客户分析和预测基础上。根据上述广义模块化产品族矩 阵，其规划步骤分为三步： 1 4 第二章机械产品模块化设计优化案例分析及体系结构 1 ) 确定基准变量 基准变量是在产品族中能够唯一标识产品模型的一个参数或多个参数的组合。 a ) 功能参数一般地，随着功能参数的变化产品结构有很大的差别，因此功能参数是绝大 多数产品族规划应该考虑的一个基准变量，如公称载荷。 m 结构参数当进行产品模型派生时，通常都是根据结构尺寸的变化而改变结构的，因此 结构尺寸也是一个重要的基准变量，如有效台面长、宽、面积等。