（机械设计及理论专业论文）一次产品成功（fpc）的关键技术研究与应用.pdf

武汉理t 大学硕十学位论文 摘要 为了解决传统产品开发中存在的问题，在总结c i m s 、并行工程等相关技 术经验的基础上，美国集成制造技术研究机构提出了一次产品成功( f p c ： f i r s tp r o d u c tc o r r e c t ) 的理念。f p c 是指把设计理念转化成成功产品的能力， 而且着重强调的是无间断地从生产一个成功产品转化成生产批量成功产品的 能力，目的是集成产品开发，达到减少成本，在最少的时间为顾客生产出最 佳的产品，避免产品开发的风险。 本文首先综合分析f p c 及其关键技术研究的国内外现状、发展趋势和存 在的问题。在研究f p c 中集成制造装配的产品开发基础上，提出了集成装配 的产品开发体系与集成制造的产品开发体系，建立了概念设计过程的功能模 型和概念设计使用的对象类模型，为实现集成制造装配的产品开发提供基 础。 基于f p c 的原理，研究了凸轮公差优化分配的数学模型及其公差优化设 计方法，开发了一套凸轮机构公差优化设计的软件并进行了实例分析计算： 结果表明该方法保证了凸轮机构公差设计一次达到最优，从而实现了一次产 品成功。 企业文化是f p c 功能模型中的主要功能要素之一，本文研究了实施f p c 企业文化的条件，提出了f p c 中企业文化对产品过程集成的支持和实施团队 企业文化变革的要点。 关键词：次产品成功；集成过程的产品开发；公差优化设计；企业文化 一 垫堡堡兰叁兰堡圭兰堡堡壅 - w h _ _ _ _ _ - _ _ _ _ h ，_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一一 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m st h a te x i s tj nt r a d i t i o n a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ， o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gr e l e v a n tt e c h n o l o g i c a le x p e r i e n c e s u c ha sc i m s ， c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，e t c ，f i r s tp r o d u c tc o r r e c t ( f p c ) w a sp r o p o s e db yt h e i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i n i t i a t i v ei nt h eu n i t e ds t a t e s f i r s tp r o d u c t c o r r e c ti st h ea b i l i t yt ot r a n s i t i o nf r o md e s i g nc o n c e p tt oaf i n i s h e dp r o d u c tw i t h a b s o l u t e c e r t a i n t y o fac o r r e c t r e s u l t e m p h a s i s i sa l s o p u t o nt h e a b i l i t y t o t r a n s i t i o np r o d u c t i o nf r o mo n et om a n yw i t h o u ti n t e r r u p t i o n t h ep u r p o s ei st o i n t e g r a t ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，e l i m i n a t ec o s t ，g e t t h e r i 曲tp r o d u c t t ot h e c u s t o m e ri nl e s st i m e a n da v o i dr i s l 【so fp r o d u c td e v e l o p m e n t f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e sc o m p r e h e n s i v e l y t h e p r e s e n tr e s e a r c h e s ， d e v e l o p m e n tt r e n d sa n dt h ep r o b l e m sa b o u tf p c b o t ha th o m ea n da b r o a d o nt h e b a s i so fr e s e a r c ho ni n t e g r a t e dp r o d u c tm a n u f a c t u r e a s s e m b l yd e v e l o p m e n t , p u t s f o r w a r di n t e g r a t e da s s e m b l yd e v e l o p m e n ts y s t e ma n di n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g d e v e l o p m e n ts y s t e m ，a n d s e t su pa c t i v i t ym o d e lf o rt h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s a n do b j e c tm o d e lf o rc 1 3 s s e su s e di nc o n c e p t u a ld e s i g n t h em a i np u r p - o s eo ft h e m o d e ld e v e l o p m e n ti st o p r o v i d e f o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n g i n t e g r a t e dp r o d u c t m a n u f a c t u r e a s s e m b l yd e v e l o p m e n t b a s e do nt h et h e o r yo ff i r s tp r o d u c tc o r r e c t ( f e e ) ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e s o nt h ei l i a t h e m a t i c sm o d e la n da l g o r i t h mo ft o l e r a n c eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rc a m d e v e l o p sas o f t w a r ea b o u tt o l e r a n c eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rc a mm e c h a n i s m ，a n d g i y e sc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n t h er e s u l ts h o w s t h a tt h o u g hs u c h m e t h o dw ec a n e f f i c i e n t l y o b t a i nf i r s tt o l e r a n c e d e s i g no p t i m u m f o rc a m m e c h a n i s m ，a n dt h u sr e a l i z e sf i r s tp r o d u c tc o r r e e t ( f p c ) c o r p o r a t ec u l t u r ei so n eo ft h ek e yf u n c t i o n a le l e m e n t si nf u n c t i o n a lm o d e l f o rf p c t h o u g ht h es t u d i e so nt h et e r m so fi m p l e m e n t i n gc o r d o r a t ec u l t u r ef o r f p c t h ed i s s e r t a t i o nd e m o n s t r a t e si t s s u p p o r t t o i n t e g r a t e dp r o d u c t r l r o c e s s d e v e l o p m e n ta n dt h em a i np o i n t so fr e v o l u t i o ni ng r o u p sc o r p o r a t ec u l t u r e k e yw o r d s ：f p c ，i n t e g r a t e dp r o c e s sp r o d u c td e v e l o p m e n t ，t o l e r a n c e o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，c o r p o r a t ec u l t u r e i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 产品开发与一次产品成功 1 传统产品开发方式的缺陷 产品开发是指从产品需求分析到产品最终定型的全过程，包括产品的设 计、测试、制造和装配等。传统上普遍采用的产品开发方式是顺序开发过程， 这是一种“抛过墙”式的产品开发方式，开发人员按要求完成工作后将成果 抛向下游，出现问题后则抛回上游；由于各部门间缺乏经常交流，且参与产 品开发的人员往往对自己在整个过程中的角色缺乏清晰的认识，上、下游活 动间可能存在不可调和的冲突。当最终产品不能很好地满足用户需求时，就 得回到产品设计阶段，重新进行产品设计，使得产品开发过程变成了设计、 加工、实验、修改设计的大循环；而且可能多次重复这一过程，造成在传统 的产品开发过程中存在很多次的反馈，从而导致设计改动量大、产品开发周 期长和产品成本高的结果。 这种传统的部门制及串行流程的产品开发模式存在很多不足： ( 1 ) 设计时间在整个产品开发过程中所占比重相对较小，设计时考虑的设 计方案非常有限，最后只能选定一种特殊方案执行。 ( 2 ) 设计过程遵循部门制管理模式，不够灵活，一些设计活动是不必要的， 部门之间的信息交流存在严重的障碍。 ( 3 ) 产品开发过程下游存在的问题，只有等到开发活动进行到下游时4 暴 露出来，这时不得不设计返工，既浪费资金又延误时间。 ( 4 ) 生产规划、可制造性及可靠性等问题在开发过程中是分别考虑的，生 产准备周期延长，更改反馈频繁，缺乏数字化产品定义、c a x d f x 工具和t 下游的信息集成。 ( 5 ) 设计数据零散分布于开发过程，缺乏统一有效的管理。数据无法保持 一致；缺乏跨平台的产品数据管理工具，对大量的工程图档、产品数据的管 武汉理工大学硕士学位论文 理与维护耗费了产品开发人员的大量精力，而且经常由于前后版本不一致而 造成无法估量的损失。 2 基于f p c 的产品开发 为了解决传统产品开发存在的问题，在总结c i m s 、并行工程等相关技术 经验的基础上，美国集成制造技术研究机构提出了一次产品成功( f p c ：f i r s t p r o d u c tc o r r e c t ) 的理念”“。从广义上讲，f p c 是指把设计理念转化成成功 产品的能力，而且着重强调的是无问断地从生产一个成功产品转化成生产批 量成功产品的能力。在一定程度上，“一次产品”可以是一个零件或一个样 机装配；或者是持续：【作行业中首批使用的新工艺、新设计；或者是原型实 验室中的一个组成件的制造；或者是与许多系统集成的复杂制造“系统体系”。 研究f p c 的目的是集成产品开发，达到减少成本，在最少的时间为顾客生产 出最佳的产品，避免产品丌发风险。 f p c 是集成制造技术发展的产物，现代集成制造技术系统的发展为f p c 的研究丌发与实施提供了可能。传统的c i m s ( c o m p u t e ri n t e r g r a d e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，计算机集成制造系统) 中的基础技术，如信息集成、 c a d c a p p c a m 、数据库、网络通讯等，在f p c 的研究中仍然扮演着重要 的角色。然而，在c i m s 信息技术的基础上实施f p c 还需要理想集成计算机 环境、集成过程的产品丌发( i p p d ：i n t e g r a t e d p r o d u c t p r o c e s s d e v e l o p m e n t ) 方法学”“、产品集成制造装配的产品开发技术以及人和文化等新的关键技术 支持。 1 2f p c 的研究现状和趋势 制造业是国民经济的基础产业“。为了适应2 1 世纪制造、眦面临的挑战， 制造企业的经营策略发生了很大的变化。美国制造企业的经营策略从2 0 世纪 5 0 年代的“规模效益第 ”，经过2 0 世纪7 0 年代和2 0 世纪8 0 年代的“价 格竞争第一”和“质量竞争第一”，发展到2 0 世纪9 0 年代的“市场响应速度 第一”，时间因素被提到了首要地位”1 。因而，如何提高产品质量，降低生产 成本，缩短开发时间，一次且每一次都制造出成功产品是制造业在全球激烈 2 武汉理上人学硕士学位论文 竞争的市场上取得成功与发展的关键因素和永恒的追求目标。 在这种情况下，各国制造企业纷纷采用各种新思想、新方法、新技术来 改进自己的产品开发模式，例如：并行工程、虚拟制造、敏捷制造等。一次 产品成功作为一种新的产品开发模式，是由美囫集成制造技术研究机构提出 的先进理念，是集成制造技术发展的产物，是对并行工程的进一步深化和发 展，对提高企业的市场竞争力是至关重要的。 一次产品成功集多项先进技术于一体。其中，集成制造装配的产品开发 技术作为f p c 关键技术之一，通过在设计阶段尽早地考虑与制造和装配有关 的约束，全面评价产品设计，及时改进设计，保证产品设计和制造一次成功。 近年来，在集成制造装配的产品开发技术的领域，不同的学者提出了侧 重点不同的观点。其中b o o t h r o y d 与d e w h r u s t 提出了定性简化产品的一些准 则，并设定了一些定量的可装配性评价指标“；l u c a s 也提出了基于装配难度 的评价方法；日本h i t a c h i 公司提出了a e m 评价方法“；c h e n 等提出基于特 征和面向对象技术的d f m 方法，建立基于特征和面向对象信息模型”1 ： v e n k a t a c h a l m 等提出一种基于知识的d f m 方法，该方法把工艺知识和费用 知识用面向对象的技术进行表达，利用专家系统进行递向推理决策“。国内 对集成设计与制造装配丌发技术的研究主要集中在装配建模、计算机辅助装 配工艺规划、面向装配的设计、柔性装配系统规划以及机器人装配作业建模 和路径优化方面。上海交通大学张申生、步丰林等开展的基于s t e p 标准的 产品装配建模研究，提出在装配层次上进行装配建模系统。；华中理工大学 开发了一套面向装配的设计系统”。：合肥工业大学郑寿森等对基于s t e p 面 向设计和工艺过程的装配模型的研究，提出反映设计过程和装配过程的二叉 树装配模型“。宋玉银埘基于知识的集成化机械零件d f m 方法进行了研究 ”1 。”1 。综观因内外研究成果，大多集中在d f m 和d f a 单点技术上，系统化 的实用系统往往是一些原型系统，在智能化、并行化、虚拟化、网络化方面 还需要做更为深入的研究。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3f p c 研究的目的和意义 随着社会的发展和进步，竞争已渗透入社会各个领域。市场竞争给企业 带来了巨大压力。企业竞争的关键在于产品的竞争。产品的竞争由五大要素 构成“：时间( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、服务( s e r v i c e ) 和成本( c o s t ) 、环境 ( e n v i r o n m e n t ) 简称t q s c e ，即能在较短的时问内，开发出高质量、低成本 的产品”。产品的质量与成本是对渗入产品开发过程各个环节的矛盾。 集成制造装配的产品开发是f p c 理念中的关键技术之一。即在产品设汁 阶段实时地融合产品在制造与装配过程的要求，尽早考虑与制造和装配有关 的约束，全面评价产品设计和工艺设计，提供改进信息，实时改进设计，保 证产品一次成功。 f p c 集成了制造业中许多新的技术模式、思想，是对现代集成制造技术 系统的深化和发展。f p c 理念的拓展与技术研究，有利于创建先进的产品和 过程设计方法，推动建模与模拟技术的广泛应用，开发智能控制及设备，探 寻新技术，提高产品一次且每一次成功的能力，使企业在其生产中获得意想 不到的速度、质量、精度、效率及回报。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作由以f 几个方面构成： 1 f p c 的基本概念和功能模型 系统论述一次产品成功理念的内涵、多样性及功能模型，研究一次产品 成功与集成过程的产品开发功能要素的内在联系，提出支持一次产品成功的 集成过程的产品开发的功能模式，分析f p c 中集成过程的产品开发模式的功 能。 2 f p c 中集成制造装配的产品开发技术 f p c 中的集成制造装配的产品开发技术包括两个方面：一是集成装配 的产品丌发技术；二是集成制造的产品开发技术。主要研究的内容有： ( 1 ) 建立集成装配的产品开发体系，研究产品可装配性的技术特性( 装配 难度) 、经济特性( 装配效率、装配成本) 和社会特性。分析装配公差对产品 4 武汉理工大学硕士学位论文 可装配性的影响。 ( 2 ) 建立集成制造的产品丌发体系，在此基础上研究了产品可制造性的评 价策略。 ( 3 ) 提出概念设计与初步工艺规划集成开发体系，建立概念设计过程的功 能模型和概念设计使用的对象类模型。其目的是为了创建设计与工艺集成的 标准接口规则，为设计与制造装配集成开发提供基础。 3 基于f p c 的凸轮机构公差设计的研究 基于一次产品成功的理念，本文研究凸轮公差优化分配的数学模型及其 公差优化设计算法，开发一套凸轮机构公差优化设计的软件并进行实例分析 计算；结果表明该方法保证凸轮机构公差设计一次达到最优，从而实现一次 产品成功。 4 实施f p c 的文化条件分析 在f p c 理念的产品开发与研究中，从系统集成的思路出发，不仅要考察 技术因素，而且要考虑到企业管理和文化。f p c 企业文化将保证企业有机会 迅速地使员工完成所要求的任务。 本文在论述企业文化的内涵和基础t ，研究基于f p c 企业文化条件和 f p c 中的企业文化对集成过程的产品开发的支持，并在此基础上提出团队化 企业文化变革的要点。 5 武汉理t 大学硕。 ：学位论文 第二章f p c 基本概念和功能模型 随着全球化市场的形成和发展，制造业竞争变得越来越激烈。竞争有力 地推动了企业的进步，但也给企业带来了生存与发展的挑战。缩短产品研究 开发和牛产制造的周期，降低成本，提高质量，第一次且每一次都制造成功 的产品是企业追求和必达的目标。为了提高制造业生产成功产品的能力，美 国集成制造技术研究机构提出了一次产品成功( f p c ：f i r s tp r o d u c tc o r r e c t ) 的理念“，f p c 是集成制造技术发展的产物，是目前制造学科中重要的研究 方向之一。 2 1f p c 的基本概念与特征 1 f p c f l 概念 从广义上讲，f p c 是指把设计理念转化成成功产品的能力，而且着重强 调的是无间断地从生产一个成功产品转化成生产批量成功产品的能力，f p c 主要表现的是一个朴素的哲理。基于精益制造，注重剔除浪费的理论，排斥 次品不仅是企业成功的关键因素，更是企业生存的关键要素。因此，f p c 对 提高企业的市场竞争力是至关重要的。 当今，现代集成制造技术系统的发展为f p c 的研究开发与实施提供了i _ 丁 能。现代集成制造系统是信息时代提高企业竞争力的综合技术，它将信息技 术、现代管理技术和制造技术结合应用于企业产品全生命( 从市场需求分析 到最终报废处理) 的各个阶段，通过信息集成、过程优化及资源优化，实现 物流、信息流、资金流的集成和优化”“。f p c 正是需要从多学科、多层次的 角度，对产品制造进行全方位的综合集成，综合管控，以提高生产成功产品 的能力。此外，基于c a d 技术及c i m s 技术，在制造领域里涌现出一批先进制 造技术与概念，例如并行。i ：程，它是对c 1 m s 的进一步深化和发展，其特征是 组织多学科队伍，从产品设计的一开始就全面考虑产品生命周期的各种因素， 建立统一的产品开发模型，实现产品的集成开发和各开发阶段的无缝过渡， 6 武汉理工大学硕士学位论文 有利于产品制造一次成功”“。由此可见，集成制造技术及并行工程等先进制 造技术是f p c 成功开发与应用的基础。 2 f p c 的基本特征 多样性是f p c 最基本的特征，不同的生产部门和不同的公司对于f p c 考虑的角度是不同的。在一定程度上，“一次产品”可以是一个零件和一个样 机装配；或者是持续工作行业中首批使用的新工艺、新设计；或者是原型实 验室中的一个组成件的制造；或者是与许多系统集成的复杂制造“系统体系”。 尽管= j ：业的视角具有多样性，但其目的是相同的，即减少成本，在最少的时 间为顾客生产出最佳的产品，设法避免成本及进度风险。 下面以两个实例说明f p c 的概念和多样性。a e r o q u i p 公司是一家航空工 业的供应商，f p c 意味着易于获得与设计周期同步的测试装置。随着设计的 深入以及在详细设计之前，开发一种设备直接根据产品的立体模型创建加f ： 路径，该种立体模型可用来构建检测程序，将检测信息反馈到设计过程，通 过使得每一次每一个步骤f 确，完整的系统被设计出来。由于在详细的设计 与分析之前，提前测试各部件，设计的周期大大减少，费用被削减，质量和 功能得到了保证。有家多样化消费品公司，在4 0 个国家生产超过3 万件的产 品，销售给消费者。在他们的战略中，f p c 是一个关键策略，其目的为：“提 供高品质的产品，以提高世界消费者的生活水平”。这些行业极具竞争力，要 求迅速应对市场，精确的数量以及普遍深入的品质是对每个企业不可缺少的 要求，通过在年内对世界范围内消费者组织调查研究，了解他们的消费者， 以保证产品需求预先是j f 确的。 2 2f p c 的功能模型 1 功能模型 创建f p c 理念的目的是确定研究和开发的技术，以提高所有制造企业实 施一次产品成功的潜能。为此f p c 工作人员开发了一种f p c 阶梯功能模型如 图2 - 1 所示。 由图2 - 1 可知，支持f p c 功能要素包括集成过程的产品开发、制造工艺 实施和支持f p c 的基础设施。集成过程的产品开发包括从理念和顾客需求到 7 武汉理工人学硕士学位论文 完成最好产品设计过程的所有工作，由产品和过程设计以及产品过程建模与 模拟构成。制造工艺实施指的是根据产品工艺的描述，正确生产产品，保证 产品一次且每一次成功，由传统工艺设计及控制和非传统工艺及新技术组成。 支持f p c 的基础设施涵盖商业行为与功能、支持产品质量培训、具有积极性 的劳动力以及与供应链和企业相关的问题，它由商业行为管理、支持f p c 文 化及价值流集成所构成。可见，在f p c 理念的开发与研究中，要从系统集成 的思路出发，不仅要考察技术因素，而且要考虑到企业管理和文化。 次 产 口 h 成 功 集成过 程的产 品开发 制造工 艺实施 支持一 次产品 成功的 基础设 施 产品和过稗设计 产品和过程建模与模拟 传统工艺设计及控制 非传统t 艺和新技术 商业行为管理 支持一次产品成功史化 价信流集成 图2 - 1f p c 的功能模型 2 f p c 与集成产品开发过程 集成过程的产品开发( i p p d ：i n t e g r a t e dp r o d u c t p r o c e s sd e v e l o p m e l i t ) 作 为f p c 的主要功能要素，对f p c 起主导作用。集成过程的产品开发理念已产 生了2 0 多年，涉及到的原理包括并行工程( c e ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ， 全面质量管理( t q m ：t o t a lq u a l i t ym a n a g e m e n t ) 及其它相关的哲学思想， 通过在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地 设计或考虑整个产品生命周期中所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设 8 武汉理工大学硕士学位论文 计、检验方式和售后服务等进行统筹考虑和协同工作。经系统建模与模拟、 评估，对设计对象进行反复修改和完善，力争实现后续制造过程产品的一次 成功”“1 。目前，一些大公司如汽车和航空等工业已采纳了i p p d 设计思想。 集中所有涉及的学科共同进行整体设计，大大节省了资金，提高了产品质量。 然而，一大批技术滞后的中小公司仍然沿用孤立的串行制造模式，显然在这 种滞后模式下f p c 是不可能实现的。 集成过程的产品开发由产品和过程设计以及产品和过程建模与模拟两个 功能要素组成，这两个功能要素在集成过程的产品开发中是不可分割的。保 持设计正确是实现f p c 的关键因素之一。在设计阶段，人的创造最活跃，其 工作对后续工作有决定性影响”。产品的设计功能体现了产品需求，而这些 需求通过建模确认和核实，反馈到生产。建模和模拟通过获取和传递信息并 作准确预测，有助于产品设计、工艺设计与实施以及企业管理，为一次产品 成功提供了强有力的支持。 因此，解决好产品设计与制造工艺设计之间交互性、产品数据交换兼容 性、产品和过程集成标准以及建模系统与信息处理系统的兼容性对于实现 f p c 至关重要。 2 3f p c 中集成过程的产品开发模式分析 基于f p c 理念，现代集成过程的产品开发模式将立足于当今信息技术的 各种最新成果：数字化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化与集成化”“1 ”。 这些主要现代技术构成的现代集成过程的产品开发模式是柔性的、协同的、 敏捷的。 为了便于讨论现代集成过程的产品开发模式，可从其两个方面分别描述： 1 产品和过程设计 为了支持f p c ，现代产品和过程设计将从产品理念到生产的整个过程形 成一体化，在即插即用的环境中，整个企业产品的实现由无缝信息交互技术 支撑，借助于工作流管理装置将支持产品快速改进，保证正确的信息以啊南 的方式传递给需要这些信息的人。 因此，现代产品过程设计的模式应实现如下基本功能： 9 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 能够搜集、获取准确需求，如建立需求获取提取系统，获取需求的 标准，需求识别和确认系统，选项评估，风险、责任与安全评估及自动需求 驱动设计等。 ( 2 ) 科学理解材料或工艺，确保过程设计达到预期结果，如建立工艺知 识库，丌发智能自适应处理器等。 ( 3 ) 根据产品需求数据和制造过程特征自动生成产品过程设计，如建市 常规设计开发和知识系统，自动验证设计系统等。 ( 4 ) 产品设计进程中，自主地制定工艺规划，使之与产品属性、加工能 力及企业资源相一致。 2 产品和开发过程建模和模拟 现代产品和过程建模与模拟系统将提供一定的功能、知识和约束，使各 个独立单元在企业内成功地实现各自的功能，产品和过程模型将被集成为自 我修复知识系统，可根据需求的改变而及时响应。因而产品和过程建模与 模拟装置将把发展知识库与基于原理的模型相联系在一起，使产品和过程“连 续群建模”的发展与分子发展水平一样，能在微观层面上对考虑所有宏观因 素的累积影响进行预测。 借助于健全、周密的信息基础设施与分析支持系统，建模与模拟系统被 相互联结和支持，通个这些基础设施同外界准确及时地数据资源相互作用， 使产品和过程开发在整个虚拟环境下进行设计、优化和验证。 基于i p p d ，现代产品的建模与模拟的基本功能： ( 1 ) 建立分布式产品的标准建模合作环境，使各模型之间相互作用，相 瓦兼容，如建立产品建模标准，产品模型实体信息中心等。 ( 2 ) 直接产品模型设计，即通过直接与产品设计工作站交流信息，创建 和控制产品模型，使虚拟想象、虚拟刨造以及实时产品原型成为可能。 ( 3 ) 快速性能模拟，包括建立自动的性能分析、实用的性能模拟。 ( 4 ) 健全的成本模型，使成本模型作为产品整体模型的组成部分，如开 发即插即用成本模型、智能成本模型以及综合的产品成本模型等。 ( 5 ) 多种并行属性的生产可行性评估。如开发通用建模系统，使之能与 产品设计系统相一致，支持多种可行性生产分析且对产品进行权衡。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 提供一体化的即插即用全生命周期模型、如建立回收建模装置、寿 命预测模拟等。 基于i p p d ，现代产品开发过程建模与模拟的主要要求： ( 1 ) 开放的、共享的、广泛的原料建模框架。 ( 2 ) 合作分析系统，解决各企业成员之间原料处理的分歧。 ( 3 ) 装配建模与模拟知识库，保证装配拆卸重新组装设计问题在产品 和过程漫计中作为整体考虑，如建立虚拟产品和过程规划组织、分配式企业 装配规划系统等。 ( 4 ) 物流一体化模型，如开发智能原料分离模块，通用的原料流动接f ， 以反映原料再生回收信息。 2 4 本章小节 本章系统论述一次产品成功理念的内涵、多样性及功能模型，研究了一 次产品成功与集成过程的产品开发功能要素的内在联系，提出了支持一次产 品成功的集成过程的产品开发的功能模式，分析了f p c 中集成过程的产品丌 发模式的功能。 1 1 武汉理t 大学硕七学位论文 第三章f p c 中集成制造装配 的产品开发技术 本章重点研究f p c 中集成制造装配的产品开发过程、概念设计与初步_ _ ： 艺规划集成开发体系，并在此基础上建立概念漫计过程的功能模型和概念设 计使用的对象类模型。功能模型包括对象的定义和利用，描述概念设计及其 与工艺规划集成的数据和功能。主要目的是创建设计与工艺集成开发的标准 接口规则。本文中的“制造”与“装配”是基于传统意义的，即“制造”是 指产品或者装配中的单独零件的制造，“装配”是指增添或者联接若干零件来 形成一个完整产品的过程。 3 1f p c 中集成制造装配的产品开发过程 1 集成制造装配的产品开发 集成制造装配的产品开发技术是f p c 中的关键技术之一。f p c 中集成制 造装配的产品开发指的是早期设计阶段尽早地考虑与制造和装配有关的约 束，全面评价产品设计，并提供改进的反馈信息，及时改进设计，保证产品 设计和制造一次成功，以达到降低生产成本，提高产品质量，缩短产品开发 周期的目的。 集成制造装配的产品开发技术包含两层含义：一是集成装配的产品开发 技术；二是集成制造的产品开发技术。集成装配的产品开发指的是在产品设 计过程中利用各种技术手段如分析、评价、规划、仿真等充分考虑产品的装 配环节以及相关的各种因素，在满足产品性能与功能要求的条件下，改进产 品的装配结构，使设计出的产品是可以装配的，并尽可能降低产品的装配成 本。集成制造的产品开发是在产品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且 要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性( 或： 艺性) 。 这两个方面是相辅相承的。因为可装配性强调在满足产品给定功能要求的同 时，尽量减少组成产品的零件数，减少产品装配的难度，从而提高产品的可 武汉理_ 丁大学硕士学位论文 装配性“。但与此同时，由于零件数目的减少，产品零件形状复杂性必将相 对提高，引起零件加工难度和加工成本的提高，即可加工性的下降。这样， 如果为了降低成本，一味追求产品可装配性的提高，必将适得其反，引起总 的制造成本增加。因此，必须兼顾两个方面，在进行可装配性评价的同时 应考虑设计的可加工性，降低零件的制造成本，使总的成本达到最少”。 2 集成制造装配的产品开发过程分析 f p c 要求设计过程的集成是一种以工作空间的展开换取工作时间缩短的 方式来处理复杂系统的方法。与传统的顺序方式相比，这种方法扩大了系统 的状态空间，缩短了对复杂问题交互式求解的迭代次数，促使设计一次达到 最终目标”1 。集成制造装配的产品开发应考虑以下因素： ( 1 ) 设计结果可以为工艺设计接受和共享： ( 2 ) 在结构设计中能够考虑到制造和装配过程对产品的约束，并对产品进 行可制造性、可装配性分析和评价： ( 3 ) 工艺设计能对结构设计提出反馈意见，对设计进行恰当的修改。 实施产品集成制造装配的产品开发没有统的模式。本文以某企业产品 丌发过程为例，简要说明集成制造装配的产品开发过程，如图3 1 所示。 图中在集成过程的产品开发的体系中引入了反馈流机制，把设计中的犬 循环改为小循环，将产品设计每个阶段的设计结果及时反馈给上游进行设计 评价和修改，提高设计的质量和效率。在产品开发过程中应用过程管理对产 品开发过程进行信息化管理，实现过程执行的自动化，加快信息在设计部门 之间的流动，缩短评审、反馈的时间，可咀大大缩短产品丌发周期”。 在产品概念设计阶段，除对产品的功能、结构强度、刚度及动力学品质 等问题进行分析外，还通过d f a ( d f a ：d e s i g nf o r a s s e m b l y ，面向制造的设 计) 方法对产品的装配性能进行分析与评价。在产品的详细设计阶段，对 零件的强度、可加工性、铸造性能、冲压性能、加工成本等进行分析与评价， 从而保证产品的可加工性和经济性。通过设计过程中的信息反馈和d f m a ( d f m a ：d e s i g n f o rm a n u f a c t u r ea n d a s s e m b l y ，面向制造和装配的设计) 评 价，可以减少设计错误，提高设计质量，使得在产品设计阶段即可考虑产品 加工、装配和工艺等问题，提高产品一次设计成功的可能。 武汉理工人学硕士学位论文 图3 1 集成制造装配的产品开发过程 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 集成装配的产品开发技术 设计师在设计产品时，首先是构思出一个装配体模型的雏形，在原理上 能够实现预计的功能并满足其它设计意图和要求“。但它毕竟是一个雏形， 是不完备的，不能作为生产的指导文件，必须经过概念设计和详细设计；最 后，工人在详细设计产生的零件图和装配图的指导下制造出零件并装配成产 品。单个零件是无法完成产品功能的，必须由装配体来完成，即装配体是产： 品功能的体现形态，所以装配体的概念始终贯穿于产品的设计一制造环节”。 虽然在详细设计阶段的主要任务是设计零件的外形，但是零件设计也是在装 配体的约束范围内进行，如果零件的外形超出了装配约束的范围，则设计是 不成功的和无效的o “”3 。设计者要想从整体上把握产品的设计，必须从装配 角度来考虑设计与制造中可能出现的问题。 要从装配的角度考虑设计与制造中的问题，必须是全方位、多角度的。 如公差设计，可装配性，装配序列弓路径，机构运动学和动力学以及如何设 计能方便装配和节约装配成本等问题。一个装配体设计的复杂程度远远超过 了单个零件的设计，不但要考虑整体功能的实现和外形尺寸要求：同时必须 考虑设计结果是否具备可装配性，是否便于装配以及公差的分配，以及运动 学、动力学性能等诸多因素“。 1 集成装配的产品开发体系 目前，对于集成装配的产品开发问题的研究已取得了许多研究成果，但 是所有这些理论和方法都只是在局部范围内协助设计或分析设计的结果，它 们之间没有建立起应有的联系，无法做到信息共享、相互间的结果评价。为 了提高设计一次成功率，有必要将这些方法集成在一个设计与装配集成开发 的框架内，如图3 2 所示。 图中集成框架由装配建模1 、装配序列规划、装配序列评价、可装配性评 价、装配仿真”、公差分析与综合、机构分析与仿真、变量装配设计、面向 装配的评价方法等9 个模块组成，以装配建模为框架的基础，以变量装配设 计为设计过程的核心，以产品数据管理为数据流的中央控制，各个模块自成 体系，既可以相互独立地完成各自的功能，又可以相互联系，通过模块间信 息的通信和评价形成一个更大的功能模块。 1 5 武汉理t 大学硕士学位论文 叠睦- - d 圃 图3 2 集成装配的产品设计框架 这些模块分布在并行设计的各个阶段，既能够通过信息的预发布同时触 发，共同完成某个阶段的设计任务，也可以单独触发独自完成阶段的设计任 务。变量设计的一个重要作用就是自动地维护由设计要求转化的设计约束， 保证在任何设计阶段中进行的设计活动都必须在这些约束的指导下完成。 整个框架的设计流和信息流处于产品数据管理( p d m ) 的集中管理和控制 之下。在p d m 监控下的数据仓库是框架内各模块的信息来源和设计结果的 存放处，并统一调配仲裁设计冲突，是整个框架的核心控制部分。由于它更 多的是过程控制和关系型数据库管理等，本文不作深入的探讨。 2 产品可装配性评价指标 可装配性评价是通过对产品设计方案的装配结构和装配顺序进行评估， 及时发现设计中存在的问题，并反馈信息和建议修改，帮助设计者选择最优 方案“”i 。 山于评价时的一些指标比较模糊，一般是通过人机交互的方法来完成装 配性能的评价。根据装配模型，在装配顺序的约束下，对产品的可装配性 进行分析和评价，主要从技术特性( 装配难度) 、经济特性( 装配效率、装配 成本) 和社会特性三方面进行”“，如图3 3 所示。 1 6 武汉理工人学硬士学位谂文 懑3 - 3 产菇司装委己蛙谱价 渡术特经裁楚按照装配鞭窿装配辩，双取得装配元 串后根褥定位、连接 等，到装配到位为止，在保证装配精度和功能的条件下，降低装配难度。影 响装配难度的因索主要有三羊申： 零件本身的因素，如零传蛇形状、只寸、矮爨以及季葶蛰等； 定位连接因素，如定位方式、连接方式、零件之间的配合种类等； 装懿工艺的影嚷，魏装熬路径、装夹工兵等。 经济特性主要是根据装配序列，对装配单元的材料、标准化程度以及耗 费工i 亨等遴行评价，装配成本楚可装配往经济特性评价的指标，也是在设计 阶段难以确定的指标。在许多：【程项鼹实藏中，神经网终已成功她用于产晶 装配成本的估算。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 社会特性主要是对装配单元的可拆性、元件的可重用性、材料的可回收 性和环境保护等进行评价”“。 3 装配公差对产品可装配性的影响 装配公差对产品可装配性的影响是通过产品的装配性能和零件的d n ：f _ 成 本体现出来的。装配公差的选择首先必须满足产品的功能要求，以保证设备 的运行质量。在满足一定的功能条件f ，装配公差直接影响着产品的质量损 失成本和零件的j j n 工成本。公差越小，装配性能越商，则质量损失成本就越 低，但同时零件的加工成本就越高。”。反之，公差值越火，装配性能越低， 质量损失成本越大，但零件的加工成本就越低“。 由于可装配性评价的一个主要指标是装配成本，所以卞要研究产品装配 公差对于产品总装配成本的影响。 公差一成本是产品设计和制造过程中时时涉及到的一组矛盾”3 1 。同一公 差，采用不同的制造方法，在不同的制造环境中将产生不同的制造成本。要 用一个统一的数学公式来描述所有的公差成本问题基本上是不可能的，也是 不实际的。同时，公差成本问题涉及到许多不确定或不稳定因素，难以用数 学方法来精确表达。因此，提出的公差成本模型是基于经验数据、通过数学 模拟得到的，它们不可避免的存在着拟合误差。 以平面机构为例，通过收集、分析和比较，表3 - 1 列出了1 1 种表达公差 一成本关系的数学模型。”，其中6 代表实现零件的：1 ：序公差( m m ) ，g ( 6 ) 代表制 造系统实现6 所需要的成本( 采用货币单位作为量纲) ，q 是模型的系数，是 一个常数，其量纲由模型形式确定。 表3 - 1 中的系数c i 可由统计数据用最小：乘法通过曲线拟合得到，表达 为： 求 c = c l ，o2 ，f 使得量( g ( 6 咧飞) 2 其中，g ( 6 ，c ) 是所选定的公差成本模型，g i 是相应6 i 的实际制造成本( 统 计分析生产实际情况得到) ，p 是所采集的统计样本数。 利用公差成本摸型，通过公差分析和综合对工艺方案进行优化，这样 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 既保证了公差设计的正确性，又节约了生产费用，使得公差设计一次达到最 优。 表3 - 1 公差成本模型 模型名称符号数学表述 倒数犁r g ( 6 ) = c 0 指数型e g ( b ) = c o e 。1 6 倒数一平方型r s g ( 6 ) = c 0 6 2 倒数幂函数型r p g ( 6 ) = c 0 6 c 1 倒数、幂函数一指数混型r p e g ( 6 ) = 。0 6 c l e l 掣 倒数、幂函数一指数绀台型c r p e g ( 5 ) = c o + c 1 6 。c 2 + c 3 e c 4 6 线性指数函数组合型l e g ( 6 】= c 0 + c 1 6 + c 2 e 。c 3 6 g ( 6 ) = c ob 1 4 ( 6 ) + c 1 8 2 4 ( 5 ) + c 2 8 3 4 ( 6 ) + 网次b 样条曲线型4 “b c 3 8 4 4 f 6 ) + c 4