（机械设计及理论专业论文）机械产品设计过程建模及布局研究.pdf

中文摘要 目前，越来越多的制造企业实现了基于网络和计算机应用系统的数字化产品 开发，但大部分产品开发模式落后，缺乏有效的管理手段，阻碍了制造企业产品 研制能力的迅速提升。解决该瓶颈问题的一条有效途径是通过过程集成，将先进 的管理理念与信息技术相结合，实现产品开发过程的各阶段之间，以及产品开发 与产品生命周期下游其它过程之间的信息交互和协同。过程建模是进行过程集成 的首要工作，其不仅需要通过形式化方法准确地描述产品开发过程的组成活动及 其逻辑关系，而且要将产品全生命周期理念应用于产品开发过程，为设计人员提 供考虑产品全生命周期因素的依据，并建立并行的产品开发模式，以提高企业的 产品研制能力。为此，本文在分析机械产品全生命周期设计流程的基础上建立产 品全生命周期多视图特征模型，着重研究了装配设计阶段的布局设计。通过分析 机械产品布局涉及的因素，针对布局设计探讨其求解原理，提出自顶向下的布局 设计模型。最后，通过二级减速器的布局实例，利用模拟退火算法以及o b j e c ta h x 技术，结合v i s u a lc + + 在a u t o c a d 平台上实现其布局设计，并对布局结果进行 了相应分析。论文的主要研究内容如下： 第一章绪论部分，概述了基于全生命周期的机械产品设计过程，分析了产品 发展的多视图特征模型法以及布局建模研究现状，并提出了本课题的研究内容。 第二章阐述了产品发展的多视图特征模型总体思想，建立产品全生命周期多 视图特征模型，说明各视图的功能性及其一致性的保持。 第三章分析机械产品布局涉及到的各种因素，针对布局设计探讨布局求解的 原理，提出自顶向下的布局设计模型。 第四章就具体的机械产品给出一个实例，建立模型和算法，较好地说明和体 现了布局设计模型的可行性和有效性。、 第五章介绍了软件开发环境，a u t o c a d 和o b j e c t a r x 的开发技术以及面向对 象的编程思想，给出了减速器布局设计的实现过程及其结果分析。 最后进行全文总结，得出一些结论，并就进一步的深入研究提出了一点设想。 关键词：产品全生命周期，多视图特征，布局设计模型，o b j e c ta r x ， 面向对象编程，减速器 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h o u g h n l o i ea n dm o r em a n u f a c t u r ec o r p o r a t i o nr e a l i z e dt h e d e v e l o p m e n to f d i g i t a lp r o d u c t sb a s e do nw e ba n dc o m p u t e ra p p l i c a t i o ns y s t e m ，m o s t o ft h ep r o d u c td e v d o p m e n tm o d e sa r eb e h i n d h a n d , w h i c hb a f f l e st h ei m p r o v e m e n to f p r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s si n t e g r a t i o ni sa ne f f e c t i v ea p p r o a c h p r o c e s sm o d e l i n g i st h ec h i e ft h i n gt oc o m b i n et h ea d v a n c e dm a n a g e m e n tw i t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t or e a l i z et h ea l t e r n a t i o na n d c o o p e r a t i o nb e t w e e nt h ep h a s e so ft h ep r o d u c t d e v e l o p m e n t i ti sn o to n l yn e e dt od e s c r i b et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n di o 百c r e l a t i o n sb yf o r m a l i z e dm e t h o d ，b u ta l s oa p p l yt h ei d e ao f p r o d u c tl i f e c y c l et op r o c e s s m o d e l i n g t oe s t a b l i s hc o l l a t e r a lm o d et o i m p r o v et h ed e v e l o p m e n ta b i l i t yo f c o r p o r a t i o n t h ed e s i g np r o c e s si sp r e s e n t e da n de s t a b l i s h e dt h el i f e c y c l em o d eo f p r o d u c td e v e l o p m e n t a tt h es a r l l et i m e , s e v e r a lf a c t o r sr e l a t e dt om e c h a n i c a ld e s i g n c o m ed o w nt ov a r i o u sf e a t u r e sa n ds o l u t i o np r i n c i p l e sa r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt o l a y o u td e s i 9 1 ll a y o u td e s i g nm o d e li se s t a b l i s h e d f i n a l l y , a ne x a m p l eo fr e d u c e r l a y o u td e s i g ni sr e a l i z e dw i t hs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m , o b j e c ta r xa n dc + + t e c h n o l o g i e so na u t o c a dp l a t f o r m a n dt h ea n a l y s i so fl a y o u tp a r a m e t r i cr e s u l t si s p r e s e n t e d t h em a nr e s e a r c hw o r ki ne a c hc h a p t e ri ss t a t e da sf o l l o w s ： c h a p t e ro n ei si n t r o d u c t i o n t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fl a y o u tm o d e l i n g a n dm u l t i - v i e wf e a t u r em o d e l i n gf o ri n t e g r a lp r o d u c td e v e l o p m e n ta r ea d d r e s s e d c h a p t e rt w os t a t e s t h em u l t i - v i e wf e a t u r em o d e lf o r i n t e g r a lp r o d u c t d e v e l o p m e n t t h el i f e c y c l em o d e lo fp r o d u c ti se s t a b l i s h e da n dt h ef u n c t i o n a l i t i e so f e v e r yv i e w sa n dc o n s i s t e n c ym a i n t e n a n c ea r ea d d r e s s e d c h a p t e rt h r e ed i s c u s s e st h ed i v e r s i f i e df a c t o r so fm e c h a n i c a lp r o d u c tl a y o u t d e s i g na n dc o m ed o w nt h e mt ov a r i o u sf e a t u r e s l a y o u td e s i g nm o d e li se s t a b l i s h e d c h a p t e rf o u rs t a t e st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fl a y o u td e s i g nm o d e lt h r o u g h t h ee x a m p l eo f t w o - g r a d er e d u c e r c h a p t e rf i v ei n t r o d u c e st h ee n v i r o n m e n to fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t u s i n go b j e c t a r x t e c h n o l o g yi na u t o c a de n v i r o n m e n ta n dv i s u a lc + + t h er e d u c e rl a y o u t d e s i g ns o f t - w a r ed e v e l o p m e n tc o u r s ea n di t sr e s u l ta n a l y s i sa r es t a t e d s o m eb e n e f i e i a lc o n e l n s i o n sh a v e b e e nd r a w na n ds o m ec o n s i d e r a t i o n sf o rf u t u r e w o r ka r ed i s c u s s e di nt h ee n do f * h i sp a p e r k e yw o r d s ：p r o d u c tl i f e e y c l e , m u l t i - v i e wf e a t u r e , l a y o u td e s i g nm o d e l ， o b j e c ta r x , o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g , r e d u c e r 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘鲎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了谢意。 躲未l 降崎撕期：“年) 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名引露弦手 签字日期：k ，序夕月以日 导师签名： 易仓钍 签字日期：矽二年弓月力日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 机械产品全生命周期设计 1 1 1 产品全生命周期 传统产品使用寿命是指产品“从摇篮到坟墓”( c r a d l e - - t o - 一g r a v e ) 的过程， 产品废弃后的一系列问题则很少考虑。这种生命周期是一个开放环节，其结果是 废弃后的产品难于回收重用或仅作为原材料加以回收，一方面造成了资源的极大 浪费，另一方面产生的大量废弃物对环境造成极大的危害。 产品的全生命周期与产品的使用寿命是不同的概念，产品的全生命周期包 括：产品的设计阶段( 包括产品市场需求的调研、方案的形成、功能结构的设计) ， 制造阶段( 制造、装配和调试) ，销售阶段( 包括包装、运输、销售和安装调试) ， 使用阶段( 包括产品运行、维修) 和回收重用期( 包括产品报废、零部件重用、原 材料的回收再利用以及废物处理处置等) 的整个闭环周期，是“从摇篮到再 现”( c r a d l e - - - t o _ _ r e i n c a r n a t i o n ) 的过程。而产品的使用寿命往往指产品投入 使用后至报废的一段时间，仅是全生命周期的一部分。 所谓全生命周期设计，就是面向产品全生命周期全过程的设计，要考虑从 产品的社会需求分析，产品概念的形成，知识及技术资源的调研，成本价格分析， 详细机械设计、制造、装配，使用寿命，安全保障与维修计划，直至产品报废与 回收、再生利用的全过程，全面优化产品的功能性能，生产效率，品质质量， 经济性，环保性和能源资源利用率等目标函数，求得其最佳平衡点。 1 1 2 绿色并行设计 全生命周期的绿色设计就是采用并行工程系统技术将产品全生命周期的所 有环节、所有方面进行绿色设计，即在产品的整个生命周期内，优先考虑产品环 境属性( 自然资源的利用，对环境和人的影响，可拆卸性，可回收性，可重复利用性 等) ，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地保证应有的基 本性能、使用寿命、经济性和质量等。 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 ) 又称同步工程或同期工程，是 天津大学硕士学位论文第一章绪论 集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程的系统方法。并行强调了在产品开 发的早期就能考虑其全生命周期各阶段的问题，具有并行处理产品全生命周期各 阶段问题的能力。并行设计是并行工程的主体，贯穿了产品开发的全过程，强调 上下游共同决策的机制。因此，除计算机辅助工程( c h x ) 外，还要有面向工程 的设计软件( d f x ) ，例如面向装配的设计( d f a ) ，面向制造的设计( d f m ) 等软 件的支持，以便支持装配、加工方面的工艺审查，及时反馈信息。 机械产品全生命周期绿色并行设计被视为多目标优化设计，因为产品从设 计、生产、调试、使用到报废、回收再利用及废弃物处理处置全过程，不仅要满 足用户的服务需求，制造商的利润保障，更要满足对环境的影响最小等不同的目 标要求。所以，进行全生命周期绿色并行设计是一个需要多学科知识集成的复杂 决策过程。 1 1 3 网络化协同设计 协同设计技术将计算机技术、多媒体技术和网络通信技术与先进制造技术相 结合，支持时间上分离，空间上分布，工作上互相依赖的成员之间的协同，使工 作群体成员在异地分布的网络共享环境下协同工作、交互协商、分工合作，并行 协作开发同一产品，共同完成设计任务，从而最大限度地缩短产品开发周期”“1 。 体现了信息时代工作方式的群体性、交互性、分布性和协调性的客观需求，是国 内外计算机工程应用研究中最为活跃的前沿方向之一。 1 2 特征设计 1 2 1 特征的定义 特征是一个信息单元( 要素) ，它表示产品的一个重要区域，它是一个产品 诸多特征的集合。描述的内容包括相关特性，包括它们的价值和关系( 结构关系 和约束关系) 。 此外，它在产品的一个特定阶段范围内定义，鉴于产品全生命周期各阶段及 特征类来描述。最后，从这些诸多不同特征类中提取一些描述得到一个特征，从 而将这些特征类关联起来。 本文采用的特征定义用于为概念设计提出一个特征计划，此概念设计包含在 一个完整的产品模型中，是由f e m e x ( f e a t u r em o d e l i n ge x p e r t s ) 特征模型专家 工作组在1 9 9 6 年建立的，由许多国际研究员，c a d 系统开发者及较大的c a d 用 户公司共同提出的。按照gb r u n e t t i “的结果，给出的上述特征定义。 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 上述定义有四个要特别指出的方面： ( 1 ) 按照这样的产品属性，需要找到适合于表达的概念设计信息，如功能、 工作原理、物理效能和解原理的属性结构等； ( 2 ) 特征不单单局限于物理单元或只存在于信息模型世界： ( 3 ) “属性p r o p e r t i e s ”是定义的基础，同时是基本的执行机制； ( 4 ) “属性类c l a s s e so fp r o p e r t i e s ”和“产品生命周期阶段p r o d u c t l i f e c y c l ep h a s e s ”在上述定义中是最为关键的。有些属性不仅仅只在一个阶 段有意义，例如，几何体以不同的表现形式在产品全生命周期的几乎每一个阶段 均被考虑到。 因而，按照由在不同应用环境下的不同特征集合而成的属性来表达的产品信 息，是产品开发的关键性机制。 1 2 2 特征设计方法 基于特征设计，直接利用特征来定义零件几何体，即将特征库中定义的特征 实例化，以实例特征为基本单元建立产品的特征模型，从而完成产品的设计或定 义。在现有的c a d c a p p c a m 的信息集成系统，c a d 系统的零件信息描述必 须为c a p p 与c a m 系统所接受，所以现在的信息集成基本上都是基于特征的”一。 1 3 产品发展的多视图特征模型法 1 3 1 研究现状 现有的产品发展特征模型法一般只提供特征或是特征识别的设计方法，只能 在基础层面上支持设计。越是高级的方法越要采用特征转换。 通过特征的设计，设计者采用特征来构造一个产品模型。例如，“s l o t ”槽 和“b l e n d ”( 曲线、曲面等不同线段的) 过渡部分，这些描述比在几何模型中用 低层次的几何元素操作起来容易和快速得多“。为每一视图创建一个特征，如果 其中一个视图的特征发生了改变，那么就得手动地将这一改变传播给其它视图， 以确保各视图的一致性。 特征识别( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 。是从给定的几何模型中得到特征要素的 过程。现有许多可用的不同的特征识别方法0 1 。每一视图的特征要素能从给定的 几何模型中识别得到。产品模型中的任何所需改变必须在其相应的几何模型中进 行，然后对每一视图重新进行特征识别。 特征转换( f e a t u r ec o n v e r s i o n ) ，是从其它视图现有的特征模型中得到新的 3 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 特征要素的过程。特征转换较特征识别的优势便在于，利用隐藏在现有特征模型 中的非几何信息来得到新的特征模型。 c u n n i n g h a m 和d i x o n “”提出了一种采用某一特定特征转换方法的多视图系 统体系结构。在他们的提议中，特征设计被用于建立设计视图的特征模型，同时 通过特征转换来导出视图的特征模型。例如，有限元分析视图，制造计划编制视 图以及装配计划编制视图。 a n d e r s o nm 1 提出另一种基于某一特征转换方式的方法。该方法采用几何推 理对计划编制程序过程进行模拟，从而将设计特征转换为制造特征。 d em a r t i n o “2 伽阐述了一种多视图特征模型系统，包括某种特征转换方式。 视图的特征模型是从特定视图库的特征类实例中创建的。他提出中间模型概念， 中间模型位于其它模型之间，包括产品的边界表示和产品的形状特征表示，形状 特征即大体的凸或凹。形状特征是从产品的边界表示中抽象出来的，采用几何推 理方法，通过形状特征识别来实现。 s u h 和w o z n y “”提出一种采用某种特征转换方法的多视图特征模型系统。 在该系统中，特征被定义为零件模型边界元的一个子集。用一牵申特征转换算法来 传播设计师从设计视图到其它视图特征要素的变化。 上述讨论的方法只支持单一方向的特征转换，这与理想情况相去甚远。例如， 如果设计者在一个分析视图中发现产品的某一特征必须要调整，然而这种调整并 不能在此视图中进行，必须在设计视图中进行。同时，设计视图的特征要素不同 于分析视图的特征要素，而且在该视图中进行特征参数的调整相当困难。这便需 要产品模型在视图特征模型中改变，由此发展了多途径特征转换。 b r o n s v o o r t 和j a n s e n “5 1 首先提出作为支持多视图特征理想方法的多途径 特征转换。阐述了g e o n o d e 特征模型系统的一个扩展“”。这提供了多视图，并且 允许在任意视图中发生改变。此后，d ek r a k e r “。脚和b r o n s v o o r t “”阐述了种 多途径特征转换新方法。并且它在原型多视图特征模型中的执行被称作s p i f f 。 j h a 和g u r u m o o r t h y 懈”j 贝q 是采取菜种不同的方法。他们描述的算法，以 期从部件几何模型中自动获取该部件特征要素。并且将矛盾的调整从一个视图传 播到其它视图。 h o f f m a n n 和j o a n - a r i n y o 啪矧提出一种体系结构，其不同的应用模型分布 于不同的c a 系统，并由一个主要模型将它们联系起来。每一个系统都是主模型 服务器的一个用户。该用户可以存放它的部分产品信息于主模型中，而且将私有 信息和主模型信息联系起来。 上述特征方法均采用形状特征，存在以下不足之处： 首先，所有方法都限于产品发展的后阶段，其间产品几何形状必须全面详述。 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 因此，它们不能被用于产品发展的早期阶段，例如概念设计阶段。因为在概念设 计阶段，几何形状无需详细说明。为此，本文所提出的产品全生命周期多视图特 征模型为支持概念设计阶段提供了一个视图。 第二，所有方法只用于处理单一零件。然而，实际产品很少只由单一零件构 成。处理由多个零件组成的产品不仅包括分剐处理这些零件，而且还要处理零件 之间的联系。本文所提出的多视图特征模型支持由多个零件组成的产品设计。通 过概念设计视图区分多个零件及其之间的联系，通过装配设计视图将多零件和零 件之间的联系考虑在内，旨在研究装配设计中的布局设计，在产品概念设计与详 细设计之间搭起了一座桥梁。 1 3 2 多视图特征模型法 在产品全生命周期管理中，应尽可能的让设计者专注于本阶段相关信息，而 不过多的受其它阶段信息的干扰。同时，各个阶段是综合、不可分割的，协调统 一的整体。现行的模型系统并不能充分支持这一点。虽然许多系统确实为装配设 计和零件详细设计提供了完整的不可或缺的信息，但是这些系统并没有为这些发 展阶段提供专门的详细模型，取而代之的是每个阶段都有相应的几何模型和特征 模型泌“。对零件而言，在零件建模背景和装配建模背景中均提出相同的信息给 设计者，这在装配背景中给设计者带来了麻烦。因为，该装配背景包含专门的零 件背景信息，为不同阶段提供独立模型的情况很少出现，且这些模型大都不十分 完整。例如，参数技术公司除了p r o e n g i n e e r i n g 外还提供p r o c o n c e p t ，用以 支持概念设计，但并没有保持概念设计阶段和其它设计阶段的关联一致性。 另一方面，多视图特征模型给产品发展的各个阶段提供特有的视图，并将这 些视图一体化。多视图特征模型能充分支持理想情况，每一视图包括相应阶段产 品细节的特征要素。显然，所有视图的特征要素将阐述同一产品，并且保持一致 性嗍。 虽然过去的几年中，在多视图特征模型方面已有很多研究，但是现行方法中 仍然存在如前所述的两点主要不足之处。在本文中，阐述了基于全生命周期的多 视图特征模型，该模型克服了上述缺点。除了为零件详细设计和零件制造计划编 制形成特征视图外，该模型还通过为概念设计阶段和装配设计阶段提供特征视 图，从而支持初始产品设计和多零件及多种新型特征的产品设计。 5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 布局在产品设计中的研究和应用 1 4 1 布局建模研究现状 b j a r n e m o 发现目前c a d 系统并不能充分支持概念设计阶段。当开发人员 开始进行草图工具的开发时，在c a d 的发展历史中就发现了这种不适合的原因。 现在几乎已经不可能放弃这种发展路线了，这样就强迫设计者从错误目标向设计 过程靠近。然而，尽管b j a r n e m o 的调查工作集中于概念设计的缺点上，但是在 实体化设计中也存在同样的不足。 正因为这种方法存在不足之处，所以许多c a d 系统专门提供了具体化的元 素，这样来加强它们在实体化设计中的作用，或者采用低操作工具( 铅笔和纸) ， 以期形成最初的布局。在“铅笔辅助”的概略草图和计算机辅助的详细设计的 联接方面，已经进行了不少的研究。 1 4 2 几何构形设计方法 研究者采用这样一种表示法，用实体单元来表示装配体部件，这些实体单元 通过约束联接在一起。例如，f r a m e r 1 对用来表示装配体部件的实体单元标以记 号，这些标记组成一系列空间点，并在该空间点内建立了直角坐标系。另一个例 子，h a u g “”为了同样的目标，将联接方式固定到实体上。原先采用符号分析的方 法来进行位置分析和方位分析，后来就发展为以数值方法为基础进行分析。 在v a ne m m e r i k 恤1 的研究工作中，提出了几何树的概念。这对初级阶段的 三维原始模型的位置和方位设计提供了统一的设计模式。树的节点和子叶就是所 谓的数据系统。树的每一个节点封装了一个根据其父母节点得到的局部坐标系。 节点可以相互约束，但不允许形成约束回路。c s g 图元用来表示布局部件，通过 在图元之间执行布尔操作，可以生成复杂的物体。形状特征和节点联系在一起， 这种方法提供一种简单的参数表示技术，能够通过增加改变一个或多个约束来实 现运动检测，但是不能保持部件问的相近信息。v a ne m m e r i k 的工作与目前工作 的主要相关点在于，在自顶向下的方法中，设计者可以用最终的c s g 部件代替抽 象单元来改进结构。 e i ) c ( 剑桥工程设计中心) 的功能模型系统用“类部件名”( g e n e r i c c o m p o n e n tn a m e s ) 来建立机械部件信息。这些类部件可以被修改或组合生成零 件。通过联接方式以及零件间的关系来定义一个已知的构形，这些零件之间的关 系由设计者通过详细说明界面( i n t e r f a c e s ) 来处理。通过指定约束( 尺寸，成 本等) 来表达每个部件中的工程信息。这些约束用分等级的方式进行处理。在最 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 高层，根据相关约束，只处理控制全局设计的变量。在较低层，就涉及到在高它 一层的约束获得满足的基础上得到的进一步的变量和约束。 项目报告e s p r i t 5 1 6 8 引用了概念“设计空间”。定义设计空间是为了界 定出不周的最小化设计区域，以及将它们分派给不同的子装配体。设计空间并不 是模型实体化，仅仅是为了并行设计的详细设计构造出框架。所以，在它们之间 不能定义像参数化联接等较强的关系。这种方法中，设计空间不能用来表示布局 单元。设计者的工作是对同一设计空间，也就是同一物体上的相同或不同的视角 来进行类比。尽管如此，本文描述的研究也采用“设计空间”表示法，因为它很 好地表达了布局设计中实体的作用。 在l a s h i ng 的论文哪! 中提到，铁路工业中实际采用了的大型布局系统。其 中介绍了一种典型建模技术，即采用真实的几何单元构成布局。同时，这些单元 将在后续详细设计中进行几何改进。他们采用了从初始几何图元( 方体) 到细化 的( 刚性) 子装配体的六个抽象层。在模型被抽象之前，设计者们有必要进行讨 论要用到的抽象层。在抽象模型中并不包括部件的细节，这里的部件指的是未用 于具体化设计阶段的部件。由于通常没有合适的抽象化模型可以表达动态实体， 所以这种方法仅用来建立刚性布局。 1 5 本文的研究目的和主要内容 本文分析了机械产品全生命周期设计流程，建立产品全生命周期多视图特征 模型。着重研究了作为连接产品概念设计和详细设计之间桥梁的布局设计，探讨 布局求解原理，提出了布局设计模型。最后，使用v i s u a lc + + 6 0 可视化编程语 言，在0 b j e c t a i l x 环境下开发了减速器布局应用程序。充分利用w i n d o w s 的资源、 微软的基本类库m f c 设计了基于模式对话框的c a d 参数化应用程序，并结合模拟 退火算法，对蜗杆一齿轮减速器进行了求解，同时对布局结果进行了参数分析。 第一章绪论部分，概述了基于全生命周期的机械产品设计过程，分析了产品 发展的多视图特征模型法以及布局建模研究现状，并提出本课题的研究内容。 第二章阐述了产品发展的多视图特征模型总体思想，建立产品全生命周期多 视图特征模型，说明各视图的功能性及其一致性的保持。 第三章分析机械产品布局涉及的因素，针对布局设计探讨其原理，提出自顶 向下的布局设计模型。 第四章就具体的机械产品给出一个例子，建立其模型和算法，较好地说明和 验证了布局设计模型的可行性和有效性。 第五章介绍了软件开发环境，a u t o c a d 和0 b j e c t a r x 开发技术以及面向对象 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的编程思想，给出了减速器布局设计的实现过程及其结果分析。 最后进行全文总结，得出一些结论，并就进一步的深入研究提出了一点设想。 天津大学硕士学位论文 第二章机械产品发展的多视图特征模型 第二章机械产品发展的多视图特征模型 机械产品的全生命周期设计是多学科融合的综合科学，并涉及许多新兴学科 和现代先进技术。全生命周期设计的提出和建立是现代设计理论发展的产物，也 将是机械设计发展的必然方向。 在产品全生命周期设计中，设计者应专注于相关阶段的有关信息，而不应过 多的受其它阶段信息的干扰。多视图特征模型方法能较好的支持这点。为支持 产品设计各阶段，本文引用w f b r o n s v o o r t “”所提多视图这一概念，并在此 基础上提出产品全生命周期多视图特征模型。该模型将全生命周期理念应用于产 品开发过程建模，并在产品设计各阶段建立其相应的视图。这为设计人员提供了 全面及时考虑产品生命周期中各因素的依据，从而建立并行的产品开发模式。 产品全生命周期多视图特征模型支持需求分析、概念设计、装配设计、零件 详细设计和零件制造计划编制以及后期行为等阶段的产品设计。本章将主要阐述 多视图特征模型的总体思想，各个视图的功能性，以及视图之间保持一致性的方 法。 2 1 多视图特征模型 多视图特征表达的是产品特征的多视角性，由于不同设计阶段对产品特征的 认识存在差异，各视图的特征构成之间并不一定存在直接的对应关系，因而同一 几何形体在不同的视图中可被视为不同的特征。图2 1 是一个反映特征多视角性 的典型例子，“平面”、“正圆柱”、“负圆柱”等形状特征在装配设计过程中表现 为相应的“配合面”、“凸台”和“紧固孔”，而在制造加工阶段分别为“加工区 域”、“孤岛”和“通孔”。 概略几何装配设计制造加工 a平面配合面加工区域 b 正圆柱凸台孤岛 c 负圆柱紧固孔通孔 图2 - 1 特征的多视角性 9 天津大学硕士学位论文第二簟机械产品发展的多视图特征模型 在此基础上，本文提出的产品全生命周期多视图特征模型可有力地支持产 品全生命周期的六个发展阶段：产品需求分析阶段，概念设计阶段，装配设计阶 段，零件详细设计阶段，零件制造计划编制阶段以及产品后期行为阶段。每一阶 段应建立其自身的产品视图或产品零件视图，包括与该阶段相关的特征信息。 基于上述，产品全生命周期多视图特征模型如图2 2 所示，其可表示为如下 六元组的形式；p l m = i 认，c d ，a d ，p d d ，p m p ，p b 。 图2 - 2 产品全生命周期多视图特征模型 2 i 1 产品需求分析视图 r a 为需求分析视图。 产品需求是指哳1 在产品设计前，对产品的功能、形状、可制造性及产品市 场等涉及产品整个生命周期的有关问题进行详细探讨，以期详尽描述待开发的产 品。需求分析是产品开发人员、制造者及经营者等对产品的需求进行具体分析， 从而提出可供产品设计使用的设计任务书或其它类型设计需求的过程。 设计任务书的制定应该是根据产品需求分析来进行的。随着市场竞争的日趋 激烈，是否满足用户的需求成为目前产品开发过程中不容忽视的问题，也日益成 为人们关注的焦点。因而通过对产品需求的全面认识与分析，以创新观点和系统 化方法进行产品需求建模，从而搜集、获取、组织详尽的需求信息，并将需求分 析信息纳入到产品全生命周期中，成为其中的一环。通过形式化语义表达需求分 1 0 天津大学硕士学位论文第二章机械产品发展的多视图特征模型 析结果，这将对产品虚拟开发过程的全数字化起到至关重要的作用。同时，需求 分析及其建模研究还是并行设计及敏捷制造等先进制造技术有效实施的必要前 提和关键支撑技术之一。 该视图可以形式化表示为：r a = c f ，c l r ，c r ，t r ，m r t o 其中，c f 为用户特征，包括用户需求、任务需求、环境需求、工作空问需 求等。c l r 为顾客需求，包括功能需求、产品能力需求、可操作性需求、外观需 求、安全性需求等。c r 为协作需求，包括市场与销售需求、财务与成本需求、 原型需求、制造需求、安装需求、储运需求、支持或服务需求、环保需求和报废 方式需求等。t r 为技术需求，包括工程技术标准需求、制造与生产需求、资源 需求等。m r 为管理需求，包括安全性需求、环境与生态需求、报废需求等。 图2 - 3 产品需求分析视图结构 产品需求分析视图的结构，如图2 - 3 所示。首先将各需求信息技术化；然后 生成相应数据库；最后，需求分析结果用形式化表现为设计任务书等。 此外，在进行产品需求分析时，需求结果的语义表达采用的原则有：( 1 ) 先 主后次原则；( 2 ) 先粗后精原则；( 3 ) 先抽象后具体原则；( 4 ) 先整体后局部原 则。进行需求结果的功能化语言表达时，规范化的表达是非常重要的。因而，对 于不同的产品开发，需要定义不同的规范化功能描述术语，从而实现产品需求分 析视图的功能。 2 1 2 概念设计视图 c d 为概念设计视图，包括功能分析视图和结构映射视图。 该视图可形式化表示为：c d = f a v ，s m v 1 ，其中，f a v 为功能分析视图，s l d v 为结构映射视图。概念设计视图支持结构设计，即从功能部件中构建产品的方法 以及这些部件彼此如何相互关联的设计。不论是部件还是它们之间的关联都不必 天津大学硕士学位论文第二章机械产品发展的多视图特征模型 完全详细说明。 有许多支持结构设计的模型系统，这里介绍其中的三种： v a ne m m e r i k “”提出g e o n o d e 系统，这个系统支持分层设计方案。在该方案 中，产品由装配体、子装配体以及部件来表示。装配体通过子装配体和部件之间 的联接以及这种子装配体和部件之间的尺寸来详细说明。 g u a n 汹1 提出g e m - c o n 系统，该系统允许设计者通过由模糊到精确的几何信 息来逐渐增加模型几何结构，同时使结构逐步展开成为具体且精确的模型。系统 坚持最小许诺原则，即它不需要设计者详细说明模型不相关的方面。 c s a b a i ”1 同样支持最小许诺原则。产品由布局来表示，布局详细说明了产 品功能部件的排列。表示功能部件的抽象要素称为设计空间。设计空间之间的关 系由约束来定义，并决定了布局的运动学行为特性。 概念设计视图从基本形状、参照及其界面中建立，此外还包括相关的物理属 性和功能描述。从这个层面上说，该视图可形式化表示为： c d = s f ，p t ，f d ，r e f ，i t f t 。 其中，s f 为基本形状。设计者用简单形状来实现对某个功能形状的概略表 示，例如矩形块、梯形块、圆柱体或圆锥体、球等。如图2 4 和图2 5 所示，卧 式虎钳及其抓紧部件的基本形状。 图2 - 4 卧式虎钳图2 - 5 卧式虎钳抓紧部件的基本形状 p t 为物理特性。物理特性表示概念部件的物理属性，例如，体积、重量和 材料类型。在许多情况下，这些特性的值受部件需求的约束。例如，重量必须少 于l o k g 的限制，用以避免产品过重。可获得的四种类型约束，限制了物理特性 的值：等于、小于、大于以及在某一个特定的范围内。 f d 为功能描述。功能描述允许用户描述部件；它是什么，它用在何处，以 及任何其它在设计过程的模型中不能以别的方式来详细描述的相关有用信息。 r e f 为参照。它用线、箭头、面或者上述这些相关要素的组合等来说明基本 形状之间的相对位置和方向。需要指出的是，参照被用于基本形状之间的定位和 定向，它并不是模型实体的部分。 i t f 为界面，它表示基本形状之间大致的联接关系。界面定义为抽象的低层 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章机械产品发展的多视图特征模型 几何要素，例如点、线，面等；它与参照的区别在于，界面是模型实体的组成部 分，而参照是独立于实体之外的符号表示。对界面而言，有两点比较重要：其一， 要交待清楚相关部件数以及详细说明这些部件有关的参照。例如，对滑动界面而 言，在每个部件中用线和箭头作为参照，线表示滑动方向并能部分地决定部件间 彼此的方向，同时箭头能进一步确定部件方向；第二，详细说明概念部件间表示 自由度被限制的约束。例如，滑动界面有一个共线约束，表明部件可以沿着彼此 之间的参照线滑动；同时，还有一个平行约束，用以确定部件彼此间的方向。 概念设计视图的参照及界面与后续的布局设计直接相关。 此外，概念设计视图特征可以用几何图相，曲线图和表格等图形来形象化表 示。几何图相显示一个部件和它的基本形状。在指出基本形状的属性、附属装置、 形状类型和尺寸大小之后，便可以通过简单的几何体来表示其基本形状；以及通 过图标来表示参照。 图2 - 6 概念设计视图的几何图相 如图2 - 6 所示，显示了卧式虎钳固定把手概念部件的几何图相。图相中给出 了部件的基本形状：其中，上部的基本形状为“横置矩形块”，用于固定把手的 移动夹紧；与箭头联接的正方形表示参照，箭头表示实现功能时候的运动方向。 下部的基本形状为“立置矩形块”，用于移动把手和固定把手之间的联接；两个 联接的正方形表示界面；同时，与箭头相连接的线是滑行参照图标，表示固定把 手和移动把手间的运动参照。 总的来说，概念设计视图坚持最小许诺原n - 它仅说明部件的几何概略，给 出实现某功能的大致形状。同时，说明基本形状的物理特性及其之间的界面和参 照。这使设计者更多的关注产品最重要的功能方面，而暂时不理会细节。 2 1 3 装配设计视图 a d 为装配设计视图。 它包括布局设计视图和装配工艺视图，表示为：a d = l d v ，a t v 7 。其中， 天津大学硕士学位论文第二章机械产品发展的多视图特征模型 布局设计视图支持部件间的联接设计，对每个联接关系，详细说明联接的类型和 几何形状。布局设计将在第三章作详细讨论，并且给出布局设计模型。此外，a t v 为装配工艺视图。装配工艺视图特征描述了要实现布局设计中部件之间的装配， 所需采用的装配操作方式、装配方向，以及装配操作难易评价的信息。 在布局设计视图中可能定义多种关联关系，但这些关联关系一般是通过装配 操作而一同获得的。当然，根据这些信息可检测布局设计视图的合理性。同时， 根据布局设计的联接特征，基于特征推理，从而可以获得工艺特征。装配操作方 式除放置、插装外，还有压配、推拧、拧紧、焊接、粘接等。同时，装配工艺视 图还涉及装配顺序以及辅助的装配工艺要求等。 对装配设计视图有许多基于特征的设计方法，现将其中几种介绍如下： d e n e u x 嘲提出一种支持创新和复合装配管理方法。“装配特征( a s s e m b l y f e a t u r e ) ”被作为相关联部件设计问题的一般解来定义。创建过程分为许多步来 实现，逐步获取装配特征。 c u g i n i 啪3 提出一种基于特征的设计方法，用以支持应用在航空领域的自项向 下装配设计，将子系统和细节设计留给后续阶段。装配特征来自装配体中的两个 或多个部件已存在的联接关系。 v a nh o l l a n d 和b r o n s v o o r t “”表明特征概念在装配模型和计划编制过程中 均有用。装配由单个零件和零件间联接特征构建。联接特征包括与形状特征类型 相关联的信息，例如，相互联接件的形态特征，彼此间最终的相对位置关系，及 其内部自由度，即连接好之后部件的相对自由度。 联接特征包含装配信息，而装配信息主要由约束来表示。为此，建立不同的 联接特征类，例如，燕尾槽和销一孔类“”。用户还可添加自定义的新类。 用户详细说明所添加的新类，通过如下三步来完成： 第一步，详细说明联接所需的形状特征类； 第二步，详细说明限制相互联接部件间自由度的形状特征间的约束，例如， 燕尾槽联接的约束是相应的燕尾槽的肋和槽的侧面之间的几何共面约束； 第三步，可详细说明联接特征的其它任意非强制性属性，对燕尾槽联接的例 子而言，这一属性便是在联接建立好之后详细说明部件之间的相对位置。 装配设计视图可由几何相和图相来表示。现存的表示装配结构的两种图相类 型为：分级图相和相关图相“。分级图相( h i e r a r c h i c a lg r a p hc a m e r a s ) 显示其 部件和子部件的装配层次。相关图相( r e l a t i o ng r a p hc a m e r a s ) 显示部件间的联 接。 1 4 天津大学硕士学位论文第二章机械产品发展