（机械设计及理论专业论文）智能化面向制造设计系统的研究.pdf

摘要 本文根据国家计委重大项目的课题“面向加工和装配的设计系统”中开发实 用化d f m 系统的要求，研制了一个“智能化面向制造的设计系统( i d f m ) ”。i d f m 系统采用基于知识的可制造性评价策略，可对产品结构工艺性进行可制造性评 价，找出问题所在并向用户提出改进建议。本文针对i d f m 的实用化要求，在知 识表示、产品建模和推理机制等方面提出并实现了些新方法，主要研究工作有： 首先，提出了工程语义特征的概念，建立了基于工程语义特征的产品树模型。 工程语义特征是工程师常用的专业术语，具有广义性、模糊性、知识性和在产品 生命周期中的一致性。产品树模型不但可以表达构成产品的特征及特征之间的层 次关系、逻辑关系、约束关系等，而且将产品实例的特殊信息和通用属性分开表 达，以适应将产品树直接用于推理的要求。产品树还可以通过特征识别手段实现 与c a d 系统集成，从而为实现c a d d f m 集成扫清了障碍。在产品树的设计中 应用了面向对象的技术和树结点复用技术，使得产品树具有开放性，用户可以任 意定义各种类型的结点，满足了表达复杂的产品信息的要求。 其次，研制了一种可以表达产品结构工艺性知识的集成知识表示语言i k r l 。 在对产品结构工艺性知识的特点及其表示方法的要求进行深入研究的基础上，融 合面向对象的技术、产生式规则、框架、方法和工程语义特征等多种知识表示方 法的优点，研制出集成知识表示语言i k r l 。i 融也采用产生式规则作为知识表 示的基本形式，将工程语义特征作为基本的知识表示单元，在规则中可以定义评 价特征及其框架特征和关联特征，可以表达特征之间的层次关系和特征的属性， 可以定义变量和表达式约束等，因此i i l 具有较强的知识表示能力，能够表达 大部分产品结构工艺性知识。i k r l 提供了知识的文本表示方式、计算机内部表 达结构及知识编译功能，形成一个完整的知识表示机制。 在i k r l 语言和产品树的基础上，研制了一种直接利用产品树模型的推理机 制，从系统规划的角度妥善协调了知识表示方法、产品树和推理机之间的一致性。 推理机直接从产品树中提取事实，避免了要求用户根据产品模型输入大量事实或 回答大量问题，大大简化了系统的操作，为i d f m 系统逐步走向实用化开辟了一 条新路。将产品树直接用于推理，还可以在产品设计的过程中，对产品模型进行 动态可制造性评价，发现问题后及时修改，有利于协助设计师快速设计出一个符 合可制造性要求的产品。在推理策略方面，首先根据分类关键词对知识库进行分 类和过滤，然后采用分步匹配的方法，研制了一个推理效率较商的推理机。 本文开始还对一些相关的现代设计理论和产品可制造性评价策略等进行了研 究，从而明确了开发实用化d f m 系统的功能要求和关键技术。最后对全文工作 做了总结，并指出了需要进一步研究的工作。 关键词：面向制造的设计，可制造性分析，人工智能与专家系统，并行工程 a b s t r a c t t h es y s t e mo fi n t e l l i g e n td e s i g nf o rm a n u f a c t u r ef i d f m ) i sd e v e l o p e df o r “t h e s y s t e m o fd e v e l o p i n gh i t e c hp r o d u c tf o ra g e ae c o n o m i cd e v e l o p m e n t ”w h i c hi s a p r o j o c ts p o n s o r e db yt h ec o m m i r e e o fn a t i o n a ld e v e l o p m e n t p l a n 1 d f ma p p l i e s t h e k n o w l e d g e b a s e d m a n u f a c m r a b i l i t y e v a l u a t i o n m e t h o dt oe v a l u a t e 血e m a n u f a c t u r a b i l i vo fp r o d u c ts t r u c t u r ea n dt e c h n i c s i ff i n d i n gs o m ep r o b l e m si t c a n m a k es u g g e s t i o n st ou s e r s f o rd e v e l o p i n ga p r a c t i c a l d f ms y s t e m t h e r ea r ep u t f o r w a r ds o m en e wm e t h o d sc o n c e m e do nk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，p r o d u c tm o d e l i n g a n dr e a s o n i n gm e c h a n i s m t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h ed i s s e r t a t i o ni sf o l l o w i n g ： f i r s t t h ec o n c e p to fe n g i n e e r i n gs e m a n t i cf e a t u r e s ( e s f s ) i sp r e s e n t e d ，a n dt h e p r o d u c tm o d e lt r e e ( p m t ) b a s e do ne s f si s s e tu p e s f sa r ee n g i n e e r i n gs p e c i a l t y n o m e n c l a t u r e s w h i c ha r eg e n e r a l ，f u z z y s c i e n t i a la n du n i f o r r ni n 血ep r o d u c tl i f e c y c l e s p m tc a l ld e s c r i b ef e a t u r e so fp r o d u c t sa n dt h er e l a t i o n sa m o n g t h ef e a t u r e s0 n h i e r a r c h y ，l o g i ca n d c o n s t r a i n t i np m t s p e c i f i ci n f o r m a t i o na n dc o m l l l o np r o p e r t yo f t h ep r o d u c ti n s t a n c e sa r ea d d r e s s e ds e v e r a l l ys ot h a tp m tc a r lb eu s e dt o r e a s o n d i r e c t l y p m tc a nb ei n t e g r a t e dw i t hc a ds y s t e mb y t h ew a yo ff e a t u r e sr e c o g n i t i o n i ta p p l i e s 也eo b j e c t o r i e n t e da p p r o a c ha n dt h en o d e sr e u s i n gt e c h n i q u et ob u s l da n o p e ns t r u c t u r e s oi tc a t le x p e d i e n t l yd e f i n ea l ik i n d so f n o d e st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t o f e x p r e s s i n gc o m p l i c a t e dp r o d u c t s e c o n d ，t h ei n t e g r a t e dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ( i k r l ) w h i c hc a r l r e p r e s e n t t h e p r o d u c tm a n u f a c t u r a b i l i t yk n o w l e d g e i s d e v e l o p e d a f t e r s t u d y i n g c o m p r e h e n s i v e l yc h a r a c t e f i s t i c s o ft h ep r o d u c tm a n u f a c t u r a b i l i t yk n o w l e d g e i k i u s y n t h e s i z e sa d v a n t a g e so fk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na p p r o a c h e ss u c h a so b j e c t o r i e n t e d m e t h o d r u l e ，f r a m ea n de s f s 、e t c t h eb a s i cf c ，r r n a io fk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nj n i k r li sr u l e s a n dt h eb a s i cu n i t sa r ee s f s i k r lc a l ld e f m ee v a l u a t i n gf e a t u r e s f r a m e sf e a t u r ea n dr e l a t i n gf e a t u r e s e x p r e s sf e a t u r e s h i e r a r c h i c a i r e l a t i o n s h i p sa n d f e a t u r e p r o p e r t y ，a n dd e f i n e v a r i a b l o sa n dc o n s t r a i n te x p r e s s i o n s i th a sa b i l i t yt o r e p r e s e n tm o s to ft h ep r o d u c tm a n u f a c t u r a b i l i t yk n o w l e d g e i k r lb u i l d sac o m p l e t e m e c h a n i s mt h a ti n e l u d e sa p p r o a c h e so fk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n c l a s s e sf o rs t o r i n g k n o w l e d g e a n da c o m p i l e r b a s e do ni k r la n dp m t ，t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n sa ni n f e r e n c ee n g i n et h a tu s i n g p m ta sj t sf a c t s n l ei n f e r e n c ee n g i n ec a l lo b t a i nt h ei n f o r m a t i o nf r o mp m r rt oa v o i d t oi n p u tm u c ho fd a t ao rt oa n s w e r m a n yq u e s t i o n s s ot h eo p e r a t i o n o fi d f mb e c o m e s s i m p l i f i e d t h ed y n a m i ce v a l u a t i o no fp r o d u c tm a n u f a c t u r a b i l i t y i nt h ep r o c e s so f p r o d u c td e s i g nm a yb er e a l i z e d t h r o u g ha s s o r t i n ga n df i l t e r i n gk n o w l e d g eb a s e sb y s o r tk e y w o r d sa n d m a t c h i n gr u l e ss t e p _ b y s t e p ，t h ei n f e r e n c ee n g i n ei sh i g he m c i e n t i nt h eb e g i n n i n g ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e ss o m er e l a t i o n a la d v a n c e dd e s i g nt h e o r i e s a n ds e v e r a le v a l u a t i o nm e t h o d so f p r o d u c tm a n u f a c t u r a b i l i t y 、t h e n d e c i d e st h e f u n c t i o n sa n dt h ee s s e n t i a l t e c h n o l o g yo fi d f m i nt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n a c o n c l u s i o ni se d u c e da n dn e x tr e s e a r c hi sp o i n t e do u t k e y w o r d ：d f m ，m a n u f a c t u r a b i l i t ya n a l y s i s ，a u e s ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g i t 浙江大学博士后研究工作报告 1 绪论 1 1 研究意义与课题来源 未来机械工程学科发展的总趋势将是交叉融合各种新理论和新技术，目前， 现代设计方法学、c a d c a m 、人工智能与专家系统、c i m s 、并行工程、敏捷 制造、虚拟制造等一系列与机械制造领域相关的技术，都呈现出加速发展的趋 势，也正在逐步改变机械制造业的生产方式，一次制造业的新科技革命已经兴 起。这是时代赋予我们振兴中国制造业的历史机遇，通过实现跨越式发展，特 别是通过技术创新实现技术跨越，我国的机械制造业完全有可能“超英赶美”。 产品设计在创新产品开发过程中占据核心地位，它从根本上决定了产品的功能、 质量、成本等各种性能。根据1 9 9 1 年美国国家材料顾问团对美国航空航天工业 的调查报告，产品全生命周期的成本在概念设计阶段即有7 0 被决定，到基 本设计、详细设计结束时分别有8 5 和9 5 的成本业已被决定，生产阶段只决 定5 左在的成本。因此，必须重新认识机械制造业在新形势下的特点，即产品 的竞争力愈来愈多她依赖于产品的设计。过去，人们对制造业的关注主要集中 在大型数控设备与数控技术的研究上，并一直想通过制造环节来获得产品的质 量保证和降低成本，这是制造业发展的一个重要历史阶段，因为数控设备与技 术是制造业的个重要物质基础。鉴于中国的特定国情，数控技术与设备的研 究在现在和将来较长一段时期内仍将是我国制造业研究和发展的重点之一。然 而，历史的发展促使人们认识到过分注重加工，实际上是在花大精力、高成本 来做补救，根本不能对产品的质量、成本有大的突破，更重要的是无法大踏步 地缩短产品开发周期。 我国机电产品与其它先进国家的差距最明显地表现在产品质量方面，质量 问题始终是阻碍我国机电产品走向世界市场并提高竞争力的关键问题。质量的 保证和提高不仅依靠企业的制造能力、检测能力和管理水平，更依靠设计能力。 当现代化的制造设备和测量工具达到微米乃至更高级水平时，再进一步提高制 造能力和测量水平的余地不大，提高设计水平和能力则是大有潜力可挖的，也 是提高产品质量等各项性能的最有效手段。 我国工业发展的决策者和专家们已认识到设计在制造业发展中的关键作 用，在国家8 6 3 高科技计划和国家自然科学基金项目中实施了一系列注重设计 发展、改善设计思想及观念的重大举措，如清华大学等五院所完成了8 6 3 重大 项目“并行工程”的研究，上海交大开展了虚拟制造和敏捷制造技术的研究， 华中科技大学熊有能院士主持的支持产品创新的先进制造中的若干基础研究， 浙江大学博士后研究工作报告 浙江大学冯培恩教授主持了国家自然科学基金重点项目“机械系统广义优化设 计理论、方法和技术的研究”( 编号为5 9 6 3 5 1 5 0 ) 。浙江大学潘云鹤院士负责 主持了国家发展计划委员会“产业化前期关键技术与成套设备研制开发项目” 中的“面向区域经济发展的高技术产品开发系统”的研究，本研究报告正是在 该项目中的课题“面向加工和装配的设计系统”的支持下进行的。 面向制造的设计( d f m ) 是并行工程的重要单元技术，它为解决长期困扰企业 的产品可制造性问题提供了一个有效的方法。国内外的实践证明，d f m 技术的 应用可以降低生产成本、缩短产品开发周期，从而增加产品的市场竞争力，这 对于在我国加入w t o 之后即将面对更加激烈的全球市场竞争的中国企业来说， d f m 技术的研究和应用具有重要的经济意义和现实意义。 1 2 现代设计理论与方法的相关研究 研制面向加工和装配的设计系统，其中涉及到c a d c a m 、并行工程、知 识工程等一些先进设计理论和方法，下面首先对这些领域的研究现状做些探 讨。 1 2 1 并行工程1 2 - 5 1 ， 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 ) 是近年在c i m s 的基础上发展起来的 先进制造技术之，是由美国防御分析研究所( i d a ) 于1 9 8 6 年首次提出的，在i d a 的第一届c e 专题研究会上，r i w i n n e r 为c e 提出的定义为：“并行工程是一 体化和并行地设计产品及其各种相关过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统 化工作模式，它要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品生命周期( 从概念 形成到产品报废) 的所有因素，包括质量、成本、工作进度和用户要求”。不 久并行工程即引起各国工业界的高度重视，一些实验性的并行工程系统和并行 工程环境相继推出，有些已在工业中得到应用，取得了良好的效果。例如，美 国军方的坦克自动化部门与有关大学联合开发的并行工程软件，已用于坦克的 设计和仿真。 并行工程的核心是并行设计，认为制造系统中一切有关的组成部分的设计 和计划，都应与产品设计同时迸行，并要求在产品设计阶段就考虑下游的制造、 装配、维护和回收等产品生命周期中的诸多要素，因此，大大增加了产品设计 的复杂性，必须充分利用计算机的数据处理、信息集成和网络通讯的潜力，发 挥设计团队的集体力量，将新产品研究开发和生产准备的各种工程活动，尽可 能并行交叉地进行，以实现缩短产品开发周期、提高产品质量和降低产品成本 等目标。图1 1 是传统的串行设计流程和并行设计流程的比较，从图中可以看 出，并行设计流程的三个主要设计阶段有所重叠，加强了不同设计阶段的信息 浙江大学博士后研究工作报告 反馈修改 图1 1 两种产品开发流程的比较 交换，缩短了产品开发周期。 ( a ) 串行产品开发流程 ( b ) 并行产品开发流程 产品生命周期 并行工程的工作模式主要为： ( 1 ) 基于信息集成，强调实现产品开发全生命周期中各个过程间信息的集 成、并发和优化。 ( 2 ) 组建集成产品开发团队( i p t ) ：组成产品开发全过程有关部门及其人员 的多专业联合开发小组进行协同工作，要重视“人”的作用，强调“人 们”的协同工作。 ( 3 ) 积极建立以集成框架技术为支持的，包括可交互操作的计算机环境、产 品数据管理、产品开发过程管理及决策支持系统等并行工程支撑环境。 ( 4 ) 在并行工程环境下开发d f x 等各项单元技术，研究信息技术、仿真技 术和虚拟现实技术在c e 中的应用。 影响产品并行设计的要素可归纳为“6 一t ”，即：团队( t e a m w o r k ) 、技术 ( t e c h n o l o g y ) 、工具( t o o l s ) 、任务( t a s k s ) 、才能( t a l e n t ) 和时间( t i m e ) ，c e 的研 究目标就是要直接有效地利用这些要素。 并行工程的关键是在设计产品时就要考虑到其有关的过程，在产品开发过 程中的各个阶段的工作是交叉进行，以使设计出来的产品能达到一次性成功。 并行工程的关键技术包括产品开发过程重构( p r o d u c td e v e l o p m e n t r e e n g i n e e f i n g ) ，全生命周期模型定义( 包括产品模型定义、数字化工具定义 等) 、决策支持等。以一个复杂结构件为应用对象，采用并行工程的方法和技 术可缩短产品开发周期3 0 ，同时降低成本，提高产品质量。并行工程作为现 代制造技术的发展方向，引起了美国、欧共体和日本等发达国家的高度重视。 经过近十年的发展，并行工程的方法和技术逐步在航空、计算机、汽车、电子 等行业得到广泛的应用，取得了显著的效益。并行工程作为c i m 的重要发展方 浙江大学博士后研究工作报告 同，在波音、洛克希德、雷诺等著名企业获得了成功的应用。 1 _ 2 2c a d ，c a m 与特征技术 1 2 2 1 c a d 技术的发展历程1 6 - 2 4 从2 0 世纪6 0 年代计算机图形技术的产生，直到现代计算机辅助设计( c a d ) 商业系统的发展与应用，c a d 技术已发展成为一项直接支持现代设计的基础技 术，c a d 技术推动了几乎一切领域的设计革命。在c a d 技术的发展历程中， 计算机硬软件技术的飞速发展奠定了c a d 的物质基础，计算几何学奠定了现代 c a d 的理论基础，拓扑结构建模方法莫定了实现c a d 技术系统的方法论基础。 初期的c a d 系统只能产生二维的工程图，7 0 年代中期开始出现三维c a d 系统， 其模型为线框模型，后来为了能够构造更为复杂的可以用于航空和汽车工业的 曲面，引入了曲面模型，通常用b 样条和n u r b s 作为曲面表示的基础。但这 些模型都不能无二义性地表示产品模型信息，于是出现了实体模型，实体模型 主要有两种表示方法：边界表示( b - r e p ) 和构造实体几何( c s g ) 。随着人们对于产 品生存周期各个环节的功能需求和数据信息要求的认识不断深入，人们对于 c a d 系统提出了更高的需求，因此，c a d c a m 系统的研究工作者在开发产品 建模工具过程中，一方面致力于加强传统的二维绘图，三维线框、曲面和实体 造型的功能，并将它们集成在一起；另方面，引人特征的概念来描述更高抽 象层次的工程语义几何实体以及非几何信息，特征造型和参数化特征设计技术 就应运而生。目前，所有的商用c a d 系统，如p r o e n g m e e r 、c a t i a 、m d t 、 s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 等，都具备参数化特征造型技术。 1 2 2 2 特征定义 在不同的生产领域和具体应用中，特征具有不同的意义和表现形式。s h a h 2 捌 指出一个特征所至少需要满足以下几个条件中的一个：零件的物理组成部分： 可以映射到某一个具体的形状；有工程意义；有可以预知的属性。 最初对于特征研究是为了从能够产生工艺规划、g t 码和数控代码的几何造 型器中提取几何信息，这主要是从加工的角度来研究特征，因而g r a v e d ：e 、 h u m m e l t 2 7 】和v o e l c k e r 2 8 】等人把特征定义为“特征表示的是与加工操作和工具相 关的形状和工艺特性”。p r a t t 和w i l s o n 提出的特征定义是：“建立分析或评价 设计的元素”。他们提出了一个按形状和构造特点对形状特征分类的模式。这 种分类方式是在对零件进行形状和结构分析的基础上建立的。其思想已被 p d e s ( p r o d u c td a t ae x c h a n g eu s i n gs t e p ) 的形状特征信息模型f f i m ( f o r m f e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e l ) 部分所采用，具体如下： ( 1 ) 通；i 酋( p a s s a g e s ) ：相贯于某一形状的除去两端的几何体； 浙江大学博士后研究工作报告 f 2 1 凹陷( d e p r e s s i o n s ) ：相交于某一形状的一端除去的几何体； f 3 ) 凸起( p r o t r u s i o n s ) ：与某一形状一端相交的几何体； f 4 1 过渡( t r a n s i t i o n s ) ：平滑过渡的相交区域； f 5 ) 面域( a r e af e a t u r e s ) ：定义在某一面上的二维要素： ( 6 1 变形( d e f o r m a t i o n s ) ：变形操作，如弯折和拓延等。 s h a h m 。s 】等人提出广义特征的概念，并认为产品信息由五大类特征信息所组 成，这种分类方法能比较完善地描述零件信息，他们提出的五大类特征为： ( 1 ) 形状特征( f o r mf e a t u r e ) ：描述产品的几何形状； ( 2 ) 精度特征( p r e c i s i o nf e a t u r e ) ：描述形状尺寸大小的允许变动量： f 3 ) 技术特征( t e c h n o l o g i c a lf e a t u r e ) ：描述零件技术特性； f 4 ) 材料特征( m a t e r i a lf e a t u r e ) ：描述材料性能及其热处理方式与条件； ( 5 ) 装配特征( a s s e m b l yf e a t u r e ) ：描述零件相关方向、作用面、配合关系。 12 2 3 特征建模方法 在几何建模背景下，有许多创建特征模型的方法，主要可分为特征交互定 义、特征自动识别和基于特征的造型等三种。 ( 一) 特征交互定义( i n t e r a e t jv ef e a t u r ed e f i n i t j o n ) 早期的造型系统一般采用特征交互定义方式来支持系统的特征信息。在这 种结构中，设计人员首先进入传统的实体造型系统，通过系统支持的几何形体 操作构造出所需零件的几何形体，随后再进入特征的交互式定义，通过交互的 定义操作将高层的特征信息附加到已有的几何模型上。这种方式实现较为简单， 但有很多缺陷。首先在形体设计中仍以低级的几何操作为主，设计效率较低； 其次，特征交互定义繁琐，而且与几何模型无必然联系，当零部件形状发生变 化时，其特征交互定义工作必须重新进行。 这种方法涉及到的几何模型需要先定义，因此几何模型的数据结构是决定 交互式的特征定义过程的主要因素。在此方法中，所用到的几何模型主要为边 界表示b r e p 模型或c s g 模型。基于b r e p 模型的特征交互式定义主要用于加 工工艺规划和数控刀具轨迹生成 2 9 - 3 1 】。而基于c s g 的特征交互式定义则使用一 种叫做v g r a p h 的数据结构来交互地定义特征1 3 2 - 3 4 】。 ( 二) 特征自动识别( a u t o m a t i ef e a t u r er e c o g n i t i o n ) 在这种方法中，设计人员首先通过传统实体造型系统进行零部件的几何造 型，然后通过一个针对特定领域的特征自动识别系统从几何模型中将所需的特 征识别出来。这种方式避免了用户繁琐的特征交互定义工作，提高了设计的自 动化程度。典型地，特征的自动识别包含以下几个步骤： ( 1 ) 在数据库中进行拓扑和几何模式匹配； 浙江大学博士后研究工作报告 f 2 ) 从数据库中提取被识别的特征； ( 3 1 决定特征的参数； ( 4 ) 完成特征模型： f 5 1 组合单个的特征以获取高层意义上的特征。 在特征的自动识g q 中，不仅采用了基于体的方法，如凹陷体法1 和增量体 法 35 ，还采用了基于曲面的方法。特征的自动识别方法主要有：匹配法 3 6 - 4 0 】，如 图匹配法和句法模式识别法：实体增长法。，1 ：体分解法l ；c s g 树识别法 4 4 - 4 6 。 但是特征识别有如下的局限性：对简单形状识别比较有效；当产品形状复 杂时，特征识别难以实现。特征识别方法虽然可表达形状特征，但特征间的相 互关系定义仍未解决，一些非几何形状信息无法自动获取，要靠交互补充附加 信息。 ( 三) 基于特征的设计( d e s i g nb yf e a t u f e ) 在基于特征的造型系统中，系统通过支持具有特定应用含义的特征为用户 提供了高层次的符合实际工程设计过程的设计概念和方法。采用这种方式大幅 度提高了用户设计效率和设计质量，同时也避免了特征的自动识别，此外，在 设计过程中还可方便地进行设计特征的合法性检查、特征相关性检查以及组织 更复杂的特征。这种方式也是目前特征造型系统的最高实现方式。基于特征的 设计方法也可以被分成下面几种方法： ( 1 ) 特征库法( f e a t u r ed a t a b a s e ) ： 这种方法主要用于工艺选择和操作规划系统的产品数据输入，输入方法主 要采用规范语义的文本方式。当被选择的工艺产生了一种工艺规划方法时，就 可以由高层的信息，如参数、公差和属性等等来驱动推理过程，在这个过程中， 得到实体模型并不是必需的。利用这种方法最有名的系统是h i m a p p ” 。 ( 2 ) 特征分解建模法( d e s t r u c t i v em o d e l l i n g w i t hf e a t u r e s ) ： 这种方法最初源于的a r b a b l 4 7 1 的博士论文。这种方法主要要考虑如下问题： 一般特征的预定义、特征的放置方法、从特征的定义中产生实体和特征的有效 性检验。s t a n f o r d 大学和p u r d u e 大学都是使用这种方法开发了各自的原型系统， 而p t c 公司的p r o e n g i n e e r 也支持这种方法。 ( 3 ) 特征综合法( s y n t h e s i sb yf e a t u r e s ) ： 这种方法允许设计师通过特征的加或减操作来从头开始设计零件。一般特 征依据规则和方法来产生。方法包括特征的实例化、修改、拷贝、删除、实体 模型的创建、参数的定义和特征操作的有效性检查。c h u a n g l 4 ”、s h a h 6 - 1 8 、 o s t r o w s k i t 4 “、r e q u i c h a l 5 0 却t i l o v e ”1 等学者在这方面作了许多工作。 另外，还有许多学者在特征转化( f e a t u r ec o n v e r s i o n ) 、特征匹配( f e a t u r e 6 浙江大学博士后研究工作报告 m a p p i n 9 1 、特征提炼( f e a t u r er e f m e m e n t ) 平d 特征的标准化( f e a t u r e a n ds t a n d a r d i z a t i o n ) 等方面作了许多的工作，在此就不一一赘述了。 1 _ 2 24 c a 叫c a m 的集成1 5 2 s ，1 目前，c a d c a m 集成在技术上存在较大的困难。c a m 需要的是零件的整 体形状、加工特征、公差、粗糙度及其它制造信息，而现有的c a d 造型系统多 是纯粹从几何形状方面来设计零件。为了有效地解决c a d c a m 集成，国内外 提出了各种各样的方法。归纳起来，主要有以下几种方法。 ( 1 ) 基于数据交换接口的c a d c a m 集成方法： 这种方法通过建立专用或标准格式( i g e s ，s t e p ) 数据交换接口来实现数 据共享。基于s t e p 实现数据交换和共享，适用范围广，标准性好，有利于软 件的通用性。它成为c i m s 领域信息集成研究的热点，但由于s t e p 是处在完 善的过程中，因而其应用也受到一些限制。 ( 2 ) 基于特征的c a d c a m 集成方法： 特征具有形状和功能两种属性，它可以有特定的几何形状、拓扑关系、图 形表示方法、制造技术和公差要求等，易于实现c a d c a m 集成。这种方法的 关键是要统一设计时的几何造型特征和制造特征，目前的c a d 系统还不能做到 这一点，而只能采用基于特征识别的c a d c a m 集成方法。 ( 3 ) 基于人工智能的c a d c a m 集成方法： 特征所具有的语义性与复杂性以及特征研究中出现的一些问题如特征识 别、特征映射、不同领域间信息共享等都要求人工智能技术加以解决，建立智 能化特征建模是解决c a d c a m 集成的一个有效方法。 1 2 2 5 c a d 系统的不足 计算机集成制造系统( c n “s ) 、并行工程( c e ) 、敏捷制造( 砧“) 和虚拟制造m ) 等先进制造技术的提出和研究对c a d 系统提出了更高的要求，也暴露了现今商 用c a d 系统的不足： ( 1 ) 多数c a d 系统是一个纯粹的几何建模系统，只能解决产品的二维和三 维的几何描述，不能支持产品设计过程中的多种形式的工程信息。 ( 2 ) c a d 系统能够提供的设计支持限制在详细设计阶段，对于产品的功能分 析和概念设计的支持不力；对于并行工程，这种弊端表现得更为明显。 ( 3 ) c a d 系统都是利用几何约束实现参数化设计的，而实际的产品模型中除 了几何约束外，还有其它一些决定产品特性的数值或非数值约束，特别是一些 经验性知识的约束，目前的c a d 系统还无法处理这些约束信息。 ( 4 ) 不能实现c a d c a m 的无缝集成。尽管在现有c a d 系统平台上开发了 浙江大学博士后研究工作报告 一些专用应用软件包来实现一些诸如加工特征识别、工艺规划和公差分析等功 能，但至今没有通用系统问世。 1 2 3 智能设计【鼬m l 新产品开发( n p d ) 有两种方式，一是根据一个新的概念设计出一种新产品， 另一种是对已有产品进行革新。产品革新可能需要对原有产品的功能、结构进 行调整，这些调整无疑对后续的加工制造带来影响。对于新概念产品的开发， 需要对产品的功能、结构和加工工艺等进行设计。在这两种设计过程中，都有 可能要利用一些经过实践证明较为成功的结构及其工艺和专家知识等。尤其在 n p d 的早期阶段，产品是不完全的，其结构是不完整的，其工艺和质量的信息 是缺乏的，因此，每一步设计决策只能采用经验的方式。但当设计工程师查询 过去的经验或询问专家的意见时，其信息和知识往往是专家个人的特殊经验， 有些知识还很难被新手所理解和运用，因此，必须对搜索到的这些专家经验知 识进行归纳整理，并以适当的方式存入计算机，以便后来的设计者使用，于是， 设计型专家系统就应运而生，这是智能设计的第一步。 专家系统的基本模块包括知识库、推理机和事实库等，设计工程师将设计 要求等一些事实通过人机界面输入到事实库之中，推理机根据这些事实调用知 识库里相关知识进行推理，推理结论就是专家系统的解决方案。因此，知识库 里的知识决定了专家系统的能力，设计型专家系统一般只能解决某一领域的特 定问题，局限于单一知识领域范畴，围绕具体产品设计模型或针对设计过程中 一些特定环节( 如有限元分析或优化设计) 的模型进行符号推理，难以处理多 领域知识或多种描述形式( 如数学、符号等) 的知识。在这种形势下，出现了 一种综合利用多种技术的混合智能系统，它主要有下列四种形式： ( 1 ) 组合式( c o m b i n a t i o n ) ：其典型结构是神经网络和基于规则或模糊规则的 组合。 ( 2 ) 集成式( i n t e g r a t i o n ) ：这种结构常利用三种以上的独立技术，并在独立子 系统之间建立层次结构，如一个子系统可能是支配地位，向其它子系统 分发任务。 ( 3 ) 融合式( f u s i o n ) ：基于有较强数学优化能力的基因算法和神经网络的一 个强耦合的混合结构。 ( 4 ) 关联式( a s s o c i a t i o n ) ：这种结构包括了不同的独立技术，通过对偶基来 交换知识和事实。 并行工程要求在设计阶段就要提前考虑制造、成本、维护、环保等产品生 命周期的所有相关因素，必然涉及到广泛领域及学科的知识，因此，对智能系 统提出了新的挑战，在并行工程的集成环境下开发基于知识的智能并行设计系 浙江大学博士后研究工作报告 统成为众多研究者的研究热点。 1 3 可制造性评价的相关研究 1 31 可制造性问题 产品的可制造性是指产品设计定义与生产工艺能力之间适合度的评价，或 者说是产品设计的质量，即设计的产品是否容易地利用个企业或组织的制造 资源而生产出来。可制造性可以通过产品的加工成本、工时、质量和品种等方 面的指标来反映。 实践证明，不重视产品设计的可制造性是要受惩罚的，尤其是对新产品的 开发( n p d ) 。在工业自动化的今天，最初的生产问题会在机床添置、劳工和订 单等多方面造成巨大损失。在激烈的市场竞争中求生存的企业往往迫切希望加 快新产品的开发，而初始出现的生产问题常常抵消了加速n p d 而节约的时间， 甚至需要更多时间才能逐步加快生产的步伐，从而遗误了市场机会和资金周转， 对企业的形象也造成了非常不利的影响。可制造性较差及其产生的生产问题还 可能影响早期产品的质量和稳定性，损害了早期用户的满意度，也会影响产品 在未来的销售。 可制造性差的长期影响也是很严重的，一些研究者指出，8 0 的生产决策及 其所带来的生产成本是由产品设计决策所决定的，这些设计决策代表了个企 业在降低生产成本、提高价格竞争力方面的最大机会。从国家的角度来看，横 跨9 个工业领域的研究表明，造成法国、日本和美国在劳动生产率方面差异的 一个最重要的因素就是可制造性。 一些理论分析认为，在新产品开发( n p d ) 的早期，由于各种因素都是不确定 的，过早地考虑制造因素可能会导致增加设计的反复和延长开发周期。针对这 一争论，m o r g a n l “l 首先根据所有可能影响新产品可制造性( n p m ) 的因素，提出 了1 7 个假说，然后根据对9 1 项n p d 项目的调查，结论是： ( 1 ) 产品的新颖性、要求加快开发进程、尽早考虑可制造性因素、供应商的 影响、合作的开发环境、上级管理部门的支持等都与n p m 有更密切的联系： ( 2 ) 项目的复杂性、技术的不确定性和外部设计资源的依赖性对n p m 的影 响较少： ( 3 ) 在n p d 中考虑制造因素和供应商的影响可以缓和技术不确定性的影响， 考虑供应商的影响还可以缓和产品新颖性和外部设计资源对n p m 的影响； ( 4 ) 一个更加合作的开发环境可以缓和项目复杂性、产品新颖性和技术不确 定性对n p m 的影响，上级管理部门的支持对于加快项目进度有积极影响。 9 浙江大学博士后研究工作报告 1 。3 2 可制造性评价策略的研究 1 32 1 概述1 9 ) 为了提高产品可制造性，研究者提出了面向制造的设计( d f m ) ，d f m 的基 本思想是在产品的设计阶段就考虑产品在制造阶段的可制造性问题。现在，通 常将d f m 作为实现并行工程的一个重要的方法，但在历史上，d f m 的诞生要 早于并行工程，实际上，正是由于对d f m 的深入研究才导致并行工程的提出。 因此，将d f m 作为一个相对独立的技术进行研究与开发，可以促进并行工程 的推广和实施。 d f m 的目的是在满足用户要求和产品功能的前提下，使设计出的产品易于 制造和装配，降低产品成本，缩短产品开发周期，保证产品质量。因为产品设 计过程中包括产品整体结构的设计和零件结构的设计，产品的制造过程包括零 件的加工和总体装配，因此，常将d f m 区分为面向零件可加工性的设计( d e s i g n f o rm a c h i n i n g ，本文中称为零件d f m ，而将前面的d f m 称为产品d f m ) 和面向 产品可装配性的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，d f a ) 。零件d f m 主要考虑零件的结 构工艺性、加工工艺性、可装夹性、标准化等零件的可加工性分析方面的问题， 并使零件获得最优的材料费用、制造费用和加工时间等。d f a 重点考虑产品结 构的优化、装配工艺性等可装配性问题。 现在的主要问题是，如何在产品设计阶段考虑可制造性因素呢? 即如何实 施d f m ? 传统的一些方法和工具可以辅助设计人员进行设计与制造的集成， 如：内部的生产工艺咨询小组、设计指南、联合开发小组、设计脯造等多部门 领导小组、工作轮换、过程检索、c a d i c a p p c a m 工具、m r p i i 等，实践证 明，这些方法和工具需要人去掌握和