（机械设计及理论专业论文）不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究.pdf

摘要 产品设计丌发的质量和效率直接关系到企业在市场竞争丰的生存和发展，采取以设计 公理为指导的设计方法对提高设计质量和效率具有重要的意义。公理化设计理论以独立公 理和信息公理为理论基础，建立关于设计活动的理论体系，使设计者能够在整个设计过程 中做出正确决策，提高设计工作的效率，增强产品的市场竞争力。论文结合国家自然科学 基金与企业委托项目，对现有不锈钢抛光加工专用装备存在的设计问题进行分析，提出了 不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法，包括基于“之 字映射过程的功能一结构求解 技术、基于独立公理的耦合设计解耦技术和基于信息公理的信息含量优化技术，这些技术 在实际设计开发过程中得到应用。 第一章介绍了公理化设计相关理论及其在国内外的研究现状，结合不锈钢抛光加工专 用装备中存在的问题，分析了公理化设计方法在装备设计开发中的优势，同时对“之 字 映射求解方法、耦合问题分析方法、以及信息含量计算方法等存在的问题进行了分析，给 出了本文的研究内容和组织框架。 第二章结合不锈钢抛光加工专用装备方案设计，给出基于“之 字映射过程的功能- 结构求解技术，对不锈钢抛光加工专用装备进行功能结构分析，总结出四种功能时序关系， 应用于不锈钢抛光加工专用装备的功能分解过程，总结出三种基本功构映射关系，应用于 不锈钢抛光加工专用装备的结构求解过程。 第三章在研究现有不锈钢抛光加工专用装备功能耦合问题的基础上，提出了基于独立 公理的耦合设计解耦技术，对功能时序关系与功构映射关系的联系进行分析，在顺序关系 的耦合设计中应用过渡功能法，在并行关系的耦合设计中应用功能时序关系转换法，并应 用两种方法对现有不锈钢抛光加工专用装备的功能耦合问题进行了解耦。 第四章在研究不锈钢抛光加工专用装备结构优化i 可题的基础上，提出基于信息公理的 信息含量优化技术，给出相对信息含量的计算方法，对满足独立公理的设计方案进行再评 价，进一步研究了减小信息含量的减刚度优化法和结构集成优化法，提出基于设计结构矩 阵的结构集成优化技术，应用于不锈钢抛光加工专用装备的结构优化。 第五章结合企业委托项目，以公理化设计理论为指导，设计开发了不锈钢抛光加工专 用装备。制订了不锈钢抛光加工专用装备公理化设计流程，经过功能分解、结构求解和结 构优化等过程，得到满足设计要求的产品，解决了现有抛光加工装备的跑偏问题和抛光精 度问题。 第六章总结了本文的主要研究内容和成果，并给出了进一步的研究展望。 关键词：不锈钢：抛光；公理化设计；独立公理；信息公理；“之 字映射；耦合；解耦 a bs t r a c t t h ed e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c yr e l a t e dt ot h es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s e si n c h cm m k e t c o m p e t i t i o n i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e 砷i m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c yb y d e s i g n i n gw i t ht h e o r y o nt h eb a s i so ft h ei n d e p e n d e n ta x i o ma n dt h ei n f o r m a t i o na x i o m ， a x i o m a t i cd e s i g nt h e o r ym a k e st h et h e o r e t i c a ls y s t e mw h i c hc a ng u i d e sd e s i g n e r st om a k er i g h t d e c i s i o n i tc a na l s oh e l pt oi m p r o v ew o r ke f f i c i e n c ya n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c t 。 w i t ht h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o na n dc o m m i s s i o n e dp r o je c t so fe n t e r p r i s e s ， t h ed e s i g np r o b l e m si nt h ee x i s t i n gs t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n ta r ea n a l y z e d t h es o l v i n g m e t h o do ff u n c t i o n s t r u c t u r eb a s e do nz i g z a g g i n gm a p p i n g ，t h ed e c o u p l em e t h o d sb a s e do nt h e i n d e p e n d e n ta x i o ma n dt h em e t h o d st or e d u c et h ea m o u n to fi n f o r m a t i o n b a s e do nt h e i n f o r m a t i o na x i o ma r eb r o u g h tu p ，t h e s em e t h o d sa r eu s e di nt h ed e s i g n i n go ft h es t a i n l e s ss t e e l p o l i s h i n ge q u i p m e n t i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e sa x i o m a t i cd e s i g nt h e o r ya n dt h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fi t t h ea d v a n t a g e so ft h ea x i o m a t i cd e s i g ni ns t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n t a r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h ea u t h o rp o i n t so u tt h ep a p e r sr e s e a r c hc o n t e n ta n ds t r u c t u r e i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h es o l v i n gm e t h o do ff u n c t i o n - s t r u c t u r eb a s e do nz i g z a g g i n g m a p p i n gi sb r o u g h tu pw i t hd e s i g n i n gt h es t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n t t h ef u n c t i o n r e q u i r e m e n t sa n dt h ed e s i g np a r a m e t e r so f t h es t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n ta r ea n a l y z e d f o u rk i n d so fr e l a t i o n s h i po ff u n c t i o n so nt i m ea r es u m m e du pt ob eu s e di nt h ep r o c e s so f f u n c t i o nd e c o m p o s i t i o n t h r e ek i n d so fr e l a t i o n s h i po ff u n c t i o n so ns t r u c t u r ea r es u m m e du pt o b eu s e di nt h e p r o c e s so f s t r u c t u r ea n a l y s i s i nt h et 1 1 i r dc h a p t e r , t h ec o u p l i n gp r o b l e m so ft h es t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n ta r e a n a l y z e da n dt h ed e c o u p l i n gt e c h n o l o g yb a s e do ni n d e p e n d e n ta x i o m i sb r o u g h tu p c o n n e c t i o n b e t w e e nr e l a t i o n s h i po ff i m c t i o n so ns t r u c t u r ea n dr e l a t i o n s h i po ff u n c t i o n so nt i m ei sa n a l y z e d t w om e t h o d so fd e c o u p l i n ga r eb r o u g h tu pw h i c ha r eu s e di nd e c o u p l i n gt h ec o u p l ep r o b l e m so f t h es t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n t i nt h ef o r t hc h a p t e r ，t h eo p t i m i z i n gp r o b l e m so ft h es t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n ta r e a n a l y z e da n dt h eo p t i m i z i n gt e c h n o l o g yb a s e do ni n f o r m a t i o na x i o m i sb r o u g h tu p t os o l v et h e p r o b l e mi ni n f o r m a t i o nc a l c u l a t i n g ，t h ew a yo fr e l a t i v ei n f o r m a t i o nc a l c u l a t i n gi sb r o u g h tu p i t i su s e dt oe v a l u a t i o nt h ep r o p o s a lw h i c hc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ei n d e p e n d e n ta x i o m a n dh e l pt oc h o o s et h eb e s to n e t h em e t h o do fs t r u c t u r ei n t e g r a t i o nb a s e do nd e s i g ns t r u c t u r e m a t r i xi sb r o u g h tu p i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ed e s i g n i n go fs t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n ti sm a d ei nt h eg u i d e o fa x i o m a t i cd e s i g nt h e o r yw i t ht h ec o m m i s s i o n e dp r o j e c t so fe n t e r p r i s e s f i r s t l yt h ec o u p l e p r o b l e m so ft h eo r i g i n a le q u i p m e n ta r ea n a l y z e d t h e nt h es t a i n l e s ss t e e lp o l i s h i n ge q u i p m e n t i s n d e c o r e p o s e da c c o r d i n g t ot h em o d e lo fr e l a t i o n s h i po ff u n c t i o n s ，a n dt h ec o u p l er e l a t i o n si sf i n d o u tu s i n 2t h er e l a t i o n s h i po ff u n c t i o n so ns t r u c t u r e t h es a t i s f i e dd e s i g ni sg o t i nt h ep r o c e s so f z i g 殂g g i n gm a p p i n g t h e no p t i m i z et h es t r u c t u r et og e tt h eb e s td e s i g nw h i c h 1 sg u l d e d b y 血i o m 吼i cd e i g 卫t b e e 乃 1 _ p l 也ed e s i g no fs t a i 盘c s ss t c c lp o l i g 缸n ge q u i p m e r _ l t ，t j _ l e “m 1 3 v c i s c l y m r m i n gp r o b l e mi ss o l v e da n d t h ep r e c i s i o no ft h es u r f a c ei si m p r o v e d i nt h el a s tc h a p t e r , t h ec o n t e n t sa n dt h ea c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e ra r es u m m a r i z e d ，a n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o ni sp o i n t e do u t k q 啊o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l ，p o l i s h ，a x i o m a t i cd e s i g n ，i n d e p e n d e n ta x i o m ，i n f o r m a t i o n a x i o m ，z i g z a g g i n gm a p p i n g ，c o u p l e ，d e c o u p l i n g i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。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 江叁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谢意。 学位论文作者签名： ；i 鼋学赢 签字日期：加仍年6 月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 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和传播，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： 签字日期：2 一h 括年 导师签名： 签字日期：跏3 年6 月zo 日 浙江大学硕士学位论文不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 第1 章绪论 i 摘要】介绍了公理化设计相关理论及其研究和应用现状，结合不锈钢抛光加工专用装备中存在 的问题，分析了公理化设计在抛光装备设计开发中的优势，对“之”字映射求解方法、耦合问题分 析方泫、以及信息含量计算方法等存在的问题进行了分析，给出j ，本文的研究重点和组织框架 1 1 引言 随着科学技术的迅猛发展，技术创新成果越来越快地应用到生产实践中，不断地改 变人们的生产生活方式。产品供应的丰富改变了市场的供需状态，以企业产品为核心的 卖方市场逐渐被以客户需求为核心的买方市场所取代。产品的市场生命周期缩短，企业 竞争加剧，全球经济一体化进程加快，知识产权体系日益完善，企业在这样的生存条件 下，必须走自主技术创新的道路。 产品设计是产品创新的主要内容之一，计算机技术和软件技术的迅速发展使计算机 辅助设计软件得到较为广泛的应用，辅助设计软件提高了设计效率，成为设计者必不可 少的设计工具。目前的辅助设计软件能够帮助设计者将头脑中已有的、基本成型的设计 方案表达出来，主要是表达方式上的辅助，而不是设计方法的辅助，所以要从根本上提 高产品设计的效率和质量，必须对产品设计方法进行研究。 产品设计方法是产品设计的具体手段，目前的设计方法包括可靠性设计、精度设计、 优化设计等，这些设计方法主要面向产品的详细设计阶段，难以在概念设计阶段对设计 方案进行评价和决策，而详细设计阶段又很难纠正概念设计阶段的缺陷，严重影响新产 品的开发。目前的产品设计问题一般表述为以经验为基础的演绎、归纳的设计过程，需 要探求以科学原理为基础的产品设计理论，以系统地提高设计方法。 为了寻求有效的工程设计解决方案，系统地改进设计方法，设计理论研究在学术领 域和工业领域日益受到关注。德国k a r s l r u h e 大学“计算机应用设计和生产研究所 的学 者h g r a b o w s k i 教授等人提出泛设计理论( u n i v e r s a ld e s i g n t h e o r y ，简称u d t ) u j ，日 本东京大学人造物工程研究中心吉川弘之等研究提出通用设计理论( g e n e r a ld e s i g n t h e o r y ，简称g d t ) 【2 1 ，前苏联g s a l t s h u l l e r 等提出t r i z 理论【3 】，美国麻省理工学院 机械工程系的n a mr s 曲等提出公理化设计理论( a x i o m a t i cd e s i g n ，简称a d ) 。 1 2 论文研究背景 金属抛光加工在工业上应用广泛，例如抛光后的不锈钢板和不锈钢制品在汽车、炊 具、浴具、火车、电梯、医疗用具、建筑装潢上获得了广泛的应用。设计开发高精度、 高性能的不锈钢抛光加工装备能够有效提高不锈钢制品生产企业在市场中的竞争力。 国内不锈钢抛光加工企业通常引进国外设备，采用测绘、仿制及结构改进的方式， 设计开发专用的不锈钢抛光装备。这种设计方法具有较快的开发效率，但是设计结果经 常会出现问题，例如传送过程中出现跑偏问题、贴膜过程中出现保护膜皱褶问题、抛光 浙江大学硕士学位论文不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 精度较低的问题等，这些问题产生的根本原因是抛光设备的设计建立在经验的基础上， 设计过程没有系统设计理论指导。 公理化设计理论和t r i z 理论都能够提供有效的工程设计解决方案，在设计领域具 有很大的实用性，是学术界研究的热点。t r i z 理论是前苏联g s a l t s h u l l e r 等对世界近 2 5 0 万件发明专利分析研究的基础上提出的，总结出入类进行发明创造解决技术问题过 程所遵循的4 0 个原理和法则，建立了一个能够解决技术问题和实现创新开发的、由各种 方法、算法组成的综合理论体系。公理化设计理论是美国麻省理工学院机械工程系的 n a r ne s u h 等对设计理论经过系统研究的基础上提出的，公理化设计的基本假设是存在 控制设计过程的基本公理。其终极目标是为设计建立一个科学基础，通过为设计师提供 一个基于逻辑和理性思维过程及工具的理论基础来改进设计活动，公理化设计提出了两 个基本公理：独立公理和信息公理，两个公理衍生出其余的定理和法则。 公理化设计理论和t r i z 理论都建立了比较完整的理论体系，能够指导设计者摆脱 经验设计的思维，依照一定的规则和过程，设计出满足功能需求的产品。两种设计理论 相比，存在以下几方面的差异： 1 ) 在理论核心方面，t r i z 认为设计问题的核心是解决矛盾，最有效率的解决方案 是“克服”了矛盾的设计。公理化设计认为设计中存在的耦合是导致较差设计的根本原 因，设计结果必须满足功能独立的要求。 2 ) 在理论基础方面，t r i z 是从2 5 0 万件发明专利中抽出的方法集合，包含分割、 组合、嵌套、部分改变等，这些方法是具体技术问题的指导方针。公理化设计以独立公 理和信息公理为理论基础，推导出相关的定理和推论，定理和推论及具体设计方法用于 指导具体的设计过程，所有的设计结果都必须满足基本公理的要求。 3 ) 在设计求解过程方面，t r i z 侧重于具体的工程设计问题的解决，t r i z 提供一系 列的工具，将工程问题转化为t r i z 问题，通过t r i z 矩阵搜索问题的解决方法，给出 t r i z 建议的标准解和相关设计实例。公理化设计侧重于改进产品的设计过程，从用户域 入手，通过“之字映射，对功能一结构进行分层求解，应用相关定理和推论指导功能 分解和结构选择，得到的设计结果必须满足独立公理和信息公理的要求。 不锈钢抛光加工专用装备中存在的问题大部分在方案设计阶段产生，这些装备从方 案设计开始就需要按照一定的设计流程进行。t r i z 的特长在于局部设计矛盾的解决，能 够对局部功能和结构的优化，但其理论核心是经验的集合，没有建立一种有效的产品设 计机制。公理化设计的特长在于总体设计和流程分解的系统性，具有比较完整的设计方 案评价机制。与t r i z 理论相比，公理化设计理论更适合用于指导不锈钢抛光专用装备 的设计开发。 1 3 公理化设计基本原理与方法 公理化设计是以科学设计理论为指导的一种产品设计方法，由美国麻省理工学院n ps u b 教授在( ( t h ep r i n c i p l eo fd e s i g n ) 一书中提出，受到工程设计领域的广泛关注，国 2 浙江大学硕士学位论文不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 外出现了一些公理化设计理论的研究团体，如m i t 的公理化设计小组、2 0 0 0 年起两年 次的公理化设计国际会议等，公理化设计理论及应用是工程设计领域的热点之一。 1 3 1 “之 字映射求解方法 域( d o m a i n s ) 是公理化设计的基本概念，根据不同的设计活动，可分为四种不同 类型的域，如图1 1 所示。 用户域( c u s t o m e r a t t r i b u t e s ，c a ) 是指用户需求的集合。 功能域( f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，f r s ) 是满足用户需求的一系列的产品功能的集合。 结构域( d e s i g np a r a m e t e r s ，d p s ) 是满足功能需求的产品物理结构的集合。 过程域( p r o c e s sv a r o a b l e ，p v s ) 是满足结构需求的结构生成过程的集合p j 。 映 炱 用户域 功能域结构域 过程域 图i 1 公理化设计中的域 相邻两域之间通过“之字映射完成产品设计，如图1 2 所示。“之字映射 ( z i g z a g g i n g ) 可分为映射和分解两个过程。从功能域到结构域的“之 字映射首先使 高层的功能需求f r 映射到结构域的d p ，在钟的指导下鳅分解为f r 。和瞅2 ，豫l 与 f r ：在结构域中寻求满足它们需求的础和必，以此类推，直到得到满足需求的结果 功能域 结构域 图1 2 “之”字映射模型 3 浙江大学硕士学位论文 不锈钢抛光加工专用装各的公理化设计方法研究 1 3 2 设计公理、定理及推论 设计公理是公理化设计理论的基本内容，是公理化设计定理和推论的理论依据。公 理化设计包含独立公理和信息公理两个设计公理。 独立公理：保持功能需求独立。当有两个或更多袱s 时，设计结采必须是能谚满足 f r s 中的每一个而不影响到其它的f r s 。必须选择一组正确的d p s 去满足f r s 才能实现 豫s 的独立性。功能独立与物理结构独立不同，功能独立要求各个功能相互独立而不要 求各个物理部件的独立。 信息公理：使设计中的信息含量最小。它说明在那些满足独立公理的设计中，具有 最少信息含量的设计就是最好的设计。因为信息含量是由概率确定的，所以第二公理同 时也说明了具有最高成功概率的设计是最佳设计【6 l 。 公理化设计定理是在独立公理和信息公理基础上建立的，可以直接用于评价设计方 案，对于耦合问题和信息含量优化问题的研究具有重要的意义。 定理1 ( 由于d p s 数目不足的耦合) 如果d p s 的数目小于f r s 的数目，就会产生耦 合设计或者f r s 得不到满足。 定理2 ( 耦合设计的解耦) 如果由于f r s 的数目比d p s 的数目大( m n ) ，而导致耦 合设计，那么只要设计矩阵的一个包含r l 玎个元素的子集构成一个三角阵，就可以增加 新的d p s 使得f r s 和d p s 数目彼此相等来解耦。 定理3 ( 冗余设计) 当d p s 的数目大于f 胎数目时，设计是一个冗余设计或者是一 个耦合设计。 定理4 ( 理想设计) 在理想设计中，d p s 数目等于f r s 数目，并且f r s 总是保持相 互独立。 定理5 ( 新设计的需要) 当f r s 改变时，必须更新原来的d p s ，以满足新的设计要 求。 定理6 ( 无耦合设计的路径独立性) 一个无耦合设计的信息含量与为满足一组给定 的f r s 而改变d p s 的先后顺序无关。 定理7 ( 耦合设计和解耦设计的路径依赖性) 耦合设计和解耦设计的信息含量依赖 于为满足一组给定的f r s 而改变d p s 的先后顺序。 定理8 ( 独立性和兼容性) 当设计师规定的范围大于 r ，、 i 争墼肼，i l 蒿畔。j 时，设计是一个无耦合设计，在这种情况下，设计矩阵的非对角线元素可以从设计考虑 中省略。 定理9 ( 可制造性设计) 为使一个产品具有可靠和强健的可制造性，产品的设计矩 阵 a 】乘以制造过程的设计矩阵【b 】必须提供一个对角矩阵或一个三角矩阵【7 j 。 4 浙江大学硕士学位论文不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 公理化设计的推论是由设计公理和设计定理经过推导得到的，直接指导耦合问题的 解耦和减小信息含量的优化。 推论1 ( 耦合设计解耦) 如果设计中功能要求f r s 是耦合的或相互依赖的，则将解 里面的一些部分或方面解耦或分离。 推论2 ( f r s 的最小化) 使f r s 和约束的数目最小化。 推论3 ( 物理部件的集成) 如果在所提议的解中其f r s 能够独立得到满足，则应将 设计的功能部件集成到一个物理部件中。 推论4 ( 标准化的使用) 如果使用了标准件或可互换件仍能符合f r s 和约束的要求， 则应采用标准件与可互换件。 推论5 ( 对称性的使用) 如果采用对称形状零部件仍能满足f r s 和约束的要求，则 应尽量采用对称形状零部件。 推论6 ( 设计范围最大化) 应使f r s 所允许的设计范围最大化。 推论7 ( 较少信息量的无耦合设计) 寻求一个满足一组f r s 所需信息比耦合设计所 需信息少的无耦合设计。 1 4 公理化设计方法研究现状 1 4 1 公理化设计方法理论研究 公理化设计方法的研究主要围绕“之 字映射理论、独立公理和信息公理三个方面 展开。 在“之 字映射理论研究方面，d l i n d h o l m 等【8 】结合设计过程的决策问题研究公理 化设计理论，根据设计分解的过程进行推理，得到设计决策树；d u k h y u nc h o i 等 9 1 对公 理化设计理论进行了讨论，提出了非线性设计思想及基于流程图的系统结构表示方法； m a s a y u k in a k a o 等【lo 】通过研究公理化设计“之 字映射过程，提出了创造性设计引擎 ( c r e a t i v ed e s i g ne n g i n e ) 的概念；谭建荣等【1 1 , t 2 研究了配置设计中存在的基本映射单元 类型，对配置设计的产品特征与配置变量的映射关系进行了归纳与总结，针对产品配置 设计过程中存在的客户和设计者之间交互语义一致性以及功能域与结构域之间映射等问 题，应用事物特性表技术，通过规定产品信息的数据格式使产品数据能在不同系统之间 进行交流，提出基于事物特性表的产品需求信息元方法，构造了面向配置设计的功构模 型；林志航等【1 3 , 1 4 在“之字映射的基础上，提出域结构模板的概念，建立基于域结构 模板的概念求解模型，对公理化设计进行了扩展，根据产品概念设计的特点，总结了概 念设计过程中普遍存在于功能、行为和载体之间的七种基本映射单元类型，通过建立不 同基本映射单元类型之间的逻辑关系，构造了多层次混合映射功能求解模型。 在独立公理研究方面，m a s a y u k jn a k a o 等【1 5 】结合注塑模设计研究独立公理，提出了 基于用户功能需求的设计决策管理方法；朱钧等【1 6 1 基于公理化设计讨论了并行设计过程 和并行设计框架，提出产品并行设计的实施策略；朱如鹏等【1 7 j 将公理化设计与并行设计 浙江大学硕士学位论文 不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 相结合，建立了基于公理化设计理论的并行设计系统模型，用并行设计方程和并行矩阵 来描述产品并行设计；肖人彬等【1 8 】针对公理设计过程中出现的耦合设计问题，提出了结 构化的耦合设计分析方法，为产品设计提供了有效的解决方案。 在信息公理研究方面，y o n gr a km o o n 等【1 9 】对信息公理进行了研究，开发了设计评 估工具d e m ( d e s i g ne v a l u a t i o nm a c h i n e ) ；谭建荣等 2 0 】针对现有模糊聚类方法在粒度划 分实现中存在的问题，结合产品配置过程中需求映射及实例映射特点，根据公理化设计 原理探讨了基于信息熵的聚类评价函数构造；肖人彬等【2 1 1 针对产品设计过程中方案评价 的特点，提出了基于模糊信息公理的设计方案评价方法，利用信息公理与模糊数学原理将 模糊信息数值化，在不必给出各评价指标权重的情况下，确定各指标的设计范围和系统范 围，通过计算各指标的信息量，求出每个方案的总信息量，根据用户需求，可以修改各评价指 标的设计范围，得到满足不同偏好的满意方案，使整个评价过程更加灵活。 1 4 2 公理化设计方法应用概况 在理论综合应用方面，g a b r e l e a r c i d i a c o n o 等【2 2 】结合f i a t 汽车车门设计，研究了公 理化设计方法在产品可靠性设计中的应用；r a l f l o s s a c k 等【2 3 j 研究了各工程域间的集成， 提出基于公理化设计的通用设计理论( u n i v e r s a ld e s i g nt h e o r y ) ：j i meb a x t e r 等雠1 结合 汽车底盘设计，研究了公理化设计在供应链设计过程中的应用；p e t e ra l m s t r o e m 等瞄圳研 究了公理化设计在制造系统开发方法g e r a m ( g e n e r a l i s e d 4 e n t e r p r i s er e f e r e n c e a r c h i t e c t u r ea n dm e t h o d o l o g y ) 中的应用；sb i r g im a r t i n 等【2 6 】研究了公理化设计在企 业级电子商务策略中的应用；b a s e r n e i h a i k 等【2 7 】结合汽车变速箱设计，研究了公理化设 计和鲁棒设计在结构优化中的应用；p a u lc l a p i s 等【2 8 】对面向对象的公理化设计应用进行 了研究；冯毅雄等【2 9 】提出符号单元的概念，建立了支持公理化设计的符号对象数据模型； 钱晓明等【3 0 】针对公理化设计矩阵与设计结构矩阵之间的互补性特点，提出了公理化设计 矩阵与设计结构矩阵同步演化的设计思想，并研究了同步演化的内在机制，提出复合矩 阵的橛念；周恺【3 i 】引入公理化设计思想，采用基于功能一结构模型的装配尺寸链生成方法， 开发了计算模块，能够快速得到产品的装配尺寸信息。 在产品设计应用方面，m a h m o u dh o u s h m a n d 等 3 2 】研究了公理化设计在汽车车身装 配线设计中的应用；k e ehi m 等【3 3 j 研究了公理化设计在s v u ( s p o r t su t i l i t yv e h i c l e s ) 提 升机构中的应用；h y u n g y i ll e e 等【3 4 】在汽车多壳结构分析中引入公理化设计思想实现了 结构的优化设计；高德平等【3 5 】通过对公理化设计基本概念和设计过程的研究，将公理化 设计应用于柴油机曲轴设计，并建立了曲轴设计的系统框架；杜正春等【3 6 j 用公理化设计 理论指导设计过程，给出了轿车门窗封条端头冲切工位的设计；檀润华等1 37 j 以公理化设 计为框架，对闸阀结构进行了分解，利用独立公理进行设计合理性分析，提出一种基于 公理化设计的闸阀部件设计顺序；李克彬掣3 8 】利用公理化设计理论分析了茶叶加工过 程，针对茶叶加工设备的设计问题，提出应用公理化设计理论设计茶叶加工设备，并给 出了新型扁茶叶加工设备的原理图：程贤福等【3 9 】应用公理化设计理论，对起重机起升机 6 浙江大学硕士学位论文不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 构的设计过程进行分析，给出了起升机构的功能要求与设计参数间的映射与分解过程； 师忠秀等【4 0 1 应用公理化设计理论建立机械产品创新设计框架模型，应用于停车档的再设 计中，得到满足客户需求的新产品，解决了原有产品存在的问题。 1 5 不锈钢抛光加工专用装备公理化设计圃ij 题的提出 j ， 一iw jr i jj j o ，o ，j 一，i j 帆田“，工i u ，i肥h jj k 叫 1 5 1 现有公理化设计相关设计技术存在的不足 公理化设计以科学公理为基础，力求改变以经验为基础的设计现状，但是目前公理 化设计技术还不够完善，主要有以下几个方面不足： 1 ) 公理化设计的功能结构求解过程中，功能分解过程缺少相应的技术指导。 公理化设计提出的“之”字映射过程包括功能分解和结构映射两个步骤。目前这方 面的研究主要集中在结构映射方面，对于功能分解过程的详细研究较少，而功能分解过 程是功能一结构求解的重要组成部分。公理化设计的功能分解过程中包含功能、子功能、 结构和子结构的相互关系和相互作用，对这一过程的深入研究能够改进功能结构求解技 术，拓展公理化设计的理论研究方向。 2 ) 公理化设计的耦合问题分析技术角度单一，解耦方法应用范围受到限制。 功能耦合问题的分析和解决是公理化设计方法研究的重要内容。目前对公理化设计 功能耦合问题的研究主要集中在设计矩阵的角度，而实际的功能与功能之间存在多方面 的关系，除了结构上的联系，还包括时间上和逻辑上的联系。从多个角度分析耦合问题， 有利于更多解耦方法和策略的提出。 3 ) 公理化设计的信息含量计算需要详细设计参数，限制了在概念求解阶段的应用。 信息公理是公理化设计的两大基础理论之一，但是目前这一领域的研究没有被足够 重视，信息含量的计算方面一直沿用传统的概率计算法，限制了信息公理在概念求解阶 段的应用。研究概念设计阶段的信息含量计算方法对扩展公理化设计理论的应用范围具 有重要意义。 1 5 2 不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计思想 不锈钢抛光加工专用装备由多台设备组成，包括放卷机、抛光机、贴膜机和分切机。 不锈钢板在各台机器间传送，分别完成放卷、抛光、贴膜、切断等加工工序。各台机器 需要相互配合才能很好得完成加工任务，整条生产装备要求物料传送稳定、抛光精度高、 整体坚固耐用、加工成本低廉。 不锈钢抛光加工专用装备的设计比般加工机械的设计要求更高，它的设计精度要 求更高、耐腐蚀性要求更强、装备之间的动作配合更精确、操作性更灵活。经验设计难 以达到设计要求，必须采用公理化设计方法。 企业原有不锈钢抛光加工专用装备存在传送跑偏、贴膜皱褶、抛光精度难以提高等 多方面问题，这些问题的产生与概念设计阶段的设计方案有很大的关系，局部的优化难 以从根本上解决这些问题。针对多台装备的配合问题，需要研究功能。结构求解技术，在 7 浙江大学硕士学位论文不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 概念设计阶段应用公理化的设计方法；针对装备可能存在的功能耦合，需要研究局部功 能耦合的分析和解耦技术，解决局部耦合问题；针对抛光精度要求，需要研究信息含量 优化技术，减小功能误差，提高装备的精度。 1 凇奇z 六巾泰t z 毒士士钿 i u ，乙入w i7 乙i ，丁甘d ：目a i i - 1 a i j 1 6 1 论文研究内容 本文研究了国内外公理化设计相关理论及应用，结合企业委托项目，分析了不锈钢 抛光加工专用装备传送跑偏和抛光精度较低等问题，将公理化设计方法应用到抛光装备 设计开发中，对以下内容进行了研究： 1 ) 不锈钢抛光加工专用装备的功能结构求解技术 “之 字映射包括功能分解和结构映射两个过程。本文深入研究功能分解过程，分 析了功能、结构以及子功能在分解过程中的约束作用，将功能时序关系应用于功能分解 过程，对“之 字映射过程进行阶段划分，给出各个阶段的求解目标，明确概念设计阶 段功能结构求解的终止条件。在“之”字映射功能结构求解模型的基础上，对不锈钢 抛光加工专用装备中的放卷机进行功能结构求解。 2 ) 不锈钢抛光加工专用装备的耦合设计解耦技术 独立公理为不锈钢抛光加工专用装备设计方案优劣提供了评价标准，指出不满足独 立公理的设计必须进行解耦。将功构映射关系应用于抛光机主轴的功能解耦，从功能时 序关系的角度分析不锈钢抛光加工专用装备的耦合问题，提出过渡功能法和功能时序关 系转换法两种解耦方法。 3 ) 不锈钢抛光加工专用装备的信息含量优化技术 信息公理对满足独立公理的设计方案给出了评价标准。本文研究了解耦关系对功能 需求的影响，提出面向公理化设计概念求解过程的相对信息含量的计算方法，用于不锈 钢抛光加工专用装备概念设计阶段的方案评价和选择，在研究设计结构矩阵的基础上， 提出基于设计结构矩阵的d p s 集成优化方法。 1 6 2 论文结构框架 论文共分六章，按图1 3 所示方式组织。第一章绪论；第二章结合不锈钢抛光加工 专用装备中放卷机的设计，提出基于“之”字映射过程的功能结构求解技术；第三章研 究了现有不锈钢抛光加工专用装备的设计耦合问题，提出基于独立公理的耦合设计解耦 技术；第四章研究了不锈钢抛光加工专用装备的结构优化问题，提出基于信息公理的信 息含量优化技术；第五章结合企业项目，应用公理化设计方法设计开发了不锈钢抛光加 工专用装备；第六章总结全文。 8 浙江大学硕士学位论文 不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 第二章不锈钢抛 p 光加工专用装备辫j 光加工专用装备隧 光加工专用装备 的功能一结构求 的耦合设计解耦辫 的信息含量优化搦 解技术 技术豳7 技木 臻 妙瀚之乡妙 第五章 不锈钢抛光加工专用装备设计开发应用 寓 ”表示： f r = f r 】 f r 2 ( 2 7 ) 图2 3 顺序关系 2 并行关系，两功能的同时发生作用，如图2 4 所示。并行关系用“x 表示： f r = f r l f r 2 ( 2 8 ) 浙江大学硕士学位论文 不锈钢抛光加工专用装备的公理化设计方法研究 图2 4 并行关系 3 选择关系，两功能按条件选择执行，如图2 5 所示，选择关系用“ 表示： f r = f r l f r 2 ( 2 9 ) 图2 。5 选择关系 5 反馈关系，两功能的输出互为输入，如图2 6 所示，反馈关系用“ ”表示： f r = f r l f r 2 图2 6 反馈关系 ( 2 1 0 ) 2 1 2 2 功能结构求解的终止 “之”字映射求解过程可以分为概念求解和参数求解两个阶段。在概念求解阶段， 设计的目标是寻找基本结构。参数求解阶段的任务是获取基本结构的详细参数，从而得 到可实施的设计。 基本结构是指能够满足基本功能需求的结构。所谓基本功能，在机械设计领域内是 指定位功能、支撑功能、联接功能、提供动力功能、传动功能等能由零部件直接实现、 可以直接获得参数的功能。 基本结构包括能够满足定位功能的各种型面，例如“v 型面可以实现圆柱体的定 位功能；满足支撑功能的轴承和支架等；满足联接功能的键联接和螺栓联接等；满足动 力功能需求的电机、气缸等；满足传动功能的带传动、链传