并行设计中制造特性的评价及决策沈学峰

1、毕业论文论文题目：并行设计中制造特性的评价及决策 系 部： 机 电 工 程 系 专业名称： 机 电 一 体 化 班 级： 06532 学 号： 53 姓 名： 沈学峰 指导教师： 韩京海 完成时间： 2009 年 5 月 20 日摘要并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。并行设计更强调在产品开发的初期阶段，就考虑产品的工艺规划、制造、装配等环节的影响，从而达到缩短产品开发周期，降低成本，提高产品质量的目的。因此对并行设计中诸设计方案作出评价是并行设计的重要研究内容之一。本文在分析产品并行设计评价现状的基础上，研究了产品并行设计中

2、决策活动的特点，建立了并行设计中制造特性的评价模型。基于该评价模型，建立了产品设计评价指标体系框架。分别采用基于定性和定量相结合的评价方法、基于规则的评价方法，对毛坯、可加工性、结构工艺性进行了分析和评价。关键词：并行设计，制造特性，方案评价与选择AbstractThe concurrent design is one kind (including design process of manufacture and related support process) carries on parallel and the integrated design systematization wo

3、rking pattern to the product and the related process. The concurrent design stressed that in product development's initial period stage, considers link's and so on product craft plan, manufacture, assembly influences, thus achieves the reduction product development cycle, reduces the cost, i

4、mproves the product quality the goal. Therefore various design proposal makes the appraisal to the concurrent design in is one of concurrent design important research contents. This article in the analytic product concurrent design appraisal present situation's foundation, has studied in the pro

5、duct concurrent design the decision making characteristic, established in the concurrent design to make the characteristic evaluation model. Based on this evaluation model, has established the product design evaluating indicator system frame. Uses the assessment method which, based on the rule asses

6、sment method separately unifies based on qualitative and the quota, to the semifinished materials, the machinability, the structure technology capability has carried on the analysis and the appraisal.Key word: Concurrent design, manufacture characteristic, program evaluation and choice目 录1绪论41.1支持并行

7、设计的方法41.2评价决策方法和工具52并行设计中制造特性的评价及决策62.1毛坯选择与评价62.2可加工性评价6基于制造约束的可加工性定性评价7基于模糊综合评判的可加工性定量评价112.3结构工艺性评价13零件的结构工艺性分析13基于规则的结构工艺性评价182.4产品的可装配性评价18产品可装配性评价的指标183结论21参考文献221绪论并行设计是一种对产品及其相关过程进行并行和集成设计的系统化工作模式。并行设计是在设计阶段就综合考虑产品生命周期中工艺、制造、装配、测试、维修等环节的因素，及时全面地评价产品的设计，及时反馈改进意见，及时改进产品设计，使得产品设计、工艺设计、制造一次成功，以达

8、到降低产品成本，提高产品质量和缩短开发周期的目的。与传统的串行设计模式相比，并行设计中同一时刻内可容纳更多的设计活动，使设计活动尽可能地并行进行，以此来减少整个设计过程的时间。在并行设计模式中，如图1-1所示，各阶段在时间段上有一部分相互重叠。需求分析产品生命特征设计、工艺设计结构设计制造、装配方案设计工程分析销售服务方案论证设计反馈加工反馈市场反馈图1-1 并行设计模式本课题在对评价系统需求分析的基础上，拟建立并行设计中制造特性评价体系。分析产品并行设计中决策活动的特点，建立并行设计中制造特性评价系统的体系结构。着重对评价系统中毛坯评价、可加工性评价、结构工艺性评价、可装配性进行分析和评价。

9、1.1支持并行设计的方法并行设计要求在设计阶段就要考虑产品全生命周期的各个环节。为此人们对并行环境下的产品设计理论与方法进行了研究，主要包括设计方法、建模技术、计算机辅助评价及决策技术5。针对设计方法，基本上可分为两大类：一类是通过人员协同集成实现并行化；另一类是通过知识协同集成实现并行化。所谓建模技术就是建立产品模型，在计算机环境下，并行设计必须建立一个能够表达和处理有关产品生命周期各个阶段所有信息的统一产品模型。1.2评价决策方法和工具在并行产品设计中，设计者们经常需要进行各种方案的优劣判断、比较和选择。为了保证产品设计取得成功，研究者们对产品设计中的评价方法进行了研究，以提供一套科学有效

10、的评价方法来辅助设计者对设计的结果进行评价，为设计者的决策提供帮助。(1) 面向产品某一方面性能的评价并行工程强调在产品设计过程中特别是产品设计的早期就充分考虑从产品的构思到产品最终报废的整个生命周期内的全部问题。为了达到此目的，需要从可制造性、可装配性、可维护性、可靠性、环境保护等各个角度对产品设计进行考虑。 (2) 面向个体的产品综合评价在产品开发过程中，除了面向制造、装配等特定角度的评价外，还需要综合考虑各种因素对产品方案进行综合评价，以确定其整体的性能，这是一种综合评价。 (3) 面向群体的综合评价方法产品并行设计中所面临的许多评价问题往往是十分复杂的，仅靠单个决策者往往很难、甚至不能

11、做出合理的评价，有必要集中一群人的智慧来进行群体评价。目前应用的群评价法有两类，一类是将个体评价法进行合成，另一类是将个体评价结果进行合成。加权求和法是最常用的将个体评价结果进行合成的群评价法，即将各个专家的评价结果按专家的权重加权求和获得群的综合评价。2并行设计中制造特性的评价及决策2.1毛坯选择与评价毛坯的选择是产品并行设计中的一项重要内容。因为毛坯的种类及其不同的制造方法，对零件的质量、加工方法、材料利用率、机械加工劳动量和制造成本等都有很大的影响，这就要求对零件制造所需的材料和工艺的组合进行系统的、早期的选择，然后根据各种判据对这些可行的材料工艺组合的经济性进行评价，从而为设计者的设计

12、决策提供支持。毛坯的评价是在毛坯的加工方法和材料都已经选择好了之后，评价它们是否满足毛坯的性能要求：即抗拉强度、硬度、成本、尺寸公差等级、零件数目、重量、以及材料的切削性、焊接性和抛光性是否满足要求。因此本文将毛坯评价模块分为两个部分：对所选毛坯材料的属性进行评估，对所选加工方法的精度以及批量等属性进行评估。毛坯评价流程图如图2-1所示。2.2可加工性评价我们认为，可加工性评价是有层次的，一般可以有定性和定量两种评价，前者只做出是或否的判断，即判断出所设计的特征和零件能否有目前的制造环境顺利加工出来；而后者则可以进行优化选择，即如果满足当前特征的加工设备有多种，可选择出成本最低的加工链和最为经

13、济有效的设备(如机床、刀具等)。对于定性评价，我们可以基于约束规则对组成零件的单个特征和零件总体分别进行可加工性验证；而对于定量评价，由于设备选择是一个复杂的优化过程，它受到多种因素的影响，我们采用多因素评价的方法，建立加工设备的优选模型，并用权重值表示各影响因素的相对重要性；在这里我们运用层次分析法确定各因素的权重，用“专家”知识进行校验。其评价流程如图2-2所示。综上所述，我们的策略是首先进行定性评价，如果零件不满足可加工性，则直接报告给用户提示修改；若满足可加工性且加工设备不唯一，则进一步进行定量评价，优选出加工设备。下面分别予以介绍。加工方法评价图2-1毛坯评价流程图输入毛坯评价信息获

14、得所选材料的抗拉强度、费用、类型等信息材料是否适合用所选加工方法加工强度是否满足条件硬度是否满足条件材料成本是否符合要求材料可加工性是否符合要求给出评价结果和修改建议获得所选加工方法适合的批量，最大重量及其精度判断各属性是否达到指定要求毛坯材料评价2.2.1基于制造约束的可加工性定性评价2.2.1.1制造约束分类制造约束是制造环境对零件结构、尺寸、精度等属性的约束，满足制造约束的零件能够由当前的制造环境经济方便的制造出来。在这里我们把制造约束分成以下四类：(1)几何约束。由于大多数CAD系统允许设计人员交互地定义这些几何拓扑关系，所以它们可以以参量的形式包含在形状特征中，不属于本文的研究范围。

15、(2)加工资源约束。加工资源约束包括机床类型约束、刀具约束和夹具约束。(3)加工条件约束。它包括冷却剂和冷却方法的选择、切屑的排除方法等。(4)加工检测约束。设计具有复杂几何形状的零件时，从设计开始就应考虑其检测方法，这就是加工检测约束。本文主要考虑加工资源约束。图2-2 可加工性评价流程图2.2.1.2 制造环境对零件的约束零件是由特征以适当的方式组合而成的，而每一特征都与相应的加工方法和加工设备相对应，所以制造环境对零件的约束就转化为制造环境对组成零件的单个特征和总体特征的约束。在零件设计过程中，其任一特征均应满足以下条件：(1)有相应的加工机床满足被加工特征的形状、尺寸、精度要求，同时零

16、件的外轮廓尺寸应在机床允许范围之内；(2)有相应的加工刀具满足特征的要求。例如加工键槽、越程槽、中心孔等特征时都应存在相应的定尺寸刀具；(3)存在相应的夹具将零件准确的定位和夹紧22。23，对于具体型号的车床，都有相应的最大加工直径、最大加工长度等限制。2.2.1.3 制造约束的规则表示约束的表达方式包括约束方程、规则等24。就制造环境对零件的约束而言，除了对零件上的各特征的尺寸、空间位置的约束外，还包括对某些辅特征(如退刀槽)使用的合理性等语义方面的约束，这些约束中包含了那些难以量化的经验，因此用约束方程的办法来统一表达是相当困难的，而使用规则和推理可以统一地表达和处理制造约束。约束以规则形

17、式存储在约束库中，而且随着设计经验的不断丰富和制造技术的发展，可以向约束库中加入更多的约束规则，使系统越来越完善。为了建立制造约束规则，必须建立加工设备与特征的关系，它们是通过加工方法联系起来的，根据这一关系和现有的制造设备的加工能力，建立以零件模型为基础的制造约束。通过加工方法，建立起加工设备与特征的关系，然后根据现有的加工设备确定设计时可用的特征集，即特征类型的集合。特征集确定后，就可以根据每种设备的加工能力，确定与之对应的对特征属性值的约束，即规定了一种特征由某种加工设备加工时，该特征各属性值的范围。例如，对于圆柱面，它的直径、长度等属性值的取值范围是与具体加工设备的特性相关的。诸多的约

18、束形成规则库，规则库中的规则包括以下五类：a)特征规则库，它包含所有现有设备能加工的特征，以及对每种特征的属性值的约束的规则；b)特征组合规则库，它包含进行特征组合时所受的约束的规则；c)加工方法规则库，它包含有关特征对应的加工方法的规则；d)加工设备规则库，它包含有关提供各种加工方法的加工设备的规则；e)特征加工方法加工设备关系规则库，它包含联系特征、加工方法及加工设备之间关系的规则。最后三个规则库是系统指出特征上可能存在问题的原因及回答用户对制造资源的查询时所需要的。可加工性评价是从特征和零件两个层次进行的，首先对已设计的所有特征进行可加工性评价，判断其加工性；其次根据所设计零件的总体信息

19、来评价零件的可加工性。为了实现可加工性评价，通过对设计经验、机械加工工艺手册以及工厂设备环境进行分析、归纳与整理，将其总结成规则的知识表达形式，构造出可加工性评价规则集。(1) 单个特征可加工性评价通常在设计时只使用给定的特征类型(包括可制造的用户自定义特征)，这样制造环境对特征类型的约束就不必描述了。对特征属性值的约束与加工它的具体设备有关，能加工某种特征的不同设备对它的要求通常是不同的。根据特征加工设备的关系，依次列出每种特征把它代入一系列相应的约束规则中，如果它不满足任何一个约束，说明它的属性值超出了制造约束规定的范围；反之，若有多个约束规则满足，则该特征是可制造的，但加工方法或加工设备

20、不唯一，这时满足约束的这些设备则构成设备候选集(或称因素集)，可以通过后面的二级模糊综合评判方法进行优选(详见后)。以孔为例，其约束规则一般表示如下：If (评价对象：孔)(特征ID号：03)(特征直径D：55)(零件材料M：Steel)(零件批量：单件小批)(位置精度：高)(特征精度IT：8 )(特征粗糙度Ra：1.6)(表面处理：NULL)(加工方法：钻或镗)Then (评价结果：不能加工) (原因：不能满足位置精度要求) (修改建议：考虑选择配钻或降低位置精度要求)(2) 零件总体可加工性评价当所有单个特征通过后，需对零件总体进行可加工性评价，依照零件的总体特征和各种加工方法，判断零件能

21、否被加工，其规则举例如下：If (零件最大直径D：400)(零件最大长度L：800)(加工方法：外圆磨) Then (评价结果：不能加工) (原因：L>Lmax磨床，磨床无法装夹) (修改建议：外协或减小零件长度)。例如：车间1有车床C616A，CA6140，磨床M1010，M1040；一直径为45、长度为38、粗糙度为0.632.5、精度等级为7级的外圆柱面，在该车间加工。其中系统知识库加工规则为：IF (特征：特征类型：圆柱面，圆锥面，端面；材料：优质碳素钢，普通碳素钢，铸铁；热处理：无；粗糙度：0.81.6；精度等级：68)THEN 方案1：粗车，半精车，精车方案2：粗车，半精车，

22、磨而评价规则为：IF (工序：车，范围：车间1，资源：机床)THEN (搜索)评价：方案1可行。方案2不可行，排除。原因：方案2中：特征直径(45)>磨床的最大加工直径(40)建议：可适当改小零件直径。重新评价。IF (直径改为34)THEN (搜索)评价：两方案可行。2.2.2基于模糊综合评判的可加工性定量评价本文以刀具优选为例进行说明。首先将刀库中的刀具进行分类，例如对于回转类零件，将刀库中的刀具分为五大类:1)平面加工刀具；2)圆柱面加工刀具；3)槽加工刀具；4)光孔加工刀具；5)螺纹孔加工刀具。其中孔类加工刀具可以根据直径的大小再细分成子类，每类刀具形成一个候选刀具集。优选刀具时

23、，根据待加工特征类别和尺寸，选择相应候选刀具集。 设候选刀具集为:影响刀具选择的因素按属性分为两个层次。质量、效率和成本是选刀的优化目标，把它作为第一层影响因素；第二层影响因素可以有很多，为说明问题起见，我们把选定待加工特征的尺寸、所要求的表面粗糙度及工件材料特性作为刀具选择的第二层次影响因素。当刀具选择的优化目标为质量时，用影响刀具选择的第二层次的三个影响因素，对候选刀具集进行评价，可得到评价矩阵：评价矩阵中的表示当优化目标为质量时，第j把刀具在因素i下的隶属度。为均衡各影响因素的相对重要性，建立各因素的权重分配，即第二层次的加工特征尺寸、表面粗糙度和工件材料特性因素对质量的“贡献程度”。设

24、为:则优化目标为质量时，候选刀具集的评分集为其中，合成运算“”的选择采用M模型(加权平均模型)。 该模型对所有因素依权数的大小均衡兼顾，相比其它合成运算的模型，具有更大的优越性，比单纯的“取小取大”模型更符合本文的刀具选择实践。按同样原理，可得到优化目标分别为效率和成本时，候选刀具集的评分集为；则候选m把刀具总的评分集为式中，(wq，we，wc)为均衡三个优化目标的相对重要性而设立的权重分配集。若sk=maxsi (i=1m)，则候选刀具集中第k把刀具为所选刀具。 综上所述，设某待加工特征的候选刀具为t1，t2，tm，多因素评价方法得到的刀具评分由(3-1)式计算。 (3-1)采用系统工程中的

25、层次分析法来确定影响刀具选择各因素的权重，也可采用专家评分法给出各因素的权重，在刀具的多因素评价中，权重的分配实际上是工艺知识和经验的隐式表达。由于“专家”知识提取不易，且所用知识要保证无矛盾，所以，权重生成采用层次分析法，而“专家”权重只用来校验，免去收集大量“专家”知识的困难，如图3-3所示。专家决策多因素评价层次分析法专家知识库校验初始权重不一致调整权重输出权重一致权重相关数据选刀结果选刀结果加工特征（校验样本）图3-3 用“专家”知识校验权重过程从所选零件中选择几个有代表性的加工特征作为校验样本，由“专家”决策，给出选刀结果；同时由刀具选择利用多因素评价方法为校验样本中的各加工特征选择

26、刀具(多因素评价的最初权重由层次分析法产生)。比较两种选刀结果，如果一致，则权重是合理的。如果不一致，则需调整权重，利用调整后的权重，重新选刀。如此重复，直至由多因素评价产生的结果与“专家”决策结果一致为止，最后的权重即为可用的合理权重。2.3结构工艺性评价机械结构工艺性是一个涉及诸多因素的综合性问题，它与制造产品材料的性能、毛坯成行方法及加工工艺过程等密切相关。然而一个产品或零件结构工艺性的好坏将给加工的难易程度、加工成本的高低，甚至产品能否生产出来带来十分明显的影响。2.3.1零件的结构工艺性分析零件的结构工艺性是指在满足使用性能的前提下，是否能以较高的生产率和最低的成本方便地加工出来的特

27、性。为了多快好省地把所设计的零件加工出来，就必须对零件的结构工艺性进行详细的分析。主要考虑如下几方面。 (1) 有利于达到所要求的加工质量 合理确定零件的加工精度与表面质量 图4-6 有利于保证位置精度的工艺结构 (a) 错误(b) 正确加工精度若定得过高会增加工序，增加制造成本，过低会影响机器的使用性能，故必须根据零件在整个机器中的作用和工作条件合理地确定，尽可能使零件加工方便制造成本低。 保证位置精度的可能性 为保证零件的位置精度，最好使零件能在一次安装中加工出所有相关表面，这样就能依靠机床本身的精度来达到所要求的位置精度。如图4-6(a)所示的结构，不能保证80与内孔60的同轴度。如改成

28、图(b)所示的结构，就能在一次安装中加工出外圆与内孔，保证二者的同轴度。 (2) 有利于减少加工劳动量 尽量减少不必要的加工面积减少加工面积不仅可减少机械加工的劳动量，而且还可以减少刀具的损耗，提高装配质量。图 4-7(b)中的轴承座减少了底面的加工面积，降低了修配的工作量，保证配合面的接触。图4-8(b)中减少了精加工的面积，又避免了深孔加工。 图4-7 减少轴承座底面加工面积 (a) 错误 (b) 正确图4-8 避免深孔加工的方法 (a) 错误 (b) 正确尽量避免或简化内表面的加工 图4-9 将内表面转化为外表面加工 (a) 错误 (b) 正确因为外表面的加工要比内表面加工方便经济，又便

29、于测量。因此，在零件设计时应力求避免在零件内腔进行加工。如图4-9所示箱体，将图(a)的结构改成图(b)所示的结构，这样不仅加工方便而且还有利于装配。再如图4-10所示，将图(a)中件2上的内沟槽a加工，改成图(b)中件1的外沟槽加工，这样加工与测量就都很方便。 图4-10 将内沟槽转化为外沟槽加工 (a) 错误(b) 正确(3) 有利于提高劳动生产率 图4-11 退刀槽尺寸一致 (a) 错误 (b) 正确零件的有关尺寸应力求一致，并能用标准刀具加工。如图4-11(b)中改为退刀槽尺寸一致，则减少了刀具的种类，节省了换刀时间。如图4-12(b)采用凸台高度等高，则减少了加工过程中刀具的调整。如

30、图4-13(b)的结构，能采用标准钻头钻孔，从而方便了加工。 图4-12 凸台高度相等 (a) 错误(b) 正确减少零件的安装次数 零件的加工表面应尽量分布在同一方向，或互相平行或互相 垂直的表面上；次要表面应尽可能与主要表面分布在同一方向上，以便在加工主要表面时，同时将次要表面也加工出来；孔端的加工表面应为圆形凸台或沉孔，以便在加工孔时同时将凸台或沉孔全锪出来。如：图4-14(b)中的钻孔方向应一致；图4-15(b)中键槽的方位应一致。 图4-13 便于采用标准钻头 (a) 错误 (b) 正确图4-14 钻孔方向一致 图4-15 键槽方位一致 (a) 错误 (b) 正确 (a) 错误(b)

31、正确零件的结构应便于加工 如图4-16(b)、4-17(b)所示，设有退刀槽、越程槽，减少了刀具(砂轮)的磨损。图4-18(b)的结构，便于引进刀具，从而保证了加工的可能性。 图4-16 应留有越程槽 (a) 错误 (b) 正确图4-17 应留有退刀槽 (a) 错误 (b) 正确4-18 钻头应能接近加工表面 (a) 错误 (b) 正确避免在斜面上钻孔和钻头单刃切削 如图4-19(b)所示，避免了因钻头两边切削力不等使钻孔轴线倾斜或折断钻头。 图4-19 避免在斜面上钻孔和钻头单刃切削 (a) 错误 (b) 正确便于多刀或多件加工 如图4-20(b)所示，为适应多刀加工，阶梯轴各段长度应相似或

32、成整数倍；直径尺寸应沿同一方向递增或递减，以便调整刀具。零件设计的结构要便于多件加工，如图4-21所示，图(b)结构可将毛坯排列成行便于多件连续加工。 图4-20 便于多刀加工 (a) 错误 (b) 正确图4-21 便于多件连续加工 (a) 错误 (b) 正确 2.3.2基于规则的结构工艺性评价零件的结构工艺性包括铸造、锻造、冲压、焊接、热处理、切削加工和装配等多个工种28,35。在目前的情况下，我们不可能全部考虑，由于在整个制造过程中，通常零件切削加工所消耗的工时和费用最多，而且它不仅与毛坯制造相联系，与装配相接，还与热处理有关，所以它是承前启后的重要工艺过程，所以在这里只考虑零件的切削加工

33、工艺性。在零件设计时，为了避免因结构不合理而造成不必要的浪费，必须对所设计零件的切削加工工艺性进行检验，及时发现问题并做出相应的建议。结构工艺性要求本身具有一定的弹性，但是存在一些边界的情况，本文主要针对一些常见的边界情况，在特征层上从特征和特征组合两个方面进行零件的结构工艺性的边界约束检查。2.4产品的可装配性评价2.4.1产品可装配性评价的指标产品的可装配性就是指与具有相同功能的其它产品相比，在给定的装配环境下，产品按照给定的序列进行装配所需的成本、时间、装配难度较小的属性。装配设计阶段，产品设计的好坏是通过可装配性的优劣来衡量的。本文从产品的结构优化、装配时间、装配成本和装配难度来分析产

34、品的可装配性。(1) 产品结构的优化产品结构的优化，是为了改善产品的设计。在进行优化前，首先要分析产品各个零件的功能，按照零件功能的大小进行分类，确定关键零件，尽量减少辅助结构的零件数量，由于关键零件一般是决定产品功能的零件，其数量在优化过程中不可能减少，所以主要是减少非关键零件的数目。关键零件的确定流程如图2-14所示36。产品结构的优化可以用优化度来衡量。优化度可按(2-2)式进行计算： (2-2)其中： 实际零件的数量；理论零件的数量；关键零件的数量；非关键零件的数量；优化后非关键零件的数量；产品结构的优化度。在产品结构优化过程中，关键零件的数量是不会减少的，因此在初始设计的时候，理论零件的数量包括两部分，一部分是关键零件的数量，另一部分是非关键零件的数量。优化后，非关键零件的数量将会减少，因此这里的实际零件数量也包括两部分，一部分还是关键零件的数量，另一部分是优化后非关键零件的数量。从优化度的计算公式可以看出，。 (2) 装配成本装配成本的估算由相应的装配工艺方案计算得到37： (2-3)式中：工人工资R工人工资率（元小时）车间费用，包括设备动力费、修理费、折旧费、工夹具和润滑费用等。(3) 装配时间产品总的装配时间为38： (2-4)