摘要 本文以國家自然科學基金項目“產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)與公差同步綜合進化設計理論 與應用研究”( 編號：5 0 4 7 5 1 2 9 ) 為依托，進行基于概念結(jié)構(gòu)生長型設計的公差設 計理論和技術(shù)的研究。在這些理論和技術(shù)基礎之上，實現(xiàn)了生長型公差設計原型 系統(tǒng)，并用實例驗證了其正確性和可行性。主要研究內(nèi)容如下： 全面調(diào)研了國內(nèi)外機械產(chǎn)品概念設計和計算機輔助公差設計研究現(xiàn)狀，探討 了機械產(chǎn)品計算機輔助概念設計和計算機輔助公差設計中存在的問題，從而闡述 本論文的選題依據(jù)，介紹了本文研究的主要內(nèi)容。 根據(jù)產(chǎn)品概念設計與生物生長的相似性，在分解重構(gòu)理論、功能表面、廣義 定位原理這些基礎理論支持下，提出了符合自頂向下設計思想的基于定位模式的 生長型產(chǎn)品概念設計構(gòu)思，建立了結(jié)構(gòu)生長型設計模型，通過面向?qū)ο蟮木幊碳?術(shù)進行了系統(tǒng)實現(xiàn)。討論了功能、結(jié)構(gòu)、尺寸與公差之間關系，建立了公差信息 模型，并將之與結(jié)構(gòu)生長型設計相結(jié)合，給出了公差與結(jié)構(gòu)同步設計總體框架。 研究了尺寸鏈的自動生成方法，包括封閉環(huán)的確定及其尺寸、公差信息的存 儲、獲取，組成環(huán)的確定及其尺寸信息的存儲、獲取，裝配誤差的確定及其配合 信息的存儲、獲取，并首次提出了t s - u l t s m s 方法用于全局尺寸鏈的搜索。闡 述了公差分析和公差分配方法，成功借用于生長型公差設計的分析和分配。 在考察大量零件的基礎上對定位模式進行了進一步的研究和分類，并給出了 它們概念結(jié)構(gòu)的表達和程序的初步實施；實現(xiàn)了表面修改后公差的再計算程序。 簡單介紹了三維公差設計方面的研究進展，以進一步提高公差設計技術(shù)的能力。 最后，以活塞半精鏜夾具的設計過程為例，驗證了本文理論研究與技術(shù)實施 的正確性和有效性；并對基于概念結(jié)構(gòu)的生長型設計和公差生長型設計應該進一 步開展的工作進行探討和展望。 本文工作對從事機械產(chǎn)品概念設計、尤其是機械產(chǎn)品的計算機輔助公差設計 系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作具有重要的借鑒和指導意義。 關鍵詞：功能表面：定位模式；生長型設計；公差模型：尺寸鏈；自動生成 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t s m d yo nt h e d e s i g n t h e o r ya n da p p l i c a t i o na n do f s i m u l t a n e o u s 、s y n t h e t i c a la n de v o l v i n gd e s i g no f p r o d u c tc o n c e p t u a ls t r u c t u r ea n dt o l e r a n c e ( n u m b e r ：5 0 4 7 5 1 2 9 ) ， s t u d i e st h e o r ya n d t e c h n o l o g yo f t o l e r a n c ed e s i g nb a s e do nc o n c e p t u a ls t r u c t u r eg r o w i n gd e s i g n o nt h e s e g r o u n d w o r k , 眥a c t u a l i z et h eg r o w i n gt o l e r a n c ed e s i g np r o t o t y p es y s t e ma n dr u ea e x a m p l et ov a l i d a t ei t se o o r r c c t n e s s a n dv a l i d i t y 。m yr e s e a r c hw o r k sa r el i s t e da s f o l l o w i n g ： c o m p l e t e l yi n v e s t i g a t ea n ds t u d yt h ed e v e l o p i n gs t a t u so f t h ec o n c e p t u a ld e s i g n a n dc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c ed e s i g no f t h em e c h a n i c a lp r o d u c t sa th o m ea n da b r o a d , d i s c u s st h ep r o b l e m si nt h e s et w of i e l d s ，e x p a t i a t er e a s o n sw h yis e l e c tt h i s p r o b l e m ，g i v e st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sp a p e r o nt h eb a s i so ft h ec o m p a r a b i l i t yb e t w e e nc o n c e p t u a ld e s i g no fp r o d u c ta n d b i o l o g y g r o w t h a n dt h r e eb a s a lt h e o r y ：t h e o r yo fd e c o m p o s i t i o na n d r e c o n s t i t u t i o n ( d & r ) ，f u n c t i o nf a c e ，g e n e r a l i z e dl o c a t i o np r i n c i p l e , t h ea u t h o rb r i n g s f o r w a r dt h e , m e t h o do fg r o w i n gc o n c e p t u a ld e s i g no fp r o d u c tw h i c hi sb a s e do n l o c a t i o nm o d ea c c o r d i n gt ot o p - d o w nd e s i g ni d e a s ，a n dr e s e a r c h e sc o n s t r u c t r u e g r o w i n gd e s i g nm o d e l ，a c c o m p l i s h e st h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l eb yt h et e c h n o l o g y o f0 0 ( o b j e c to r i e n t e d ) ia l s od i s c u s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf u n c t i o n ，s t r u c t r u e ， d i m e n s i o na n dt o l e r a n c e ，s e t su pt o l e r a n c ei n f om o d e la n dc o m b i n e si tw i t hs t r u c t u r e d e s i g nt og i v eag e n e r a lf r a m eo f s i m u l t a n e o u sd e s i g no f t o l e r a n c ea n d s t r u c t u r e s t u d yt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o nm e t h o do f d i m e n s i o nc h a i n ，w h i c hi n c l u d e sc l o s e d l o o pc o n f i r m a t i o n , m e m o r y ，a c q u i s i t i o no f i t sd i m e n s i o n a n dt o l e r a n c ei n f o r m a t i o n ，u n i t l o o pc o n f m n a t i o n , m e m o r ya n da c q u i s i t i o no fi t sd i m e n s i o ni n f o r m a t i o n ，m a t i n g c l e a r a n c ec o n f o r m a t i o n , m e m o r ya n da c q u i s i t i o no fm a t i n gi n f o r m a t i o n ，f i r s t l yb r i n g f o r w a r dt f - u l - t f - m fm e t h o dt os e a r c hf u l ld i m e n s i o nc h a i n e x p a t ! a t et h em e t h o d s o ft o l e r a n c ea n a l y s i sa n dd i s t r i b u t i o na n dm a k e sm o d i f i c a t i o no ni tt os e r v ef o r g r o w i n gt o l e r a n c ea n a l y s i sa n dd i s t r i b u t i o n ( g t a d ) 山東大學碩士學位論文 f u r t h e rs t u d yl o c a t i o nm o d eo i lt h eb a s i so f s e e i n ga b o u tl a r g en u m b e r so f p a r t s ， r e c l a s s i 母i ta n dg i v et h e i rc o n c e p t u a ls t r u c t u r er e p r e s e n t a t i o n ，a c c o m p l i s hi tp a r t l yb y p r o g r a m m i n g 。a c c o m p l i s ht h ef u n c t i o no fr e c a l c u l a t i n gt o l e r a n c ea f t e rc h a n g i n gs u r f a r * i n f o r m a t i o n b yp r o g r a m m i n g s i m p l yi n t r o d u c et h er e s e a r c hd e v e l o p m e n t o f t h r e e d i m e n s i o n a lt o l e r a n c ed e s i g n , w h i c hc a l lf u r t h e ri m p r o v e st h ea b i l i t yo ft o l e r a n c e d e s i g nt e c h n o l o g y a tl a s t ，a ne x a m p l eo fc l a m pf o rh a l f - p r e c i s eb o r i n go ft h ep i s t o ni sg i v e nt os h o w t h ep r o c e s so ft o l e r a n c ea n ds t m c 徹七g r o 嘶n gd e s i g no fp r o d u c t ，i tv a l i d a t e st h e c o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h e o r yr e s e a r c ha n dt e d m o l o g yi m p l e m e n t a t i o n a n dd i s c u s s a n de x p e c to nt h ef u r t h e rw o r kt h a ts h o u l db ed o n eo nc o n c e p t u a ls t r u c t u r eg r o w i n g d e s i g na n d t o l e r a n c eg r o w i n gd e s i g n 。 t h e s ew o r k si nt h ep a p e rh a v er e f e r e n c ea n dg u i d a n c es i g n i f i c a n c ef o rc o n c e p t u a l d e s i g ni nm e c h a n i c a lp r o d u c t ，e s p e c i a l l yf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ki n c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c ed e s i g ns y s t e m k e y w o r d s ：f u n c t i o n a ls u r f a c e ；l o c a t i o nm o d e ；g r 0 塒n gd e s i g n ；t o l e r a n c em o d e l ； d i m e n t i o nc h a i n ；a u t o m a t i cg e n e r a t i o n i v 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨 立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研 究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明 的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名：垂越 日期： 關于學位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學 校保留或向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學可以將本學位論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段 保存論文和匯編本學位論文。 ( 保密論文在解密后應遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：垂迎導師簽名：啦日期：童墮蘭! 蘭；z 第1 章緒論 1 1 課題研究的背景和意義 隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展和市場全球化，市場競爭日益激烈，降低產(chǎn)品成本， 提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期已成為企業(yè)生存和發(fā)展的關鍵。為了能夠吸引 顧客，抓住稍縱即逝的機遇，企業(yè)必須具備高度的靈敏性，敏銳的洞察力，快速 創(chuàng)新的產(chǎn)品開發(fā)能力。在這種時代背景下，市場競爭的制高點轉(zhuǎn)移到了滿足客戶 需求的新產(chǎn)品研發(fā)速度上來。為了保證在競爭中立于不敗之地，廠家必須具備快 速創(chuàng)新的能力：即在有限的時間內(nèi)開發(fā)出高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品。 設計活動是產(chǎn)品開發(fā)過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，而概念設計是產(chǎn)品設計過程 中至關重要的環(huán)節(jié)，它是全面考慮各種設計約束的前提下，以設計目標為輸入， 以產(chǎn)品概念設計方案為輸出的系統(tǒng)所包含的工作流程。產(chǎn)品概念設計是產(chǎn)品設計 過程中最富有創(chuàng)造性的階段，在產(chǎn)品的全生命周期中，5 0 的產(chǎn)品特征( 包括產(chǎn)品 的性能、可制造性和生產(chǎn)成本等) 由概念設計階段決定【l 】。產(chǎn)品概念方案設計是決 定產(chǎn)品最終質(zhì)量、市場競爭力及企業(yè)獲利的關鍵因素【2 j ，因此，產(chǎn)品概念設計越來 越多地受到人們的重視。 公差是表述零件設計信息的重要特征，它不僅影響產(chǎn)品的最終性能和質(zhì)量， 而且也是決定產(chǎn)品生產(chǎn)成本的重要因素。產(chǎn)品公差設計是連接產(chǎn)品設計要求和加 工過程之間的橋梁，理想的設計結(jié)果是在滿足產(chǎn)品性能要求的情況下使綜合制造 成本最低。傳統(tǒng)的公差設計方法是依靠設計人員的經(jīng)驗和圖表，采用類比的方法 進行設計，這種方法具有結(jié)果不精確、成本高、周期長等局限。隨著c a d c a m 技 術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的公差設計方法己經(jīng)嚴重落后于整個行業(yè)的研究水平，不能 滿足現(xiàn)代工程技術(shù)需要，影響到了其它相關技術(shù)的發(fā)展進程，所以開發(fā)一種新型 實用的公差設計方法迫在眉睫。 本文在在產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)設計自動化技術(shù)基礎上，通過研究產(chǎn)品設計過程及其 公差設計過程，探索公差設計的一般規(guī)律，進行基于結(jié)構(gòu)生長型設計的公差設計 理論的進一步研究，從設計的源頭開始考慮公差因素，并把公差因素作為產(chǎn)品設 山東大學碩士學位論文 計的推動因素，啟發(fā)式引導產(chǎn)品刨成過程，對產(chǎn)品方案進行評價和優(yōu)化。目的是 深化產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)系統(tǒng)的研制工作，作為推進企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的有力工具，具 有較強的科學意義和經(jīng)濟、社會價值；對創(chuàng)新理論與技術(shù)、制造業(yè)信息化技術(shù)， 具有基礎性的影響和推動作用，期望取得重大交叉創(chuàng)新成果，促進理論與技術(shù)的 發(fā)展。 1 2 機械產(chǎn)品概念設計概述 1 2 1 機械產(chǎn)品概念設計理論與方法的研究進展 從分析市場開始到發(fā)展概念產(chǎn)品、確定產(chǎn)品技術(shù)說明書，是產(chǎn)品設計過程的 主要任務與內(nèi)容，產(chǎn)品設計就是定義產(chǎn)品的過程，它將決定性地影響產(chǎn)品創(chuàng)新過 程中后續(xù)的產(chǎn)品生產(chǎn)開發(fā)、產(chǎn)品市場開發(fā)，以及企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。產(chǎn)品 設計方法學是研究產(chǎn)品設計的過程、規(guī)律及設計中思維和工作方法的一門綜合性 學科。設計方法學的研究包括了設計理論和設計方法。設計理淪是研究產(chǎn)品設計 過程的系統(tǒng)行為和基本規(guī)律 3 1 。如日本學者y o s h i k a w a ( 吉川弘之) ，t o m i y a m a 等借助 集合論等數(shù)學工具建立“通用設計理論”【4 l t a u r a 等在此基礎上建立“設計空間度 量理論”1 5 1 ，美國學者s u h 提出“公理化設計理論”嘲。g r a b o w s k i 提出“泛設計理 論”等。設計方法是指產(chǎn)品設計的具體手段，包括功能一結(jié)構(gòu)方法、并行設計、 面向x 的設計、三次設計、可靠性設計、精度設計、智能設計、綠色設計等。 設計理論所要解決的基本問題是，如何能設計出成為企業(yè)競爭優(yōu)勢所需要的 產(chǎn)品。產(chǎn)品設計理論要在企業(yè)系統(tǒng)過程更廣的范疇內(nèi)，來研究企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品所應 遵循的規(guī)律，建立起新的產(chǎn)品設計理論體系。自2 0 世紀8 0 年代以來，國際上便有 過關于設計理論的研究。1 9 9 8 年5 月在德國舉行了國際上第一次通用設計理論討論 會，有德、美、日等國家的學者與會。主流的觀點認為設計是從需求出發(fā)尋求設 計解( 產(chǎn)品) 的過程。設計的理論是研究設計人員在設計過程中的思維、行為規(guī)律。 研究設計理論的目的在于發(fā)展新一代用計算機可幫助產(chǎn)品設計人員高效率和高質(zhì) 量地尋求設計解的技術(shù)，為發(fā)展新一代計算機輔助設計技術(shù)奠定理論基礎?，F(xiàn)今 的c a d 技術(shù)只能解決產(chǎn)品的二維、三維的描述，而不是真正意義上的輔助產(chǎn)品設計。 有代表性的一些設計理論方法簡述如下： 2 第1 章緒論 ( 1 ) t r i z 的方法前蘇聯(lián)g s a l t s h u l l e r 等人通過5 0 年來對世界近2 5 0 萬件發(fā) 明專利的分析研究，總結(jié)出人類進行發(fā)明創(chuàng)造解決技術(shù)問題過程中所遵循的4 0 個 原理和法則，而建立一個由解決技術(shù)問題、實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成 的綜合理論體系，簡稱t r i z t 7 4 1 t r i z 可視為一種知識庫的方法，但是它沒有提出如 何隨著人類在構(gòu)思、創(chuàng)新產(chǎn)品過程中的規(guī)律而建立一種有效的產(chǎn)品設計機制。 ( 2 ) 公理化設計( a x i o m a t i cd e s i g n ) 美國麻省理工學院機械工程系n a mp s u h 等學者自1 9 9 0 年來對設計理論進行了系統(tǒng)的研究，提出了設計公理體系【9 】。a n 的 出發(fā)點是改變傳統(tǒng)上以經(jīng)驗為主的設計，建立以科學公式、法則為基礎的公理體 系。它提出了兩個基本公理：1 ) 獨立性公理；2 ) 信息公理，即使設計信息內(nèi)容最 小化。a d 基本上是一種概念上的表達，距離實用尚有很大的距離，但a d 表明了一 種關于“設計”的考慮。 ( 3 ) 通用設計理論( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 與泛設計理論( u n i v e r s a ld e s i g n t h e o r y ) 日本東京大學人造物工程研究中心吉川弘之等自2 0 世紀7 0 年代起研究提 出g d t ，主要通過數(shù)學形式化來表達設計過程，將人類思維活動領域內(nèi)的設計表示 為知識處理的概念模型。g d t 的學者主要興趣在于研究設計活動中的認知問題，對 于工程問題的表達尚難以處理。德國k a r s l r u h e 大學“計算機應用于設計與生產(chǎn) 研究所”的學者h g r a b o w s k i 教授提出泛設計理論，研究結(jié)構(gòu)化表達設計過程的方 法，以奠定實現(xiàn)新一代計算機輔助設計技術(shù)系統(tǒng)的理論前提，并開發(fā)了一個原理 性的演示系統(tǒng)，其目的在于探求設計過程是如何組織的，計算機如何能用于支持 設計的全過程。 ( 4 ) p a h l 與b e i t z 的理論德國學者p a h l 和b e i t z 于2 0 世紀7 0 年代提出有相當 代表性、系統(tǒng)性的產(chǎn)品設計方法學【io 】他們將設計過程分為：明確任務、概念設計、 具體化設計和詳細設計等四各階段。該設計過程很典型的代表了串行的產(chǎn)品設計 與開發(fā)模式，但缺乏有效的反饋機制，實際作用不大。 設計自動化技術(shù)是基于產(chǎn)品設計基本理論而發(fā)展的產(chǎn)品設計過程自動化系統(tǒng) 技術(shù)。設計自動化技術(shù)的實現(xiàn)，其基礎又是設計過程的結(jié)構(gòu)化表達方法或信息建 模，即可計算機描述與處理的方法。艾興、黃克正1 1 1 - 1 5 1 從刀具設計過程中的離散 綜合法出發(fā)，提出了具有普遍實用意義的分解重構(gòu)原理，把刀具c a d 系統(tǒng)的智能從 變參設計提高到適應性設計的新階段，使之具備了進行創(chuàng)新設計的潛力，進行了 基于功能表面分解重構(gòu)原理的“生長型”的設計自動化研究及相應的工具系統(tǒng)開 3 山東大學碩士學位論文 發(fā)。 1 2 2 機械產(chǎn)品概念設計的研究現(xiàn)狀 隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，設備和產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)日趨復雜，產(chǎn)品設計在整個 生命周期內(nèi)占有越來越重要的位置。據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品全生命周期的成本在產(chǎn)品設計 階段有9 0 已經(jīng)被決定，特別在概念設計階段，有7 0 一8 0 被決定。此外，產(chǎn)品的 質(zhì)量和性能等在概念設計階段很大程度上也被確定下來。 p a h l 和b e i t z l l 9 8 4 年在( e n g i n e e r i n gd e s i g n 一書中指出，概念設計是指 “在明確任務之后，經(jīng)過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當?shù)淖饔迷砑捌浣M合， 確定出基本的求解路徑，得出求解方案的設計工作”。 概念設計是產(chǎn)品設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個階段的要求， 進行產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解以及功能和子功能的結(jié)構(gòu)設計：進行滿足功能和結(jié)構(gòu) 要求的工作原理求解和進行實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理載體方案的構(gòu)思和系統(tǒng)化設 計。概念設計是一個發(fā)散思維和創(chuàng)新設計的過程，是一個求解實現(xiàn)功能的、滿足 各種技術(shù)和經(jīng)濟指標的可能存在的各種方案并最終確定綜合最優(yōu)方案的過程。 機械的概念設計方法總體上有兩種：第一種方法基本上是一種很原始的機械 設計，即生成機械產(chǎn)品功能目錄；第二種方法涉及到了用抽象化表示和符號化表 示機械的各個功能方面。第二種方法是朝向通用化方向的進步。用抽象化符號表 示可以為規(guī)律化、系統(tǒng)化描述提供基礎，但是要求有一個便于理解的方法表示抽 象的功能解答方案。概括而言，概念設計具有如下特性：創(chuàng)新性、多樣性、層次性 和殘缺性。 ( 1 ) 創(chuàng)新性：創(chuàng)新是概念設計的靈魂，包括功能、結(jié)構(gòu)等的修改、改良和創(chuàng)新 等。 ( 2 ) 多樣性：概念設計的多樣性主要體現(xiàn)在其設計路徑的多樣性和設計結(jié)果的 多樣性。 ( 3 ) 層次性：分為功能層、行為層、結(jié)構(gòu)層和形狀層，且各層自身又包含一定 的層次關系。 ( 4 ) 殘缺性：概念設計階段區(qū)別于其它設計階段的顯著特點之一是在該階段產(chǎn) 品信息是殘缺的，即表現(xiàn)為：產(chǎn)品信息是定性的( q u a l i t a t i v e ) ，產(chǎn)品信息是不精 4 第1 章緒論 確的( i m p r e c i s e ) ，產(chǎn)品信息是不確定的( u n c e r t a i n ) ，產(chǎn)品信息是不完全的 ( i n c o m p l e t e ) 。正是概念設計具有這些特性使概念設計成為世界范圍內(nèi)的研究難 點和熱點。 近年來由于人工智能的發(fā)展尤其是專家系統(tǒng)在許多領域的迅速發(fā)展和成功運 用，引起了機械c a d 專家的高度重視。將概念設計智能化是目前的研究方向。國內(nèi) 對概念設計的研究與國外相比開始較晚，但基本上和國外的研究方向相同，這里 僅介紹國內(nèi)的發(fā)展情況，就可知國際目前的發(fā)展。上海交通大學鄒慧君1 1 6 - 1 8 教授 等人自1 9 8 9 年開始進行機械運動方案設計專家系統(tǒng)的研究，他們以機械運動系統(tǒng) 作為概念設計的對象，用組合分類法對機構(gòu)分類，開發(fā)了“機構(gòu)系統(tǒng)方案設計專 家系統(tǒng)”。華中理工大學周濟【1 川教授等人的研究主要集中在基于實例的基礎上。 浙江大學潘云鶴【2 0 1 授等人，提出了基于原型的知識表示和推理方法。同濟大學王 小同【2 l 】等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡與傳統(tǒng)人工智能相結(jié)合，提出智能設計系統(tǒng)i d s ( 入侵檢 測系統(tǒng)) 模型及其實現(xiàn)的關鍵技術(shù)。 1 2 3 機械產(chǎn)品概念設計有待解決的問題 概念設計是從用戶需求產(chǎn)生設計概念的過程，它一般包括設計概念的產(chǎn)生和 設計概念的評估選擇兩個過程，它是一個總體方案的設計。隨著概念設計的結(jié)束， 設計的主要方面就被確定下來了，而后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)過程，只是對這些設計概念 的具體化及實現(xiàn)。因此，概念設計是產(chǎn)品開發(fā)過程中最重要的階段之一。但遺憾 的是傳統(tǒng)c a d 系統(tǒng)并不能對概念設計過程進行任何支持，而只能讓設計人員憑經(jīng)驗 在紙上進行。對概念設計的計算機支持是提高設計效率的重要手段，是c a d 技術(shù)發(fā) 展的必然結(jié)果。對概念設計過程的計算機支持主要有兩個障礙：一是概念設計的產(chǎn) 品信息建模：二是如何有效地進行概念分析。本文針對這兩個問題分別進行了研 究。在概念設計階段產(chǎn)品信息是模糊和不確定的，這使得以精確尺寸為特征的傳 統(tǒng)c a d 建模技術(shù)無能為力，因此，要支持計算機輔助概念設計，就必須要建立面向 概念設計的產(chǎn)品信息建模技術(shù)。以及進行概念設計的分析評價，比如力學綜合評 價、精度分析與綜合等。 山東大學碩士學位論文 1 3 計算機輔助公差設計概述 1 3 1 計算機輔助公差設計的研究內(nèi)容 按公差設計所應用的對象不同，可分為裝配級的公差設計和零件級的公差設 計。裝配級的公差設計研究裝配中各有關零件誤差的積累對產(chǎn)品性能的影響。零 件級的公差設計討論零件上尺寸和公差的相容性問題。 公差設計一般分布在五個階段： ( 1 ) 產(chǎn)品定義階段的公差設計：設計師根據(jù)產(chǎn)品功能要求和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定設 計公差，主要進行產(chǎn)品功能和裝配誤差的設計【2 2 1 ( 2 ) 產(chǎn)品裝配圖階段：研究零件誤差積累對產(chǎn)品性能的影響，包括尺寸標注 模式設計和公差設計 2 3 - 2 5 1 。 ( 3 ) 工藝規(guī)劃階段：工藝師根據(jù)設計公差確定加工工藝路線、方法、余量和 加工公差，進行從設計尺寸和公差到加工尺寸和公差的轉(zhuǎn)換 2 6 - 2 9 ；不對產(chǎn)品功能 要求和設計結(jié)構(gòu)加以考慮； ( 4 ) 制造階段：加工人員對加工過程進行監(jiān)控，利用某種公差模型進行過程 控制，使加工過程產(chǎn)生的誤差小于或等于設計公差【3 0 j “。 ( 5 ) 質(zhì)量控制和檢測階段：檢驗師只考慮加工零件的檢驗問題，并與設計公 差相比看是否滿足設計公差要求，不考慮功能要求、設計結(jié)構(gòu)和加工方式等。包 括根據(jù)設計公差確定三座標機檢測規(guī)程，對檢測結(jié)果進行評估等【3 2 】。 公差設計的目標可分為：公差分析和公差綜合，公差相容性檢驗【3 3 】、功能尺寸 標注模式設計【3 4 】、設計尺寸和公差到制造尺寸和公差的轉(zhuǎn)換以及并行公差設計 3 5 - 3 8 。 1 3 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問題 利用計算機進行公差設計的研究比計算機在機械設計和制造其它領域的應用 有一定的滯后。雖然對c a d 系統(tǒng)中公差信息的建模與表示己研究了近二十年，但目 前實用能力均還有限。i s o 公差標準已經(jīng)在實踐中應用多年，對于過去的“藍圖” 6 第1 章緒論 時代是十分適合的，但它具有二義性，不適于計算機中公差的表達、處理和傳遞， c a t 中公差的表達及公差尺寸鏈的計算實現(xiàn)起來比較困難。 在國外，有關c a t 的研究起步較早計算機輔助公差設計史上的第一個里程碑 是1 9 7 8 年丹麥的b j o r k e 提出利用計算機化的尺寸鏈進行設計和制造公差的控制。 1 9 8 3 年a a g r e q u i c h a 提出的漂移公差帶理論，成為計算機公差建模的理論基礎。 1 9 8 4 年k a r o l i n 首次實現(xiàn)了用計算機表達和分析公差圖，并進行工藝規(guī)程中的公差 設計。同年，j o h s o n t 提出在計算機上表達尺寸和公差的方法。1 9 8 6 年，法國的 f a i n g u r e l e r n t 等人提出在c a p p 中進行公差分析的一套方法，包括零件的定位誤差 和刀具磨損誤差。1 9 8 7 年美國的t u r n e r 建立一套具有一定實際意義的設計公差分 析方法。1 9 8 8 年w e i l l 發(fā)表的“t o l e r a n c ef o rf u n c t i o n ”一文，標志著計算機輔 助公差設計史上一個轉(zhuǎn)折，從此計算機輔助公差設計進入了一個快速發(fā)展的階段。 從1 9 9 8 年起，計算機輔助公差設計的研究進入大發(fā)展時期，許多科學工作者在用 計算機表達尺寸和公差、設計公差分析方法、工藝規(guī)程中的公差設計、制造中的 公差控制等方面進行了研究。有關公差研究的學術(shù)論文開始大量出現(xiàn)。美國機械 工程師學會和國際生產(chǎn)工程協(xié)會也開始組織各種公差專題討論會，同時出現(xiàn)了不 少新的公差設計理論。 在國內(nèi)，有關這方面的研究主要集中在高等院校，c a t 技術(shù)的進展與國外尚 有較大差距。但近幾年來，在計算機輔助公差表示與設計方面有多個單位開展研 究工作如浙江大學吳昭同 3 9 - 4 3 1 教授領導的“c a t 課題組”自1 9 9 3 年起連續(xù)獲得了 “計算機輔助公差設計”、“設計和制造( t 序) 公差并行優(yōu)化設計的研究”、“綜 合公差計算機輔助設計系統(tǒng)的研究”三項國家自然科學基金資助項目，對c a t 的諸 多領域作了許多探索性的工作；哈爾濱工業(yè)大學馬玉林、姬舒平m 舶l(fā) 等對虛擬裝 配下公差并行設計方法等進行了研究；重慶大學的張根保m 7 , 4 羽在國際上率先提出 了“并行公差設計”，北京理工大學的閏艷、寧汝新從事設計制造一體化環(huán)境下 的計算機精度設計研究【4 9 】，文獻【卯l 提出了并行的公差設計方法及公差設計特征專 家系統(tǒng)。中南工業(yè)大學的夏建芳1 5 1 , 5 2 1 提出基于幾何公差結(jié)構(gòu)塊的公差表示模型。 華中科技大學的黃美發(fā)f 5 3 l 等提出一種工序公差的并行優(yōu)化分配方法。 總之，無論國外還是國內(nèi)，計算機輔助公差設計都未達到實用的程度，其發(fā)展 無法與目前c a d c 螄集成、c i m s 發(fā)展相適應，己成為制約它們進一步發(fā)展的一大關 鍵問題。另外，現(xiàn)有的公差設計多是詳細階段進行的公差設計，即現(xiàn)有的公差設 7 山東大學碩士學位論文 計方法都需要詳細的幾何結(jié)構(gòu)，是在結(jié)構(gòu)設計完成之后再進行精度設計，也就是 說在傳統(tǒng)的精度設計中，公差與構(gòu)形設計是完全分離的，研究內(nèi)容主要集中于在 詳細設計階段預測裝配誤差或公差分配的方法研究。如果精度設計中發(fā)現(xiàn)問題， 往往需要反饋到結(jié)構(gòu)設計階段進行反復設計。這種設計過程不能保證設計的最優(yōu) 化，很難保證一次設計成功率。 目前，將公差設計與產(chǎn)品設計結(jié)合起來、在概念設計階段進行公差設計研究 與開發(fā)無論在國外還是國內(nèi)都處于剛起步的階段。u r o y 等于2 0 0 1 年提出面向公 差的設計，在設計的過程中，他基于多層次的方法、從概念設計階段開始直到最 終詳細設計階段以不斷增加的方式描述公差，建立了集成功能、裝配和行為表達 的綜合的信息模型f a b d f t 。 a d e s r o c h e r s ，r s o d e r b e r g 等也研究了在產(chǎn)品設計階段進行公差設計的問 題。c i r p 中關于該領域的報道有兩篇，一是2 0 0 1 年l m e t h i e u l l 研究基于t o p - d o w n 的方式設計關鍵特征以及裝配參數(shù)的幾何變動；二是2 0 0 3 年法國j y d a n t a n 研究 提出集成公差設計的概念，指明是關鍵而未解決的難題，提出了三層結(jié)構(gòu)的信息 模型，為設計管理數(shù)據(jù)并提供跟蹤查詢數(shù)據(jù)的功能。因為設計自動化，特別是概 念設計，至今還沒有完善的可操作的實現(xiàn)工具，沒有計算機化的產(chǎn)品概念設計過 程做基礎，這些進行集成公差和概念設計的研究僅僅還處于探討階段【5 4 1 。 1 4 本論文課題來源及主要研究內(nèi)容 本論文研究的課題是國家自然科學基金項目“產(chǎn)品公差與概念結(jié)構(gòu)同步綜合 進化設計理論與技術(shù)研究”( 5 0 4 7 5 1 2 9 ) 的一部分。 本文首先系統(tǒng)調(diào)研了國內(nèi)外概念設計研究和公差設計研究現(xiàn)狀，閱讀了這兩 個領域大量的研究文獻，并在實驗室已畢業(yè)博士楊志宏的論文的基礎上進行了深 入研究，主要有如下幾方面： 1 ) 公差設計技術(shù)的深入研究：原有給出的公差模型中只是在理論上給出了裝 配誤差模型，但是沒有給出實現(xiàn)的方法，本文則給出了確定裝配誤差的方法，在 設計過程中加入了裝配誤差的設計。 2 ) 尺寸鏈的自動生成：尺寸公差設計的一個很重要的內(nèi)容就是尺寸鏈的生成， 特別是全局尺寸鏈的生成。本文對原有的局部尺寸鏈搜索方法進行了改正，并首 8 第1 章緒論 次提出了t s - u l t s m s 搜索方法自動搜索全局尺寸鏈 3 ) 組成環(huán)的修改及公差的重新計算：基于生長型設計的公差設計不但要支持 回溯機制，而且要支持一個版本中的表面信息的修改功能，表面信息修改后其所 對應的組成環(huán)也隨之修改，必然緊跟著要進行公差的重新計算和分配。本文實現(xiàn) 了這一功能。 4 ) 針對形位公差和三維公差的設計，本人和他人對此進行了初步的研究，做 了一些前期的工作。 9 第2 章基于概念結(jié)構(gòu)生長型設計的公差設計系統(tǒng) 2 1 概念結(jié)構(gòu)生長型設計概述 設計自動化的既定目標是實現(xiàn)產(chǎn)品設計全過程的自動化，真正達到設計過程 的全面綜合，實現(xiàn)設計信息的高度集成，完成產(chǎn)品設計由變量設計、適應性設計 向新設計的最終過渡。就結(jié)構(gòu)設計過程的本質(zhì)而言，設計過程的初始階段一般要 求有部分設計信息的存在，設計信息伴隨設計過程的逐步展開而逐漸豐富起來， 這種原始設計信息在產(chǎn)品設計過程中的傳遞與增加，是對生物生長中遺傳與進化 現(xiàn)象地體現(xiàn)和直觀地模擬。 設計初期的產(chǎn)品是具有所有遺傳物質(zhì)的概念產(chǎn)品，在以后每一步進化設計中， 按照系統(tǒng)給出的圖形和文字提示信息，幫助設計者在最短時間內(nèi)，找到最符合設 計要求的零件，完成產(chǎn)品由簡單到復雜、由抽象到具體的進化設計。 我們認為，面向市場并能夠指導企業(yè)開發(fā)設計的概念產(chǎn)品的完整定義應該是： 概念產(chǎn)品應是產(chǎn)品總體系統(tǒng)特征、性能、結(jié)構(gòu)、尺寸形狀的具體描述和實現(xiàn)，是 用以驗證產(chǎn)品對目標市場的適應性和產(chǎn)品需求說明書的滿意度，也是用以指定、 實施產(chǎn)品后續(xù)開發(fā)過程，即生產(chǎn)、營銷、服務等計劃的基礎。概念產(chǎn)品可作為制 造企業(yè)開拓市場、贏得競爭的工具，通過總體性能、結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀和系統(tǒng)技 術(shù)特征等參數(shù)來表達以實現(xiàn)概念產(chǎn)品的市場可競爭性、可生產(chǎn)性、經(jīng)濟性、可維 護性等，它還不是直接用于生產(chǎn)、營銷、服務等的最終產(chǎn)品。其中，可競爭性、 可生產(chǎn)性、經(jīng)濟性是概念產(chǎn)品的企業(yè)屬性，主要尺寸、形狀、功能描述是概念產(chǎn) 品的用戶屬性。 通過上面分析，概念產(chǎn)品應包括產(chǎn)品的功能信息、原理信息。簡單的裝配結(jié) 構(gòu)、簡單的零部件形狀信息、基本的可制造與可裝配信息、市場競爭力與成本信 息、可服務與維修信息，具備比較詳細精確的尺寸、形狀、制造與裝配信息，可 以通過功能性、原理可行性等檢驗其主要性能特征或進行動態(tài)仿真。正因為如此， 我們將概念設計稱之為概念結(jié)構(gòu)設計。通過研究產(chǎn)品從無到有的設計過程，我 們發(fā)現(xiàn)可以借用生物生長機理予以指導產(chǎn)品的設計過程。 山東大學碩士學位論文 產(chǎn)品生長型設計與生物生長過程比較見圖2 1 所示： 圖2 - i 生長型設計與生物生長過程對照 綜觀自然界的生物，它們都經(jīng)過了歷史的進化歷程，自然選擇，適者生存、 優(yōu)勝劣汰。由簡單到復雜，逐步進化。能夠保存到現(xiàn)在的都是適應自然環(huán)境的、 優(yōu)良的物種?？梢哉f，生物的生長過程本身就是一個不斷適應環(huán)境的優(yōu)化過程。 之所以說產(chǎn)品概念設計與生物生長具有相似性，可以從下面三方面考慮： 一是結(jié)構(gòu)上的相似，即產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)與生物構(gòu)造上的相似性。一個完整的機 械產(chǎn)品就類似于一個復雜的生物體，它所包含的每個機構(gòu)或零部件類似與生物體 中的細胞，而具體體現(xiàn)機構(gòu)或零件功能的表面，就類似于細胞中的基因。所有組 成產(chǎn)品的類似于細胞的結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)、制約，共同實現(xiàn)著產(chǎn)品生物體的功能。 二是過程上的相似，即產(chǎn)品概念設計過程與生物生長機理的相似性。產(chǎn)品概 念設計一般為自上而下的設計，原始功能需求包含所有的遺傳物質(zhì)，從原始功能 需求開始逐漸分解、重構(gòu)創(chuàng)成執(zhí)行件、傳動件、定位件的過程就相當于細胞分裂、 生長的過程。產(chǎn)品中每個類似于細胞的結(jié)構(gòu)都具有可生長性，生長的目的就是為 了滿足類似于自然環(huán)境的產(chǎn)品功能需求要求，而每一步生長都是對自身結(jié)構(gòu)的再 組織。 三是階段重要性的相似，即在生物體生長的整個過程中最具有創(chuàng)新性、跨越 性的階段就是生命最初誕生的時期。而對于產(chǎn)品設計全過程，最具有創(chuàng)新性的時 期就是產(chǎn)品設計的早期階段一概念設計階段。如果在這一階段能夠作出正確的決 策，對最終設計不僅可祈禱事半功倍的效果，還可以有效的避免設計中的彎路。 概念結(jié)構(gòu)“生長”型設計表現(xiàn)為兩點：一是生長型設計過程中，結(jié)構(gòu)、尺寸、 公差方面的信息，也應呈生長型逐步完善，到最終產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)完成的時候達到 完善。二是在設計過程中，可以借助于當前的結(jié)構(gòu)、尺寸、公差信息進行生長方 o o 困 圜 第2 章基于概念結(jié)構(gòu)生長型設計的公差設計系統(tǒng) 向的評價與控制，實現(xiàn)最終優(yōu)化設計的目的。 2 2 概念結(jié)構(gòu)生長型設計的理論 因為公差系統(tǒng)要研究裝配體中由于裝配而形成的各零件之間的公差關系，所 以公差設計是與產(chǎn)品設計分不開的為了利用計算機進行裝配級的公差設計，產(chǎn) 品模型和裝配信息建模在計算機輔助公差設計系統(tǒng)中有著重要的作用，是公差系 統(tǒng)的重要組成部分，所以首先要對機械產(chǎn)品進行計算機描述。一個裝配體中一般 有多種裝配關系，在產(chǎn)品模型中只有保證對復雜的裝配關系有清晰、準確、高效 的描述結(jié)構(gòu)，公差系統(tǒng)才有良好的架構(gòu)，零件的公差才能正確的確定、查找、計 算或保存。 在實際的設計過程中，個產(chǎn)品的設計首先要考慮的是該產(chǎn)品的功能及裝配 方面的事項。然后才對組成裝配體( 產(chǎn)品) 的子裝配體、零件進行詳細設計。在這 一過程中，首先需要考慮子裝配體、零件在裝配、功能及制造方面的設計，即子 裝配體、零件的設計依賴于前期的功能及裝配設計：后者為前者規(guī)定了行為準則和 性能要求。因此實際的設計過程是一種自頂向下( t o p - d o w n ) 的設計過程，在以計 算機為輔助工具的設計自動化理論中也要采用這種t o p d o w n 的設計過程 5 5 - 5 s 1 。 眾所周知產(chǎn)品約7 0 - 8 0 的成本是在概念設計階段決定的。近年來概念設計領 域開展了大量研究工作。其中，基于功能表面分解重構(gòu)的設計自動化理論i 繃的研 究在產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)設計方面取得了明顯進展：文獻 6 0 1 提出了新的基于功能表面分 解重構(gòu)的產(chǎn)品設計過程理論模型，文獻1 6 ”提出了定性封閉空間( q c s ) 的概念以支持 概念結(jié)構(gòu)設計自動化，文獻【6 2 】把機械產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)設計自動化工具d a r f a d 與 i n t e r n e t 技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出協(xié)同概念設計支持系統(tǒng)c o d a r f a d 作為具有明確功能概念的最小幾何單位一功能表面具有表面幾何、功能雙重 屬性，在設計過程中充當了抽象概念直觀表達的媒介。功能表面與功能表面集的 重構(gòu)可以直觀地反映設計信息由少到多、由簡到繁的綜合過程，構(gòu)成從無序到有 序、從低級到高級的產(chǎn)品設計生命周期。我們將功能表面作為功能與結(jié)構(gòu)的中間 媒介，使傳統(tǒng)的映射方式( 功能一結(jié)構(gòu)) ，轉(zhuǎn)化為新的直觀的映射模式( 功能一功能 表面一結(jié)構(gòu)) ，嘗試實現(xiàn)由功能到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定的映射關系。 在產(chǎn)品信息組織方法上，通過基于面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，我們設計了產(chǎn)品類 山東大學碩士學位論文 ( m p r o d u c t ) 、零件類0 4 p a r t ) 、功能表面類( 1 f 【f u n c f a c e ) 三個層次的信息組織方式。 基于功能表面的產(chǎn)品信息模型需要表達裝配體零件與零件之間、零件與表面之間、 表面與表面之間的配合、聯(lián)接、位置、尺寸的約束關系產(chǎn)品設計信息模型由功 能分解而來通過功構(gòu)映射，最終演化為產(chǎn)品實體結(jié)構(gòu)。設計過程可以用這種實 體結(jié)構(gòu)上的分解重構(gòu)過程進行描述。本節(jié)的理論研究和實踐為基于結(jié)構(gòu)生長型設 計的公差設計理論研究及工具系統(tǒng)開發(fā)提供理論上的支持和開發(fā)的基礎。 2 2 1 分解重構(gòu)理論 文獻【椰l 指出科學發(fā)現(xiàn)是人類對物質(zhì)世界本質(zhì)的認識，而創(chuàng)造發(fā)明則是產(chǎn)生物 質(zhì)世界不曾存在的新事物。創(chuàng)造發(fā)明的本質(zhì)是對已有物的分解與重新組合構(gòu)造， 也就是說，新發(fā)明是對現(xiàn)實世界的結(jié)構(gòu)重組。通過澄清發(fā)明與發(fā)現(xiàn)的關系，將創(chuàng) 造發(fā)明抽象概括為分析與綜合，可形式化的基本模式就是分解與重構(gòu)。這里的分 解與重構(gòu)是辨證統(tǒng)一的，我們稱之為“分解重構(gòu)理論”( t h e o r yo fd e c o m p o s i t i o n a n dr e c o n s t r u c t i o n ) 。 分解本質(zhì)上，物質(zhì)是可分的。但是，對于特定的領域和特定的目的，在