产品概念结构与形位公差并行设计关键技术研究

论文摘要

从设计的角度讲,概念设计在产品设计过程中对产品的创新性影响最大;而从制造的角度讲,公差是影响产品可制造性、可装配性及生产成本的重要因素。如果能够将二者综合起来考虑,就可以在实现产品创新的同时保证设计方案的可行性,从而减少设计反复,有效缩短新产品的开发周期。为此,本文在国家自然科学基金项目:产品概念结构与公差同步综合进化设计理论与应用研究（项目号:50475129）的资助下,开展了产品概念结构与形位公差并行设计关键技术的研究。本文的主要研究内容和进展如下:系统综述了国内外计算机辅助概念设计、公差设计及两个领域集成设计研究的现状。为解决目前概念设计阶段集成公差设计中存在的问题,借鉴生长型设计方法,利用其在产品概念结构设计及表达方面的潜力,研究实现产品概念结构与形位公差并行设计的理论和关键技术。在理论方面,在详细论述功能表面、概念产品和分解重构原理的基础上,提出了产品概念结构与形位公差并行设计的理论架构:面向设计过程的功能分解、产品概念结构生长型设计及产品概念结构与形位公差并行设计机理。面向设计过程的功能分解与生长型设计同步进行,将当前设计步骤中能够实现的功能随时映射为具体结构;产品概念结构生长型设计是一个功能表面表达的功能零件不断分解重构的过程,利用数学方法描述了这一过程。功能表面为“功能-结构”映射提供了载体,其几何属性使公差可以直接定义到概念结构中,支持了公差集成设计。功能零件的分解重构使产品概念设计以可操作的方式进行,解决了概念设计过程难于控制的问题;提出了概念结构与形位公差并行设计的机理,通过功能驱动下的、功能零件与公差的同步分解重构实现并行设计过程。依据功能、结构和公差信息在设计过程中的相互关系,给出了概念结构与形位公差并行设计的过程模型。在技术方面,建立了支持概念结构与形位公差并行设计的功能、结构和公差信息模型。采用数据库技术定义了包含功能、行为和状态信息的产品功能模型,它能够描述产品功能间的层次和前后关系,并能够与对应的功能表面或功能零件相联系,从而支持了面向设计过程的功能分解。在广义定位原理的基础上,定义了功能模式,为功能模式推理和功能零件的分解重构奠定了基础。采用面向对象技术定义了功能表面类、零件类和产品类,构建了基于功能表面的产品概念结构层次模型。建立了单一公差项目表示模型,统一描述结构中的各种形位公差类型。基于结构层次模型建立了由单一公差项目模型组成的产品层次式公差模型,实现了产品结构与公差信息的集成。将面向设计过程的功能分解与生长型设计结合起来,共同完成产品概念结构的设计。借鉴质量功能配置的思想,建立了功能分解质量屋以实现面向设计过程的功能分解。采用基于规则的产生式推理方法实现功能模式的推理,建立了功能模式推理规则库,在此基础上研究了功能零件的生成过程。功能模式推理将功能分解与功能零件的分解重构联系起来,使功能在分解的过程中能够同步驱动概念结构的设计。提出了与概念结构设计并行的形位公差综合技术。根据功能表面定位功能的不同,定义了其相应的自由度。在此基础上分析了功能表面间的几何约束,通过约束与公差的对应关系生成结构需要的形位公差类型。提出了基于结构设计约束的三维公差链自动生成方法,由功能模式基准框架的标准化、约束变动关系链生成、形位公差类型及公差链生成4个部分组成。利用公差积累运动学模型和遗传算法进行了公差的计算和优化。建立了以公差为主要指标的概念结构评价标准,采用模糊评价法对设计方案进行评价。在上述理论和技术的基础上,基于MDT平台开发了支持概念结构和形位公差并行设计的Darfad-Tolerancing系统。以活塞精镗销孔夹具为例,详细描述了在Darfad-Tolerancing系统中进行概念结构与形位公差并行设计的过程。分析设计结果发现,单步公差链计算容易导致前后设计步骤间的公差分配前松后紧的问题,讨论了相应的解决方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 计算机辅助概念设计与公差设计概述
• 1.2.1 计算机辅助概念设计研究现状
• 1.2.2 计算机辅助公差设计研究现状
• 1.2.3 概念设计阶段集成公差设计的研究
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 产品生长型设计理论概述
• 1.3.1 概念设计与生物生长的相似性
• 1.3.2 生长型设计研究进展
• 1.3.3 存在的问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.4.1 研究涉及的理论和方法
• 1.4.2 研究内容及组织安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 产品概念结构与形位公差并行设计的理论研究
• 2.1 概念结构与形位公差并行设计的理论基础
• 2.1.1 功能表面
• 2.1.2 概念产品
• 2.1.3 分解与重构
• 2.2 概念结构与形位公差并行设计的理论架构
• 2.2.1 面向设计过程的功能分解
• 2.2.2 产品概念结构生长型设计
• 2.2.3 概念结构与形位公差并行设计机理
• 2.2.4 概念结构与形位公差并行设计过程模型
• 2.3 概念结构与形位公差并行设计系统框架
• 2.3.1 概念结构与形位公差并行设计系统框架
• 2.3.2 概念结构与形位公差并行设计的关键技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 概念结构与公差并行设计中的信息建模
• 3.1 产品功能信息建模
• 3.2 产品概念结构信息建模
• 3.2.1 广义定位原理
• 3.2.2 概念结构中功能表面间的关系
• 3.2.3 功能表面模式
• 3.2.4 基于功能表面的概念结构信息模型
• 3.3 产品公差信息建模
• 3.3.1 单个公差项目模型
• 3.3.2 产品层次式公差模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于功能模式推理的概念结构设计技术
• 4.1 基于QFD的功能分解
• 4.1.1 质量功能配置（QFD）
• 4.1.2 基于QFD的功能分解
• 4.2 基于功能模式推理的功能零件生成
• 4.2.1 产品原型生成
• 4.2.2 功能模式的推理
• 4.2.3 功能零件的分解重构
• 4.3 产品实体结构生成
• 4.3.1 功能表面层进化
• 4.3.2 功能零件层进化
• 4.4 设计实例
• 4.4.1 需求分析
• 4.4.2 功能分解
• 4.4.3 概念结构设计过程
• 4.5 本章小结
• 第5章 与概念结构设计并行的形位公差综合技术
• 5.1 概念结构中的几何约束
• 5.1.1 基于旋量的几何约束分析
• 5.1.2 约束与形位公差类型的关系
• 5.2 基于结构设计约束的公差链自动生成
• 5.2.1 功能模式的DRF标准化
• 5.2.2 约束变动关系链
• 5.2.3 形位公差自动生成
• 5.2.4 三维公差链生成
• 5.2.5 三维公差链计算
• 5.3 基于公差的结构评价与优选
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统开发与实例分析
• 6.1 系统简介
• 6.2 Darfad-Tolerancing系统功能
• 6.3 设计实例研究
• 6.3.1 设计实例选择
• 6.3.2 实例设计过程
• 6.3.3 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 创新点
• 7.3 研究展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文、参与的课题及获得的奖励
• 致谢
• 外文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表