1、 中国科学技术大学博士学位论文基于信息重用技术的机械产品快速响应设计方法研究姓名：练国富申请学位级别：博士专业：精密仪器及机械指导教师：竺长安2011-05-06摘要使得报价更加准确。零件的可制造性评价是制造领域中研究的热点，是快速响应设计及并行工程环境中极其重要的研究内容。本文首先分析了现有的产品可制造性评价方法，指出可制造性评价应该建立在零件模型和资源模型的基础上，考虑企业的现有制造资源，通过有效配置现有资源快速的完成交货。零件的可制造性评价一般包括两个层次，即定性评价和定量评价两个层次。本文首先研究了面向快速响应设计的产品的可制造性评价，通过重用快速设计系统零件的特征信息快速实现产品的可
2、加工性进行定性的评价。零件满足定性评价的基础上，针对现有一些产品可制造性方案评价和决策方法存在的问题，本文提出了基于序关系分析法的产品可制造性方案多准则决策方法，相对于综合评价法计算量大大的减少，是一种简便办法。本文得到国家高技术研究发展计划(863计划)资助(No 2007AA04Z1A2)，本文的研究是其研究内容的一部分。关键词：大型复杂机械产品信息重用快速响应设计快速报价可制造性评价IIAbstractABSTRACT With the progress of technology and development of economy, the marketcompetition of
3、new products is getting more and more intense. The competition basedon the customer requirements and rapidity is the most important rivalry amongenterprises. How to effectively shorten product design cycles, reduce design costs,respond to market demand instantly, and effect quick delivery constitute
4、 the keyfactors for such enterprises to win customers. This paper researched the large-scalecomplex mechanical product which is the hardest in all mechanical products andtaked the metal forming machine for example.For large-scale complex mechanical products, there exist such problems as thegreat dif
5、ficulties in the design and manufacture, and diversified customerrequirements, which make the product development even more challenging. How toeffectively use various information resources is essential to realize rapid responsedesign of large and complex mechanical products. How to maximize the use
6、ofinformation resources available to accomplish rapid delivery is crucial for enterprisesto put themselves in an invincible position in the fierce competition. So it is veryimportant to study rapid response design of large and complex mechanical product.Starting with an analysis of the evolution pro
7、cess of production models, thispaper tries to explain that the multi-variety small batch production model bringsunprecedented challenges for the design and manufacture of large-scale complexmechanical product enterprises, illustrates the requirement of rapid response design oflarge and complex mecha
8、nical product, and puts forward that the maximization of theinformation resources available is the key to realize rapid delivery. Information reuseconsists of two aspects: first, the reuse of existing resources of the enterprise; second,the repeated use of product information in the whole life cycle
9、 of the product. Basedon information reuse technology, this paper constructs a product lifecycle informationmodel and proposes the technical framework and design flow of the design oflarge-scale complex mechanical products. The rapid response design of large-scalecomplex mechanical products should b
10、e carried out within the same technicalframework, so as to make possible the better reuse of information throughout theentire product life cycle and the effective reuse of the information about the productitself.IIIAbstractAimed at the characteristics of large-scale complex mechanical products, base
11、don the reusability of enterprise resources and product resources, this research tries toscientifically put various design techniques into application and effectively use theenterprise resources available, so it puts forward the quick response design method oflarge-scale complex mechanical products
12、based on information reuse technology. Thescope of the research covers the regulation and the conversion mode of customerrequirements, rapid-design-oriented product modeling methods andrapid-design-oriented reusable modeling methods of component resources. As to thequick response design of large-sca
13、le complex mechanical products, it puts forthrapid-design-oriented design rules and their applications, together with a new productdevelopment approach based on reusable technology, thus making the development ofnew products faster.The key to achieve fast and accurate quotation of large-scale comple
14、xmechanical products is the acquisition, sharing and reuse of the knowledgeconcerning design. Therefore, a rapid quotation method based on the reuse of designinformation is under the research of this paper. Based on the above research, itproposes a rapid quotation method based on the rapid design sy
15、stem, uses theproducts 3D model produced from the rapid design system, matches thecomponents feature information with the production t information technology, andestablishes an interaction model of the CAD system and rapid quotation system, thusenabling the direct application of the components featu
16、re information into thequotation system. Then, a basic quotation data construction method based on workmeasurement is proposed. The regression analysis method is used together with thedata obtained through work measurement to establish a set of standard models of thetime for loading and unloading th
17、e components, which better suits the actual situationof the enterprise. The basic quotation data construction based on work measurementtechnique makes the quotation more accurate.The manufacturability evaluation is a hot research field of manufacturing, andalso is extremely important research of rap
18、id response design and concurrentengineering. This paper analyses the existing evaluation methods for productmanufacturability at first, and points out that the manufacturability evaluation shouldbe conducted on the basis of the part models and the resource models, while takingthe companys existing
19、manufacturing resources into consideration and effecting rapiddelivery through effective allocation of existing resources. ManufacturabilityIVAbstractevaluation is composed of two levels, namely, qualitative assessment and quantitativeevaluation. In this paper, the quick-response-design-oriented pro
20、ductmanufacturability evaluation is conducted, and a qualitative evaluation for productmanufacturability can be realized by reusing the feature information of thecomponents coming from the rapid design system. When the components satisfy therequirements of the qualitative evaluation, in consideratio
21、n of the problems existing inmanufacturability evaluation and decision-making, this paper proposes a multi-criteriadecision making for product manufacturability based on Layered Ordinal RelationAnalysis. Compared with the comprehensive evaluation, this method provides aconvenient way as the calculat
22、ion involved is greatly reduced.This research is sponsored by the Chinese National Programs for HighTechnology Research and Development (No 2007AA04Z1A2), and this paper is apart of it.Key Works：Large-scale Complex Mechanical Products, reuse of design information,Rapid response Design, Rapid quotati
23、on, Product Manufacturability Evaluation.V插图插图图 2.1大型复杂机械产品典型代表之一（锻压机床） 11图 2.2传统的机械产品的设计制造信息传递模式图 2.3基于信息重用技术的产品全生命周期信息模型图 2.4基于数据共享的产品自身信息重用模型151617图 2.5大型复杂机械产品快速响应工程的框架图 2.6大型复杂机械产品快速响应工程流程1920图3.1基于信息重用技术的大型复杂机械产品快速设计流程图3.2用户需求与设计参数的智能匹配23 2627图3.3某客户滑块随着时间变化的运动曲线需求图 3.4客户需求的转换流程 28图3.5产品查询模块界面
24、图3.6锻压机床产品产品族分类示意图图3.7自顶向下功能分解模型图3.8典型的自底向上的功能组合模型图3.9锻压机床骨架模型图3.10零部件在不同产品间的重用模型图3.11锻压机床的零件图 303132323437 38图3.12锻压机床的零件图建模流程1图3.13锻压机床的零件图建模流程2383839图3.14油缸零件建立族表的对话框 X插图图3.15利用族表工具建立的油缸的三维实体模型 4044454647图3.16产品模板匹配过程图3.17立柱截面示意图图3.18四柱式锻压机床结构示意图图3.19锻压机床有限元分析结果图4.1基于快速设计的成本报价系统研究图4.2基于快速设计系统的材料成
25、本报价流程图4.3 PDM/RQS 系统集成之间 的数据交换模式图4.4锻压机床数据库主界面图4.5我国标准时间的构成5152545558图4.6锻压机床不同吨位对应拆机装配时间的函数关系曲线图4.7试验数据在拟合曲线上的验证图4.8不同吨位的活塞缸对应的装配时间函数关系曲线图4.9锻压机床的成本构成框架 61626263图4.10锻压机床材料成本报价流程图4.11滑块材料回收利用示意图图4.12锻压机床设计参数输入模块 64 65 67图4.13某型号锻压机床快速设计得到的主机结构模型 67图4.14某型号锻压机床快速报价结果图4.15材料成本报价结果输出模块 68 71XI插图图5.1基于
26、快速设计信息重用的可制造性评价图 5.2产品的制造信息层次模型图 5.3基于快速设计系统的产品可制造性评价处理流程 75 76 77777980828484图 5.4零件可制造性评价流程图 5.5后桥壳零件结构示意图图 5.6综合评价法的流程图图 5.7可制造性评价的递阶层次结构示意图 图 5.8可制造性评价的递阶层次结构图 5.9可制造性评价的序关系分析结构XII中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用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研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均
27、已在论文中作了明确的说明。本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，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也遵守此规定。作者签名：_2011年 5月 6日第 1 章绪论第1 章绪论1.1引言随着现代市场竞争的加剧，企业之间的竞争开始转向基于客户需求的竞争和基于时间的竞争（Time-based Competition，TBC） 1。过去企业竞争的焦点主要集中在价格、质量、品种、售后服务上，要求企业生产的产品价格低、质量好、品
28、种数量多、售后服务好，而当今时间成为主要竞争要素时，企业的竞争逐渐过渡到基于时间的竞争2。随着科学技术的进步和经济的发展、全球信息化和全球市场化的形成使得新产品的市场竞争日趋激烈。当今市场环境多变，客户需求日益个性化使得大批量生产的模式已经陷入空前的困境，多品种小批量的生产方式已逐渐成为企业的主要生产模式。多品种小批量的生产模式给大型复杂机械产品企业带来前所未有的挑战，如何快速响应市场需求、缩短交货周期已成为竞争的第一要素。目前针对快速响应设计方法的研究较多，包括产品快速设计方法、快速报价技术、快速制造、快速可制造性评价等。因此，本文首先对国内外如何快速响应市场，缩短产品交货周期的研究现状及其
29、关键技术进行调研，并且以大型复杂机械产品的典型代表锻压机床来分析快速响应设计的应用现状。1.2国内外相关研究现状1.2.1 产品快速设计技术快速设计技术是当前市场在对产品多样化、瞬变性等需求形势下提出并发展起来的3。快速设计源于 1992年 6月在 CIRP(Cooperative Institutional ResearchProgram)国际会议上正式提出的并行工程技 术4 。产品快速设计(Rapid Design，RD)也称快速响应设计(Rapid Response Design ，RRD)。当前国际市场需求快速变化的特点和 21世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展，
30、美国 AUTOFACT96的主题就是“快速设计与制造”，各国也相继掀起了“ 快速设计”理论 、方法研究的 热潮5。快速设计与制造技术的出现为企业提高快速响应市场奠定了坚实的基础。快速设计与方法的应用在国外已有很多成功的先例，如美国克莱斯勒公司开发Neno小型汽车 ，缩短 28% 的开发时间，减少了 63%的工程技术人员；通用发动1第 1 章绪论机厂使设计修改量减少了 75%；DEC公司使产品开发时间缩短了 60%等等6。由此可见，开展快速设计与制造技术的研究及应用，能够有效的减短产品开发时间，具有相当可观的应用前景。快速响应工程的内容，包括快速捕捉市场动态需求信息、实现产品快速设计、新产品快速
31、试制定型和快速响应制造系统等四个环节7。目前，国内外针对快速响应设计的并行工程(Concurrent Engineering) 4,8,9，模块化设计技术（Block-baseddesign）10-17 ，基于知识的工程 (Knowledge Based Engineering，KBE）18-22算机协同工作支持环境（Computer Supported Cooperative Work, CSCW）23,24,25,26敏捷制造(Agile Manufacturing，AM) 27,28、虚拟样机技术(Virtual Prototyping，VP)、计、29,30、虚拟制造技术（Virtua
32、l Manufacturing Technology，VMT）31,32,33 等发展均较为迅速。1、模块化设计技术模块化技术的概念是 20世纪 50年代由欧美国家正式提出来的34，模块化设计技术目前已经广泛应用于机械产品的设计当中35，36。模块化技术是实现产品快速设计的重要技术之一，基于模块化的快速产品设计是通过将机械产品分解为结构完整，功能独立的基本单元 -模块，并使模块系列化、模块之间的接口标准化，通过模块的选择和组合构成不同的产品，从而实现产品的快速设计37 。模块化技术的发展和应用，为现代制造业的产品设计与制造提供了一套有效的理论和技术方法38 。文献37在产 品快速设计系统中通过
33、对模块化产品模型的需求分析，针对产品快速设计的模块化技术特点，提出了将产品模型分解的建模方法，把产品模型分为产品方案模型、模块模型和接口模型三种类型，详细分析了模型的信息构成，并且定义了完整的数据结构。提出的三种模型的信息组成和数据结构，为建立产品快速设计软件系统提供了技术基础，对实现产品快速设计具有重要意义。文献39针对 固定尺寸系列不能满足产品设计要求，需要根据实际设计和产品的使用工况来决定要采用哪种结构和具体参数的情况，提出了基于相似特征分析构建广义模块化产品族中柔性模块矩阵和产品矩阵的方法，并且以液压机产品设计为例论述了广义模块化产品族的具体规划方法。文献40提出了基于功能模块的快速设
34、计策略，通过对石材异型制品加工设备的结构的分解，结合设备的结构和功能特点和设计方法，利用 Pro/Engineer软件建立产品数据库，开发了基于功能模块的机械产品快速设计系统。文献41通过对 液压机产品的柔性模块进行模块的划分与规划，得到以柔性元结构为单位的结构单元。并给出了液压机产品模块划分和规划的过程模型，提高了柔性模块的设计速度，为实现液压机产品的快速设计提供技术支持。2第 1 章绪论综上所述，模块化设计是对不同功能或着虽然相同功能但是具有不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的客户定制的产品，来满足不同的市场需求。模块化技
35、术的发展和应用，使得企业能够较好的满足人们对多样化的需求，更好的适应激烈的市场竞争。在多品种、小批量的生产方式下，企业能够快速响应市场需求，实现最佳的效益和质量。2、基于知识的工程(KBE）基于知识的工程技术是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法。基于知识的工程指的是将人工智能（包括知识规则、知识库、逻辑推理等）与 CAX技术有机的结合应用到产品开发领域，但是它与传统的简单的参数化设计有着本质的区别，基于知识的工程实现了设计知识的重用，大大的推进了产品设计过程的自动化。文献42以广 义模块化设计理论为基础，提出的柔性模块化概念，结合液压机床机身结构的特点，基于知识的工程的技术和 CA
36、E技术集于一体，应用于液压机柔性模块创建，并以锻造液压机为例，以 VisualC+语言为开发工具，建立了一套基于 KBE和 CAE技术的液压机机身计算机辅助设计系统，较好地解决了液压机的模块化快速响应设计问题。文献43针对 当前隧道掘进机主机的空间约束关系非常复杂的问题，开发了基于 KBE的隧道掘进机主机智能设计系统。将基于知识工程的扩展模块与CATIA进行集成，实现了设计知识的重用，显著提高了隧道掘进机主机开发效率和快速响应市场的能力，大大缩短了研发周期。由此可见，基于知识的工程能够实现设计知识的重用，推进了产品设计过程的自动化，提高企业快速响应市场的能力。3、虚拟样机技术在传统的产品设计制
37、造过程中，首先要根据客户需求确定产品的设计方案，然后进行详细的产品设计，设计完成后制造样机进行试验，但是有些新产品的开发过程通过试验往往会发现设计缺陷，这时需要修改设计，通过反复的设计、试验、修改才能达到满足客户需求的产品。对于多品种小批量的生产模式下，这种设计方式不仅仅设计制造周期长，而且耗费的成本巨大。随着 CAD技术和有限元分析（FEA）技术的发展， 针对传统的产品设计制造过程中存在的弊端，提出了一种新的现代工程设计方法，即虚拟样机技术。虚拟样机技术是 20世纪 80年代发展起来的一项计算机辅助工程技术。文献44认为 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，在计算机上构建出产品的整体模型，
38、将零部件的设计和分析揉合在一起，并针对该产品在投入使用3第 1 章绪论后的各种工作状况进行仿真分析，来预测产品的整体性能，进而实现改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。文献45认为 虚拟样机技术是基于虚拟样机的数字化设计并综合多学科产品开发方法。虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的产品设计方法。通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证寻优过程顺利进行。虚拟样机技术在国内外已得到了广泛的应用，在汽车制造业、工程机械、航空航天业、国防工业、通用机械、人机工程学和机械电子工
39、业等方面得到广泛应用46,47,48,49 。虚拟样机设计方法通过计算机建立产品的数字化模型，通过虚拟实验来获得最佳方案，而无需完全依赖物理样机。使用虚拟样机技术代替物理样机进行机械产品的验证设计，大量的降低了研发成本，缩短了物理样机试制的时间，从而缩短了研发周期，提高了产品质量。1.2.2 产品快速报价技术企业的报价往往根据经验来预估产品的成本，或者根据已有相似产品进行估价，这种报价准确性差，报价偏高往往容易失去客户或者导致竞标失败，报价过低则影响企业利润。市场竞争越来越激烈，客户对产品和服务的要求也越来越高，快速报价是提高产品对市场反应能力的重要手段之一，客户往往通过电话或邮件来咨询所需产
40、品的价格，快速准确的报价有助于生产企业控制成本，保持利润。如何能够在激烈的竞争中准确、快速、合理的报价是企业赢得客户的关键。国内外很多学者进行了相关的研究50-56 ，归结起来主要有两种，一是基于参数的报价，选取对产品功能以及成本影响最大的参数作为性能参数，比如选择主要外形尺寸作为材料成本报价参数、选择加工精度作为加工成本参数，这种报价速度快，但是性能参数选择比较困难，报价的准确性较差；二是基于成本的报价，通过计算生产该产品的所有直接成本和间接成本，这种报价方法具有较高的准确性，但是报价的工作量大，报价速度较慢。目前的研究在兼顾快速并准确的报价方面不够深入。国内研究人员也有提出针对产品特点进行
41、快速报价方法研究，文献57针对桥式起重机产品特点，通过实例推理和规则推理技术快速完成产品的概要设计，在桥式起重机智能概要设计的基础上，将数据库和因特网技术应用于桥式起重机的报价系统，实现桥式起重机的远程快速报价。4第 1 章绪论文献58介绍 了一种在并行工程环境下，建立产品的结构树，将产品部件分成新设计件和借用件，新设计件进行成本估算，借用件的成本通过企业原有零部件库中获得，从而快速得到生产成本，实现产品的快速报价。文献59针对轻 型汽车车架产品，分析了报价的流程和模式，建立了适合企业特点的产品价格构成模型。提出基于产品结构树的车架成本估算方法，分析了产品涂装费的估算方法，从而实现了车架产品的
42、快速报价。快速报价系统够使企业决策者针对客户需求做出快速反应，同时在帮助企业降低市场风险上具有一定的实用价值。目前国内研究的报价系统的大多是根据用户提出的要求对产品成本进行快速预估，针对特定产品的快速报价研究较多，但是在充分利用设计信息来提高报价的快速性和准确性方面研究很少。1.2.3 产品可制造性评价技术零件的可制造性评价一直是制造领域中研究的热点，国内外很多学者都进行了相关的研究 60-68 。零件的可制造性评价是并行工程环境中极其重要的研究内容，但是在实际产品设计中，由于缺乏可制造性评价方法，造成设计和制造的冲突经常发生，引起反复修改设计方案，设计制造之间冲突的反复协调60 。大型复杂机
43、械产品设计的零件的可制造性评价尤其重要，零件的可制造性影响所设计的产品加工或制造费用，决定了产品的加工制造周期。文献60以航空 发动机叶片零件为可制造性评价对象，研究建立了面向可制造性评价的叶片零件信息模型和制造资源能力信息模型。根据零件信息模型和制造资源能力模型，判断在该制造资源环境下叶片零件的可制造性。并采用基于层次分析法模糊综合评判的方法对制造叶片的多种设备进行综合评判，从而确定叶片零件的可制造性。文献61针对 零件的加工可行性评价研究，提出了基于规则和模糊综合评判的加工可行性评价策略与方法，并且应用于零件可制造性评价系统中。文献62分析了 产品可制造性评价的内容，阐述了产品可制造性的评
44、价方法，认为产品可制造性评价是一个多层次的决策问题。并且建立了基于制造约束规则的加工可行性定性评价和基于模糊综合评判的可行性定量评价两种评价方法。文献63针对 工程系统结构的复杂性、系统研制过程的复杂性、创新性和制造的高风险性的问题。根据系统论和工程系统论原理和方法，提出了一种评价策略包括阶段化的可制造性评价过程和层次化的评价内容。文献64在异地 协同设计的环境下，基于特征造型的 CAD系统，建立了零件可制造性评价系统的方法，提出了基于智能代理的面向制造的设计（ DFM）5第 1 章绪论方法，能够支持不同类型的 CAD系统评价。在评价知识的表示方面，采用了面向对象与产生式规则相结合的混合表示方
45、法，推理过程可根据对象类型选择不同的规则。综上所述，现有的研究产品可制造性评价能够及时在设计阶段环节解决制造过程中可能出现的问题，减少产品制造与设计的反复，有效的缩短产品制造周期，提高企业快速响应市场的能力。现有的可制造性评价主要采用基于层次分析发的模糊综合评价，在充分考虑企业资源可重用信息及产品设计信息来快速评价的研究较少。1.2.4 锻压机床的研究现状锻压机床是大型复杂机械产品代表之一，本文的研究在实例应用上主要以锻压机床为对象。锻压机可以分为机械压力机和液压压力机，主要用于各种可塑性材料的压力加工和成形，如不锈钢钢板的挤压、弯曲、拉伸及金属零件的冷压成形，同时亦可用于粉末制品、砂轮、胶木
46、、树脂热固性制品的压制。锻压机床是制品成型生产应用中最广泛的设备，是工业基础装备的重要组成部分之一。锻压机床产品主体结构根据用途不同而变化，形式复杂多样，是一种典型的多品种、小批量的机械产品，甚至大多以单件生产为主。激烈的市场竞争要求进一步缩短产品设计周期，快速响应市场。因而，在设计中如何解决好产品种类、型号与设计制造周期之间的矛盾是推进装备制造业发展的一个重要问题。国内外学者对锻压机床的快速设计制造有着大量的研究，文献69提出基于产品族和柔性模块的快速设计理论，对液压机进行产品族规划和柔性模块的划分，以液压机上横梁为例，说明运用该方法进行产品快速设计的过程，根据各个模块的接口信息，通过模块拼接完成液压机的快
