（机械制造及其自动化专业论文）基于sml与加工特征的零件工艺变型设计技术及系统.pdf

摘要 论文结合国家8 6 3 计划项目“基于s m l 的协同产品设计、制造与测量集成系 统一p r o n e t ”( 编号2 0 0 5 a a 4 1 1 9 1 0 ) 和浙江省重大科技攻关项目“快速响应客户 需求的产品设计和生产管理系统的研究及其在汽车配件制造业中的应用”( 编号 2 0 0 4 c 1 1 0 0 4 ) ，在阅读国内外相关文献的基础上，对基于事物特性表( s i l l ) 的零 件工艺建模与变犁设计进行了研究，提出了加工特征的概念以及基于加工特征的 零件族工艺主模型建立方法与技术，包括零件工艺路线模型、工序卡片模型以及 事物特性表，探索基于s m l 和加工特征的零件族工艺变型设计技术，设计与开发 了一个工艺变型设计原型系统。 第一章介绍了零件工艺建模和工艺变型设计的背景，指出目前对零件的工艺 变型研究较为薄弱，进而提出了本文的研究目标与范围。通过广泛阅读相关文献 资料，详细分析研究了国内外对工艺建模与工艺变型设计的最新研究状况，阐述 了本文研究的意义，进而提出了本文的研究内容与总体的研究思路。 第二章研究了s m l 支持的工艺变型设计的总体技术。对基于s m l 的工艺变型 设计的原理进行了描述，阐明基于s m l 的工艺建模与变型设计的过程，并指出了 零件工艺变型设计通过加工特征的工艺变型实现，最后对支持工艺变型的工艺主 模型的建立方法与基于s m l 的工艺变型方法进行了介绍。 第三章是关于基于s m l 的零件加工特征的工艺变型。分析了零件的加工特征 的概念与作用，建立了加工特征s m l 与加工特征工艺元文档，以及加工特征工艺 变型的实现。 第四章介绍了基于s m l 的工艺变型设计的零件工艺建模方法。介绍了基于零 件加工特征的逆向装配模型，建立了零件的参数化工艺路线与工艺卡片模型。并 通过实例描述了零件工艺主模型的建立；在引入零件的加工特征工艺元文档与零 件的事物特性表之后，论述了零件的工艺变型的过程。 第五章介绍了基于s m l 的零件工艺变型设计原型系统的设计方案和运行实 例。 第六章对论文的研究工作进行了总结和展望。 关键词：工艺规划；变型设计；事物特性表；加工特征；零件族 a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ht h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ac o l l a b o r a t i v es y s t e mf o rp r o d u c td e s i g n m a n u f a c t u r i n ga n dm e a s u r e m e n tb a s e do nt h es m l - p r o n e t ( n o 2 0 0 5 a a 4 11 9 1o ) ”a n d m a j o rr e s e a r c hp r o j e c to fz b e j i a n g “r e s e a r c ho np r o d u c td e s i g na n dp r o d u c tm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mf o rq u i c kr e s p o n dc u s t o m e rd e m a n da n di t sa p p l y i n gi na u t op a r t ( n o 2 0 0 4 c 11 0 0 4 ) , t h em e t h o d o l o g yf o rp a r tp r o c e s sm o d e l i n gs u p p o r t i n gp r o c e s sv a r i a n td e s i g n a n dt h ek e yi s s u e si np r o c e s sv a r i a n td e s i g nb a s e do ns m la r ei n v e s t i g a t e d i nt h ep a p e r ，t h e d e f i n i t i o no fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sa r cm a d e b a s eo nm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sa n ds m l ，t h e m e t h o d sa n d t e c h n o l o g yf o rp a r tp r o c e s sm o d e l i n ga r ei n t r o d u c e d ，w h i c h i n c l u d e s m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dw o r k i n gp r o c e s sc a r d s ，a n ds u p p o r t sv a r i a n td e s i g n as y s t e mf o r p r o c e s sv a r i a n td e s i g ni sd e v e l o p e d c h a p t e r1 i n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u so fp r o c e s sm o d e l i n ga n dp r o c e s sv a r i a n td e s i g n o nb o t hh o m ea n da b r o a d ，e x p l a i nt h a tt h ep r o c e s sm o d e l i n ga n dp r o c e s sv a r i a n td e s i g nb a s e d o ns m lh a v e n tb e e nf a r - r a n g i n gr e s e a r c h e d t h e np o i n to u tt h et a r g e ta n dm e a n i n g sf o rt h e a r t i c l e f i n a l l y , t h em a i nc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o na n dt h es t r u c t u r eh a v eb e e ne s t a b l i s h e d c h a p t e r2d i s c u s s e st h et e c h n o l o g i e so fp r o c e s sv a r i a n td e s i g na saw h o l e ，i n c l u d i n gt h e p r i n c i p l eo f p a r tv a r i a n ta n dp r o c e s sv a r i a n t ，i n d i c a t e st h ep r o c e s sv a r i a n to fp a r tc a nb e $ c c n a st h et o g e t h e ro fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s t h ek e yi s s u e sf o rp r o c e s sv a r i a n td e s i g nh a v e b e e nb r i e f d i s c u s s e d c h a p t e r3i sa b o u tt h ep r o c e s sv a r i a n td e s i g no fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s a f t e ra n a l y z i n g t h ep r o c e s so ft h ep a r tf e a t u r e s ，e s t a b l i s h e dt h ep r o c e s sm o d e la n ds m lf o rf e a t u r e s ，t h e n r e a l i z e st h ep r o c e s sv a r i a n to ft h ef e a t u r e s b a s e do nt h ep r o c e s sv a r i a n to ff e a t u r e s ，t h e c o u r s eo f p a r tp r o c e s sv a r i a n ti sp o i n t e do u t c h a p t e r4i st os o l v et h ep r o c e s sm o d e l i n ga n dp r o c e s sv a r i a n tb a s e do np a r tf e a t u r e s t h e p r o c e s sm o d e l i n gi n c l u d e sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dw o r k i n gp r o c e d u r em o d e l i n g t os o l v e t h i s p r o b l e m ，ac o n v e r s e - a s s e m b l em o d e lh a s b e e n i n v e s t i g a t e d i nt h i sm o d e l ，t h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sc a nb ed e n o t e da st h ec o n v e r s es e q u e n c eo ft h ea s s e m b l e df e a t u r e s a l s ot h ep r o c e s sm o d e la n ds m lf o rp a r ta r ee s t a b l i s h e dw h i c hs u p p o at h ep r o c e s sv a r i a n t d e s i g n t h e nt h ep r o c e s sv a r i a n ti sr e a l i z e db yu s i n gs m l a n dp r o c e s sm o d e l c h a p t e r5d i s c u s s e st h es y s t e m sd e v e l o pm e t h o d sa n dt h ea p p l i c a t i o ne x a m p l e c h a p t e r6 ，s u m m a r i z ea n dp r o s p e c tt ot h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：p r o c e s sp l a n n i n g ；v a r i a n td e s i g n ；s m l ；m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s ；p a r tf a m i l y i i 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。据我所知，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，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：锄 签字日期：讼刁年。箩- qt 5 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鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向圉家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎鎏盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入自关数据厍 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适用奉授权书) 学位论文作者签名：钢新导师签名：夕确 签字日期：砂回年。月，歹，日 签字日期：加7 年矿月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第一章绪论 摘要：本章主要分析了零件工艺建模和工艺变型设计的背景，通过广泛阅读相关 文献资料，详细分析研究了国内外对工艺建模与工艺变型设计的最新研究状况， 限定了本文的研究范围，确定了本文的研究目标，阐述了本文研究的意义，进而 提出了本文的研究内容与总体研究思路。 1 1 研究背景和目的 为了满足当前市场对产品多样化、个性化和快速化的需求，实施快速设计已 成为企业提高市场竞争力的必要手段。变型是实现产品快速设计的有效方法之 一，实践证明，通过建立产品族或零件族的模型，在参数化c a d ( c o m p u t e r - a i d e d d e s i g n ) 系统的支持下，将大大提高产品设计的效率。但快速响应设计不仅包括 产品的结构设计，还应包括后续的工艺设计、生产系统设计等。本文主要是在零 件变型设计的基础上，对零件工艺的变型方法、技术和系统进行研究，以进一步 提高快速设计的效率。 1 1 1 研究背景 本文主要研究工艺变型设计方法与技术，与之相关的内容主要有计算机辅助 工艺规划( c o m p u t e r - a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 、变型设计、基于事物特性 表( 德文：s a c h m e r l d e i s t e n ，英文：t a b u l a rl a y o u t so f a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ，简 称s m l ) 的变型方法。 1 1c a p p c a p p 指计算机辅助工艺设计人员制订产品制造过程的工艺规划，包括制造 所需的环境、条件、资源消耗、工作流程及时间节拍，如工艺路线卡片、工序卡 片( 含工序图) ，检验工序卡等，也叫工艺设计自动化。c a p p 在企业信息化中 占有重要的作用，自从8 0 年代以来，我国开始对其进行重点攻关，但是现在还 缺乏成熟的c a p p 系统。 c a p p 主要分为派生式、创成式和检索式三种。由于c a p p 系统很大程度上 依赖人的作用，忽略了系统在工艺设计过程中对人的引导、启发和提示作用，不 仅设计步骤繁琐，工作效率低，要求用户具备较高的工艺设计水平，而且难以通 过实施工艺标准化工作，最大限度地利用有限制造资源，缩短生产准备周期和降 低产品成本。事实表明：c a p p 的信息是在c a d 系统绘出工程图后，由c a p p 系统使用者对照已有零件图用手工再次输入的，这种方法在实际生产中是行不通 的和不受欢迎的，因为输入过程繁琐、费时、易出错，从而制约了c a p p 系统的 普及。 除了以上问题，制约c a p p 走向成熟的还有其它几个方面的问题：c a p p 系 统的工艺决策问题至今没有解决、系统的通用性问题、工艺决策中所用的数据库 的建造问题、工序问尺寸的计算问题等等。 2 ) 变型设计技术 变型设计是对已存在的设计的结构、工艺等做局部的调整与参数修改，以适 应新的设计目标和约束。变型设计技术在零件几何变型中的应用，主要是结合事 物特性表技术建立可变型的尺寸参数表；或者是采用建立分层建模的方法，在产 品建模过程中采用自顶向下规划和自底往上的实施过程，零件的设计、零件的表 达所需要的数据和数据关系可以直接从产品装配结构中继承，这样就有了零件的 形状模型和其零件的变型尺寸参数。 变型设计的种类很多，如基于装配模型、基于模块化、基于特征、基于实例 推理、类比推理、面向产品族和产品平台的变型设计等。基于装配模型的变型设 计理论通过表达零件之间的装配关系反映整个产品的功能要求和设计者的设计 意图；模块化变型设计通过功能相同而性能用途不同的各模块的组合来实现各种 基型产品和变型产品；基于特征的变型设计以几何模型为基础，通过组合常见形 体来完成产品的设计。特征设计用于变型设计时，一般和参数化设计方法结合； 参数设计用一组参数来约定尺寸关系，设计结果的修改受到尺寸驱动；变量设计 是通过求解一组约束方程组来确定产品的尺寸和形状，约束结果的修改受到约束 方程驱动；基于实例推理技术的变型设计理论在变型设计中引入实例推理技术 ( c a s e - l ：l a s e dr e a s o n i n g c b r ) ，c b r 应用于设计的难点在于实例修改；基于关 系型产品模型( r e l a t i o n - b a s e dp r o d u c tm o d e l ，m ) 的变型设计利用产品重组 技术对企业的资源按面向对象的方法进行分类重组，建立了对象的类属模型，进 而实现快速变型设计。 3 l 基于s m l 的变型方法 事物特性表是指表征产品( 包括部件、零件) 的功能、几何、制造等事物特性， 并以固定格式表的形式反映出来的信息集合。 建立事物特性表的主要目的是构建能够进行参数和尺寸关系变型的积木块 零件系统，支持有效地检索和变型设计。一个合理的事物特性表，不仅可以方便 地进行零件的变型设计，而且能够有效地实现下游工艺的变型响应。 在产品的不同层次，事物特性表描述不同的内容，如在零件层次上，它描述 零件的几何特性；在工艺层次上，它描述加工前后引起的零件形体变化部分的空 间装配及各部分对应的工艺信息，事物特性表还可以表达各个部分之间的关系。 2 由于事物特性表存储着零件主模型及其工艺主模型的各个实例化对象和它们之 间的关系，所以，可以通过事物特性表来实现零件的变型设计和工艺的变型设计。 所谓主模型是指在c a d 系统中将零件的几何图形和工艺规程表示成参数化的变 型模型，通过给参数赋不同值，可以从主模型中派生出所希望的产品描述( 实例) 。 4 1 工艺建模与变型技术 在建模研究中，基于特征和约束的三维参数化c a d 技术已十分成熟，而由 于工艺本身的复杂性，建立参数化的工艺模型以支持工艺的变型设计难度很大， 因此虽然国内外对c a p p 系统研究已有二十多年历史，但至今还没有一个成熟的 c a p p 系统。对工艺建模和变型设计的研究主要包括并行工程环境下的制造工艺 规划、工艺重用研究嘲，定量化工艺建模。3 、零件族参数与工艺流程参数关系“1 等。在本章第二节将详细讨论工艺建模与变型设计的研究现状。 本文是在以上分析的研究背景下，研究基于事物特性表的零件工艺变型设计 中的零件族工艺主模型的建立和工艺变型的实现技术。 1 1 2 研究目的 虽然事物特性表技术从原理上可支持工艺变型设计，但仍有许多问题尚没有 解决，使得基于s m l 的工艺变型设计仍停留在概念层次。对零件工艺变型设计 理论、方法和技术开展研究，深化事物特性表在工艺变型设计中的应用，实现在 产品设计初期就考虑工艺和制造问题，以减少产品设计制造过程中的反复，实现 产品设计与制造工艺的协同这是本文研究的出发点。论文研究的具体目标为： 九支持变型的零件族工艺建模方法 参数化的工艺模型是实现工艺建模的基础，因此支持零件的工艺变型必须建 立参数化的工艺模型。参数化的工艺模型包括了参数化的工艺路线和参数化的工 序( 工步) 。同时建立合理的支持工艺变型的事物特性表，以及选择合理的变型 参数，用以驱动工艺参数化的工艺路线和工序的变型。 九基于事物特性表的零件工艺变型设计技术 工艺变型设计的实现在只有零件的工艺模型的基础上是行不通的，还需要一 种技术可以来改写模型中的信息，从而生成新的工艺实例。工艺变型设计技术与 零件的几何变型的实现技术具有同样的机制，但是由于工艺的复杂性而使其具有 一些独特的功能。基于事物特性表的零件工艺变型方法包括了工艺路线的变型和 工序的变型。通过建立合理的驱动机制，改变事物特性表的中参数就可快速生成 需要的工艺文件，达到快速相应的目的。 九开发基于事物特性表的零件工艺变型的应用系统 在建立零件事物特性表的基础上，进行系统的总体的规划和设计，建立零件 的的信息模型( 几何与工艺信息) ，在知识管理和数据系统的支持下，建立零件 的工艺变型系统。并根据事物特性表中具体变型信息，实现零件参数属性匹配和 工艺变型设计。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 工艺建模的研究现状 零件的工艺模型的建立包括了工艺路线、工序以及文档的建立。目前零件族 的工艺建模主要集中在零件的c a p p 系统中。由于c a p p 系统是一个复杂的过程， 它能涵盖工艺变型设计中需要的工艺建模的原理和功能，因此支持c a p p 的工艺 建模同样能够支持零件的工艺变型设计，以下简要介绍零件工艺建模的研究现 状。 文献”提出了以产品结构树为核心的用户化工艺文件信息模型以及工艺文件 的表达。将不同企业的工艺文件的格式和种类从数据抽象的角度，将工艺文件之 间的关系和字段抽象成数据库的关系模式，关系模式中的字段可以允许用户扩 充，而关系模式的具体表现形式则可以由用户定义。同时将工艺文件信息分成三 个层次进行建模：用户层、逻辑层、数据层。作为工艺文件信息模型的基础，数 据层和逻辑层对所有企业的工艺文件应该是通用的。用户层是模型在用户面前的 具体表示形式，可以通过工艺文件模板定义和工艺文件类型管理工具来实现。 工艺文件的描述可以用一个图形文件和若干个一维和二维数据库表来进行描述， 一维数据表包括文件的表头，表尾等信息；二维数据表包括工序表、工步表信息 等。 文献“提出了典型的工艺模型及映射。文章将零件的工艺信息模型由四个层 次来描述：路线层、工序层、工步层、工步加工特征及切削参数层，每个层次 都有各自的具体属性来对其进行描述。将零件族中所有零件的工艺路线列出，建 立工序矩阵，求出族内零件工序的并集，结合工艺矩阵来确定该类零件的典型工 艺；把典型工艺存入数据库中，并确定在使用时进行检索、筛选及规则等条件。 在此典型工艺的基础上，文章建立了从新零件到典型工艺模型，再到新生成的工 艺过程之间的映射过程。如图1 1 所示是文献提出的典型工艺模型及其映射的过 程。 4 新王域上己贸耀 新零件 征图谱 差艺路线擎一= ：二一 工艺知识 特征 l ：1l ：1 1 1 典型工艺 卸l x 1 ：l 新工艺路 新零件 - ，! 拦 路线线 典 1 ： ! 他? 一1 典型工序工芹卜 吖嚣p1 ：1 1 型 1 ：n 、l ，j 工 1 1 ：n ；刀具；： l ：n 艺 典型工步h ；磊。 工步卜一翅 模 型 一1 n 具7 t 1 ：n ， - j 典型- i 步加工 特征 特卜 典型特征 工 工步加工特征 的特征 删除负 艺 ：n t囊0 1 ：n0 1 ：n 需器罕 映 ，i ：1 1 特征面 射- 典型特征 典型工步的加 艺信息 射。工步加工特征 皿1 1 工特征面 r 血 ：a t1 ：n，l ：n，1 ：n 典型特征典型工步的加工余 派 工步的加工余 圆 特征参数 生 量、工艺参数 参数 量、工艺参数 创成 图l l 典型工艺模型及其映射过程 文献提出了一种基于3 d 的参数化工艺模型的创建。在三维c a d 的环境下， 借助于工艺知识库、工艺模型库、制造资源库等辅助工艺工具，以产品模型为基 础进行工艺建模。将建模的过程描述为：装夹规划一工序规划一3 d 工序图模型 和空间尺寸的映射建立一评价与优化。其中3 d 参数化工序图模型和工序空间尺 寸链模型的建立是两个关键技术。前者是在几何空间内对每个加工工序的状态及 各工序之间的关系进行定量描述；后者是在解析空间对每个加工工序的状态及相 关工序之间的尺寸关联进行详细的参数化描述，从而来描述零件各加工表面从毛 坯到成品的转化过程；两者之间的映射关系用来实现工艺设计过程的参数化双向 驱动。 文献在分析机械加工工艺规程的基础上，运用系统工程学原理和方法，建 立了通用工艺规程的模型，并在此基础上建立了工艺数据库。机械加工工艺过程 可递阶分解为工序、装夹、工位、工步等部分。按照系统工程学的原理和方法， 在设计通用工艺规程模型时，可以将表达整个工艺规程的工艺总体信息作为一个 总系统，这个系统中包含若干道工序信息，因此可以将工序信息作为其子系统， 同时，注意到工序信息中存在着机械加工和非机械加工( 包括热处理和其它类型 的辅助加工) 两种不同的信息，再进步地将这两种信息作为工序信息这个子系 统中的子系统。根据工艺规程的内部层次关系，层层划分，最后形成通用的机械 加工工艺规程模型。如图l - 2 是文献所建立的工艺规程模型图。 口巫壶塑口匦受壶囹 -t 热处理信息i 其他加工信息l 图1 - 2 工艺规程图 文献0 3 在分析工艺计划信息模型的基础上，从应用需求的实际出发，提出了 将实用性与通用性相结合的工艺计划信息建模策略，基于该策略，提出了面向对 象的分层工艺计划信息表达方式，并建立了相应的模型。文献提出了面向对象的 分层工艺计划信息表达方式，将工艺计划的表达分为工艺计划、工艺路线、工序、 装夹、工位、工步和走刀等7 个层次，实现了模型在具体领域中的通用性。一方 面将工艺计划的描述主要限于零件的制造工艺过程，另一方面从相关的多个应用 系统信息需求出发，来建立工艺计划模型，并且将模型的形式化表达与计算机实 现相结合起来，从而使建立的模型具有实用性，并且为通用化模型的建立提供一 个基础。 1 2 2 工艺变型的研究现状 针对多变的制造环境以及快速设计的要求，现有的工艺设计存在着许多不 足。目前对于直接的工艺变型设计的研究还不多，主要集中在c a p p 系统以及工 艺的可重用研究上。从现有的文献资料看，工艺的重用主要包括两个类型：一是 工艺方案的重用，主要利用已有的设计方案，尽可能较少修改代价，尽快地变型 出需要的工艺；另一种类型是工艺设计系统结构重用，主要强调对不同制造环境， 不同产品对象的适应能力。 工艺方案重用是工艺可重用的最直接体现，目前，具备工艺方案可重用功能 的设计模式有基于成组技术派生方式和基于实例设计方式。 九基于成组技术派生方式 基于成组技术的派生式系统具有工艺的可重用性，根据相似性组建零件族， 每一个零件族对应一个成组工艺，通过检索成员工艺，并修改完成零件的工艺设 计“”。基于成组技术的研究主要集中在成组编码方式的改进以及增强管理功能方 面。 文献1 实现了对零件进行机助编码，由人机对话的方式自动生成编码，并以 零件的编码作为零件的信息描述。当对新零件进行工艺编订时，首先根据零件编 6 至 妻 码模块产生零件编码，并通过该编码检索出该单元的工艺文件。 九基于实例设计方式 基于实例的工艺设计方式建立在有工艺信息的基础上，通过对相似工艺的修 改获得当前设计零件的工艺方案。与派生式设计方式相比具有明显的优越性。如 图1 3 是基于实例的工艺设计过程。其中，零件的分类索引、匹配算法、实例修 改是关键环节。 图1 - 3 基于实例的工艺设计过程 文献“”提出了工艺重用的层次模型。零件由基本的结构单元和复合结构单元 组成，在结构上形成层次模型。在产品的变型设计过程中，零件的每个层次都是 零件的变型的原始对象，指出零件的结构变型具有层次性。同样，零件的加工信 息业具有层次性特点。通过工艺重用的层次模型可以增强工艺信息重用的灵活性 与适应性，相比已有的基于实例的设计方式具有应用上的普遍性。使基于实例的 推理方式扩展到产品建模的各个层次，而且可以应用于不同的零件对象，能有效 支持定制生产的工艺设计。 文献“3 1 针对复杂的轴类零件，建立了根据汽轮机转子主轴粗加工和精加工的 不同特征信息描述方法，据此提出两级相似实例抽取策略与实例相似度算法。首 先用转子粗车信息模型与实例的粗车信息模型进行匹配，找出一系列的相似实 例；再用精车信息模型与相似实例集中的精车信息模型与相似实例中的精车信息 模型进行匹配，找出最相似的实例。并详细介绍了粗车相似度和精车相似度的算 法。 1 2 3 基于s m l 的变型设计研究现状 事物特性表技术于1 9 4 8 年起源于德国，并于1 9 8 1 年颁布了工业标准d i n 4 0 0 0 1 8 1 事物特性表定义和原理，我国等效采用i d i n 4 0 0 0 标准，公布了 g b t 1 0 0 9 1 1 9 5 事物特性表定义和原理国家标准。事物特性表定义了从对 象组中表征和区分某个对象的决定性特性，规定了特性数据的表示格式，使零部 件的特性数据能够方便地在不同的系统之间交换，并支持有效的检索和变型设 计。 7 建立事物特性表的主要目的是构建能够进行参数和尺寸关系变型的积木块 零件系统，支持有效地检索和变型设计。一个合理的事物特性表，不仅可以方便 地进行零件的变型设计，而且能够有效地实现下游工艺的变型响应。目前我国对 事物特性表的研究还主要停留在产品设计的开发阶段，如产品的零部件的变型设 计、工艺设计等。 对于事物特性表的原理与建立，有以下分析： ( 1 ) 事物特性表原理 事物特性表定义了从对象组中表征和区分某个对象的决定性特性，包括几何 特性、功能特性和制造特性，规定了这些特性数据的表示格式，使产品的特性数 据能够方便地在不同的系统之间交换以描述零件和部件。 国标g b t 1 0 0 9 1 1 事物特性表定义和原理中明确规定了事物特性表的格 式，如表2 1 所示。 表2 1 国标g b t 1 0 0 9 1 规定的事物特性表的空白规范结构 事物特性表g b t1 0 0 9 1 xx x 1 a j t 。n ( 此域填写对象组名称) 特性代码b l dabcdefgh j 特性名称图号 单位 事物特住表由表行和表列构成。图中第三行a j 分别代表事物的9 个特性 ( 不用字母i ) ，第四行给出了事物特性的名称。事物特性表由表列和表行，其中 表列是构成事物特性表( 表头) 的对象，在表列对象中存放表列的各种属性，即 特性类型、事物特性名称、单位、表列取值范围、表列公差、对应于c a d 中的 变量名、是否为用户输入特性以及是否指向下一级事物特性表等。事物特性表中 的每一个表行代表了一个具体的形状元素或零部件。事物特性表中每一行数据都 有其自己的历史，因而可以对表行对象进行审核、更改发送状态，还可以对其进 行权限管理。此外还可以根据需要进一步扩充。 在产品的不同层次，事物特性表描述不同的内容。如在零件层次上，它描述 零件的几何特性；在装配层次上，它描述哪些对象参与装配以及各对象的基准定 位点。事物特性表还可以表达各种对象之间的关系。由于事物特性表存储着产品 主模型的各个实例化对象和它们之间的关系，所以，可以通过事物特性表来实现 产品的变型设计1 。所谓产品主模型是指在c a d 系统中将产品的几何图形表示 成参数化的变型模型。通过给参数赋不同值，可以从主模型中派生出所希望的产 品描述。 建立事物特性表的主要目的是构建能够进行参数和尺寸关系变型的积木块 产品系统，支持有效地检索和变型设计。一个合理的事物特性表，不仅可以方便 8 地进行产品的变型设计，而且能够有效地实现下游过程的变型响应。 ( 2 ) 事物特性表建立 事物特性表建立的过程：零部件的功能分析博：部件几何形状分析博部件的 参数分析l 建立零部件事物特性表。 九零部件的功能分析 零部件的功能分析是指分析功能和结构原理之间的映射关系。在进行几何形 状分析和参数分析时就可以依据这种映射关系，来确定特定功能所需的结构，去 掉与功能无关的结构，限制设计人员的随意性。 九 零部件几何形状分析 在企业长期的产品开发设计过程中，对于类似功能的零部件，往往会有多种 相似的结构方案。通过零部件的几何形状分析，建立能够代表某类零部件功能、 结构特性的零件族模型，能够有效的减少零部件的种类，用尽量少的零部件配置 方案来实现部件或者产品设计，从而提高设计的效率和产品的成本。 九零部件的参数分析 零部件的参数分析的目的是分析影响零部件产品功能、结构的主要性能参 数，将零部件参数进行分类，提取在零件参数中能直接驱动结构的主参数，为零 件族模型的建立作准备。零部件参数分析首先是把零部件的参数分为可变参数组 和不可变参数组；可变参数组进一步按照是否独立分为独立参数组和非独立参数 组，非独立参数组是指参数之间存在着约束关系；非独立参数组还可以分为约束 主决定参数组和被约束驱动参数组。独立参数组和约束决定参数组可以作为零件 族模型参数。 九 零部件事物特性表的建立 合理的事物特性表不但有利于产品的变型设计，也可以有效的支持下游过程 的实施。事物特性表对零件规定了从对象组中表征和区分一对象的决定性特性及 特性数据的表示格式，使零部件的特性数据能在不同的系统间交换，它是建立零 件数据库的基础。零件事物特性表的建立，要基于企业中标准化和规范化的零部 件资源，归类并选择零部件的事物特性参数( 如基本特性、几何特性、补充特 性、功能特性及算法特性等) ，将特性参数以不同的代码加以表示，按事物特性 技术构造出事物特性表。 文献“”针对基于实例推理的c a p p 系统中的工艺实例提取，提出了一种基于 零件特性表( p c l ) 和关键机床工艺实例检索提取方法。类似与s m l ，零件特性 表( p c l ) 是对零件特征的一种列表描述，p c 州p i d ，p c ，c g ，s f ) ，其中：p i d 一 零件识别号：p c 一零件类别；c g 一零件总体特性信息码；s f 一零件形状特征 类集。按照零件的p c l 分零件类别、零件总体信息和特征类信息快速检索，提高 9 检索效率。 文献“”采用面向对象的方法对事物特性表进行建模，并通过约束集和关联图 对事物特性表的实例集合进行表达；在此基础上给出了事物特性表零件实例的选 择和派生过程。 文献“6 1 提出了基于事物特性表和参数型c a d 的产品变型设计系统的总体 框架，阐述基于事物特性表的产品变型设计的关键技术：在参数型c a d 中创建 产品的主模型、如何建立产品的事物特性表以及如何对产品进行变型设计进行了 的探讨。 文献“”针对中小型的电机工艺装备存在的问题，对以p d m 系统为数据集成 平台进行的产品快速变型设计方法进行了详细的研究，分析了变型技术在快速产 品设计中的作用，以实例说明了如何进行零件变型的定义、构建零件的事物特性 表。并且提出了基于事物特征的四层产品结构分类方法及变型组合产品的结构， 实现电机工艺装备的快速变型设计。为了能够使设计人员快速、简捷地查找到所 希望的变型，对每一个变型零件定义一个事物特性表；此外，为了实现对该零件 的快速检索，还将事物特性表描述后的零件归纳到一个分类框架中，将零件分成： 标准编号、分标准编号、分表编号和分图编号四个层，利用四层分类结构对所有 的工艺装备进行系统组织。然后利用事物特性表对几何尺寸和功能等进行描述， 在此基础上生成主文档，并利用主文档生成相应的工程图、工艺过程规划和n c 程序。 文献“”提出了基于事物特性表的工艺变型c a p p 系统，通过产品系列重组， 通过构建规范化、标准化的可重用产品工艺主文档库，以及开发相应的重用驱 动程序，可以直接支持产品加工工艺的变型设计。文章提出的工艺重用的系统 设计方法以及实现重用为最终目标，强调在广泛层次上的程序和模块重用，立足 于减少工艺的重复性开发，全面支持零部件的工艺变型设计。基于可重用的思想， 文献提出了可重用c a p p 系统的总体设计方案，如图1 - 4 所示。 1 0 体信息管理 事物 特性 表参 变最 驱动 c a 3 3 领域重用资源层 c a 3 3 重用资源管理层 c a 3 3 重用驱动组件层 c a 3 3 实例工艺管理层 可 重 用 工 艺 设 计 。c a 3 3 系统开发平台 图1 1 4 面向重用的c a p p 系统设计 文献“”提出产品的快速变型设计需要建立合理的产品结构模型。文献根据产 品变型设计的特点和产品配置管理的需求，研究了一种基于装配拓扑树产品结构 模型，描述了产品及其零部件之间的并、或、异或等约束关系和选择条件，并以 面向对象的方法构造了产品结构模型类和基于参数的事物特性表，通过参数化设 计，实现从零部件类到零部件实例的转化。 1 2 4 项目组研究现状 本人所在项目组对基于事物特性表的变型设计进行了广泛的研究与探讨。项 目基于事物特性表的协同产品设计、制造与测量集成系统一“p r o n e t 及其预 研项目正在致力于研究基于事物特性表的集成产品模型，形成支持异地协同的产 品设计、工艺、制造与测量的完整的平台；项目快速响应客户需求的产品设计 和生产管理系统的研究及其在汽车配件制造业中的应用建立了快速响应客户的 变型设计生产平台与生产管理系统，大大提高了企业设计生产效率。 项目组成员陈波啪3 对基于事物特性表的尺寸变型方法和模型建模技术、基于 事物特性表的零部件局部结构变型方法和模型建模技术等进行了研究，并结合项 目示范企业一瑞立集团的产品设计，开发了支持变型设计的产品建模平台，并在 企业中得到了成功应用。 李金环。”以零件族为对象，对零件工艺变型设计中的支持工艺变型的零件族 建模方法和基于s m l 的工艺变型等关键技术进行研究，构建了支持工艺变型的事 物特性表、建立了基于事物特性表的零件几何变型和工艺变型。论文初步提出了 一种基于公理设计和工艺特征装配法的、包含几何和工艺等内容的零件族模型及 其事物特性表构建方法，研究了基于事物特性表的零件工艺变型设计技术，给出 了零件工艺变型中工艺路线变型和工序卡片变型的相关技术方案，并设计与开发 了一个工艺变型设计原型系统。 本文的正是在以上研究的基础上，进一步深入研究支持变型的零件族工艺主 模型与工艺事物特性表的建立方法，以及零件工艺变型的实现技术。 1 3 论文的研究内容和组织结构 本文结合浙江省科技厅重大攻关项目和国家8 6 3 c i m s 项目拟从理论、技术 和应用验证三个方面，对基于事物特性表的零件工艺变型设计中的零件族工艺主 模型和工艺变型技术进行研究。具体的研究内容如下： 1 ) 研究零件族工艺主模型建立方法，包括： 九支持变型的零件族工艺模型的表示研究。工艺包括工艺路线和工序，研究 工艺路线和工序的表示方法，以支持工艺路线和工序的变型。 九零件族工艺模型的建立方法研究。通过对零件族内各零件工艺的相似性和 差异性的分析，以及零件族工艺与零件族主模型的相关性分析，零件族工艺模型 建模方法。 丸工艺事物特性表研究。研究国家标准g b t 1 0 0 9 1 1 9 5 事物特性表定义 和原理，从工艺变型的角度，研究工艺事物特性表的结构和内容，主要包括工 艺特征特性、工艺路线特性和工序特性三个部分。 2 ) 研究基于事物特性表的工艺变型设计方法，包括： 九基于事物特性表的零件工艺路线变型设计方法研究。在建立零件族主事物 特性表和工艺事物特性表的基础上，研究基于事物特性表的工艺路线变型设计方 法。 九基于事物特性表的零件工序变型设计方法研究。在建立零件族主事物特性 表和工艺事物特性表的基础上，研究基于事物特性表的工序变型设计方法。 3 ) 应用验证研究，包括： 九开发基于事物特性表的工艺变型设计原型系统。 九对本项目中零件族工艺主模型建模、基于事物特性表的工艺变型设计技术 方法和技术进行应用验证。 论文的结构框架如下： 1 2 图1 - 5 论文的组织结构 1 3 第二章基于s m l 的零件工艺变型的总体技术 摘要：本章对基于s m l 的零件工艺变型设计的原理进行了阐述，引入基于s m l 的加工特征工艺变型，说明在加工特征上支持零件整体工艺的变型，由此详细地 阐明了基于s m l 的工艺建模与工艺变型的过程，并指出了零件工艺变型关键技 术与设计方法，即支持工艺变型的工艺主模型建立方法与基于s m l 的工艺变型方 法。最后介绍了基于s m l 的零件工艺变型系统的总体流程。 2 1 基于s m l 的零件工艺变型设计原理 2 1 1 基于s m l 的变型设计原理 基于s m l 的变型设计是在原有产品基础上，通过改变事物特性表中的特性 值而得到相似产品的设计方法。根据用户或设计人员的需要由用户或设计人员输 入零件的主要参数，借助于事物特性表驱动参数化c a d 系统中产品零部件主模 型的参数表，从而快速地、及时地生成满足用户要求的个性化产品零部件图纸， 以实现零件的快速变型设计，其基本原理可以用图2 一l 表示。 图2 - 1 基于s m l 的零件变型原理 实现基于s m l 的零件变型设计必须具备参数化的零件主模型和表征零件特 征变量的事物特性表。在完成零件的参数型c a d 系统中产品零部件主模型与零 件事物特性表的创建之后，事物特性表中对应行的数据与产品主模型相结合。当 事物特性表中的某一行数据发生变化时，零件的模型包含的对应特征变量通过变 型规则的控制也发生相应的变化，从而达到零件变型的目的。对于零件的变型设 1 4 计给出如下的过程，如2 2 图所示。变型设计过程中，当显示的产品族中没有满 足用户需要的产品时，就得对其进行变型设计，生成新实例。生成新实例的具体 步骤如下：首先判断产品零部件事物特性表中由用户输入的参数；然后将用户输 入参数输入到参数型c a d 中产品零部件主模型中，自动地生成变型产品零部件； 最后将生成的变型产品零部件中导出参数的值写入产品事物特性表中，形成一个 新的实例，并将其保存在数据库中。 用户需求 ，、 臣亟巫垂互卜涵l 塑型量堡堡型竺鲞降= ：；i ；五f 图2 - 2 零件变型设计流程图 其中，零件族的几何模型和事物特性表的结合称为零件族的主模型，建立零 件族主模型是零件变型设计的基础，而参数化c a d 是零件几何变型的基础，于 是基于事物特性表的零件变型设计原理可描述为： 零件族主模型 几何变型技术 基于事物特性表 ( 几何模型+ 事物特性表) o ( 参数化c a d ) 一 的零件变型设计 2 1 2 基于s m l 的工艺变型的原理 相比零件的变型设计，零件的工艺变型更为复杂与特殊。零件的变型设计模 型包括零件事物特性表、零件几何模型以及事物特性表与零件几何模型之间的关 联，通过改变事物特