（机械制造及其自动化专业论文）面向cappcafd集成的智能化夹具设计方法研究.pdf

山东大学硕士学何论文 摘要 夹具在机械加工起着重要的作用，它直接影响着机械加工的质量，生产效率 和成本，夹具设计是机械工艺准备和施工中的一项关键的工作。但是。目前的夹 具设计过程普遍存在设计效率低下、周期长等问题，这己成为制约现代制造技术 发展的“瓶颈”因素。为构建一个能支持产品快速制造的生产准备系统，夹具设 计要从全局自动化的高度进行变革。计算机辅助夹具设计技术就是在这种应用要 求下产生的一种先进制造技术，它利用计算机辅助人工进行夹具设计 计算机辅助设计可以分为概念设计、技术设计和详细设计三个阶段。概念设 计是计算机辅助夹具设计中最关键的一个环节，它影响着后续的技术设计和详细 设计，是决定夹具方案优劣的重要阶段。针对夹具设计的约束条件多、经验性、 模糊性和具有重用性的特点，一方面要在夹具的概念设计中充分考虑夹具设计的 经验性和模糊性，建立有效的推理手段；另一方面，也要看到夹具的可重用性， 充分利用过去的设计经验，建立有效的检索方法。本文在夹具设计中运用概念设 计的理论和基于实例技术所作的研究工作如下： 在c a p p c a f d 集成环境下，运用特征技术建立了基于特征的零件工艺信息模 型，使夹具c a d 系统能够直接从c a p p 系统获得夹具设计所需的几何和工艺信息， 实现了c a p p c a f d 的集成。 对夹具的相似性进行分析，把基于实例的推理技术应用在夹具设计中，通过 建立夹具实例的特征模型来进行实例的表示运用相似性系统理论进行夹具实例 的相似度计算，有效实现了对最相似夹具的检索，提高夹具的重用性 讨论了功能论设计方法学在概念设计中的意义，并把其应用到夹具的概念设 计过程建模中，对功能的表达进行研究，通过对夹具的功能进行分析和分解，建 立了夹具的功能模型。 一提出用特征作为夹具功能和结构的中介，建立了功能特征一结构的映射模 式，在对夹具设计中的约束进行分析基础上，总结了夹具各子功能的备选特征集， 运用模糊映射的理论实现夹具功能到特征和特征到结构的映射，最后得到夹具的 1 7 山东大学硕士学位论文 结构方案。在上述理论的基础上，开发了一个原型系统，初步验证了夹具概念设 计和基于实例推理中的关键技术。 关键词夹具设计基于实例设计概念设计零件信息模型功能一结构映射 山东大学硕七学位论文 a b s t r a c t f i x t u r ei sv e r yi m p o r t a n te q u i p m e n ti np r o c e s so fm a c h i n em a n u f a c t u r i n g b e c a u s ei tc a nd i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n dp r o d u c t i v i t y a n dc o s t s of i x t u r ed e s i g n i n gi sa l s oak e yp o r t i o ni nm a c h i n ep r o c e s s p r e p a r a t i v ea n dm a n u f a c t u r e h o w e v e r ，t h e r ea r em a n yq u e s t i o n si nt h e d e s i g no ff i x t u r es u c ha sl o we f f i c i e n c y 、l o n gp e r i o da n dh i g hc o s t i t h a sb e e nt h e b o t t l e n e c k f a c t o rt or e s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to f m o d e r n l l l a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i no r d e rt oc o n s t r u c tap r o d u c t i o np r e p a r es y s t e mt h a tc a ns u p p o r tt h e f a s tm a n u f a c t u r i n go ft h ep r o d u c t s t h ef i x t u r ed e s i g nw i l lb ei m p r o v e d a l lt h i n g se s p e c i a l l yi n t e g r a t ea u t o m a t i z a t i o n a so n ek i n do fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yc o m p u t e ra i d e df i x t u r ed e s i g na r ea p p l i e df o rt h e p r o d u c t i o na n du t i l i z e st h ec o m p u t e rt od e s i g nt h ef i x t u r ea u x i l i a r y c a f di sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e ：c o n c e p t u a ld e s i g n ，t e c h n i c a ld e s i g n a n dd e s i g n e di nd e t a i l c o n c e p t u a ld e s i g ni st h em o s tp o r t i o ni nt h e c o m p u t e r a i d e df i x t u r ed e s i g nw h i c hi n f l u e n c e st h ef o l l o w i n gd e s i g na n d i st h ec r u c i a ls t a g ew h i c hi n f l u e n c et h eq u a l i t yo ft h ew h o l ed e s i g np r o j e c t 0 w i n gt ot h ec o m p l e x i t yo fd e s i g nw h i c hi n v o l v e sm o r er e s t r i c t i o n s 。 e x p e r i e n c e s ，i n k li n ga n dr e u s a b l e ，i nt h ed e s i g no ff i x t u r eo no n eh a n d t h ee x p e r i e n c en a t u r ea n df u z z ys h o u l db ef u l l yc o n s i d e r e df o rt h es a k e o fs e tu pe f f e c t i v er e a s o n i n gm e a n s ，o nt h eo t h e rh a n dt h ee f f e c t i v es e a r c h m e t h o di so b t a i n e dw i t ht h ep a s te x p e r i e n c e st oe n s u r et h er e u s a b i l i t yo f f i x t u r e i nt h i sp a p e r ，b a s i n go nt h ec o n c e p t u a ld e s i g na n dt h ei n s t a n c e t e c h n o l o g yt h em a i nr e s e a r c hd o n ea r ea sf o l l o w ： u n d e rt h ei n t e g r a t e ds y s t e mo fc a p p c a f d ，t h et e c h n i c a li n f o r m a t i o n m o d e lo fp a r t si sf o u n da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fp a r t s ，e n a b l et h ec a r d s y s t e mt oo b t a i nt h en e c e s s a r yg e o m e t r ya n dp r o c e s si n f o r m a t i o nf r o mc a p p 1 1 1 c 山东大学硕+ 学位论文 s y s t e md i r e c t l y 。t h ei n t e g r a t i o no fc a p p 。c a h ) i sa c h i e v e d t h o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef i x t u r ec o m p a r a b i l i t y ，t h er a t i o n a lt e c h n o l o g y a b o u ti n s t a n c ei sa p p ll e df o rt h ep r u c ti c ep r o c e s so ff i x t u r ed e s i g n 。a t t h es a m et i m et h em o d e lf o rt h ei n s t a n c eo ff i x t u r ei ss e tu pa n de x p r e s s s ot h er e u s a b i l i t yo ff i x t u r ei si m p r o v e da n do b t a i n e dt h eb e s tr e s u l to f s e a r c hw i t ht h ec a l c u l a t i n go fc o m p a r a b i l i t y t h ed e s i g nm e t h o db a s e do nf u n c t i o ni ss t u d i e di nc o n c e p t u a ld e s i g na n d a p p l i e di nt h em o d e l i n go fc o n c e p t u a ld e s i g n t h ee x p r e s s i o no ft h ef u 【n c t i o n o ff i x t u r ei sr e s e a r c h e d ，a n a l y z e da n dr e s o l v e d f i n a l l yt h ef u n c t i o nm o d e l o ff i x t u r ei sb u i l t d e p e n d i n go nt h ef e a t u r ea sa g e n c yb e t w e e nf u n c t i o na n ds t r u c t u r e ，t h e m a p p e dm o d e lo f “f u n c t i o n f e a t u r e s t r u c t u r e ”i sp r e s e n t d e p e n d i n go n t h ea n a l y s i so ft h er e s t r i c t i o no ft h ef i x t u r e ，t h eg a t h e ro fs t a n d b y f e a t u r e so ft h es u b f u n c t i o ni so b t a i n e d ，t h es t r u c t u r ep r o j e c to ff i x t u r e i sa c h i e v e da tl a s t ap r o t o t y p es y s t e mi sa n a l y z e da n dd e v e l o p e da n d t e s t i f i e dt h ep r e v i o u sk e yt e c h n o l o g yo ff i x t u r e k e yw o r d sf i x t u r ed e s i g n ：c a s e b a s e dr e a s o n i n g ：c o n c e p t u a ld e s i g n ：p a r t i n f o r m a t i o nm o d e lf u n c t i o n - f e a t u r e s t r u c t u r e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 魏 日 论文作者签名：= 盗i 翌 日期：竺! ：篁：竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：甚浇 导师签名： 。o 钌，厂巴 日期：二二：= ： 山东大学硕七学竹论文、 第1 章绪论 1 1 计算机辅助夹具设计( c a f d ) 产生与发展 1 1 1 产生背景及研究意义 夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置它 广泛应用于工件的加工、检测和装配等整个工艺过程中【1 1 随着市场需求的变化，现代制造业向着多品种、多规格、小批量、高柔性的方向 发展，要求加工设备和工艺装备应具有较大的柔性适应这一要求，柔性制造系统 ( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 逐渐在机械加工业中被广泛采用，这也对工 艺装备的柔性化提出了迫切的要求。另外，现代市场对产品的交货期要求越来越短， 使得夹具设计与制造的周期问题进一步突显出来1 2 l 。所以，要想提高生产效率，关键 是提高夹具设计效率。但是传统的夹具设计方法在提高设计效率方面存在着很大的 局限性，夹具设计的许多工作如资料检索、分析计算，绘图、编制技术文件等都是 由人工完成的，无法提高夹具设计的效率。传统的夹具设计方法己经越来越不能满 足现代化生产的需求。目前的夹具设计过程中存在的设计效率低下、周期长等问题， 已成为制约现代制造技术发展的“瓶颈”因素。所以要适应现代制造业的需求，必 须以有效的方式挖掘生产准备各个环节的潜力，构建一个能支持快速产品制造的生 产准备系统。夹具准备技术作为制约企业快速响应的一个关键环节，也要从全局自 动化的高度进行变革。计算机辅助夹具设计技术就是在这种应用要求下产生的利用 计算机辅助人工进行夹具设计的一种先进制造技术。 1 1 2 夹具c a d 技术的国外研究发展 8 0 年代中期，人工智能技术被引入到夹具设计的开发研究中，出现了智能型 夹具设计系统，其中较典型的研究成果有：1 9 8 4 年，m a r k u s 等人把专家系统方法用 到箱体类轮毂的组合夹具设计中，在给定工件表面定位和夹紧部位的条件下选 择夹具元件和工件相对基准平面的适当位割3 l ；1 9 8 8 自g ，d a r 订s h i 和g 订l 针对夹具 山东大学硕七学位论文 专家系统中知识表达问题进行了尝试性的研究 4 1 ；1 9 9 2 年s a k u r a i 开发了一个自动 装夹规划系统，使用算法和启发式知识来决定装夹顺序和适当的夹具结构【5 j 。 1 9 9 0 年l a z a r o a 等人应用专家系统技术在组合夹具元件库的支持下实现了夹 具的自动生成，在设计过程中考虑了加- i - - i - 艺的过程和零件的公差特性1 6 】。 1 9 9 1 年，p mg r i p p o 等开发了一个槽系组合夹具c a d 系统。系统原理基于g t 交 互生成夹具装配图。c a 肛f m s 系统包括几个部分：第一部分为b u il d - y o u r - o w n ，在 给出零件图及定位方案后，可以用来绘制零件图。第二部分为m f s - s e l e c t ，是检 索商用夹具元件库的接口，用户可以从库中调出各类元件显示在屏幕上。第三部 分为f i x t u r e l i b r a r y ，是夹具和零件图形库，零件和夹具均以编码形式存储或检 索川 1 9 9 8 年，美国南伊利诺大学的w m a ，z l e i ，y r o n g 等人研制的计算机辅助标 准夹具构型设计系统，当定义了几何模型和夹具元素功能后，最终输出夹具装配 图嗍 2 0 0 2 年宾夕法尼亚州v a l l a p u z h a ；s 等人对夹具最优化布局方法进行了研究， 该文介绍了这些不同的方法并深入的研究了这些不同方法解决的不同要素的有效 性，提出了将遗传算法和连续插补的两种方法结合的方式来有效的实现最优化布 局1 9 1 。 1 1 3 夹具c a d 技术的国内研究发展 我国对夹具c a d 的研究工作起步较晚，八十年代后期才有比较系统的研究。 河北工学院的贾忠皓等人于1 9 8 9 年开发了一个组合夹具计算机辅助设计软件系 统。该系统对组合夹具元件结构进行了简化，建立了组合夹具元件的二维图形库， 采用交互方式进行组合夹具的设计1 1 0 1 。 清华大学的唐东等人从工件设计与夹具设计并行的角度探讨了夹具设计系统 的结构模式、夹具的设计与分析等问题，并研制了一个面向并行工程的计算机辅助 夹具设计系统c e - - c a f d 。系统可在工件设计的早期进行可装夹性分析，并通过基于 实例的推理进行夹具的方案设计【l1 l 。 北京理工大学的w j i a n g 和y c a i 将模糊集理论用于成组夹具设计过程中夹具 山东大学硕七学伸论文 元件的选择【幢】：台湾工业大学的z o n e - - c h i n gl i n 等人研制了一个用于平面铣削的组 合夹具设计专家系统，并讨论了模拟退火算法在夹具元件的选择中的应用【h 1 ；香港 理工大学的k m y u 等学者也对自动化夹具设计技术迸行了研究1 1 4 1 北京工业学院朱耀祥教授领导开发的b m f c a d 系统。该系统是针对镗铣加工中心 上使用的1 2 m m 槽系组合夹具的计算机辅助设计而开发的。该系统采用了带有夹具特 征信息的零件编码体系，用作选择典型夹具系统在a u t o c a d 上开发，夹具元件图是 用简化的画法而成【”】。， 清华大学李敏波等人开发的面向产品并行设计的敏捷夹具设计系统分析了并行 工程中计算机辅助夹具设计的需求，论述了零件可装夹性评价和夹具综合评价的评 价指标，针对评价指标具有较强模糊性，提出了多专家模糊语义表达评价值的评价 方法并利用动态网页开发技术，开发基干w e b 的夹具评价工具，使分布在异地的多 学科专家通过互联网对夹具设计进行实时协同评价l l6 j 。 ， i 2 概念设计的研究及发展 1 2 1 概念设计的意义 随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构f i 趋复杂，产品设计在整个 生命周期内占有越来越重要的位置【1 7 】，有关资料表明：设计阶段实际投入的费用 只占总成本的5 ，但它影响后续许多环节，决定了产品总成本的7 0 【l 珂概念 设计是产品设计过程中的关键环节，在传统的人工设计中，产品概念设计或方案 设计，大多采用类比设计或经验设计方法进行，基本上是在原来产品的基础上的 改型或改进，有关资料表明：工业中6 0 的机械产品设计是机械设计的修改【嘲。 概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。在 概念设计阶段的决定对产品很多方面有很大的影响，比如：成本，可靠性，安全 性等。一个不好的概念设计是不可能产生好的详细设计的，因此概念设计是产品 设计中最重要的一环，也是提高产品质量、降低成本和提高企业竞争力的主要手 段。 一 山东大学硕七学位论文 1 2 2 概念设计的国内外研究发展 在机械设计系统方法方面，b r a c e w e l l 提出分层的信息结构，实现功能载体 映射过程。g e r o 提出了基于原型的设计方案口”。台湾成功大学的颜洪森等人提 出了颜氏创造性机构设计的系统方法，该方法首先找到可用的已有设计，归纳出这 些机构的拓扑机构特征、运动特征，选择其中一个已经存在的设计作为原始机构， 然后把原始机构转换成只含有连杆和运动副数目的一般化运动链，运用运动链理 论，得到所需构件和运动副数目的一般化运动链图谱、布局设计需求、特定化运 动链图谱，找出满足设计约束条件的可用特定化运动链图谱，再把可用特定化图 谱转换成与其对应的机构，获得机构图谱。最后剔除已经存在的机构图，获得创 新机构图谱，从而达到创新的目的【2 2 1 。华中理工大学周济教授的研究成果主要集 中在机械c a d 方面，开发出实用专家系统工具d e s t l 0 ，应用于工程实际中和系统 辅助设计中【捌。上海交通大学的邹慧君教授等人以机械运动系统作为概念设计的 对象，用组合分类法对机构分类，在理论研究的基础上开发出了“机构系统方案 设计专家系统”阱l 。 在知识表达和建模方面，q i a n 通过对功能一行为一结构的表达，由交互方式一 在领域内产生创新方案【2 5 1 ；s h a r p 等人进行的并行概念设计研究，通过b o n dg r a p h 图来表示单个零件如何装配到整个系统模型中，可以进行静态操作与动态仿真【2 6 】。 在概念设计过程模型方面，以s r i d h a rk o t a 为代表提出功能一结构方法，表 示的是从产品的功能设计到设计出能实现产品所需功能的产品结构的映射或推理 过程鲫。g e r o 等j ：1 9 9 0 年提出的d e s i g np r o t o t y p e ( 设计原型) 中包含了功能行 为一结构( f u n c t i o n b e h a v i o r - s t r u c t u r e ) 的设计原型。他将功能、行为和结构之 间的关系称为f b s 通道，给定一个功能，就能指出实现这个功能的行为以及引起这 个行为的结构；给定一个结构，也能从f 1 3 s 通道发现它的预期行为和功能其中， 功能显示产品的意图，结构指出产品的构成以及它们连接的关系，而行为则说明 产品的结构如何达成其功能。个功能可能对应多个行为，一个行为可以和多个 功能相联系，同样，同_ 行为也可以从多个结构中推导出【2 9 】。u m e d a ，g o e l 等提出 功能行为状态( f u n c t i o n b e h a v i o r s t a t e ) 方法是将功能分解转化为行为描 述的分解。再由行为描述映射到实现功能的结构的概念设计过程的设计模型【2 9 】。 一4 山东火学硕十学位论文 1 3 论文研究内容 1 3 1 计算机辅助夹具设计过程及特点 机械产品的设计过程般可以分为概念设计、技术设计和详细设计三个阶段【3 川。 计算机辅助夹具设计的过程也可以如此划分： ( 1 ) 概念设计 概念设计又称作方案设计，其核心任务是实现从功能要求到结构说明的转换， 也是产品设计过程中最初的也是最具创造性的阶段。概念设计的内涵十分广泛和深 刻。p a h l 和b e i r z 在其e n g i n e e r i n gd e s i g n 一书中指出：“在明确任务之后，经 过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合，确定出基本的求解路径， 得出求解方案，这一部分设计工作称之为概念设计。” 对于计算机辅助夹具设计来说，概念设计就是计算机辅助用户进行夹具结构形 式选择、定位结构设计、夹紧机构设计、导向对刀装置设计等 ( 2 ) 技术设计 技术设计是将概念设计阶段确定的方案具体化和明确化的过程对于计算机辅 助夹具设计来说就是在绘图软件设计环境下进行具体的设计工作。夹具经过概念设 计阶段后得到的方案是比较粗略的，不足以反映设计是否合理，技术设计就是完成 夹具元件的具体设计并生成夹具装配图，通过技术设计可以检验概念设计的正确性， 并且纠正概念设计中错误和不合理的地方 ( 3 ) 详细设计 夹具设计经过技术设计后，完成了图形设计工作，在此基础上进行干涉检验和 总体误差计算等各项分析，还要编制夹具零件的明细表和填写技术要求，完成上述工 作才真正结束了夹具的设计。 夹具设计的特点是： 设计约束条件多。在夹具的设计中不但要考虑工件的几何实体信息，还要考虑 工件的加工工艺信息，如工件材料、加工表面、加工精度、机床设备、生产批量， 工序信息、定位方式、定位表面类型、夹紧方式、夹紧表面类型、夹紧力方向等： 经验性和模糊性。夹具的设计过程需要大量的知识，但很难用定量的关系来描 山东大学硕十学妒论文 1 m li e ! ! e e ! e _ _ e ! ! ! 目! 目e 自_ _ ! = ! 目| ! 自e 自e ! e ! ! ! 自目目! ! e e ! ! ! 目| ! 目自g ! ! ! ! s ! ! 目目! e ! e 目e 目g 自e e _ 述，并且存在许多不确定因素，所以具有模糊性，设计中高度依赖设计者的经验； 具有重用性。设计者在构思新工件的方案和结构的时候，往往根据个人的设计 经验将新工件的以前设计过夹具的工件相互比较，找出一个与新工件最相似的工件， 然后利用它的夹具方案及夹具元件，经过调整修改获得新夹具： 在夹具设计的几个阶段里，概念设计很大程度上决定了后续的技术设计和详细 设计，是决定夹具方案优劣的重要阶段，在整个设计中占有举足轻重的位置。根据 夹具的设计特点，一方面要在夹具的概念设计中充分考虑夹具设计的经验性和模糊 性，建立有效的推理手段；另一方面，也要看到夹具的可重用性，充分利用过去的 设计经验，建立有效的检索方法。 1 3 2 本论文研究主要内容 ( 1 ) 分析夹具设计和工艺设计之间的关系，在此基础上从夹具设计的角度出 发，建立基于特征的零件工艺信息模型，实现工艺设计和夹具设计的集成，使夹 具设计所需的工艺信息能够从c a p p 系统中自动读取，实现c a p p c a f d 系统集成； ( 2 ) 对功能论方法学的理论进行简要的介绍，讨论功能论方法学运用到夹具概 念设计中的意义，并以功能论方法学为指导，进行夹具概念设计的过程建模对 功能的内涵进行讨论，从功能设计的角度出发，对夹具的功能进行分析、分解， 建立夹具概念设计的功能模型； ( 3 ) 为有效实现夹具功能到结构的映射，提出功能特征一结构的映射模型， 在对夹具的功能和特征及特征和结构之间的关系分析基础上。分别建立功能层、 特征层和结构层，分析夹具设计中约束，运用模糊映射推理的方法实现夹具概念 设计中功能特征一结构映射； ( 4 ) 针对夹具的可重用性，在对夹具的相似性分析基础上，研究基于实例推 理技术在夹具设计中的应用，对夹具实例的表示和实例相似度计算作了重点研究。 山东大学硕士学位论文 第2 章功能论设计方法 2 1 功能论设计方法及其特点 功能论方法学，是一种新型的设计方法学，它以事物特征的多样性为客观基础， 以实践要求( 用户需要) 为准则，以准确全面的技术情报和数据为依据，对现有产品 ( 作业) 或假设产品及其构成要素的功能和实现功能的方法进行具体分析，然后进行 综合整理，制作出功能系统图或综合表，从而形成抽象化的结构构思【3 ” 功能论方法的主要内容包括：功能定义，功能整理和功能定量分析功能定义 是对产品及其构成要素的使用及效能下定义。通过功能定义，可以找到实现功能的 不同途经和手段。进行功能整理，即把产品各零部件的功能定义以目的和手段的顺 序进行排列，按它们的隶属关系系统化，制作出功能系统图。这样就从对产品本身 的思考转为对它的功能的思考，从而做到不受现有结构的束缚，以便形成新的设计 构思。 2 2 功能论方法学在概念设计中的应用意义 由于概念设计的实质是进行产品功能构造、功能分解以及功能与子功能的结 构设计。它是以功能为中心进行满足功能和结构要求的构思与系统化设计，所以 功能设计是概念设计中的一个重要阶段。功能设计既是设计问题的认识方法也是 设计问题的求解手段因而必须从功能设计方法的角度出发，经过功能定义、功 能分解，求出子功能的原理解，进行功能构造，最后通过评价与决策得出最优的 原理方案。 2 3 功能论方法原理方案 2 3 1 确定总功能 从抽象到具体、从定性到定量是产品设计的战略思想方法所谓抽象，就是将 设计要求抽象化，而不是像常规设计那样，一接到任务就开始具体设计。抽象化是 设计者认识设计对象本质的最好途径，无须涉及具体解决方案就能清晰地掌握设计 山东大学硕士学位论文 对象的基本功能，把思维集中到关键问题上来。抽象化的目的是为了确定设计对象 的总功能，因而在抽象过程中，要抓住本质、突出重点，对主要部分定性描述，不 涉及具体解决方案【3 2 l 。 2 3 2 子功能分解 从系统论的观点看，一个系统可以分解为一些子系统，那么系统的总功能也应 该可以分解为一些分功能。另外，一般设计对象系统都比较复杂，难以直接求得满 足总功能的原理方案，因此必须采用系统分解的原则进行功能分解，将总功能分解 为多个子功能，再通过一个个较简单的子功能求解，最后综合成一个总功能的求解 方案【3 3 1 因此，有些学者提出一种设想，把设计对象的复杂动作分解为一些基本动 作，并把这些基本动作理解为“功能元素”，由这些功能元素可以构成任何技术系 统的复杂的总功能：还有一些学者采用另外的方式，不把功能过分细分，而只是分 解到“功能单元”的水平，这样的功能单元成为既有一定的独立性，又有一定复杂 程度的技术单元。两者各有优势，前者在仪器仪表设计中有一定的运用性，而后者 在机械设计中比较奏效。 由于设计对象的许多功能之间具有可分解性和相关性，所以各级功能之间存在着 上下关系和并列关系。功能的上下关系是指在一个功能系统中功能之间存在着目的 与手段的关系。任何一个功能都有它的目的，也都有为实现这个目的所采用的手段。 目的功能又称上位功能，手段功能又称下位功能。功能的并列关系是指在复杂的功 能系统中，为了实现同一目的功能，需要并存两个以上的手段功能，即并存两个以 上的下位功能。这些并列的功能各自构成一个功能区域，称之为功能领域。按照这 种目的与手段、上位与下位的功能关系、功能之间的并列关系，可建立起设计对象 的功能分解体系。 2 3 3 子功能求解 子功能求解是功能设计方法的关键步骤。在功能分解阶段，把所定义的设计对 象的子功能以目的和手段的顺序进行排列，按它们的隶属关系系统化，制作出功能 分解系统图，这样就从对设计对象本身的思考转为对它的功能的思考，从而做到不 山东大学硕七学付论文 受现有结构的束缚，以便进行子功能的求解。德国r 柯勒教授认为：。一切设计对 象系统都是以能够满足某一确定目标和功能的物理现象为基础，一切设计任务都可 以说是物理信息同结构措施相结合的产物”他把实现于功能的解定义为原理解法， 并且指出原理解法是物理作用及作用件的函数，如式( 2 - 1 ) 所示，通过物理作用和作 用件来确定功能元件的原理解。因而，通过寻找实现各个分功能的物理作用，就可 得到予功能的原理解。 原理解法= ，( 物理作用，作用件) ( 2 - 1 ) 在该方法的基础上，前苏联科学家提出一种物场分析法( s u b s t a n c e - - - f i e l d ， 简称s _ - f 法) 可以作为求解子功能的很有效的思路。该方法认为，在任何一个最小 技术系统中，至少有一个主体( s 1 ) 、一个客体( s 2 ) 和一个场( f ) 三者缺一不可 如图2 1 所示为标准的s f 法模型，s 1 是主体，对客体发出作用：s 2 为客体，是被加 工的物体：f 为场，它是广义地指s 1 向s 2 作用时发出的力运动热量等一切作用场，s 1 通过f 作用于s 2 。用该模式来探求工艺功能的原理解就是寻求合理的f 和s 1 ，如图 2 1 所示，但是具体求解时，还需要适当辅以s l l 、f 1 等，如图2 - 2 所示，对标准模型 中的s 和f 进行增加和完善，从而更好地完成希望实现的功能。 夕 s l ，- 8 2 s 1 l 。” 图2 1s - f 法标准模节图2 - 2s f 法扩展模型 为了便于原理方案综合，通过物一场分析法所得到的子功能g o = 1 ，2 ，3 均的原 理解同样用式( 2 2 ) 所示的集合来表示。 q = 五，巧，乙 ( _ ，= l ，2 ，朋) ( 2 2 ) 2 3 4 原理方案综合 子功能原理解的完成，标志着明确设计构思与结构的定性分析，但还需要进行 原理方案的综合，即把分功能解法合成为一个整体以实现总功能的过程。综合的实 9 - 之 ； 山东大学硕十学位论文 质是从各子功能较优的原理解出发，将其加以组合，遵循整体性原则，追求整体方 案最优。整体性原则是功能设计方法的核心，这一原则认为，任何设计对象的系统 都是由部分组成的，但整体不等于部分的机械相加，而是通过各部分之间的相互作 用、关系和层次产生了系统的整体特性l 州。 原理方案的综合可采用形态学综合法。形态学综合法( m o r p h o l o g y ) 是1 9 世纪美 国加州理工学院f 兹维奇教授创造的，该方法以集合代数的表达方法描述系统形态 和分类问题。形态学综合法采用矩阵的形式，将系统的子功能列为纵坐标，各子功 能的相应解列为横坐标，构成形态学矩阵，从每个子功能解中挑出一个解，经过组 合可以形成一个包括全部子功能的整体方案，如表2 一l 所示。表中e l 、e 、f i 为 设计对象的子功能，7 i 、石：为第一子功能的原理解，乙l 乙：为第脚个子功能的 原理解。 表2 一l 原理方案综合的形态学矩阵 子功能子功能解 1234 n ln 2 n - 墨五-五z 7 ；， 五。 e五- 正z 正， ： 丘 五 互： 死 “- ： 兄乙。l ：l ， 假定实现设计对象有m 个子功能，并且每个子功能又有月个原理解，则该设计对 象形态学矩阵相应的功能一技术矩阵( f n 形式如下： f = e 五 ： f ： ( f = l 2 埘)( 2 - 3 ) 山东大学硕+ 学位论文 f = 五：，瓦，瓦 ( _ ，= l ，2 ，疗) ( 2 4 ) c f r ，= 曼j | j 妻 c z s ， 存在着技术可行性问题，所以不可能全部瓦都可以相联。因此，在对功能设计方法 形态学矩阵求解过程，也是找出最佳功能技术可行组合链的过程【3 5 1 。 情况为例，若功能f 对应有技术途径五，z ：，毛，瓦，且其性能指标数值分别为 0 = m a ) 【( 昂，b ，匕) ( 2 - 6 ) 令： q 。= 0 昂( j = l ，2 ，甩) ( 2 - 7 ) q = 瓯 - i ( 2 - 8 ) 一q = 瓯q , ( _ ，= 1 ，2 ，甩) ( 2 9 ) 将乌( f = l ，2 ，m ；j = 1 ，2 ，胛) 按顺序列成矩阵，构成式( 2 1 0 ) 所示的优异性系 。 山东大学硕十学付论文 i i 数矩阵( 简称x s 阵) ( - 圆) = q l g ，q i 。 q t q 统 级一锄q 删 ( 2 - 1 0 ) 随后，利用加权求和法把对技术途径及其组合链的评价从多项能指标的考察，转化 为综合值单指标的考察，形成单一的综合值排序矩阵，这就为构造优化组合链和实 现对功能一技术矩阵的优化解法创造了条件。按照加权求和法，把各技术途径的个 人指标的优异性系数只( ，= l ，2 ，一) ，分乘相应的船阵重要性系数之后累加，得到 式( 2 1 1 ) 所示的综合值乏( f _ l ，2 ，m ；，= l ，2 ，刀) ，再把综合值写成式( 2 1 2 ) 所示 的综合值矩阵z 。 p 乏= p ( r ) x x s ( r ，f ，d ( 2 1 1 ) z = 乏五i 乏n z 二艺z 二 z ：。毛乙 ( 2 - 1 2 ) 将综合值矩阵z 中的各行元素按大小顺序从左到右排列，可得式( 2 1 3 ) 所示的 综合值排序矩阵z p 。矩阵z p 经横向排序后，打乱了原功能一技术矩阵( f t ) 的 技术途径之问的位置顺序。对应于综合值排序矩阵z p ，将原( f t ) 矩阵改写为 式( 2 1 4 ) 所示的新的功能一技术矩阵( g 一，) ，该矩阵中的技术途径厶力对应于综合 值排序矩阵2 p 中的优异性系数乙 山东大学硕十学付论文 z p = r g - j ) = z l t z l ，z l 。 z | 、z z ” z 。i z q z 。 ( 1 ) 以( 力以( ， m t 门( 。) 厶( 1 ) 厶( n 以( 帕 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 为了得到( g t ) 矩阵的最佳功能技术可行组合链，可利用邻接矩阵的概念来 辅助构造该功能一技术矩阵的可行链。 ( 1 ) 将( g - t ) 矩阵中的( i ) ，一( 取出按一列放置，然后将 以( i ) ，以( 伊也。) 取出按一列放置，并使它们构成如表2 2 所示的刀甩阶矩阵 ( 2 ) 根据可行性条件，判定其中某两项技术途径是否能进行组合，若能够组合， 则在表2 2 矩阵相应空格中填l ，否则填0 。 表2 - 2 技术途径可行组合链 以m以( j )以( ， 以( 1 ) 1o0 以( ) 0ol 以( 。) 0 10 ( 3 ) 当判断和填写之后，将对应数字1 的行和列的技术途径取出并写在一起， 作为新元素按列放置，同时将厶i l ，以。山，取出按行放置，构成新的可行性判 断矩阵。 ( 4 ) 重复上述步骤，经m 一1 次可行性判断直至构造出第1 i r l 个可行性判断矩阵， 山东大学硕十学位论文 将该矩阵中对应数字l 的行和列的技术途径写在一起，作为从实现功能五到功能e 的 一条完整的可行组合链。 经过上述步骤之后，得到p ( ps 矿) 条可行组合链，它们作为形态学矩阵的全部 原理方案形成如式( 2 一l j ) 所示的原理方案矩阵。该矩阵中的元素s ：代表一条具有综 合值的可行链，如式( 2 - 1 6 ) 所示。为了得到最佳的功能技术可行组合链，将可行链式 中的技术途径s 对应的优异性系数乙相加，可得该可行链的综合值k ，如式( 2 1 7 ) 所示，综合值最大的为最佳功能技术可行组合链。 s = g j 墨 ； ( 2 - 1 5 ) g = 屯 ( 2 1 6 ) = 乞 ( 2 1 7 ) - l 最后得到的最佳功能技术可行组合链是实现该设计对象总功能的整体原理方 案，由于它是依照综合值来评定的，因此可能有一个或多个，为确定出最满意的结 果，还需要进一步的评价和决策。 2 3 5 评价与决策 得出几个整体方案后，要进行比较和评定，根据目标做出约束，从而选定最优 方案评价与决策贯穿于设计的全过程，评价工作主要包括以下内容嗍： ( 1 ) 选定评价准则，即选定评价时的方向及其要求，例如成本低，寿命长、结 构简单等不同的评价准则： ( 2 ) 为准则选定度量尺度，即确定评定好坏的标准； ( 3 ) 确定评价对象有关各项准则的价值，即按预定度量尺度对评价对象进行评 定； 山东大学硕士学何论文 ( 4 ) 将各单独评价值合成，以便对评价对象做出总的比较。 决策工作主要包括以下内容：， ( 1 ) 分析和判断设计方案是否满足设计任务要求以及满足到什么程度： ( 2 ) 对达到设计要求的方案，进一步从技术、经济方面寻求弱点，提出改进的 具体目标，以综合出更为完善的方案； ( 3 ) 对未达到要求的方案，提出提高方向：对超出目标要求的方案，从经济上 检查是否合算，寻求降低成本的途径。 综上所述，只有经过对方案的评定之后，才能确定优劣，最后决策最佳方案。 评价的方法主要有：简单评价法、实验评价法、评分法、技术经济评价法、模糊评 价法等，针对不同的评价对象和目的可采用相应的评价方法。 2 4 本章小结 功能论设计方法学是在功能分析的基础上通过创新构思、搜索探求、优化筛 选，得到较理想的设计对象的功能原理方案。在运用该方法进行功能原理方案构 思和选择时，主要依靠对设计对象的各种功能的深刻理解和巧妙构思，而不是依 靠完全形式上的计算，对于设计对象总功能的描述要准确简洁，要合理抽象，抓 住本质；通过功能分析把总功能分解为相互联系的子功能，使问题变得易于求解， 子功能的相互联系可以用功能结构图表示；求出子功能的原理解，将子功能解综 合为整体解：最后得到整体方案，作为下一步设计的基础。 山东大学硕士学位论文 第3 章面向夹具设计的零件工艺信息模型 3 1c a p p c a f d 系统的信息集成 3 1 1 信息集成技术 目前，许多独立的工装c a d 系统和产品零件c a d 、c a p p 、c a m 系统已经接近于实用 化的阶段，且各