（机械制造及其自动化专业论文）面向装配的数码相机结构设计研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 制造业的竞争日益激烈，降低产品成本、提高产品质量和缩短产品开发周期 已成为企业生存和发展的关键。在这种情形下，并行工程作为一种有效的解决方 法正在逐步发展起来。 数码相机作为消费类产品，更新快，生命周期短。结构设计时需保证电子元 件、光学器件、塑料件以及软件系统间的协调性。 本文在并行工程理论基础上提出了面向装配的数码相机结构设计研究，在设 计之初就能发现并解决数码相机结构设计中的一些问题，提高设计效率。主要研 究工作有以下几点： 1 ) 分析了数码相机内部零、部件的装配结构特征及其装配关系，并在此基 础上提出了数码相机结构的设计准则。 2 ) 在支持变型设计理论基础上，运用u gw a v e 技术完成了自顶向下的数码 相机结构参数化设计。根据数码相机自身的装配结构特点，建立相机间的层次控 制结构，在控制结构的顶层定义设计总参数，并在各层之间建立参数约束，最终 完成d s c 31 0 0 型数码相机的参数化设计。 3 ) 分析了面向数码相机装配结构的层次化单元装配模型，建立了相机装配 模型的结构信息，在此基础上定义了数码相机零部件层次化装配模型的数据结 构，并依据装配建模的相关理论完成了相机零部件间的装配建模。 4 ) 构建了面向数码相机装配设计的系统( d f a ) 结构，以u g i i 软件为开发 平台，基于数码相机装配模型，实现了d f a 与u g i i 系统的集成，初步完成了数 码相机d f a 系统的界面设计和相关功能模块的开发。 关键词：并行工程，d f a ，装配模型，装配设计，数码相机 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ei n t e n s i v ec o m p e t i t i o ni nm a n u f a c t u r i n gi m p e l se n t e r p r i s e st or e d u c et h ec o s t ， i m p r o v et h eq u a l i t ya n ds h r i n kt h et i m eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t 。t oa c h i e v et h e s e g o a l s ，t h ec o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ( c e ) i sb e i n ga p p l i e di nm a n yc o m p a n i e s b e i n gt h ec o n s u m p t i v ep r o d u c t ，d i g i t a lc a m e r ah a st h ec h a r a c t e rt h a tu p d a t e q u i c k l ya n di t sp r o d u c t l i f ei ss h o r t s ow eh a v et oe n s u r et h a tt h ee l e c t r i c a lp a r t s ，t h e o p t i c a lp a r t s ，t h ep l a s t i cp a r t sa n dt h es o t 抽a r es y s t e mw o r ki np h a s e t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h er e s e a r c ho fs t r u c t u r ed e s i g nf o rd i g i t a lc a m e r ao n t h eb a s eo fc e a si tp r o v e dt h a tt h em e t h o dc a nf r e do u ts o m ep r o b l e m sw h i l e m a k i n gd e s i g n ，a n ds oi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n i nt h i sp a p e r , t h em a i n r e s e a r c hw o r ka sf o l l o w i n g ： d i s c u s s e st h ec h a r a c t e ro ft h ei n n e rp a r t sa n dt h e i rc o n s t r u c t i o n a lc o n n e c t i o na n d o f f e r ss o m ec r i t e r i o nw h e nm a k i n gd e s i g n u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h et h e o r ya b o u tt r a n s f i g u r a t i o n , h a sf i n i s h e dt h e p a r a m e t e rd e s i g nf o rd i g i t a lc a m e r ab yu s i n gu gw a v e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r o fd i g i t a lc a m e r a , h a ss e tu pt h ec o n t r o lf r a m e ，t h ec h i e fp a r a m e t e ri se s t a b l i s h e di n t h et o pl a y e ro fc o n t r o lf r a m e ，a n dh a ss e tu pt h ep a r a m e t e rr e s t r i c t i o n , f i n a l l yh a s f i n i s h e dt h es t r u c t u r ed e s i g no fd s c 310 0 a n a l y z e st h ec e l la s s e m b l ym o d e lf o rt h es t r u c t u r eo fd i g i t a lc a m e r a , s e t su pt h e s t r u c t u r ei n f o r m a t i o no fd i g i t a lc a m e r a , t h e nd e f i n e st h ed a t af r a m eo fa s s e m b l y m o d e l i n gf o rd i g i t a lc a m e r a , a n dh a sf i n i s h e dt h ea s s e m b l ym o d e l i n go nt h eb a s eo f t h e s et h e o r i e s i n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gt h e o r yo fu g i i ，p u t sf o r w a r dt h es t r u c t u r eo fd f af o r d i g i t a lc a m e r a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) ，t h e nh a sf i n i s h e di n t e g r a t i o nb e t w e e nd f a a n d u g i i ，f i n a l l yh a sf i n i s h e dt h ed e v e l o p m e n to fi n t e r f a c ea n df u n c t i o nm o d u l ef o rd f a k e yw o r d s ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，d f a ，a s s e m b l ym o d e l ， a s s e m b l yd e s i g n ，d i g i t a lc a m e r a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制毒段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保。密嘭在弓年解密后适用本授权书蔫 不保密口。 学位论文作者签名：协庭罾 p 陴舌月7 日 指导教师签名 们旷年月、) 日 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 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 衣囊辱 日期：7 p 厂 年苦月7 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，随着世界经济的迅速发展和市场全球化，竞争日益激烈，全球的经 济竞争模式正在向“大规模客户化生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) ”转变【，产品的 t ( 交货期) 、q ( 质量) 、c ( 成本) 、s ( 服务) 综合指标成为各工业企业考虑的 首要问题。怎样最大限度地提高产品质量，降低产品成本，缩短产品开发周期成 为企业生存和发展的关键。而长期以来。新产品的开发大多沿用传统的顺序工程 方法，即所谓的“抛过墙式”的设计开发过程。产品总是从一个部门递交给下一个 部门，每次都根据各自需要进行修改。由于传统的顺序设计方法在设计的早期不 能全面考虑后续过程的多种要求( 可制造性，可装配性，可测试性，质量保证等) ， 使制造的产品存在较多的缺陷。故此，要求对原设计进行必要的修改，构成从概 念设计到工艺过程设计的多次修改。同时可能在不同的环节中多次重复这一过 程，以致造成对原设计改动大，产品开发周期长。研究发现【2 】，尽管产品设计阶 段所占的成本不到产品总成本的2 0 ，但该阶段却决定了产品总成本的8 0 。 所以改进产品的开发过程可能比改进生产过程获得的效益更大。为此，各国学 者提出了许多新的产品开发策略、生产模式和先进制造技术。例如：计算机集成 制造系统c i m s 、并行工程c e 、敏捷制造a m 、虚拟制造v m 等。这些先进制 造技术的研究范围都是产品的整个生命周期，从用户需求分析、功能设计、概念 设计、结构设计、零件设计，直到制造、销售和售后服务，强调信息集成、功能 集成，强调在统一的集成资源环境下运行。这就要求产品生命周期中的各种活动 所涉及的产品信息应进行统一的描述与表达，建立完整的精确的高度一致的产品 模型，以实现产品各种信息的共享。 1 1 并行工程 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 就是从改进产品设计过程的角度出发， 并行、集成地设计产品及其相应过程，改变设计过程与制造过程相互脱节的弊病， 以提高t 、q 、c 、s 综合指标及产品竞争力【1 5 1 。 并行工程叫】是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程( 包括制造过 江苏大学硕士学位论文 程和支持过程) 的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产 品整个生命周期，即从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量，成本， 进度计划和用户要求。并行工程把产品从概念设计到开发的串行过程缩短为并行 过程。 并行工程是新产品概念生成、性能描述、开发、制造和维护机构各部分的直 接融合。并行工程的主要目标是：提高产品开发全过程( 包括设计、工艺、制造 和销售服务等) 中的质量；降低新产品整个生命周期中的成本( 包括产品设计、 工艺、制造、发送、支持客户使用乃至产品报废等成本) ；缩短产品开发周期( 包 括减少设计反复、降低设计、生产准备、制造及投放市场的时间) 。 并行工程的显著特点在于重视用户要求，能从全局优化角度出发，对产品整 个开发过程进行集成管理和控制。并行工程首先是一种哲理，涉及人员管理和组 织模式的变革。在并行工程中新产品开发队伍的组织，即不按部门划分，也不是 按专业分工，而是组织学科产品开发队伍。其次，并行工程是从产品的信息集成 到产品开发过程的自动集成，强调注重知识，协作和人的有效参与，即从过去单 纯的信息集成向人，管理，技术三者集成方向发展。最后，并行工程也提供面向 全局性分析的技术和方法，以d f x 技术和方法为代表。其中，x 可以代表产品 生命周期或其中某一环节，如装配，加工，使用，维修，回收，报废等，也可以 代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量，成本，时间等。 并行工程作为现代制造技术中重要的一环，以c i m s 信息集成为基础，以实 现产品开发过程为主要目标，是今后最主要的产品开发模式之一。 1 2 面向装配设计( d f a ) 技术综述 1 2 1面向装配设计( d f a ) 概述 面向装配的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 是并行工程的基础及关键技术【3 】， 是在概念设计阶段解决装配中可能存在的问题，以确保零件快速有效地进行装配 的一种设计方法。一方面，它基于易于装配准则( 如零件的对称性、尺寸、匹配 方向和零件的数量等) 分析零件，对零件的可装配性和装配工艺性进行量化分析 和评价；另一方面，它基于一系列设计准则和设计指南来指导设计，改进产品的 可装配性，降低产品装配成本和装配时间，提高装配生产率。 2 江苏大学硕士学位论文 面向装配的设计( d f a ) 能够提供与设计语义致的基于装配的造型工具【4 】， 使设计功能方便地映射为设计概念。并以装配模型作为表达设计功能的全局结 构，为设计要求向产品定义的转化提供了必要的手段，从而支持自顶向下的设计 过程，从根本上改变基于传统c a d 系统的自底向上的设计方式。 因为产品的工艺、装配及制造过程的实现与产品的设计功能一致，而装配模 型则是产品设计功能的体现和载体，所以d f a 可以很容易地实现设计与产品生 命周期的其它过程的集成，进而实现在并行工程环境下a d c a p p c 蝴的有效 集成。 在现代制造业，尤其是复杂产品装配生产中，d f a 的以上特性，对于构建 产品集成设计环境，以并行设计取代串行设计，提高装配生产有着特殊意义。 d f a 不仅为设计者提供了从装配和制造的角度进行系统分析的方法，可以设计 更简单和更可靠的产品。而且，d f a 促进了设计和制造之间的交流，改善产品 的装配工艺性。 研究表明【3 3 1 ，d f a 的实施可平均减少4 9 的零件。通用汽车公司的统计数 据表明d f a 使汽车的再设计减少8 6 ，节约7 1 的装配时间，年节约成本估计 约7 3 百万美元。波音公司在其波音7 6 7 飞机部件设计上采用d f a 技术，使其 设计更改成本降低一半以上。福特公司声称d f a 为他们节约了数百亿美元。g e 、 s o n y 等公司采用d f a 技术，也取得了显著的经济效益。 1 2 。2 面向装配设计( d f a ) 的基本原理 在现代化的产品装配实践中，存在一些便于产品装配的设计原则【1 翔，尽管 其中有些原则极为普通而且容易理解但却分别从产品结构、装配工艺、装配操 作、可装配性等角度对产品设计进行了全局优化。而面向装配的设计的基本原理 如下： 1 ) 零件数量和类型最少原则： 减少零件的数量和类型意味着减少材料、减少制造工作量、降低装配难度和 简化生产管理，从而能提高生产率，减少成本。当然，对零件类型和数量的减少 不是无限制的，应当确保不出现由于零件的减少而使零件的形状太复杂或太笨重 以致于难于装配和制造的情形。减少零件数量和类型的最好办法是取消功能重复 的零件或设计多功能复合的零件。如在数码相机内部一般就可设计一个中架用于 江苏大学硕士学位论文 固定相机的前后面板和镜头。 2 ) 装配方向最少原则： 所有的零件应尽可能在同一方向进行装配，多的装配方向将增加装配线的长 度，增加装配操作的位置，并增加装配时间，影响装配效率。一般自上而下的装 配方向是优先考虑的装配方向。如数码相机进行装配操作时，应尽可能考虑这一 因素，使其既减少工装又可提高装配效率。 3 ) 模块化的设计原则： 模块化的设计原则就是将产品设计成由特定功能、相互独立的子模块组成， 子模块之间具有互相连接的接口，大大简化装配过程。例如相机内部电路板的接 插件式装配。 4 ) 减少紧固件数量的设计原则： 除非设计上有必要，应尽量减少用螺钉、螺栓等结构，因为螺纹联接需要拧 螺栓或螺母，装配时间长。 5 ) 零件易于定位原则： 零件的定位是一项很复杂的工作，定位次数越多，装配难度越大，对装配效 率的影响也越大。 上述是一些经常应用的面向装配设计的原则，还有许多其他有关装配的设计 原则，如最少手工装配原则，最少装配夹具原则，避免使用柔性零件原则等等。 根据上述原则设计的产品将具有很好的可装配性。 1 3 国内外研究现状 1 。3 1 国外研究现状【6 ，1 3 ，1 啦3 】 d f a 这一术语是由美国马萨诸塞大学的g b o o t h r o y d 和p d e w h u r s t 于19 8 0 年正式提出的。1 9 8 1 年，k g s w i f t 手册由英国s o l f o l d 大学出版，至此，著名的 b o o t h r o y e d & d e w h u r s t 方法形成。另一著名的方法是日本h i t a c h i 公司的a e m ( a s s e m b l ye v a l u t i o nm e t h o d ) 法。 在a e m 法和b o o t h r o y d & d e w h u r s t 法提出后的十几年中，又相继提出了几 种新方法。c o n n a c e r 将虚拟现实技术应用到d f a 中，提出一个虚拟装配环境， 并将其集成至商用c a d 软件中。但文中未涉及虚拟装配模型及实现细节。1 w a t a 4 江苏大学硕士学位论文 提出基于形状特征模型基础上的并行产品建模方法，在这种设计方式下，产品模 型作为一个共同的工作模型，可以将众多的设计和工程信息集成起来：文中提出 了基于特征建模的框架以支持并行、合作的产品设计，设计者和工程师可并行地 讨论产品功能、特性等：但文中缺乏设计知识的表示、转换及推理过程的研究。 t h o m a s 和t o r r a s 提出的查找满足一系列自由度的约束、形状匹配约束以及相交 约束的结构体位置的通用方法：r o s s i g n a c 将刚体运动存储为零件模型的边界元 素的未评价约束，并基于此推导出零件在装配体中的位置。v i j a y k u m a r 提出通过 给定针对特征关系细化的装配操作来确定装配模型。h e e m s k e r k 提出的对象关系 网络方法则描述了产品的全局结构。其中关系是预定义的，并明确区分为接触与 非接触两类。实际上，接触关系可以认为是低级运动副集的一个子集，而非接触 关系则或为块关系，或为包围关系。在w e u l e 开发的k o m p a s s 系统中，利用 专门设计的启发式算法，结合c a d 模型来构成装配模型，能够进行复杂产品的 分析，也能处理柔性材料。 1 3 2 国内研究现状【3 4 ，7 9 ，4 3 】 西北工业大学c a d c a m 国家专业实验室的李源、张涛、曹哲等，在“支 持操作的装配仿真技术研究 一文中，提出了一种基于装配仿真技术，将装配操 作、装配工夹具等装配工艺信息集成在统一的装配模型中，实现装配环境和装配 过程的有机结合。 中国纺织大学马晓瑞在“并行工程下的可装配性设计”一文中，将影响可装 配性的因素分为三类：零件因素、系统因素和工艺因素。零件因素主要指零件的 尺寸和形状；系统因素主要指零件之间的嵌套和缠绕，零件之间的配合间歇和配 合长度；工艺因素主要指零件的输送手段、输送路径，装配时的紧固方法、装配 路径。 西安飞机工业有限责任公司的张得庆在“数字化产品设计制造工程嚣一文中 提出：在进行数字化预装配时，将通用工具作成实体模型，有助于工装与工装之 间、工装与零件之间的空间分析和干涉检查。 哈尔滨工业大学顾廷权等在“基于功能分析的定量面向装配的设计研究 一 文中，提出了一种基于功能分析的定量面向装配的设计方法，根据零件的功能相 对重要系数，确定零件在装配中的功能能否由其它零件代替，以减少组成产品的 5 江苏大学硕士学位论文一 零部件数目，提高产品的可装配性。 清华大学宋玉银，叶蓓华，蔡复之等，在“集成化面向装配的设计研究 一 文中提出：用多重装配连接图表示产品中：零件之间的多重装配关系，用模糊连 接图中的结点和连接边的模糊度来模糊评价产品可装配性。 华北工学院马峻等在“基于实例的d f a 装配质量研究”一文中，分析了装 配质量与装配模型的关系，用装配特征描述装配质量。其装配特征分为四类：位 置特征、连接特征、配合特征、运动特征。马峻等的工作主要研究了基于实例下 的d f a 装配质量体系。 浙江大学李海龙、董金祥、葛建新等在“基于约束的装配体技术”一文中， 提出了基于约束表示的装配体位置关系的描述方法，约束通过转化以方程的形式 求解。 上海交通大学的张申生、步丰林等提出通过产品及零部件的编码的方式来实 现装配层次的描述，并以装配关系矩阵记录零部件的位置关系、联接关系、配合 关系和运动约束关系。记录的信息比较安全，并能够保证约束的上溯及继承，但 相应记录的数据量较为庞大。 华中理工大学的张新访、莫建中等建立装配语义网络模型，较好的描述了产 品组成和装配关系，并可通过功能语言分析，给出产品设计的修改建议。 综上所述，装配作为产品生产过程中的重要一环，国内外学者对其c a d 及 可装配性技术进行了许多有益的探索，为后人的进一步研究提供了有力的理论基 础。 1 3 3 传统d f a 的局限 d f a 对改善产品可装配性作用显著，应用成效已引起广泛关注，但研究者 们同时也发现其优越性尚未充分发挥出来。导致这种局面的发生主要在于产品的 串行开发模式束缚了人们对d f a 作用机理的认识，装配技术很难很好地在产品 设计过程中体现出来。主要表现为可装配性的考虑太晚，其分析评价大多是在零 件设计实施到定阶段，针对具体的结构形状进行的。当评价结果不符合要求时， 产品设计过程所采用的“设计一评价一再设计策略有可能导致从概念设计、结 构设计到零件设计的大返工。所以应当在产品设计阶段相对并行地解决产品的可 装配性问题。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 4d f a 的演进 近年以来，d f a 正朝着集成化、并行化与可视化方向演进。 1 ) 向集成化、智能化方向发展。即将d f a 与c a d 系统集成，并建立相关 的专家系统。 2 ) 引入并行工程理念，克服传统d a f 的不足之处，体现产品的设计、工艺 过程中d f a 的并行运行机制。 3 ) 利用计算机图形学和仿真技术，构建产品虚拟装配环境，对产品的可装 配性进行可视化分析。 1 4 选题依据及本课题研究内容 1 4 1 国内外相关技术的发展概况和发展趋势 数码相机具有如下特点：( 1 ) 造型美观；( 2 ) 体积小，结构紧凑复杂；( 3 ) 属于光、机、电一体化产品，结构设计的合理性关系到电路布置、光学零件的性 能发挥、电池容量及其辐射性等问题，数码相机产品开发需要经过多次反复 才能定型，开发时间长、成本高。 国外采用c a d c a e 一体化技术使数码相机的开发制造呈现前所未有的面 貌，产品精度大幅度提高，产品开发成功率达9 5 以上。特别是c a e 的应用， 改变了传统数码相机设计凭经验，质量难以保证的局面。通过仿真分析和干涉检 验，预测产品可能存在的缺陷，从而达到优化产品结构的目的，缩短产品开发周 期、降低成本。 国内目前数码相机主要以仿制和组装为主，自主开发能力较弱。结构设计主 要以二维为主；结构工艺分析绝大部分取决于技术人员的经验，分析结果因入而 异，这种状况严重影响了数码相机的制造水平和竞争力的提高。 在这种条件下进行数码相机的研究和开发具有很大的现实意义。主要体现 在：不仅可以满足国内市场的需求，打破国外数码相机对国内市场的垄断；而且 可以促进国内在数码相机技术领域的研究，为今后数码相机完全国产化作技术上 的储备。 7 江苏大学硕士学位论文 1 4 2 本文研究的目的、意义 数码相机作为数码类电子产品，体积小、内部结构紧凑复杂，产品自身 设计要求很高。在其生产过程中经常出现局部干涉或某些部件由于装配精度不够 而导致整个相机的使用性能受损。设计过程中不仅要保证电子部件、光学元器件、 塑料件和软件系统相互之间的协调性，还要保证产品结构设计的可行性以及产品 的可装配性。 数码相机作为数码类消费产品，与市场联系紧密，批量小、更新快。为 此，以企业的某一主导产品为基型，借助于变型设计获得各种满足用户个性化需 求的系列产品是非常有意义的。 因此，这就需要在结构设计时结合先进的设计理论辅助产品设计，基于支持 产品变型设计的原理设计产品的数字模型，在此基础上结合d f a 相关理论，在 现有的c a d 软件平台上开发一套适时的仿真检测系统找出最优化的设计方案， 从而最大限度地缩短产品开发周期，降低产品开发成本。 1 4 3 本文所要解决的问题 本文在数码相机结构设计基础上借助d f a 相关理论，主要解决以下几个问 题： 数码相机产品装配技术的研究 本文笔者结合在镇江江奎集团从事数码相机结构设计的体会，总结了数码相 机的装配结构特点，提出了数码相机结构设计要求。 自顶向下的数码相机结构参数化设计 基于支持产品变型设计的相关理论，在u gw a v e 技术的基础上完成了数码 相机结构的参数化设计。 数码相机产品装配信息模型的研究及建立 基于装配建模的相关理论，结合数码相机零、部件自身结构特点，研究了面 向数码相机装配结构的层次化产品装配模型，最终完成了数码相机零、部件的装 配建模。 机构运动分析理论研究及模块的建立 论述了机构运动分析时的相关理论，建立了机构运动分析模块的数据流程及 8 江苏大学硕士学位论文 相关模块结构。 u g i i 基础上的d f a 系统开发及应用 基于u g i i 软件开发平台，开发了面向装配的设计( d f a ) 系统。实现了系 统的适时干涉检验及机构运动分析，并给出了相关应用实例。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章数码相机产品装配技术的研究 数码相机造型美观，体积小，内部结构紧凑复杂。与传统的消费类电子产品 不同的是，在进行数码相机结构设计时经常会出现内部结构干涉、c f 卡存取不 便以及镜头卡死等现象。为解决上述问题，笔者分析了镇江江奎集团数码相机的 产品设计到制造的全过程，总结了数码相机结构设计时的相关注意事项及相应的 设计准则。 2 1 数码相机的开发流程 数码相机开发的流程如图2 1 所示。本文以d s c 系列数码相机为例，阐述 了数码相机开发的一般流程。 i 成本分析l i 广一 i 市场调研p - 1 概念设计l i 、一 l 。i 一 。万粟分析l7 i 评刭发计 i 一i l 可行性分析f - 图2 - 1数码相机的开发流程 首先，结合市场调研的结果，进行数码相机整机工作方案的规划( t s ，t o t a l s o l u t i o n ) 。其次，进行概念设计( i d ) ，对相机内部的d s p ( 芯片) 、s e n s o r ( 芯 片) 、l e n s ( 镜头) 的型号规格予以确认，制定整机的工作要求( s p e c ) 。再分 别从成本、方案和技术可行性三个方面进行论证，最后才进入数码相机的详细设 计阶段。 整个产品详细设计的前期工作都必须要经过结构工程师，硬件工程师，软件 工程师和光学工程师的反复论证才能最终确认。当然，结构设计时还是会碰到许 多问题，这其中不乏有许多隐性问题。比方说某些地方由于硬件或光学器件的要 求需要限位限高，有些元器件由于供应短缺而需要临时更改结构，有些地方在模 具设计制造时很难加工制造等。因此这就要求设计者在设计之前务必对数码相机 的零件结构、装配关系有深入的分析研究，尽量减少设计修改的重复性。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 装配作业 数码相机作为消费类电子产品，造型美观，结构紧凑复杂。其复杂的内部结 构和密集的电子电路之间存在着密切的配合问题，装配技术要求很高。因此，笔 者根据镇江江奎集团数码相机的设计和装配作业情况，总结了数码相机的装配结 构特点，提出数码相机装配精度要求和内部结构设计要求。 2 2 1数码相机的装配结构特点 数码相机装配在数码相机设计制造时占有重要的地位。在一般机械制造中， 装配工作的劳动量占制造总劳动量的3 0 左右，而在数码相机的生产制造中，装 配工作的劳动量占制造总劳动量的5 0 左右。通过分析某款相机的装配工艺过 程，笔者总结了数码相机的装配结构特点： ( 1 ) 数码相机体积小，内部结构紧凑复杂，零件种类多，有塑料件，电子 部件和光学元器件等。其复杂的内部结构和密集的电子电路之间存在着密切的配 合问题，在装配试流时，经常出现按键不灵、电路短路以及装配面不贴合等不良 现象。究其原因，就是在设计时没有充分考虑好设计时的协调性，出现了局部干 涉现象或是某些部位空间留得太小，没有注意限高限位。 ( 2 ) 数码相机在工作时，由于光学变焦镜头需要前后伸缩，其c c d 感光部 分也需配合运动，如设计不合理，容易导致卡壳，甚至黑屏等故障。这就要求设 计时为消除设计隐患，对镜头部件作机构运动仿真分析。 ( 3 ) 数码相机中有大量的层次组件结构，如电源板组件，主板组件，镜头 组件，面壳组件等。这些组件或组件之间的配合都相互平行，且具有单一的装配 方向。这就要求结构设计时，可以按照自顶向下的设计方法，结合层次化装配模 型进行各零部件的设计，从而方便对各组成部件进行适时的干涉检查。 ( 4 ) 在设计时，有时为了满足客户需要、适应市场需求，需要对相机进行 适当升级，通常是在原有结构基础上对相机内部结构作相应的局部调整。这就要 求在设计时要充分运用参数化技术，实现产品的变型设计。 2 2 2 数码相机装配单元划分及结构设计要求 1 数码相机的装配单元划分 在数码相机的生产中，尤其是在批量生产中，一般采用分散装配原则。即通 江苏大学硕士学位论文 过工艺分解将数码相机装配件划分为若干个独立的装配单元，以提高装配并行度 和机械化程度。一般根据设计分离面将数码相机划分为各大部件，如前面板组件， 后面板组件，顶板组件等。数码相机装配工艺分解的目的： ( 1 ) 扩大装配工作面，使装配工作分散平行进行，以缩短数码相机的装配 周期。 ( 2 ) 将电子件，光学器件和塑料件分开装配有利于改善装配工作的劳动条 件，利于装配作业的机械化，提高了生产效率和产品质量。 ( 3 ) 便于实现相机零部件之间的层次性，从而利于层次化装配模型的建立。 2 内部结构设计时的要求 数码相机生产中，有两种分离面，即设计分离面和工艺分离面。设计分离面 是为了满足产品结构和使用的需要，在部件之间，部件与可拆卸件之间形成的分 离面，采用的是可拆卸连接。工艺分离面则是为满足制造和装配过程的要求，将 部件进一部分解为更小的装配单元所采用的分离面。工艺分离面的划分取决于数 码相机结构的可行性。因此，数码相机结构设计阶段就应满足批量生产对数码相 机结构工艺分解的要求。其内部结构设计的要求主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 零部件的形状精度、尺寸精度要求高，过低的精度必将导致装配质量 低，从而造成不必要的损失。 ( 2 ) 结构设计时，尽量壁板化，以便装配连接方便，提高劳动生产率，缩 短装配周期。数码相机本身内部结构紧凑，若零部件结构过于复杂，势必会影响 装配质量以及模具的制造成本。 ( 3 ) 工艺分离面上的结构件之间的装配关系应保证采用对接形式或搭接形 式，有利于装配定位，提高装配效率。 ( 4 ) 不同装配特点( 环境条件，实验条件，连接形式，工艺特点) 的装配 件应通过工艺分离或设计分离面单独划出，从而保证结构设计时的层次性，利于 层次装配模型的建立。 ( 5 ) 结构设计时，采用参数化建模，提高变型设计能力，从而缩短产品开 发周期，降低开发成本。 2 2 3 数码相机装配精度要求 通过对上述数码相机装配结构特点的分析，显然可以看出数码相机装配精度 1 2 江苏大学硕士学位论文 对数码相机的结构强度。使用性能等有直接的影响。数码相机各零部件的安装准 确度，在装配后保证运动零部件之间与静止零部件之问保持必要的间隙，将直接 影响其操作性能。在装配过程中，由于有些零部件是粘接或焊接上去的，拆卸不 方便。因此，为保证数码相机的产品质量，必须要求数码相机装配的精度达到以 下几点要求： 1 保证部件内各零件和组合件的位置准确度和配合精度高，避免内部干涉， 影响使用性能 2 保证各电子部件对接精度高，避免接触不良或短路 3 保证非拆卸零部件一次性装配精度高，避免产生不必要的损失 2 3 装配关系和装配方向分析 从以上分析不难得出，要解决数码相机结构设计时的问题，就必须结合并行 工程理论，进行面向装配的数码结构设计。为了更细致的描述数码相机内部结构， 实现后文的装配建模，笔者对相机内部的装配关系和装配方向做了详细的分析。 此处需要说明的是，笔者所做的装配结构设计及干涉检验都是基于电子部件装配 理想化的基础上进行的。 2 3 1 装配关系分析 装配关系是零部件之间的相互位置关系的描述巧们，它反映零件之间的相互 约束关系。数码相机产品中零件之间的装配关系有： 配合关系：描述零件之间的接触配合关系 面面接触 柱面接触 面面贴合 定位关系：描述零件之间相对位置关系 平行关系 垂直关系 偏移关系 共线关系 共面关系 江苏大学硕士学位论文 连接关系：描述零部件之间的位置和约束关系 螺钉连接 焊接 胶结 其它连接 运动关系：描述产品零部件之间的相对运动和传动关系 固定 平动 在数码相机的装配关系中，连接关系占据主导地位，其次是定位关系，而运 动关系相对很少，其中定位关系是保证装配准确度的重要保证，是数码相机装配 中的重要装配关系。 2 3 2 装配方向分析 数码相机装配方向较为简单，一般为零件表面的法向，数码相机产品装配方 向主要有两类：水平方向和垂直方向。 2 4 本章小结 本章笔者结合自己从事数码相机结构设计时的一些体会，分析了数码相机装 配结构特点。提出了数码相机装配单元划分、结构设计要求、数码相机装配精度 要求以及并行工程下面向装配的数码相机结构设计的必要性。并在此基础上对数 码相机装配中的装配关系、连接关系以及装配方向等进行了描述，为后面章节中 装配模型的研究和数字化建模提供了理论依据。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章自顶向下的数码相机结构设计 在产品设计过程中，对已有产品的变型设计占有相当大的比例【1 5 1 ，尤其是 在小批量、多品种制造模式中，以企业的某一项主导产品为基型，借助于变型设 计获得各种满足用户个性化需求的系列产品，是非常有意义的。本章结合前人研 究的理论基础和支持变型设计相关理论，运用自顶向下的设计方法，基于u g w a v e 技术完成了数码相机装配结构的参数化设计。 3 1变型设计与自顶向下设计的关系 产品结构的变型设计是在保持产品基本原理和总体结构基本不变的条件下， 为满足特定的功能要求或用户个性化需求，对产品的某些局部结构形式、结构要 素或尺寸进行调整、变更。在进行变型设计时，要求当产品的某个零部件的参数 和结构发生变化时，应能使设计变更意图在产品整个设计过程中有效传递，实现 产品的相关性设计。 自顶向下设计【2 2 1 ，是指从产品功能要求出 发，选用一系列的零件去实现产品的功能：如图 3 1 所示，先设计出初步方案及其结构草图，建 立约束驱动的产品模型，通过设计计算，确定每 个设计参数。然后进行零件的详细设计，通过几 何约束求解将零件装配成产品：对设计方案分析 之后，返回修改不满意之处，直到得到满足功能 要求的产品。自顶向下设计过程符合设计人员的 设计习惯，最大限度地满足产品功能和结构要求， 减少设计错误，有利于提高设计效率和设计质量。 产品定支i r 一 生 建立产品助能 模型并分拆 1 一 生 建立产品参数 化结构模型 工 建立产品详细 几何模型 i 厂；蒜 图3 - 1t o p - d o w n 模型 整个产品的自顶向下设计，可以根据产品的系列和主要参数，实现产品的系 列化和参数化设计：对手系列化，选择某一系列，则产品自动设计、自动变化为 选定系列，从零件，到部件，到整个产品，都自动重新生成；对于参数化，只要 改变主要参数，整个产品与主要参数相关的部分都自动改变。 功型 一 一徽一 一错 整旗t上塑一 一改 谓麓 一 一模一 一修 江苏大学硕士学位论文 3 2u gw a v e 技术 w a v e _ 一w h a ti f a l t e r n a t i v ev a l u ee n g i n e e r i n g ( 自动推断的优化工程设计) 是 产品级的参数化系统工程方法。8 0 年代c a d 系统提供的参数化造型方法是针对 零件一级的，无法适应当今制造业要求快速地变化、不断推出新产品的要求【1 0 1 。 w a v e 则是针对产品装配一级的，是参数化造型技术与系统工程的有机结合，提 供了实际工程产品设计中所需要的自顶向下的设计环境。 w a v e 技术首先根据产品的设计要求及工程背景定义该产品的总体参数( 又称 全局参数) ；其次定义该产品零、部件间的控制结构关系( 类似于装配结构关系) ， 这种控制结构使得产品设计的规则和标准具体化：第三步再建立该产品中零、部件 间的相关性，即几何形体元素的链接性。从而就可以通过少数的总体参数来定义、 控制、评估、更改产品，以适应快速的市场变化要求，达到支持产品变型设计的能 力。笔者在进行数码相机结构设计时，把呵液晶显示屏大小、电池型号、存储卡 类型、相机外型尺寸定位总体参数，如果这些总体参数的其中一个发生了改变，譬 如在设计过程中因设计需要必须修改数码相机镜头的大小，尽管只改变了其中个别 的总体参数，但无疑会引起该产品的自上而下的整体变动。在采用传统的设计方案 时，这种更改和对新方案的评估，需要消耗大量的入力、物力和时间。但是使用w a v e 技术，当某个总体参数改变后，产品会按照原来设定的控制结构、几何关联和设计 准则，自动地更新产品系统中每一个需要改变的零部件，并确保产品的设计意图和 整体性。w a v e 技术是把概念设计与详细设计的变化自始至终地贯穿到产品的整个 设计过程中。当然，w a v e 的技术原理同样也适用于工程分析、模具设计和制造中。 可以认为w a v e 是c a d 领域的一项开创性成果，很好的体现了产品变型设计理念。 3 3w a v e 技术与自顶向下设计的关系 u gw a v e 提供并行的自顶而下和自下而上的产品开发方法，同时支持产品 级参数化设计技术，适应于复杂产品( 如数码相机等电子产品) 的设计。 u gw a v e 技术能使产品总体设计更改自顶向下自动传递。允许将驱动产品 设计变化的关键设计变量放入其顶层控制结构中。子部件和零件的设计则与这些 变量相关，对这些变量的更改将自动更新顶层结构和与其相关的子部件和零件。 这些关键设计变量既可以是数值变量，也可以是如一根样条曲线或空间曲面的广 1 6 江苏大学硕士学位论文 义变量，数值变化、形状变化都能根据u gw a v e 的控制传递到相关的子部件和 零件设计中去。 w a v e 的一个重要应用是自顶向下设计过程。笔者在从事数码相机结构设计 时，其总体参数、外形尺寸、组件位置等可以在装配结构的顶层定义，且被相关 地向下传送到装配下层的组件中，如图3 2 所示。在装配项层的定义数据可以包 含基准、草图、实体、片体等。下层组件应包含对父几何对象的几何连接。 图3 - 2 数码相机自项向下约束 值得注意的是：产品设计应该按 照一套市场或客户需求而展开。这些 目标 对产品的需求决定了一些关键的产品 i l 参数，而这些参数必须体现在产品设 l l 计初期设计布局中，形成所有下游设 上 计活动的基础1 。 约束 一般客户对数码相机的需求，大 i i 致体现在外观造型、性能、价格、功 l i 耗等几个方面。这些需求进而提出了 l + 数码相机的一些主要参数，如：感光 产品 芯片规格、镜头型号和尺寸、电池规 格、存储卡类型等。这些参数被定义 1 7 市场需求 u i 设计布局 l i 概念设计 n i 详细设计 性能，安全， 外观成本 镜头尺寸。镜头 位置外型轮廓 显示关键组件的 简化概念模型 完全的细节产 品设计 图3 - 3自顶向下设计流程 江苏大学硕士学位论文 到数码相机上游结构设计中，控制了一些尺寸和形状，如：体积大小、镜头位置、 t f t 显示屏位置、大小等。 我们将需求看作是一种目标，布局是一套为了达到这个目标而产生的设计约 束条件集，最终的产品设计是结果，如图3 3 所示。 在一个理想的自顶向下设计环境中，在概念设计或细节设计环境中的任何细 节的设计更改都能够反馈到产品布局设计中，从而能够通知所有参与产品设计的 相关人员得到确认。这样为设计团队对总的产品设计大局的有效控制提供了一个 总的设计平台。 3 4w a v e 控制结构， 控制结构是一个独立的装配结构，用于定义和管理产品布局、子系统设计准 则及布局所需的几何信息和参数【l o l 。在控制结构顶层可以定义产品的设计规则及 约束( 即产品总参数，如相机的长、宽、高以及镜头位置等) 。用于驱动产品设 计规则和约束自顶向下传递。在顶级以下，根据设计产品主要子系统的划分，依 次建立针对子系统的次级控制结构，即继承了顶层控制结构对该子系统的约束， 又对该系统内更小系统进行了布局和限制。当在控制结构中所有的子系统已向下 分成最小的组件，则进入控