（机械制造及其自动化专业论文）基于功能模块的石材异型制品加工设备快速设计及评价体系.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 i l 快速设计技术是为了满足当前市场化对产品多样化、瞬变性、个性化的要 求而提出并发展起来的。快速设计是在保证产品设计质量的基础上，以缩短产 品开发周期为目的的设计方法和技术，研究如何加快设计进程，缩短新产品试 制周期，提高企业对市场的快速响应能力。， 产品投放市场的时间正日益成为决定产品竞争力的主要因素之一。l ， 本文在系统分析快速设计和模块化设计技术的特点及其发展趋势的基础 上，结合机械设备的特点，以石材异型制品加工设备为研究对象，创建了石材 异型制品加工设备计算机辅助模块化设计的基本体系，从它的功能需求分析、 总体( 概念) 设计出发，通过分析设备整机布局结构的特点和结构体系特点对模 块规划的影响，研究了基于实例推理的模块的创建方法，对设备进行功能模块 的划分和编码系统的初步探讨，分析该设备的模块化设计任务，并对其进行了 逐级分解，确定设计方案。 本文在研究机械设备的评价体系、评价方法和全生命周期评价的基础上， 以石材异型制品加工设备为研究对象，初步探讨了它的评价体系，并对其进行 全生命周期评价。 本文在深入地研究了功能模块化设计及其在石材异型制品加工设备中的应 用之后，将面向对象的程序方法与参数化设计方法相结合，利用p r o e n g n e e r 2 0 0 1 建立了石材异型制品加工设备s s x 等系列产品的零件、装配件的三维实 体模型，在v c + + 平台上开发了一套石材异型制品加工设备快速设计和评价的 软件系统。f 该系统以现有的一套s s x 异形石材制品加工设备为基型产品，按照 功能模块化原理，将制造系统划分成若干标准的功能模块，以开放式分层体系 形式建立石材加工装备的设计系统。使用时可根据客户的输入要求，快速选择、 设计、组装各组成模块和整机产品。在得到产品的可行方案后，可以对设备进 行全生命周期评价以及经济、技术、环境和社会等多个属性指标的评价，对设， 计方案进行对比评价，并可根据评价结果和改进意见进一步完善设计方案。 ， 关键词：快速霞计、石材算型制品、加工设备、模块砣设计、全生斋周期评价 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i v e t s i f i c a t i o n ，c o m p l i c a t i o n ，i n d i v i d u a t i o n o ft h en e e do ft h ep r o d u c to f m o d e mt i m e sa n dg l o b a lm a r k e t a l lo ft h e mp r e s sf o rr a p i dd e s i g n o nt h eb a s i so f g u a r a n t e eo fh i g hq u a l i t y , r a p i dd e s i g no r d e r sf o rs h o r t e n i n gd e s i g nc y c l e ，q u i c k e n d e s i g nc o u r s e ，c u tt i m e o ft r i a l m a n u f a c t u r es ot h a tc o r p o r a t i o nc o u l dg r a bt h e m a r k e ti na d v a n c et oo b t a i nm o r es p a c eo fd e v e l o p m e n t t i m eo fp r o d u c t i o nl a u n c hh a sb e e no n eo ft h em a j o rf a c t o r st od e t e r m i n ei t s c o m p e t i t i v ea b i l i t y o nt h eb a s i so f s y s t e m a t i c a la n a l y z i n gt h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c yo f t h et e c h n i q u eo f r a p i dd e s i g na n dm o d u l a rd e s i g ni n b o a r da n da b r o a d ， c o n s i d e r i n gs t r u c t u r a lc h a r a c t e ro f m e c h a n i c a lp r o d u c t s ，w i t hm a c h i n i n ge q u i p m e n t o ft h es p e c i a ls t o n cg o o d s a st h er e s e a r c h o b j e c t 。s e tu p i t s c o m p u t e ra i d e d g e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g ns y s t e m f r o ms t u d yo f i t sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n d n o t i o n a ld e s i g n w i 出t h ea n a y s i so f s t r u c t u r a lc h a r a c t e ro f m a c h i n e ，e s t a b l i s h m e n t m e t h o do fm o d u l eb a s e du p o ne x a m p l ei sp u tf o r w a r d t h e nc l a s s i f i e s a l lt h e m o d u l e so ft h em a c h i n e ，a n dc o n s t i t u t e st h ec o d i n gs y s t e m a ti a s t t h ed e s i g n p r o j e c t i sc o n f i r m e d o nt h ef o u n d a t i o no fi n v e s t i g a t i o no fe v a l u a t i o ns y s t e m ，e v a l u a t i o nm e a s u r e a n dl i f e c y c l ea p p r a i s e m e n t ( l e a ) o f e q u i p m e n t ，w i t hm a c h i n i n ge q u i p m e n to f t h es p e c i a ls t o n eg o o d sa st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i sa r t i c l ep r i m a r i l yp r o b e si n t ot h e c o n t e n to fi t se v a l u a t i o ns y s t e ma n dl c a ，a n db u i l di t sm a t h e m a t i c a lm o d e io f l c a a f t e rd e e pi n v e s t i g a t i o no fa p p l i c a t i o no fm o d u l a rd e s i g n ，c o m b i n e do b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gw i t hp a r a m e t e r i z e dd e s i g n t o g e t h e rw i t h3 de n t i t ym o d e ls e t u pb yp r o e n g i n e e r2 0 0 1 o fp a r t s a n da s s e m b l yo fs s xs e r i e s p r o d u c t s ，a c o m p u t e ra i d e dg e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g na n de v a l u a t i o ns y s t e mo fm a c h i n i n g e q u i p m e m o f t h e s p e c i a ls t o n eg o o d s o nt h ep l a t f o r mo f v c + + i s d e v e l o p e di no r d e r t ov a l i d a t et h et h e o r ya n dm e t h o d so ft h eg e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g na d v a n c e di n t h ep a p e en l ep a p e ri n t r o d u c e st h ef r a m e ，f u n c t i o n ，c h a r a c t e ra n dg i v e sa ne x a m p l e o f m a c h i n i n ge q u i p m e n to f t h es p e c i a ls t o n eg o o d s d e s i g na n dl c a t h es y s t e m c o u l dr a p i d l yc h o o s e ，d e s i g n ，a s s e m b l ya l lt h em o d u l e sa n de q u i p m e n to nt h eb a s i s o f i n p u tp a r a m e t e r so f c u s t o m e r s t h e nt h es y s t e mc o u l dc a r r yt h r o u g hl i f ec y c l e a p p r a i s e m e n t ( l c a ) a n de v a l u a t i o n o fe c o n o m i c ，t e c h n i c a l ，e n v i r o n m e n t a la n d 山东大学硕士学位论文 s o c i a l t a r g e te t c d e v i s e rm a yp e r f e c tt h ef o r m e rp r e c e p ts u p p o r t e db yr e s u l t a n d i m p r o v e d a d v i c eo fe v a l u a t i o n k e yw o r d s ：r a p i dd e s i g n ，t h es p e c i a l s t o n e g o o d s ，m a c h i n i n ge q u i p m e n t ， m o d u l a rd e s i g n ，l c a - 1 1 1 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 在全球经济一体化的影响下，市场竞争日趋激烈，机械设备的需求正朝着 系列化、自动化、个性化和寿命周期越来越短的方向发展。企业如何快速、适 时地向用户提供满意的产品，如何提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能 力，已成为企业发展生存的关键f ”l 。 论文用模块化设计、基于实例的推理等现代设计技术，开发了石材异型制 品加工设备快速设计的平台，并对其进行全生命周期和经济、技术等指标的评 价1 2 1 ( 4 4 1 。 1 1 快速设计是提高企业市场竞争能力的关键 1 1 。1 现代产品设计的发展趋势 传统的产品设计模式是将设计过程分为方案设计、技术设计等，其主要缺 点是不能在开发设计阶段对产品的全生命周期过程中的种种因素考虑周全，致 使在产品设计甚至制造完成后才发现各种毛病，以至于不得不去修改，如此反 复导致开发周期延长，成本增加。而在企业竞争激烈的背景下，新的设计思想 和理念不断涌现，数字化、并行化、智能化、集成化的设计方法逐渐得到更多 企业的青睐，并成为现代设计的发展趋势【j 9 i ( 4 。j 。 ( 1 ) 数字化产品的数字化建模是现代设计方法的关键技术之，它包括全 局产品的信息定义、产品的数字化工具和产品数据管理。 ( 2 ) 并行化在信息共享的基础上，采用团队工作模式，可在异地进行设计 开发的一种现代设计方法与手段。它有助于实施强强联合，优势互补，提高企 业的设计开发能力。 ( 3 ) 智能化现代设计中越来越明显的智能化倾向。它使设计者不必了解设 f 低层的全部细节，由计算机智能地设计并最终制造出合乎要求的产品。设计 系统具有自动获取新知识，并丰富自己的能力。 ( 4 ) 集成化现代设计系统不再是单一的c a d 、c a m 或c a p p 系统，而 是支持产品生命周期全过程的现代设计集成系统1 6 l i7 1 。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 快速设计的关键技术及主要策略 1 快速设计的关键技术 针对具体产品构建专用设计与制造系统是实现产品快速设计的一个主要方 法。其关键技术有模块化设计技术、基于结构的产品性能的快速分析和优化、 以产品数据管理系统为核心的系统集成以及数据交换标准等【3 ”。 ( 1 ) 模块化设计技术 模块化设计的主要技术有模块划分、模块创建、模块组合和分类编码。 ( 2 ) 产品性能的快速分析和优化 基于产品结构优化分析和性能分析的标准化、程序化和规范化也是快速设 计的主要手段之一。 ( 3 ) 产品数据管理技术 产品数据管理技术把数据库的数据管理能力、网络的通讯能力、文件系统 的文件管理能力及其自身的数据控制能力结合在一起，旨在解决地理上分布的、 计算机环境复杂的、多功能需求的多类型、大容量数据的管理控制问题。 ( 4 ) 数据交换 在先进制造技术的研究中，特别关注对产品生命周期信息的表达与建模。 这就需要综合产品生产活动全过程的信息。s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e l d a t a ) 为产品数据的表达与交换规定了一个中性数据模式。其目标 是要完备地、独立地表达产品生命周期内所有产品相关的数据。它的数据模式 的规定为中性文件格式的定义、产品数据库的设计和过程接口的概念描述提供 了基础。它建议通过四个层次的实施逐步达到高层次的数据共享：文件交换、 工作表交换、数据库交换、知识库交换。当前，d x f ( a u t oc a dd r a w i n ge x c h a n g e f i l e ) 和i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 仍然是行之有效的数据交 换方式口引。 2 快速响应设计的主要策略 ( 1 ) 捕捉市场信息的变化和发展趋势，充分利用网络技术，使企业和用户 之间的沟通更加直接，为产品的创新设计和变型设计等提供正确的预测。 ( 2 ) 建立产品快速设计系统，开发针对具体产品的c a d 专用设计系统，使 产品实现系列化、通用化、自动化和标准化等。 ( 3 ) 构造基于信息集成的d f m ( d e s i g n f o rm a n u f a c t u r i n g ) 模型，通过不同数 据结构的映射与数据的传递实现程序的集成，并将c a d c a p p c a e 的应用程 山东大学硕士学位论文 序、数据库、规范与标准库连接成一个集成化系统【3 3 】。 1 2 实现快速设计的主要方法 1 2 1 模块化设计 1 模块化设计相关概念的研究 目前关于模块化的许多概念还没有形成统一的定义，不同学者从不同的角 度和深度对其进行了研究。 ( 1 ) 模块是一组具有同一功能和结合要素( 例如联接部位的形状、尺寸等) ， 但性能和结构不同，却能互换的单元。模块具有独立功能、标准接口和互换性 i l7 l 。 模块具有功能属性、逻辑属性和状态属性。功能属性描述模块能实现什么： 逻辑属性描述模块内部如何实现要求的功能；状态属性描述模块的使用环境、 元件及模块间的相互关系。 模块设计应具备先进性、适应性和商品性。先进性是模块发展的重要条件， 广泛的适应性是模块设计的目标，商品性是模块获得推广的充分条件。 ( 2 ) 文献【2 3 】认为模块化设计是从功能需求域到模块功能域，再到模块结构 域的映射。文献【2 4 】和【5 l 】则认为模块化设计是划分、选择并组合功能模块的过 程。 通过研究文献发现，模块化设计的研究主要是围绕产品的功能域和结构域 之间的定义和映射关系展开的。 ( 3 ) 基于产品族体系构建的模块化设计 现代的产品开发多数以基型产品为基础，将主要参数变化排成系列，设计 出同一系列内各种规格的产品族。产品族的基础是技术重用。 产品族的开发模式有两种：1 ) 产品族在设计的功能域、技术域、物理域中 具有标准的内部接口，使产品部件能够完全互换。这种模式开发的产品族往往 为固定结构尺寸系列【2 5 l 。2 ) 当固定尺寸系列不能满足需要时，则进行参数化设 计开发【3 9 1 。 产品族是与模块化紧密联系的，模块化就是通过组合模块实现产品族。 2 模块化设计的关键技术 山东大学硕士学位论文 进行模块化设计的步骤是：( 1 ) 系统分析阶段( 进行市场调查、用户访问，做 出产品规划，拟定产品系列型谱) ：( 2 ) 模块化产品设计( 产品模块分析、划分等) 系统应用阶段；( 3 ) 模块选择、模块组合等详细设计阶段。 目前模块化设计的主要研究内容有模块化设计系统分析、建模方法、模块 接口分析、模块组合方法和模块编码。 ( 1 ) 模块化系统分柝和建摸方法的研究 文献【2 6 】提出分级模块化的思想，认为：任何机床经过多次分级，都可以 用最简单的几何形状来表示。但是，随着模块数目的增多，模块的管理成本和 接口成本必将大大增加。因此分级模块化在实际运用中非常困难。 文献 2 7 1 、【2 8 1 和 2 9 1 从产品生命周期的角度进行系统分析，提出：在功能 分解的基础上，从产品的全生命周期中将子功能分入一个单独模块内。 文献 5 2 5 3 1 提出一种功能模型定量化建模方法，将予功能与传递的能量 流、物流和信号流相关联，将功能与需求的关系定量化，作为模块划分与模块 发展的主要依据。 综上所述，进行模块化系统分析的基本过程包括用户需求分析、产品功能 分析和产品物理结构分析。 ( 2 ) 分类编码 现代设计大都是创新设计、适应性设计和变型设计，需要已有成品或相似 产品的信息( 如零件、工装等) ，应用重复件是企业对设计人员的设计要求之一。 分类编码可以提供明确的零部件检索机制，使企业内部的信息交换合理化，设 计者可以迅速、广泛地取得产品的可重用资源。 因此应对企业的产品资源进行标准化、规范化重组，创建一个支持参数化、 变量化设计的c a d 系统，建立可重用的产品模型。 8 0 年代初，日本学者提出了一种以成组技术和力流概念为基础的模块编码 系统，描述模块化机床产品的结构【3 0 1 。但其编码仅设5 位，且其中两位用于记 录力流的出入方向，对模块信息地描述很不充分。国内学者陈敏贤等对其编码 增加了有关接口面信息的描述，实现了计算机辅助组合c a c l 5 5 1 。但仍缺少对模 块功能和结构参数的描述，无法用于模块的自动选择。楼应侯在此基础上增加 了不定长的模块参数码来描述模块的性能特征【5 ”。 国内学者陈永亮针对加工中心模块化设计提出了柔性编码方法，描述了模 块信息和基本特征，对于模块的管理、模块的选择、模块的组合都起到很好的 山东大学硕士学位论文 辅助作用【j “。 3 模块化设计的优、缺点 模块化设计的优点是： ( 1 ) 缩短设计周期。开发新产品可以利用系统提供的大量通用模块，增加 少量专用模块，改变某些插件得到局部的改进，即可组成新产品。 ( 2 ) 降低成本，提高产品的竞争能力。用模块化的概念构造整个生产系统， 使大多数零部件由单件、小批量生产转为批量化生产，便于采用先进的工艺和 专用设备，从而提高劳动生产率，降低废品率，降低制造成本。 ( 3 ) 建立合理的产品族结构，用大批量生产的成本实现产品的多品种、小 批量个性化生产，适应市场需求的快速变化和用户的个性需求。 缺点是需要考虑模块的互换型和适应性，使系统比较复杂，个性化较差1 3 】【4 】 4 2 1 。 1 2 2 基于实例的推理 基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 是一种类比推理，其核心在 于用过去的实例和经验来解决当前问题。c b r 系统的基本结构如图1 1 所示。 瞄 图l - lc b r 系统的结构图 c b r 系统主要由实例库、实例检索、实例修正和实例存储四个模块组成。 问题描述是输入待解决问题的要求、初始条件以及相关信息。实例检索是从实 例库中寻找一组与当前问题相似的实例，如果找到则作为结果输出。否则启动 实例修正模块，对检索出的实例进行修改来满足当前的要求，并形成新的实例。 经过实例存储模块判断，采用某种索引机制将新实例存入实例库中，不断扩充 实例库 2 2 1 。 实例是过去在满足特定设计要求下所获得的设计结果，也称产品典型结构， 是设计专家经验知识的总结。实例空间是所有实例的集合。实例模型是基于产 品实例的特征和参数描述的产品概念模型。产品实例的特征和参数构成了实例 模型。 山东大学硕士学位论文 实例的表示是基于实例的设计方法的基础，它涉及实例的内容和实例的结 构组织方式。实例的内容包括设计问题的描述、最终的设计方案、设计的基本 原理、设计方案的评价和实例成功与失败的历史，目前采用较多的是功能一行 为一结构的表示方法。实例的结构直接影响筛选和维护的效率。早期的c b d 系统大都采用平铺式的单层结构，实例库实际上是实例的简单列表。这种方法 管理简单，但是无法表达实例之间的共性关系，同时数据冗余较大，因此目前 的系统大都采用层次结构。抽象的、共性的特性位于顶层、特性越具体、越个 体化就越倾向于底层，这样相似性的判断既可以通过比较特性及其数值，也可 以通过比较结构上的相似性，从而提高了筛选的效率，节省了存储空间。 实例模型可表示为c a s e = ( f ，p ) = c a s e ( ( f 。， ，厶) ，( a ，p ：，p 。) ) 。其中 f = ( ；， ，z ，五) ，z 为产品实例的特征，( i = 1 , 2 ，打) ，n 为实例的特征 数。产品的特征是主要描述与设计任务或用户要求相关的属性，实例的特征与 设计任务或用户要求的特征具有主似性。基于设计任务和用户要求来定义实例 的特征。p = ( p 。，p ：，p ，一p 。) ，p ，为实例的参数，( - ，= 1 , 2 ，m ) ，m 为实 例的参数的个数，实例的参数主要描述实例本身的主要参量唧】。 开发c b r 系统有三个关键技术：实例检索机制、实例修正方法和实例存储 索引机制2 1 。 1 3 石材异型制品加工设备设计的研究现状及课题 1 3 1 石材异型制品加工设备设计的研究现状 模块化设计已经在许多行业广泛采用，并针对各自产品的特点，形成了相 应的模块化设计和制造体系。就机械行业而言，机床结构的模块化设计在国外 应用的十分普遍，已经使企业从产品设计、工艺到制造形成一整套模块化设计 管理体系，如德国的s a r m a n n 公司生产的镗床、铣床，具有横系列和跨系列 模块化设计的特点；法国的h u r o n 公司生产的模块化铣床，德国的w e r n e r 公司开发的模块化t c 5 0 0 、t c l 0 0 0 加工中心等。我国自7 0 年代末也有不少机 床厂开始了模块化设计的尝试，也取得了一些成绩1 2 4 】。 近几年，随着人民生活水平的提高，室内外装修的要求也随之提高，石材 制品得到广泛的应用，市场前景十分看好。但是，就石材异型制品加工设备的 山东大学硕士学位论文 设计现状来况，技术比较落后，对世界先进技术仍以跟踪为主，设计周期长， 与国内外同类产品存在较大差距。其设计中的主要问题是：产品设计、制造和 管理面向单机生产，很少从整个产品系列化结构考虑；缺乏概念设计的总体构 想和自上而下的规划；设计技术落后，计算结果难于优化。 石材异型加工设备的特点是部件的功能明确，便于根据功能原理确定产品 的结构，进行快速设计。 1 3 2 课题的背景及课题的研究状况 随着建筑装饰行业和石材加工技术的发展，石材制品的花色品种越来越多， 石材行业迫切需要多功能的设备，同时要求设备的功能部件可以更换。这样， 石材机械企业生产设备时，可生产相应的标准化、系列化、模块化的功能部件， 石材加工企业需要什么样的设备，即组装什么样的设备，适时快速地为石材生 产行业提供先进、优质的技术装备。 1 3 3 论文的主要研究内容和章节结构安排 论文的研究内容是以现有的一套s s x 异形石材制品加工设备为基型产品， 面向客户的功能要求，按照功能模块化原理，将系统划分成若干标准单元模块， 以开放式分层体系形式建立石材加工装备的设计系统，建立零部件数据库，实 现模块的组合，建立初步的评价体系。 全文共分5 章： 第l 章首先论述了快速响应设计的发展趋势及其关键技术与主要策略，介 绍了国内外学者对模块化设计的研究，阐述了石材异型制品加工设备设计的研 究现状，并介绍了本课题的研究意义和背景。 第2 章在讨论模块化设计的基本概念的基础上，结合机械设备的结构特 点，论述了计算机辅助模块化设计系统的基本框架结构，研究了模块化设计知 识的分类和获取、模块的划分、模块信息模型的组成及基本内容等基本问题， 探讨了现代设计中的功能体系概念的问题，并以功能原理设计为基础，提出功 能模块化设计。 第3 章以异型石材制品加工设备为研究对象，通过分析设备熬机布局结构 的特点和结构体系特点对模块规划的影响，研究了基于实例推理的模块的创建 方法，对设备进行功能模块的划分和编码系统的初步探讨，分析该设备的模块 山东大学硕士学位论文 化设计任务，并对其进行了逐级分解，确定设计方案。 第4 章本章进行了机械设备的评价研究，通过分析评价的指标体系原则、 系统原理、基准和准则以及评价的方法，初步建立了机械设备的评价体系，并 在探讨机械设备的全生命周期评价的基础上，对石材异型制品加工设备进行了 全生命周期评价的研究。 第5 章以前4 章的理论研究为基础，开发了一套石材异型制品加工设备快 速设计和评价的软件系统，并以一个实例介绍了软件系统的结构组成和各部分 功能。在使用时，该系统可根据客户的输入要求，快速选择、设计、组装各组 成模块和整机产品。在得到产品的可行方案后，可以对设备进行全生命周期评 价以及经济、技术、环境和社会等多个属性指标的评价，对设计方案进行对比 评价，并可根据评价结果和改进意见进一步完善设计方案。 本章小结 本章主要研究了以下一些内容： 1 在分析现代产品设计的发展过程及趋势的基础上，讨论了快速响应设计 的关键技术及主要实现方法。 - 2 概述了模块化相关概念的研究以及模块化产品设计的关键技术。 3 系统地分析了模块化设计与石材异型制品加工设备设计的研究现状，阐 述了课题的背景和研究状况以及论文的主要研究内容和章节结构安排。 8 山东大学硕士学位论文 曼曼暑曼量皇皇ii i 皇皇曼曼! 皇! ! 詈曼! 曼曼曼曼鼍皇曼曼量蔓曼芭曼曼鼍曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼鲁皇皇量! 曼曼曼暑皇曼曼邕兰曼曼 第2 章机械设备的模块化设计 2 1 机械设备模块化设计的研究 2 1 1 机械设备的结构特点 机械设备是由若干零件和部件按一定规律和结构形式组成的、具有特定功 能的机械系统，具有以下基本特性： ( 1 ) 整体性系统由若干性能不同的子系统组成，它们在结合时必须按照整 体功能的需求相互协调。 ( 2 ) 相关性构成系统的各要素之间是互相作用、互相制约、有机联系的。 ( 3 ) 目的性系统应能完成特定的功能要求。 ( 4 ) 结构的层次性设备结构可按功能分解的原则逐级划分，直到最小的不 可分解的零件为止，并可对系统进行模块的划分和组合，进行模块化设计【3 3 】。 2 1 2 计算机辅助机械设备模块化设计的体系 c a d 技术的发展使设计者更多地关注于几何形体结构的设计。然而实际设 计中首先考虑的不是结构，而是结构所要实现的功能。其次，在对某一类型的 机械设计中，一种功能的实现往往有几种典型的成熟的几何结构，设计者只需 考虑选取何种结构。利用参数化设计技术、特征技术和专家系统技术，将功能 模块化设计技术应用于c a d 系统中，使用时设计人员通过功能划分，寻求作 用原理和功能载体，选择功能模块，使c a d 系统更加符合设计人员的设计思 路，有利于关键功能的实现和特殊的几何形状结构的研究【l 】【5 1 。 1 系统创建 创建计算机辅助模块化设计体系必须用系统工程原理进行系统分析。如图 2 1 所示，系统创建过程如下： ( 1 ) 计算机辅助市场分析和产品定位市场分析是进行模块化产品规划的 基础，准确的产品定位可以了解用户需求，确定产品的功能和性能参数范围。 ( 2 ) 产品功能分析、分解和产品系列型谱拟定构建产品的功能体系和产品 系列型谱。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 模块系统规划与模块接口创建模块系统规划是将设备按照功能分析 的方法划分模块，并根据不同的功能参数和结构参数使之系列化。模块创建是 将系列模块具体化【3 3 1 。 图2 - 1 计算机辅助机械设备模块化设计系统 2 系统应用 针对石材异型制品加工设备开发的快速设计系统m a c h i n e d e s i g n 的主要设 计内容有： ( i ) 任务分解根据用户需求，定义总任务，并将其分解为用一系列功能模 块实现的子任务。 ( 2 ) 模块的选择根据用户输入条件，从模块库中选择符合要求的模块实 例；如果没有所需的模块，则输入相应设计参数，进入参数化模型设计系统中 ( p r o e n g i n e e r ) 建模，并将新的模块信息存入模块库。 ( 3 ) 模块装配将选择或建模得到的模块进行装配。 ( 4 ) 整体结构c a e 分析与仿真对设备整机装配结构进行结构分析、检验， 并进行运动干涉检查和动作协调性检查。 ( 5 ) 评价对设备进行全生命周期评价以及经济性、技术性等各指标的评 价。 2 2 模块化设计的知识 2 2 i 模块化设计知识的获取 查阅与所开发产品类似或功能接近的产品的设计图样，设计规范，各种文 山东大学硕士学位论文 献和资料等，并向经验丰富的设计人员和专家请教，提取产品的功能和各级子 功能，归纳实现不同予功能的结构模块，使功能划分得准确，子功能对应的结 构模块尽可能完全。这是实现基于功能模块化设计的c a d 系统的关键的一步。 通过获取的经验和知识，建立功能和结构模块映射的知识库和推理机，形 成专家系统。创建解释系统、知识库维护模块等，以便于扩充知识，适应新的 功能和新的结构模块。 2 2 2 模块化设计知识的分类 模块化设计知识主要有： ( 1 ) 功能一结构映射知识模块的基本功能是决定模块结构的主要特征。 ( 2 ) 结构的典型化和参数化设计知识不同的设计参数要求和设计约束直 接影响模块结构的布局方式。 ( 3 ) 结构分析和优化知识基于模块结构的参数优化分析是加快模块设计， 实现模块各参数快速优选的基础。 ( 4 ) 基于实例的推理和快速重构知识利用已有产品或模块，快速设计和组 装系列产品。 ( 5 ) 仿真和虚拟知识利用动态仿真和虚拟技术即可在设计阶段避免严重 的设计缺陷和结构的薄弱环节。 ( 6 ) 评价知识包括产品全生命周期各阶段行为对技术、经济、生态环境和 社会等多方面的影响因素，评价规则、评价方法等。 2 3 模块的划分 2 3 1 模块划分的层次 模块划分可以从产品的任意层次上进行，得到不同级别的模块。模块的层 次和级别越低，模块越简单，通用化程度越高，但是制造、装配和管理的难度 也就越来越大。系列化程度较高、结构复杂、生产批量较大的产品，应使模块 划分层次降低，提高模块的通用程度，满足大批量定制的要求。而非系列化生 产或系列化较低的产品，因其结构简单，多为单件小批量生产，可提高模块的 划分层次，降低系统管理成本【2 m 。 山东大学硕士学位论文 2 3 2 模块划分的原则 划分模块i j 要注意模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性， 必须对系统进行仔细地系统地功能分析和结构分析，并且与产品系列规划和需 求优化相结合，使其适应产品的规格和参数变化要求，具有经济合理的系列性。 影响模块划分的主要因素如下： ( 1 ) 弱耦合原则弱耦合是指模块与模块之间的相关要尽量少。这对于产品 设计开发以及制造中独立完成的可能性有很大影响。 ( 2 ) 独立性原则保持模块在功能或结构上的独立性和完整性，能够进行单 独的设计制造及检验，某些模块还应考虑作为“黑盒予”单独流通的可能性。 ( 3 ) 部件原则模块的结构和功能取决于用户的需求，以结构相对独立的部 件作为模块单元是最常见的模块类型，便于模块互换和结构的参数化设计，以 及产品的系歹4 化等。 ( 4 ) 其它模块分解的粒度适中。动态联盟企业中设计和制造完成后的模 块，应便于结构的叠加，以完成所要求的具体结构【1 7 】。 2 3 3 模块划分的方法 1 基于功能分析的模块划分 进行功能分折，将产品功能划分为基本功能、辅助功能、特殊功能、适应 功能等，建立功能系统图，并将总功能逐级分解为子功能、单元功能。 2 分级模块化方法 对产品的结构进行分层次划分，得到一系列结构模块，以便于产品的制造 和装配。 3 基于产品技术寿命周期的模块划分 不同的模块化划分对产品的生命周期特征有不同影响。一种模块化结构能 提高装配性，而其它模块化结构能提高可重用性。对成功的模块化设计，应辨 识生命周期目标以及模块替代方案对目标的影响。 4 基于成组技术的模块化划分 按照成组技术的原理，零件可按照相似性程度划分为不同的相似级别。 5 其它模块划分的方法 不同领域、不同类型的产品相应有不同的模块划分方法，例如：在机械制 山东大学硕士学位论文 造行业中，还有基于机械传动过程、物流过程和控制过程的划分方法等等i l l s 。 模块间的相关是模块化设计时考虑的首要问题，也是进行模块划分及其划 分方案评价的重要依据。功能相关和结构相关是进行模块相关性分析的两个主 要侧重点。按功能相关分析进行模块划分，如文献【2 7 】将相关模块之间按其具 备的条件分为功能相关、空问相关、几何相关和物理相关。文献 4 9 】将机械设 备的输入输出参数分为几何约束、机械特性、动力参数和信号参数，并按这四 类参数对功能的影响进行功能聚类分析，划分功能模块。 2 3 4 功能模块 功能模块是以功能特性为主要参数进行划分的模块。功能模块是能够完成 一定功能的可独立装配的部件，是机械设备结构设计中由分解的产品功能对应 的相对独立的单元。功能模块划分的基本原理如图2 2 所示。 图2 - 2 功能模块划分基本原理 如图2 3 所示，按照功能的不同，模块可以分为四种模块。 图2 - 3 功能模块的划分 ( 1 ) 基本模块完成基本功能，基本功能是产品系统中基本的、经常重复的、 不可缺少的功能，在系统中它基本不变。 山东大学硕士学位论文 ( 2 1 辅助模块完成辅助功能，辅助功能是指实现安装和联接所需的功能。 ( 3 ) 特殊模块完成特殊功能，特殊功能是表征系统中某种或某几种产品的 特殊的、使之更完善或有所扩展的功能。 ( 4 ) 适应模块完成适应功能，适应功能是为了和其他系统或边界条件相适 应、可临时改变的功能。 基本模块和辅助模块为必需模块，特殊模块为非必需模块m “。 2 4 模块的组成信息分析 2 4 1 基于参数化设计的模块几何信息 采用参数驱动的建模方式，可使设计者根据具体的设计要求快速生成市场 需要的模型。基于参数化设计的模块几何信息模型，包括模型的几何信息，模 块结构的参数组成，参数之间的关系，模块的接口信息。模型的几何信息是基 于c a d 软件生成的二维模型或三维实体模型；模块的接1 3 信息有接1 3 的参数 特征、组合面信息等 2 4 2 评价知识信息 机械设备的评价往往需要开发、生产制造、存储运输、运行使用和拆卸回 收等多个阶段的信息。产品或零部件在这些行为中的技术性( 工艺、方案、可加 工性、可装配性、可靠性等) 和经济性( 成本、利润、效益和资金周转等) 特点以 及对环境( 大气、水、土壤等生态环境) 、社会等的影响，评价的指导原则、评 价准则和评价方法等组成了评价知识信息模型。 2 4 3 模块管理信息 机械设备包含的信息很多，其模块的管理数据信息有以下5 种： ( 1 ) 功能信息描述模块的功能属性。 ( 2 ) 材料信息内容包括材料的种类、强度、特性、绿色度等。 ( 3 ) 装配信息描述内容有模块的接口信息，模块在产品结构中的拓扑关 系，以及与该模块存在联接关系的相应模块。 ( 4 ) 属性信息对于不同的输入要求、加工对象和工况，相应有不同的特征 山东大学硕士学位论文 参数、结构特点和设计约束。 ( 5 ) 管理信息管理模块的各项数据信息，例如实例模块的名称、编码、实 体模型、设计时间和设计人员等内容。 2 5 现代设计中的功能体系 2 5 1 功能的主导性 现代设计需要积极预测产品的发展趋势和客户需求的变化，迅速聚集成熟 的技术、产品和商业策略，向客户提供即时满意。因此设计总是从需求出发， 而不是从结构出发。采用概念设计等新的设计理论时，也是从需求分解开始， 将得到的总功能再逐步分解成各级分功能，与适合的结构相互映射，并经过方 案的优选、经济和技术分析后确定最终结构。传统设计以图样为设计主体，图 形可以显示直观结构，但是它并不能说明为什么设计成这样的结构而不是那样 的结构，用这种材料而不用那种材料，所以就不能与需求直接相连【5 ”。 客户在提出需求时，常常描述成一定的功能信息和约束条件，而且越来越 具有个性化的特点。因此要求企业时时贴近未来客户和未来需求，并能将其迅 速转换成设计中的功能要求。在产品形成过程中，产生了如图2 - 4 所示的功能 流。功能随着产品的形成不断向产品中添加，然后随着产品的销售，将功能输 出给客户。而客户在使用中，因为具体的限制条件、环境因素和经济技术发展 等现实条件的变化，会面临新的需求，从而循环推动产品的发展。 图2 _ 4 功能流 2 5 2 功能体系 如文献【4 0 】所述，现代产品设计过程可以描述如下：需求( 含潜在的需求) 山东大学硕士学位论文 的确认一技术可能( 含联想到的可能解) 扫描一矛盾统一设想( 概念) 的产生一经 济、技术分析( 贯穿全过程) 一设想的优选和确认一结构的优选和确认一材料的 优选和确认一加工过程的优选和确认。功能始终贯穿于设计的整个过程中，是 左右设计的主要因素，建立完整的功能体系对于提高设计的敏感性、针对性和 高效性有着深远的影响。 2 s 3 功能体系的内容 现代设计在设计阶段就需要考虑产品全生命周期的各种相关因素，包括制 造、装配、拆卸、回收、资源消耗和环境污染等后续阶段的活动。而且设计是 需要不断地求解( 概念设计和详细设计) 、测试、方案的优选和确认的过程。因 此，功能体系应该与产品的全生命周期并行，可以循环往复。 如图2 5 所示，功能体系由4 个相互关联的模块组成，它们是功能确认、 功能扩展( 包括功能重构) 、功能评价和功能知识库。 1 功能确认 最初的功能确认影响设计的整个过程，设计者需要广开言路，如图2 - 6 所 示。开发新产品时，企业必须经过一系列市场信息分析和可行性分析，研究已 有产品或类似产品在满足客户需求方面存在的优势和不足，随后根据现有技术 经济条件，客户的接受能力，未来技术发展预测以及新兴客户的群体、个体特 征等，确定产品的功能和分解的功能模块。 图2 - 5 功能体系 2 功能扩展 l = 二= ：= = 凹 - 市场信息分析i 寸技术发晨豫测i - i 搜索知限库l _ 现有客户的群体特征、个体特征i 一潜在客户的群体特征、十体特征l 图2 - 6 功能确认 功能扩展是指添加辅助功能形成特点鲜明的系列产品和功能重构。 最初设计时多数产品的功能比较单一。但是随着系列产品的开发，市场和 客户的变化，设计人员会逐步添加辅助功能。在质量相差不大的情况下，这些 辅助功能就会对客户具有不同的吸引力。 山东大学硕士学位论文 功能重构是在信息跟踪和搜索知识库的基础上，采用基于实例的推理技术， 设计系列产品、变型产品和相似产品。在机械行! 业中，5 5 的产品为局部创新 的适应性设计，2 5 为新设计，2 0 为变型设计。开发具有广泛适应性的设计 知识库是困难和费时的，而基于实例的推理只需要选择和转换一个已经解决的 设计解作为新的设计问题的解，会大大节省设计成本。 3 功能评价 功能评价是一个比较抽象的评价体系。概念设计中需要把产品分解成能够 完成一定特定功能、与物质和能量相关的模块功能模块。只评价质量或产 品对资源、环境的影响是不全面的，现代产品越来越强调“人无我有，人有我 优”的设计策略，功能在竞争中总是居于首位。 进行功能评价可由目标和领域界定、获取评价信息、组建评价小组、评价 分析和定论、评价矛盾解决和评价信息管理六部分组成1 5 8 】。功能评价的流程简 图如图2 7 所示。 图2 - 7 功能评价流程简图 ( 1 ) 功能评价的目标按照研究目的的不同分为观念评价和全面评价。观念 评价用于企业的外部宣传，主要向客户描述产品应有的品质。全面评价则需要 详细的数据和缜密的分析来支持。领域界定是要保证功能评价的广度和深度， 主要包括系统功能、功能模块、功能单元、约束条件和环境影响类