基于同步公差設(shè)計的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化.pdf

1、機械設(shè)備在國內(nèi)外市場中競爭力的強弱，在很大程度上取決于產(chǎn)品的質(zhì)量，而產(chǎn)品的質(zhì)量又在很大程度上取決于產(chǎn)品的設(shè)計，產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量可賦予某種產(chǎn)品“先天性優(yōu)劣”這種至關(guān)重要的本質(zhì)特性。因此對絕大多數(shù)產(chǎn)品來說，產(chǎn)品的設(shè)計在保證產(chǎn)品質(zhì)量的過程中起著頭等重要的作用。公差設(shè)計又是機械產(chǎn)品設(shè)計中極為重要的不可缺少的一環(huán)。這是因為尺寸和公差不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且對制造成本也起著決定性的作用。 當前的公差設(shè)計研究大多集中于詳細設(shè)計階段，對設(shè)計前

2、期的公差研究較少。為保證概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性與經(jīng)濟性，提出將公差設(shè)計研究提前到概念設(shè)計階段并研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)。本文以國家自然科學基金項目：產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)與公差同步綜合進化設(shè)計理論與應(yīng)用研究(項目號：50475129)為中心展開研究。按照自頂向下、分解重構(gòu)的設(shè)計思想，在生長型概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，將公差問題提前到概念設(shè)計階段。隨著結(jié)構(gòu)自頂向下、不斷進化的設(shè)計，公差設(shè)計也是一種自頂向下、不斷進化的設(shè)計，從設(shè)計的源頭開始考慮公差因素，并把公

3、差因素作為產(chǎn)品設(shè)計的推動因素，啟發(fā)式引導(dǎo)產(chǎn)品創(chuàng)成過程，對產(chǎn)品方案進行評價和優(yōu)化。在設(shè)計前期的公差設(shè)計將及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的公差問題，減少設(shè)計修改并縮短設(shè)計周期，極大地降低產(chǎn)品成本。 論文的主要內(nèi)容如下： 系統(tǒng)地綜述了國內(nèi)外計算機輔助公差設(shè)計與概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀。按照自頂向下的設(shè)計思想說明了在設(shè)計前期研究公差問題的必要性，在此基礎(chǔ)上提出了本文的研究目標和整體框架。 首次提出了基于同步公差設(shè)計的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)

4、化理論，其本質(zhì)是自頂向下和分解重構(gòu)的設(shè)計思想在公差設(shè)計中的體現(xiàn)。建立了功能一結(jié)構(gòu)一公差集成模型，分析了這種設(shè)計方式與傳統(tǒng)設(shè)計方式的不同。研究了公差與概念結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)系，建立了同步公差和概念結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化具體實現(xiàn)框架，實現(xiàn)了基于公差的設(shè)計。建立了面向同步公差設(shè)計的集成設(shè)計模型，它包括裝配信息模型、同步公差設(shè)計過程模型、相應(yīng)的公差表示模型三個部分。裝配信息模型采用了基于配合和接觸關(guān)系的功能表面裝配網(wǎng)絡(luò)模型，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；分析了宏觀的

5、概念設(shè)計過程和單步設(shè)計過程，為了支持設(shè)計的多方案和公差信息隨著設(shè)計過程的不斷修 改、添加和回退，采用了版本控制的概念，建立了基于功能表面的設(shè)計過程版本 控制系統(tǒng)。 基于同步公差設(shè)計的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化理論的分析和處理技術(shù)包括：產(chǎn)品名義結(jié)構(gòu)約束分析、三維公差分析和計算、公差評價和概念結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。 應(yīng)用旋量理論研究了產(chǎn)品名義結(jié)構(gòu)的約束問題。用運動分析、運動螺旋判斷其是否欠約束，用約束分析、力螺旋判斷其是否過約束。

6、并對功能表面對和裝配特征的運動螺旋和力螺旋進行了細致的分析，指出了其區(qū)別。研究了功能模式即零件之間的約束分析。首次系統(tǒng)地研究了過約束、完全約束、欠約束結(jié)構(gòu)中的可能存在的公差問題并指出了相應(yīng)的處理方法。 建立了基于功能表面的三維公差表示模型，并研究了各種公差類型與旋量之間的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)配合和接觸的裝配關(guān)系模型，建立了基于功能表面的公差網(wǎng)絡(luò)并按照運動學模型進行公差計算。提出了全局公差網(wǎng)絡(luò)和單步公差計算的概念，更適合自頂向下、分解重

7、構(gòu)的設(shè)計思路，并且簡化了計算。這種計算方式保證了公差計算的同步性，實現(xiàn)了基于公差的設(shè)計。 研究了單一產(chǎn)品和批量生產(chǎn)的公差評價指標體系。從公差需求出發(fā)啟發(fā)式指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究了功能模式和公差需求之間的關(guān)系，確定了4條相關(guān)原則，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)生長的方向。如果設(shè)計方案的公差無法滿足要求，從概念層、參數(shù)層和公差層三個層次對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案提出了修改指導(dǎo)原則。 在系統(tǒng)開發(fā)研究方面，對原有的設(shè)計系統(tǒng)DARFAD進行了擴充，建立了完整的