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变型设计的目前存在的变型设计的理论和方法

时间:2019-10-02 00:04来源:未知 作者:admin 点击:
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  目前的CAD系统建立了产品的完整的几何模型,这种建模方法是从零件的建模开始的,以完成零件的拼装形成整个产品几何设计为最终目标。这种方法一方面是一种自底向上的建模方法,同时也难以表达产品的功能信息、装配信息等设计者的设计意图,因为产品的功能不是由单个零件表现出来的,而是由不同零件的组合即装配体实现的。因此装配模型是提供和维护产品功能设计意图的关键。装配建模即是装配模型的建立过程,旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模型,以期不仅可以表达零件的几何模型,而且可以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。

  关系模型:主要用联接图方式来表现零件之间装配关系,在联接图中,节点表示零件,联接弧表示零件间的装配关系(主要是坐标变换)。

  层次模型:以关系模型为基础,增加零件的安装顺序约束,可得到装配层次模型,零件子装配体和装配体之间形成层次关系,装配分析和设计分析以子装配体为研究对象。

  但这两种数据模型表达的设计信息仍然十分有限,只表达了零件之间的装配位置关系,无法从这些关系中获取更多的产品的功能要求和设计者的设计意图。

  装配模型是人们为了提高CAD的智能水平和为支持设计过程的较高层次而提出的,它比较符合人们的自然设计过程,同时也是一种良好的变型设计方法,近年来国内外对装配模型及建模方法进行了深入的研究,但至今仍未形成完整的理论体系和实用的建摸手段,目前的CAD系统也无法支持装配建模。 模块化设计是以功能分析为基础,通过功能相同而性能用途不同的各模块的互联组合而实现各种基型产品和变型产品。

  模块化设计包括模块的创建和模块的综合两个过程。模块创建包括功能模块的划分过程和功能模块的结构设计过程;模块综合则是根据具体设计要求,进行功能分解,并从模块集中选择合适的模块实现分解功能,并最终将分功能模块组合形成产品。

  模块化设计可以使产品的设计、制造周期大大缩短,降低成本且提高产品的质量,并可使产品具有很大的灵活性和适应性;能快速响应用户的多品种、小批量的需求,使产品具有很强的市场竞争力。

  模块化设计是建立在模块的定义和组织管理基础之上的,其对特定产品的模块的划分不是随意的,而且一模块与另一模块之间的装配关系是预先确定的,也不能随意改变,因而这也就限制了其使用范围。它适用于机床等行业中产品功能基本相同,但多品种的产品设计。使用这种设计方法不可能建立一种通用统一的设计环境或适应于较大范围的产品设计。 特征技术是为克服传统CAD系统的缺陷,为了CAD/CAM集成的需要提出的。

  传统的CAD系统的产品建模方法是几何建型,是基于形体的几何尺寸的造型方法,它们的模型都不包括诸如定位基准、公差、表面粗糙度、加工装配精度及材料等工程信息,因而只是产品的几何表达,不能满足产品设计及加工的要求。

  特征设计是面向设计和制造的全过程,它是以几何模型为基础并包括零件设计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它允许设计者通过组合常见形体,如:槽、筋、凸台、键槽等来完成产品的设计,而不是使用抽象的几何点、线、面。系统提供了用不同属性值实例化特征的能力,而且一般常用的形状特征由系统设计者以特征库的形式提供给用户,且许多系统允许用户用自定义特征扩展系统特征库。

  特征技术的发展给产品的变型设计提供了一种手段,用户通过对一系列特征的实例化和特征的自动维护达到产品的变型设计的目的。

  但特征技术存在许多问题:设计人员在设计时必须采用系统预定义的特征来设计产品;特征设计使概念设计、技术设计完全受制造方法的限制;特征设计用于变型设计时,一般和参数化设计方法结合,但特征间的交互作用对特征的影响和设计过程中特征的有效性的维护,都是这种变型设计方法的致命缺陷。从根本上讲特征设计是零件级的设计,特征设计无法支持概念设计和自顶向下的设计方法,不支持产品设计的全过程。 参数设计一般是指设计对象的结构形状比较定型,可以用一组参数来约定尺寸关系。参数的求解较简单,参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系,设计结果的修改受到尺寸驱动。生产中最常用的系列化、标准化设计就是属于这一类型。

  变量设计是设计对象的修改需要更大的自由度,通过求解一组约束方程组来确定产品的尺寸和形状。约束可以是几何关系,也可以是工程约束,约束结果的修改受到约束方程驱动。

  参数设计和变量设计适用于产品的初始设计和定型产品系列设计,使产品的设计图纸可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改。

  在变量设计中必需着重考虑的是约束满足问题(CSP——Constraint Satisfaction Problem),而设计一个高效的约束求解器则是变量设计的难点。目前国内外基于约束的变量设计方法的实现方案主要有:数值约束求解方法迭代法、基于规则的几何推理方法、基于图论的约束求解方法、基于构造过程的方法。

  目前变量设计是CAD系统研究的重点,其目的是为快速修改设计结果提供一个强有力的工具,但因为表达的信息量小、约束的多样性和处理工程约束的复杂性,使目前的变量设计系统无法完全解决变型设计中存在的问题。 在变型设计中引入实例推理技术(Case-based Reasoning——CBR)是势在必行的。近年来国内外的研究实践也充分地证明了这一点。Chandrasekaran的PCM(Propose-Critique-Modify)设计方法也很好地说明了设计过程与CBR过程的对应关系。

  Chandrasekaran将设计方法定名为PCM,它包括建议(Propose)、评判(Critique)和修改(Modify)三个步骤,这个实际的设计过程与CBR过程存在着并行的对应关系,如图1所示。CBR很自然地符合了设计师的实际设计过程。PCM设计过程与CBR过程的比较分析有力地说明了采用CBR解决设计问题的合理性。图1PCM设计方法和CBR过程的对应关系

  国外在研究CBR技术应用于设计时,主要集中在建筑设计领域,形成了一些商用系统,也有应用于机械设计方面的,但至目前仍未有成熟的软件。国内在实例推理技术的研究应用方面刚刚起步,处于引进学习和研究阶段。

  国内外有关实例推理技术应用于设计中的理论研究和实践,匀没有很好地解决实例修改这一难题,所有这样的研究和实践可以分为两类:一是设计支持系统,这样的系统只是一个浏览器,提供给设计者众多设计实例,并按新的设计要求自动选择一些实例提供给用户选择,但是实例的修改是由用户和系统交换完成的。另一类是自动设计系统,希望找到一种系统自动修改实例的方法,这当然是相当困难的,但是这种努力仍是相当有意义的。 上海交通大学陈俊、钟廷修根据合理化工程哲理的订单规划的需要,提出了一种关系型产品模型(Relation-based Product Model,RPM),即是在先进的信息理论和计算技术的支持下,定义和表达重用产品资源所必需的产品数据及其数据关系的数字化的信息模型,分析了订单规划活动的信息类型和信息内容,得到了RPM的逻辑构成,它们是:设计模型、工艺模型、制造模型、成本模型。作者详细分析了设计模型,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,建立了对象的分类框架,实现了对象的抽象定义,在此基础上建立了对象的类属模型,利用这些技术实现了企业产品的合理、快速变型设计。

  总之,以上述及的变型设计理论和方法,均不同程度地解决了变型设计中一些重要问题,达到了一定的目的和要求。它们除了具有各自的不足外,也存在以下共同的缺陷:

  (1)不支持产品设计的全过程,无法表达设计者的设计意图,特别是在概念设计阶段;

  (2)无法充分利用企业的现有资源,变型设计的结果往往使企业的资源空间呈膨胀趋势,这必将造成资源的浪费、成本的增加和生产效率的低下。模块化设计和基于实例推理技术的变型设计方法有解决这个问题的可能性,但尚缺少行之有效的实施手段;

  (3)没有提供对已有产品资源的有效的组织管理形式和手段,缺少多层次的变型方法。这样的条件下,导致设计人员在进行变型设计时,不是求解的方法和求解的结果严格受限,就是非变型的产品的大量涌现,达不到变型设计的目的;

  (4)缺少一个有效的支持变型设计的人机协作的环境。 装配模型通过建立零部件之间的几何模型及它们之间的装配信息描述,表达并维持设计意图、产品原理和功能,是一种支持概念设计和技术设计的产品模型,而实例推理(CBR)技术则为以过去解决某类问题的成熟方案为基础来解决目前的相似问题这一过程提供了一种行之有效的方法,实例库则是设计的结晶,同时又是一种组织已有技术的工具。本文将装配模型和CBR技术结合起来,提出了一种基于装配模型的变型设计智能框架,充分发挥了装配模型和CBR技术各自的优点,这种变型设计框架有望解决上述指出的变型设计理论和方法存在的缺陷。

  本文提出的基于装配模型的智能变型设计框架如图2所示。其中装配模型是CBR的技术基础,而CBR则是整个智能框架的核心;概念建模是解决设计问题的起点;CSP——约束满足技术,应用于实例的自动修改。这个框架具有以下的特点:

  (1)概念建模是和变型设计方法密切相关的,和一般意义上的概念建模不同,它是一个解空间受限的建模;

  (2)装配模型是实例推理的基础,装配建模是在CBR的运行过程中实现的,这样使装配建模的结果大量地重用了企业的已有资源,不同于一般的装配建模方法;

  (3)实例采用概念模型和装配模型表示,并具有多视图的特点,可以克服CBR技术的一些致命缺陷,如:实例表示的内容的有限性、实例适应的访问范围窄、实例的检索修改难度大等。

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