發(fā)布時(shí)間：2016-04-15 14:11

第一章    緒論

1.1 論文研究對(duì)象及課題來(lái)源
宇航產(chǎn)品中存在大量的、典型的薄壁件產(chǎn)品。從薄壁件的常規(guī)概念出發(fā)，通常認(rèn)為在環(huán)形件、殼體件、盤(pán)形件、套筒件、軸類(lèi)件以及平板件中，產(chǎn)品的壁厚與輪廓尺寸（或內(nèi)徑曲率半徑）之比小于 1:20 時(shí)，可認(rèn)其為薄壁件[1]。此類(lèi)型的零件具有的顯著特點(diǎn)是剛度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工時(shí)極易由于誤差變形或工件顫振，降低了工件的加工精度。雖然從設(shè)計(jì)的方面來(lái)說(shuō)問(wèn)題不大，但是加工過(guò)程要達(dá)到設(shè)計(jì)的結(jié)果具有相當(dāng)?shù)碾y度。尤其當(dāng)零件的形狀及尺寸精度要求高時(shí)，機(jī)床或者加工設(shè)備的切削力大小及波動(dòng)、微幅振動(dòng)、切削溫度、裝夾形式等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響，從而難以保證加工的精度[2]。特別是對(duì)于特殊行業(yè)用的某些壁厚很薄的產(chǎn)品，因其材料剛度較低，甚至不能按常規(guī)方法進(jìn)行機(jī)械加工，需要發(fā)展新的加工工藝。 此類(lèi)薄壁零件已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于航空航天工業(yè)中，例如火箭的殼體、衛(wèi)星的展開(kāi)機(jī)構(gòu)、運(yùn)載器的固定支座等。加之航空航天零件對(duì)制造精度的特殊要求，在同樣的剛度和強(qiáng)度等力學(xué)特性需求的同時(shí)，還需要產(chǎn)品具有較小的重量；為此一些新型難以加工的材料多會(huì)被利用，諸如鈦合金、鋁鎂合金等輕質(zhì)材料。如此一來(lái)，增加了制造薄壁件產(chǎn)品的困難，提高了制造的成本，這也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)到加工實(shí)現(xiàn)過(guò)程的一大難題[3]。因此，結(jié)合機(jī)床和材料的基礎(chǔ)信息進(jìn)行薄壁件產(chǎn)品的可制造性設(shè)計(jì)，具有十分重要的工程價(jià)值。 本文涉及的宇航薄壁件產(chǎn)品兼顧上述定義，但對(duì)其內(nèi)涵將進(jìn)行拓展，針對(duì)特殊的應(yīng)用背景和定制化（個(gè)性化）需求，特別地將某宇航產(chǎn)品的 XX-XX 箱間段和 XX-XX一二級(jí)級(jí)間段的八類(lèi)零件均稱之為薄壁件，這些零件包括壁板、蒙皮、桁條、半框環(huán)、口蓋、連接板、插座、接頭、支座等；后續(xù)的研究中將給出這些零件中部分零件的結(jié)構(gòu)示意圖及模型數(shù)據(jù)。同時(shí)，后續(xù)的研究中也將分類(lèi)梳理這八大類(lèi)零件涉及的主要成形工藝方法，為制造工藝知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 本論文課題來(lái)源于科技部國(guó)際合作項(xiàng)目（編號(hào)：2010DFB80730）：宇航產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)制造集成技術(shù)與系統(tǒng)聯(lián)合研究。 
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1.2 論文研究目的和意義
宇航產(chǎn)品所屬零件大多為定制化零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、質(zhì)量要求高、涉及學(xué)科領(lǐng)域多，是典型的技術(shù)密集、知識(shí)密集和資金密集的復(fù)雜部件。尤其近年來(lái)，隨著我國(guó)“載人航天”工程二期、“探月”工程二期、新一代大型運(yùn)載火箭等一批重大型號(hào)工程的研制，我國(guó)宇航產(chǎn)品型號(hào)研制生產(chǎn)呈現(xiàn)出研制品種多、研制周期緊、生產(chǎn)批量變化大等特點(diǎn)，從而對(duì)宇航產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)及制造的能力提出了更為迫切的要求。在傳統(tǒng)的宇航產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中，設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)被分割為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立部分，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程沒(méi)有全面考慮制造的可實(shí)現(xiàn)性、經(jīng)濟(jì)性、加工周期、質(zhì)量保證條件等產(chǎn)品生產(chǎn)要素[4,5]，這種研發(fā)模式常常不可避免地造成設(shè)計(jì)方案和企業(yè)的制造能力不協(xié)調(diào)，其結(jié)果必然帶來(lái)企業(yè)需要付出很大的成本、周期、效益的代價(jià)，來(lái)滿足一個(gè)不切合生產(chǎn)實(shí)際的設(shè)計(jì)方案，甚至?xí)�造成設(shè)計(jì)方案的反復(fù)，嚴(yán)重影響型號(hào)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。 近年來(lái)，，設(shè)計(jì)制造一體化方面的研究也越來(lái)越受重視，國(guó)外研究人員在設(shè)計(jì)制造一體化方面做了很多工作，已較為顯著地縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的不斷壓縮，智能化的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)[6]。通過(guò)總結(jié)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的海量設(shè)計(jì)、制造知識(shí)，開(kāi)發(fā)智能化的設(shè)計(jì)工具和虛擬驗(yàn)證工具，可以極大降低研制風(fēng)險(xiǎn)和縮短研制周期。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外先進(jìn)工業(yè)發(fā)展的標(biāo)志和競(jìng)相投入研究的重要方向。但在國(guó)內(nèi)，相關(guān)的研究工作還處于起步探索階段，尚缺少完整的應(yīng)用實(shí)例。 
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第二章   考慮薄壁件產(chǎn)品 MAS 的設(shè)計(jì)模型

2.1  產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)過(guò)程及 DFX 決策 
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)產(chǎn)品解決方案生成與其結(jié)果評(píng)價(jià)的迭代過(guò)程。在確定一個(gè)具體的解決方案之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先采取概念設(shè)計(jì)方法。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段需要將團(tuán)隊(duì)或者不同設(shè)計(jì)部門(mén)的已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合在一起，然而，在協(xié)作設(shè)計(jì)的過(guò)程中必然存在對(duì)設(shè)計(jì)決策的不一致，因而很難做到在做設(shè)計(jì)決策和優(yōu)化方案時(shí)能夠獲得各個(gè)方面的知識(shí)。同時(shí)協(xié)作過(guò)程也存在著分工、協(xié)調(diào)，以及其他管理上的困難。   “為某一方面而設(shè)計(jì)（Design  For  X，DFX）”設(shè)計(jì)思路的提出為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的協(xié)同處理提供了重要的指導(dǎo)，具體是通過(guò)將“做”和“不做”的設(shè)計(jì)規(guī)則用檢查表單的形式列出，以確保設(shè)計(jì)方案滿足了“X”方面。關(guān)于 DFX 設(shè)計(jì)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，這些工具僅用一個(gè)狹窄的片面的視角去看不斷進(jìn)化的解決方案，而沒(méi)用相互關(guān)聯(lián)，多個(gè)“X”角度的視角。此外，當(dāng)主要的設(shè)計(jì)決策已達(dá)成時(shí)，DFX 工具主要用于進(jìn)行分析。此外，DFX 知識(shí)是通用的，而不是針對(duì)特定問(wèn)題的。在這個(gè)意義上，不能為設(shè)計(jì)人員提供關(guān)于哪些規(guī)則適用于目前情況的指導(dǎo)。設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)由于其具有預(yù)測(cè)建模能力，可以支持概念設(shè)計(jì)。然而，在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于知識(shí)的組織方式不是從需要協(xié)調(diào)的資源方面的角度來(lái)建立的，從而對(duì)系統(tǒng)提供了一個(gè)狹隘的設(shè)計(jì)解決方案，很難權(quán)衡生命周期的各個(gè)方面。此外，存在于設(shè)計(jì)人員頭腦中的知識(shí)組織形式較為獨(dú)立，很難做協(xié)調(diào)維護(hù)，并且在知識(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)化過(guò)程中，需要隨時(shí)來(lái)處理出現(xiàn)的新問(wèn)題。約束網(wǎng)絡(luò)能協(xié)助設(shè)計(jì)人員之間通過(guò)多方面的合作，以避免生命周期問(wèn)題的產(chǎn)生。 
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2.2  基于設(shè)計(jì)制造信息的設(shè)計(jì)決策模型
本節(jié)將討論依據(jù)設(shè)計(jì)制造信息而實(shí)際得到的產(chǎn)品模型的過(guò)程，揭示在零部件綜合設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)結(jié)果是如何產(chǎn)生的。為便于理解，需要首先進(jìn)行設(shè)計(jì)決策過(guò)程的規(guī)范化處理。 如圖 2-7 所示，對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)階段，設(shè)計(jì)人員都有一個(gè)決策結(jié)果集合[P]及一些可能的解決方案集合{O}，可定義為決策方案 P{O}。由上文可知，決策方案 P{O}由可重復(fù)使用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素組成。設(shè)計(jì)人員在決策過(guò)程中從決策方案中選擇；在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要考慮一系列的問(wèn)題，如可制造性、可裝配性以及產(chǎn)品的使用功能等。在兼顧上述方面的前提下，設(shè)計(jì)人員選擇出合適的一系列決策結(jié)果，并將決策結(jié)果 D{O}引入的產(chǎn)品模型中。

第三章   面向制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征提取及重構(gòu) ...... 43
3.1  產(chǎn)品 DFM 過(guò)程的特征信息需求 ...... 43
3.2  設(shè)計(jì)特征的提取 ........ 43
3.3  基于可制造信息的三維重構(gòu)方法 .......... 50
3.4  薄壁件關(guān)鍵幾何特征關(guān)系提取及判斷 ....... 54
3.5  本章小結(jié) .......... 62
第四章   產(chǎn)品 DFM 過(guò)程的知識(shí)表達(dá)及知識(shí)庫(kù)構(gòu)建 ......... 63
4.1  產(chǎn)品 DFX 過(guò)程的知識(shí)表達(dá)及其管理 ......... 63
4.2  面向 DFM 的產(chǎn)品制造知識(shí)及其提取 ........ 69
4.3  制造知識(shí)庫(kù)構(gòu)建 ........ 77
4.4  設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)庫(kù)的調(diào)用策略 ........ 80
4.5  數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)同管理 ........ 83
4.6  本章小結(jié) .......... 86
第五章   產(chǎn)品 MAS 平臺(tái)及 DFX 系統(tǒng)集成 ........ 87
5.1  產(chǎn)品 MAS 原理及體系 ....... 87
5.2 MAS 平臺(tái)框架設(shè)計(jì) ........ 93
5.3 考慮 MAS 的典型宇航薄壁件 DFX 系統(tǒng) ........ 97
5.4 基于 MAS 的 DFA 應(yīng)用 .......... 102
5.5  本章小結(jié) ........ 110

第六章   考慮 MAS 的典型宇航薄壁件 DFM 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本章結(jié)合前幾章具體的理論基礎(chǔ)和局部實(shí)例，給出針對(duì)某特定宇航薄壁件產(chǎn)品的可制造性分析平臺(tái)，發(fā)展其原型系統(tǒng)并給出具體的分析過(guò)程。 

6.1  原型系統(tǒng)框架 

圖 6-1 顯示了整個(gè)可制造性評(píng)價(jià)體系包括了知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)、核心算法和工具、建模和評(píng)價(jià)過(guò)程、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及應(yīng)用。 根據(jù)上述框架構(gòu)建的原型軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖 6-2 所示，圖中顯示各個(gè)軟件單元之間的組成關(guān)系。具體包括了用戶界面層、工具層、知識(shí)庫(kù)管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理層。 根據(jù)可制造性分析基礎(chǔ)和評(píng)價(jià)方法，編寫(xiě)了軟件原型系統(tǒng)研發(fā)，開(kāi)發(fā)了用于制造特征獲取的 Pro/E 插件軟件工具，如圖 6-3 所示。 圖 6-3  給出了在 Pro/E 中構(gòu)建的對(duì)象模型，本文開(kāi)發(fā)原型系統(tǒng)中，對(duì)該對(duì)象的提取是發(fā)展基于零件 Pro/E 模型的制造特征提取工具。 這個(gè)插件工具基于被加工零件的 Pro/E 三維模型，進(jìn)行零件制造特征的提取，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)獲取和列表顯示零件中的特征、參數(shù)名、參數(shù)值，插件中存儲(chǔ)的參數(shù)和模型參數(shù)同步，可雙方向更新，支持用戶挑選“制造特征”，并保存為文件，為可制造分析軟件提供輸入數(shù)據(jù)。

 

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結(jié)論

宇航產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、質(zhì)量要求高、涉及學(xué)科領(lǐng)域多，是典型的技術(shù)密集、知識(shí)密集和資金密集的復(fù)雜部件，其設(shè)計(jì)過(guò)程任務(wù)繁重且涉及不同部門(mén)的協(xié)同，薄壁件產(chǎn)品是此類(lèi)產(chǎn)品的典型代表。大多數(shù)已有的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程是較為獨(dú)立的，即設(shè)計(jì)過(guò)程往往不能很好地兼顧產(chǎn)品的可制造性，由此導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的復(fù)雜產(chǎn)品并不能被制造加工出來(lái)，造成了設(shè)計(jì)效率低下且返工引起的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的顯著提高。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文開(kāi)展一類(lèi)特定的宇航薄壁件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及可制造性集成技術(shù)研究，旨在提出的面向制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，解決其中的設(shè)計(jì)與制造沖突問(wèn)題，最后通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的原型系統(tǒng)得以驗(yàn)證此方法的可行性。研究具體內(nèi)容和取得的創(chuàng)新成果包括：  
1．發(fā)展了考慮產(chǎn)品可制造性的典型宇航薄壁件的 DFX 方法。首先，構(gòu)建了用于指導(dǎo)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)的決策知識(shí)模型。其次，針對(duì)知識(shí)融合的 DFX 模型，考慮其 MAS 過(guò)程，發(fā)展了典型宇航薄壁件的多決策設(shè)計(jì)模型。以一個(gè)宇航典型零件（某接頭）的縮痕缺點(diǎn)解決設(shè)計(jì)實(shí)例，顯示了智能化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程。最后，結(jié)合制造資源、過(guò)程、特征關(guān)系及對(duì)象模型細(xì)化了上述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型，以此來(lái)滿足其定制化設(shè)計(jì)制造需求。 
2．提出了一種面向可制造性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征提取及重構(gòu)方法。首先完成了對(duì)產(chǎn)品DFM 過(guò)程的特征信息進(jìn)行分析，并給出了這對(duì)研究對(duì)象典型宇航薄壁件的設(shè)計(jì)特征的提取過(guò)程及實(shí)現(xiàn)方法；隨后結(jié)合可制造信息發(fā)展了基于可制造信息的三維重構(gòu)方法，其中包括設(shè)計(jì)特征和重構(gòu)特征的求相交和整體三維重構(gòu)的方法。最后為后續(xù)的 MAS 提供技術(shù)支持，結(jié)合薄壁圓筒件的沖壓成型可制造過(guò)程構(gòu)建了其決策分析方法，并發(fā)展了基于模糊數(shù)學(xué)理論的沖壓工藝決策中存在的不確定因素分析模型，并給出一組具體的針對(duì)薄壁件設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：38215