第一章    緒論

1.1 論文研究對象及課題來源
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)，通常認為在環(huán)形件、殼體件、盤形件、套筒件、軸類件以及平板件中，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，可認其為薄壁件[1]。此類型的零件具有的顯著特點是剛度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工時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)計的方面來說問題不大，但是加工過程要達到設(shè)計的結(jié)果具有相當?shù)碾y度。尤其當零件的形狀及尺寸精度要求高時，機床或者加工設(shè)備的切削力大小及波動、微幅振動、切削溫度、裝夾形式等都會對其產(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)方法進行機械加工，需要發(fā)展新的加工工藝。 此類薄壁零件已經(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)星的展開機構(gòu)、運載器的固定支座等。加之航空航天零件對制造精度的特殊要求，在同樣的剛度和強度等力學特性需求的同時，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被利用，諸如鈦合金、鋁鎂合金等輕質(zhì)材料。如此一來，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)計到加工實現(xiàn)過程的一大難題[3]。因此，結(jié)合機床和材料的基礎(chǔ)信息進行薄壁件產(chǎn)品的可制造性設(shè)計，具有十分重要的工程價值。 本文涉及的宇航薄壁件產(chǎn)品兼顧上述定義，但對其內(nèi)涵將進行拓展，針對特殊的應(yīng)用背景和定制化（個性化）需求，特別地將某宇航產(chǎn)品的 XX-XX 箱間段和 XX-XX一二級級間段的八類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，后續(xù)的研究中也將分類梳理這八大類零件涉及的主要成形工藝方法，為制造工藝知識庫的構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 本論文課題來源于科技部國際合作項目（編號：2010DFB80730）：宇航產(chǎn)品智能化設(shè)計制造集成技術(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、涉及學科領(lǐng)域多，是典型的技術(shù)密集、知識密集和資金密集的復(fù)雜部件。尤其近年來，隨著我國“載人航天”工程二期、“探月”工程二期、新一代大型運載火箭等一批重大型號工程的研制，我國宇航產(chǎn)品型號研制生產(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，從而對宇航產(chǎn)品快速設(shè)計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)品開發(fā)流程中，設(shè)計和制造環(huán)節(jié)被分割為兩個相對獨立部分，產(chǎn)品的設(shè)計過程沒有全面考慮制造的可實現(xiàn)性、經(jīng)濟性、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)計方案和企業(yè)的制造能力不協(xié)調(diào)，其結(jié)果必然帶來企業(yè)需要付出很大的成本、周期、效益的代價，來滿足一個不切合生產(chǎn)實際的設(shè)計方案，甚至會造成設(shè)計方案的反復(fù)，嚴重影響型號產(chǎn)品的開發(fā)周期。 近年來，，設(shè)計制造一體化方面的研究也越來越受重視，國外研究人員在設(shè)計制造一體化方面做了很多工作，已較為顯著地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品開發(fā)周期的不斷壓縮，智能化的設(shè)計評價技術(shù)已經(jīng)成為未來工程設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢[6]。通過總結(jié)經(jīng)過驗證的海量設(shè)計、制造知識，開發(fā)智能化的設(shè)計工具和虛擬驗證工具，可以極大降低研制風險和縮短研制周期。這項技術(shù)已經(jīng)成為國外先進工業(yè)發(fā)展的標志和競相投入研究的重要方向。但在國內(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)用實例。 
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第二章   考慮薄壁件產(chǎn)品 MAS 的設(shè)計模型

2.1  產(chǎn)品智能化設(shè)計過程及 DFX 決策 
產(chǎn)品設(shè)計是一個產(chǎn)品解決方案生成與其結(jié)果評價的迭代過程。在確定一個具體的解決方案之前，設(shè)計人員應(yīng)首先采取概念設(shè)計方法。對于一個復(fù)雜的產(chǎn)品在概念設(shè)計階段需要將團隊或者不同設(shè)計部門的已有設(shè)計經(jīng)驗結(jié)合在一起，然而，在協(xié)作設(shè)計的過程中必然存在對設(shè)計決策的不一致，因而很難做到在做設(shè)計決策和優(yōu)化方案時能夠獲得各個方面的知識。同時協(xié)作過程也存在著分工、協(xié)調(diào)，以及其他管理上的困難。   “為某一方面而設(shè)計（Design  For  X，DFX）”設(shè)計思路的提出為產(chǎn)品設(shè)計過程中的協(xié)同處理提供了重要的指導，具體是通過將“做”和“不做”的設(shè)計規(guī)則用檢查表單的形式列出，以確保設(shè)計方案滿足了“X”方面。關(guān)于 DFX 設(shè)計的一個主要缺點是，這些工具僅用一個狹窄的片面的視角去看不斷進化的解決方案，而沒用相互關(guān)聯(lián)，多個“X”角度的視角。此外，當主要的設(shè)計決策已達成時，DFX 工具主要用于進行分析。此外，DFX 知識是通用的，而不是針對特定問題的。在這個意義上，不能為設(shè)計人員提供關(guān)于哪些規(guī)則適用于目前情況的指導。設(shè)計專家系統(tǒng)由于其具有預(yù)測建模能力，可以支持概念設(shè)計。然而，在設(shè)計和開發(fā)過程中，由于知識的組織方式不是從需要協(xié)調(diào)的資源方面的角度來建立的，從而對系統(tǒng)提供了一個狹隘的設(shè)計解決方案，很難權(quán)衡生命周期的各個方面。此外，存在于設(shè)計人員頭腦中的知識組織形式較為獨立，很難做協(xié)調(diào)維護，并且在知識動態(tài)進化過程中，需要隨時來處理出現(xiàn)的新問題。約束網(wǎng)絡(luò)能協(xié)助設(shè)計人員之間通過多方面的合作，以避免生命周期問題的產(chǎn)生。 
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2.2  基于設(shè)計制造信息的設(shè)計決策模型
本節(jié)將討論依據(jù)設(shè)計制造信息而實際得到的產(chǎn)品模型的過程，揭示在零部件綜合設(shè)計過程中，設(shè)計結(jié)果是如何產(chǎn)生的。為便于理解，需要首先進行設(shè)計決策過程的規(guī)范化處理。 如圖 2-7 所示，對于設(shè)計過程中的每一個階段，設(shè)計人員都有一個決策結(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)計要素組成。設(shè)計人員在決策過程中從決策方案中選擇；在此過程中，設(shè)計人員需要考慮一系列的問題，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)計特征提取及重構(gòu) ...... 43
3.1  產(chǎn)品 DFM 過程的特征信息需求 ...... 43
3.2  設(shè)計特征的提取 ........ 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 過程的知識表達及知識庫構(gòu)建 ......... 63
4.1  產(chǎn)品 DFX 過程的知識表達及其管理 ......... 63
4.2  面向 DFM 的產(chǎn)品制造知識及其提取 ........ 69
4.3  制造知識庫構(gòu)建 ........ 77
4.4  設(shè)計過程知識庫的調(diào)用策略 ........ 80
4.5  數(shù)據(jù)庫協(xié)同管理 ........ 83
4.6  本章小結(jié) .......... 86
第五章   產(chǎn)品 MAS 平臺及 DFX 系統(tǒng)集成 ........ 87
5.1  產(chǎn)品 MAS 原理及體系 ....... 87
5.2 MAS 平臺框架設(shè)計 ........ 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)實現(xiàn)

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

6.1  原型系統(tǒng)框架 

圖 6-1 顯示了整個可制造性評價體系包括了知識庫和數(shù)據(jù)庫、核心算法和工具、建模和評價過程、標準規(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、知識庫管理和數(shù)據(jù)庫管理層。 根據(jù)可制造性分析基礎(chǔ)和評價方法，編寫了軟件原型系統(tǒng)研發(fā)，開發(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)建的對象模型，本文開發(fā)原型系統(tǒng)中，對該對象的提取是發(fā)展基于零件 Pro/E 模型的制造特征提取工具。 這個插件工具基于被加工零件的 Pro/E 三維模型，進行零件制造特征的提取，能夠?qū)崿F(xiàn)自動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、涉及學科領(lǐng)域多，是典型的技術(shù)密集、知識密集和資金密集的復(fù)雜部件，其設(shè)計過程任務(wù)繁重且涉及不同部門的協(xié)同，薄壁件產(chǎn)品是此類產(chǎn)品的典型代表。大多數(shù)已有的傳統(tǒng)設(shè)計與制造過程是較為獨立的，即設(shè)計過程往往不能很好地兼顧產(chǎn)品的可制造性，由此導致設(shè)計出的復(fù)雜產(chǎn)品并不能被制造加工出來，造成了設(shè)計效率低下且返工引起的時間和經(jīng)濟成本的顯著提高。針對這一現(xiàn)狀，本文開展一類特定的宇航薄壁件產(chǎn)品的設(shè)計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)計方法，解決其中的設(shè)計與制造沖突問題，最后通過開發(fā)相應(yīng)的原型系統(tǒng)得以驗證此方法的可行性。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)建了用于指導產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)的設(shè)計的決策知識模型。其次，針對知識融合的 DFX 模型，考慮其 MAS 過程，發(fā)展了典型宇航薄壁件的多決策設(shè)計模型。以一個宇航典型零件（某接頭）的縮痕缺點解決設(shè)計實例，顯示了智能化的產(chǎn)品設(shè)計過程。最后，結(jié)合制造資源、過程、特征關(guān)系及對象模型細化了上述產(chǎn)品的設(shè)計模型，以此來滿足其定制化設(shè)計制造需求。 
2．提出了一種面向可制造性的產(chǎn)品設(shè)計特征提取及重構(gòu)方法。首先完成了對產(chǎn)品DFM 過程的特征信息進行分析，并給出了這對研究對象典型宇航薄壁件的設(shè)計特征的提取過程及實現(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程構(gòu)建了其決策分析方法，并發(fā)展了基于模糊數(shù)學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薄壁件設(shè)計的評價標準值。 
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參考文獻(略)

本文編號：38215