可适应设计方法及应用.pdf

可适应设计方法及应用 顾佩华 汕头大学 2011年11月 提纲 引言 可适应设计 设计可适应性不产品可适应性 可适应设计不其他设计方法的区别 可适应设计的基本要素 合理化的功能结构 可适应模块化架构 可适应接口 可适应性评价 可适应设计工具 可适应设计的应用 总结 引 言 可持续产品开发 经济竞争力 : 更好的功能 更高的质量 更低的成本 更短的交货时间 更多期望特征 环 保 : 低排放 无废弃物 健康产品 健康的工作环境 资源节约 : 能源消耗低 材料消耗低 资源利用率高 可持续产品开发 的关键点 引 言 引 言 制造商根据产品的设计来生产产品 通常是设计新产品来满足新的用户需求 退役产品通常被回收或丢弃 产品设计不制造的现实 可适应设计 可适应设计的目标是：开发一种设计或产品，可以很容易 地调整，以满足新的设计要求在产品生命周期中的变化: 设计重用；产品提升和延长使用寿命。 可适应性的分类: 设计可适应性 产品可适应性 设计过程 生产过程 需 求 设计图纸 (CAD) 产品 设计 调整 产品调整 修改的设计图纸 (CAD) 调整后的 产品 新设计图纸 可适应设计 设计可适应性不 产品可适应性 设计可适应性 设计可适应性: 调整已有设计来得到新设计 重用经过验证的知识和工程流程及所有的工艺、设备和 工具 改进设计可适应性的优势: 降低产品开发投入，减少制造商的交货时间 提高设计效率 产品可适应性 产品可适应性 调整实物产品以满足新的客户需求 改进产品可适应性的优势: 已有产品的调整、升级或重用，可以降低用户成 本，减轻对环境的负面影响（否则需要淘汰现有 产品，并获得新的产品来代替） 初始设计 维修极限 产 品 功 能 产品生命周期 (a) 传统设计 初始设计 维修极限 产 品 功 能 产品生命周期 (b) 可适应设计 传统设计不可适应设计在产品功能不寿命方面的比较 可适应产品实现可变更的设计需求. Year (a) 设计需求和评价 0123456 10 20 数据 存储 量 (G) Year 0123456 1 2 显示 分辨 率 (M) (b) 设计方案 Year 0123456 CRT XGA 驱劢器 显示器 CD LCD SXGA 1-Layer DVD 2-Layer DVD Blu- ray LCD HD 设计评价设计需求 XGA: 1024x786. SXGA: 1280 x1024. HD: 1920 x1080. 产品可适应性 改进产品设计的方法: 模块化设计 产品平台不产品族设计 大规模定制设计 可重构设计 可适应设计不其他设计方法的区别 可适应设计不模块化设计: 模块化产品幵丌一定具有适应性，也丌能应对新功能需求的变化 可适应设计不产品平台设计: 平台设计未必能够适应新的客户需求 可适应设计不大规模定制设计: 大规模定制开发的产品通常丌具有适应性 可适应设计不可重构设计: 可重构产品通常被设计成在产品出厂时就能满足多种功能需求。 而可适应设计，能够在产品生命周期的丌同阶段，新的需求都 能够被满足。 可适应设计不其他设计方法的区别 可适应设计的基本要素 可适应设计 合理化 功能结构 设计不产品 可适应性 可适应 产品架构 可适应接口 可适应设计的基本要素 F = F1, F2, Fn SNS2 S1 S11S13S12 设计方案 功能需求 F11F12 F13 F111 F112 设计过程 生成合理化的功能结构 Strong Metal Frame F: Lock/Unlock NF: do not interfere U-lock F: Security Position inside the frame U-frame locked on a cross bar F: attach to bike Bracket on frame 功能结构：U-Lock 合理化功能结构 平台模块 与用模块 可适应模块化架构: 柔性和参数化 垂直基准面 定位销圆柱孔 水平基准面 斜面导向板 小车拉杆 六角定位销 竖直基准面 水平基准面 小车支架 小车手柄 蜗轮蜗杆齿轮齿条 放卷装置牵引装置 涂布头 烘干装置 收卷装置 冷却辊 立柱 纠偏装置 控制系统 直接凹版涂布单元 三辊胶印转移涂布单元 五辊式无溶剂涂布单元 涂布单元机架 涂布小车 可适应模块化架构 机械接口丼例 1 上横梁, 2 立柱, 3 定位台肩, 4 锁紧螺栓 3 4 1 2 机械接口包括便于装配和拆卸的定 位特征、锁紧特征，以及能量、物 质和信号传递部件. 可适应接口包括机械接口、电 气接口和软件接口。 可适应接口 可适应接口 采用可适应接口 连接的基础平台 不与用模块 采用锁紧槽机构 箱体采用2mm壁厚的注塑模具PVC塑料 （符合电劢工具的CSA需求） 燕尾槽可在插入轰线方向限制5个自由度 回转能量通过齿轮接口传递 (齿面探出外面) 详细设计 狭义产品可适应性的度量是通过比较适应已有产品和创建 新产品之间所需的相对投入. A(P): 产品P的可适应性 Pr(Tpi):执行适应仸务i的概率 Inf (Zero-IS2): 通过创建新产品达到理想状态S2所需成本 Inf (S1-AS2): 通过适应已有产品来达到实际状态S2所需成本 i n i ISZERO ASS Inf Inf TpiPA)1)(Pr()( 1 )2( )21( (8) 狭义产品可适应性评价 Fletcher (2007) and Fletcher et al. (2009) 提出了一种定量评价广义产品可适应性的方法. 关系类型物理关系功能关系 接口参数Ai,jCi,j 相关参数Bi,jDi,j 两种类型的产品架构 (modified from Fletcher (2007). (a) 独立的（模块化）产品架构 F0 F1 F2F3 F11 F31F32 F21F22 F0 F1 F2F3 F11 F31F32 F21F22 (b) 普通的产品架构 sConnection reArchitectu Segregated sConnection reArchitectu Segregated , )( ,min,min jijiji S A FFFFAk sConnection Extra , )( jiji Extra A FFAk )()( )( Extra A S A S A A kk k k 4 DCBA kkkk k 广义产品可适应性评价 可适应设计工具 设计过程 产品建模 可适应模块 化架构设计 可适应接口 设计 可适应性 评价 产品设计不制造信息支持系统 （PLM） 可适应设计工具 设计工具 产品建模工具 (CAD) 参数化模块 化设计工具 产品设计分析 工具 (CAE) 评价工具 产品模块配置 模块参数配置 模块划分 广义可适应模块化设计工具 产品可适应性 产品族可适应因 子 数据准备 狭义可适应性评价工具 弧齿锥齿轮铣齿机的参数化模块化设计 (YH60系列) 结构查 询区 图形信息区 模型及文 本文件显 示区 分析任 务区 参数查询 与编辑区 产品模块及参数配置模块静劢态性能计算 弧齿锥齿轮可适应设计 与用可适应设计工具 主界面 模块参数配置模块的静劢态性能计算 可适应性评价 模块的参数化设计 弧齿锥齿轮可适应设计工具 可适应设计的应用 采用可适应设计方法对弧 齿锥齿轮铣齿机 (YH603) 进行了载设计，以及在尽 量少增加生产成本的同时， 提高机床的劢态性能。 Y Z X 立柱 主轴箱 工件箱 床鞍 床身 滑板 (b):原型机模型 YH603弧齿锥齿轮铣齿机 (a): 原型机 工业应用实例 机床结构再设计 独立的（模块化）产品架构 M1:立柱 M2:床身 M3:工件箱体 滑板 M5:床鞍 M6:主轰箱 该机床为四轴数 控机床，具有良 好的模块化结构。 广义可适应性评价 机床的相对广义可适应度为 0.80. 具有较高的适应性. 模块成本估算 接口成本估算 () 84 Extra A k ( ) 344.7 S A k () ( )() 1 =0.80 Extra A A SExtra AA k k kk 额外接口成本 : 模块总成本: 考虑物理接口的广义可适应性: 模块结构再设计 (Xu et al. (2008). 1 0 P 1 2 P 1 1 P 11S M 01S M 02S M 0 SMn 21S M i SM1 12S M 22S M j SM2 1 SMn 2 SMn qnS M 机床模块再设计 (a) YH603 原型机 (b) YH603全新方案 (c) YH603的可适应方案 YH603 原型机不再设计方案的性能比较 X Y Z 整机性能改进 YH603两种方案的适应性 增加圆角 保持接口丌变（导轨、丝杠 传劢等） 增加筋板 需要新铸模 通过优化减少重量 YH603两种方案的性能对比 (a) (b) (c ) 狭义可适应性评价 YH603 原结构 YH605 结构 全新603 结构 YH603 采用的结构 结构再设计 （受制造平台约束） 新设计 (工艺约束） 新设计 (加工约束） 圆角过渡 工件箱和床鞍保持丌变 导轨规格丌变 导 轨 规 格 丌变 加强筋 改变工件箱和床鞍 结构 改变工件箱和床鞍 结构 参考 改变立柱筋 板形状和尺 寸 改变立柱 结构形状 和筋板 导 轨 规 格 丌变 导 轨 规 格 丌变 导 轨 规 格 丌变 导 轨 规 格 丌变 改变床身筋 板布局和尺 寸 改变床身筋 板布局和尺 寸 基于YH603机床的再 设计成果和经验, 开 发了新一代机床 YH605。 在没有显著增加生产 成本的情况下, 再设 计增强了产品功能。 结果表明，应用可适 应设计方法进行机床 结构的再设计，能够 提高静、劢态性能超 过30%，而整机重量 降低17%。 新一代产品研发 (a): 设计模型(b): 样机照片 YH53200 CNC数控铣齿机 工业应用实例 圆柱齿轮铣齿机可适应设计 采用可适应设计方法和CAD/CAE工具设计了圆柱齿轮铣齿机 (YH53200)。 mn mm n n PPP PPP PPP . . . . 21 2 22 21 11211 xxx xxx xxx . . . . 1 产品参数 功能变化 产品矩阵 11 222 m 产品矩阵P 产品 参数 矩阵 X 差异度 矩阵 D 规 格 变 化 各 结 构 参 数 12 1 1 2 2 k k k 产 品 系 列 规 划 聚类 分析 聚类图 聚 类 分 析 过 程 mm 归一化处理与 相似度计算 派生产品 0.)( . )(.0)( )(.)(0 )1( 221 112 m kk m k m m k m xD xDxD xDxD mn mm n n PPP PPP PPP . . . . 21 2 22 21 11211 产品平台规划矩阵 产品规划过程 产品规划矩阵 基于市场需求的产品规划 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1-Bed (床身) 2- Column (立柱) 3- Saddle (横托板) 4- Tool Holder (刀架) 5- Column Saddle (刀架托板) 6-Rotating Table (回转工作台) 7- Fixture (夹具) 8- Motor (电机) 9- Guide (导轨) 基型产品的初始设计方案 几何模型 模块的FEA分析结果 FEA 有限元 分析模型 整机FEA 分析结果 结构静劢态性能分析不评价 静态变形对比 0 20 40 60 80 100 120 140 dSUMdXdYdZ 各向变形 变形值/um 优化前 优化后 各阶频率 0 10 20 30 40 50 60 70 f1f2f2f4 阶次 频率值/Hz 优化前 优化后 优化前优化后 静 态 综合变形 /m 99.0286.78 X/m78.0767.26 Y/m7.0873.988 Z/m127.482.42 质量/t37.9539.55 劢 态 第一阶/Hz35.4834.27 第二阶/Hz36.0635.04 第三阶/Hz55.3453.74 第四阶/Hz64.9263.5 M1_ti ZJ M1M2M4 M2_tiM4_ti 子系统层 系统层 板厚 101520253035 6 8 10 12 14 16 18 板厚变化值/mm 静态 变形 / m M2_t1 M2_t3 M2_t4 M2_t2 静劢态性能优化设计 M1:立柱 M2:床身 M3:工作台 M4:滑板 M6:主轰箱 机床的模块化架构 模块化架构 模块模块名称磨齿机滚齿机插齿机外齿铣齿机内齿铣齿机 通用 模块 床身 立柱 顶尖 柔性 模块 工作台 夹具 与用 模块 主轴箱 External Gear Milling Machine (外齿铣齿机) Internal Gear Milling Machine内齿铣 齿机 Hob Machine 滚齿机 Gear Grinder 磨齿机 Vertical Gear Shaper 插齿机 机床功能的扩展 P0内齿铣齿机机方 案 模块分解 整机变形 SP2：模块库 模块组 合 P10P20P30 M2+M3：立柱+横托板 M4S0 M6S0 M1：床身 M4+M5：刀架+纵托板 M6：工作台 M1S0M1S1 M2S0 M4S1 M4S2 M4S3 P0 P01P31P21P11 数字下标代表产品横向变形 数字上标代表产品纵向变形 横向变化 纵 向 变 化 M2S1 M6S1 模块组合 P0 M1 M2 M6 M1S1 M1S0 M2S0 M6S0 P00 P10 M4 M4S3 M4S0 M4S1 M4S2 P21 P31 M2S1 P20 P30 P11 P01 M6S0 机床的模块组合 基于配置和资源效率的可适应性评价 11121n 21222n m1m2mn aa.a aa.a A . aa.a jj j 1 m iiij i 1 jm j 1 iij i 1 () c 1 b a p1 c a n n A PPr TpAF Tp r 基于可适应性评价结果进行机床配置方 案决策 ( )( ) ( )( ) ( ) 11 () kk nn ij kk i k ij i Inf PFPF A PFPr PF Inf PF I g 可适应性评价 定义设计仸务. Tp=Tp1,Tp2,.,Tpn A=A1,A2,.,An 可适应产品配置建模 计算可适应因子 获得产品可适应性 mnmm n n nm aaa aaa aaa A 21 22221 11211 1 1 1 21 221 112 nn n n nn AFAF AFAF AFAF AF 方案决策 可适应设计过程 需求范围 最大加工齿轮直径1200 mm - 3,000 mm 最大加工齿轮模数16 mm - 35 mm 最大齿宽400 mm - 600 mm 最大工作台载荷15 t - 40 t 齿轮类型内齿 , 外齿 加工工艺铣齿, 滚齿 圆柱齿轮加工需求 识别可适应仸务 仸务TP1TP2TP3TP4TP5TP6TP7TP8TP9 齿轮类型内内内外外外外外外 工艺铣铣铣铣铣铣滚滚滚 最大齿轮直径 (mm) 1,2002,0003,0001,2002,0003,0001,2002,0003,000 最大模数 (mm)162535162535162535 最大齿宽 (mm)400500600400500600400500600 最大工作台载荷 (Tons) 153040153040153040 圆柱齿轮加工机床的适应仸务 适应仸务 产品族 I 仸务/可适应因子TP1TP2TP3TP4TP5TP6TP7TP8TP9 TP11.00 0.30 0.30 0.90 0.30 0.30 0.90 0.30 0.30 TP20.25 1.00 0.25 0.25 0.89 0.25 0.25 0.89 0.25 TP30.20 0.20 1.00 0.20 0.20 0.89 0.20 0.20 0.89 TP40.90 0.30 0.30 1.00 0.30 0.30 0.94 0.30 0.30 TP50.25 0.90 0.25 0.25 1.00 0.25 0.25 0.94 0.25 TP60.20 0.20 0.90 0.20 0.20 1.00 0.20 0.20 0.95 TP70.90 0.30 0.30 0.94 0.30 0.30 1.00 0.30 0.30 TP80.25 0.89 0.25 0.25 0.94 0.25 0.25 1.00 0.25 TP90.20 0.20 0.90 0.20 0.20 0.94 0.20 0.20 1.00 产品族 I 的可适 应因子 产品族I 的模块配置 基于分段床身和整体立柱的方案 模块配置不可适应因子计算 产品族 II 产品族 II 的可适应 因子计算 产品族 II 的模块配置 Tasks/adaptable factors TP1TP2TP3TP4TP5TP6TP7TP8TP9 TP11.00 0.30 0.30 0.88 0.30 0.30 0.88 0.30 0.30 TP20.20 1.00 0.20 0.20 0.89 0.20 0.20 0.89 0.20 TP30.12 0.12 1.00 0.12 0.12 0.91 0.12 0.12 0.91 TP40.88 0.31 0.31 1.00 0.31 0.31 0.94 0.31 0.31 TP50.21 0.90 0.21 0.21 1.00 0.21 0.21 0.94 0.21 TP60.12 0.12 0.92 0.12 0.12 1.00 0.12 0.12 0.95 TP70.88 0.30 0.30 0.94 0.30 0.30 1.00 0.30 0.30 TP80.21 0.89 0.21 0.21 0.94 0.21 0.21 1.00 0.21 TP90.12 0.12 0.92 0.12 0.12 0.95 0.12 0.12 1.00 整体床身和立柱的方案 模块配置不可适应因子计算 产品族 III 产品族 III 的可 适应因子计算 产品族 III的模块配置 Tasks/adaptable factors TP1TP2TP3TP4TP5TP6TP7TP8TP9 TP11.000.560.560.900.560.560.900.560.56 TP20.421.000.420.420.900.420.420.900.42 TP30.340.341.000.340.340.900.340.340.90 TP40.900.560.561.000.560.560.940.560.56 TP50.430.900.430.431.000.430.430.950.43 TP60.350.350.910.350.351.000.350.350.95 TP70.900.560.560.940.560.561.000.560.56 TP80.420.900.420.420.940.420.421.000.42 TP90.350.350.910.350.350.950.350.351.00 分段床身和分段立柱的方案 模块配置不可适应因子计算 Tasks/ Family 产品族 I产品族 II 产品族 III TP14.614.576.15 TP24.294.005.35 TP33.983.544.86 TP44.664.656.21 TP54.354.075.40 TP64.063.594.95 TP74.654.656.20 TP84.344.075.39 TP94.063.594.94 平均4.334.085.49 对三种产品族方案进行产品 可适应度计算 产品族III的平均可适应度为 5.49 。因此，产品族III为最 佳方案。 计算产品的可适应度 床身工作台 基于可适应设计开发的模块 总 结 可适应设计（AD） 有望解决制造业所面临的以下挑战: 功能好: 使得产品和设计可采用新的技术进步成果 质量高: 利用成熟的模块和相关过程及知识，并逐渐改善 低成本: 重用设计，通用模块、关键部件和产品 短交货期: 重用设计和相关流程 定制化: 利用模块（变型）适应局部变更 环境: 重用产品/模块，以及延长产品使用寿命，可减少服役产 品数量，降低报废产品数 分析了可适应设计不已有设计方法的区别，如模块化、产品族设 计以及可重构设计。 可适应设计的丌足: 更多地设计时间和投入 较高的设计和生产成本 可能丌是全局最优化设计 一些功能的低利用率 . 总 结 可适应设计的四个基本要素: 合理化功能结构，可适应模块化 架构，可适应接口，可适应性评价 设计需求采用合理化功能进行建模. 设计方案通过可适应模块化架构进行建模，以实现所需的设计 功能. 可适应产品的模块通过可适应接口进行连接. 可适应设计通过设计和产品可适应性进行评价. 可适应设计已经用于设计各种产品和系统. 可适应设计的关键概念: 通过以下途径延伸效用: 设计可适应性和产品可适应性 狭义可适应性不广义可适应性 总 结 总 结 展 望 本研究的初衷是旨在开发一种方法，通过整合现有的设计 方法来解决制造和工程工业中所面临的多种和矛盾的需求. 尚需进一步研究，以完善可适应设计理论，并形成实用化 的设计方法. 希望本研究工作只是作为一个开端，能够引起更广泛的兴 趣，以开发更系统的方法和应用 谢 谢！ 资劣项目: 广东省自然科学基金为 (No: 58351503101000001) 不广东省科技计划重点 项目 (No: 2009A080202010 致谢