产品结构工艺性分析与评价技术研究.pdf

l I I I I I I I I I I I I I I I l lq l q l lh l l l l l l l i l l l l l l l l lq l l l l l l IY 15 2 3 0 2 1分类号I 珏!2：!工程硕士学位论文学号鱼S Q 2 Q 3 2 Q 2 8暂级垒珏产品结构工艺性分析与评价技术研究硕士生姓名冯震学科专业机械工程研究方向数字化制造与计算机集成指导教师龚京忠副教授国防科学技术大学研究生院二o o 八年十一月国防科学技术大学研究生院T 程硕士学位论文摘要结构工艺性分析与评价在产品设计阶段充分考虑与制造有关的约束，全面分析评价产品结构设计的工艺性，并提供改进的反馈信息，从而保证产品设计的一次成功，提高开发效率，并降低制造成本，已成为现代产品设计关键技术之一。本文对结构特征信息表达、基于实例推理的工艺路线决策、结构工艺性评价关键技术系统进行深入研究，主要内容与成果包括：(1)针对产品结构工艺性特点，考虑其评价的目标与原则，建立了产品结构工艺性分析评价的总体技术方案与策略。(2)以特征技术为基础，给出了产品特征描述方法，建立了面向制造的三层次(即零件层、特征层、几何拓扑层)零件模型。(3)以特征工艺映射为基础，运用相似性实例推理的方法，实现了产品工艺路线的生成。(4)描述了工艺性评价指标的建立方法，建立了基于有限元分析的工艺性评价技术、基于规则的工艺性评价技术和基于模糊综合评判定性和定量评价技术。(5)针对结构工艺性的特点，以论文研究成果为基础，以P r o E 为开发平台，结合P r o t o o l k i t 和D e l p h i，初步设计并开发了计算机辅助的结构工艺性分析评价支持系统。关键词：结构工艺性特征特征描述工艺路线决策工艺性评价第i 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文A B S T R A C 丁I nt h ed e s i g n p e r i o do fp r o d u c t，t e c h n o l o g i e so fm a n u f a c t u r a b i l i t ya n a l y s i sa n de v a l u a t i o na l ea p p l i e dt of u l l yc o n s i d e ri nm a n u f a c t u r i n gc o n s t r a i n t s，t oa n a l y z ea n de v a l u a t et h em a n u f a c t u r a b i l i t yo fs t r u c t u r ed e s i g n,a n dt op r o v i d et h ei m p r o v e df e e d b a c ki n f o r m a t i o n A sar e s u l t,m a n u f a c t u r a b i l i t ya n a l y s i sa n de v a l u a t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rm o d e mp r o d u c td e s i g n,w h i c hi su s e dt oe n s u r ep r o d u c td e s i g nt h eo n e-t i m es u c c e s sr a t e，i m p r o v et h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y，a n dr e d u c em a n u f a c t u r i n gc o s t S e v e r a la s p e c t sa l ed e e p l yr e s e a r c h e ds u c ha st h ee x p r e s s i o no fs t r u c t u r ef e a t u r ei n f o r m a t i o n,t h ed e c i s i o n-m a k i n go fp r o c e s sc o u r s e，a n dt h ek e yt e c h n i q u es y s t e mo fm a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o n 1 1 1 em a i na c h i e v e m e n t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s：(1)A i m i n ga tt h ef e a t u r e so fm a n u f a c a w a b i l i t y，t h eo v e r a l lt e c h n i c a lp r o j e c ta n ds t r a t e g yo fm a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o ni se s t a b l i s h e dw i t ht h ee v a l u a t i o nt a r g e ta n dp r i n c i p l eb e i n gc o n s i d e r e d(2)B a s e do nt h ef e a t u r et e c h n o l o g y，t h ed e s c r i p t i o nm e t h o do fp r o d u c tf e a t u r ei sp r o p o s e d，a n dt h ep a r tm o d e lf a c e dm a n u f a c t u r ei nt h r e el e v e l s(p a r t f e a t u r ea n dg e o m e t r y t o p o l o g y)i ss e tu p(3)O nb a s i so ft h ef e a t u r e p r o c e s sm a p p i n g，t h ep r o d u c tp r o c e s sc o u r s ei sa c h i e v e db yu s i n gt h em e t h o do fC B R(4)A st h em e t h o df o rs e t t i n gu pm a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o ni n d e x e si sd e s c r i b e d，t h et e c h n o l o g i e so fm a n u f a c t u r a b i l i t ya r ee s t a b l i s h e d，w h i c ha l er e s p e c t i v e l yb a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s，r u l e，a n df u=yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na b o u tq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e(5)A i m i n ga tt h ef e a t u r e so fm a n u f a c t u r a b i l i t y，t h ec o m p u t e ra i d e dM a n u f a c t u r a b i l i t yA n a l y s i sa n dE v a l u a t i o nS u p p o r tS y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do nt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t s，w h i c hs e l e c t sP r o k Ea st h ed e s g np l a t f o r m，a n dc o m b i n e st h et o o l so fP r o t o o l k i ta n dD e l p h i K e yW o r d s：M a n u f a c t u r a b i l i t yF e a t u r eF e a t u r ed e s c r i p t i o nP r o c e s sp l a n n i n gM a n u f a c t u r a b i l i t ye v a l u a t i o n第i i i 页国防科学技术大学研究生院T 程硕士学位论文图目录图1 1 论文组织结构6图2 1 工艺性分析评价总体技术方案13图2 2 评价层次图1 5图3 1 特征关系结构图18图3 2 基于特征的零件信息描述模型2 0图3 3 零件特征分类树2 2图3 4 零件的特征信息二叉树2 4图3 5 制造资源模型2 4图3 6 轴类零件的特征分类2 5图3 7 轴类零件特征提取2 5图3 8 轴类零件几何特征二叉树结构图2 6图4 1C B R 流程2 8图4 2 工艺路线实例层次结构图2 9图5 1 产品结构工艺性保证的算法流程图3 6图5 2 结构工艺性总指标3 7图5 3 零件结构工艺性评价指标体系3 8图5 4 从P R O E 中直接调入几何模型一4 0图5 5 边界条件指定。4 0图5 6 材料的指定4 l图5 7 有限元网格划分4 l图5 8 通过分析得到的应力和变形4 2图5 9 镜筒结构剖面。4 2图5 1 0 修改后的镜筒结构剖面4 3图5 1 1 修改后的镜筒有限元分析结果4 3图5 1 2 修改前和修改后的应力对比4 4图5 1 3 产生式“与或树”4 5图5 1 4 规则推理流程4 7图5 15 设备选择评判指标4 9图6 1 产品结构工艺性评价原型系统体系结构5 4图6 2 结构工艺性评价支持系统功能结构5 6图6 3 特征获取界面5 6图6 4 工艺生成界面5 7第V 页国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文图6 5 评价清单界面5 8图6 6 交互式工艺性检查界面5 9图6 7 基于P r o E 的零件工艺性信息管理6 0图6 8 尺寸与形位公差数据结构导出流程6 l图6 9 零件制造信息模型6 2图6 1 0 零件实体数据字典6 3图6 1 1 添加模型制造属性流程6 4图6 1 2 轴颈检查程序流程6 5第页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文表目录表3 1 零件整体特征信息2 6表4 1 特征的工艺路线实例3 3表5 1 机床性能参数。51表5 2 机床模糊评判数据。5 1表6 1 特征识别方法6 0附表1 外圆表面加工方案的适用范围7 7附表2 孔加工方案的适用范围7 7附表3 平面加工方案的适用范围7 7第1 V 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文题目：主曼缱塑王苎丝佥堑生翌俭技盎研究学位论文作者签名：塑嚆二日期：v 蹲暑年，1 月-7 日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文(保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：主墨箜塑三茎丝佥堑量堡坌茧查堑窒学位论文作者签名：堑虫作者指导教师日期：例年1 月y 7 日日期：加擗，J 月矽日国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文第一章绪论1 1 课题来源与选题依据1 1 1 课题来源本课题来源于项目航天某研究所X X X X 结构设计工艺性评价研究。1。1 2 选题依据产品结构设计时，零部件的结构除应满足功能要求之外，还应具有良好的工艺性能，即所设计的零部件应具有较好的结构工艺性。零部件结构工艺性是指所设计的结构在能满足功能要求的前提下，提高制造的可行性和经济性l l】。结构工艺性好的零部件，不仅能方便地生产出来，而且零部件的缺陷少、成本低，使产品具有较强的竞争力。因此，设计时必须考虑零部件的结构工艺性。零部件的结构工艺性评价是一个涉及诸多因素的综合性问题，它与所选的零部件材料的性能、毛坯成形的方法以及加工工艺方法和过程等密切相关。目前，关于零部件结构工艺性评价，多为针对某一零部件结构工艺性的分析，或按某一具体加工工艺来讨论零部件的结构工艺性。影响工艺性的因素很多，且其中的大多数因素是在设计阶段确定的。有关资料表明：设计阶段实际投入的费用只占总成本的5，但它决定了产品总成本的7 0。所以在设计被完全确定以前必须进行分析和评价，使在设计以后的各个环节中可能出现的制造问题能够提前在设计部门得到修改，避免返工【2】。而工艺性设计在早期概念设计阶段就对产品设计方案进行评价及优化，分析和考虑加工工艺、加工条件等与制造有关的相关因素，全面评价产品设计和工艺设计，并提供改进的反馈信息，及时改进设计。从而大幅度降低产品成本、提高产品质量并缩短开发时间。从机械产品的研究范畴出发，工艺性评价是一种提高产品设计质量的有效手段，它通过对产品制造过程中的相关因素(加工可行性、经济性等)进行检验和制造评估，及时发现设计问题、改善设计质量，减少设计环节与制造环节的循环迭代，为进一步进行设计修改提供依据。工艺性评价是寻求最简单、最经济、又能满足用户需求的设计方案的过程【3,4】。1 2 国内外研究现状及发展趋势1 2 1 国内外研究现状第l 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文结构工艺性评价可以归于面向制造的设计(D e s i g nF o rM a n u f a c t u r a b i l i t y，D F M)、面向装配的设计(D e s i g nF o rA s s e m b l y，D F A)的范畴。面向制造的设计(D F M)是一种面向并行工程的设计方法，其主要思想是在产品的早期设计阶段及早考虑制造因素的约束，对产品的结构工艺性进行判定与评价，并及时提供给设计人员，作为设计、修改方案的基本依据。D F M 在满足功能要求的前提下，使产品能够快速、经济地制造，提高产品设计、制造的一次成功率。目前，D F M 方法所涉及的领域非常广泛，已经成功地应用于机械、钣金和注塑成型零件等，大幅度地降低了产品制造成本，缩短了试制周期。国外铸造机构在D F M研究方面取得了一定进展，近来又有人提出将基于数字模拟的D F M 与并行工程技术相结合。1 9 8 0 年，G e o f f r e yB o o t h r o y d 5】提出了面向装配的设计(D F A)的概念，并被广泛接受。所谓面向装配的设计是指旨在提高装配的方便性以减少装配时间、成本等，从而降低产品总成本的设计方法。G e o f f r e yB o o t h r o y d 面向装配的设计的初始工作是在M a s s a c h u s s e t t s 大学进行的。H u l l 大学的K G S w i R 以及S a l f o r d 大学的A H R e d f o r d 与G B o o t h r o y d 一起从事了早期的研究工作。其后，该项研究在罗得岛大学继续进行。作为相关研究的先驱者，G e o f f r e yB o o t h r o y d、P e t e rD e w h u r s t 在产品可装配性设计中公布了他们的方法。在面向制造和装配的产品设计中，G e o f f r e yB o o t h r o y d、P e t e rD e w h u r s t 和W i n s t o nK n i g h t 进一步发展了他们的理论，在大量的实验数据的基础之上，根据零件特征对零件进行装配编码，每一个编码对应一定的操作时间，编写出工作分析表，统计出总的装配时洲5 1。据此对结构设计进行评估和改进。1 9 8 4 年由日本的日立公司开发，经特许被美国通用电气公司所采用的M a n u f a c t u r a b i l i t yR a t i n gS y s t e m(M R S)是在装配和连接动作的基础上对产品设计进行分析，用计算机对电路板的安装性能进行评价。它是通过计算存在于部件的几何形状中或存在于装配动作中的非理想的设计损失点来实现的。将实现的设计装配过程的非理想动作数目与理想的动作数目相比较，用其比值作为装配效率。它没有特别的准则来提高效率值，但评测体系可用于对相互竞争的设计进行评估。我国在这方面的研究开始得相对较晚，现在还处于起步阶段，不过已经引起了国家政府的足够重视。国内9 0 年代中期开始在机械领域研究和应用D F A、D F M等D F X 技术，许多高校和科研院所在各种基金资助下，或单独或与其它科研单位合作进行了一系列的相关研究，其中一些具有典型意义。王家弟【6 l 等针对压铸件设计特点，提出一种基于特征造型和特征识别相结合的压铸件面向制造的设计系统框架，借助于U G I I U F U N C 开发工具进行二次开发，具体构建了压铸件结构工艺性咨询评价系统，建立了产品可制造性评价知识库，并用框架与规则混合方式表第2 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文达结构工艺性评价知识，及时提供设计修改反馈信息，指导设计人员在压铸工艺和制造资源的约束下进行压铸件合理设计。张永春【7】等提出产品结构工艺性评价的含义、作用，并对基于工程计算评价法基础上的定量评价和基于工程目测评价基础上的定性评价进行综述。1 9 9 5 年我国8 6 3 计划C I M S 主题开始实施并行工程【8】，D F M 作为它的支持技术也被列入了资助项目，此外D F M 研究还列入了中国博士后科学基金资助项目及其它行业专项基金资助项目。目前，我国所开展的研究工作主要集中在一些高校，如中国纺织大学的胡庆夕 9,1 0】开发的并行工程C A P P 系统和用于D F M 的工艺咨询系统，华中理工大学的高峰【lo】等开发的基于制造约束的零件D F M 系统，清华大学宋玉银【I l】等提出的集成化面向制造设计系统框架，华东船舶工业学院的严忠胜【1 2】开发的面向制造的特征造型系统等等。由于起步晚，对D F M、D F A 的研究还不够深入，在选择研究对象时大多局限于简单的轴套回转类零件及规则的箱体类零件，研究的领域大多以机械加工为主。D F M、D F A 应用研究中，人们逐渐认识到D F M 方法学的重要性，并陆续提出了许多反映D F M 思想的设计方法学，每一种方法有着各自不同的特点。并随着时代的发展而得到不断完善。以下是一些主要的设计方法。l、定性经验法(1)设计公J 里(A x i o m a t i cA p p r o a c h)t 1 0,1 3 JN R S u l l 提出公理方法(A x i o m a t i cA p p r o a c h)，基于设计原则或公理来达到优化制造系统的目的。在产品设计、制造每一个阶段中，每个决策由公理和推论引导，最终获得优化解。公理方法应用于并行设计中定义了三个方面的关系：功能要求F R(F u n c t i o n a lR e q u i r e m e n t)；设计参数D P(D e s i g nP a r a m e t e r)；制造工艺M P(M a n u f a c t u r i n gP r o c e s s)。在不违反公理的基础上，通过解决F R 和D P，以及D P 和M P 的关系，来实现D F M 的概念。(2)D F M 准贝J J(D F MG u i d e l i n e)t 1 0,1 4 J由于设计公理较为抽象，很难用在详细设计阶段。在此基础上，A n d r e a s e n e t a l提出了D F M 规则(D F Mg u i d e l i n e)，D F M 规则都是从多年的设计和制造经验中获取，如最少零件数、模块化设计、多功能零件等规则。D F M 规贝J J(G u i d e l i n e)也被认为是一些优化的建议“O p t i m a lS u g g e s t i o n s”。典型的规则被表示为命令，如果正确地使用这些规则将会产生高质量、低成本、易于制造的设计。(3)工艺驱动设计方法(P r o c e s s D r i v e nD e s i g n，P D D)”】为了确保零件和产品的正确设计就必须使用一个具体的制造工艺，P D D 方法就是以生产工艺装备和工艺方法来驱动进行产品设计的。这种方法主要用于特殊加工方法的产品或零件的设计，如D e s i g nf o rf o r g i n g，D e s i g nf o re x t r u s i o n。第3 页国防科学技术大学研究生院丁程硕士学位论文(4)可制造性指标方法(P r o d u c t a b i l i t yI n d e x)!1 0】J o h n t 等提出可制造性指标P I 方法(P r o d u c t a b i l i t yI n d e x)，该方法是对给定设计提供可制造性指标P I 来判断潜在的可制造性问题，P I=W P I F(i)O P D(i)，其中：W P I F(i)表示第i 个可制造性评价指标加权影响因子，它提供材料、精度等方面对可制造性影响的权重因子；O P D(i)贝J J 表示相对于第i 个指标所观察的加工难度值，它可以通过规则决策出来。对于一个给定的零件设计方案，如果计算所得到的P I值越大，则表明可制造性越差。2、定量评估方法1 5 3 J(1)B o o t h r o y d 提出一种定量评估方法，主要考虑了材料费用、加工费用、非生产费用(N o n p r o d u c t i v ec o s t s)、刀具费用、机床参数等因素，把这些因素用经验公式量化处理，可近似估算出总费用。(2)S h o j i 等提出的定量评估M E M 方法(M a c h i n i n g P r o d u c t a b i l i t yE v a l u a t i o nM e t h o d)可定量计算加工费用指标，它用可制造性评估分数来量化表示加工的难度并计算加工费用，评估的分数以百分制来显式。因此，根据计算结果，很容易发现问题，并找出需要改进之处。(3)T a g u c h i 和Y u i n 得出T a g u c h i 方法(田口方法)，这种方法通过实施一系列的参数试验，用试验理论和统计理论来确定参数值的强壮组合，实现健壮设计或鲁棒性设计(R o b u s td e s i g n)。(4)价值工程方法(V a l u eE n g i n e e r i n g)，它利用多学科队伍来分析产品提供的功能和每个功能的价值。在分析结果的基础上寻求一种创造性方法来消除不必要(多余)的特征和功能。在优化可制造性、质量、交货期(D e l i v e r y)的同时，以最低的造价获得要求的功能。(5)失效方式和影响分析F M E A(F a i l u r em a d ea n de f f e c t sa n a l y s i s)是一个重要的设计和制造工具，它用于防止失效的发生。对于每种失效将其对整个系统的影响进行评估，分析它的危险程度和发生的频率，然后确定防止失效的相应措施。(6)Y a n n o u sL a k i s 等提出的定量方法是采用特征设计零件，然后设计特征从C A D 中获取并转化为制造特征，对每个特征进行可制造性评价(时间、费用)，每个特征的评价指标是相对于某个参考特征(R e f e r e n c eF e a t u r e)的。C h a g X u eF e n g 等提出了一种方法，用于在特征设计中进行数值计算制造成本。零件的力n-r _ 成本不仅取决于特征的形状，而且决定于特征间的关系。3、人工智能方法【1 6 1 7 JC h u 等提出基于人工神经网络可制造性评价方法，该方法把产品模型中的产品信息作为A N N 网络的输入，可制造性计算M C(M a n u f a c t u r a b i l i t yC a l c u l a t i n g)值作为输出，用变量统计样本对B P 网络进行训练。X u e 等提出智能定量D F M 方法，第4 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文这是一种基于设计和制造知识，通过估算生产费用来进行定性推J 里(Q u a l i t a t i v er e a s o n i n g)、定量评价和优化可制造性的方法，而推理过程中生产费用的估算采用了加工车间的经验数据。以上对现有的一些工艺性评价策略进行了研究，可以发现这些评价策略存在以下局限和不足之处：(1)现有的工艺性评价策略往往只是给出零件的工艺性方面可能存在的问题，而不能给出再设计的建议，设计的改进完全依赖用户来决定。(2)多数D F M 系统是针对某一种工艺或某种产品而开发的，有些D F M 系统实质上是规则知识的存储检索系统，目前还没有开发出能够适应工程实际要求的通用D F M 系统。1 _ 2 2 发展趋势综上所述，随着并行工程的不断发展，通过考察国内外研究现状，总结出产品结构工艺性分析与评价的发展趋势【7,1 0,1 3,1 5】：(1)基于案例匹配的智能分析评价系统，在评价系统实际工作中不断总结知识，对知识库中的结构工艺性知识不断调整和完善，解决结构工艺性评价系统知识获取的瓶颈。(2)多推理机制集成的结构工艺性专家系统，基于实例、规则和知识模型的结构工艺性评价系统。系统会自动选择合适的工艺性知识表示和评价推理方法，提高推理机制的效率和评价的可靠性。1 3 课题研究的意义本文对结构工艺性评价理论进行初步探索，以特征分析理论为基础，运用各种定性、定量算法，为产品结构工艺性设计的评价提供一条可能路径，为结构工艺性的研究提供一定的支持。统计表明，改善产品结构工艺性可使产品成本下降5 1 0【l 引，对于个别零部件可能会有更大的效益。本课题在研究产品结构工艺性设计实践基础上，通过构建典型结构设计案例库和评价案例库，利用特征分析技术、有限元分析方法等进行结构工艺性的可实现性判定，通过综合评价法进行评价。开发产品结构工艺性分析评价系统，在设计的早期阶段进行工艺性分析评价，并将修改建议反馈给设计者进行修改，以缩短产品的设计定型周期，提高产品设计一次成功率，从而提高产品的批量生产能力，降低制造、维护和使用成本。第5 页国防科学技术大学研究生院丁程硕士学位论文1 4 论文的研究内容及主要工作依据课题研究的内容，本文共分七个主要章节，论文组织结构如图1 1 所示。内容简述如下：第一章：阐述了本文的研究意义和课题来源，对与本文相关的一些现代设计理论和方法的发展状况进行研究，在此基础上提出了本文的研究内容。第二章：研究结构工艺性分析评价的目标、特点以及评价的原则，提出结构工艺性评价实现过程的技术方案。第一章绪论第二章产品工艺性分析评价总体研究(2 1 工艺性分析评价概述)(2 2 工艺性评价技术方案：(2 3 工艺性评价方法策略：第三章基于特征的零件信息描述弟血草严品工艺住评价万i 去关键投木(3 1 特征概述)(5 1 评价方法概述)上(3 2 特征描述)r上(5 2 工艺性评价模型)(3 3 实例应用)QQ台第四章基于实例的工艺路线决策基基基于于于(4 1c B R 方法的推理过程)有规资上里则源(4 2 实例的组织与设计)兀的约上分评束(4 3 实例检索策略)析价的的评上评价(4 4 应用实例)、士士第六章原型软件系统设计(6 1 需求分析)(6 2 系统概要设计)(6 3 关键技术)第七章总结和展望图1 1 论文组织结构第6 页国防科学技术大学研究生院工程硕+学位论文第三章：研究基于特征的面向产品结构工艺性的零件建模技术，包括工艺性特征的表达、模型的表达结构等。第四章：运用基于实例推理的产品工艺路线决策，结合实例对推理过程进行研究。第五章：建立产品结构工艺性分析评价方法的策略，构建评价模型，运用实例研究工艺性评价的相关方法及其关键技术。第六章：简介了计算机辅助分析原型软件开发工具，建立了基于P r o E 零件结构工艺分析原型软件系统体系结构，及功能实现等。第七章：对本文的工作进行总结，分析尚未得到解决的技术问题；并提出进一步的研究工作。第7 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文第二章结构工艺性分析与评价总体研究对产品进行结构工艺性分析与评价，就是分析所设计的产品能不能加工和好不好加工，并将信息反馈给设计者以指导设计工作顺利进行。能不能加工是指零件结构在可获得的制造资源条件下能否加工出来；好不好加工是从经济的角度评价制造成本的高低I l】。结构工艺性好的零件，不仅能方便地生产出来，而且零件的缺陷少，成本低，在市场上具有较强的竞争力。因此，在机械产品设计时，必须考虑对零件的结构工艺性的分析与评价。2 1 产品结构工艺性分析评价概述2 1 1 产品结构工艺性的评价目标产品设计工艺性的目标，既包括在较低成本和较短周期的条件下获得一个系统产品，也包括不会对其它设计要求如性能、可靠性、维修性产生不良影响；换句话说，就是力求既降低研制生产费用(或用户采购费用)与加快生产(或供货)进度，又满足产品性能、可靠性、维修性要求且不增加使用维护费用。具体内容如下【1 9，2 0】：1、最大限度实现：(1)简化设计；(2)使用经济的材料；(3)使用经济的制造技术；(4)材料和零件的标准化：(5)材料、零件和工艺及其关键的项目清单经过评审和批准：(6)工艺方法的稳定性；(7)产品的可检验性：(8)材料、零件和工艺的选择合理适度，可以被生产部门接受。2、尽量减少：(1)订货到交货的时间；(2)边角料、切屑和废品的生产；(3)其应用尚未达到成熟度的材料的使用；(4)稀贵材料的使用；(5)能源消耗；(6)特殊的生产试验：(7)特殊的试验系统；(8)其应用尚未达到成熟度的工艺方法的使用：(9)对环境的污染；0 0)对高技艺水平人员的需求；Q D 对个别人员所掌握绝技的依赖；凹单件成本；0 3)生产中设计的变更；使用来源受限制的材料、零件和工艺方法；Q 9 未得到生产权就使用的专利项目；无法代替的单一材料、零件和工艺方法的使用。当然，设计工艺性的目标不仅仅局限于上述范围，还可以根据具体产品对象和条件予以增补。2 1 2 产品结构工艺性的特点1、全局性与系统性考虑产品结构工艺性的问题的时候，需要用系统的整体的眼光来看待。单个第9 页国防科学技术大学研究生院工程硕十学位论文零件或者部件的工艺性良好并不等于整个系统的工艺性良好。要保证整个系统的工艺性，需要设计者对产品总体的需求有全面深入的理解。关键组合或关键构件是决定的整个系统性能的主要因素，也往往是总成本和周期的决定要素。因此，工艺性设计必须围绕这些设计核心来开展。必要时，牺牲其它组件的工艺性以提高整机的综合工艺性也是非常有必要的。2、动态性与相对性产品工艺性具有动态的特点。产品的研制通常包括原理样机、初样、试样和定型阶段。在不同的阶段，生产的要求是不同的。初期生产的要求是完成产品的原理验证，一般是单件或者几件的小量生产，快速性和关键部件的突破是生产的核心要求，因此，评价该阶段的工艺性优劣，生产的周期和对关键技术的突破，是最重要的标准；后期进入较大规模的批量生产后，成本与产品质量的稳定性则成为压倒一切的重要指标。其次，不同生产厂家的工艺资源也有较大差异，良好的工艺性设计需要对产品全研制周期进行统筹动态的规划，才能获得理想的结果。工艺性在某种意义上还有相对性。在某一生产条件下，产品或零件的工艺性是良好的，而在另一具体生产条件下，其工艺性未必是良好的。随着科学技术的发展和进步，昨日工艺性差的结构，如今可能变得并不差。此点在考核和评价工艺性时应予注意。3、适应性与先进性随着科技的不断进步，产品设计生产的过程中大量先进设计工艺技术的采用，也带来了设计工艺性评价上的一些重要变化。如基于有限元分析和拓扑优化的结构设计技术、基于机电动态特性的航天伺服机构装配技术、基于计算机辅助装配的光学装配技术等。同时，针对恶劣环境的工作环境，各种提高产品质量和稳定性的技术也得到了广泛的应用。针对这些新技术设计的新型结构，也需要一个同样先进的工艺性评价标准。4、可发展性和可继承性产品在结构设计中，模块化、系列化是设计的常用模式。各单位通过多年的积累，都已经形成了自己特有的经验材料和典型结构等知识。可继承、可发展、可重构，可进行型号的衍生。同样地，评价产品的设计工艺性时，也必须考虑产品的设计模式和研发模式，只有能很好地结合可发展性和可继承性的设计才是真正工艺性良好的设计。2 1 3 工艺性分析评价的基本原则零件结构工艺性分析是涉及诸多因素的综合性问题，它与所选的制造机械零件材料的性能、毛坯成形的方法以及加工工艺方法和过程等密切相关。因此，机第1 0 页国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文械零件结构性设计，是在满足零件的使用要求的前提下，与所进行的零件材料的选择，毛坯成形方法的设计，加工工艺路线的安排以及工艺设计等过程相互影响，相互制约。一般地说，在进行产品和相关零件的设计时，应该遵循以下结构工艺性设计原则【1,6,8,1 2,1 8,2 0 2 1 1。1、产品结构应该与所选定的材料相适应不同的材料具有不同的性能，包括力学性能、物理化学性能和工艺性能，因此，在进行产品和零部件结构设计时，必须考虑所选材料的工艺性能。例如，当某零件采用铸铝制作，铸铝的铸造性能好，那么该零件一般采用铸造生产，其零件结构的基本形式应符合铸造工艺的要求，零件应是薄壁结构的形式。如果不是零件本身的性能有特殊要求，轴大多被设计成实心结构的形式，若将轴设计成空心的结构将增加加工费用和成本，其结构工艺性较差，所以，机械零件的结构工艺性应与所选材料一致。2、产品结构应与毛坯成形方法相适应不同的毛坯成形工艺适用于生产不同结构形状的毛坯。在某种程度上毛坯成形工艺对零件的结构起着至关重要的作用。铸造成形时，由于铸造成型工艺的灵活多变性，因而可以生产出一些结构比较复杂的零件。特别是铸造时芯子制造的多变性，为零件复杂内腔的成形提供了可能。所以用铸造方法成形的零件，如箱体结构，其结构可以根据工作或使用条件等的要求设计得复杂些。可以采用中空结构来提高零部件的刚性，减少材料用量等。而焊接结构的内腔形状不能过于复杂。过于复杂的内腔，其焊接生产的难度增加，生产成本增加，使产品结构工艺性变差。3、产品结构应与生产工艺过程相适应，与零件加工工艺路线相适应产品的结构应该与生产的工艺过程相适应，与零件加工工艺路线相适应。如用铸铝生产一个箱体框架时，该框架的加工工艺路线大致为：砂型铸造成型时效处理切削加工表面处理产品。则这个框架的结构首先必须满足砂型铸造工艺的要求，其壁不能太厚且壁厚应均匀；转角处要有铸造圆角；不加工的侧面应有拔模斜度；为增加框架强度、刚度，可以设计出加强筋等。框架的切削加工主要是平面和孔系的加工，因此，在设计框架时，