D0I:10.13374/i.issn1001053x.2002.06.021 第24卷第6期 北京科技大学学报 Vol.24 No.6 2002年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2002 并行工程环境下面向装配的设计系统 曾庆良)万丽荣”熊光楞)范文慧) 1)清华大学国家CIMS工程技术研究中心，北京1000842)山东科技大学，泰安271019 摘要提出了一种在并行工程下面向装配的产品设计方法，通过对面向装配设计中的关键 技术问题，如产品的装配模型、装配顺序规划、机构运动分析与综合、装配过程仿真及产品可装 配性评价等方法的探讨，实现了面向装配的设计目标 关键词并行工程；产品设计；装配性能：装配规划 分类号TP311 并行工程是集成地、并行地设计产品及其 期，降低产品设计成本打下基础 过程的系统化方法，它要求产品开发人员从设 计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。 1 基于并行工程的产品开发过程 其主要目标是缩短产品开发周期，提高产品质 并行工程是把产品开发过程的各个环节尽 量，降低产品成本，从而增强企业的竞争能力川. 可能并行地进行，图1所示为并行工程的产品 面向装配的设计DFA(Design for Assembly)是并 开发方法.设计过程与后续过程并行进行，在设 行工程使能工具DFX(Design for X)的一个分 计过程中就考虑后续过程的影响，后续过程对 支，其中X代表产品全生命周期中的某一阶段 如装配、制造等，也可代表产品竞争力的属性如 前面环节及时提供反馈信息，消除后续过程对 质量、成本等.DFX的研究一直是国内外学术界 前面环节反馈信息的滞后，把一切可能在后续 过程中产生的问题在设计过程中尽可能及早发 研究的热点，早期研究内容偏重于面向制造的 设计(DFM),和面向装配的设计(DFA)y51,近年 现和解决，避免开发过程中的多次重复和返工， 从而大大缩短产品上市时间和降低产品成本 来已扩大到面向成本的设计(DFC)等.面向装 配的设计(DFA)的出发点是在产品设计阶段考 过程设计子 管理 虑并解决装配过程中可能存在的问题以确保零 部件快速、高效、低成本地进行装配.DFA技术 需求分析 在概念设计阶段对产品的可装配性和经济指标 需求 设计 进行分析，可以及早发现设计的问题，及早改正 制造 设计，避免到后期阶段发现设计错误引起的大 修改，可以大幅度的降低产品成本，提高产品的 质量和可靠性，缩短产品的上市时间 工作组方法学工具 环境 DFA实施的主要目标是根据产品结构图和 图1并行工程工作过程 装配顺序实施对装配结构的分析、评价，对于设 Fig.1 Working process of concurrent engineering 计提出改进，减少不必要的零件，优化零件结 构，使其便于加工、便于装配，减少加工和装配 本质上而言，并行工程环境下的产品开发 时间，为提高产品设计质量，缩短产品开发周 过程可以看作由信息处理和物质处理两个子过 程组成.前者强调产品的定义与表达，后者强 收稿日期2001-11-20曾庆良男，36岁，教授，博士后 调产品的物化过程.明显不同于传统观念的是， *国家自然科学基金资助项目No.60274063)及863/CIMS行 并行工程环境下的产品验证环节可以由加工过 业项目No.2001AA411110)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 从， 并行工程环境下面 向装配的设计 系统 曾庆 良 ” 万 丽 荣 “ ， 熊光楞 ” 范文慧 ‘， 清华大学 国家 工程技术研究中心 ， 北京 山东科技大学 ， 泰安 摘 要 提 出 了一 种在并行工程下 面 向装配 的产 品设计方法 ， 通过对 面 向装配设计 中的关键 技术问题 ， 如产品 的装配模型 、 装配顺序规划 、 机构运动分析与综合 、 装配过程仿真及产品可装 配性评价 等方法 的探讨 ， 实现 了面 向装配 的设计 目标 关键词 并行 工程 产品设计 装配性能 装配规划 分 类号 并行工程是集成地 、 并行地设计产 品及其 过程 的系统化方法 ， 它要求产 品开发人员 从设 计一 开 始 即考虑产 品 生命周 期 中的各种 因素 其主要 目标是缩短 产 品开 发周 期 ， 提高产 品质 量 ， 降低产 品成本 ， 从而增 强 企业 的竞争能力〔， 面 向装配 的设计 是并 行工 程使能工具 〔 的一个分 支 ， 其 中 代表产 品全生命周 期 中的某一 阶段 如装配 、 制造等 ， 也可代表产 品竞争力 的属 性如 质量 、 成本等 的研究一直是 国 内外学术界 研究 的热点 ， 早 期研究 内容偏重 于 面 向制造 的 设计 ， ‘ 了和 面 向装配 的设计 犷铭〕 ， 近 年 来 已 扩大到 面 向成本 的设计 等 面 向装 配 的设计 的 出发点是在产 品设计 阶段考 虑并解决装配过程 中可 能存在 的 问题 以确保零 部件快速 、 高效 、 低成本地进行装配【 技术 在概念设计阶段对产 品 的可装配性和经济指标 进行分析 ， 可 以及早发现设计 的问题 ， 及早改 正 设计 ， 避免到后期 阶段发现设计错误 引起 的大 修改 ， 可 以大幅度 的降低产 品成本 ， 提高产 品 的 质 量 和 可 靠性 ， 缩短 产 品 的上 市 时 间 实施 的 主要 目标是根据产 品结构 图 和 装配顺序实施对装配结构 的分析 、 评价 ， 对于设 计提 出改进 ， 减少不 必要 的零件 ， 优化零件结 构 ， 使其便于 加工 、 便于装配 ， 减少加 工 和 装配 时 间 ， 为提 高产 品设计质量 ， 缩短产 品开 发周 期 ， 降低产 品设计成本打下 基础 基于并行工程的产品开发过程 并行工程是把产 品开发过程 的各个环 节尽 可 能并行地 进行 ， 图 所示 为并行工 程 的产 品 开发方法 设计过程与后续过程并行进行 ， 在设 计过程 中就考虑后续过程 的影 响 ， 后续过程对 前 面 环 节及 时提供反 馈信息 ， 消除后 续过程对 前 面环节反馈信息 的滞后 ， 把一 切 可 能在 后 续 过程 中产生 的 问题在设计过程 中尽可 能及早发 现和解决 ， 避免开发过程 中的多次重复和返工 ， 从而 大大缩短产 品上 市时间和 降低产 品成本 黔乞 图 并行 工 程 工作 过 程 、 收稿 日期 一 一 曾庆 良 男 ， 岁 ， 教 授 ， 博士后 国家 自然科学基金资助 项 目困 及 行 业项 目 本质上 而 言 ， 并行工 程环境下 的产 品开 发 过程可 以看作 由信息处理和 物质处理两个子过 程组成 「 前者强 调 产 品 的定义 与表达 ， 后 者强 调产 品 的物化过程 明显不 同于传统观念的是 ， 并行工程环境下 的产品验证环节可 以 由加工过 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．06．021
Vol.24 曾庆良等：并行工程环境下面向装配的设计系统 ·665 程仿真、装配过程仿真和运行过程仿真等部分 品定义三个部分的活动是相对并行、协同展开 构成.这样，产品定义、生产规划与过程仿真三 的，它们一起构成了一个使该产品模型逐渐完 个部分一起形成了一个反复迭代、逐步求精的 善和具体化的过程 信息处理过程，其对象是以数字化形式存在的 图3为在某企业中实施并行工程时，改进 虚拟产品及各种相关信息.随后的生产准备和 的产品开发过程.在产品设计中引人反馈流机 产品制造，均与客观存在的制造资源、原材料及 制，把设计中的大循环改为小循环，将产品设计 其变化形式相关联，因而是一个物质处理过程. 每个阶段的设计结果及时反馈给上游进行设计 图2示意性地给出了两种过程对产品形成的作 评价和修改，可以提高设计的质量和效率.在产 用及其相互关系 品开发过程中应用过程管理软件对产品开发过 程进行信息化管理，实现过程执行的自动化，加 有关规范 质量标准 控制信息 快信息在设计部门之间的流动，缩短评审、反馈 市场需求 信息处 的时间，也可以大大缩短产品开发周期. 理过程 数字化产品 物质处 真实产品 在产品方案设计阶段，除对产品的功能、结 理过程 原材料 构强度、刚度及动力学品质等性能问题进行分 设计者CE支持环境 制造资源 析外，还通过DFA方法对产品的装配性能进行 图2物质与信息处理过程的功能及相互关系 分析与评价.在产品的详细设计阶段，对零件的 Fig.2 Functions of material and information processing 强度、可加工性、铸造性能、冲压性能、加工成本 process 等进行分析与评价，从而保证产品的可加工性 信息处理过程中，产品定义所完成的内容 和经济性.通过设计过程中的信息反馈和DFX 相当于一般意义上所说的产品设计，不过它所 评价，可以减少设计错误，提高设计质量，使得 生成的并非设计图纸，而是有待完善的数字化 在产品设计阶段即可考虑产品加工、装配和工 产品模型；另一方面，生产规划、动态仿真与产 艺等问题，提高一次设计成功的可能性 设计更改 方案设计改进 详细设计改进 DFA CAE 可加工性分析 强度分析」 DFM CAE 动力学分析 计 浅转分析· 工装 设计 初期成本估知 加工过程仿身 冲压工艺分析 详细成本估氧· 版本 6餐 评审 生成 编制 预发布 发放 路线 预发布 图3基于并行工程的产品开发过程 Fig.3 Product development process based on concurrent engineering 2面向装配的产品设计体系结构 到产品功能配置，形成产品的功能树.功能树中 产品的每一功能都有相应的零部件来实现.因 图4为并行工程下面向装配的产品设计体 此，可从产品的功能树通过映射建立起产品的 系结构图.产品的设计由面向用户功能模型的 结构树，通过进一步细化，建立起产品的装配模 要求开始，通过质量功能配置QFD(Quality Func- 型.产品的装配模型为面向装配的产品设计提 tion Development)将用户的需求经过逐步分解得 供信息来源.设计人员通过分析给出装配模型
匕 曾庆 良等 并行 工程环 境下 面 向装配 的设 计 系统 程仿真 、 装配过程仿真和运 行过程仿真等部分 构成 这样 ， 产品定义 、 生 产规划 与过程仿真三 个部分一起形成 了一个反 复迭代 、 逐步求精 的 信息处理过程 ， 其对象是 以 数字化形式存在 的 虚拟产 品及各种相关信息 随后 的生 产准备和 产品制造 ， 均与客观存在 的制造资源 、 原材料及 其变化形式相关联 ， 因而是一个物质处理过程 图 示 意性地给出 了两种过程对产 品形成 的作 用及 其相互关系 信息处 理过程 物质处 理过程 图 物质 与信息处理 过程 的功能及相互关 系 信息处理过程 中 ， 产 品定义所完成 的 内容 相 当于 一般意义上所说 的产品设计 ， 不 过它所 生成 的并非设计 图纸 ， 而是有待完善 的数字化 产品模型 另一方面 ， 生 产规划 、 动态仿真与产 品定义 三个部分的活 动是相对并行 、 协 同展开 的 ， 它们一 起构成 了一个使该产 品模型 逐渐完 善 和具体化 的过程 图 为在某企业 中实施 并行工程 时 ， 改 进 的产品开 发过程 在产 品设计 中引人反馈流 机 制 ， 把设计 中的大循环改为小循环 ， 将产品设计 每个阶段 的设计结果及 时反馈给上游进行设计 评价和修改 ， 可 以提高设计的质量 和效率 在产 品开发过程 中应用 过程管理软件对产 品开发过 程进行信息化管理 ， 实现过程执行 的 自动化 ， 加 快信息在设计部 门之间的流动 ， 缩短评审 、 反馈 的 时 间 ， 也可 以 大大缩短 产 品 开 发周期 在产 品方案设计阶段 ， 除对产 品 的功能 、 结 构强 度 、 刚度及动力学 品质等性能 问题进行分 析外 ， 还 通过 方法对产 品 的装配性 能进行 分析与评价 在产品的详细设计阶段 ， 对零件的 强度 、 可加 工性 、 铸造性能 、 冲压性能 、 加工成本 等进行分析与评价 ， 从而保证产 品 的可 加工性 和 经 济性 通 过设计过程 中的信息反馈 和 评价 ， 可 以减少设计错误 ， 提高设计质量 ， 使得 在产 品设计阶段 即可 考 虑产 品加工 、 装配 和 工 艺 等问题 ， 提高一 次设计成功 的可能性 设计更改 知筑抵与期 方案设计改进 爆 』‘ 二 工装 设计 曰 生版成本 编制 荔貂 工艺 寻 言吐之 ，凡 笔影 狈友布 图 基 于并行 工程 的产 品 开发 过 程 面 向装配的产品设计体 系结构 图 为并行工程下 面 向装配 的产 品设计体 系结构 图 产品 的设计 由面 向用 户功能模型 的 要求开始 ， 通过质量功能配置 将用 户 的需求经过逐步分解得 到产品功能配置 ， 形成产 品 的功能树 功能树 中 产品 的每一功能都有 相应 的零部件来实现 因 此 ， 可 从产 品 的功能树通 过映射建立起产 品 的 结构树 ， 通过进一步细化 ， 建立起产 品 的装配模 型 产品 的装配模型 为 面 向装配 的产 品设计提 供信息来 源 设计人员 通过分析给出装配模型
·666· 北京科技大学学报 2002年第6期 和零件的描述（包括零部件的尺寸、主要结构、 以下几个步骤组成： 位置参数、质量等)，以及零部件之间的连接方 (1)调用零件三维实体数字模型； 式（包括连接方式、定位方向）.在建立产品装配 (2)按装配顺序进行数字化装配； 模型的基础上，对产品的装配结构性能和装配 (3)检查零部件之间的干涉以及其他不协调 顺序进行分析与综合，对产品的可装配性进行 情况； 评价，评价内容包括装配效率、装配难度和装配 (4)将干涉及不协调问题通知有关设计人员 成本.最后输出产品的装配顺序文件和产品的 解决； 再设计改进建议， (⑤)调用新模型进行数字化装配，循环到无 干涉或无其他不协调问题为止； 功能模型 (⑥批准模型发放. 中 产品装配建模 4装配顺序规划 DFA从装配的角度出发，优化产品装配结 装配模型： 构和装配工艺，从而简化产品的设计，降低生产 产品结构、产品形状定义、装配关联图、产品属性 成本，缩短产品开发周期.装配工艺设计一般从 几何可行性、工艺可行性和工艺优化三方面进 行四 产品结 装配顺序规划 产品可装配性评价 (1)几何可行性.在装配关系中，零件与零 构的装 零件装配顺序规划 装配效率分析 件、零件与部件、部件与部件之间存在着内在的 配性能 部件装配顺序规划 装配难度分析 分析 联系和几何干涉.在这些约束下，在满足装配关 产品装配顺序规划 装配成本估算 系的同时，它们之间必须不能出现几何干涉，否 则将无法完成装配.因此，装配顺序问题，实际 上是对装配结构、零部件之间的几何约束进行 产品装配 装配顺序 装配顺序文件 分析、综合，获得装配顺序的几何优先的过程 结构改进 文件 产品设计改进建议 产生的装配顺序，必须保证装配过程在几何上 的可行性，其流程如图5所示.通过推理获得各 种满足几何要求的装配顺序，一般情况下，仅满 图4面向装配的产品设计体系结构 足几何优先关系的装配顺序可以有很多种，它 Fig.4 Architecture of DFA 装配模型 3三维实体数字化预装配 产品形状定义 装配关联图 基于三维实体的数字化预装配技术，是在 计算机上模拟装配过程，主要用于进行干涉检 基于零部件的几何有限推理 验及可装配性分析.数字化预装配以零件三维 实体造型、产品数据管理以及设计共享为基础， 装配 可协调产品结构设计、系统设计，检查零部件的 顺序集 装配与拆卸情况，有效地减少因设计错误而引 起的设计返工和更改 装配顺序人工编辑 在复杂结构的产品设计过程中，设计人员 需将所设计的零部件与其他相关零部件进行数 字化预装配，以检查零部件之间的干涉情况.除 基于几何优先 的装配顺序 此之外，还需在设计的各个阶段，更大的范围对 大量的零部件进行数字化预装配，以便从更高 图5几何优先推理过程 层次上发现和解决干涉问题，这一过程一般由 Fig.5 Ratiocination process of geometry priority
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 和零件 的描述 包括零部件 的尺 寸 、 主要结构 、 位置参数 、 质量等 ， 以及零部件之间 的连 接方 式 包括连接方式 、 定位方 向 在建立产品装配 模型 的基础 上 ， 对产 品 的装配结构 性能和 装配 顺序进行分析与综合 ， 对产 品的可装配性进行 评价 ， 评价 内容包括装配效率 、 装配难度和装配 成本 最后输 出产 品的装 配顺序文件和 产 品 的 再设计改进建议 功能模型 装配模型 产品结构 、 产品形状定义 、 装配关联图 、 产品属性 产品结 构的装 装配顺序规划 产品可装配性评价 配性能 零件装配顺序规划 装配效率分析 分析 部件装配顺序规划 装配难度分析 产品装配顺序规划 装配成本估算 产 品装配 装配顺序 产品装设配计顺改序进文建件议 结构改进 文件 以下 几个步骤组 成 调用 零件三维实体数字模型 按装配顺序进行数字 化装配 检查零部件之间 的干涉 以及其他不协调 情况 仔 将干涉及不协调 问题通知有关设计人员 解决 调 用新模型 进行数字化装配 ， 循环 到无 干 涉或无其他不 协调 问题为止 批准模型 发放 图 面 向装 配 的产 品 设计体 系 结构 装配顺序规划 从装配 的角度 出发 ， 优化产 品装配结 构和装配工艺 ， 从而简化产品 的设计 ， 降低生产 成本 ， 缩短产 品开发周期 装配工艺设计一般从 几何可行性 、 工艺 可行性 和 工 艺优化三方面进 行 ‘ 〕 几何可 行性 在装配关系 中 ， 零件与零 件 、 零件与部件 、 部件与部件之间存在着 内在的 联系和几何干 涉 在这些约束下 ， 在满足装配关 系 的 同时 ， 它们之间必须不能 出现几何干涉 ， 否 则将无法完成装配 因此 ， 装配顺序 问题 ， 实际 上 是对装 配结构 、 零部件之 间 的几何约束进行 分析 、 综合 ， 获得装配顺序 的几何优先 的过程 产生 的装 配顺序 ， 必须保证装配过程在几何上 的可行性 ， 其流程如 图 所示 通过推理获得各 种满足几何要求 的装配顺序 ， 一般情况下 ， 仅满 足几何优先关系 的装配顺序可 以 有很多种 ， 它 三维实体数字化预装配 基于 三 维实体 的数字化预装配技术 ， 是在 计算机上模拟装 配过程 ， 主要用 于进行干 涉检 验及 可装配性分析 数字化预装配 以零件三维 实体造型 、 产 品数据管理 以及设计共享为基础 ， 可协调产 品结构设计 、 系统设计 ， 检查零部件的 装 配 与拆卸情 况 ， 有效地减 少 因设计错误而引 起 的设计返工 和 更改 在复杂结构 的产品设计过程 中 ， 设计人员 需将所设计的零部件与其他相关零部件进行数 字化预装配 ， 以检查零部件之间 的干涉情况 除 此之外 ， 还需在设计的各个阶段 ， 更大的范 围对 大量 的零部件进行数字化预装配 ， 以便从更高 层 次上发现和 解决干涉 问题 ， 这一过程一般 由 装配模型 产品形状定义 装配关联图 基于零部件的几何有限推理 装配顺序人工编辑 图 几 何优先推理过 程
Vol.24 赠庆良等：并行工程环境下面向装配的设计系统 667 只是保证在几何意义上没有干涉.所以，每一种 终的装配路径与装配工艺.装配过程仿真设计 产品的装配空间大小及工艺是否合理，需要经 有三个目标层次的装配仿真： 过人工智能和采用人机交互的方法解决，从而 (1)简单仿真.直接从装配规划部分获取装 获得优化的装配顺序. 配顺序和路径，对规划结果不作任何修改，只是 (2)工艺可行性优先及工艺优化.在机械产 简单地模拟其装配过程，干涉检查仅指出各条 品的装配过程中，工艺约束可以从以下几个方 路径是否存在干涉. 面考虑：优先装配的零件作为后续装配零件的 (2)动态仿真：可对初始路径及其关键点位 基准，这样不但能够提高装配的精度，而且能够 姿进行实时交互修改与调整，干涉检查不仅指 提高装配的效率.不易装配的零件优先装配，过 出各条路径是否存在干涉，还检查路径上各相 盈配合优于过渡配合，过渡配合优于间隙配合. 邻关键点之间的干涉碰撞情况 (3)复合仿真.提供零部件的实时、交互的拆 5机构运动分析与综合 卸途径，找到可行的拆卸顺序和路径，反过来得 机构运动分析与综合的目的是对装配模型 到可行的装配顺序和路径，在此基础上仿真零 中的工作装置的运动进行定义，以分析其工作 部件的装配过程 过程中的动态装配性能.其主要思想是：①在产 7产品可装配性评价 品装配层次模型的基础上定义运动元件运动 副，如旋转副、移动副及其他设计约束；②并根 根据装配模型，在装配顺序的约束下，对产 据装配层次关系及运动副抽取运动学骨架模 品的可装配性进行分析和评价，主要从技术特 型、得到运动链方程；③考虑设计约束，求解运 性（装配难度）、经济特性（装配效率、装配成本） 动链方程，进行运动学求解；④通过对主动构件 和社会特性三方面进行 的运动规划，计算所有从动件的运动（位移），检 技术特性就是按照装配顺序装配时，从取 查运动状态下元件间的干涉情况，检证运动部 得装配元件后根据它的定位、连接等，到装配到 件在工作时的合理性.机构运动分析与综合的 位为止，在保证装配精度和功能的条件下，降低 流程以及与装配模型之间的关系如图6所示.· 装配难度.影响装配难度的因素主要有三种：(1) 零件本身的因素，如零件的形状、尺寸、质量以 关节定义 及材料等；(2)定位连接因素，如定位方式、连接 方式、零件之间的配合种类等；(3)装配工艺的影 运动链定义 响，如装配路径、装夹工具等 装 经济特性主要是根据装配顺序，对装配单 配 建 运动学求解 运动规划 元的材料、标准化程度以及耗费工时等进行评 模 价.装配成本是可装配性经济特性评价的主要 装配建模的变换 指标，也是在设计阶段难以确定的指标.在并行 工程项目实施中，把神经网络成功地用于产品 干涉检查 装配成本的估算.在工程领域中，人工神经网络 (ANN)的一个最重要的应用是对一个输入输出 图6机构运动分析与综合流程图 关系未知的系统建模.由于无法得到系统的准 Fig.6 Flow chart of the mechanism movement analysis 确信息，只能利用从实际系统中观察到的一些 and synthesis 样本作为训练集.在网络结构固定的情况下，采 6装配过程仿真 用随机梯度下降法最终使一定的损失函数最小 以改变参数进行学习，在各种不同的ANN结构 装配过程仿真的主要功能，是以装配规划 中，多层前馈神经网络(MLFN)是一种常用的方 部分提供的装配顺序和初步路径为基础，为用 法，用sigmoidal函数对多层感知器学习.由于 户提供直观的装配过程图形仿真，同时通过细 在产品设计阶段没有详细的装配信息，产品装 化的干涉检查以及路径的调整与完善，形成最 配成本估计的显式函数很难得到，这就为前馈
曾庆 良等 并行 工 程环 境下 面 向装配 的设计 系统 只是保证在几何意义上 没有干涉 所 以 ， 每一种 产品 的装配 空 间大小及工艺是否合理 ， 需要 经 过人工 智能和采用 人机交互 的方法解决 ， 从而 获得优化的装配顺序 工艺可 行性优先及工艺优化 在机械产 品 的装配过程 中 ， 工艺约束可 以从 以下 几个方 面考虑 优先装配 的零件作为后续装配零件 的 基准 ， 这样不但能够提高装配的精度 ， 而且能够 提高装配 的效率 不易装配的零件优先装配 ， 过 盈配合优于过渡配合 ， 过渡配合优于 间隙配合 机构运动分析与综合 机构运动分析与综合 的 目的是对装配模型 中的工作装置 的运动进行定义 ， 以分析其工作 过程 中的动态装配性能 其主要思想是 ①在产 品装 配 层 次模 型 的基础 上 定 义运 动元件 运 动 副 ， 如旋转副 、 移动副及其他设计约束 ②并根 据装 配 层 次关 系 及 运 动副抽取运 动学 骨 架模 型 、 得到运 动链方程 ③考虑设计约束 ， 求解运 动链方程 ， 进行运动学求解 ④通过对主动构件 的运 动规划 ， 计算所有从动 件 的运 动 位移 ， 检 查运 动状态下元件间的干涉情况 ， 检证运 动部 件在工作时的合理性 机构运 动分析与综合的 流程 以及与装配模型 之间 的关系如 图 所示 终 的装配路径与装配工艺 装配过程仿真设计 有 三个 目标层次 的装配 仿真 简单仿真 直接从装配规划 部分获取装 配顺序 和路径 ， 对规划结果不作任何修改 ， 只是 简单地模拟其装配 过程 ， 干涉检查仅指 出各条 路径是否存在干涉 动态仿真 可 对初始路径及其关键点位 姿进行实时交互 修改 与调 整 ， 干 涉检查不仅指 出各条路径是否存在 干涉 ， 还 检查路径上各相 邻关键点之 间的干 涉碰撞情况 复合仿真 提供零部件的实时 、 交互 的拆 卸途径 ， 找到可行的拆卸顺序和路径 ， 反过来得 到可 行 的装配顺序和 路径 ， 在此基础 上仿真零 部件 的装配过程 装 配 运动学求解 运动规划 建 模 装配建模的变换 干涉检查 图 机构运 动分析 与综合流程 图 皿 装配过程仿真 装配过程仿真的 主要 功能 ， 是 以装配规划 部分提供 的装配顺序和初步路径 为基础 ， 为用 户 提供直观的装配过程 图形仿真 同时通 过细 化 的干涉检查 以及路径 的调 整与完善 ， 形成最 产品可装配性评价 根据装配模型 ， 在装配顺序的约束下 ， 对产 品 的可 装 配性进行分析和评价 ， 主要从技术特 性 装配难度 、 经济特性 装配效率 、 装配成本 和社会特性三方面 进行 技术特性就是按照 装配顺序装配 时 ， 从取 得装配元件后根据它 的定位 、 连接等 ， 到装配到 位为止 ， 在保证装配精度和 功能的条件下 ， 降低 装配难度 影 响装配难度 的因素主要有三种 零件本身的 因素 ， 如零件 的形状 、 尺 寸 、 质量 以 及材料等 定位连接 因素 ， 如定位方式 、 连接 方式 、 零件之 间的配合种类等 装配工艺 的影 响 ， 如装配路径 、 装夹工具等 经济特性 主要是根据装配顺序 ， 对装配单 元 的材 料 、 标准化程度 以及耗费工 时等进行评 价 装 配成本是可装配性经济特性评价 的主要 指标 ， 也是在设计阶段难 以确定的指标 在并行 工程项 目实施 中 ， 把神经 网络成功地 用 于产 品 装配成本 的估算 在工程领域 中 ， 人工神经 网络 的一个最重要 的应用是对一个输人输 出 关系未知 的系统建模 由于 无法得到系统 的准 确信息 ， 只 能利用从实际 系统 中观察到 的一些 样本作为训 练集 在 网络结构 固定 的情况下 ， 采 用 随机梯度下 降法最终使一定 的损失 函数最小 以 改变参数进行学 习 在各种不 同的 结构 中 ， 多层前馈神经 网络 是一 种常用 的方 法 ， 用 函数对多层感知器学 习 由于 在产 品设计 阶段没有详 细 的装配信息 ， 产品装 配成本估计 的显 式 函数很难得到 ， 这 就为前馈
*668· 北京科技大学学报 2002年第6期 神经网络的应用提供了潜在的背景.在某企业 [M.北京：清华大学出版社，2001 实施并行工程中，运用人工神经网络的方法，利 2刘继红.DFX:面向全生命周期的设计[J].计算机辅 用该企业产品的关键部件的实际生产装配信息 助设计与制造，1988,9：34 3王先逵，程耀东，刘成颖，等.面向制造的零件设计： 建立神经网络模型的估算方法，并对该模型的 理论与实现[J].计算机集成制造系统，1996,7(3)：88 预测功能进行了验证， 4莫建中，罗燕，蔡建国.并行工程下的面向制造、装 社会特性主要是对装配单元的再利用和环 配的产品设计方法[J].机械工业自动化，1996,18(3)： 境保护等进行评价， 32 5姜华，熊光楞，曾庆良.面向装配的设计方法与技术 8结论 研究[J].计算机集成制造系统，1999,5(4)：57 6侯晓林，张申生，五忠辉.面向机器人装配的计算机 面向装配的设计是并行工程的核心技术之 辅助设计系统(DFRA)的研究[J].CAD/CAM,1996,4: 一，其设计应综合考虑影响产品装配性能的多 22 7 Geoffrey B,Peter Dewhurst.Design for assembly:selec- 种因素.本文从产品的装配模型、装配顺序规 ting the right method [J].Machine Design,1983,10:94 划、机构运动分析与综合、装配过程仿真及产品 8 de Fazio T L.A prototype of feature-based design for as- 可装配性评价等方面论述了面向装配的设计的 sembly J ]ASME Journal of Mechanical Design,1993, 技术关键.DFA不仅是一种设计思想，而且提供 115(4):723 了一系列具体的分析方法和工具，通过简化产 9曾庆良，熊光楞，范文慧，等.并行工程环境面向成 品结构，减少零件数量，优化装配顺序，达到降 本的设计[J].机械工程学报，2001,7：1 10张林暄.并行工程环境下面向装配的产品设计研究 低产品成本，缩短产品开发周期的目的. [D].北京：清华大学出版社，1998 11孟明辰，韩向利.并行设计[M].北京：机械工业出版 参考文献 社，1999 1熊光楞，徐文胜，张和明，等.并行工程的理论与实践 Design for Assembly Systems in Concurrent Engineering ZENG Oingliang,WAN Lirong,XIONG Guangleng",FAN Wenhui" 1)National CIMS Engineering Research Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China 2)Shandong University of Science and Technology,Taian 271019,China ABSTRACT An architecture of the design for assembly(DFA)is proposed.Through the discussion on the key technologies of the DFA such as the product assembling model,assembling sequence planning,mechan- ism movement analysis and synthesis,assembling process simulation,and evaluation of DFA,the goal of DFA is realized. KEY WORDS concurrent engineering;product design;assembly performance;assembly planning
一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 神经 网络 的应用 提供 了潜在 的背 景 在某企业 实施并行工程 中 ， 运用人工神经 网络的方法 ， 利 用该企业产品 的关键部件 的实际生产装配信息 建立 神经 网络模型 的估算方法 ， 并对该模型 的 预测 功能进行 了验证 社会特性 主要是对装配单元 的再利用 和 环 境保护 等进行评价 结论 面 向装 配 的设计是并行工程 的核心 技术之 一 ， 其设计应综合考虑影 响产品装配性能 的多 种 因素 本文从产 品 的装配模型 、 装配顺序规 划 、 机构运 动分析与综合 、 装配过程仿真及产 品 可装配性评价等方面论述 了面 向装配 的设计的 技术关键 不仅是一种设计思想 ， 而且提供 了 一 系列 具体 的分析 方法 和 工 具 ， 通 过简化产 品结构 ， 减少零件数量 ， 优化装配顺序 ， 达到降 低产 品成本 ， 缩 短产 品开发周期 的 目的 参 考 文 献 熊光楞 ， 徐文胜 ， 张 和 明 ， 等 并行工程 的理论与实践 〔 北京 清华大学 出版社 ， 加 刘继红 面 向全生命周期 的设计「〕 计算机辅 助设计与制造 ， ， 王先透 ， 程耀东 ， 刘成颖 ， 等 面 向制造 的零件设计 理论与实现【 〕 计算机集成制造系统 ， ， 莫建 中 ， 罗 燕 ， 蔡建 国 并行工程下 的面 向制造 、 装 配的产 品设计方法〔 〕 机械工业 自动化 ， ， 姜华 ， 熊光楞 ， 曾庆 良 面 向装配 的设计方法与技术 研究 」计算机集成制造系统 ， ， 侯晓林 ， 张 申生 ， 五忠辉 面 向机器人装配 的计算机 辅助设计系统 的研究 ， ， 价 ， ， ， 一 〕 丽 助 ， ， 曾庆 良 ， 熊光楞 ， 范文慧 ， 等 并行工程环境 面 向成 本 的设计仁〕 机械工程学报 ， ， 张林暄 并行工程环境下 面 向装配的产品设计研究 北京 清华大学 出版社 ， 孟 明辰 ， 韩向利 并行设计〔 〕 北京 机械工业 出版 社 ， 刀 刀岁 夕， 洲 刀犷几 火五， 刀 宫 ，， 准 “ 左 们 ， ， ， ， ， ， ， ， ，