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机械产品变异性控制及其若干关键技术研究

作　者: 徐新胜
导　师: 顾新建；方水良
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 大规模定制变异性变异性控制产品族模型变异性控制指数体系产品结构变异性控制制造过程变异性控制
分类号: TH186
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

社会的进步和科学技术的发展，使得人们的意识形态发生了变化，崇尚个性成为时代的特征，这种个性化特征使得企业所处的环境发生了根本的变化。对于机械制造企业，新的市场环境下最根本的特征为：产品多样化是最根本的需求；产品交货期和成本成为最主要的竞争因素。然而，在生产中建立丰富的多样化，势必导致成本上升、产品交货期延长等一系列问题，因此，解决这两者之间的矛盾是成功实施大规模定制的关键。变异性(Variability)是指产生多样化产品满足市场需求的能力。机械产品的变异性可以分为产品外部变异性和产品内部变异性。产品内部变异性的控制可以实现在提供产品外部变异性的同时，有效控制产品的成本和交货期。而对变异性建模是控制变异性的有效手段。本论文在分析大规模定制产品全生命周期过程中产品内部变异性的基础上，从制造企业生产的角度出发，着重对大规模定制产品的开发、设计、和制造等阶段的变异性及其控制的方法、技术、工作逻辑和关键技术进行了深入的研究，主要内容包括以下几个方面：首先，在分析大规模定制产品生命周期模型以及生命周期中产品内部变异性内容和形式的基础上，以产品生命周期中的开发、设计、制造三个阶段为研究目标，通过归纳、总结，得到大规模定制产品内部变异性控制的两种形式：产品结构变异性控制和制造过程变异性控制，并分别研究了产品结构变异性控制和制造过程变异性控制的层次模型。同时，提出了构件单元的概念，并以此为基础研究了面向大规模定制变异设计的产品族模型及其建模方法和过程。其次，为了衡量产品族的变异性控制，提出了基于构件单元的过程平台规划思想，并构建了用于参数统计和分析的产品族GPPS结构。然后，从种类、使用数量、重用次数和产品产量四个因素出发，构建了衡量产品族变异性控制的指数体系，包括零件变异控制指数和制造过程变异控制指数。最后，对指数体系进行了参数化分析。第三，针对产品结构变异性控制问题，提出了产品基本架构的变型设计和基于产品基本架构配置设计的定制生产过程。对于产品基本架构的变型设计，提出了零件的信息模型，并定义了产品组成零件之间的配合关系类型和装配配合图等；对于基于产品基本架构的配置设计，研究了配置模块的定义以及配置模块之间的约束关系模型，并给出了基于产品基本架构的配置设计的过程模型。第四，为了建立由装配配合图确定的尺寸约束模型，需要对装配配合图进行分解，并建立了各个约束子集的尺寸关系表达模型，从而可以为产品基本架构的变型设计提供尺寸传递依据。此外，由于在产品定制过程中根据客户定制需求信息，以及装配配合图中的AACG约束子集等，得到的产品设计参数信息是不完全的。为了有效实施零部件模型的变型设计，提出了对不完全数据进行极大似然估计的思想，并运用EM算法简化了其运算过程，可以方便地得到未知设计参数的近似值，从而为变型设计过程提供支持。第五，针对机械产品的制造过程变异性控制问题，研究了产品定制模式与制造策略，以及面向制造过程变异性的控制技术。在产品层，基于过程平台，实现了制造过程模型随产品结构变异而变异的特性；在零件层，详细研究了变型设计与NC编程技术，包括：面向变型技术的NC程序设计原理、加工特征的定义、NC子程序库的设计、NC程序主模板的内容和组织形式、生产知识库设计。然后，对基于NC程序主模板的数控程序变型设计原理、过程及其关键技术进行了深入研究。最后，基于前面几章中的原理和方法，对机械产品变异性控制的应用系统进行了总体分析与设计，并采用CAD系统Solid Edge 15和VB 6.0技术，对其中关键的模块进行了开发和集成。最后，以浙江省某纺织机械集团大规模定制产品开发平台实施项目为案例，给出了各个子系统模块的应用过程、应用结果等。结果表明，本文所提出的变异性分析及其控制的思想、面向大规模定制变异设计的产品族模型、基于构件单元的产品族建模方法和过程、衡量产品族变异性控制的指数体系、描述产品构成零件之间的装配配合图及其约束集、未知设计参数的极大似然估计思想和EM算法、制造过程变异性控制技术、NC程序主模板、以及基于NC程序主模板的数控程序变型设计原理、方法、过程及其关键技术等是有效的、可行的。综上所述，本文提出的机械产品变异性分析及其控制的思想和方法、面向大规模定制变异设计的产品族模型、以及实施产品结构变异性控制和制造过程变异性控制的关键技术，为解决产品多样化需求与控制产品成本和交货期之间的矛盾奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-29
  1.1 引言  12-15
  1.2 论文的研究背景  15-18
    1.2.1 产品多样化与变异性  15-17
    1.2.2 大规模定制对产品变异性的需求  17-18
  1.3 论文相关领域国内外研究现状  18-25
    1.3.1 大规模定制研究概述  18-19
    1.3.2 变异性相关研究概述  19-20
    1.3.3 产品变型设计技术  20-21
    1.3.4 变异式NC编程技术  21-23
    1.3.5 产品的设计重用技术  23-24
    1.3.6 集成的产品和过程研究概况  24-25
  1.4 论文研究的主要内容与组织结构  25-28
    1.4.1 论文研究的主要内容  26-27
    1.4.2 论文的组织结构  27-28
  1.5 小结  28-29
第二章机械产品变异性控制的总体研究  29-49
  2.1 引言  29
  2.2 大规模定制产品的生命周期模型  29-31
  2.3 产品生命周期中的产品内部变异性分析  31-35
    2.3.1 需求分析  31-32
    2.3.2 概念设计  32
    2.3.3 产品开发  32-33
    2.3.4 产品设计  33-34
    2.3.5 产品制造  34-35
    2.3.6 产品装配和销售  35
    2.3.7 产品维护  35
  2.4 产品内部变异性控制的一般方法  35-36
  2.5 产品内部变异性控制的划分  36-38
  2.6 机械产品的内部变异性控制建模  38-41
    2.6.1 产品结构变异性控制  38-40
    2.6.2 制造过程变异性控制  40-41
  2.7 面向MC变异设计的产品族模型  41-48
    2.7.1 面向MC变异设计的产品族数据模型  41-43
    2.7.2 基于构件单元的产品族建模  43-47
    2.7.3 面向MC变异设计的产品族模型  47-48
  2.8 小结  48-49
第三章衡量产品族变异性控制的指数体系研究  49-65
  3.1 引言  49
  3.2 基于构件单元的过程平台规划  49-50
  3.3 产品族 GPPS结构  50-51
  3.4 衡量产品族变异性控制的指数体系  51-56
    3.4.1 变异性控制指数定义及其内涵  51-54
    3.4.2 零件变异控制指数  54-55
    3.4.3 制造过程变异控制指数  55-56
  3.5 参数化分析及其结论  56-64
    3.5.1 零件变异控制指数参数化分析  56-60
    3.5.2 制造过程变异控制指数参数化分析  60-63
    3.5.3 结论  63-64
  3.6 小结  64-65
第四章产品结构变异性控制的若干关键技术研究  65-89
  4.1 引言  65-66
  4.2 机械产品的定制过程及其变异控制模式  66-67
    4.2.1 机械产品定制过程的特点  66-67
    4.2.2 机械产品定制生产过程中的变异控制模式  67
  4.3 产品基本架构的变型  67-73
    4.3.1 零件变型主模型建模  68-71
    4.3.2 装配配合关系建模  71-73
  4.4 基于产品基本架构的配置设计  73-75
    4.4.1 配置模块定义  73-74
    4.4.2 配置模块的约束关系  74-75
  4.5 产品结构变异性控制的信息模型  75-77
    4.5.1 模型描述  76
    4.5.2 产品结构变异性控制过程模型  76-77
  4.6 产品结构变异性控制中尺寸关系建模及未知尺寸参数估计  77-88
    4.6.1 约束集划分及其尺寸约束关系  78-83
    4.6.2 未知尺寸参数的极大似然估计  83-88
  4.8 小结  88-89
第五章制造过程变异性控制的若干关键技术研究  89-105
  5.1 引言  89-90
  5.2 面向制造过程变异性的控制技术  90-92
  5.3 基于产品族模型的制造过程变异性控制技术  92-93
    5.3.1 制造过程变异性控制模式  92
    5.3.2 制造过程模型变异性控制  92-93
  5.4 制造过程模型变型与数控编程  93-94
  5.5 NC程序主模板的设计  94-104
    5.5.1 加工特征定义  94-95
    5.5.2 NC子程序库的设计  95-97
    5.5.3 NC程序主模板  97-99
    5.5.4 NC主模板的构建  99-100
    5.5.5 基于NC程序主模板的数控程序生成  100-101
    5.5.6 基于NC程序主模板的数控程序变型设计  101-104
  5.6 小结  104-105
第六章机械产品变异性控制技术的一些应用  105-119
  6.1 引言  105
  6.2 机械产品变异性控制应用系统分析与设计  105-107
    6.2.1 表述系统功能需求的用例图和活动图  105-106
    6.2.2 表述系统软件结构的模型  106-107
    6.2.3 系统框架结构  107
  6.3 机械产品变异性控制的应用研究  107-118
    6.3.1 实例描述  107-108
    6.3.2 产品变异性控制过程描述  108-118
  6.4 小结  118-119
第七章总结与展望  119-122
  7.1 论文工作总结  119-120
    7.1.1 大规模定制产品内部变异性控制的总体研究  119
    7.1.2 产品结构尺寸关系建模以及未知尺寸参数的估计  119-120
    7.1.3 制造过程模型变型与数控编程  120
    7.1.4 将本论文的成果应用于某纺织机械集团信息化系统的实施  120
  7.2 研究展望  120-122
参考文献  122-132
附录一  132-133
攻读博士学位期间参加的科研项目和发表(录用)的学术论文  133-135
致谢  135

机械产品变异性控制及其若干关键技术研究

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