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1、第15卷第4期 2003年4月计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUTER2AIDED DESIGN 修改稿收到日期:20022042021 本课题得到国家自然科学重点项目基金(59635150)和国家 “八六三” 高技术研究发展计划(2001AA412110)资助1 邱清盈,男,1970年生,博士,副教授,主要研究方向为优化设计、 并行设计等1 冯培恩,男,1943年生,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为设计理论和方法学、 机电一体化、 工程机械等1制造资源有限情况下产品可加工性定量评价方法研究邱清盈 冯培恩(浙江大学CAD 第二种方法通过建立每种典型特征的可加工性
2、模糊评价函数,直接综合评价出产品的可加工性1 同时,还提出了三种把单因素可加工性指标合成为总体指标的综合方法1 探讨了各评价方法和综合方法的优缺点,并提出选用准则1关键词 可加工性评价;制造资源;可加工性建模;并行工程中图法分类号 TH16Quantitative Evaluation of Product Machinability under Limited Manufacturing ResourcesQiu Qingying Feng Peien( State Key Laboratory of CAD manufacturing resource ; machinability mo
3、deling; concurrent en2gineering1 引 言由于产品最终由特定的生产厂加工制造,因此 一个产品能否加工与生产厂具体拥有的制造资源有密切关系1 目前提出的基于知识或几何推理的评价 方法一般都不考虑制造资源的限制122,这虽然有 利于设计单位在设计阶段对产品的可加工性作出独立评价,但却不利于生产厂在总体上对产品实施敏 捷开发31 因为在无限制造资源条件下评价为可加 工的设计方案,对只有有限制造资源的生产厂可能 并不可加工1 基于工艺规划的评价方法,通过对工艺链进行加工设备匹配,在评价时考虑了制造资源对产品可 加工性的限制1 但目前提出的方法426一般都没有 考虑不同设备
4、对同一对象加工难易度的差别,而人 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.为地将每条加工链的加工难易度假定为相同,因此 只能作出 “可加工” 或 “不可加工” 两种极限情况的评 价,对加工难度的区别无法定量评价1 因而在优选 工艺链时,未能充分考虑可加工性指标的影响1 为了解决上述问题,我们提出了在制造资源有限的现实情况下对产品可加工性进行定量评价的 方法12 基于加工设备的评价方法211 基本思想 基于加工设备的可加工性评价方法的基本思想 是,生产厂的每一台设备,对其能够承担的每一种加工能力
5、,分别针对尺寸、 精度、 形状等加工要求制定 可加工性的模糊评价函数1 例如,对于一台普通车 床,它具有车和钻两种加工能力,但对于同样的加工 尺寸,车50 mm的轴对它来说也许比较容易,而钻50 mm的孔可能比较困难;同样,对于相同的精度要求,车出IT6的精度也许能够做到,而钻出IT6的 精度就很困难1 因此,对于这台车床,需要分别为车 和钻两种加工能力、 为尺寸和精度两种要求,制定4 种可加工性评价函数,如图1所示1 这些评价函数 可以是离散的,如对精度的评价函数;也可以是连续的,如对尺寸的评价函数1 但为了有一个统一的评 价基准,规定评价值 0 ,1 ,且用00115表示不 可加工,019
6、1表示极易加工1图1 普通车床的可加工性评价函数示例在建立起各设备加工能力评价函数的基础上, 具体评价产品可加工性的过程如下:Step11 与基于工艺规划的评价方法类似,对每个零件特征仍然利用工艺知识推理得到所有可能的加工链,在对加工链中的每一环节加工内容匹配设备时,根据加工内容中所附的加工方法(如车、 钻等) ,从当前设备中选出相应的加工能力评价函数,再根据加工内容中的加工要求(如加工尺寸和加工精度) ,分别评价出利用该设备进行加工的可加工性1例如,要求钻一个直径为15 mm、 精度等级为IT7的孔,用图1所示的普通车床进行加工,假设评价出的尺寸的可加工性为018 ,精度的可加工性为0151
7、Step21 根据这两个可加工性指标综合成该环节加工内容用当前设备进行加工的可加工性指标1 当加工一个环节所需参与的设备不只一种时,需要对每种设备类似地评价出可加工性指标,然后再综合成该环节的可加工性指标1Step31 根据每一环节的可加工性指标,综合成整条加工链的可加工性指标1 在得到每条加工链的可加工性指标后,将其中最高的可加工性指标作为该特征的可加工性指标1Step41 综合所有特征的可加工性指标,可得到该零件的可加工性指标1Step51 综合所有零件的可加工性指标,可得到产品的可加工性指标1212 可加工性的综合方法 在上述评价过程中,有许多步骤都需要对多个评价指标进行合成,不同的合成
8、方法会对加工链的 选择和产品最终的可加工性评价产生较大的影响1 本文仅提出三种合成方法,设计师可以根据实际情 况提出和采用更合适的方法1(1)线性平均法(+ 法)取多个可加工性指标的累加平均值作为合成后的可加工性指标,即P =1 nni =1pi1 例11 对于第211节中尺寸的可加工性指标018和精度的可加工 性指标015,采用这种方法合成得到的利用该设备 进行加工的可加工性指标P= 01651(2)几何平均法( 法)取多个可加工性指标的乘积平均值作为合成后的可加工性指标,即P=n ni= 1pi1 对于例1,采用这种方法合成的可加工性指标P= 015661(3)最小值法(min 法)取多个
9、可加工性指标中的最小值作为合成后的可加工性指标,即P= min( pi, i= 1, n)1 采用这 种方法合成出的例1的可加工性指标P= 01501 上述三种合成方法各有利弊:+ 法注重多个 指标的总体效果,但有时会因为忽视个别可加工性464计算机辅助设计与图形学学报2003年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.极差的环节而造成整体加工困难;min 法强调了 单个指标的重要性,在一定程度上保证了整体的易 加工性,但有时可能会因为过于强调各个环节可加 工性的均衡,而舍弃较好的加工方法;
10、法介于这 二者之间,在重视各指标可加工性均衡的同时,能够兼顾总体效果1 在具体决定采用哪种合成方法时,设计师应该 根据自己厂家的制造特点,综合考虑包括生产批量、 交货时间、 生产调度、 设备加工性能的稳定性,生产 工人的素质,是否拥有特殊加工技能的专家等各种影响加工质量和成本的因素,作出分析决策1 下面 提出几条建议性的选用准则: (1)如果拥有专家而且设备性能稳定,建议采用 + 法1(2)如果没有专家,而且设备性能稳定性不好或者工人素质普遍较低,建议采用 min 法合成1 (3)如果生产批量较大,建议采用 min 法;否则,采用 + 法或 法1(4)如果交货时间短而且缺少专家,建议采用 法或
11、 min 法;否则,采用 + 法1(5)一般情况,建议采用 法1例21 某个特征有3条可行的加工链,链中每一 环节的可加工性指标如表1所示1表1 某特征各加工环节的可加工性指标加工链 环节1环节2环节3环节4环节5环节6环节7第1条0180017001650185016501800135第2条0170015501500160016001650145第3条0185018501800195012501950125分别采用上述三种合成方法计算三条加工链的 可加工性指标,如表2所示1表2 三种合成方法评价出的可加工性指标加工链+ 法 法min 法第1条016860166301350第2条0157901
12、57301450第3条017000161301250选用结论第3条第1条第2条可以看到三种方法得出的结论各不相同1 仔细分析三条加工链的可加工性,并对照表3所示的可 加工性难易度描述可知:第1条加工链除了最后一 个环节加工有困难外,其他环节加工都没有难度;第2条加工链中各个环节的可加工性评价值虽然都不 高,而且其中还有2个环节加工较困难,3个环节加工有难度,但这条加工链中没有特别困难的加工环 节;第3条加工链由于7个环节中5个环节加工容 易,使得它总体看上去可加工性很好,但其实有2个 环节加工极困难1 因此在这个例子中,第3条加工 链基本上是不可取的1 对于第1条和第2条加工链,如果生产厂家的
13、设备性能不稳定,或者工人的水 平不是很高,那么第1条加工链中的第7个困难环 节的加工质量将很难得到保证,则应该选第2条加 工链;否则选第1条加工链比较合理1 因为第2条 加工链中毕竟有5个环节需要遵循特殊的加工过程 来保证加工质量1需要说明的是,由于本文中的可加工性是个相 对概念,因此在实际应用时,各厂家可根据实际情况 对可加工性对照表3进行调整1表3 评价值与可加工性对照表评价值 019018019017018016017015016014015013014011501340(镗加工),这样可以避免出现错误的评价1 可加工性最好的加工链不一定同时是加工成本 最低的加工链1 由于根据第一种方法
14、评价得到的可 加工性和加工成本都针对特定加工链,可加工性和 加工成本不是两个独立的设计指标,因此优选加工 (下转第474页)664计算机辅助设计与图形学学报2003年 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.4Antony Lowe1QFD in new production technology evaluationJ 1International Journal of Production Economics , 2000 , 67 :1031125Jack B Revelle1The Q
15、FD Handbook M 1New York: JohnWiley (2)两种方法都要求生产厂家建立制造资源库和相应的加工能力评价函数,对已经实施ERP或MRPII的企业比较容易推广应用;(3)两种方法都在零件特征层次上进行评价,因此比较适用于产品详细设计阶段1参 考 文 献1Venkatachalam A R1Automating manufacturability evaluation inCAD systems through expert systems approachesJ 1ExpertSystems with Applications , 1994 , 7(4) : 4955
16、062Chen Li , Pu Jian , Wang Xiankui1A general model for machin2able features and its application to machinability evaluation ofmechanical partsJ 1Computer2Aided Design , 2002 , 34 (3) :2392493Swink M1Threats to new product manufacturability and the ef2fects of development team integration processesJ 1Journal ofOperations Management , 1999 , 17(6) : 6917094Gupta S
