胡庆峰面向MC的轴套类零件的变型设计.docx
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胡庆峰面向MC的轴套类零件的变型设计
河南科技学院
2009届本科毕业论文(设计)
论文题目:
面向MC的轴类零件的变型设计
学生姓名:
胡庆峰
所在院系:
机电学院
所学专业:
机电技术教育
导师姓名:
万秀颖
完成时间:
2009年5月20日
摘要
本文针对大批量定制生产方式下企业在满足客户的个性化需求过程中所遇到的问题,探讨了支持客户需求交互系统的关键技术—产品变型设计技术。
介绍了产品变型设计的原理与方法。
本文还介绍了以传动轴为例的基于SolidWorks的轴零件的变型设计。
详细介绍了运用SolidWorks软件进行轴类零件的三维实体建模过程和利用系列零件设计表实现产品变型设计的方法。
关键词:
大批量定制,变型设计,三维实体建模,系列零件设计表。
VariantDesignOnPartsOfTheRoulettesOnMassCustomization
Abstract
Thispaperexploresthekeytechnology-productsvariantdesigntechnology,withregardtotheproblemsthatconformedbyenterprisesintheprocessofmeetingthepersonaldemandofthecustomsundertheMassCustomization.Thispaperintroducestheprinciplesandmethodsofproductvariantdesign.ThispaperdescribedvariantdesignofahelicalbasedonSolidWorksasanexampleoftherouletteparts.Themethodsofbuildinga3-DsolidmodelingofhelicalusingSolidWorkssoftwareandusingmanualconfigurationtorealizetheproductvariantdesignwasintroduced.
Keywords:
MassCustomization,VariantDesign,3-DSolidModeling,Design.
1绪论
大批量定制生产模式MassCustomization(简称MC)已成为学术界和企业界争先研究的重点。
从市场发展总的趋势来看,采用大批量生产和按订单研制的市场策略的企业在逐渐减少,而追求多品种小批量和大批量定制策略的企业在日益增加。
1997年底,美国乔治·华盛顿大学的一个专家小组对新兴技术发展作了预测,提出21世纪(2001-2030年)的85项技术,其中包括大批量定制生产技术。
大批量定制是一种根据每一位客户的特殊需求,以大批量生产的效益进行定制产品的生产方式,大批量定制实现了客户的个性化和大批量生产的有机结合[1]。
为了降低产品成本并提高开发速度,企业应最大程度地重用现有资源,但满足客户个性化需求,意味着不能充分地利用企业的现有资源。
解决这一矛盾的有效途径是采用变型设计的策略[5]。
变型设计是指在原有零部件或产品模型基础上,通过对它们的参数和尺寸关系的改变,最终形成与原有零部件和产品相似的零部件或产品的设计方法。
产品变型设计是基于知识的过程,知识是实施变型设计技术的关键。
为了快速响应市场需求,产品变型设计越来越受到产品设计人员的关注[9]。
SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,是由美国SolidWorks公司在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上,Windows环境下实现的第一个机械三维CAD软件.它全面采用非全约束的特征建模技术,其设计过程全相关性,可以在设计过程的任何阶段修改设计,同时牵动相关部分的改变;它还可以动态模拟装配过程进行静态干涉检查、计算质量特征等。
它集成了设计、分析、加工和数据管理的整个过程,具有较好的开发性接口和功能扩充性,能轻松实现各种CAD软件之间的数据转换传送。
为了适合特定企业的特定要求,使SolidWorks在企业中更有效地发挥作用,SolidWorks还提供了几百个API(应用程序接口)函数,这些API函数是SolidWorks的OLE(对象的嵌入与链接)或COM(组件对象模型)接口,用户可以使用VB/VBA/VC/Delphi等高级语言对SolidWorks进行二次开发,建立适合用户需要的、专用的Solidworks功能模块。
SolidWorks是简单易学、技术发展最快、性价比最优的三维CAD软件,已被广泛应用于国内外制造业。
用户还可以通过软件的设计表功能方便快速的对零件实施变型设计,以适应工业化发展的要求。
2大批量定制概述
2.1大批量定制的概念
大批量定制是一种集企业、客户、供应商和环境等于一体,在系统思想指导下,用整体优化的观点,充分利用企业已有的各种资源,在标准化技术、现代设计方法学、信息技术和先进制造技术等的支持下,根据客户的个性化需求,以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制产品和服务的生产方式[14]。
2.2大批量定制的产生与发展
在20世纪占主导地位的大批量生产方式越来越不适应市场的需求,随着市场竞争的日益加剧和客户需求的多样化、个性化,使得企业在成本、质量、交货期和客户满意度方面面临着越来越大的压力,而能以大批量生产的效率快速向客户提供定制产品的大批量定制生产很好地迎合了市场。
大批量定制生产方式兼顾了企业和客户双方的利益,近些年来得到了迅速的发展,正在成为21世纪制造业的主流生产方式。
大批量定制技术的实施需要PDM系统的支持以管理企业目前存在着的大量产品设计和工艺资源,同时管理设计和生产过程中产生的各种信息,通过产品配置和产品族管理来缩短订单产品的通过时间。
2.3面向大批量定制的设计技术
大批量定制生产设计技术以客户需求和未来市场需求预测为基础,以产品族设计为核心,根据客户订单从产品族中配置产品满足订单。
当接到客户订单时,首先对订单进行分析,确认订单产品是否能够接受。
若订单能够接受,则对订单产品进行处理和分解,确定订单产品是属于产品快速组合设计的哪种情况,即直接配置、产品变型设计还是产品全新设计。
产品的变型设计是从产品族中配置出相似产品,在相似产品的基础上进行变型设计,可以进行标准化审核,作为产品族的一个产品实例。
订单产品设计完成后,能够自动生成产品的模型图,在产品生产以前对产品的各种参数进行分析以减少设计的失误。
由于每个部门对产品数据的需求不同,从产品结构中生成不同的BOM视图供各部门使用。
在大批量定制中,面向大批量定制的设计(designformasscustomization)DFMC是最为关键的环节。
DFMC不同于传统设计方法,它在产品设计中尽可能利用以往的产品信息、利用现成的产品模块和零件,设计出满足用户个性化和多样化的新产品。
2.3.1DFMC中的产品配置设计方法
配置是指对被描述在技术文档中或者体现在产品实际使用过程中的产品功能特性和物理特性进行表示。
配置设计是在一个可配置的、包括所有标准构件的模块化产品系统的产品主结构基础上,通过基于Web的产品配置系统,配置客户需求的定制产品。
通过对零部件的标准化和规范化,企业内部的零部件数量和种类数减少,零件分布日趋合理,在定制产品中标准件的比例得到提高,零部件的重用性得到提高,从而提高定制效率、保证定制质量、降低定制成本。
产品配置就是指依据一定的配置规则、方法和手段完成一个产品所对应的解空间。
因此,配置精确程度的提高意味着解的具体化。
产品配置的最后结果是完成产品的空间拓扑结构、明确产品各组成部分的构成关系。
产品配置的具体内容包括:
1、创建产品(部件)族:
族是产品配置的基本部分,可以是一个零件,也可以是一个部件或产品。
产品配置逻辑在产品(部件)族上进行定义。
2、创建可选参数表:
可选参数表包括各个参数及参数间的约束条件。
表的列是用户想要限制的参数的可能取值。
可选参数表把参数和它们的具体值联系起来,通过可选参数表所建立的约束条件,用户在使用过程中就可以通过只选取一个参数的值而得到多个参数的值。
3、创建通用产品结构:
用树状形式建立产品所包含的产品(部件)族的结构。
生成配置方案:
在配置生成器中通过输入一些参数以得到具体的解决方案。
包括产品中包含的产品(部件)族及其数量。
一个配置方案是对多个产品(部件)族的具体选择结果。
大批量定制在设计过程中需要充分利用已有的标准模块和已生产过的产品信息,使得产品设计变得快速而有效,并需采用参数化CAD系统进行快速变型设计和自动编程,采用CNC进行柔性制造。
同时,也使开发设计人员在变型设计时,能对企业的整个生产过程有一个清晰和全面的了解。
这就需要有一套支持全新产品开发和定制产品设计的集成信息系统。
在大批量定制的过程中,由于有产品模块库的支持,企业与用户的对话,包括价格、数量和交货日期等信息交互能在几分钟内完成。
可以生产的信息产品被很好地定义在配置器中,并能快速
提供给销售商、批发商或用户。
通过标准的算法可以很快地决定产品价格和交货日期。
适配器是DFMC中产品配置设计方法的关键。
对于选择范围不大或定制类型简单的产品,可以把必要的信息说明列在表上,或存放在计算机电子数据表以及数据库上。
随着用户要求定制产品的交货期越来越短,而激烈的市场竞争使产品的价格越来越低,采用产品配置器进行产品快速变型设计的方法,尽可利用现有资源,才能满足用户的需求。
如何对庞大的产品设计信息资源库进行快速有效的搜索,这是产品配置与快速变型设计技术中的关键问题。
美国DELL公司在网上实现了由顾客自己进行产品配置设计,从而减少了销售环节,降低了产品成本,取得了巨大的成功。
产品配置是产品快速组合设计重要的实现手段。
它根据客户选定的选项对产品模型进行变型,通过CAD系统向客户展示该个性化产品并提供报价。
若客户满意则可生成可供制造的产品模型并投入生产部门进行制造。
如果客户需求不能得到满足,则可向设计人员提供最相似的产品实例,使定制设计有较高的起点从而缩短工作时间。
产品配置的前提和基础是一组已经建立的、模块化的零部件集合。
产品配置设计的目的是根据客户的需求,最终确定出该定制产品的物料清单BOM(BillofMaterial)。
产品配置本身并不能实现产品的快速组合设计,它为产品族和客户需求之间建立了联系。
产品快速组合设计的真正实现还依赖于产品族的设计以及零部件的变型设计等。
2.3.2DFMC中的产品变型设计方法
许多产品往往在相同的基本功能和结构的基础上作一些适当的变型以满足各种用户的不同的需要,其基型就称为典型产品。
典型产品往往由企业内部或行业的标准化手册采用母图的形式予以描述。
通过一些参数的修改或确定,由母图可以迅速得到新的产品图。
在机器的部件和组件的结构形状已定的情况下,仅仅使尺寸作或大、或小变动的设计称为变型设计。
在进行这种设计之前,一般先要通过调查研究,作好这类产品对象的系列设计。
设计时,设计人员根据已知的条件选择结构形式,将产品转化为部件,再把复杂部件转化为简单零件,并完成尺寸计算,然后在系列中选择相应的零件尺寸。
在这类设计中,只需要系统地改变尺寸,而零件和组件仍能重复使用。
在设计过程中,不仅对零件采用变型设计方法,而且对部件这一级引入变型设计方法也是完全必要的。
它的优点是能重复使用结构合理经过实践检验的部件,减少部件的类别和便于信息处理,使设计自动化。
另外,在设计过程中,要对各种设计方案进行比较。
使用这种变型设计方法,能提高计算机辅助设计的效率,减少设计人员的重复设计工作,满足用户的多样化需求,而且进一步为以后的加工合理化提供方便。
图1描述了产品变型设计过程。
产品变型设计是快速响应市场需求的有效产品设计方法。
企业必须在产品设计和制造过程中尽量重用已有的信息资源,只有这样才能提高设计速度和产品质量,信息资源的重用包括原理、功能、系统结构的重用,还包括设计结果的直接重用,如设计结构、工艺方案等。
在进行可变型的工艺规程之前,一定要充分分析所加工零件的相似性,形成个性化的零件族,并根据零件族中零件的结构和参数,设计工艺流程的相关工艺操作参数及其变化范围。
同时为了减少产品加工的辅助时间。
在产品的设计过程中也要充分考虑到现有加工系统的加工能力,尽量选择加工能力范围内的设计方案,以便充分利用现有资源。
产品的变型设计是从产品族中配置出相似产品,在相似产品的基础上进行变型设计,可以进行标准化审核,作为产品族的一个产品实例。
订单产品设计完成后,能够自动生成产品的模型图,在产品生产以前对产品的各种参数进行分析以减少设计的失误[15]。
为了适应大批量定制生产模式的要求,设计部门需要在产品设计原型的基础上进行系列化工作,针对市场需求的多样性,进行产品结构和参数的调整。
企业中存在大量相似的零部件,在新设计的零部件中,大部分零部件与已有的零部件结构相似。
分析已有相似零部件参数,其目的是减少零部件的可变参数,从而减少工具、夹具类型,简化加工过程。
建立零部件模型,通过零部件模型中参数的修改生成新零部件。
这样做尽管单个零部件不是最优,但通过减少加工工具、工装装备等,降低了加工成本并简化了管理,从而实现整体的优化。
通过分析已有的相似零部件,建立零部件模型,并建立零部件模型的图形,确定零部件模型的可变参数和不变参数,这些参数作为零部件模型的一类信息进行维护,建立零件模型。
对零部件进行变型设计时,首先检索零部件主模型,在满足条件的零部件主模型的基础上,通过修改零部件主模型的可变参数,自动生成与零部件主模型相似的零部件图形。
生成零部件图形后,设计人员对零部件图形进行检查,如果与设计要求一致,则把零部件保存到设计资源库中,同时对零部件进行分类。
若生成的零部件图形与设计要求不一致要重新设计。
新生成的零部件与零部件模型共用同一图形文件,只是在图形文件中添加一个配置,其零部件属性保存到图形文件的配置属性中,这样可减少零部件图形文件的数量,从管理的角度便于保证数据的一致性。
变型设计允许设计者对产品进行变型设计,使产品向系列化、标准化、组合化发展,有效地控制了产品品种的增加,降低成本,也缩短了产品设计开发周期,提高企业对市场的应变能力。
设计人员在对产品进行变型设计前,应明确在满足用户需求的前提下是不是可以使用本企业已有的类似产品替代,这样不仅可以减少零件数目,降低成本,易于管理,而且可以缩短设计周期。
只有企业现有产品不能满足用户需求的条件下,才对其进行变型设计,原则上使变化尽可能小。
因此对变型零件的设计应该是既提供本企业已生产过的该类产品的类型、结构型式及尺寸的方式,又提供用户自行选择结构型式和输入尺寸数据的方式[14]。
2.3.3DFMC中的产品组合设计方法
产品组合设计又称产品模块化设计.
一、组合设计的前期工作:
1)产品的规划 根据市场和技术的发展趋势,对企业的产品发展战略进行规划。
2)对产品族进行分析
统计不同产品的零部件的出现频谱,并从产品的设计、制造、装配、销售以及售后服务等全过程考虑,确定需要进行模块化的零部件。
3)产品模块化
产品组合设计主要是选择和设计标准模块和通用模块,这些模块又可称为
“模块元”。
4)产品信息编码 正确的产品信息编码可以帮助企业设计人员快速找到所要的模块。
因此产品信息编码在组合设计中起到了设计引导的作用。
5)组合设计方法的评价
应用有关评价方法对设计方案的技术经济效果进行定性或定量的评价和决策。
二、模块的组合与再设计
模块选择后进行组合是模块化产品设计的“瓶颈”问题。
一方面要考虑到功能的要求,主要精力是投入到模块的结构连接上。
虽然可以通过创建中间模块解决整体上少变化的要求,但是作为模块自身及组合后如何满足产品的动态性能要求仍要经过设计、试制、检测等必要步骤。
另一方面,当组合后,发现原有的模块不能满足要求,就必须进行重新设计。
重新设计可通过模块的构形元素、构形参数的变化来完成,其中包括尺寸的变化、功能面的形状变化、改变构成零件、部件和机器的功能面零部件的数量或改变两个零件或部件的相对位置、改变系统的功能面、零部件的顺序及连接顺序等。
在模块的创建时模块划分系统与编码系统按照分级描述、分级编码。
并一层层查寻已有模块设计,最后经协商将新模块纳入模块库。
在整个系统中,模块的选择是关键,模块的组合是实施目标的核心。
在进行产品再设计时,首先多方案选择应采用什么形式的模块,再考虑模块组合的形式,最后考虑产品的造型。
三、模块的管理
经过优化的模块可编制成产品模块图册,作为产品设计选用和企业制造的依据。
具有尺寸上、功能上互换,而重复使用系数高、重复采用次数多、范围广的通用模块,经结构优化可以逐步提升成为标准模块。
模块管理不同于以往的设计与生产管理。
针对模块采用分类编号,就将借用件变为通用件、变产品管理为模块管理、经生产预测将单件生产变为批量生产。
编制技术文件是一项繁琐的工作,所以在模块的基础上,技术文件细分为可通用的基本单元和针对特殊要求附加额外的说明部分。
2.3.4DFMC的产品创新设计方法
面向大批量定制的产品创新设计主要有基于技术平台的衍生性创新与基于技术轨道的顺轨性创新两种类型。
基于技术平台的衍生性创新集群是指企业在特定的技术平台上以满足市场的差异化需求为目的而开展创新活动所形成的创新集群。
例如,索尼公司在产品的创新中,根据不同客户Walkman的偏好和消费习惯,有针对性地推出不同风格和类型的。
80年代初到90年代初,索尼公
司仅在美国市场上就推出了572种产品,形成一个庞大的创新产品集群。
索
尼公司之所以能在短时期内推出这么多种产品,是因为索尼公司对产品的创新属于基于技术平台的衍生性创新,即在不改变主要生产技术和产品元件的条件下,通过局部变动产品设计改变产品的一些辅助功能。
在进行这些局部变动时,产品的一些主要结构和元器件,尤其是利用企业关键技术生产的元器件,如微型电机、超薄机身,“口香糖型”充电电池等都是不变部分的生产技术称为平台性技术,一组平台性技术的集合称为一个技术平台。
根据用户的不同需要,以这个技术平台为基础进行局部创新就可以生产出不同型号的产品,形成一个
创新产品集群.
企业基于技术平台的衍生性创新与基于技术轨道的顺轨性创新不同的是,顺轨性创新一般会伴随企业核心技术的明显变化,形成技术水平更高的新一代产品;而衍生性创新则主要是在产品的核心技术基本不变的情况下,通过对产品作局部变革,形成能满足不同的用户需求的差别化系列产品,这些系列产品属于同一代产品。
衍生性创新集群的形成主要是通过两种方式实现,一是增加或改进产品的辅助功能,推出新的产品;二是改进产品的外型或结构,如汽车生产企业可以在核心设计与主要构件发动机、底盘等不变的前提下对汽车外形及局部结构加以改进,推出一系列不同型号的汽车。
将核心设计和基本产品要素相同的创新产品称为一个创新产品族(innovationproductsfamily,IPF)。
在一个IPF中,总有一个或几个产品最
早采用某种核心设计,这些产品称之为该IPF的“核心产品”。
其它产品都是由核心产品演变而来的,可称之为“衍生产品”,衍生产品是企业根据市场上不同用户群的差别化需要,对核心产品的规格和外型进行调整、改进得来的,它们实际上是核心产品经渐进性创新的产物。
因此企业在创新中并不能就单一的产品进行资源配置,而必须考虑系列化的产品安排。
将具有某些共同特征的创新产品放在一起,进行系统的综合分析,进而做出创新产品的选择将更为有利。
四种不同层次的DFMC方法比较。
通过对4种不同层次的DFMC方法的讨论
可以得到表1的比较结果。
表1四种不同层次的DFMC方法比较
产品配置设计
产品变型设计
产品组合设计
产品创新设计
产品结构
已定
已定
未定
未定
产品模块
在以制造好的模块中选择
改变模块中的尺寸
在给定范围选择并要进行设计
未定
设计周期
短
较短
中等
较长
产品成本
低
较低
中等
较高
大批量的特点
在不同产品中采用大量的相同模块
在不同产品中采用大量的相似模块
在不同产品中采用大量的相似模块
在新产品的设计中尽可能选用标准件和通用件
制造模式
按订单装配
按订单制造
按订单设计
按订单开发
对用户定制要求的响应
通过大量的多样化的产品是用户选择出他想要的产品
通过对产品的结构变型来满足用户的需
要
在采用大量相似模块基础上,生产特殊
的零件来增加
产品的不同之
处以满足用户
的需要
按照用户
的要求定制
产品
产品变化
变化的产品数量有限
数量有限,但尺寸变化无限
数量有限,但模块结构有变化
变化无限
需注意的问题
在变化的模
块数和用户可
能的需求之间
取得平衡
共同部分与不同部分的比例要选得合适,使所获利益最大化
尽可能多
采用通用模
块和标准模
块
3变型设计的原理与方法
对零件实施设计以满足客户要求。
3.1变型设计的原理
产品变型设计就是在零部件主模型、主图、主工艺规划和主NC程序基础上自动生成相应的零部件的工程图、工艺过程规划和NC程序。
当由事物特性表中的某一行数据(相当于某一具体的零件的尺寸),与标准模块的主图库、主工艺过程规划库和主NC程序库中的模型相结合以后,就可以自动生成具体零件的工程图、工艺过程规划和NC程序。
这些导出的文档与原始模型之间具有很强的相似性,可以看作是原始模型的一系列化变型[1]。
3.2变型设计的方法
在大批量定制环境下,基于PDM平台开发支持产品快速组合设计的变型设计系统可明显地提高企业设计资源的重用,从而缩短订单产品的设计时间。
产品的快速变型设计是企业实现快速响应市场的重要手段,而产品快速变型设计的实施首先必须建立合适的产品模型[15]。
变型设计就是在原有零部件或产品模型基础上,通过对它们的参数和尺寸关系的改变,由内部关系式将计算出与之相关的其他尺寸的值,最终形成与原有零部件和产品相似的零部件或产品的设计方法。
从而保证零件整体变型的成功.
变型设计就是利用产品族的相似性、重用性等原理,运用成组技术的设计过程。
3.2.1产品族的建立
产品族是由一些功能相似、结构相似或工艺相似的产品组成。
变型设计技术是在产品标准化和规范化的基础上,采用有效的产品信息分类编码体系对产品族中的相似性进行描述,并建立可变型的、模块化的产品模型。
在此基础上建立共享的工程数据库,为开发人员提供各种标准的设计资源,消除或减少重复设计,以较低成本迅速满足客户的个性化需求。
零件组是产品族的基本组成部分,合理地划分零件组是实施成组技术的重要内容,也是实施成组技术取得经济效果的关键。
对于不同的生产活动领域,划分零件组的概念不完全相同。
在产品设计领域,应按零件结构相似特征划分零件组;在加工领域,应按零件工艺相似特征划分零件组;在生产管理领域,应根据零件工艺相似特征及零件投产时间特征划分零件组;对于机床调整,则应按零件的调整特征划分零件组。
由于零件的工艺特征涉及面较广,且直接影响加工过程,就整个生产过程而言,通常按零件的工艺特征划分零件组
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