可适应设计方法及应用

可适应设计方法及应用顾佩华汕头大学2011年11月提纲引言可适应设计设计可适应性不产品可适应性可适应设计不其他设计方法的区别可适应设计的基本要素合理化的功能结构可适应模块化架构可适应接口可适应性评价可适应设计工具可适应设计的应用总结引言可持续产品开发经济竞争力:更好的功能更高的质量更低的成本更短的交货时间更多期望特征环保:低排放无废弃物健康产品健康的工作环境…资源节约:能源消耗低材料消耗低资源利用率高…可持续产品开发的关键点引言引言制造商根据产品的设计来生产产品通常是设计新产品来满足新的用户需求退役产品通常被回收或丢弃产品设计不制造的现实可适应设计可适应设计的目标是：开发一种设计或产品，可以很容易地调整，以满足新的设计要求在产品生命周期中的变化:设计重用；产品提升和延长使用寿命。可适应性的分类:设计可适应性产品可适应性设计过程生产过程需求设计图纸(CAD)产品设计调整产品调整修改的设计图纸(CAD)调整后的产品新设计图纸可适应设计设计可适应性不产品可适应性设计可适应性设计可适应性:调整已有设计来得到新设计重用经过验证的知识和工程流程及所有的工艺、设备和工具改进设计可适应性的优势:降低产品开发投入，减少制造商的交货时间提高设计效率产品可适应性产品可适应性调整实物产品以满足新的客户需求改进产品可适应性的优势:已有产品的调整、升级或重用，可以降低用户成本，减轻对环境的负面影响（否则需要淘汰现有产品，并获得新的产品来代替）初始设计维修极限产品功能产品生命周期(a)传统设计初始设计维修极限产品功能产品生命周期(b)可适应设计传统设计不可适应设计在产品功能不寿命方面的比较可适应产品实现可变更的设计需求.Year(a)设计需求和评价01234561020数据存储量(G)Year012345612显示分辨率(M)(b)设计方案Year0123456CRTXGA驱劢器显示器CDLCDSXGA1-LayerDVD2-LayerDVDBlu-rayLCDHD设计评价设计需求XGA:1024x786.SXGA:1280x1024.HD:1920x1080.产品可适应性改进产品设计的方法:模块化设计产品平台不产品族设计大规模定制设计可重构设计可适应设计不其他设计方法的区别可适应设计不模块化设计:模块化产品幵丌一定具有适应性，也丌能应对新功能需求的变化可适应设计不产品平台设计:平台设计未必能够适应新的客户需求可适应设计不大规模定制设计:大规模定制开发的产品通常丌具有适应性可适应设计不可重构设计:可重构产品通常被设计成在产品出厂时就能满足多种功能需求。而可适应设计，能够在产品生命周期的丌同阶段，新的需求都能够被满足。可适应设计不其他设计方法的区别可适应设计的基本要素可适应设计合理化功能结构设计不产品可适应性可适应产品架构可适应接口可适应设计的基本要素F=[F1,F2,…Fn]SNS2S1S11S13S12设计方案功能需求F11F12F13F111F112设计过程生成合理化的功能结构StrongMetalFrameF:Lock/UnlockNF:donotinterfereU-lockF:SecurityPositioninsidetheframeU-framelockedonacrossbarF:attachtobikeBracketonframe功能结构：U-Lock合理化功能结构平台模块与用模块可适应模块化架构:柔性和参数化垂直基准面定位销圆柱孔水平基准面斜面导向板小车拉杆六角定位销竖直基准面水平基准面小车支架小车手柄蜗轮蜗杆齿轮齿条放卷装置牵引装置涂布头烘干装置收卷装置冷却辊立柱纠偏装置控制系统直接凹版涂布单元三辊胶印转移涂布单元五辊式无溶剂涂布单元涂布单元机架涂布小车可适应模块化架构机械接口丼例1上横梁,2立柱,3定位台肩,4锁紧螺栓3412机械接口包括便于装配和拆卸的定位特征、锁紧特征，以及能量、物质和信号传递部件.可适应接口包括机械接口、电气接口和软件接口。可适应接口可适应接口采用可适应接口连接的基础平台不与用模块采用锁紧槽机构箱体采用2mm壁厚的注塑模具PVC塑料（符合电劢工具的CSA需求）燕尾槽可在插入轰线方向限制5个自由度回转能量通过齿轮接口传递(齿面探出外面)详细设计•狭义产品可适应性的度量是通过比较适应已有产品和创建新产品之间所需的相对投入.•A(P):产品P的可适应性•Pr(Tpi):执行适应仸务i的概率•Inf(Zero-IS2):通过创建新产品达到理想状态S2所需成本•Inf(S1-AS2):通过适应已有产品来达到实际状态S2所需成本iniISZEROASSInfInfTpiPA)1)(Pr()(1)2()21((8)狭义产品可适应性评价Fletcher(2007)andFletcheretal.(2009)提出了一种定量评价广义产品可适应性的方法.关系类型物理关系功能关系接口参数Ai,jCi,j相关参数Bi,jDi,j两种类型的产品架构(modifiedfromFletcher(2007)).(a)独立的（模块化）产品架构F0F1F2F3F11F31F32F21F22F0F1F2F3F11F31F32F21F22(b)普通的产品架构sConnectionreArchitectuSegregatedsConnectionreArchitectuSegregated,)(},min{},min{jijijiSAFFFFAksConnectionExtra,)(jijiExtraAFFAk)()()(ExtraASASAAkkkk4DCBAkkkkk广义产品可适应性评价可适应设计工具设计过程产品建模可适应模块化架构设计可适应接口设计可适应性评价产品设计不制造信息支持系统（PLM）可适应设计工具设计工具产品建模工具(CAD)参数化模块化设计工具产品设计分析工具(CAE)评价工具产品模块配置模块参数配置模块划分广义可适应模块化设计工具产品可适应性产品族可适应因子数据准备狭义可适应性评价工具弧齿锥齿轮铣齿机的参数化模块化设计(YH60系列)结构查询区图形信息区模型及文本文件显示区分析任务区参数查询与编辑区产品模块及参数配置模块静劢态性能计算弧齿锥齿轮可适应设计与用可适应设计工具主界面模块参数配置模块的静劢态性能计算可适应性评价模块的参数化设计弧齿锥齿轮可适应设计工具可适应设计的应用采用可适应设计方法对弧齿锥齿轮铣齿机(YH603)进行了载设计，以及在尽量少增加生产成本的同时，提高机床的劢态性能。YZX立柱主轴箱工件箱床鞍床身滑板(b):原型机模型YH603弧齿锥齿轮铣齿机(a):原型机工业应用实例–机床结构再设计独立的（模块化）产品架构M1:立柱M2:床身M3:工件箱体滑板M5:床鞍M6:主轰箱该机床为四轴数控机床，具有良好的模块化结构。广义可适应性评价•机床的相对广义可适应度为0.80.•具有较高的适应性.模块成本估算接口成本估算()84ExtraAk()344.7SAk()()()1=0.80ExtraAASExtraAAkkkk额外接口成本:模块总成本:考虑物理接口的广义可适应性:模块结构再设计(Xuetal.(2008)).………10P…12P11P…11SM01SM02SM0SMn21SMiSM112SM22SMjSM21SMn2SMnqnSM机床模块再设计(a)YH603原型机(b)YH603全新方案(c)YH603的可适应方案YH603原型机不再设计方案的性能比较XYZ整机性能改进YH603两种方案的适应性增加圆角保持接口丌变（导轨、丝杠传劢等）增加筋板需要新铸模通过优化减少重量YH603两种方案的性能对比(a)(b)(c)狭义可适应性评价YH603原结构YH605结构全新603结构YH603采用的结构结构再设计（受制造平台约束）新设计(工艺约束）新设计(加工约束）圆角过渡工件箱和床鞍保持丌变导轨规格丌变导轨规格丌变加强筋改变工件箱和床鞍结构改变工件箱和床鞍结构参考改变立柱筋板形状和尺寸改变立柱结构形状和筋板导轨规格丌变导轨规格丌变导轨规格丌变导轨规格丌变改变床身筋板布局和尺寸改变床身筋板布局和尺寸基于YH603机床的再设计成果和经验,开发了新一代机床——YH605。在没有显著增加生产成本的情况下,再设计增强了产品功能。结果表明，应用可适应设计方法进行机床结构的再设计，能够提高静、劢态性能超过30%，而整机重量降低17%。新一代产品研发(a):设计模型(b):样机照片YH53200CNC数控铣齿机工业应用实例–圆柱齿轮铣齿机可适应设计采用可适应设计方法和CAD/CAE工具设计了圆柱齿轮铣齿机(YH53200)。mnmmnnPPPPPPPPP.....................212222111211xxxxxxxxx.....................1产品参数功能变化产品矩阵11222m产品矩阵P产品参数矩阵X差异度矩阵D规格变化各结构参数121122kkk产品系列规划聚类分析聚类图聚类分析过程mm归一化处理与相似度计算派生产品0...)(...)(...0)()(...)(0)1(221112mkkmkmmkmxDxDxDxDxDmnmmnnPPPPPPPPP.....................212222111211产品平台规划矩阵产品规划过程产品规划矩阵基于市场需求的产品规划1234567891-Bed(床身)2-Column(立柱)3-Saddle(横托板)4-ToolHolder(刀架)5-ColumnSaddle(刀架托板)6-RotatingTable(回转工作台)7-Fixture(夹具)8-Motor(电机)9-Guide(导轨)基型产品的初始设计方案几何模型模块的FEA分析结果FEA有限元分析模型整机FEA分析结果结构静劢态性能分析不评价静态变形对比020406080100120140dSUMdXdYdZ各向变形变形值/um优化前优化后各阶频率010203040506070f1f2f2f4阶次频率值/Hz优化前优化后优化前优化后静态综合变形/μm99.0286.78X/μm78.0767.26Y/μm7.0873.988Z/μm127.482.42质量/t37.9539.55劢态第一阶/Hz35.4834.27第二阶/Hz36.0635.04第三阶/Hz55.3453.74第四阶/Hz64.9263.5M1_tiZJM1M2M4M2_tiM4_ti子系统层系统层板厚101520253035681012141618板厚变化值/mm静态变形/μmM2_t1M2_t3M2_t4M2_t2静劢态性能优化设计M1:立柱M2:床身M3:工作台M4:滑板M6:主轰箱机床的模块化架构模块化架构模块模块名称磨齿机滚齿机插齿机外齿铣齿机内齿铣齿机通用模块床身立柱顶尖柔性模块工作台夹具与用模块主轴箱ExternalGearMillingMachine(外齿铣齿机)InternalGearMillingMachine内齿铣齿机HobMachine滚齿机GearGrinder磨齿机VerticalGearShaper插齿机机床功能的扩展P0内齿铣齿机机方案模块分解整机变形SP2：模块库模块组合P10P20P30M2+M3：立柱+横托板M4S0M6S0M1：床身M4+M5：刀架+纵托板M6：工作台M1S0M1S1M2S0M4S1M4S2M4S3P0P01P31P21P11数字下标代表产品横向变形数字上标代表产品纵向变形横向变化纵向变化M2S1M6S1模块组合P0M1M2M6M1S1M1S0M2S0M6S0P00P10M4M4S3M4S0M4S1M4S2P21P31M2S1P20P30P11P