DFM集成系统中的基本概念和关键技术

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DFM集成系统中的基本概念和关键技术

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一、DFM的基本概念

    可制造性设计(DFM,Design for Manufacture)是并行工程中最重要内容之一。DFM的主要思想是:在产品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性，目标是在保证质量的前提下缩短周期、降低成本，及早暴露潜在的制造性问题，避免了很多设计返工，而且对设计方案根据加工的时间和费用进行优化，增强产品的竞争力。

    1.可制造性的基本概念

    产品的可制造性与产品及其环境等多领域的问题相关，所涉及的因素多而且复杂，因此目前还处在探讨阶段，尚没有一个统一的定义。本文采用含义广泛的可制造性概念，即产品的可制造性是在满足功能要求的前提下，在相对资源环境的限制下，用以衡量产品制造品质的综合指标。一个产品若有最低的生产成本，最短的制造周期，最容易实现的技术操作集，则被认为这个产品具有好的可制造性。

    2.可制造性的基本特征

    (1).综合性:可制造性是一个综合性的技术经济指标，其内涵和影响涉及产品设计、工艺路线、加工方法、制造设备等许多方面，是一个多标准评价的概念。

    (2).相对性:可制造性又是一个相对的动态概念，与生产规模、生产环境有关。

    (3).比较性:不同种类的零件、产品可制造性差别很大，只有与相同功能的产品进行比较，产品可制造性的分析评价才有意义。

    二.特征的定义、分类和交互性

    1.设计特征的定义与分类

    设计特征是体现设计意图，并构成零件形状的抽象集合形体。设计意图可以由零件形状和对形状的约束条件来体现，因此设计特征可以看作是抽象形状特征与设计约束特征的组合，如图1所示其中抽象形状特征的主要特点是:

    (1)、与应用领域无关。因此用抽象形状特征构建的零f-ti型可以为不同的应用领域所共享。

    (2)、同一名称的抽象形状特征通常是不唯一的。例如槽特征类。

    (3)、抽象形状特征中有些具有明确的语义。例如用肋特征创建出的各类型肋，其语义是明确的。

     2.制造特征的定义与分类

    制造特征是一组反映工艺约束条件，具有确切加工形状的特征信息集合，其定义可用图2表示。

    其中形状特征包括两层含义:

    (1)、有表面粗糙度要求，需要进行冲压加工。

    (2)、有确切几何形状(与设计特征的抽象形状特征不同)，其组成面间有明确的约束关系。

    工艺约束特征包括质量特征、材料特征、工艺方法，其中质量特征由尺寸精度、表面粗糙度组成。

    3.特征的交互性

    (1).特征关系

     特征关系是指特征几何实体间的邻接关系、父子关系和尺寸与公差关系。根据特征间可能存在的各种关系，可将特征关系归纳为三类:

    (a).特征间由可进行参数化的几何约束相关联，即样式特征或复合特征，例如阵列孔。

    (b).特征间由不可参数化的几何约束相关联，这些几何约束是相邻、共边等，例如平面。

    (c).不存在几何约束的特征组合，仅仅为了使用方便。

    特征关系可以用以下参数表示:

    (a).相关参数与独立参数

    相关参数是指继承参数(如通孔的长度)、位置关系参数等，而独立参数则是指特征本身的参数(如孔径)。

    (b).相邻特征知识

    主要是指相邻特征的面的法线方向，相互的尺寸制约关系等。

    (c).特征位置参数

    是用于描述特征位于坐标系的参数，或用于描述与特征的面、边、点相邻或相切的位置参数。

    (2).特征交互性的类型及其对零件设计模型的影响

    特征的交互性是特征关系的子类，是特征边界与其它特征相交导致特征原有形状或者语义发生改变。特征相交后如何识别一直是特征技术中尚未很好解决的难点问题。

    特征交互性对零件设计模型的影响是明显的。设计特征模型是对设计时所采用特征的描述，反映的是设计的过程记录，而特征间发生的交互作用和干涉现象是设计的结果。这一交互性并没有在设计特征模型中反映出来，因而可能使所记录的设计特征模型与实际零件不符，具体表现在以下三个方面:

    (a).原特征参数失效。

    (b).拓扑关系改变。

    (c).原特征类改变或流失。

三.特征识别与特征映射的基本概念与基本形式

    1.特征识别的基本概念

    特征识别是将几何模型中的几何实体与预定义的特征类型进行比较，确定相匹配的特征实例，从而识别出相应特征的一种建模方法。特征识别过程一般由以下几个步骤组成:

    (1).搜索产品几何数据库，匹配特征的几何/拓扑类型。

    (2).从数据库中提取已识别出的特征实体。

    (3).确定特征描述参数。

    (4).构造特征几何模型。

    (5).组合简单特征，获得高级特征。

    2.特征识别的基本形式

    特征识别模块的结构如图3所示。特征识别方法的种类很多，从整体上可分为两类:

    (1).基于边界信息特征识别方法是以几何实体的边界信息(点、边、面)为基础，寻求与特征边界模式相匹配的区域，从而识别出几何模型中的所有特征。具有代表性的方法包括以下三种:

    (a).句法模式识别法是用一系列几何元素(如直线段、圆弧段)等边界信息描述二-gg几何模型，将几何模式与特征模式相匹配，从而识别出特征;

    (b).基于规则特征识别方法是运用模型中元素的一系列充要条件来构造特征的边界模式，基于专家系统实现特征识别;

    (c).基于图的特征识别方法是采用面边图表示特征边界模式，通过零件面边图的子图与特征面边图匹配来识别特征。

    (2).基于体信息特征识别方法是将产品模型分解为凸体的集合，通过凸体重新组合成相对应的特征体元，建立特征的体表示。应用比较广泛的方法包括:

    (a).基于体分解的识别方法，是通过将毛坯中被切除的实体分解成对应一定加工操作的小的实体来识别零件加工特征;

    (b).单元分解识别法，是直接从几何模型数据库中获得零件加工区的加工信息，以机加工体积的形式表示，用于满足诸如切削等机加工操作。

    3.特征映射的基本概念

    特征映射(Feature Mapping)是以特征具有多视域(Multiple Feature)特性为前提的。在基于特征的冲压产品信息定义过程中，不同视域中的特征具有不同的含义，即特征具有多视域性特点。

    如图4所示，在设计视域中表现为冲压件的悬壁特征，在冲压加工视域中则表现为冲压件的槽特征。因此需要通过一些方法来实现不同特征信息描述形式之间的转变，实现真正的设计与工艺的信息集成，该种方法就是特征映射，又称特征变换(Feature Trans for mation)或特征转换(Feature Conversion)，它是将产品对象的部分结构在不同特征空间中进行映射的过程。

  4.特征映射的基本形式
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    (1).一对一映射(Oneto One Mapping)诸如孔、槽等简单形状的特征，映射前后的特征形状一一对应，又称一致性映射。

    (2).聚合映射(Discrete Aggregation Mapping)将多个特征组合为单一特征。

    (3).分解映射(Discrete Decomposition Mapping)单一特征经过映射分解成多个特征。

    (4).共扼映射(Conjugate Mapping)体特征被分解为面特征，面特征再重组形成体特征。

    四.产品数据交换技术

    随着计算机技术的发展，CAx逐渐在工业界得到了广泛的应用，越来越多的用户需要把产品数据在不同应用系统之间进行交换。因此有必要建立统一的、支持不同应用系统的产品信息描述和交换标准。STEP标准的提出与完善为解决该问题提供了技术支持。

    1.STEP的概念

    STEP(Standard for the Exchange of Product Mode Data)是IS010303开发的产品数据交换标准。STEP提供一种不依赖于具体系统的中性机制，建立完整的、语义一致的产品数据模型，满足产品生命周期内各阶段对产品信息的不同需求，保证对产品信息理解的一致性。

    2.STEP的优点

    按STEP标准建立统一的产品数据模型并进行交换有以下优点:

    (1).完整地表达产品数据，并支持产品生命周期的各个环节。

    (2).独立于任何CAx系统。

    (3).有多种实现形式。

    五.可制造性评价方法

    1.可制造性评价策略

    近十几年来，国外出现了一些针对具体应用领域的可制造性评价独立系统或相关模块，其采用的评价策略，总体可分为以下两类:

    (1).基于规则进行可制造性评价

    这类方法将设计模型的各个设计属性与知识库中的设计规则进行比较，直接找出设计模型中的不易制造或不能制造的设计属性，作为评价结果进行输出。这类方法适用于铸造、冲压及注塑等非切削加工的的制造领域。

    (2).基于规划进行可制造性评价

    这类方法首先根据设计规则对各设计属性进行初步评价，然后根据设计模型及现有的制造资源创成加工工艺规划，再对工艺规划进行优化。这类方法适用于包括冲压领域在内的各种制造领域。

    2.可制造性评价方法综述

    近年来随着特征技术的不断成熟，基于特征的可制造性评价方法也就应运而生。这类方法是以产品的制造特征为基本对象，通过对所有制造特征的可制造性分析，找出不易制造的设计属性，对加工的时间和成本进行计算，定性和定量地评价产品的可制造性。根据评价方法能达到的功能层次将其分成以下四类:

    (1).面向单个特征的定性评价方法

    这类评价方法是根据现有制造资源的制造能力，判断产品模型的每个制造特征是否存在可制造性问题，并将存在制造问题的特征作为反馈信10,输出。评价策略是基于规则，评价方法是采用专家系统、知识库以及判断约束是否满足，评价结果是特征是否可用现有资源进行加工的定性结论。

    这类评价方法不需要完整的产品模型，优点是可以在产品的设计早期发现可制造性问题，及时引导设计人员进行修改，评价程序比较容易与设计系统以及其它应用系统进行整体集成，缺点是忽视了产品模型的特征间的相互作用，尤其是相交特征的多重解释问题，造成评价结果不准确或不正确的问题。

    (2).基于简化工艺规划的定性评价方法

    这类评价方法是根据产品的制造特征模型建立加工工艺规划，从工艺规划的角度对单个制造特征或者整个产品模型进行可制造性评价。评价方法是基于规则的，但由于以工艺规划为基础，可以从整体上进行结构工艺性和加工可行性等几方面对产品模型进行评价，使评价的内容可以更加具体和全面，对产品设计方案和工艺规划提出修改反馈信息，缺点是通用性不强而且必须以整体模型为评价对象。

    (3).面向整个产品模型的定量评价方法

    这类评价方法是对产品模型进行全局评价，通过几何推理，找出特征之间有关可制造性方面的内在关系，为工艺规划提供可靠全面的信息，设计者可根据可制造性评价指标对各设计方案的综合比较，得到最优的设计方案，但由于计算加工成本必须在产品设计完成后进行，未能较好地体现并行工程的产品开发思想。

    (4).具有优化设计建议功能的评价方法

    这类评价方法位于可制造性评价功能目标的最高层，系统自动产生对评价对象的设计修改建议。修改建议产生方法是建立在工艺规划的基础上，在不改变产品设计功能的前提下，对产品模型进行试修改，然后重新建立加工工艺规划、计算加工成本，当存在更优的加工成本时，则将试修改的结果作为优化设计修改建议。由于涉及理解产品模型的设计功能和设计者的设计意图，处理制造资源和产品结构的相互作用关系等问题，需要使用决策理论和专家系统知识，因此目前尚无满意的评价方法。

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