基于公理设计的功能公差设计理论与方法研究

The project aims at the problems of product tolerance design needs to be consistent with the new generation GPS. The axiomatic design theories are introduced into the frame of computer aided tolerancing, and then functional tolerancing based on axiomatic design is presented. It will extend and improve the theories and methods of Computer Aided Functional Tolerancing(CAFT). The gradually deploying tolerancing methods are carried out from'Top to Down' using zigzagging mapping between neighborhood domains. The assembly positioning constraints and geometric topology between functional features are studied, and then a new 'hierarchical recursive tolerancing' method is presented using the concept of 'block'. Bidirectional mapping from tolerance zone to deviation space is explored, and the methods of tolerance synthesis, evaluation, tolerance analysis and simulation are studied based on the extended application of axiomatic design combined with Six Sigma, TRIZ decoupling, Fuzzy mathematics etc. The integration of 'tolerance design' and 'tolerancing process' is presented, and build the comprehensive frame of tolerance design from the 'point' to 'line'. The prototype system which is called AD-CAFT is developed on the basis of the theoretical research, and functional tolerancing of complex mechanical products are illustrated. The results of the project research will contribute to the fusion of CAT and GPS, it has important academic significance and engineering application values.

本课题针对新一代GPS标准要求公差设计与其保持一致的问题，将公理设计理论（AD）引入到计算机辅助公差设计中，提出基于公理设计的功能公差设计，扩展并完善计算机辅助功能公差设计（CAFT）理论与方法。探索"域"之间的自顶向下 "之"字型分解映射和逐步展开的公差设计方法；研究功能特征之间的装配定位约束和几何拓扑关系，引入"块"的概念，提出一种公差"分层递归设计"新方法；揭示由公差域-偏差域以及偏差域-公差域的双向映射机理，并结合六西格玛设计、TRIZ解耦设计、模糊数学等来扩展公理设计在公差设计中的应用，实现公差综合评价和仿真分析；提出研究公差"设计"与公差"过程"的集成，构建公差设计由"点"到"线"的设计框架。在理论研究的基础上开发AD-CAFT原型系统，并结合复杂机械产品进行实例验证。本项目的研究成果有助于促进计算机辅助公差设计与新一代GPS标准体系融合，具有重要的学术意义和工程应用价值。

在最新产品几何技术规范（GPS）标准体系下，开展了基于公理设计的公差设计、公差耦合解耦设计、功能公差设计理论和知识库、三维公差建模与仿真分析、柔性件公差分析等方面研究。1）将公理设计引入计算机辅助公差设计领域，为公差设计由经验设计变为科学设计提供了有益启示；2）基于对功能边界分析方法的研究，提出了装配实效边界的概念，为装配功能需求-零件公差映射提供一种有效途径；3)研究了用几何公差控制角度偏差及其累积、轮廓度公差控制装配间隙及均匀性和局部尺寸标注实现功能需求、成组要素的功能需求-几何公差设计等问题，初步形成了公差设计案例集；4）用最新GPS通用概念和术语解释图样标注，可用于指导加工制造和计量检测； 5)将几何尺寸与公差理论应用于汽车尺寸工程、人工髋关节几何设计中，为丰富功能公差设计理论的工程应用提供了初步经验。通过为期四年的研究，构建了基于公理设计的功能公差设计框架，促进了计算机辅助公差设计（CAT）与最新GPS标准的融合，实现了理论研究-工程应用的初步转化。项目资助发表论文11篇,CINI网络首发论文2篇,录用待发表2篇，投稿在审论文2篇；申请专利23项，其中授权3项；授权软件著作权1项；培养硕士生8名，其中4名已取得硕士学位，4名在读（含2名2018级新生）。项目投入经费82万元，支出41.11万元，剩余40.89万，剩余经费计划用于本项目后续支出。