在机械设计过程中，不仅要考虑设计对象的功能、形状和精度，而且要考虑加工、装配、价格及寿命。在早期开发的一些系统中并没有考虑约束，对产品设计的过程及成本的影响。但是在实际的产品设计中，除了几何约束影响设计的质量及成本外〔１〕，其它诸如机床类型、机床进给速度、环境温度等约束对产品的质量和成本都有很大的影响。目前，许多方法学已经发展成为面向制造的设计（Design for Manufacturing），在DFM中有３个基础部分：制造性、成本和质量。机械约束能够保证设计的可制造性，本文对机械约束进行了分类并讨论了它们在犇犉犕中的作用，提出了一种机械约束面向对象的分类方案。

    １　机械约束的分类

    以基于STEP（产品模型数据交换标准）交换数据为基础的分类学定义一个零件，包括名称、材料特征、形状特征、精度特征。机械约束的划分多种方式。本文从产品可制造性的角度出发将约束划为几何约束、加工资源约束、加工条件约束和检测约束，见图１。

    （１）几何约束
    几何约束是指要求几何元素之间必须满足某种关系，从性质上可分结构约束和尺寸约束。结构约束是指拓扑与结构上的约束，尺寸约束是指固定几何元素间相对位置的约束。由于大多数CAD系统允许设计人员交互地定义这些几何拓扑关系，所以它们可以以参量的形式包含在形状特征中，不属于本文的研究范围。这里考虑的几何约束是指几何变量与加工方式间的约束，包括避免刀具与工件间的干涉及过切和满足特定的加工要求两方面。例如，在钻床上钻孔时，若孔的位置太靠近箱体壁面时则不能钻孔，因为孔箱体之间的薄壁会遭到破坏。　　
    （２）　加工资源约束
    加工资源是指在制造产品的过程中使用的设备。加工资源约束包括机床类型约束、刀具约束和夹具约束。机床约束包括机床类型、加工参数、公差约束和环境温度等。机床类型约束指机床的使用范围，加工参数包括机床的切削速度、进给速度、切削深度和工件的尺寸。例如，工件的尺寸约束要求设计人员考虑到机床能加工零件的最大尺寸。如果设计的零件尺寸过大，不能在普通机床上加工出来，这势必会增加加工成本。加工资源约束模型如图２所示。

    机床的加工误差，会引起所加工工件的误差。在工程设计中，应该根据零件的功能、成本、复杂性、产量等给定公差。不合适的公差设计将导致无法加工出零件，或者必须使用高精度机床，从而增加了加工费用。所以公差约束之间影响了产品的成本，在实际公差设计时应选取与最小制造成本相差±３σ（σ为标准偏差）的公差值。
    （３）加工条件约束
    加工条件约束包括冷却剂和冷却方法的选择、切屑的排除方法、车间的通风状态、工件坯材尺寸和宽度、前道工序加工方法（切削方法、锻造、铸造及其它成型方法），以及车间的振动等方面，不合适的加工条件约束势必会增加加工成本。例如，在加工某些材料时必须使用专门的冷却剂和冷却方法，这直接导致了加工成本的增加。　　
    （４）加工检测约束
    设计具有复杂几何形状的零件时，从设计开始就应考虑其检测方法，如量具的测量范围、测量精度及测量方式等，这就是加工检测约束。总体上说，用于检测产品的量具要比产品具有更高的精度。当然，在设计过程中这些约束是基于相应的知识库建立的，包括设备库、刀具库、夹具库、量具库、工艺路线数据库等，这些库中包含的参数意义与CAPP中的定义相似。

    ２　机械约束知识表达方法

    从约束分类可以看出，约束分类具有层次结构，有些约束是关于具体对象的事实，包括与加工环境有关的工艺数据及知识或设计手册上已经标准化了的数据和知识。这类约束相对来说比较稳定，适于用框架结构构造知识库。另外一类约束是与特定工艺习惯或经验有关的约束，由于这类约束针对不同对象差别很大，所以适于采用产生式规则构造动态的知识库。据此，对于面向制造设计中采用框架结构和产生式规则相结合来描述是合适的，即总体采用框架式结构，而其中的规则集由产生式规则构成，基本结构如图３所示。关系槽用来描述一个框架的多个框架对象之间的静态关系。属性槽表达设计对象数据即静态约束特性。规则槽用来存放产生式规则集，规则按处理对象的不同分组，分别以槽值的形式存储在规则槽中。

    本文采用面向对象的方法描述机械约束和形状特征。在面向对象技术中，问题被抽象为类和对象。特征能够被描述为类，类的实例就是对象，将类和对象定义具有一系列属性和行为。属性是指类或对象具有的特性，行为是指类和对象具有的功能，类和对象中的信息可以定义为２种数据形式：公有和私有。公有数据是指可以被其它零件使用的数据，而私有数据则只能为某零件自己或定义的友元使用，通过定义数据的私有性就可以实现信息的隐藏（封装）。由于设计过程和思维方式都是类似的，可以将这些设计过程进行总结、抽象，定义一个类，通过类之间的继承性进行设计而简化设计过程。　

    ３　描述实例

    机械约束都能够采用如上所述面向对象方法描述为类和对象。由于基于约束的设计在设计初期就要考虑到几何模型中去，所以将它们描述为类和对象后，它们便会随产品的几何模型一起作用在从设计开始到制造结束的整个过程，以此为基础便可以进行零件的DFM。下面给出了钻床面向对象的约束模型。在面向对象的表达中，钻床被定义为类，而加工设备为其槽类，为框架中的关系槽，其余为属性槽。由于加工设备约束为静态约束，所以无规则槽。
    钻床：IS KIND OF（加工设备）；功能：钻孔，铰孔，攻丝；动力约束：功率１５KW，水平力无，垂直力８０ON；加工参数约束：工件尺寸约束（mm），最低旋转速度３０r/min，最高旋转速度２４００r/min，最底进给速度１０mm/min，最高进给速度６０mm/min，方向移动速度４００mm/min，x方向移动速度４００mm/min，y方向移动速度４００mm/min；公差约束：直径误差１.２５μm，粗糙度误差１.２５μm，定位误差１.２５μm，偏心误差１.２５μm，平行误差１.２５μm，位置误差１.２５μm；环境温度约束１０～２２℃。