（机械制造及其自动化专业论文）并行工程环境下dfx相关理论与方法的研究.pdf

摘要 随着市场竞争的日益激烈和用户需求的不断提高，产品更新换代的速度越 来越快。制造企业如何以最低的成本开发出质量最好的产品，并以最快的速度 响应市场需求是企业生存和发展的关键。这就迫使企业必须改变传统的串行产 品开发过程，引入并行工程的思想，实现产品的并行开发。 并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统方法，其主要理 念是缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本。d f x 方法是实现并 行工程这个思想的重要的产品设计方法。 本文分析了并行工程及其关键技术和d f x 及其主要内容，研究了并行工 程环境下d f x 相关的一些理论与方法，主要研究工作包括： 1 、从产品开发周期模型出发，考虑工艺方案及其参数对产品可制造性的 影响，提出了产品d f m 研究中的工艺方案及其参数优化的分阶段优化模型， 利用遗传算法寻优，并用算例验证了文中方法的可行性和有效性。 2 、研究分析了相关文献提出的针对不同问题的d f p 方法，提出了一种产 品开发的综合d f p 方法。该方法通过制造系统生产能力分析和新产品制造周 期估算，可以分析反馈影响产品制造周期和制造系统性能的问题信息，通过及 时修改设计，从而缩短产品开发周期。 3 、从可制造性分析的角度分析了特征识别技术的相关理论方法，研究了 可制造性分析的特征识别，提出了一种零件可制造性特征的仿真识别方法，并 建立了相应的自动可制造性分析原型系统。 4 、根据可装配性评价工作流程，研究分析了d f a 的概念以及产品装配建 模和装配序列规划的理论方法，探讨了可装配性评价体系的主要内容。 5 、研究分析了w e b 技术的相关理论，建立了基于w e b 的d f x 服务系统 的体系结构。该结构通过满足分布用户访问d f x 服务器并可编辑修改服务器 的内容，从而实现分布并行设计。 关键词：并行工程，d f x ，可制造性，d f p ，特征识别，可装配性 a b s t r a c t w i t ht h ew o r l d w i d e c o m p e t i t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f c u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s ， t h es p e e do f p r o d u c t u p d a t i n gb e c o m e s m o r ea n df a s t e r t od e v e l o p p r o d u c ti nl o wc o s t ， h i g hq u a l i v ya n ds h o r tl e dt i m ei st h ek e yf o re n t e r p r i s e s i ti sn e c e s s a r yf o re n t e r p r i s e s t or e f o r mt h et r a d i t i o n a l p r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s sa n di m p l e m e n tc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ( c e ) i n o r d e rt or e a l i z ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc o n c u r r e n t l y c ei sas y s t e m a t i ca p p r o a c hf o rd e s i g n i n gp r o d u c ta n di t sp r o c e s si n t e g r a t e da n d c o n c u r r e n t l y n l em a i n a i mo fc ei st or e d u c ec y c l e t i m e i m p r o v ep r o d u c ta n d t ol o w e r c o s t ，d f x i sa i m p o r t a n ta p p r o a c h o f i t b a s e do nt h es u m m a r i z i n go f t e c h n i q u e so fc ea n dm a i nc o n t e n t so fd f x ，t h e r e s e a r c ho nd f xr e l a t e dt h e o r ya n dm e t h o di nc ee n v i r o n m e n ti sc a r r i e do u t t h e d i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n s i s t so f f i v es e c t i o n s 1 f r o mt h ep o i n to fv i e wo fi m p r o v i n gm a n u f a c t u r a b i l i v yo fm a c h i n ep a r t s ，a n o p t i m i z a t i o na p p r o a c ho fp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h ed e s i g n i n gi sp r e s e n t e d ag e n e t i c a l g o r i t h mh a s b e e ne m p l o y e dt os o l v et h e m o d e l a p p l i c a t i o n so ft h e m e t h o di n d e t e r m i n i n gt h eo p t i m a lp r o d u c tp r o c e s sp a r a m e t e r so fm a c h i n e dp a r t sa r eg i v e n t h e r e s u l t s i m p l yt h a t t h e g e n e t i ca l g o r i t h mw a sv e r ye f f e c t i v e f o r s o l v i n gt h eg l o b a l p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o np r o b l e m t h ea p p r o a c hp r e s e n t e d c a l lb e i n t e g r a t e d i n t o c o n c u r r e n te n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t 2 d e s i g n f o r p r o d u c t i o n i n c l u d e s d e s i g ng u i d e l i n e s ，c a p a c i v ya n a l y s i s ，a n d e s t i m a t em a n u f a c t u r i n gc y c l et i m e i td e t e r m i n e sm a n u f a c t u r i n gan e w p r o d u c td e s i g n a f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m i nt h i s p a p e r , ag e n e r a ld f p a p p r o a c hw h i c h c a nr e d u c em a n u f a c t u r i n g c y c l e t i m e d u r i n gp r o d u c td e s i g ni sp r e s e n t e d i tp e r f o r m s c a p a c i v ya n a l y s i sa n dm a n u f a c t u r i n gc y c l et i m ee s t i m a t e ，a n dg i v e sf e e d b a c k w h i c hc a nb eu s e dt oe l i m i n a t em a n u f a c t u r i n g c y c l e t i m e p r o b l e m 3 i ti si m p o r t a n tt oe v a l u a t et h em a n u f a c t u r a b i l i t yo f m a c h i n e p a r t s i nt h i sp a p e r , t h e s u r v e y o fd e f i n ea n d t y p e o ff e a t u r ea n di t s r e c o g n i t i o n i s p r o v i d e d ，t h e m a n u f a c t u r a b i l i t ya n di t sf e a t u r er e c o g n i t i o no fm a c h i n e dp a r t si sd i s c u s s e d t h e nt h e a r c h i t e c t u r eo f a u t o m a t i cf e a t u r er e c o g n i t i o no f m a n u f a e t u r a b i l i t yi sp r e s e n t e d i l l 4 t h er e v i e w i n go ft h es t e p sa n dm e t h o d si nd f aa n dt h ea n a l y s i so ft h er e l a t e d c o n t e n t si na s s i m i l a b i l i t ye v a l u a t i n gi sc o n d u c t e d o nt h eb a s i so ft h e s ep u r s u i t s ，t h e p r i m a r y r e s e a r c ho nt h es y s t e mo f a s s e m b i l i t y e v a l u a t i n g i sp r e s e n t e d 5 t h ed i s c u s s i n go fn e t w o r ka n dm a n u f a c t u r a b i l i t yr e l a t e dm e t h o di sp r e s e n t e d t h e nt h ew e b - b a s e dd f xf r a m e w o r ki sp r o p o s e d b a s e do nt h ef r a m e w o r kp r o d u c t d e v e l o p e r sc a n l i n kt ot h ed f xs e r v e ra n dc a ne d i ta n dm o d i f yt h ec o n t e n ti nt h es e r v e r , w h i c hr e a l i z et h ec e a c t u a l l y k e yw o r d s ：c o n c u r r e me n g i n e e r i n g ，d f x ，m a n u f a c t u r a b i l i t y ，d f p ，f e a t u r e r e c o g n i t i o n ，a s s i m i l a b i l i t y 声明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：兰墨盐日期 o 3 千5 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、索引或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本人签名：墨茎盐日期 导师签名： ”o ；斗3 0 第一章绪论 1 第一章绪论 1 1 引言 制造业是一个国家综合国力的重要基础之一。当今制造业市场竞争激烈、 变化迅速。随着全球经济一体化进程的不断推进，制造业市场从传统的“相对 稳定”逐步演变成“动态多变”的局面，其竞争的范围也从局部地区扩展到全 球范围 1 , 2 1 。 制造企业间激烈竞争的核心是产品( p r o d u c t ) 。随着时代的变迁，产品间 竞争的要素也不断随之演变。2 0 世纪7 0 年代以前，产品竞争要素是成本 ( c o s t ) ，2 0 世纪7 0 年代增加了质量( q u a l i t y ) ，8 0 年代增加了交货期( t i m e ) ， 9 0 年代又增加了服务( s e r v i c e ) ，世纪更迭之际又增加了环境因素 ( e n v i r o n m e n t ) ，预计在新的世纪“知识创新”( k n o w l e d g ei n n o v a t i o n ) 将成 为竞争的关键要素。 市场竞争对产品设计的要求是要面向市场、面向用户。并行工程 ( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g 。c e ) 的设计方法以及由此派生出的一系列新的设计 理念：面向制造的设计( d e s i g n f o rm a n u f a c t u r a b i l i t y ，d f m ) 、面向装配的设 计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，d f a ) 、面向生产的设计( d e s i g nf o rp r o d u c t i o n ， d f p ) 、面向成本的设计( d e s i g n f o r c o s t ，d f c ) 、面向质量的设计( d e s i g n f o r q u a l i t y ，d f q ) 、面向维修的设计( d e s i g n f o rs e r v i c e ，d f s ) 、面向回收的设 计( d e s i g n f o rr e c y c l e ，d f r ) 、面向环境的设计( d e s i g nf o re n v i r o n m e n t s ， d f e ) 等，使产品设计与制造系统的全过程相结合，产品开发的重点向产品设 计过程转移，使产品设计涵盖了从产品概念形成到产品报废处理的全生命周期 中的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需求等。通过在设计阶段对 产品的结构、工艺进行优化，对产品的性能进行预测，从而缩短产品开发周期、 提高产品质量、降低产品成本【3 4 j 。 制造企业为了赢得日益激烈的市场竞争，增强自身的活力，必须不断推出 满足用户需求的质优价廉的产品，而实施并行工程是实现这个目标的有效方 法。因此，研究并行工程环境下d f x 相关的理论与方法是一项具有重要意义 的工作。 ! 茎笪三堡至墨! 里! 圣塑茎里堡兰查鎏塑翌壅 1 2 并行工程概论 并行工程c e ( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 的概念是美国国防分析研究所i d a ( i n s t i t u t eo f d e f e n s e a n a l y z e ) 以武器生产为背景，在对传统的生产模式进行 系统分析的基础上，于1 9 8 8 年首次系统化地提出的，即“并行工程是集成地、 并行地设计产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统方法。这种 方法要求产品开发人员设计伊始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到报 废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。”i n 5 】并行工程 环境的产品开发模式如图1 1 所示。 卫【念设计l t ， 分析评价 叫详细设计卜 一 一工艺设计h ， 可制造性 生f t ，l 装配设计i 一 一 可生产性 _ _ t - l 检验设计 一 可装配性 ， - 三二 一 t - l 维修设计h 可回收性 l _ 二二= 二= z 一 图1 1 并行工程环境的产品开发模式 自从并行工程提出以来，美国、欧共体和日本等先进发达国家高度重视， 并开展实施了一系列以并行工程为核心的政府支持计划，如美国国防先进研究 计划局d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 支持的d i c e ( d a r p ai n i t i a t i v ei nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 计划，欧洲的e s p r i ti i & i i i ( 欧洲信息技术研究发展战略计划) ，日本的i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 计划等。国夕 很多企业，特别是波音( b o e i n g ) 、洛克希德( l o c k h e e d ) 、 雷诺( r e n a u l t ) 、通用电力( g e ) 等一系列大公司通过并行工程实践，取得了 良好效果。 从2 0 世纪9 0 年代开始，并行工程也引起了国内学术界的高度重视。1 9 9 5 年“并行工程”正式作为关键技术列入国家8 6 3 c i m s 研究计划，工业部门也 开始设立小型项目资助并行工程技术的预研工作。国内企业也己自觉地运用并 第一章绪论 行工程思想和方法来缩短产品开发周期、增强竞争能力。由于投资规模比较小， 国内绝大部分研究项目还仅仅局限在学术讨论的层次上，相关成果还只是一些 原理化、特例化的推理和公式，未得到系统化、工程化的扩充和完善，难以满 足企业实践的要求。可以说，无论从技术研究还是企业实践上，我国都落后于 国际先进水平，许多工作仍处在探索阶段【8 】。 并行工程作为集成地并行地设计产品及其相关过程的系统化方法，它以计 算机作为主要技术手段，其关键技术包括 9 a o l ： ( 1 ) 产品并行开发过程建模、仿真及优化。并行工程与传统生产方式的 本质区别在于它把产品开发的各个活动作为一个集成的并行的产品开发过程， 强调下游过程在产品开发早期参与设计过程；对产品开发过程进行管理和控 制，不断改善产品开发过程。这种设计思想是在研究产品开发过程的基础上形 成的。因此，实现产品的并行设计，首先必须建立产品并行开发的信息模型j 。 产品开发过程信息模型的研究始于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，当时的 句法结构分析，用一套符号及一些规约方法表示出产品开发中的信息流动，提 出数据流动图( d a t af l o w d i a g r a m ，d f d ) 建模技术。美国软件技术公司通过 类似的研究，提出了结构功能分析方法，把由人员、机械、方法、材料、产品 等组成的系统用图形、文字加以表示，建立了结构分析和设计技术( s t r u c t u r a l a n a l y s i sa n dd e s i g nt e c h n o l o g y ，s a d t ) 系统，1 9 7 8 年被美国空军选作支持 集成计算机辅助制造( i n t e g r a t i o nc o m p m e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，i c a m ) 系 统的软件技术，以后又在s a d t 的基础上将其发展成为四类集成计算机辅助 制造定义方法( i c a m d e f i n i t i o nt e c h n o l o g y ，i d e f ) ，分别用于含有计算机及 软件工程的系统信息分析、动态分析和过程建模，在工业界得到应用。 ( 2 ) 集成产品开发团队。集成产品开发团队( i p t i n t e g r a t e d p r o d u c tt e a m ) 是为了完成特定的产品开发任务，打破传统的部门制或专业组，以产品为主线 而组成的多功能团队组织，它包括来自市场、设计、工艺、生产技术准备、制 造、采购、销售、维修、服务等各部门的人员，有时还包括顾客、供应商或协 作厂的代表。团队的成员技能互补，致力于共同的绩效目标，并且共同承担责 任。i p t 能够大大提高产品生命周期各阶段人员之间的相互信息交流，促进他 们的协同工作 1 2 j 。 ( 3 ) 协同工作环境。在并行工程产品开发模式下，产品开发是由分布在 异地的采用异种计算机软件工作的多学科小组完成的。多学科小组之间及多学 4 并行工程环境下d f x 相关理论与方法的研究 科小组内部各组成人员之间存在着大量相互依赖的关系，并行工程协同工作环 境支持i p t 的异地协同工作。协调系统用于各类设计人员协调和修改设计，传 递设计信息，以便做出有效的群体决策，解决各小组间的矛盾。产品数据库管 理p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 系统构造的i p t 产品数据共享平台，在 正确的时间将正确的信息以正确的方式传递给正确的人；基于c l i e n t s e r v e r 结构的计算机系统和广域的网络环境，使异地分布的产品开发队伍能够通过 p d m 和群组协同工作系统进行并行协作产品开发 1 3 , 1 4 】。 ( 4 ) 数字化产品建模与c a x d f x 使能工具。基于一定的数据标准，建 立产品生命周期中的数字化产品模型，特别是基于s t e p ( s t a n d a r df o rt h e e x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 标准的特征模型。产品设计主模型是产品开 发过程中唯一的数据源，用于定义覆盖产品开发各个环节的信息模型，各环节 的信息接口采用标准数据交换接口进行信息交换。数字化工具定义是指广义的 计算机辅助工具集。最典型的有c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 、c a f d ( 计算机 辅助工装系统设计) 、d f a ( 面向装配的设计) 、d f m ( 面向制造的设计) 、m p s ( j j i 】 工过程仿真) 等。它们被广泛用于c e 产品开发的各个环节，在s t e p 标准的支 持下，实现集成的、并行的产品开发【l 5 ，”j 。 并行工程的核心问题是产品开发过程中的管理与技术的集成，就是集成产 品开发团队( i p t ) 以改进的流程为核心，通过应用数字化产品模型定义、d f a 、 d f m 、q f d 、p d m 等，在产品开发早期综合考虑产品生命周期中的各种因素， 力争产品从设计到制造的一次成功。 1 3 1d f x 的含义 1 3d f x 方法概论 d f x ( d e s i g nf o rx ) 是指面向产品生命周期各某环节的设计【7 3 ，7 4 1 。其中 的x 可以代表产品生命周期或其中某一环节，如装配、加工、使用、维修、 回收、报废等，也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量、成 本、时间等等。而这里的“d e s i g n ”不仅仅指产品的设计，也指产品开发过程 和系统的设计。 d f x 是一种哲理、方法、手段、工具。在产品设计时，产品开发人员在 第一章绪论 考虑功能和性能的同时考虑与产品整个生命周期各阶段相关的因素，包括制造 的可能性、高效性和经济性等，这将有益于产品竞争力的提高；而借助计算机 实现的d f x 工具可以有效地辅助产品设计人员按照d f x 方法进行产品设计。 d f x 是一种设计方法论。d f x 方法本身并不直接产生设计方案，它是对 候选设计方案进行评价、分析，从而为设计提供依据的方法。d f x 方法的应 用最终通过再设计实现产品的优化，它不仅用于改进产品本身，而且用于改进 产品相关过程( 如加工过程、装配过程等) 和系统。传统的产品开发过程，当 产品设计完毕，接着再进行过程设计( 如加工工艺设计、装配工艺设计等) ， 而d f x 方法强调产品设计和过程设计的并行进行。 1 3 2 典型d f x 方法 根据d f x 的含义，我们可以建立如图1 2 所示的典型d f x 设计模型。 图】2 典型d f x 设计模型 ( 1 ) 面向制造的设计d f m ( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r i ng _ m a n u f a c t u r a b i l i t y ) ： d f m 的主要思想就是在产品设计时不但要考虑产品的功能和性能要求，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。其目标是在 保证功能和性能的前提下使制造成本最低。在这种设计与工艺同步考虑的情况 下，很多隐含的工艺问题能够及早暴露出来，避免了很多设计返工；而且通过 对不同的设计方案根据可制造性进行评估取舍，根据加工费用进行优化，能显 著地降低成本，增强产品的竞争力2 们。 6 并行工程环境下d f x 相关理论与方法的研究 d f m 是并行工程环境下的主要支持工具之一。我们可以从下面几个方面 看到d f m 和c e 之间的关系： d f m 是c e 的思想核心。设计与制造，是产品生命周期中最重要的两 个环节。所谓并行工程，最重要的是产品设计与制造过程设计的并行。在设计 阶段就能考虑可制造性是并行工程最基本的优势所在。 d f m 是实现c e 的关键技术。要实现c e ，设计和制造决不可能再保持 传统的串行分离的方式。d f m 方法所提倡的在设计中考虑制造工艺，根据加 工能力来设计产品及其零件的方法必然是c e 的设计方法。 c e 是d f m 的推广和延伸。自从d f m 的概念被提出以来，又相继出现 了很多d f x 的概念，比如d f q ( d e s i g n f o rq u a l i t y ) ，d f r ( d e s i g nf o rr e l i a b i l i t y ) ， d f d ( d e s i g nf o rd i s a s s e m b l y ) 等等，逐渐覆盖了产品从设计到制造、使用、回 收的全生命周期，这实际上已经在d f m 的基础上拓展成为c e 的思想：即在 设计阶段就考虑产品后续阶段的整体效益。 ( 2 ) 面向装配的设计d f a ( d e s i g n f o r a s s e m b l y ) ：d f a 是一种针对装配 环节的统筹兼顾的设计思想与方法，就是在产品设计过程中利用各种技术手 段，如分析、评价、规划、仿真等，充分考虑产品的装配环节以及与其相关的 各种因素的影响，在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构，使产 品设计具有良好的可装配性，并尽可能地降低装配成本和产品总成本1 1 7 1 。 d f a 也是并行工程环境下的一个主要设计支持工具，它为设计人员提供 基于装配的设计支持，包括可装配性分析、装配结构分析、装配工艺性分析和 装配工艺设计等。其中，装配结构分析通常还要从装配序列规划、装配公差分 析、装配机构仿真等不同侧面展开，以确保结构设计的可装配性及有效性，保 证产品的装配质量，从而避免因装配设计问题而导致的后续再设计所造成的巨 大浪费，提高产品设计质量，缩短产品设计周期，降低产品设计成本。 ( 3 ) 面向生产的设计d f p ( d e s i g nf o rp r o d u c t i o n ) ：d f p 是根据产品设 计、工艺设计和产品的批量信息以及制造系统的信息，进行制造系统生产能力 分析和产品制造周期估算的方法。其中，生产能力分析是指分析制造系统是否 具有达到预期生产率的足够生产能力的方法1 1 “l ”j 。 d f p 和d f m 都与产品的制造有关。d f m 评估的是产品的材料、所需的 制造工艺和装配的难易程度。简言之，它的功能就是评价制造能力和估算制造 成本，且侧重于制造所需的单个工序。d f p 评估的是制造系统可以生产多少 第一章绪论 零件和每个工序需要多少时间，也就是说它的功能是评估生产能力和估算制造 周期。d f p 方法考虑制造系统的总体信息，它不仅能够指导产品开发人员更 好地迸行产品设计，还有助于改善制造系统性能。 d f p 可以与d f m 相互协调工作。由于某些d f p 方法需要产品工艺规划 和工序时间的有关信息，因此生成工艺规划和估算工序时间的d f m 的工作可 以作为d f p 的第一步。在概念设计阶段进行d f a 分析以减少零件数目，利用 d f p 计算生产能力与制造周期；在详细设计阶段进行d f m 分析以降低制造成 本，此时利用d f p 方法可以通过发现引起生产率和周期问题的制造工序来指 导设计工作，从而通过减少工序时间大大缩短制造周期。 ( 4 ) 面向成本的设计d f c ( d e s i g n f o rc o s t ) ：d f c 是指在满足用户需求 的前提下，尽可能地降低成本，通过分析和研究产品制造过程及其相关的销售、 使用、维修、回收、报废等产品全生命周期中的各个部分的成本组成情况，并 进行评价后，对原设计中影响产品成本的过高费用部分进行修改，以达到降低 成本的设计方法【2 i ，”j 。 d f c 运用产品特征建模技术、制造工艺过程规划、装配工艺过程规划、 d f m a 理论与方法、价值工程分析方法、产品数据管理等技术与方法，在设 计阶段综合考虑产品生命周期中的材料、加工、装配、维护等各种成本因素， 通过对产品技术经济性评价，指导设计者根据成本原因，及时进行设计修改， 从而达到降低产品成本的目的。 ( 5 ) 面向检验的设计d f i ( d e s i g n f o ri n s p e c t i o n ) ：d f i 着重考虑产品、 过程和人的因素以便提高产品检验的方便性。产品检验是加工和维修的主要工 作。加工中的产品检验是为了提供快速精确的加工过程反馈，而维修中的产品 检验则是为了快速而准确地确定产品结构或功能的缺陷，及时维修以保证产品 使用的安全、可靠。产品检验的方便性取决于色彩( 如：电路板上的不同颜色 的元件对应于不同的种类) 、零件内部可视性( 如：油缸应该直接显示液面) 、 结构等许多因素。 ( 6 ) 面向质量的设计d f q ( d e s i g nf o rq u a l i t y ) ：质量是产品的生命，质 量也可以理解为产品满足要求的程度，提高产品质量贯穿产品生命周期的各个 环节。面向质量的设计的主要原则包括：产品应易于检查；采用标准件；图纸 标注清楚规范；尺寸公差设置合理；模块化设计等等。 ( 7 ) 面向维修的设计d f s ( d e s i g n f o rs e r v i c e m a i n t a i n r e p a i r ) ：产品维修 并行工程环境下d f x 相关理论与方法的研究 主要涉及产品拆卸和重装等工作。如何减少拆卸和重装等工作所需时间和成 本，提高产品的可维修性是d f s 的研究内容。 产品的可维修性主要取决于产品故障确定的难易程度、产品的可拆卸性和 可重装性。另一方面，考虑零部件的可靠性要求尽量使容易发生故障的零部件 处于容易拆卸的位置，从而有利于维修时间与成本的减少。因此，d f s 的设 计原则包括：需要经常维护的零件和易磨损易失效的零件应置于易发现和易接 近处；零件的拆卸尽量避免移动其它零件；尽量减少拆装所用的维修工具种类； 采用标准件和模块化设计：留有足够的维修空间；提高产品可靠性等。 ( 8 ) 面向回收的设计d f r ( d e s i g nf o rr e c y c l i n g ) ：d f r 是产品生命周 期设计的重要组成部分，它在设计阶段就考虑产品退役后的拆卸回收问题，从 而提高产品的维修、再制造和再利用能力，对节省资源和环境保护具有重要意 义。d f r 设计的重点在于产品的可拆卸性提高和材料的回收利用方面，因此， d f r 与d f s 和d f e 关系密切。 ( 9 ) 面向环境的设计d f e ( d e s i g nf o re n v i r o n m e n t ) ：d f e 着重考虑产 品开发全过程中的环境因素，目的是尽量减少在生产、运输、使用、维修与维 护、回收与报废等产品生命周期的各个阶段中产品对环境的不良影响，如：资 源枯竭、污染等。产品对环境产生较大影响的主要因素包括材料、加工处理、 功能、形状、尺寸、配合与安装等。d f e 的设计原则有：设计可重复使用、 可回收的产品和零件；尽量少用玻璃、金属强化塑料等复合材料；减少零件数； 减少使用的材料种类等。d f e 的同义术语包括：可持续开发( s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ) 、生态设计( e c o d e s i g n ) 、绿色设计( g r e e nd e s i g n ) 和环境意识 设计( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u sd e s i g n ) 等随2 6 1 。 1 3 3d f x 方法的主要内容 d f x 方法分析评估产品设计的主要内容包括： 1 产品分析( p r o d u c ta n a l y s i s ) ：d f x 方法需要收集和明确目标产品的相 关信息，信息的来源主要是图纸、操作手册等。分析内容有零件总数、同类零 件和不同类零件的统计、材料等。 2 工艺分析( p r o c e s sa n a l y s i s ) ：收集和整理相关工艺的数据和资源情况， 分析工序总次数和同类活动次数等。 第一章绪论 3 性能测定( m e a s u r i n gp e r f o r m a n c e ) ：根据相关的性能指标测定所收集 的信息之间的关系。 4 标准制定与问题发现( h i g h l i g h t i n gb yb e n c h m a r k i n g ) ：在确定性能评 价标准的基础上，判定设计的优劣，主要是发现设计的不足之处和可以改进的 地方。 5 问题产生原因分析( d i a g n o s i n gf o ri m p r o v e m e n t ) ：分析设计问题产生 的原因，为产品设计改进提供依据。 6 改进方案( a d v i s i n g o nc h a n g e ) ：通过对产品和工艺进行删除、集成、 组合、简化、标准化、替代和修改等方法，提出产品设计的改进方案。 7 改进方案排序( p r i o r i t i z i n g ) ：对可能出现的多个改进方案进行排序， 确定最终采用的方案。 1 4 d f x 相关理论方法研究现状 1 4 1 面向制造的设计d f m 的研究现状 面向制造的设计d f m 的主要思想就是在产品设计时既要考虑产品的功能 和性能要求，同时也要考虑产品的可制造性，以实现产品在功能和性能要求以 及可制造性约束下的制造成本或制造周期的最优目标，从而增加产品的市场竞 争力。因此，面向制造的设计d f m 是并行工程c e 中最重要的研究内容之一， 而实现d f m 设计思想的关键是产品的可制造性分析，即可制造性评价。 可制造性评价就是在产品设计过程中，通过对产品设计方案的各种属性， 包括形状、尺寸、公差和表面质量等满足现有制造资源约束的程度进行分析， 对产品设计在制造过程中的结构工艺性、装配工艺性、加工工艺性和经济性等 进行评估，及时发现影响产品制造和产品质量的问题，从而指导产品设计，以 缩短产品开发周期，提高产品设计质量。 b o o t h r o y d 和d e w h u r s t 6 j 关于设计模型的装配成本估计方法的研究是涉 及可制造性评价的最早工作。此后，从2 0 世纪9 0 年代初期开始，在面向制造 的设计d f m 研究中，可制造性评价开始受到重视，提出了许多针对不同应用 领域的评价系统。v e n t a t a c h l a m t “7 】提出了一种采用基于规则的专家系统进行自 动可制造性评价的方法；c u t k o s k y 1 l s l 等开发了一个用于机加工零件的集成有 0 并行工程环境下d f x 相关理论与方法的研究 可制造性评价模块的n e x tc u t 系统：h s i a o 等【1 1 9 】采用特征映射的方法将设 计特征转化为制造特征而支持产品的可制造性评价；c h e r n g 1 2 0 等开发了一个 适用于轴类零件特征建模和工艺规划的动态集成系统；g u p t a 1 2 1 】等提出了一种 分析机9 , t 零件可制造性的系统方法；f e n 9 1 1 2 2 等研究了基于制造约束的零件 设计问题，应用面向对象的原理，对零件制造约束进行了抽象和分类，在h p 工作站上用c + 十语言实现了零件不同拓扑结构的加工约束检查的算法，以便 在零件设计的早期阶段就能获得可制造性设计。c h e n 1 2 3 等研究了基于知识的 可制造性评价，采用面向对象方法提出了一种通过对功能及信息需求的辨识而 自动进行可制造性分析的系统方法，并建立了相应的评价模型。b a r t o n t l 2 4 1 等 在印刷线路板装配设计中，将可制造性的信息反馈能力融入面向制造设计中， 从而构建了p c b 装配的并行工程框架。h a y e s 1 2 5 1 开发了一种基于规划的可以 提供降低成本设计建议的工具一一d e s i g na d v i s o r ，利用功能和成本信息对所 成生的建议进行删减，可在设计的早期阶段就得到设计的可制造性信息。 b a c k e s 1 2 6 1 研究了金属板材折弯的非标准折弯工具及其柔性制造，考虑了它们 的可制造性问题，开发了能对钣金零件及工具进行规划的系统。y a n n o a l a k i s 【i ” 等开发了一个适用于车削加工中心的轴对称零件的可制造性评价系统， k e s t e l o o td 2 8 等利用p r o e n g i n e e r 软件开发了一个面向装配和制造的集成设计 系统一一i d a m ；d a s 1 2 9 1 等在g u p t a 方法的基础上提出了以减少装夹成本为目 标的再设计修改建议的方法。 国内在可制造性评价方面，也取得了不少研究成果。郝跃 2 4 , 2 5 1 等研究建 立了集成电路可制造性评价的经济模型；刘志镜( 2 6 】等研究了集成电路可制造 性理论与统计最优化方法的统一模型；吴玉光f 2 7 , 2 8 】等研究了基于特征的产品 可制造性分析的逐步评价方法；黄安贻【2 9 ，3 0 1 等研究了平面二次包络环面蜗杆 副的可制造性问题：黄新刚f 3 】等提出了一个面向零件特征的结构工艺性评价 系统；高峰 3 2 , 3 3 1 等研究了基于制造约束的可制造性评价和可制造性评价中的 尺寸分析与评价；黄荣瑛【3 4 3 6 】等提出了产品可制造性评价的综合指标体系与 方法；吴瑞荣 3 7 1 等建立了面向对象的可制造性评价系统：王先逵【3 s j 等提出了 一种基于特征映射的板料冲压件面向制造设计的系统结构；宋玉银口川等研究 了基于特征的可制造性评价方法；仲智刚【4 0 】等建立了可制造性评价的多层次 多属性评价体系和基于模糊理论的数学模型；张冠伟【4 l l 等描述了用于可制造 分析的面向对象的零件特征模型，建立了零件并行设计可制造性分析的原型系 第一章绪论 统，提出了一种智能评价策略：何爱新【4 2 】等提出了可制造性层次评价指标体 系、模糊多目标多层次可制造性综合评价方法；黄平捷【4 3 】等研究了基于工序 能力的工序公差优化设计问题；石旭东【4 4 】等研究了基于产品设计特征模型的 d f m 评价系统和制造特征的自动获取方法；程行军【4 5 】等研究了面向制造的产 品模型中零件可制造性的检查方法；唐文献1 4 6 】等提出了并行工程环境下的零 件制造性能设计框架，并给出了一个集成的d f m 系统实例；曹岩【4 。”等研究了 产品可制造性评价原理及产品可制造性评价体系结构；胡伟【4 8 】等运用优化方 法和模糊子集理论求解子任务，通过模糊量的量化实现设计方案排序和选优， 并逐级综合，实现对设计方案的综合评价；孙正兴【4 9 l 等研究了d f m 中的约束 处理方法；李峰5 0 1 等对钣金零件的可制造性进行了评价；马涛【5 1 1 等研究开发 了支持毛坯选择的可制造性评价和咨询系统；王细洋【5 2 】等提出了一种基于知 识和典型案例的零件切削加工工艺性评价方法。 总结上述各种方法，我们可以把它们分为基于规则的可制造性评价、基于 工艺规划的可制造性评价、基于模糊集合理论的可制造性综合评价和基于特征 的可制造性评价等四类。 基于规则的可制造性评价主要针对零件的结构工艺性方面进行缺陷检 查，将设计模型的各个设计属性与设计规则进行比较，直接找出设计模型中的 不易制造或不能制造的设计属性，并作为评价结果进行输出。 基于工艺规划的可制造性