《现代设计法》讲义第七章.ppt

第五章面向 X 的设计 DFX 第一节概述第二节面向制造的设计第三节面向拆卸的设计第四节面向回收的设计第五节面向质量的设计 面向 X 设计 DesignFor X DFX 是一种设计哲理 隐于产品及其工艺的设计过程中 这里的 X 可以是制造 装配 检测性 可靠性 服务 再利用性等 则DFX即是面向制造的设计 面向装配的设计等等 表达了设计是为了 X 制造 装配 检测性 可靠性 服务 再利用性等 的意图 DFX的哲理表现了在产品的设计阶段就尽量的考虑与产品相关的 X 的因素的约束 在设计初期即做到针对性的优化 从而使产品的开发周期缩短 成本下降 第一节概述 面向 X 的设计最初是以DFM 面向制造的设计 和DFA 面向装配的设计 出现的 其中 DFM技术强调在设计过程中考虑加工因素 即可加工性和加工的方便性 DFA技术强调在设计过程中考虑装配因素 即可装配性 装配的方便性和减少装配价格DFX技术中的 X 是将面向制造的设计和面向装配的设计进一步扩展到产品寿命周期的所有领域 并逐渐形成一个技术族 力图设计好造 好修 好用的产品 使用DFX技术 可利用一些成品的DFX工具软件 如Boothrogd Dewhurst出品的DFA DFM软件 Lucas的DFA工具软件 面向 X 的设计与并行工程的区别面向 X 的设计强调在设计过程中考虑 X 的因素 但不强调 X 方面的专家和设计人员共同工作 面向 X 的设计只强调单个的 X 因素 很难得到整体最优化设计 并行工程强调各阶段的专家共同工作 可以随时将意见反馈给设计者 第一节概述 DFX包括的内容 面向制造的设计面向装配的设计面向维修的设计面向回收的设计面向质量的设计面向成本的设计面向包装运输的设计 第一节概述 一个产品设计不具备可制造性 或者是不能迅速地进行批量生产 那么 即使这个产品的性能 功能 质量都是最好的 结构非常紧凑 这个设计仍然是一个失败的设计 设计一个新产品 如果在设计和制造之间没有沟通 可能就是这个产品有没有竞争性的主要原因 设计一个新产品 在设计开始的时候 在设计和制造之间就必须有效地沟通 并在整个设计过程中保持沟通 这包括有效地移交制造数据 DFM是将产品的工程要求与全球制造能力相匹配 以达到成本最低 产量最高并加快产品面市时间的设计实践和流程 DFM是一种与设计有关的功能 集中于新产品导入 NPI 周期的设计阶段 而不是在制造实现和生产阶段 DFM工程师致力于在绘图板 物理 电子或其它形式 上就确定并解决与设计相关的潜在的制造问题 而不是等到制造阶段 由于设计较少反复和产品质量的提高 从而加快了产品投放市场的时间 第二节面向制造的设计DesignForManufacturing 2 1面向制造的设计的思想 原理2 2面向制造的设计方法概述2 3估计制造成本2 4减少部件成本2 5减少装配成本2 6减少辅助成本2 7面向制造的设计决策对其他方面的影响 2 1面向制造的设计思想 原理 DFM是在产品的设计阶段就尽早地考虑与产品制造有关的约束 如可制造性 全面评价产品设计和工艺设计 同时提供产品设计的反馈信息 在设计过程中完成可制造性预测 以使产品的结构合理 制造简单 装配性好 并实现全局优化从而缩短产品的开发周期 DFM在设计阶段 由于考虑工艺而多出的时间和费用 能够在下游的加工装配等阶段得到补偿 从而总体上达到了缩短开发周期 降低生产成本的目的 典型的DFM模型 2 2面向制造的设计方法概述 DFM方法如下图所示 DFM的体系结构广义的DFM既包括产品结构的设计 又包括零件结构的设计 前者一般被称为面向装配的设计 DFA DesignforAssembly 后者一般被称为面向加工的设计 DFF DesignforFabrication 狭义的DFM特指上述DFF的概念 是与DFA相并列的 一般地讲 针对零件的可制造性问题的DFM系统要考虑三个方面的问题 1 与资源无关的结构工艺性问题DFM系统主要根据结构工艺性知识 对零件的几何和精度信息进行分析 对待加工特征的加工可能性 加工容易程度进行评估 结构工艺性问题又可分为两种 一种是常规方法根本无法加工的设计 另一种是用常规方法加工困难的设计 2 与资源有关的可制造性问题它是指零件的制造 是否在企业制造资源能力范围内的问题 DFM系统主要是通过分析零件加工对资源的需求 来考察生产设备是否满足零件加工在尺寸范围 精度特性等诸方面的要求 3 零件的制造经济性问题它要求DFM在设计阶段 就对零件及其加工特征的加工成本等进行粗略的相对的估算 用以指导设计者有针对性地修改设计 以及对不同设计方案进行评价和取舍 这主要通过建立制造成本和加工时间预估的数学模型来实现 即DFM方法主要包括五部分 估计制造成本降低部件成本降低装配成本降低辅助生产成本考虑DFM决策对其他因素的影响 2 2面向制造的设计方法概述 2 3估计制造成本 下图所示为一个简单的制造系统输入与输出模型 其中包括原材料 外购件 工人的劳动 能量与设备 输出包括加工出的产品与废物 制造成本就是系统输入花费与处理废物花费的和 备 制造成本的构成 制造成本 部件成本 装配成本和间接成本 固定成本和变动成本估计标准件成本估计定制件成本估计装配成本估计间接成本 2 3估计制造成本 固定成本和变动成本固定成本不随产量而变化的成本 例如 购买新的模具可变成本与产量成比例增长或减少 例如 原材料的成本 加工时间等估计标准件成本估计方法 A 将部件与公司已制造或购买的相似部件相比较 从而确定其成本 B 询问供货商或卖主 2 3估计制造成本 估计定制件 非标准件 成本 原材料成本 加工成本 工装成本估计装配成本估计间接成本 运输成本 仓储成本 分摊成本等 2 3估计制造成本 2 4减少部件成本 减少部件成本主要从以下几个方面来进行 了解生产制约条件和成本驱动因素改进设计部件以简化加工过程为加工过程选择适当的经济规模部件加工过程标准化用 黑匣子 法获得部件 2 5减少装配成本 面向装配的设计 DFA DesignForAssembly 是DFM的一个组成部分 它的目标是减少装配成本 对大部分产品来说 装配成本只是总成本中的很小一部分 但是减少装配成本会带来很大间接效益 由于强调了DFA 而使部件数量 制造复杂程度 辅助成本都下降 辅助DFA决策的原则 利用评分组合部件使装配变得更容易考虑用户的装配 1 利用评分DFA系数 理论装配最小时间与实际装配时间的比值DFA系数 理论最小部件数 3秒 实际装配时间2 组合部件如果一个部件在理论上没有限定是独立的 那么就可以与其他一个或多个部件合成一个部件 优点 被组合的部件之间不需要装配组合件成本通常比组合前部件成本低在组合件中 被组合件的尺寸精度更高 2 5减少装配成本 3 使装配变得更容易装配过程中 理想部件的特征 部件从顶部装入 部件有对准标志 部件不需要定向 只需要一只手就可以装配 装配不需要工具 部件以一种直线运动的方式装入 部件一经装入就被加固 4 考虑用户的装配用户自己可以装配 2 5减少装配成本 降低系统的复杂性 系统的复杂性随着输入 输出和转换过程的增多而增加 系统的复杂性是由产品设计带来的 可以通过改变设计方案的复杂性来降低系统的复杂性 错误预防 DFM的一个重要方面就是预测系统可能发生的错误并在开发过程中采取适当的措施 2 6减少辅助成本 2 7面向制造的设计决策对其他方面的影响 DFM对开发时间的影响开发时间是极其宝贵的 对于一个重要的开发项目来说 一日抵万金 正是这个原因 在做DFM决策时不仅要考虑对制造成本的影响 而且要考虑对开发周期的影响 DFM对成本的影响开发成本与开发时间有紧密关系 因此 若开发时间因DFM决策而增长 那么相应地开发成本也会增加 DFM对产品性能的影响在用DFM作决策前 开发组应估计对产品性能的影响 在理想情况下 降低产品制造成本的措施会提高产品性能 不过 在实践中 有些降低制造成本的方法会对产品性能产生不良影响 DFM对外部因素的影响设计决策不只是对开发项目有影响 它必然对开发项目以外的事物有影响 主要是对部件的使用和寿命周期成本产生影响 2 7面向制造的设计决策对其他方面的影响 DFM的发展趋势应用人工智能 神经网络 计算机辅助DFM等方法是比较先进的DFM方法 它们是当今DFM研究的主流 现在 由于计算机和通讯技术的迅猛发展 DFM才得到了真正的发展机会 趋势1人工智能与专家系统技术的发展 使得既懂设计又懂工艺的 全能设计师 成为可能 这就是DFM专家系统 它是以计算机辅助设计 CAD 系统为基础建造的可制造性评估系统 趋势2计算机网络和通讯技术的发展 使得不同职能部门的交流变得既方便又快捷 设计部门和工艺部门通过计算机网络相连后 两者无需见面既可交流信息 这样 很多设计中的潜在问题都会得到及时发现和解决 趋势3计算机强大的计算能力可以担负DFM中的一些繁琐的工作 这使设计者更容易也更迅速地考虑大量的设计和工艺候选方案 结论市场对制造业高质量 低成本和快速响应的要求 使得DFM成为一种重要的设计思想 借助于计算机技术 DFM得到真正的发展和应用 但计算机辅助DFM系统的理论模型还不成熟 研究方法也不完善 有待于在实践中作深入细致的探讨 深入研究DFM无疑对提高制造业的竞争力具有长远的意义 面向拆卸的设计及其特点面向拆卸的设计准则产品拆卸信息描述面向拆卸的设计评价 第三节面向拆卸的设计 3 1面向拆卸的设计和特点废弃产品的零部件经过维修和废弃产品的材料经过一定的再生技术都可以被再利用 这就要求这些产品便于拆卸 面向拆卸设计 DFD DesignForDsiassembly 的设计思维和方法应运而生 3 1面向拆卸的设计和特点 拆卸的定义 从产品或部件上有规律地拆下有用的零部件的过程 同时保证不因拆卸过程而造成该零部件的损伤 拆卸的目的有三类 产品零部件的重复应用 元器件回收和原材料回收拆卸被分为三类 破坏性拆卸 部分破坏性拆卸和非破坏性拆卸 面向拆卸的设计与传统设计相比的优点 使可回收零件和材料再次重用所需工作量大大减少产品结构模块化 统一化 使产品有较大预测能力拆卸操作简单快捷拆下的零部件易于手工和自动处理回收材料和残余废弃物易于分类和后处理减少产品使用过程中的变化 3 1面向拆卸的设计和特点 3 2面向拆卸的设计准则 面向拆卸的设计准则就是为了将产品的拆卸性要求及回收约束转化为具体的产品设计而确定的通用或专用的设计原则 拆卸工作量最少原则与结构有关的原则易于拆卸原则易于分离原则产品结构可预估性准则 拆卸工作量最少原则即 简化产品结构和外形 减少零件材料种类 简化维护及拆卸回收工作 降低对维护 拆卸回收人员的技术要求 明确所要拆卸的零部件功能集成减少材料种类材料相容性准则有害材料的集成准则拆卸目标零件易于接近准则 3 2面向拆卸的设计准则 与结构有关的原则结构尽量采用简单的连接方式 尽量减少紧固件数量 统一紧固件类型 并使拆卸过程具有良好的可达性及简单的拆卸运动 易于拆卸原则要求拆卸快 拆卸容易易于分离原则既不破坏零件本身 也不破坏回收机械产品结构可预估性准则避免将易老化或易腐蚀的材料与所需拆卸 回收的材料零件组合 要拆卸的零部件应防止被污染或腐蚀 3 2面向拆卸的设计准则 3 3产品拆卸信息描述 产品拆卸设计所需信息包括产品数据 零件图 工艺文件 零件基本数据 零部件结构 功能及所用材料等信息 和使用信息 产品使用条件和场所 产品使用中的维修及零部件更换数据 如下图所示 这些信息可归纳为三个方面 1 拆卸过程信息2 拆卸零部件信息3 拆卸约束信息 功能约束 几何约束 工夹具约束等 拆卸信息的描述方法 基于图形的表示方法用节点表示DFD中的各种实体 连接弧表示实体之间的拓扑关系 这种方法简单 直观 易于理解 基于关系数据库的方法采用关系数据库存储实体及其关系 这种方法的信息组织维护方便 面向对象的方法可使实体表达具有继承性和封装性 对象 实体 的层次可分为若干类及相关属性 如物理属性 几何属性 特征属性等 拆卸方法由对象的类型确定 3 4面向拆卸的设计评价 面向拆卸的设计评价是对设计方案进行评价 修改 再评价 再修改直至满足设计要求的动态过程 评价指标主要由两方面的指标组成 与拆卸过程有关的指标 拆卸费用 拆卸时间 拆卸过程的能量消耗和拆卸过程的环境影响 与连接结构性有关的指标 可达性 标准化程度 产品结构的复杂程度 第四节面向回收的设计 4 1面向回收的设计的基本概念面向回收的设计 DFR DesignForRecycling Recovering 在进行产品设计时 充分考虑产品零部件及材料的回收可能性 回收价值大小 回收处理方法 回收处理结构工艺性等一些列问题 以达到零件材料资料和能源的充分有效利用 并在回收过程中对环境污染为最小的一种设计方法 面向回收的设计与传统的设计的比较 4 2面向回收设计的特点 可使材料资源得到最大限度地使用可减少环境污染 保护生态环境有利于持续发展战略的实施扩大了就业门路 提供更多的就业机会产品回收是一个社会化综合工程 系统工程 会涉及到很多部门物流的闭合性回收过程本身是清洁生产 应该对环境无害 不造成对环境的二次污染 4 3面向回收的设计的主要内容 主要内容包括 1 可回收材料及其标志 2 可回收工艺及方法 3 回收的经济性 4 回收产品及结构工艺 产品生产时 在零件上模压出材料代号或用不同一颜色表明材料的可回收性或注明专门的分类编码代号 在材料零件上作出条形码标志 具有条形码的塑料零件可采用激光扫描仪会机器人进行分类 在材料回收过程中 人们往往需要识别出材料添加剂的比例和种类 同时要求材料识别技术成本低 易操作 能用于不同材料的识别 并能适应工厂车间的工作环境回收工艺及方法回收的经济性零件材料能否有效回收的决定性因素回收的零件的结构工艺性 可回收材料及其标志 4 4面向回收的设计准则 面向回收设计的基本要求 对设计过程的要求 它除了注重产品的基本功能 性能等指标外 更注重产品的寿命 结构及环境友好性 对产品设计人员的要求 产品设计人员不仅具有专业知识 还必须了解产品预定的回收工 环境保护等方面的知识 对生命周期过程管理的要求 回收过程依靠科学的管理 在设计阶段要考虑到这一点 面向回收的设计准则 设计的结构易于拆卸尽可能的选取可整新的零件洁净的净化工艺可充用零部件材料要易于识别分类机构设计要有利于维修调整限制材料种类采用系列化和结构化的产品结构考虑材料的异化再使用方法尽可能的利用回收零部件和材料考虑材料的相容性 第五节面向质量的设计 5 1面向质量的设计思想的产生设计是质量保证的首要环节 是质量保证实施的源头 是生产质量实现的前提 质量保证应从传统的生产过程质量控制向产品设计 开发质量控制转变 从制造过程控制向前推进到设计过程控制 因此提出了面向质量的设计DFQ DesignForQuality 5 2面向质量的设计的基本概念 DFQ就是建立一个知识系统 它能为设计者实现产品或过程的要求质量提供所必需的知识 但由于质量概念的模糊性和不确定性 使DFQ的概念难以确定 许多研究者把Q分为两类 Q外 外部质量 指顾客能感受到的质量 及最终产品所表现的特征和特性 Q内 内部质量 指企业内部所进行的一切生产活动的质量 如采购 设计 生产 装配等质量 设计过程实际就是设计相应的Q内来保证Q外的过程 质量模型如下页所示 质量产生过程模型 5 3面向质量设计的实现策略和方法 DFQ的实现策略DFQ是质量驱动的集成化产品和过程开发形式 其模型如下页所示 它强调每一设计阶段中制定目标 合成 评价决策过程的分离 通过对每一过程实施相应的方法和工具来加强质量保证的可能性 由于质量分解 合成的引入 使设计阶段综合考虑到一切与产品质量有关的活动 将质量管理和控制活动融入设计中 将质量设计到产品中 保证设计的完善性 DFQ过程模型 上图所示为 顺序设计的DFQ流程右图所示的为 并行设计的DFQ流程 DFQ的方法和工具 1 制定目标的方法和工具 质量功能配置QDF QualityFunctionDeployment 目标是确保以顾客的需求来驱动产品的设计和生产 采用矩阵图解法 通过定义 做什么 和 怎么做 将顾客要求逐步展开 分层转换为工程特性 零件特性 工艺计划和质量 生产计划 形成如下图所示的瀑布分解过程 现代机械设计方法 稳健设计法 运用正交表来安排试验方案 通过误差因素模拟各种干扰 并以信噪比 SN 作为质量评价体系 同时引入灵敏度分析 来寻求最佳的即稳健性好的参数组合 响应模型法 应用统计学模型通过对设定的设计参数名义值及其误差大小对功能值表的影响 以及产品质量指标的精确分析来选定设计方案 原理设计方法 指出并证明了要控制产品质量 设计必须满足独立原理 者即寻求可行方案的依据 信息原理用来在设计可行域内寻求最优解 并可推导出几条原理和准则以指导设计 在设计早期阶段控制质量 2 帮助设计者进行概念设计及详细设计的合成方法和工具 适应性分析 通过分析预测零部件在生产 装配过程中的变化性风险 以及对设计可接受性 质量成本的影响 从而在设计阶段及早的发现解决潜在的加工能力的问题 使设计方案切实可行 DFX技术 在设计阶段尽早的考虑与材料 加工方法 工艺规划 装配 测试 成本等有关的约束 保证产品设计一次成功 3 评价决策方法和工具 失效模式和