第四章先进设计技术

先进制造系统AdvancedManufacturingSystem,先进制造系统,第1章先进制造系统总论第2章先进制造系统基本原理第3章先进制造模式第4章先进设计技术第5章先进制造装备及技术第6章先进制造工艺技术第7章绿色设计与制造第8章典型产品的制造系统第9章制造系统展望,先进设计技术,4.1先进设计技术的定义、内容与特点4.2计算机辅助X（CAX）4.3面向X的设计（DFX）4.4模块化设计（MD）,4.1先进设计技术的定义、内容与特点,一、先进设计技术的定义先进设计技术是指融合最新科技成果，适应当今社会需求变化的，新的、高级水平的各种设计方法和手段。“先进”，是指在设计活动中，由于融入新的科技成果，特别是计算机技术和信息技术的成果，从而使产品在性能、质量、效率、成本、环保、交货时间等方面，达到明显高于现有产品，甚至创新的水平。,二、先进设计技术的基本内容(1)基础技术是指传统的设计理论与方法，包括运动学、静力学、动力学、材料力学、热力学、电磁学、工程数学等。(2)主体技术是指计算机支持的设计技术，包括：计算机辅助X（X指产品设计、工艺设计、数控编程、工装设计等），面向“X”的设计（X指加工、装配、成本、质量等），优化设计，有限元分析，模拟仿真，虚拟设计，工程数据库，快速响应设计，智能设计等。,4.1先进设计技术的定义、内容与特点,二、先进设计技术的基本内容(3)支撑技术1)现代设计理论与方法：系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业设计、安全性设计、动态设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、稳健设计、耐环境设计、摩擦学设计、人机工程设计、可信性设计等。2)设计试验技术：产品性能试验、可靠性试验、环保性能试验、数字仿真试验和虚拟试验等。,4.1先进设计技术的定义、内容与特点,二、先进设计技术的基本内容(4)应用技术是为了实用而派生的各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术。,4.1先进设计技术的定义、内容与特点,4.1先进设计技术的定义、内容与特点,三、先进设计技术的特点数字化智能化动态化系统性,优化性创新性社会性,4.2计算机辅助X（CAX）,计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）计算机辅助工艺设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）计算机辅助工装设计（ComputerAidedFixtureDesign，CAFD）,一、计算机辅助设计（CAD）1.CAD的发展.第一代CAD系统出现于60年代，这一代系统主要用于二维绘图，其技术特征是利用解析几何的方法定义有关点、线、圆等图素。,4.2计算机辅助X（CAX）,4.2计算机辅助X（CAX）,1959，DAC-1（DesignAutomatedbyComputer）,第一个commercialCAD系统，由IBM为GeneralMotors开发,Dr.PatrickJ.Hanratty于1957开发了第一个commercialnumerical-controlprogrammingsystem被称为：“theFatherofCAD/CAM”,60年代初期，IvanSutherland，SKETCHPAD光笔实现人机交互，定位图形元素工程图轮廓、尺寸等的分层表示交互式图形学与计算机辅助设计的基础,4.2计算机辅助X（CAX）,一、计算机辅助设计（CAD）1.CAD的发展In1969Computervision成立，第一个商用CADsystem卖给了Xerox公司（施乐）当年，XeroxPARC(PaloAlto研究中心)成立，GUI（图形用户界面）诞生,4.2计算机辅助X（CAX）,Windows1995,AppleMacintosh1984,XeroxStar,1981,一、计算机辅助设计（CAD）1.CAD的发展第二代CAD系统始于70年代，直到目前还在广泛应用，这一代系统主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统。在几何造型方面分别采用了三维线框模型、表面模型和实体模型。在实体造型上广泛采用了实体几何构造法（CSG法）和边界表示法（B-rep法），并在系统内部采用了数据库技术，形成了一些商品化程度高的实用系统。,4.2计算机辅助X（CAX）,一、计算机辅助设计（CAD）1.CAD的发展1970年，法国Renault公司的PierreBezier提出一种全新的数学方法，用于构造汽车自由曲面。由他领导研制的Unisurf曲面造型和UniAPT曲面加工系统，从1972年起应用于汽车外形打样和模具加工，为计算机辅助几何设计CAGD研究方向奠定了基础和发展方向。贵族化的曲面造型系统第一次CAD技术革命（70年代）,4.2计算机辅助X（CAX）,美国的洛克希德(Lochheed)公司从1974年起向市场推出了CADAM系统，成为70年代中至80年代末国际上最流行的第一代IBM主机版交互绘图系统麦道公司从1976年起开发Unigraphics系统，简称UG，目前属于EDS公司（1975年建立）法国达索Dassault公司1975年花一百万美元买下了CADAM源程序，学习CADAM的技术诀窍，同时又发展Bezier曲面造型方法，自主开发了CATIA飞机外形设计和数控加工系统。,4.2计算机辅助X（CAX）,基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。CAD发展史上第二次技术革命。,4.2计算机辅助X（CAX）,一、计算机辅助设计（CAD）1.CAD的发展第三代CAD系统始于80年代中期。微型机和工作站的发展和普及，再加上功能强大的外围设备的问世，使CAD技术在三维几何造型等方面取得了很大的成就并达到普遍应用的地步。在建模方法上分别出现了特征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统以及二维或三维的参数化设计系统，而且出现了这两种建模方法互相融合的系统。这种系统常常在二、三维模型之间以及与CAM系统之间有内部统一的数据结构及共同的数据库，因此做到了二、三维模型修改时的相互关联性，以及CAD/CAM的信息集成。,4.2计算机辅助X（CAX）,进入80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种参数化实体造型方法主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，大大推动了中小企业对CAD技术的应用第三次CAD技术革命,4.2计算机辅助X（CAX）,一、计算机辅助设计（CAD）1.CAD的发展第四代CAD系统是90年代以来的商品化系统。目前市场上商品化的软件，如PTC公司的Pro/Engineer，EDS公司的UGII，SDRC公司的I-DEAS等，都具备强大的造型功能、简便的操作以及系统内部比较完善的信息管理手段。理想的第四代CAD系统是一种支持新产品设计的综合性环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。目前这一代系统的相关技术还处在研究与发展中。,4.2计算机辅助X（CAX）,SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术，作为今后的开发方向。经三年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出全新体系结构的I-DEASMasterSeries软件在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。第四次CAD技术革命目前市场上商品化的软件，如PTC公司的Pro/Engineer，EDS公司的UGII，SDRC公司的I-DEAS等,4.2计算机辅助X（CAX）,微机平台CAD系统：Autodesk公司AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群Microstation美国BentleySolidworksDassault(法国达索公司）三维机械设计系统SolidedgeEDS机械零件和组合件设计实体模型系统Cimatron：以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统IronCAD美国，创新式协同设计,4.2计算机辅助X（CAX）,4.2计算机辅助X（CAX）,国产CAD系统高华CAD清华CAXA电子图板北航海尔软件公司GS-CAD98浙大金银花系统广州红地技术有限公司开目CAD华中理工大学机械学院二维较成熟，三维开始起步绘图技术较为成熟，全面整合较欠缺,CAXA产品,系列产品目录,CAD,CAPP,CAM,CAE,CAXA电子图板V2CAXA三维电子图板2000CAXA注塑模设计师V2CAXA冷冲模具设计,CAXA工艺图表V2,CAXA制造工程师2000CAXA数控铣2000CAXA数控车2000CAXA雕刻2000CAXA线切割V2,CAXA注塑工艺分析,意为：领先一步的计算机辅助设计与产品,英文：CAX，alwaysastepAhead,一、计算机辅助设计（CAD）2。CAD的过程与原理,4.2计算机辅助X（CAX）,4.2计算机辅助X（CAX）,一、计算机辅助设计（CAD）2。CAD的过程与原理CAD技术的基本内容包括：图形处理技术如自动绘图、几何建模、图形仿真及其他图形输入、输出技术。工程分析技术如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。数据管理与数据交换技术如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等。文档处理技术如文档制作、编辑及文字处理等。软件设计技术如窗口界面设计、软件工具、软件工程规范等。,4.2计算机辅助X（CAX）,一、计算机辅助设计（CAD）2。CAD的过程与原理,4.2计算机辅助X（CAX）,4.2计算机辅助X（CAX）,系统软件操作系统、语言系统、数据库管理系统支撑软件图形接口标准、绘图软件、计算分析软件、CAD/CAM软件应用软件为用户解决的程序。二次开发、优化设计、工程数据库、专家系统。,一、计算机辅助设计（CAD）2。CAD的过程与原理,一、计算机辅助设计（CAD）2。CAD的过程与原理CAD技术的功能产品方案设计结构设计与分析产品性能分析与仿真产品结构的可装配性检查自动生成产品的设计文档资料设计文档的管理及产品数控加工仿真,4.2计算机辅助X（CAX）,一、计算机辅助设计（CAD）3。计算机辅助绘图(1)人机交互式绘图(2)参数化绘图(3)利用图形库绘图(4)利用实体造型绘图,4.2计算机辅助X（CAX）,二、计算机辅助工艺设计（CAPP）1.工艺设计的任务和内容工艺设计又称为工艺过程设计，或称为过程设计。工艺设计的任务是：在给定的资源（机床、刀具、夹具等）约束下，为实现期望的目标（可行的工艺计划，优化的费用等），选择和确定详细的工艺过程，使零件毛坯经过确定的形状、性质和表面质量的改变，能够成为所需的成品。,4.2计算机辅助X（CAX）,二、计算机辅助工艺设计（CAPP）1.工艺设计的任务和内容工艺设计的主要内容包括以下7方面：选择机床选择刀具确定定位装夹方案确定工步序列,4.2计算机辅助X（CAX）,确定切削参数生成工艺文件数控编程准备,传统工艺过程设计存在的问题,从根本上解决人工设计效率低，周期长，成本高的问题可以提高工艺过程设计的质量，并有利于实现工艺过程设计的优化和标准化可以使工艺设计人员从烦琐重复的工作中解放出来，集中精力去提高产品质量和工艺水平CAPP是连接CAD和CAM系统的桥梁，是发展计算机集成制造的不可缺少的关键技术,CAPP意义,设计效率低，周期长，成本高不必要的花色繁多，不利于管理设计质量参差不齐，难于实现优化设计工艺人员短缺和老化是全球机械制造业面临的共同问题,4.2计算机辅助X（CAX）,二、计算机辅助工艺设计（CAPP）2。CAPP系统的设计与开发(1)CAPP的设计方法,4.2计算机辅助X（CAX）,查找零件组,输入表头信息,工艺规程格式,CAM-I推出的派生式CAPP系统框图,工艺路线检索/编辑,标准工序检索/编辑,4.2计算机辅助X（CAX）,图5-43派生式CAPP系统工作的两个阶段,b）使用阶段,派生式CAPP系统工作的两个阶段,派生式CAPP系统特点：1）程序简单，易于实现。目前多用于回转体类零件CAPP系统。2）需人工参与决策，自动化程度不高。3）具有浓厚的企业色彩，局限性较大。,4.2计算机辅助X（CAX）,例：普渡大学APPAS（AutomatedProcessPlanningandSelection）系统是一个实验性系统，适用于非回转类零件表面加工方法的生成,数组各元素含义：表面编号；表面类型（如：1圆孔，2平面，3槽）；类型号码（取决于类型，如孔：1圆孔，2锥孔，3螺孔）；材料类型（如：1铸铁，2球铁，3钢）；材料硬度,零件加工表面信息输入,逻辑关系的建立,创成式CAPP系统特点：1）不需人工干预，自动化程度高。2）决策更科学，具有普遍性。3）由于工艺过程设计经验成分偏多，理论还不完善，完全彻底的创成式CAPP系统还在研究探索之中。,派生式CAPP系统完全以人的经验为基础，难于保证设计最优，且局限性较大；完全创成式CAPP系统还不成熟。将两者结合起来，采用部分创成，部分派生（或部分人工干预）的方法是一种可取的方案。,半创成式CAPP系统特点：1）集派生式及创成式系统的优点，又克服两者的不足。2）目前为多数CAPP系统采用。,开目CAPP,零件信息输入,零件加工表面可分为基本形面和辅助形面；形面可用特征参数进行描述；形面与一定的加工方法相联系,较粗糙，信息输入不完整多用于只需制定简单工艺路线的场合只适用于派生式CAPP系统,1）成组编码法：,输入工作量大是其主要的弱点,2）形面描述法：,可完整地描述零件的几何、工艺信息，是目前CAPP系统使用最多的信息输入方法,（2）CAPP关键技术,圆柱面,有,3）与CAD系统相连接,通用接口、专用接口、共享数据库由于目前CAD系统多为实体造型系统，需采用特征识别的方法补充输入工艺信息发展基于特征造型的CAD系统是长久之计,工艺决策,特点：1）直观，容易建立，便于编程2）难于扩展和修改,1）决策树,（2）CAPP关键技术,【例】,（2）CAPP关键技术,特点：1）表达清晰，格式紧凑，便于编程2）难于扩展和修改,用表格形式描述事件之间逻辑依存关系。表格分为4个区域（图4-22），左上角为条件项目，右上角为条件组合，各条件之间为“与”的关系，左下角列出决策项目，右下角为各列对应的决策行动，决策行动之间也是“与”的关系，决策表的每一列均可视为一条决策规则。,2）决策表,例：加工方法选择决策表（前例）,（2）CAPP关键技术,（2）CAPP关键技术,派生式CAPP系统利用成组技术原理和典型工艺过程进行工艺决策，经验性较强。创成式CAPP系统利用工艺决策算法（如决策表、决策树等方法）和逻辑推理方法进行工艺决策，较派生式前进了一步，但存在着算法死板、结果唯一、系统不透明等弱点；且程序工作量大，修改困难。,采用专家系统进行工艺决策1）什么是专家系统：在特定领域内具有与该领域人类专家相当智能水平的计算机知识程序处理系统。专家系统主要用于处理现实世界中提出的需要由专家来分析和判断的复杂问题（工艺过程设计正属于这类问题）。,CAPP专家系统,（2）CAPP关键技术,2）专家系统的构成：知识库用于存储专家知识，包括：,推理机具有推理能力，可以根据问题导出结论数据库存放事实（包括输入信息和推理得到的事实）,最终要求（目标）选择适当的规则满足最终要求的加工方法（或加工参数）给出最终加工方法的初始状态新的要求（目标）选择规则原始状态（毛坯）,例：箱体零件上7级精度孔的加工路线确定,二、计算机辅助工艺设计（CAPP）2。CAPP系统的设计与开发（3）CAPP系统的发展方向1)集成化2)智能化3)并行化4)标准化,4.2计算机辅助X（CAX）,三、计算机辅助制造（CAM）1。CAM的发展20世纪50年代诞生了第一代以英语为基础的数控自动编程工具（APT），并在此基础上派生出多个自动编程系统，如欧洲的EXAPT，日本的FAPT等。编程过程比较繁琐且不直观90年代的CAM中的数控编程已普遍采用人机图形交互自动编程。,4.2计算机辅助X（CAX）,4.2计算机辅助X（CAX）,2。CAM的概念,广义CAM的分级结构,三、计算机辅助制造（CAM）2。CAM的概念通常说的CAM是狭义CAM，其内涵是：根据被加工零件的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求，确定加工方法、加工路线和工艺参数，再进行数值计算获得刀位数据文件。然后，根据刀具尺寸、刀具中心轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、刀具进给量、切削深度等）以及辅助功能（主轴正反转、冷却液开关等），按数控机床所采用的代码及程序格式，编制出工件的数控加工指令程序。,4.2计算机辅助X（CAX）,三、计算机辅助制造（CAM）3。CAM的内容数控自动编程，得到刀位数据文件。刀位数据文件经后置处理得到所用数控机床的数控加工指令程序。刀具自动调度设计。计算机辅助工艺设计及工装设计。工装设计包含刀具、夹具、量具设计。,4.2计算机辅助X（CAX）,三、计算机辅助制造（CAM）3。CAM的内容走刀轨迹和工艺过程自动检验。修改数控指令程序，再返回步骤，直到合格为止。用软材料加工工件样品，或用RP法加工出样件。若顾客满意就开始加工，否则再次返回步骤修改数控指令程序，至顾客满意为止。工件检验程序设计。实施制造装备的数字控制。编制工序、材料、装备、工具、工时等的目录。,4.2计算机辅助X（CAX）,4.2计算机辅助X（CAX）,CAPP系统,CAE系统,CAD系统,CAM系统,产品结构设计信息,工程分析评价反馈,产品设计任务,工艺评价反馈,产品工艺信息,仿真分析评价反馈,CAD/CAE/CAPP/CAM的集成信息,4.3面向X的设计（DFX）,面向制造的设计（DesignForManufacturing，DFM）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；面向装配的设计（DesignForAssembly，DFA）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；面向成本的设计（DesignForCost，DFC）在设计阶段综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素，并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。,面向质量的设计（DesignForQuality，DFQ）在设计阶段进行质量控制，保证所设计的产品满足顾客的质量要求。面向环境的设计（DesignForEnvironment，DFE）在设计时充分考虑产品在生产和使用过程中，消耗的资源最少，对环境的污染最少，对操作者的危害最低，产品可以回收利用，以节约资源，保护环境。DFE也称为生态化设计ED（EcologicalDesign），包括面向拆卸的设计（DesignforDisassembly，DFD）和面向回收的设计（DesignforRecoveringandRecycling，DFR）。,4.3面向X的设计（DFX）,一、面向制造的设计（DFM）DFM的发展在传统的产品开发方式中，设计者通常重点考虑的是实现产品的功能和性能指标，较少考虑产品的可制造性和经济性评价。两个原因：产品的可制造性和经济性信息不够全面，进行可制造性和经济性的评价有相当的难度；设计者对企业的制造工艺和制造资源及产品的经济性缺乏全面的了解。DFM使设计者不仅要考虑产品的功能和性能的要求，而且还必须同时考虑其可制造性、经济性和制造周期，在保证产品性能的前提下，使制造成本尽可能降低。,4.3面向X的设计（DFX）,一、面向制造的设计（DFM）DFM的发展20世纪80年代后期，由于计算机技术和通信技术的迅速发展，人们在以零件为研究对象的面向加工设计领域的研究也取得了较大进展，主要体现在对基本知识的可制造性（确切说是可加工性Machining）评价系统工程、DFM专家系统、CAD/CAPP并行交互设计系统及基于制造特征的设计系统的开发研究上。,4.3面向X的设计（DFX）,一、面向制造的设计（DFM）2.DFM的基本原理DFM通常定义为“实现产品及其相关过程并行设计的系统化方法”。也译作“设计为了制造”。它把产品设计和工艺设计集成在一个共同的活动中，使设计者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），在制造工艺和制造资源环境的约束下进行零件形状结构设计，全面评价产品设计和工艺设计，同时提供改进设计的反馈信息，在设计过程中完成可制造性检测，以使产品的结构合理、制造简单、装配性好，并实现全局优化。,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,一、面向制造的设计（DFM）2.DFM的基本原理DFM是一种综合方法，它使用了多种信息，包括：设计图、产品设计任务书、设备选择方案；生产和加工过程详情；制造成本、产量和投产日期的估计。许多公司实施DFM时，采用结构化的、跨部门的、以组为基础的开发机构，以集成和共享DFM信息。,4.3面向X的设计（DFX）,一、面向制造的设计（DFM）2.DFM的基本原理DFM的主要原则有：简化零件的形状；尽量避免切削加工（因为切削加工成本高）；选用便于加工的材料；尽量设置较大的公差；采用标准件与外购件；减少不必要的精度要求。,4.3面向X的设计（DFX）,一、面向制造的设计（DFM）2.DFM的基本原理狭义DFM主要是零件的可加工性评价。其中的M（制造）是指构成产品的单个零件的切削、铸造、焊接、冲压等加工过程。称为面向加工的设计DFM（此处M应为Machining）广义DFM既包括产品结构的设计，又包括零件结构的设计。广义DFM包含下列内容：零件的可加工性部件和整机的可装拆性零部件加工和装配质量的可检测性零部件和整机性能的可试验性零部件和整机的可维修性零部件及材料的可回收性等。,4.3面向X的设计（DFX）,3.产品可制造性的评价,一、面向制造的设计（DFM）3.产品可制造性的评价技术性评价体现了制造功能的约束，主要评价产品结构合理性及加工可行性。经济性评价反映了企业的目标需求。可制造性评价的两个方面是互相联系的。技术性评价通过分析并及时发现产品设计的不合理因素，避免不必要的浪费，从而提高经济性。经济性评价是建立在技术分析的基础上，是技术指标的经济体现。,4.3面向X的设计（DFX）,一、面向制造的设计（DFM）3.产品可制造性的评价产品可制造性评价方法有三类：经验评价定量评价基于知识的评价,4.3面向X的设计（DFX）,经验评价这类方法又分三种：依赖专家对少量几个指标（如时间、费用等）来定性评价零件的可制造性，而且凭经验确定权值。缺点是：常存在估算偏差和估算周期过长。从产品的功能出发，提出一些设计公理指导产品设计，在产品设计中的每个决策由公理引导，最终设计出可制造性好的产品。由于不同人员对公理的认识有很大不同，所以实施起来比较困难。从制造工艺出发，保证设计出来的产品能够在某种特定的环境条件下，采用某种特定的加工工艺加工出来，例如，面向铸造的设计，面向锻压的设计，面向加工中心的设计等，该方法针对性强，一般在产品具有明确的生产单位时经常采用。,4.3面向X的设计（DFX）,定量评价一般利用计算机程序按经验公式自动评价可制造性从缩短生产成本出发，该方法常用于产品的技术报价系统，用于产品的成本估计。从制造工艺出发，该方法以加工方法以及加工方法的难度为基础，结合生产单位的实际情况，用百分制表达加工难度和加工费用，并对不合理的加工方法进行改进，评估产品的制造性。从产品的性能价格比出发，分析产品的每个功能和每个功能的价值，综合市场需求，精简或增加新的功能，去掉费用大而又增值少的产品的功能。,4.3面向X的设计（DFX）,基于知识的评价随着计算机技术和人工智能的发展，产品的制造性评价系统逐渐发展起来。利用各种数学模型和经验公式建立各应用领域如注射模、冲压模和机加工等的费用估算专家系统。由于各个系统的解决对象不同，系统功能有所差别。,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）1.DFA的发展装配是将零件结合成完整产品的生产过程。DFA（DesignforAssembly）是一种在装配设计阶段统筹兼顾的设计思想和方法。它是最早也是目前最成熟的DFX方法。,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）1.DFA的发展DFA的产生可追溯至20世纪60年代初，是在为了实现装配自动化而进行产品结构改进的研究中形成的。20世纪70年代，面向装配的产品设计在工业化国家兴起。1980年美国马萨诸塞大学的G.Boothroyd教授等人首次采用面向装配的设计（DFA）这一术语。DFA也译作设计为了装配，或可装配性设计。,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）1.DFA的发展现在，DFA已成为一种优化产品设计以获得最低的装配费用的技术。DFA在产品设计阶段，通过分析影响产品可装配性的各种因素，对产品的可装配性进行评价，并在评价的基础上，进行产品再设计，通过再设计，使产品易于装配，从而降低产品的装配费用。,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容(1)产品装配模型的信息描述(2)产品的可装配性分析(3)产品的可装配性评价(4)产品的可装配性再设计,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容(1)产品装配模型的信息描述,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容(1)产品装配模型的信息描述基于图形的表示方法基于关系数据库的表示方法面向对象的表示方法,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容(2)产品的可装配性分析1)确定产品可装配性类别手工装配；专用机械（自动化）装配；程序控制机械（包括机器人）装配2)确定产品可装配性分析方法基于实验的方法基于统计的方法基于建模的方法,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容3)分析影响产品的可装配性的各种因素,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容,4.3面向X的设计（DFX）,4)考察各因素之间的相互作用和相互关系可以从多方面考察产品的可装配性，既可以从零件结构、材料和零件的联接关系等方面进行考察，也可以从装配方法和装配工艺等方面进行考察。通过考察来归纳改善可装配性的设计规则是DFA的主要工作之一。,(3)产品可装配性评价,(3)产品可装配性评价,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容2)可装配性评价方法定性评价又称基于准则的DFA，或称公理化方法定量评价使设计者以量化的方式考察产品的可装配性。量化评价内容一般包括：产品结构评价；装配工艺评价；单一零件评价；联接方式评价。,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容(4)产品可装配性再设计可装配性再设计是产品DFA的关键问题。只有通过产品的可装配性再设计，才能改善产品的可装配性。DFA系统提供的可装配性再设计一般采用两种形式：再设计建议，即系统根据可装配性分析和评价，给出再设计建议，以改进产品的可装配性。再设计工具，在系统支持下，实现产品装配设计的改进、补充和完善，如改变设计参数、改变装配条件、改变装配结构等。,二、面向装配的设计（DFA）3.基于准则的DFA(1)DFA的常用准则所使用的零件数最少。产品所有零件的装配方向最少。所有零件应尽量在同一个方向进行装配，以便保证效率和质量。尽量采用模块化设计。尽量减少装配工作面。尽量减少使用紧固件。装配尽量在外部进行，以便于观察和装配的便利。,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）3.基于准则的DFA(1)DFA的常用准则尽量使零件易于识别。须避免设计的零件相互干涉、缠结，优化零件的抓取。装配在一起的零件应有互锁特征。如设计时增加一些凸凹特征，以便使零件保持原位。使零件易于配合。如采用增加导角、引导面等措施引入柔性环境。,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）3.基于准则的DFA(2)案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）3.基于准则的DFA(2)案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用根据图4-22，进行油缸的可装配性改进：缸体部件由左端盖和缸筒的分离结构改为整体结构缸体部件的螺栓联接改为螺钉联接；活塞部件由活塞杆与活塞的分离结构改为整体结构活塞部件省略了螺栓螺母联接。,4.3面向X的设计（DFX）,二、面向装配的设计（DFA）3.基于准则的DFA(2)案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,三、面向成本的设计（DFC）1.DFC的发展通常产品设计费用只占产品总成本的5%10%，却决定了产品成本的70%80%。设计不合理所引起的产品性能和经济性方面的先天不足是生产过程中质量和成本控制措施所无法挽回的。在产品设计定型后再进行价值分析，已经为时太晚。因而，研究设计过程中产品成本的估算方法、预测理论以及降低产品成本的设计方法，实现产品设计方案的技术经济性综合优化，对于降低产品成本，提高其市场竞争力具有十分重要的意义。,三、面向成本的设计（DFC）1.DFC的发展DFC综合应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、DFA和DFM技术、价值工程分析方法、产品数据管理技术等，开发集成化的面向成本的设计支持系统。国内外在该领域的研究开发可归纳为以下三种情况：基于回归分析的产品成本估计产品成本建模基于价值工程的产品成本分析,4.3面向X的设计（DFX）,基于回归分析的产品成本估计通过对产品特征和订单相关信息的详细描述，比较公司以前生产过的相似订单，对历史数据作线性或非线性回归分析，建立产品成本模型，实现快速成本估算。如美国Cawthorne-Nugent等人开发了面向产品订货的基于知识的智能化产品成本估算系统。该系统主要用于产品报价，但这种分析不能揭示产品设计中的成本要素，与设计联系不够紧密，因而不能为设计者提供产品成本信息反馈。,4.3面向X的设计（DFX）,产品成本建模试图通过建立产品的成本模型，在设计阶段实现产品制造成本的估算。成本公差模型零件公差值的大小直接决定零件的制造成本。利用成本公差模型，设计者可合理地进行公差分析与综合，从而降低零件制造成本。工艺参数成本模型以零件的工艺过程信息为参数，可以建立零件的工艺参数成本模型。利用该模型，可以在产品开发早期实现同一零件不同制造方法的成本估算，并进行不同制造方法的成本比较。,4.3面向X的设计（DFX）,基于价值工程的产品成本分析价值工程用最低的生命周期成本，可靠的实现必要功能，并且着重于功能分析有组织的活动。在产品开发阶段，运用价值工程的分析方法，通过选择新颖设计概念和优化工艺过程达到降低产品成本的目的。90年代末，我国陈立周教授拓展了日本田口（G.Taguchi）博士的稳健设计方法，提出了基于质量成本模型的混合稳健设计方法，以获得低成本的高质量产品。,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(1)包含成本信息的数字化产品建模方法建立包含产品设计、加工、装配、检测等成本预算所需信息的数字化模型是在设计阶段进行产品成本估算的基础。产品数字化模型分两个层次：零件特征模型它为零件制造成本估算提供信息；装配特征模型它为产品装配成本估算提供信息,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(1)包含成本信息的数字化产品建模方法图4-24所示的数据模型表达了产品成本信息。产品成本信息分三个层次表达：产品层。其成本信息表达相似产品成本的历史数据，产品成本分解为零部件的制造成本和装配成本。零件层。其成本信息表达零件成本历史数据，零件成本为组成零件的特征成本的综合。特征层。其成本信息表达特征成本历史数据，特征成本根据其制造过程确定。,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(2)面向成本的产品结构优化方法影响产品成本的主要因素是零件的复杂程度和零部件数目。在产品开发阶段，根据价值工程的成本分析法，降低产品成本的方法有7个：优化设计方案，用最少的零件实现产品的功能；优化零件尺寸和工艺参数，降低零件的加工成本；寻找高成本零件的代用品，降低材料成本；,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(2)面向成本的产品结构优化方法采用优化设计技术降低材料用量；实现零件标准化、部件通用化、产品系列化设计；应用DFM/DFA的分析、评价方法，选择新的设计概念，改进结构设计；简化复杂零部件结构，改善零部件的制造和装配性能，降低加工成本和装配成本。,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(3)产品成本估算包括三个层次的内容：产品装配成本估算产品装配成本取决于零部件的装配难易程度，而零部件的装配难易程度取决于零部件的装配特征。另外，产品的装配序列以及企业的装配资源对产品的装配成本也有直接影响。因而，产品装配成本的估算必须建立在产品装配特征模型、装配序列规划以及装配资源信息的基础上。,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(3)产品成本估算零件制造成本估算零件成本取决于零件的材料成本和制造成本。零件制造成本取决于零件的制造过程。零件制造过程信息包括零件制造工艺过程信息、制造资源信息。因而，零件工艺过程规划和制造资源规划是实现零件制造成本估算的基础。,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(3)产品成本估算特征制造成本估算特征的制造成本取决于特征的制造过程。对于常见的制造特征，可根据其制造过程信息建立其成本数据库。以此为基础，可估算出零件的制造成本。,4.3面向X的设计（DFX）,2.DFC系统的关键问题(4)零件的分类方法及相似度比较方法应用成组技术将组成产品的零件根据其特征进行分类编码。借助零件的分类编码，通过基于特征的零件相似度比较，可快速从产品数据库中检索出与所设计零件相似的零件，实现同类零件的成本类比，以选择成本较低的零件。,4.3面向X的设计（DFX）,3.案例：DFC系统的结构图4-25为实现DFC的一种技术方案。其主要步骤为：在产品概念设计阶段，根据产品功能要求，建立产品的概念装配模型；应用价值工程、DFA和DFM的分析方法实现产品结构优化；在详细设计阶段，利用产品建模技术建立包含设计、加工、装配、检测等成本预算所需信息的数字化模型；,4.3面向X的设计（DFX）,提取数字化产品模型中的零件加工特征及产品装配特征，进行零件制造工艺规划和产品装配工艺规划；根据设计特征、工艺特征的成本信息、产品成本历史数据、制造资源成本信息以及企业MIS数据库中的单位工时费用等成本数据，完成产品成本估算；设计者根据产品成本原因，或者改进产品设计，优化产品结构，或者检索产品零部件库，以低成本的零件替换较高成本的零件，从而实现考虑产品成本的优化设计。,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）1.DFQ思想的产生多年来，质量控制实施的阶段和方法在不断变化。传统方法是在生产线上布置大量的检测人员，由这些检测人员“检测”出符合要求的产品，那时人们认为“质量”是检测出来的。自从WalterShewhart创造性地使用基于统计技术的控制图来监测生产制造过程的变化以来，人们开始发展和采用统计过程控制(SPC)技术来控制生产过程，并保证在生产过程中获得人们期望的质量。于是观念转变为“质量”是生产出来的。,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）1.DFQ思想的产生随着工业生产的发展，产品的功能与结构日趋复杂，产品设计在全生命周期内占有越来越重要的位置，产品的质量保证也由过去的以纠正、控制为主向着预防为主发展。研究表明，“质量”首先是设计出来的，这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）的设计思想。,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）2.DFQ的基本概念目前，世界上公认的看法以Hubka的观点为代表：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有必需的知识。为了更好地理解DFQ，可以把质量分解为两类：外部质量，指顾客能感受到的质量，即最终产品所体现的特性；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。DFQ的过程实际就是设计相应的内部质量来保证外部质量的过程,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）2.DFQ的基本概念DFQ的实现策略是质量驱动的集成化产品和过程开发（IPPD：IntegratedProductandProcessDevelopment）形式。其过程模型如图4-26所示。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，将质量管理与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。,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）2.DFQ的基本概念,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）3.DFQ的工具对应每一设计阶段DFQ都有相应的三个过程，以此可将DFQ的工具分为如下三类：,四、面向质量的设计（DFQ）3.DFQ的工具(1)确定质量目标的工具QFDQFD的目标是确保以顾客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“如何做”将顾客要求逐步展开，逐层转换为设计要求、零件要求、工艺要求和生产要求，,4.3面向X的设计（DFX）,4.3面向X的设计（DFX）,产品计划矩阵,零部件计划矩阵,工艺计划矩阵,生产计划矩阵,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）3.DFQ的工具(1)确定质量目标的工具QFD（质量功能配置）QFD的基本工具是”质量屋”(HOQ)。利用一系列的相互关联的质量屋，可以将顾客的需求最终转移成零件的制造过程。一个产品计划阶段的质量屋由6个矩阵组成,图4-28质量屋的组成,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）3.DFQ的工具(1)确定质量目标的工具QFD质量屋不仅可以用于产品计划阶段，它还可以应用在产品设计阶段（包括部件设计和零件设计）、工艺设计阶段、生产计划阶段和质量控制阶段。这些阶段的质量屋连在一起，就构成一个完整的QFD系统。这样一个系统可以保证将顾客的需求准确无误地转移成产品工程特性直至零部件的加工装配，最后取得增强产品市场竞争力的效果。QFD有助于设计和工艺相结合，在CIMS和并行工程中得到广泛应用。,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）3.DFQ的工具(2)实现质量分解与合成的工具目录设计与方法学设计是通过系统的、结构化的设计将系统进行功能分解与综合，寻求最佳设计方案，但缺乏有效的软件支持。响应模型法是应用统计模型，通过对设定的设计参数名义值及其偏差大小，对功能指标的响应，以及产品质量指标的精确分析来选择设计方案。适应性分析是通过分析预测零部件在生产、装配过程中的变化性风险，在设计阶段及早发现解决潜在的加工能力问题，使设计方案切实可行。三次设计法又称稳健设计法。该方法应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）作为质量评价指标，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。,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）3.DFQ的工具(3)质量评价与决策的工具失效模式和效应分析(FMEA)是在系统设计过程中，通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统功能的影响与产生后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠度。故障树分析(FTA)是根据产品或系统可能产生的失效，利用失效树图分析，寻找一切可能导致此失效的原因。,4.3面向X的设计（DFX）,四、面向质量的设计（DFQ）3.DFQ的工具(3)质量评价与决策的工具设计评审是运用科学原理和工程方法，发挥集体智慧，在设计的各个阶段对设计进行评议审查，及早发现和消除设计缺陷，以便对设计提出改进或为转入下一阶段提供决策依据。多目标优化是同时考虑多个目标在某种意义下的最优化问题，在工程设计、生产管理等领域比单目标优化更具有现实意义。,4.3面向X的设计（DFX）,4.4模块化设计（MD）,一、MD的定义、特点及发展模块化设计（ModularDesign，MD）是指在功能分析的基础上，对一定范围内的不同功能或相同功能而不同性能、不同规格的产品划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。另一种更为先进的设计方法是产品的计算机辅助模块化设计。这种方法基于功能分析，进而对整个产品系列自顶向下规划或设计出若干组符合规定的功能模块，再依据顾客具体要求，通过功能模块的选择和综合，快速设计出新产品，以便解决生产中顾客需求个性化和单件小批生产中批量化的问题。,一、MD的定义、特点及发展MD的主要特点包括：同一功能的单元不是一种单一部件，而是若干可互换的模块，从而使所设计的产品在结构上和性能上更加协调合理。同一功能的模块可在基型、变型、甚至跨系列和跨类型的产品中使用，从而具有较大范围内的通用性。尽量将功能单元设计成较小型的标准模块，并使其与那些直接相关模块之间的连接形式、结构要素一致，或使其标准化，便于装配和互换。MD的这些特点使得其较经济地应用于多品种小批量生产。,4.4模块化设计（MD）,4.4模块化设计（MD）,一、MD的定义、特点及发展MD的优点在于：缩短产品开发周期，快速响应市场变化，有利于产品维修、升级和再利用，方便工厂和产品的重组，相对延长产品的生命周期等，因而得到制造业和学术界的广泛重视。,一、MD的定义、特点及发展MD的形成与发展是基于社会生产发展要求和传统设计基础的。MD的研究始于20世纪50年代