面向制造与装配设计的原理与应用

1、面向制造与装配设计的原理与应用面向制造与装配设计的原理与应用石伟 博士，副教授清华大学机械工程系2013 年 3 月 面向制造和面向装配的设计面向制造和面向装配的设计(DFMA)是，在产品设计阶段评估产品的可制造性和可装配性，使得产品更容易被制造和被装配，避免在最终制造阶段进行产品设计更改。按照 DFMA的观点 :制造是指单独零件的制造。装配是指增加或联接若干零件来形成一个完整产品的过程。DFMA的应用成果 波音 ( 阿帕奇 ) 波音 (F15) 惠而浦 ( 微波炉 ) 应用 BDI DFA 软件的效益 ( 数据来自 102 发表的案例研究 ) 分类 平均减少比例 % 装配时间 61 装配操作

2、 53 独立紧固件 67 产品成本 50 装配缺陷 68 产品上市时间 54 零件数目 54 重量26 DFMA的重要性 Source: Computer-Aided Engineering Reader Poll, June1993 减少装配时间 13% 零件数量和成本的减少9% 缩短产品上市周期39% 在质量和可靠性方面的改进 22% 缩短加工周期17% DFMA的主要客户面向制造的设计 (DFM)使得零件加工更容易。 DFM的方法与具体的制造工艺有关，比如机加工、板料成形、注塑成形工艺在应用DFM时的要求就有区别。应用 DFM还会用到加工工艺的分析模型，可能是经验公式，也可能是数值模拟。

3、面向装配的设计 (DFA)使得产品装配更加容易。应用DFA涉及到装配时间和装配的复杂程度，可以是基本的设计原则、具体操作的工时统计、或者是来自于人因学的研究结果。产品设计与 DFMA产品设计所关注的重点是满足用户需求、实现功能。产品设计不能局限于狭义的产品设计( 即由用户需求到产品功能实现) ，应该贯穿产品生命周期。产品设计与以下各方面相关联:产品研发流程 (PDM/MPM)工艺、材料、设备与工辅具辅助设计方法 (CAD/CAPP/CAM)评估分析方法(CAE/CAT/DFMA)产品设计与 DFMA 续 研究表明， 70%-80%的产品生命周期成本是在产品设计阶段决定的。在产品开发的早期，评估

4、产品的可制造性、选择适合的设计方案很重要。 在制造阶段，改进工艺或制造方案只能影响到很小部分的产品成本。 设计部门、工艺部门和制造部门相对独立，产品可制造性的好坏通常取决与设计人员的个人经验积累，需要系统的设计原则和方法。 设计阶段在整个产品开发中的作用 设计成本虽然只占产品整个成本的 5, ，但它却影响产品整个成本的 70, 。 传统的设计方式 设 计加 工 国外称之为“ Over the wall”，即扔过墙方式。我们称为串行设计模式。 设计更改的成本根据日本理光公司的具体实例:把机器送交客户后，才发现机器有问题，改正该问题的费用为: $590,000 如果问题提前被发现和改正，估计所花的

5、成本如下 :在设计阶段 : $35采购零配件之前 : $177生产之前 : $368Source: Digital DFMA 发展简介 DFMA方法来源于产品设计开发的实践活动，在早期的产品设计理念和方法中可以找到一些关于 DFMA的设计思想。 在设计指导手册中给出了 DFMA设计原则。 在 1970 年代形成系统的分析方法，其中 Boothroyd 等提出的 DFA方法具有代表性。 在 1990 年代随着并行工程的成功实施， DFMA作为并行工程的核心技术得到了很快的发展，开发出了 DFMA软件。 DFA 设计原则 DFA设计原则分成以下几类 : 系统原则 : 减少装配件的原则 ; Lock

6、heed 公司的 Kelly Johnson( 主持开发了 F80, U2, SR71, F117A) 把这个原则归纳为，“ Keep It Simple Stupid ”。 搬运原则 : 使零部件容易搬运或取放的原则 ; 插装原则 : 使零部件容易插装的原则 ; 连接原则 : 使零件更容易连接的原则。 系统原则 将多个功能合并到一个零件上，减少零件数目。分析每个零件，确定该零件功能是否能由相邻的零件完成; 采用不同的工艺，把多个零件合并成一个零件。把多个零件合并成子装配模块。不但容易搬运和装配，还会使检测和调试变得更容易。不要在封闭的空间内进行装配。减少在装配过程中变换方向，避免在狭窄的空间

7、中或要到产品内部进行装配。零部件容易定位和定向。零件应该有自定位特征，或对零件的方向做出标记。标准化，减少零件的变动。减少诸如紧固件之类常用件的种类，一则避免差错，二则提高经济性。 搬运原则 使零件的形状尽量对称。使零件更容易定向，如果不能做到对称就使零件明显不对称。 增加不对称性使零件更容易定向。 取消产生缠绕的零件。 显著区分形状相似的不同零件。 避免零件之间的嵌套。 用不对称性来提供定位特征。 插装原则 设计配合特征，使插装更容易。例如设计倒角或斜面，使得插装更容易。 提供对准特征。使后装入的零件容易定位，不需要测量。 从装配件的上方插装新的零件。避免支撑零件。 尽量在一个方向上进行插装

8、。 连接原则在完成零件的插装后还需要固定或连接，可以用紧固件、卡扣、焊接或胶接。消灭紧固件。减少紧固件数量，但不是减少连接强度。用其它连接方式替代一部分紧固件。紧固件远离障碍。深槽要有足够的宽度，以便容纳工具。提供紧固平面。有足够的空间容纳工具。DFM原则 不同工艺之间的差别很大，很难提出通用的 DFM设计原则用于提高零件的可制造性。例如，板金件的DFM原则与塑料件的 DFM原则有很大差距。在设计的时候，需要结合具体的工艺向有关人员咨询。对于许多加工工艺，能够找到设计原则或分析工具。例如，用有限元法分析板料成形、压力铸造工艺。注塑件的 DFM原则 钣金件的 DFM原则 DFM与 DFA的关系

9、DFM原则建议用简单零件的组合， DFA原则建议合并简单零件。 按照 DFA原则，设计出的零件比较复杂。将若干简单零件合并为复杂零件后，加工成本通常会增加。增加的加工成本要高出，减少零件数量所节约的装配成本以及制造成本。从产品整个生命周期来看，减少零件数目可以得到整体收益 : 减少了缺陷数目，改善物流管理与库存控制，降低了工人的劳动强度和出错机会，减少了专用工具和辅具，方便了产品维护。 在一些极端的设计中，单个零件的功能过多，零件过于复杂，以至于很难加工或成品率降低。需要把这样的零件用几个零件来代替。这样做违反了 DFA原则，但是能降低成本。 有些可制造性设计指南，存在有一些争议争议之一 :

10、产品功能由多个零件实现，而不是采用单个功能零件。争议之二 : 避免复杂的折弯件，而使用简单零件连接起来的。结构相对复杂的单个零件简单零件的组合部件方案 调整 加工 材料 工具 装配 总成本 复杂零件0.015 0.535 0.036 0.092 0 0.678组合部件0.023 0.683 0.025 0.119 0.2 1.05生产批量为 10 万个时的成本分析，单位为美元。3 个零件，使用螺丝刀，要仔细对准3 个零件，使用铆钉枪，较容易对准2个零件，紧固件与支架一体，使用设备铆接2 个零件，紧固件与支架一体，使用设备压入2 个零件，紧固件与支架一体，手工压入初始成本 :$0.66初始安装时

11、间 :20.92s最终成本 :$0.38最终安装时间:8.82s manufacturingmanufacturingcosts 100 % 50.5 % material titanium costs for fixtures resp. tools 100 % costsfor material costs for machining resp. assembling mass 4500g 100 % 100 % titanium 4400 g 64.6 % 96.5 % 3.9 % assembling of 9 milledparts investment casting 1- pri

12、or ? 2 - today 1 2 Investment casting contraassembling: Aerospace application应用 DFMA的效益 减少零件数目，提高产品质量和可靠性。容易装配的产品就不容易产生装配缺陷。降低装配成本、零件加工成本，从而降低产品的制造成本。从装配和制造的观点，提供一个系统的方法来分析已经提出的设计方案。鼓励设计人员在产品设计的早期与工艺、制造等部门的相关人员充分沟通，取得并行工程的效益。 在组织结构方面，促进设计部门与生产部门之间的合作。在管理方面，有助于降低成本、提高竞争能力。在工程方面，帮助工程师在设计阶段评估不同的材料和制造工艺

13、选择，分析装配效率和成本。在制造方面，制造工程师更多地参与产品设计，在产品投入生产前消除可能存在的问题。应用 DFMA的效益 续 BDI-DFMA软件简介 Boothroyd DewhurstInc.是开发 DFX领域的分析软件的专业公司。公司的创立者Geoffrey Boothroyd和 PeterDewhurst 是“面向制造与装配的产品设计”领域的知名专家，提出了面向制造与装配设计的分析方法，在许多企业得到了成功应用。在 20 世纪 70 年代末期开发了分析方法和数据库，以他们的分析方法为基础，在1983 发布了第一个 BDI-DFMA软件。之后在工业界的支持下，不断修正数据。BDI D

14、FA 方法 应用减少独立零件( 尤BDI 其是连接件和紧固件) 数目的标准，确定产品理论上的最小零件数目。根据提供的数据库，确定设计方案的装配时间。通过实验研究，测定了零件的搬运时间和插装时间。计算装配效率，用DFA效率指标比较不同方案的可装配性。确定装配困难和可以消除的对象BDI DFM 方法 零件形状、尺寸确定制造工艺，选择加工设备或加工操作。根据制造工艺参数、设备参数等计算加工时间依据BDI提供的材料、加工操作、设备折旧等基础数据，以及用户给定的人工成本，计算制造成本。减少独立零件数目的标准标准 1: 所分析的零件与所有其它已经装配的零件之间必须有相对运动,减少独立零件数目的标准( 续

15、) 标准 2: 所分析的零件必须与其它零件物理隔离 , 所考虑的零件与已经装配的零件相比，必须用一种不同的材料 ,减少独立零件数目的标准( 续)标准 3: 为了避免影响到其它独立零件的装配或拆卸，所分析的零件必须与所有其它已经装配的零件分离 , 如果对以上问题的回答都是否定的，设计者要考虑把所分析的零件与其它零件合并。DFA效率与最小零件数目Boothroyd最先提出了“理论上的最小零件数目”概念。根据产品的设计约束，用独立零件分析标准确定满足产品功能要求的最少装配项，这就是理论上的最小零数目 (NM)。 装配效率 (DE) 的计算方法 NM:理论上的最小零件数目 ;Ta: 基本装配时间，设定

16、为 2.93 秒;TM: 总装配时间 装配成本与时间 影响装配成本的主要因素 产品的零件总数 零件搬运、插装和连接的难度 组装两个零件的装配时间分为两类搬运时间 (Handling time):定向 (Identifyingorientation)，抓取 (grasping)，搬运 ( carrying)装入时间 (Insertion time):定向(Orient)，装入 ( insert) ，固定 (fasten) Motor original design Motor - 2.75 dia x 4.75 2 motor screws - 0.2 dia x 0.6 Sensor - 0.

17、187 dia x 1 Set screw -0.06 dia x 0.12 Cover - 16 gage low carbon steel with soldered seams and painted 4.5 x 2.75 x 2.4 All dimensions in Inches 4 cover screws - 0.12 dia x 0.3 Base - Aluminum, machined 4 x 2.2 x 1 2 bushings - brass, machined 0.5 dia x 0.8 Grommet - plastic, injection molding 0.7

18、dia x0.4 End plate - low carbon steel painted 4.5 x 2.25 x 1.3 2 end platescrews - 0.2 dia x 0.5零件最小数目为4: 基座、电机 ( 外购件 ) 、传感器、外罩。 DE=6.0 Motorredesign Motor - 2.75 dia x 4.75 2 motor screws - 0.2 dia x 0.6 Sensor - 0.187 dia x 1 Set screw - 0.06 dia x 0.12 Base - nylon, machined 4 x 2.2 x 1 Cover - i

19、njection molding 4.5 x 2.75 x 2.4 Alldimensions in Inches DE=14.9采用 DFMA的产品设计流程 Concept/Design Prototype Optimum Concept Redesign Suggestions DFM detail design for economic manufacture Early stageDFM analysis Material & Process Selection DFA Source: PlasticsDesign Forum Oct. 93 DFMA Shortens

20、 the Design Process 40% time savings BDI DFA Index Product Quality/BDI DFA Index Data correlation byMotorola 100000 10000 1000 100 10 1 Defects per million parts Everyone second of assembly penalty time causes an average of 100 DPM Source:Motorola DFMA 在 Longbow Apache设计中的应用 DFMA的应用目标减少零件数目、加工时间和装配时

21、间，降低制造成本简化装配，减少紧固件，降低乘员座舱重量 与 DFMA配合使用的加工手段 : 高速切削加工 ( 转速在 10000RPM以上 ) ，复合材料设计，超塑成型 DFMA的实施方法 组成集成产品开发 (IntegratedProductDevelopment, IPD) 团队 应用 DFMA限制零件数目 IPD 团队对现有部件进行DFMA分析 从 IPD 团队成员那里获得数据 收集到的数据输入到 BDI DFA 软件中 Longbow Apache 直升机驾驶员仪表板 再设计 原设计 新设计 设计 钣金件的折弯、铆钉连接 高速加工零件 零件数 重量 加工时间 装配时间 成本公斤 305

22、 小时 697 小时 $58,000 9 2.74 公斤 20 小时 181 小时 74 3$15,000 对副驾驶仪表板也进行了再设计: 原设计有 87 个零件 ; 新设计有 12 个零件，其中 7 个机加工件、 5 个钣金件或复合材料零件。 Source: Alfredo Herrera 1998International DFMA forum, Newport, RI Anti-Flair Bracket Assemblyfor the Boeing Longbow Apache Helicopter制造模式的演变大规模流水线生产(福特制) 适时生产 (Just in Time，丰田制

23、) 精益生产 (Lean Production)敏捷制造 (AgileManufacture)大规模定制生产供应链管理大规模定制生产由于用户与企业的信息交流变得非常方便、柔性生产技术的发展，有可能实现一种新的生产方式:既拥有单件生产的灵活性，又具备大批量流水线生产的效率。B. 约瑟夫 ?派因 (B.Joseph Pine) 在 1992 年出版的“ Mass Customization: The New Frontier inBusiness Competition”一书中提出了大规模定制生产的概念。大规模定制生产利用信息技术、柔性化过程和组织结构，以接近大规模生产的成本提供范围广泛的产品和服

24、务，满足单个用户的特殊需求。用户处于价值链的最前端，企业要按订单来生产(Manufacture to Order) 。 Design boundaries chosen so that design features and tasks are independent Design boundaries chosen to maximize consumer easy-to-use and ease- to-maintain Modularity in Design Designboundaries chosen to facilitate production to product vari

25、ety Modularity in Use Modularity in Production Computer industry Automobile industry 产品在设计、制造和使用等方面的模块化，是实现大规模定制的重要途径。大规模定制生产 ( 续 ) 汽车工业实现大规模定制的方法 平台化战略。由单一车型到系列化。模块化生产。汽车被分解成 10 至 20 个大的模块，由大供应商组装供应，整车厂只需要把这 10 至 20 个模块组装起来。 零部件通用化设计。在新老车型之间推行零部件的通用化，减少零部件种类。汽车企业专业化分工，整车厂进行全球采购。零部件的联合开发与联合采购。 2003

26、年丰田与法国 PSA共同开发新型底盘系统的合同，双方对半承担大约15 亿欧元的项目投资费用。大规模定制生产 ( 续) 大众集团以 A0 级( 奥迪 Q1)、A 级( 高尔夫 ) 、B级( 帕萨?兀 碌螦 4) 、C级( 奥迪 A6)、D级 ( 奥迪 A8)五个底盘规格统一了全部产品系列。奔弛与瑞士 SMH联合开发的双座微型车 SMART采用了模块化的设计与制造。由供应商制造座舱模块、后轴模块和车门模块，直接送到总装线 ; 外包车身焊接与涂装 ( 传统上由整车厂自己完成 ) Audi A8 外形 : 5175/1903/1450 重量 :2238kg 排量 :3.6L SMART 外形 : 2695/1559/1542 重量 :750kg 排量 :0.999L DELL 的供应链管理 戴尔公司的管理核心就是其有效的综合供应链管理。在以各工厂为基础实施供应链管理系统的基础上，逐步转向全球范围的综合供应链管理。资源配置将更趋合理和高效，反应更敏捷。主要材料配件供应商共有50 家，占总采购额的95, 以上。要求本地的主要供应商在戴尔生产厂附近设立零配件集散基地。客户的定