先进制造系统

1、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 第4章先先进设设计技术术4.1先进设计计技术的的定义、内容与与特点4.2计算机辅辅助X（CAX）4.3面向X的设计（DFX）4.4模块化设设计（MD）4.5产品数据据管理（PDM）面向制造造的设计计（DesignFor Manufacturing，DFM）调在设计计过程中中考虑可可加工性性和加工工的方便便性；面向装配配的设计计（D

2、esignFor Assembly，DFA）在设计过过程中考考虑可装装配性、装配的的方便性性和减少少装配价价格；面向成本本的设计计（DesignFor Cost，DFC）在设计阶阶段综合合考虑产产品的加加工制造造、装配配、检测测、维护护等多种种成本因因素，并并及时设设计修改改，降低低产品成成本。面向质量量的设计计（DesignFor Quality，DFQ）在在设计阶阶段进行行质量控控制，保保证产品品满足顾顾客质量量要求。面向环境境的设计计（DesignFor Environment，DFE）消消耗的资资源最少少，对环环境的污污染最少少，对操操作者的的危害最最低，产产品可以以回收利利用，节节约

3、资源源，保护护环境。DFE也称为生态化设设计ED。 4.3面向X的设计的的涵义4.3面向X的设计（DFX）4.3.1面向制造造的设计计（DFM）4.3.2面向装配配的设计计（DFA）4.3.3面向成本本的设计计（DFC）4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）4.3.1面向制造造的设计计（DFM）1.DFM的发展2.DFM的基本原原理3.产品可制制造性的的评价DFM是在20世纪80年代后期期先进制制造设备备的优点点无法得得到发挥挥时诞生生的。零件DFM重点考虑虑最小材材料费用用和加工工工艺性性，而且且主要考考虑精加加工工序序。4.3.1面向制造造的设计计（DFM）1.DFM的发展DFM的主要原原

4、则有：简化零件件的形状状；尽量避免免切削加加工（因因为切削削加工成成本高）；选用便于于加工的的材料；尽量设置置较大的的公差；采用标准准件与外外购件；减少不必必要的精精度要求求。任务提出产品概念、产品计划和设计目标图4-15 典型的DFM过程工程工具包 零件绘图 零件目录 装配图 过程设计优化产品/工艺概念优化产品结构简化产品设计确保产品/工艺一致性4.3.1面向制造造的设计计（DFM）2.DFM的基本原原理DFM包括的基基本内容容与“制制造”的的定义有有关：狭义DFM主要是零零件的可加工性性评价。其其中的M（制造）是是指构成成产品的的单个零零件的切切削、铸铸造、焊焊接、冲冲压等加加工过程程。4

5、.3.1面向制造造的设计计（DFM）2.DFM的基本原原理广义DFM既包括产产品结构构的设计计，又包包括零件件结构的的设计。前者被被称为面面向装配配的设计计DFA，后者被称称为面向向加工的的设计DFM（此处M应为Machining）。广义DFM包含下列列内容：零件的可加工性性。部件和整整机的可装拆性性。零部件加加工和装装配质量量的可检测性性。零部件和和整机性性能的可试验性性。零部件和和整机的的可维修性性。零部件及及材料的的可回收性性等。4.3.1面向制造造的设计计（DFM）表4-1 产品可制造性评价内容评价指标评价内容技术性装配工艺性装配自由度、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、自定心结构

6、、定位与联接、结构与装配匹配、利于装配的辅助结构零件标准化、装配标准化、结构工艺性热处理性、锻造性、焊接性、铸造性、切削性、制造资源约束、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、功能与结构匹配、结构与加工方法匹配、结构继承性、结构与批量匹配、结构标准化、产品系列化加工可行性精度与功能匹配、精度与加工方法匹配、精度与粗糙度匹配、形位精度与尺寸精度匹配、材料与加工方法匹配、加工方法与批量匹配、材料与刀具匹配、工艺继承性、满足装夹定位基准规则、装夹稳定性结构、易装夹结构材料标准化、工艺标准化、辅助工具标准化、经济性成本材料成本、外协成本、加工成本（毛坯、热处理、劳动、机床、刀具、工装成本）、装配成本、

7、运输成本、仓储成本、管理成本时间加工时间、装配时间、工装准备时间3.产品可制制造性的的评价4.3.2面向装配配的设计计（DFA）1.DFA的发展2.DFA的主要内内容3.基于准则则的DFA装配是将将零件结结合成完完整产品品的生产产过程，DFA的产生可可追溯至至20世纪60年代初。当时大大多数装装配任务务依靠手手工完成成，装配配所耗的的时间约约占整个个生产周周期的50%。4.3.2面向装配配的设计计（DFA）1.DFA的发展图4-17 可制造性设计指南的误导 a）单个功能零件 b）功能由多个零件实现a） b） (1)产品装配配模型的的信息描描述(2)产品的可可装配性性分析(3)产品的可可装配性性

8、评价(4)产品的可可装配性性再设计计4.3.2面向装配配的设计计（DFA）2.DFA的主要内内容信息组成成包括六个个方面（图4-18）管理信息息是与产品品及其零零部件管管理相关关的信息息。几何信息息是与产品品的几何何实体构构造相关关的信息息。拓扑信息息包括两类类：层次次结构与与几何配配合约束束。2.DFA的主要内内容4.3.2面向装配配的设计计（DFA）(1)产品装配配模型的的信息描描述工程语义义信息反映工程程师的设设计及制制造意图图。装配工艺艺信息是与产品品装/拆工艺过过程及其其具体操操作相关关的信息息，包括括各装配配元件的的装配顺顺序、装装配路径径及装配配工具的的介入、操作和和退出等等信息

9、。装配资源源信息主要是装装配系统统设备的的组成与与控制参参数。产品装配模型图4-18 产品装配模型的信息组成几何信息管理信息拓扑信息工程语义信息装配工艺信息装配资源信息4.3.2面向装配配的设计计（DFA）2.DFA的主要内内容(1)产品装配配模型的的信息描描述基于图形形的表示示方法如图4-19所示，以以节点表表示产品品装配系系统中的的各种实实体，以以有向线线弧表示示实体与与实体的的装配关关系。其其优点是是直观、容易理理解；缺缺点是装装配信息息描述不不完整，难以表表达节点点存在多多类型、多层次次的相互互关系。4.3.2面向装配配的设计计（DFA）2.DFA的主要内内容(1)产品装配配模型的的信

10、息描描述图4-19 基于图形的表示方式1箱体 2轮 3螺栓 4箱盖 5轴 6套3214561314256基于关系系数据库库的表示示方法采用关系系数据库库存储，可以方方便地实实现装配配系统实实体及其其关系等等信息的的组织和和维护，但表达达实体及及其关系系的语义义困难。面向对象象的表示示方法灵活自然然地模拟拟现实的的装配工工况，减减少语义义断层。1)确定产品品可装配配性类别别产品有三三种基本本的装配配方法：手工装装配；专专用机械械（自动动化）装装配；程程序控制制机械（包括机机器人）装配，还有三三者的混混合。4.3.2面向装配配的设计计（DFA）(2)产品可装装配性分分析的四项基基本任务务2.DFA

11、的主要内内容2)确定产品品可装配配性分析析方法实验的的方法统计计的方法法建模的的方法3)分析影响响产品的的可装配配性的各各种因素素4)考察各因因素之间间的相互互作用和和相互关关系图4-20 广义设计中的可装配性影响因素（外因）产品产品种类产品结构零部件装配工艺装配策略装配结构工艺过程产品可装配性装配系统系统种类系统配置系统元件（外因）（内因）4.3.2面向装配配的设计计（DFA）T4.3.2面向装配配的设计计（DFA）表4-2 产品可装配性评价内容评价指标评价内容技术性进给性能（套叠、缠结）；元件抓取（尺寸、重量、对称性等）；位置可达（倒角、圆角，装拆顺序）；定位可靠（自定位、预定位）；检测可

12、及工具利用（操作空间）；联接方法（插装、铆接、焊接、胶接等）；合成方向（多向、单向、垂直向下）；位姿调整（装拆便利、稳定性）经济性装配效率（生产纲领、作业方式）；资源利用（设备、工具、人力）；精度保证（公差分布、质量控制）；标准化（标准件比例、零件类数）；材料消耗社会性可拆卸（结构、操作、顺序）；可再用（零件、子装配）；可回收（材料再用）；环保（装配、拆卸、报废）(3)产品可装装配性评评价1)可装配性性评价的的三方面面内容2.DFA的主要内内容2)可装装配性评评价方法法：定性评价价定量评价价4.3.2面向装配配的设计计（DFA）图4-21 技术上不可行的装配2.DFA的主要内内容通过产品品的可

13、装装配性再再设计，改善产产品的可可装配性性。再再设计建建议，即即系统根根据可装装配性分分析和评评价，给给出再设设计建议议，以改改进产品品的可装装配性。再设计计工具，在系统统支持下下，实现现产品装装配设计计的改进进、补充充和完善善，如改改变设计计参数、改变装装配条件件、改变变装配结结构等。4.3.2面向装配配的设计计（DFA）(4)产品可装装配性再再设计2.DFA的主要内内容(1)DFA的常用准准则3.基于准则则的DFA所使用的的零件数数最少。产品所有有零件的的装配方方向最少少。所有有零件应应尽量在在同一个个方向进进行装配配，以便便保证效效率和质质量。尽量采用用模块化化设计。尽量减少少装配工工作

14、面。尽量减少少使用紧紧固件。装配尽量量在外部部进行，以便于于观察和和装配的的便利。尽量使使零件易易于识别别。须避免免设计的的零件相相互干涉涉、缠结结，优化化零件的的抓取。装配在在一起的的零件应应有互锁锁特征。如设计计时增加加一些凸凸凹特征征，以便便使零件件保持原原位。使零件件易于配配合。如如采用增增加导角角、引导导面等措措施引入入柔性环环境。4.3.2面向装配配的设计计（DFA）图4-22 原始设计的油缸1左端盖 2缸筒 3密封圈 4螺栓 5螺母 6活塞 7密封圈 8垫环 9活塞杆 10密封圈 11右端盖 12螺母1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 10 11 124.3.2面向装配配的设

15、计计（DFA）(2)案例：基基于准则则的DFA在油缸设设计中的的应用3.基于准则则的DFA1 2 3 4 5 6 7 8图4-18 DFA再设计后的油缸 1密封圈 2活塞杆 3缸筒 4端盖 5密封垫 6垫圈 7密封圈 8螺钉4.3.2面向装配配的设计计（DFA）(2)案例：基基于准则则的DFA在油缸设设计中的的应用3.基于准则则的DFA4.3.3面向成本本的设计计（DFC）1.DFC的发展2.DFC系统的关关键问题题3.案例：DFC系统的结结构1.DFC的发展通常产品品设计费费用只占占产品总总成本的的5%10%，却决定定了产品品成本的的70%80%。设计不不合理所所引起的的产品性性能和经经济性

16、方方面的先先天不足足是生产产过程中中质量和和成本控控制措施施所无法法挽回的的。4.3.3面向成本本的设计计（DFC）基于回归归分析的的产品成成本估计计通过对产产品描述述，比较较公司以以前生产产过的相相似订单单，建立立产品成成本模型型，实现现快速成成本估算算。产品成本本建模试图通过过建立产产品的成成本模型型，在设设计阶段段实现产产品制造造成本的的估算。基于价值值工程的的产品成成本分析析在产品开开发阶段段，运用用价值工工程的分分析方法法，通过过选择新新颖设计计概念和和优化工工艺过程程达到降降低产品品成本的的目的。2.DFC系统的关关键问题题(1)包含成本本信息的的数字化化产品建建模方法法建立包含含

17、产品设设计、加加工、装装配、检检测等成成本预算算所需信信息的数数字化模模型是在在设计阶阶段进行行产品成成本估算算的基础础。产品品数字化化模型分分两个层层次：零件特征征模型它为零件件制造成成本估算算提供信信息；装配特征征模型它为产品品装配成成本估算算提供信信息。4.3.3面向成本本的设计计（DFC）图4-24 产品成本信息模型产品模型产品零件制造加工资源使用成本工装资源工装准备制造时间制造资源装配资源制造方法制造工艺制造特征加工时间装配方法装配特征装配工艺产品成本特征成本基本几何形状几何模型零件成本检测特征检测成本产品BOM物料成本4.3.3面向成本本的设计计（DFC）优化设设计方案案，用最最少

18、的零零件实现现产品的的功能；优化零件件尺寸和和工艺参参数，降降低零件件的加工工成本；寻找高成成本零件件的代用用品，降降低材料料成本；采用优优化设计计技术降降低材料料用量；实现零零件标准准化、部部件通用用化、产产品系列列化设计计；应用DFM/DFA的分析、评价方方法，选选择新的的设计概概念，改改进结构构设计；简化复复杂零部部件结构构，改善善零部件件的制造造和装配配性能，降低加加工成本本和装配配成本。4.3.3面向成本本的设计计（DFC）(2)面向成本本的产品品结构优优化方法法2.DFC系统的关关键问题题(3)产品成本本估算产品装配配成本估估算取决于零零部件的的装配难难易程度度，而零零部件的的装配

19、难难易程度度取决于于零部件件的装配配特征。零件制造造成本估估算取决于零零件的材材料成本本和制造造成本。零件制制造成本本取决于于零件的的制造过过程。特征制造造成本估估算取决于特特征的制制造过程程。(4)零件的分分类方法法及相似似度比较较方法应用成组组技术将将组成产产品的零零件根据据其特征征进行分分类编码码。通过过基于特特征的零零件相似似度比较较，快速速从产品品数据库库中检索索出与所所设计零零件相似似的零件件，实现现同类零零件的成成本类比比。4.3.3面向成本本的设计计（DFC）2.DFC系统的关关键问题题图4-25 DFC系统的结构Y产品装配规划产品设计概念设计装配建模产品结构优化详细设计装配建

20、模产品装配成本估算成本结果分析与评价DFA方法库价值工程方法库DFA方法库成本信息模型存在相似零件？Y成本满足要求？N检索零件库零件相似度比较产品数据库N零件特征建模零件DFM评价零件制造成本估算特征库特征制造过程库成本信息模型4.3.3面向成本本的设计计（DFC）4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）1.DFQ思想的产产生2.DFQ的基本概概念3.DFQ的工具1.DFQ思想的产产生传统方法法是在生生产线上上布置大大量的检检测人员员，人们们认为“质量”是检测出来的。后来人人们开始始发展和和采用统统计过程程控制(SPC)技术来控控制生产产过程，保证在在生产过过程中获获得人们们期望的的质量。于是观

21、观念转变变为“质质量”是是生产出来的。随着工业业生产的的发展研研究表明明，“质质量”首首先是设计出来的。4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）2.DFQ的基本概概念质量分解解为两类类：外部质量量，指顾客客能感受受到的质质量，即即最终产产品体现现的特性性；内部质量量，指企业业内部所所进行的的一切生生产活动动的质量量，如采采购、设计计、生产产、装配配等质量量。图4-26 实现DFQ的过程模型 a）串行设计的DFQ流程设计环境设计管理设计信息设计方法设计人员 生产要求a）概念分析方案设计技术设计施工设计4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）2.DFQ的基本概概念图4-26实实现DFQ的的过程模模型b

22、）并行设设计的DFQ流流程c）每一设计计阶段的的过程设计环境设计管理设计信息设计方法设计人员生产b）时间轴概念分析方案设计技术设计施工设计要求c）质量分解与合成质量评价与决策确定质量目标4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）2.DFQ的基本概概念3.DFQ的工具(1)确定质量量目标的的工具QFDQFD的目标是是确保以以顾客需需求来驱驱动产品品的设计计和生产产，采用用矩阵图图解法，通过定定义“做做什么”和“如如何做”将顾客客要求逐逐步展开开，逐层层转换为为设计要要求、零零件要求求、工艺艺要求和和生产要要求，形成图4-27所示的分分解过程程。4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）产品总体设计 零件

23、设计 工艺设计 生产系统设计设计要求 零部件要求 工艺要求图4-27 质量功能展开示意图设计要求零件要求工艺要求生产要求顾客要求设计要求零部件要求工艺要求4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）3.DFQ的工具(1)确定质量量目标的的工具QFDQFD的基本工工具是”质量屋”(HOQ)。利用一系系列的相相互关联联的质量量屋，可可以将顾顾客的需需求最终终转移成成零件的的制造过过程。一一个产品品计划阶阶段的质质量屋由由6个矩阵组组成（图4-28）：反映顾客客要求的的列矩阵阵。反映产品品设计要要求的行行矩阵。屋顶是个个三角形形，表示示各个设设计要求求之间的的相互关关系。表示设设计要求求与顾客客要求之之间

24、的关关系矩阵阵。表示将将要开发发的产品品的竞争争能力的的市场评评估矩阵阵。矩阵阵中的数数据都是是相对于于每项顾顾客要求求的。表示技技术和成成本评估估矩阵，矩阵中中的数据据都是相相对于每每项设计计要求的的。4.3.4面向质量量的设计计（DFQ）(1)确定质量量目标的的工具QFD3.DFQ的工具图4-28 质量屋的组成目录设计计与方法法学设计计通过系统统的、结结构化的的设计将将系统进进行功能能分解与与综合，寻求最最佳设计计方案，但缺乏乏有效的的软件支支持。响应模型型法应用统计计模型，通过对对设定的的设计参参数名义义值及其其偏差大大小，对对功能指指标的响响应及产产品质量量指标的的精确分分析来选选择方案案。适应性分分析预测零部部件在生生产、装装配过程程的风险险、质量量成本影影响，在在设计阶阶段及早早发现解解决潜在在的加工工能力问问题，使使设计方方案切实实可行。三次设计计法又称稳健健设计法法。应用用正交表表来安排排试验方方案，通通过误差差因素模模拟各种种干扰。失效模式式和效应应分析(FMEA)通过对系系统各组组成单元元潜在的的各种失失效模式式及对系系统功能能的影响响与产生生后果的的严重程程度进行行分析。故