先进制造系统 (2)

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） 4.5 产品数据管理（PDM）,面向制造的设计（Design For Manufacturing，DFM） 调在设计过程中考虑可加工性和加工的方便性； 面向装配的设

2、计（Design For Assembly，DFA） 在设计过程中考虑可装配性、装配的方便性和减少装配价格； 面向成本的设计（Design For Cost，DFC） 在设计阶段综合考虑产品的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素，并及时设计修改，降低产品成本。 面向质量的设计（Design For Quality，DFQ） 在设计阶段进行质量控制，保证产品满足顾客质量要求。 面向环境的设计（Design For Environment，DFE） 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，节约资源，保护环境。DFE也称为生态化设计ED。,4.3 面向X的设计的涵

3、义,4.3 面向X的设计（DFX）,4.3.1 面向制造的设计（DFM） 4.3.2 面向装配的设计（DFA） 4.3.3 面向成本的设计（DFC） 4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展 2. DFM的基本原理 3. 产品可制造性的评价,DFM 是在20世纪80年代后期先进制造设备的优点无法得到发挥时诞生的。零件DFM重点考虑最小材料费用和加工工艺性，而且主要考虑精加工工序。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展,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；

4、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。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,2. DFM的基本原理,DFM包括的基本内容与“制造”的定义有关： 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。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,2. DFM的基本原理,广义DFM既包括产品结构的设计，又包括零件结构的设计。前者被称为面向装配的设计DFA，后者被称为面向加工的设计DFM（此处M应为Machining）。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

5、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。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,3. 产品可制造性的评价,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,1. DFA的发展 2. DFA的主要内容 3. 基于准则的DFA,装配是将零件结合成完整产品的生产过程，DFA的产生可追溯至20世纪60年代初。当时大多数装配任务依靠手工完成，装配所耗的时间约占整个生产周期的50%。,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,1. DFA的发展,(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,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,

6、2. DFA的主要内容,信息组成包括六个方面（图4-18） 管理信息是与产品及其零部件管理相关的信息。 几何信息是与产品的几何实体构造相关的信息。 拓扑信息包括两类：层次结构与几何配合约束。,2. DFA的主要内容,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,(1)产品装配模型的信息描述,工程语义信息反映工程师的设计及制造意图。 装配工艺信息是与产品装/拆工艺过程及其具体操作相关的信息，包括各装配元件的装配顺序、装配路径及装配工具的介入、操作和退出等信息。 装配资源信息主要是装配系统设备的组成与控制参数。,4.3.2 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

7、于图形的表示方法 如图4-19所示，以节点表示产品装配系统中的各种实体，以有向线弧表示实体与实体的装配关系。其优点是直观、容易理解；缺点是装配信息描述不完整，难以表达节点存在多类型、多层次的相互关系。,4.3.2 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,基于关系数据库的表示方法 采用关系数据库存储，可以方便地实现装配系统实体及其关系等信息的组织和维护，但表达实体及其关系的语义困难。 面向对象的表示方法 灵活自然地模拟现实的装配工况，减少语义断层。,1)确定产品可装配性类别 产品有三种基本的装配方法：手工装配；专用机械（自动化）装配；程序控制机械（包括机器

8、人）装配，还有三者的混合。,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,(2)产品可装配性分析的四项基本任务,2. DFA的主要内容,2)确定产品可装配性分析方法 实验的方法 统计的方法 建模的方法,3)分析影响产品的可装配性的各种因素 4)考察各因素之间的相互作用和相互关系,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,T,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,(3)产品可装配性评价,1)可装配性评价的三方面内容,2. DFA的主要内容,2)可装配性评价方法： 定性评价 定量评价,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,2. DFA的主要内容,通过产品的可装配性再设计，改善产品的可装配性。再设计建议，即系统

9、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。,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,(4)产品可装配性再设计,2. DFA的主要内容,(1) DFA的常用准则,3. 基于准则的DFA,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。 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

10、。 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。,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,(2) 案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用,3. 基于准则的DFA,4.3.2 面向装配的设计（DFA）,(2) 案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用,3. 基于准则的DFA,4.3.3 面向成本的设计（DFC）,1. DFC的发展 2. DFC系统的关键问题 3. 案例：DFC系统的结构,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

11、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。,4.3.3 面向成本的设计（DFC）,基于回归分析的产品成本估计 通过对产品描述，比较公司以前生产过的相似订单，建立产品成本模型，实现快速成本估算。 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。 基于价值工程的产品成本分析 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。,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

12、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。,4.3.3 面向成本的设计（DFC）,4.3.3 面向成本的设计（DFC）,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； 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。,4.3.3 面向成

13、本的设计（DFC）,(2)面向成本的产品结构优化方法,2. DFC系统的关键问题,(3) 产品成本估算 产品装配成本估算 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。 零件制造成本估算 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。 特征制造成本估算 取决于特征的制造过程。 (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。通过基于特征的零件相似度比较，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。,4.3.3 面向成本的设计（DFC）,2. DFC系统的关键问题,4.3.3

14、面向成本的设计（DFC）,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,1. DFQ思想的产生 2. DFQ的基本概念 3. DFQ的工具,1. DFQ思想的产生,传统方法是在生产线上布置大量的检测人员，人们认为“质量”是检测出来的。后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，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。随着工业生产的发展研究表明，“质量”首先是设计出来的。,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,2. DFQ的基本概念,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

15、，如采 购、设计、生产、装配等质量。,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,2. DFQ的基本概念,图4-26 实现DFQ的过程模型 b）并行设计的DFQ流程 c）每一设计阶段的过程,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,2. DFQ的基本概念,3. DFQ的工具,(1)确定质量目标的工具QFD QFD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， 形成图4-27所示的分解过程。,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,3. DFQ的工具,(1

16、)确定质量目标的工具QFD,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）： 反映顾客要求的列矩阵。 反映产品设计要求的行矩阵。 屋顶是个三角形，表示各个设计要求之间的相互关系。 表示设计要求与顾客要求之间的关系矩阵。 表示将要开发的产品的竞争能力的市场评估矩阵。矩阵中的数据都是相对于每项顾客要求的。 表示技术和成本评估矩阵，矩阵中的数据都是相对于每项设计要求的。,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,(1)确定质量目标的工具QFD,3. DFQ的工具,图4-28 质量屋的组成

17、,目录设计与方法学设计 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 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，对功能指标的响应及产品质量指标的精确分析来选择方案。 适应性分析 预测零部件在生产、装配过程的风险、质量成本影响，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。应用正交表来安排试验方案，通过误差因素模拟各种干扰。 失效模式和效应分析(FMEA) 通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及对系统功能的影响与产生后果的严重程度进行分析。 故障树分析(FTA) 根据产品或系统可

18、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。,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,(2) 实现质量分解与合成的工具,3. DFQ的工具,设计评审 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。 模糊综合评判 利用隶属度函数和权重来表达指标优劣的模糊性和相对重要性，从而对模糊多目标系统进行评价和决策。 信息谱熵分析 是用信息熵测量产品关键性能满足顾客需求的不确定性，以此作为备选方案中择优的依据。这些方法大部分都是用于详细的、具体的产品模型产生之后，尚缺乏适用于设计早期的评价方法。,4.3.4 面向质量的设计（DFQ）,(3) 质量评价与决策的工具,3. DFQ的工具,4.3 END,第4章复习思考题（4.3）,15. DFM有哪些主要原则？ 16. 狭义DFM与广义DFM有何不同？DFM的实质是什么？ 17. 产品可制造性评价的基本内容是什么