《現(xiàn)代設計法》講義第七章.ppt

第五章面向 X 的設計 DFX 第一節(jié)概述第二節(jié)面向制造的設計第三節(jié)面向拆卸的設計第四節(jié)面向回收的設計第五節(jié)面向質(zhì)量的設計 面向 X 設計 DesignFor X DFX 是一種設計哲理 隱于產(chǎn)品及其工藝的設計過程中 這里的 X 可以是制造 裝配 檢測性 可靠性 服務 再利用性等 則DFX即是面向制造的設計 面向裝配的設計等等 表達了設計是為了 X 制造 裝配 檢測性 可靠性 服務 再利用性等 的意圖 DFX的哲理表現(xiàn)了在產(chǎn)品的設計階段就盡量的考慮與產(chǎn)品相關(guān)的 X 的因素的約束 在設計初期即做到針對性的優(yōu)化 從而使產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短 成本下降 第一節(jié)概述 面向 X 的設計最初是以DFM 面向制造的設計 和DFA 面向裝配的設計 出現(xiàn)的 其中 DFM技術(shù)強調(diào)在設計過程中考慮加工因素 即可加工性和加工的方便性 DFA技術(shù)強調(diào)在設計過程中考慮裝配因素 即可裝配性 裝配的方便性和減少裝配價格DFX技術(shù)中的 X 是將面向制造的設計和面向裝配的設計進一步擴展到產(chǎn)品壽命周期的所有領(lǐng)域 并逐漸形成一個技術(shù)族 力圖設計好造 好修 好用的產(chǎn)品 使用DFX技術(shù) 可利用一些成品的DFX工具軟件 如Boothrogd Dewhurst出品的DFA DFM軟件 Lucas的DFA工具軟件 面向 X 的設計與并行工程的區(qū)別面向 X 的設計強調(diào)在設計過程中考慮 X 的因素 但不強調(diào) X 方面的專家和設計人員共同工作 面向 X 的設計只強調(diào)單個的 X 因素 很難得到整體最優(yōu)化設計 并行工程強調(diào)各階段的專家共同工作 可以隨時將意見反饋給設計者 第一節(jié)概述 DFX包括的內(nèi)容 面向制造的設計面向裝配的設計面向維修的設計面向回收的設計面向質(zhì)量的設計面向成本的設計面向包裝運輸?shù)脑O計 第一節(jié)概述 一個產(chǎn)品設計不具備可制造性 或者是不能迅速地進行批量生產(chǎn) 那么 即使這個產(chǎn)品的性能 功能 質(zhì)量都是最好的 結(jié)構(gòu)非常緊湊 這個設計仍然是一個失敗的設計 設計一個新產(chǎn)品 如果在設計和制造之間沒有溝通 可能就是這個產(chǎn)品有沒有競爭性的主要原因 設計一個新產(chǎn)品 在設計開始的時候 在設計和制造之間就必須有效地溝通 并在整個設計過程中保持溝通 這包括有效地移交制造數(shù)據(jù) DFM是將產(chǎn)品的工程要求與全球制造能力相匹配 以達到成本最低 產(chǎn)量最高并加快產(chǎn)品面市時間的設計實踐和流程 DFM是一種與設計有關(guān)的功能 集中于新產(chǎn)品導入 NPI 周期的設計階段 而不是在制造實現(xiàn)和生產(chǎn)階段 DFM工程師致力于在繪圖板 物理 電子或其它形式 上就確定并解決與設計相關(guān)的潛在的制造問題 而不是等到制造階段 由于設計較少反復和產(chǎn)品質(zhì)量的提高 從而加快了產(chǎn)品投放市場的時間 第二節(jié)面向制造的設計DesignForManufacturing 2 1面向制造的設計的思想 原理2 2面向制造的設計方法概述2 3估計制造成本2 4減少部件成本2 5減少裝配成本2 6減少輔助成本2 7面向制造的設計決策對其他方面的影響 2 1面向制造的設計思想 原理 DFM是在產(chǎn)品的設計階段就盡早地考慮與產(chǎn)品制造有關(guān)的約束 如可制造性 全面評價產(chǎn)品設計和工藝設計 同時提供產(chǎn)品設計的反饋信息 在設計過程中完成可制造性預測 以使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)合理 制造簡單 裝配性好 并實現(xiàn)全局優(yōu)化從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期 DFM在設計階段 由于考慮工藝而多出的時間和費用 能夠在下游的加工裝配等階段得到補償 從而總體上達到了縮短開發(fā)周期 降低生產(chǎn)成本的目的 典型的DFM模型 2 2面向制造的設計方法概述 DFM方法如下圖所示 DFM的體系結(jié)構(gòu)廣義的DFM既包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計 又包括零件結(jié)構(gòu)的設計 前者一般被稱為面向裝配的設計 DFA DesignforAssembly 后者一般被稱為面向加工的設計 DFF DesignforFabrication 狹義的DFM特指上述DFF的概念 是與DFA相并列的 一般地講 針對零件的可制造性問題的DFM系統(tǒng)要考慮三個方面的問題 1 與資源無關(guān)的結(jié)構(gòu)工藝性問題DFM系統(tǒng)主要根據(jù)結(jié)構(gòu)工藝性知識 對零件的幾何和精度信息進行分析 對待加工特征的加工可能性 加工容易程度進行評估 結(jié)構(gòu)工藝性問題又可分為兩種 一種是常規(guī)方法根本無法加工的設計 另一種是用常規(guī)方法加工困難的設計 2 與資源有關(guān)的可制造性問題它是指零件的制造 是否在企業(yè)制造資源能力范圍內(nèi)的問題 DFM系統(tǒng)主要是通過分析零件加工對資源的需求 來考察生產(chǎn)設備是否滿足零件加工在尺寸范圍 精度特性等諸方面的要求 3 零件的制造經(jīng)濟性問題它要求DFM在設計階段 就對零件及其加工特征的加工成本等進行粗略的相對的估算 用以指導設計者有針對性地修改設計 以及對不同設計方案進行評價和取舍 這主要通過建立制造成本和加工時間預估的數(shù)學模型來實現(xiàn) 即DFM方法主要包括五部分 估計制造成本降低部件成本降低裝配成本降低輔助生產(chǎn)成本考慮DFM決策對其他因素的影響 2 2面向制造的設計方法概述 2 3估計制造成本 下圖所示為一個簡單的制造系統(tǒng)輸入與輸出模型 其中包括原材料 外購件 工人的勞動 能量與設備 輸出包括加工出的產(chǎn)品與廢物 制造成本就是系統(tǒng)輸入花費與處理廢物花費的和 備 制造成本的構(gòu)成 制造成本 部件成本 裝配成本和間接成本 固定成本和變動成本估計標準件成本估計定制件成本估計裝配成本估計間接成本 2 3估計制造成本 固定成本和變動成本固定成本不隨產(chǎn)量而變化的成本 例如 購買新的模具可變成本與產(chǎn)量成比例增長或減少 例如 原材料的成本 加工時間等估計標準件成本估計方法 A 將部件與公司已制造或購買的相似部件相比較 從而確定其成本 B 詢問供貨商或賣主 2 3估計制造成本 估計定制件 非標準件 成本 原材料成本 加工成本 工裝成本估計裝配成本估計間接成本 運輸成本 倉儲成本 分攤成本等 2 3估計制造成本 2 4減少部件成本 減少部件成本主要從以下幾個方面來進行 了解生產(chǎn)制約條件和成本驅(qū)動因素改進設計部件以簡化加工過程為加工過程選擇適當?shù)慕?jīng)濟規(guī)模部件加工過程標準化用 黑匣子 法獲得部件 2 5減少裝配成本 面向裝配的設計 DFA DesignForAssembly 是DFM的一個組成部分 它的目標是減少裝配成本 對大部分產(chǎn)品來說 裝配成本只是總成本中的很小一部分 但是減少裝配成本會帶來很大間接效益 由于強調(diào)了DFA 而使部件數(shù)量 制造復雜程度 輔助成本都下降 輔助DFA決策的原則 利用評分組合部件使裝配變得更容易考慮用戶的裝配 1 利用評分DFA系數(shù) 理論裝配最小時間與實際裝配時間的比值DFA系數(shù) 理論最小部件數(shù) 3秒 實際裝配時間2 組合部件如果一個部件在理論上沒有限定是獨立的 那么就可以與其他一個或多個部件合成一個部件 優(yōu)點 被組合的部件之間不需要裝配組合件成本通常比組合前部件成本低在組合件中 被組合件的尺寸精度更高 2 5減少裝配成本 3 使裝配變得更容易裝配過程中 理想部件的特征 部件從頂部裝入 部件有對準標志 部件不需要定向 只需要一只手就可以裝配 裝配不需要工具 部件以一種直線運動的方式裝入 部件一經(jīng)裝入就被加固 4 考慮用戶的裝配用戶自己可以裝配 2 5減少裝配成本 降低系統(tǒng)的復雜性 系統(tǒng)的復雜性隨著輸入 輸出和轉(zhuǎn)換過程的增多而增加 系統(tǒng)的復雜性是由產(chǎn)品設計帶來的 可以通過改變設計方案的復雜性來降低系統(tǒng)的復雜性 錯誤預防 DFM的一個重要方面就是預測系統(tǒng)可能發(fā)生的錯誤并在開發(fā)過程中采取適當?shù)拇胧?2 6減少輔助成本 2 7面向制造的設計決策對其他方面的影響 DFM對開發(fā)時間的影響開發(fā)時間是極其寶貴的 對于一個重要的開發(fā)項目來說 一日抵萬金 正是這個原因 在做DFM決策時不僅要考慮對制造成本的影響 而且要考慮對開發(fā)周期的影響 DFM對成本的影響開發(fā)成本與開發(fā)時間有緊密關(guān)系 因此 若開發(fā)時間因DFM決策而增長 那么相應地開發(fā)成本也會增加 DFM對產(chǎn)品性能的影響在用DFM作決策前 開發(fā)組應估計對產(chǎn)品性能的影響 在理想情況下 降低產(chǎn)品制造成本的措施會提高產(chǎn)品性能 不過 在實踐中 有些降低制造成本的方法會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生不良影響 DFM對外部因素的影響設計決策不只是對開發(fā)項目有影響 它必然對開發(fā)項目以外的事物有影響 主要是對部件的使用和壽命周期成本產(chǎn)生影響 2 7面向制造的設計決策對其他方面的影響 DFM的發(fā)展趨勢應用人工智能 神經(jīng)網(wǎng)絡 計算機輔助DFM等方法是比較先進的DFM方法 它們是當今DFM研究的主流 現(xiàn)在 由于計算機和通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展 DFM才得到了真正的發(fā)展機會 趨勢1人工智能與專家系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 使得既懂設計又懂工藝的 全能設計師 成為可能 這就是DFM專家系統(tǒng) 它是以計算機輔助設計 CAD 系統(tǒng)為基礎(chǔ)建造的可制造性評估系統(tǒng) 趨勢2計算機網(wǎng)絡和通訊技術(shù)的發(fā)展 使得不同職能部門的交流變得既方便又快捷 設計部門和工藝部門通過計算機網(wǎng)絡相連后 兩者無需見面既可交流信息 這樣 很多設計中的潛在問題都會得到及時發(fā)現(xiàn)和解決 趨勢3計算機強大的計算能力可以擔負DFM中的一些繁瑣的工作 這使設計者更容易也更迅速地考慮大量的設計和工藝候選方案 結(jié)論市場對制造業(yè)高質(zhì)量 低成本和快速響應的要求 使得DFM成為一種重要的設計思想 借助于計算機技術(shù) DFM得到真正的發(fā)展和應用 但計算機輔助DFM系統(tǒng)的理論模型還不成熟 研究方法也不完善 有待于在實踐中作深入細致的探討 深入研究DFM無疑對提高制造業(yè)的競爭力具有長遠的意義 面向拆卸的設計及其特點面向拆卸的設計準則產(chǎn)品拆卸信息描述面向拆卸的設計評價 第三節(jié)面向拆卸的設計 3 1面向拆卸的設計和特點廢棄產(chǎn)品的零部件經(jīng)過維修和廢棄產(chǎn)品的材料經(jīng)過一定的再生技術(shù)都可以被再利用 這就要求這些產(chǎn)品便于拆卸 面向拆卸設計 DFD DesignForDsiassembly 的設計思維和方法應運而生 3 1面向拆卸的設計和特點 拆卸的定義 從產(chǎn)品或部件上有規(guī)律地拆下有用的零部件的過程 同時保證不因拆卸過程而造成該零部件的損傷 拆卸的目的有三類 產(chǎn)品零部件的重復應用 元器件回收和原材料回收拆卸被分為三類 破壞性拆卸 部分破壞性拆卸和非破壞性拆卸 面向拆卸的設計與傳統(tǒng)設計相比的優(yōu)點 使可回收零件和材料再次重用所需工作量大大減少產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化 統(tǒng)一化 使產(chǎn)品有較大預測能力拆卸操作簡單快捷拆下的零部件易于手工和自動處理回收材料和殘余廢棄物易于分類和后處理減少產(chǎn)品使用過程中的變化 3 1面向拆卸的設計和特點 3 2面向拆卸的設計準則 面向拆卸的設計準則就是為了將產(chǎn)品的拆卸性要求及回收約束轉(zhuǎn)化為具體的產(chǎn)品設計而確定的通用或?qū)Ｓ玫脑O計原則 拆卸工作量最少原則與結(jié)構(gòu)有關(guān)的原則易于拆卸原則易于分離原則產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可預估性準則 拆卸工作量最少原則即 簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形 減少零件材料種類 簡化維護及拆卸回收工作 降低對維護 拆卸回收人員的技術(shù)要求 明確所要拆卸的零部件功能集成減少材料種類材料相容性準則有害材料的集成準則拆卸目標零件易于接近準則 3 2面向拆卸的設計準則 與結(jié)構(gòu)有關(guān)的原則結(jié)構(gòu)盡量采用簡單的連接方式 盡量減少緊固件數(shù)量 統(tǒng)一緊固件類型 并使拆卸過程具有良好的可達性及簡單的拆卸運動 易于拆卸原則要求拆卸快 拆卸容易易于分離原則既不破壞零件本身 也不破壞回收機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可預估性準則避免將易老化或易腐蝕的材料與所需拆卸 回收的材料零件組合 要拆卸的零部件應防止被污染或腐蝕 3 2面向拆卸的設計準則 3 3產(chǎn)品拆卸信息描述 產(chǎn)品拆卸設計所需信息包括產(chǎn)品數(shù)據(jù) 零件圖 工藝文件 零件基本數(shù)據(jù) 零部件結(jié)構(gòu) 功能及所用材料等信息 和使用信息 產(chǎn)品使用條件和場所 產(chǎn)品使用中的維修及零部件更換數(shù)據(jù) 如下圖所示 這些信息可歸納為三個方面 1 拆卸過程信息2 拆卸零部件信息3 拆卸約束信息 功能約束 幾何約束 工夾具約束等 拆卸信息的描述方法 基于圖形的表示方法用節(jié)點表示DFD中的各種實體 連接弧表示實體之間的拓撲關(guān)系 這種方法簡單 直觀 易于理解 基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方法采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲實體及其關(guān)系 這種方法的信息組織維護方便 面向?qū)ο蟮姆椒墒箤嶓w表達具有繼承性和封裝性 對象 實體 的層次可分為若干類及相關(guān)屬性 如物理屬性 幾何屬性 特征屬性等 拆卸方法由對象的類型確定 3 4面向拆卸的設計評價 面向拆卸的設計評價是對設計方案進行評價 修改 再評價 再修改直至滿足設計要求的動態(tài)過程 評價指標主要由兩方面的指標組成 與拆卸過程有關(guān)的指標 拆卸費用 拆卸時間 拆卸過程的能量消耗和拆卸過程的環(huán)境影響 與連接結(jié)構(gòu)性有關(guān)的指標 可達性 標準化程度 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復雜程度 第四節(jié)面向回收的設計 4 1面向回收的設計的基本概念面向回收的設計 DFR DesignForRecycling Recovering 在進行產(chǎn)品設計時 充分考慮產(chǎn)品零部件及材料的回收可能性 回收價值大小 回收處理方法 回收處理結(jié)構(gòu)工藝性等一些列問題 以達到零件材料資料和能源的充分有效利用 并在回收過程中對環(huán)境污染為最小的一種設計方法 面向回收的設計與傳統(tǒng)的設計的比較 4 2面向回收設計的特點 可使材料資源得到最大限度地使用可減少環(huán)境污染 保護生態(tài)環(huán)境有利于持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施擴大了就業(yè)門路 提供更多的就業(yè)機會產(chǎn)品回收是一個社會化綜合工程 系統(tǒng)工程 會涉及到很多部門物流的閉合性回收過程本身是清潔生產(chǎn) 應該對環(huán)境無害 不造成對環(huán)境的二次污染 4 3面向回收的設計的主要內(nèi)容 主要內(nèi)容包括 1 可回收材料及其標志 2 可回收工藝及方法 3 回收的經(jīng)濟性 4 回收產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)工藝 產(chǎn)品生產(chǎn)時 在零件上模壓出材料代號或用不同一顏色表明材料的可回收性或注明專門的分類編碼代號 在材料零件上作出條形碼標志 具有條形碼的塑料零件可采用激光掃描儀會機器人進行分類 在材料回收過程中 人們往往需要識別出材料添加劑的比例和種類 同時要求材料識別技術(shù)成本低 易操作 能用于不同材料的識別 并能適應工廠車間的工作環(huán)境回收工藝及方法回收的經(jīng)濟性零件材料能否有效回收的決定性因素回收的零件的結(jié)構(gòu)工藝性 可回收材料及其標志 4 4面向回收的設計準則 面向回收設計的基本要求 對設計過程的要求 它除了注重產(chǎn)品的基本功能 性能等指標外 更注重產(chǎn)品的壽命 結(jié)構(gòu)及環(huán)境友好性 對產(chǎn)品設計人員的要求 產(chǎn)品設計人員不僅具有專業(yè)知識 還必須了解產(chǎn)品預定的回收工 環(huán)境保護等方面的知識 對生命周期過程管理的要求 回收過程依靠科學的管理 在設計階段要考慮到這一點 面向回收的設計準則 設計的結(jié)構(gòu)易于拆卸盡可能的選取可整新的零件潔凈的凈化工藝可充用零部件材料要易于識別分類機構(gòu)設計要有利于維修調(diào)整限制材料種類采用系列化和結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)考慮材料的異化再使用方法盡可能的利用回收零部件和材料考慮材料的相容性 第五節(jié)面向質(zhì)量的設計 5 1面向質(zhì)量的設計思想的產(chǎn)生設計是質(zhì)量保證的首要環(huán)節(jié) 是質(zhì)量保證實施的源頭 是生產(chǎn)質(zhì)量實現(xiàn)的前提 質(zhì)量保證應從傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程質(zhì)量控制向產(chǎn)品設計 開發(fā)質(zhì)量控制轉(zhuǎn)變 從制造過程控制向前推進到設計過程控制 因此提出了面向質(zhì)量的設計DFQ DesignForQuality 5 2面向質(zhì)量的設計的基本概念 DFQ就是建立一個知識系統(tǒng) 它能為設計者實現(xiàn)產(chǎn)品或過程的要求質(zhì)量提供所必需的知識 但由于質(zhì)量概念的模糊性和不確定性 使DFQ的概念難以確定 許多研究者把Q分為兩類 Q外 外部質(zhì)量 指顧客能感受到的質(zhì)量 及最終產(chǎn)品所表現(xiàn)的特征和特性 Q內(nèi) 內(nèi)部質(zhì)量 指企業(yè)內(nèi)部所進行的一切生產(chǎn)活動的質(zhì)量 如采購 設計 生產(chǎn) 裝配等質(zhì)量 設計過程實際就是設計相應的Q內(nèi)來保證Q外的過程 質(zhì)量模型如下頁所示 質(zhì)量產(chǎn)生過程模型 5 3面向質(zhì)量設計的實現(xiàn)策略和方法 DFQ的實現(xiàn)策略DFQ是質(zhì)量驅(qū)動的集成化產(chǎn)品和過程開發(fā)形式 其模型如下頁所示 它強調(diào)每一設計階段中制定目標 合成 評價決策過程的分離 通過對每一過程實施相應的方法和工具來加強質(zhì)量保證的可能性 由于質(zhì)量分解 合成的引入 使設計階段綜合考慮到一切與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的活動 將質(zhì)量管理和控制活動融入設計中 將質(zhì)量設計到產(chǎn)品中 保證設計的完善性 DFQ過程模型 上圖所示為 順序設計的DFQ流程右圖所示的為 并行設計的DFQ流程 DFQ的方法和工具 1 制定目標的方法和工具 質(zhì)量功能配置QDF QualityFunctionDeployment 目標是確保以顧客的需求來驅(qū)動產(chǎn)品的設計和生產(chǎn) 采用矩陣圖解法 通過定義 做什么 和 怎么做 將顧客要求逐步展開 分層轉(zhuǎn)換為工程特性 零件特性 工藝計劃和質(zhì)量 生產(chǎn)計劃 形成如下圖所示的瀑布分解過程 現(xiàn)代機械設計方法 穩(wěn)健設計法 運用正交表來安排試驗方案 通過誤差因素模擬各種干擾 并以信噪比 SN 作為質(zhì)量評價體系 同時引入靈敏度分析 來尋求最佳的即穩(wěn)健性好的參數(shù)組合 響應模型法 應用統(tǒng)計學模型通過對設定的設計參數(shù)名義值及其誤差大小對功能值表的影響 以及產(chǎn)品質(zhì)量指標的精確分析來選定設計方案 原理設計方法 指出并證明了要控制產(chǎn)品質(zhì)量 設計必須滿足獨立原理 者即尋求可行方案的依據(jù) 信息原理用來在設計可行域內(nèi)尋求最優(yōu)解 并可推導出幾條原理和準則以指導設計 在設計早期階段控制質(zhì)量 2 幫助設計者進行概念設計及詳細設計的合成方法和工具 適應性分析 通過分析預測零部件在生產(chǎn) 裝配過程中的變化性風險 以及對設計可接受性 質(zhì)量成本的影響 從而在設計階段及早的發(fā)現(xiàn)解決潛在的加工能力的問題 使設計方案切實可行 DFX技術(shù) 在設計階段盡早的考慮與材料 加工方法 工藝規(guī)劃 裝配 測試 成本等有關(guān)的約束 保證產(chǎn)品設計一次成功 3 評價決策方法和工具 失效模式和