现代机械设计方法专题6

2010级研究生现代设计方法课程提纲（六）面向“X”的设计（DFX）1、概述面向“X”的设计最初是以DFM（面向制造的设计）和DFA（面向装配的设计）出现的DFM技术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DFA技术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DFX技术中的“X”是将面向制造的设计和面向装配的设计进一步扩展到产品寿命周期的所有领域，并逐渐形成一个技术族，力图设计好造、好修、好用的产品。DFX包括的内容：面向制造的设计面向装配的设计面向维修的设计面向回收的设计面向质量的设计面向成本的设计面向环保的设计面向可靠性的设计面向包装运输的设计面向均衡寿命的设计面向操作(好用)的设计2、面向制造的设计面向制造的设计(DFM)是最常用的DFX方法，贯穿产品的整个开发过程,有效的DFX可以在图1不降低产品质量的情况下降低制造成本2.1面向制造的设计思想、原理典型的DFM模型（图1）2.2面向制造的设计方法概述DFM方法如图2所示，主要包括:估计制造成本降低部件成本降低装配成本降低辅助生产成本考虑DFM决策对其他因素的影响图2从图2可以看出,DFM方法是从估计选定方案的制造成本开始的,估计制造成本可以帮助开发组判断出部件、装配和辅助生产中哪一个成本最高.使开发组在以后的开发过程中采取措施降低成本,不断地改进产品设计直到它达到一定的程度为止.2.3估计制造成本图3所示为一个简单的制造系统输入与输出模型,其中输入包括原材料、外购件、工人的劳动、能量与设备；输出包括加工出的产品与废物。制造成本就是系统输入花费与处理废物的花费之和。制造成本的构成下图所示为制造成本的构成。制造成本主要由：部件成本、装配成本和间接成本组成图3（1）估计标准件成本估计标准件成本有两种方法：将部件与公司已制造或购买的相似部件相比较来确定其成本，该方法主要用于小部件的成本估算。询问供货商或卖主。该方法主要用于大部件的成本估算。（2）估计定制件成本定制件是由制造者或卖主提供的，为某产品专门设计的部件．当定制件是一个单独部分的时候，是把原材料、加工和工装成本相加来得到其成本．当它是由几个部分组成时，就把它当一个产品，将其部件成本、装配成本和间接成本相加．原材料成本通过计算原材料量获得．加工成本包括设备操作工的工资和设备消耗．工装成本则由刀具、模具和夹具的设计和装配费构成．（3）估计装配成本大部分的装配都是由手工完成的．手工装配成本可由装配操作的时间乘以劳动率估计出．根据部件尺寸，操作难度和部件数量的不同，装配操作时间为４至６０Ｓ．在大量生产中，可利用工具以辅助生产．（４）估计间接成本大部分公司使用间接率来计算间接费用．间接率是由一个或两个成本驱动因素来确定的．间接成本是根据驱动因素大小，由直接成本按一定比例计算出来的．除了上述的分类方法，另一种分类方法是分为固定成本和变动成本，固定成本是指不随产量而变化的成本．可变成本是指与产量成比例增长或减少的成本，如原材料的成本，加工时间和工人劳动．2.4减少部件成本了解生产制约条件和成本驱动因素生产制约条件和成本驱动因素对于部件的成本有很大的影响.生产制约条件在某些情况下可以以设计规律的形式准确地把信息传递给设计者,设计出易于加工的产品,降低部件的制造成本.对于各种机械产品常有一个主要参数,即加工过程的成本驱动因素,对其成本有较大的影响,控制这个参数,即可控制成本的增长.改进设计部件以简化加工过程通过对已有方案的简化,可以使产品结构简化,降低产品的生产成本.为了实现简化设计,应注意的基本原则:(1)尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的联结.可以通过把过去要求很多零部件装配成的复杂部件实行整体加工及整体铸造,成为一个部件,来简化设计.(2)尽可能实现零、组、部件的标准化、系列化与通用化,控制非标零、组、部件的比率.（3）尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零、组、部件以至整机．为加工过程选择适当的经济规模产品产量升高时，单位产品的制造成本就会下降，这个现象称为“规模经济”，规模经济产生的原因：（１）规模越大，摊在单位产品上的固定成本就越少．（２）规模越大，公司能选用高效的加工过程和设备，这样句就可降低变动成本．制造成本可分为固定成本和变动成本，一旦开始生产，固定成本就形成了，不随产品产量而变化；变动成本则是由产量决定．低固定成本高变动成本的加工过程适合小量生产；高固定成本低变动成本的加工过程适合于大量生产．部件和加工过程标准化标准部件是多个产品中共有的，产品中提高标准件的数量可以使部件产量提高，这样部件的单位成本就会降低，也就降低了制造成本．用“黑匣子”法获得部件在该方法中，开发组只提供部件的功能描述，而不告诉供货商如何去生产这个部件，这样供货商就可以设计出最小成本的部件．2.5减少装配成本面向装配的设计(DFA:DesignForAssembly)是DFM的一个组成部分,它的目标是减少装配成本,对大部分产品来说,装配成本只是总成本中的很小一部分,但是减少装配成本会带来很大间接效益。下面是辅助DFA决策的原则：利用评分组合部件使装配变得更容易利用评分通常建议使用“装配效率”的概念评分．这是由理论装配最小时间与实际装配时间的比值来确定的．这个概念对于判断出装配成本中的驱动因素是很有用的．DFA系数的公式：DFA系数＝(理论最小部件数)*(3)秒/实际的总装配时间公式中的“３秒”表示理论上装配部件的最小时间最小部件数可由下面三个问题来确定：＃该部件在装配时需要相对于其它部分移动＃由于物理的原因该部件必须采用与其它部件不同的材料＃在替换或维修时是否需要把该部件拆下来组合部件对于在理论上没有限定是独立的部件，可以与其它一个或多个部件合成一个部件，来减少成本．部件组合的优点：*被组合的部件之间不再需要装配；*组合件成本通常比组合前部件成本低；*在组合件中，被组合件间的尺寸精度更高．使装配变得更容易拿起、定位和插入一个部件的时间取决于该部件的几何形状和部件的安装方式，所以即使部件数量相同的不同产品其装配时间也是不同的．要使装配变得容易来减少装配成本．在装配中，理想的部件特征应是：部件从顶部装入；部件有对准标志；部件不需要定向；只需要一只手就可以装配；装配不需要工具；部件以一种直线运动的方式装入；部件一经装入就被加固．降低系统的复杂性:系统的复杂性随着输入、输出和转换过程的增多而增加，为了保证生产的正常运行，企业必须花费大量的资金监视、管理、处理这些变量，增加了辅助成本．系统的复杂性是由产品设计带来的，可以通过改变设计方案的复杂性来降低系统的复杂性，减少辅助成本，从而减少产品的制造成本．错误预防:DFM的一个重要方面就是预测系统可能发生的错误并在开发过程中采取适当的措施。这种方法就叫错误预防．2.7面向制造的设计决策对其他方面的影响DFM对开发时间的影响开发时间是极其宝贵的,对于一个重要的开发项目来说,在做DFM决策时不仅要考虑对制造成本的影响,而且要考虑对开发时间的影响。DFM可能减少开发时间也可能增加开发时间．例如：组合部件方法增加了产品的复杂性，相应的增加了模具的复杂性，使制作模具的时间增长从而使开发时间增长．DFM对开发成本的影响DFM可以增加开发时间，而开发成本和开发时间有密切关系，所以开发成本也会增加．DFM对产品性能的影响在用DFM作决策前，开发组应估计对产品性能的影响。在理想情况下，降低产品制造成本的措施会提高产品性能。不过，在实践中，有些降低制造成本的方法会对产品性能产生不良影响。DFM对外部因素的影响设计决策不只是对开发项目有影响，它必然对开发项目以外的事物有影响。主要是对部件的使用和寿命周期成本产生影响。3、面向拆卸的设计3.1面向拆卸的设计和特点废弃产品的零部件经过维修和废弃产品的材料经过一定的再生技术都可以被再利用，这就要求这些产品便于拆卸；如果废弃产品的材料经过一定的再生技术可以被利用，那么由这些材料构成的零部件也必须首先能够方便地拆卸，因此产品拆卸是产品回收再生的前提，面向拆卸的设计（DFD：DesignForDsiassembly）的设计思维和方法应运而生。拆卸的定义是：从产品或部件上有规律地拆下有用的零部件的过程，同时保证不因拆卸过程而造成该零部件的损伤。拆卸的目的有三类：产品零部件的重复应用产品报废后并不意味着所有的零部件均成为废品，有些稍加修正后可以重新利用元器件回收对于电子产品，由于组成材料多种多样，更新换代周期短，所以要采取特殊工艺对其进行回收．材料回收报废产品的某些零件材料回收后可以生产同种零件，还有些零件材料回收后，因为材料成分或性能达不到原零件要求，则可用来加工别的产品．对应与拆卸的目的，拆卸有三类类型：破坏性拆卸即拆卸活动以使零部件分离为主要宗旨，不管产品结构的破坏程度部分破坏性拆卸即拆卸过程中只损坏部分廉价零件，其余部分则要安全可靠分离非破坏性拆卸即拆卸过程中不能损坏任何零部件面向拆卸的设计与传统设计相比的优点使可回收零件和材料再次重用所需的工作量大大减少；产品结构模块化，统一化，使产品有较大的预测能力；拆卸操作简单快捷；拆下的零部件易于手工和自动处理；回收材料和残余废弃物易于分类和后处理；减少产品使用过程中的变化．3.2面向拆卸的设计准则面向拆卸的设计准则就是为了将产品的拆卸性要求及回收约束转化为具体的产品设计而确定的通用或专用的设计原则。拆卸准则主要有以下几种：拆卸工作量最少准则与结构有关的准则易于拆卸准则易于分离准则产品结构可预估性准则拆卸工作量最少准则拆卸工作量最少包含两层含义，一是产品在满足功能和使用要求的前提下，尽可能简化产品结构和外形，减少零件材料种类；另一层含义是简化维护及拆卸回收工作，降低对维护拆卸回收人员的技能要求．减少拆卸工作量的方法有：明确所要拆卸的零部件功能集成，减少零件数量减少材料种类材料相容性准则有害材料的集成准则拆卸目标零件易于接近准则与结构有关的准则设计过程中要尽量采用简单的连接方式，尽量减少紧固件数量，同意紧固件类型，并使拆卸过程具有良好的可达性及简单的拆卸运动．易于拆卸准则尽量在要拆卸的零件上预留可供抓取的表面，避免产品中有非刚性零件存在，将有毒有害物质密封在同一单元结构内，提高拆卸效益，防止环境污染．易于分离准则在产品设计时，尽量避免零件表面的二次加工，避免零件及材料本身的损坏，也不能损坏机器，并为拆卸回收材料提供便于识别的标志．产品结构可预估性准则产品在使用过程中的污染、腐蚀、磨损以及维修、维护都会使产品的结构产生不确定性，即产品的最终状态与原始状态之间产生了较大的改变．为了使产品废弃淘汰时，其结构的不确定性减少，设计时应遵循以下准则：（１）避免将易老化或易被腐蚀的材料与所需拆卸、回收的材料零件组合；（２）要拆卸的零部件应防止被污染或腐蚀．3.3产品拆卸信息描述产品拆卸所需信息包括产品数据（零件图、工艺文件、零件基本数据、零部件结构、功能及所用材料等信息）和使用数据(产品使用条件和场所、产品使用中的维修及零部件更换数据）。如下图所示拆卸信息的描述方法基于图形的表示方法用结点表示DFD中的各种实体；连接弧表示实体之间的拓扑关系，这种方法简单、直观、易于理解。基于关系数据库的方法采用关系数据库存储实体及其关系，这种方法的信息组织维护方便。面向对象的方法使实体表达具有继承性和封装性，对象（实体）的层次可分为若干类及相关属性，如物理属性、几何属性、特征属性等，拆卸方法由对象的类型确定。3.4面向拆卸的设计评价面向拆卸的设计评价是对设计方案进行评价－－修改－－再评价－－再修改直至满足设计要求的动态过程。评价面临的问题主要是:怎样评价产品的拆卸性用什么指标评价用什么标准衡量拆卸评价要从两方面进行:一方面是产品结构的拆卸难易程度另一方面是与拆卸过程有关的时间、费用、能耗、环境问题评价指标主要由两方面的指标组成：与拆卸有关的指标：拆卸费用：指与拆卸有关的一切费用，即人力费用和投资费用．是衡量结构拆卸性好坏的主要指标．拆卸费用高则回收重用的价值就小．拆卸时