模具面向制造的设计

技术背景1引言制造系统的组成是复杂的，它的各个环节相互藕合，某一环节中的决策往往会波及其他，从而使这一决策对整个制造系统的作用复杂化。例如对零件材料的选择必然对产品性能、制造工艺、加工设备、原料供应、成本伯算等多方面产生影响。因此，如何在决策时综合考虑整个系统，使之趋于全局最优，是现代制造技术中的重要问题。过去，产品总是从一个部门递交给下一部门，每次都根据各自需要进行修改。“新产品在各部门间的抛接”是早期电子工业的生动写照。在产品设计完成后，接着将进行产品的可制造性改造，修改零件图和公差，更新零件表、配置和装配图等文件。然后重组产品，向供应商再次订货。下一步由市场和现场维护部门提交用户使用产品后反应的报告，以及产品性能与产品广告宣传对照的报告。这些部门的技术维护人员还将提交关于保修期内返修率、零部件损坏率、故障预测难易度及维修后产品性能的报告。（图示为这种串行的产品开发过程）但是，由于产品设计和开发部门没有及时吸收后续工序各部门对新产品的改进意见，或由于企业部门之间缺乏必要的管理制度和协调解决措施，致使产品设计缺陷、产品制造质量和售后服务等问题难以及时得到解决。因而使公司产品在市场上的占有份额逐步减少，有时严重到导致公司破产倒闭。总之，这种方式的缺陷是设计与制造的严重分离。设计师只负责按照功能要求把产品设计出来，至于如何加工生产，则是工艺师的事，这被一些国外学者形象地称为“扔过墙”(Overthewall)式的设计。随着现代制造业的发展，这种设计方式的弊端越来越多地暴露出来：出于设计没考虑工艺，设计出的产品制造成本高，没有竞争力；出于各环节串行，生产准备只能在设计完全结束后起动，延长了产品开发时间，丧失了占领市场的机会；更为常见且很严重的情形是：一些设计要求在制造时很难实现甚至根本无法实现，由此导致的返工既浪费了人力，又延误了工期。全球性的激烈竞争迫使制造行业重新审视现有的设计与生产过程，寻求一种新的设计思想与生产模式来实现他们“短周期、高质量、低成本”的理想。面向制造的设计(DesignforManufacturing，DFM)正是在这种需求下发展起来的，并且已经成为许多企业用以提高竞争力的重要手段。--------------------------------------------------------------------------------2DFM概念及其重要性DFM是一种设计方法，其主要思想是：在产品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性。其目标是在保证质量的前提下缩短周期、降低成本。在这种情况下，潜在的制造性问题能够及早暴露出来，避免了很多设计返工；而且，对设计方案根据加工的时间和费用进行优化，能显著地降低成本，增强产品的竞争力。研究表明，虽然在产品成本中设计成本只占很少一部分，但是，产品成本的大部分(70％—80％)却是在设计‘阶段决定的，只有少部分(20％—30％)是在制造过程中决定的。由于DFM方法的引入，可能会导致设计阶段成本的增加和时间的延长。但是，在产品开发过程中，错误发现得越晚，由这个错误引起的一系列修改、返工与管理协调所花费的时间越长，费用越高。因此，DFM在设计阶段出于考虑工艺而多花的时间费用能够在下游的制造阶段得到补偿，而从总体上达到了缩短开发周期和降低生产成本的目的。进入80年代以来，制造性设计(DFM)的三字母缩写形式，频繁出现在商业和制造业的出版物中。正如我们所知道的，可制造性设计(DFM)的优点是加快产品开发周期、缩短投放市场时间(TTM)和降低制造成本。因为缩短投放市场时间(TTM)的压力不断增加，设计师和产品工程师不再有时间用对原型样品反复试验的方法以精确谐调一个新设计。另外，新产品开发周期题短，以任何原因引入一个设计修改方案的困难就越大。所以，在设计过程的早期阶段起用可制造性设计(DFM)原则，就可以避免产品性能要求和制造能力之间的不匹配。DFM原则的运用，也能降低制造成本。图说明了做为在最佳成本下获得更高性能的方法，工艺改进相对于产品改进的影响。曲线说明了产品制造成本和设计复杂度的关系。DFM对这条曲线有不同的影响。采用DFM能在产品性能不变时，降低设计的复杂度，同样在不改变制造的条件下也能够降低成本。而且DFM还能帮助产品设计师最充分地利用现有的制造技术。--------------------------------------------------------------------------------3DFM与并行工程并行工程(ConcurrentEngineering，CE)是针对传统的串行产品开发过程而提出的。Winner在1988年对CE给出的定义为：“并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行集成化并行设计的一种系统化方法。这种方法力图使开发者从一开始就考虑到产品整个生命周期(包括质量、成本、进度及用户需求)中的所有因素”。其要点为：多项工作同时并行进行，做每项工作时尽量考虑相关的各种因素。从对产品串行设计过程的分析可知，传统的制造过程存在着严重的缺陷。为了改变这种状况，很多公司开发了制造后改善系统。在产品提交制造部门后的再设计中引入了成本降低方案和价值工程，以降低成本和提高质量，并且为此开发了培训程序。新产品的开发仍主要集中在研究和开发部门，但是制造部门、营销维护部门对零件、部件的设计提出了符合公司制造能力的制造工艺要求，和装配、维修方便性要求和准则。这种新的运作方式和系统促进了世界性大公司之间的激竞争，促使各公司把竞争策略转向以在产品质量上取得全球性的有利竞争地位为中心。而这又是通过采用并行工程(CE)、可制造性设计(DFM)等方法来实现的。在这过程中，面向制造的设计（DFM）成为并行工程的核心技术。有的学者甚至把两者作为同一个概念来论述。DFM和CE的关系可以从以下几方面来看：1.DFM是CE的思想核心。设计与制造，是产品生命周期中最重要的两个环节。所谓并行工程，最重要的是产品设计与制造过程的并行。在设计阶段就考虑可制造性是CE最基本的优势所在。2.DFM是实现CE的关键技术。CE只是一种生产哲理，要应用到实际生产，必须要有诸多的支撑工具。在CIMS中，最主要的工具是CAx技术，而在CE中，最核心的工具是DFx技术。3.CE是DFM（DFX）在产品生命周期上的拓展。自从DFM的概念被提出以来，又相继出现了很多DFx的概念，例如DFQ(DesignforQuality)，DFR(DesignforReliability)，DFD(DesignforDisassembly)等等，这些概念逐渐覆盖了从设计、制造、使用到回收的整个产品生命周期，这实际上已经拓宽了DFM的概念，形成了CE的思想。发展概况发展历史DFM设计方法计算机辅助DFM计算机辅助DFM的实现技术总结-DFM的真正作用1发展历史早在七十年代，就有学者提出了DFM的概念，但是一直都停留在方法论(methodology)的阶段：只是提出一些定性的指导原则，但很难运用到实际设计工作中去。近几年来，随着CE成为国际性的研究热点，DFM作为CE的关键技术受到了广泛的重视，而当今的信息技术则使DFM的真正实施成为可能。这些因素促使DFM向应用阶段发展，出现了一些计算机辅助DFM系统。但是其中大多数都是原型系统，很多关键技术尚未解决，离实用化还有相当的距离。因此，有关DFM的研究经历了两个重要阶段，一个是以大量的与制造有关的设计准则指导设计的DFM设计方法阶段，另一个就是所谓的计算机辅助DFM阶段。我们现在所说的DFM就是以计算机和信息技术作为辅助工具阶段。--------------------------------------------------------------------------------2DFM设计方法长期以来，工程师和学者们就意识到在设计中考虑工艺的重要性，他们从方法学的角度，提出了很多反映DFM思想的设计方法，这些方法大多是定性的指导原则，对指导设计师的工作起了重要作用，可以认为是DFM技术发展的前期阶段。其中比较典型的有下面几种：■设计公理(AxiomaticApproach)这种DFM方法认为，良好的设计都符合一定的原则或公理，用这些公理去指导设计决策就可以得到工艺性好的设计。按照定义，公理必须适用于设计决策的所有范畴，适用于设计过程的各个阶段和层次。由于这些公理十分抽象，只有那些具有丰富经验的工程师才能对它们有深刻的理解，因此，设计公理的应用并不象它的表述形式那样简单。■设计准则设计准则是从多年的设计和制造实践中总结提取出来的，十分类似于我国传统的《机械制造工艺学》等书中的结构工艺性规则。与设计公理相比，这些设计准则更为具体化，易于在设实践中对照应用。■成组设计采用成组设计技术，可以使得新的设计的可制造性得到基本的满足。因为新设计方案是从成熟设计中（数据库）中得来的。更重要的是成组设计可以有效地控制零件种类的繁殖，减少没有必要的设计。尽管DFM的设计方法很多，但是要真正运用到实际生产中却有许多障碍。主要表现在以下两方面。1.对跨领域的专门知识的需要。要实现DFM，要求设计者既有相当的设计技能，又有丰富的工艺知识，还要对本企业的设备资源情况有充分的了解，这样的“全能型”设计工程师在企业中几乎找不到。2.为了便于各部门之间的信息交流，DFM方法通常建议成立跨职能的协同工作组。这种小组包含来自设计、工艺和工装等部门的人员，大家在一起办公，以保证设计与下游工作相匹配。但是企业内部人事组织结构是协同工作组的最大障碍。由于诸多原因，小组成员很难在这种临时组织中高效地工作。--------------------------------------------------------------------------------3计算机辅助DFM由于上述的两方面困难，DFM很难在传统的手工设计中得到贯彻并取得效果。到了八十年代后期，出于计算机技术的突飞猛进，DFM才得到了真正的发展机会：1.计算机可以担负DFM中的大量计算工作。这既包括复杂的数学运算(例如针对零件的几何推理)，又包括繁琐的数据检索(例如工艺参数的查询)，DFM的工作效率因此而大大提高。2.计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)和计算机图形学(ComputerGraphics，CG)己从简单的二维绘图发展到三维的实体造型。利用三维实体模型，计算机可以实现在二维图纸上难以进行的几何推理，从而有能力对零件的形状进行评价和优化。3.计算机网络和通讯技术的发展，使得不同职能部门的交流变得方便又快捷。设计部门和工艺部门通过网络相连后，两者无需见面即可交流信息。这样，很多设计中潜在的问题都会因为设计和制造的及时交流而得到解决。4.人工智能与专家系统技术的发展，使得既懂设计又懂工艺的“全能设计师”成为可能，这就是DFM专家系统。利用工艺专家的工艺知识和车间层的资源数据，专家系统的推理机可以实现对设计结果的评估。正因为如此，计算机辅助DFM正在成为DFM的主要形式。可以认为，计算机辅助DFM是DFM发展的新阶段。按照制造工艺的不同，目前的DFM研究主要集中在以下领域：★铸造和注塑★钣金加工★印刷电路板★粉末冶金★切削加工--------------------------------------------------------------------------------4计算机辅助DFM的实现技术（1）基于知识的系统这种形式是通过知识库中的工艺知识，数据库中的制造资源数据，对CAD的设计结果给出可制造性评价，对不同的设计方案进行优劣评佑，更进一步则可以对制造成本和生产时间进行预测。基于知识的系统是是目前国内外采用最多的DFM模式。其优点在于：①DFM系统比较独立，便于摸块化。②系统有较好的柔性，易于发展和维护。但在处理复杂的零件的几何问题时就显得不是十分有效。（2）基于几何推理的系统：这种系统主要用于