DFMA论文

DFMA论文学院：班级：姓名：学号：摘要面向制造与装配的设计技术（DesignforManufacturingandAssembly，简称DFMA）是并行工程关键技术的重要组成部分。利用DFMA技术可以在产品的早期设计阶段，对影响产品开发时间、产品成本和产品质量的各种因素进行定性分析和定量评估，从而优化产品设计。本文先简要介绍了DFMA的基本概念、DFMA技术的分类、DFMA的应用现状、DFMA的技术方法，然后在此基础上以联想电脑为例，应用DFMA理论和技术，进行面向手工装配的设计分析，探讨验证利用DFMA进行产品设计的方法。关键词：DFMA技术，产品设计，手工装配1.DFMA概述1.1DFMA简介DFMA（DesignforManufacturingandAssembly）——是指在产品设计阶段，充分考虑来自于产品制造和装配的要求，使得机械工程师设计的产品具有很好的可制造性和可装配性，从根本上避免在产品开发后期出现的制造和装配质量问题。利用DFMA技术可以在产品的早期设计阶段，对影响产品开发时间、产品成本和产品质量的各种因素进行定性分析和定量评估，从而优化产品设计。实施DFMA的基本思想是通过减少零件数量、简化产品结构，实现减少单个零件的加工时间和总的装配时间，从而减少整个制造成本的目的。与传统设计相比，DFMA具有以下优点：图1-1DFMA相比传统设计的优势示意图1.2DFMA技术分类DFMA技术根据所达到的目标，可以分为：面向制造的设计（DFM）、面向装配的设计（DFA）、面向测试的设计（DFT）、面向服务的设计（DFS）、面向环境的设计（DFE）和面向报废的设计（DFD）。目前应用较多的是机械领域的DFA和DFM，所以在此重点介绍下这两种技术。面向制造的设计（DFM）是指产品设计需要满足产品制造的要求，具有良好的可制造性，使得产品以最低的成本、最短的时间、最高的质量制造出来。根据产品制造工艺的不同分为：面向注塑加工的设计、面向冲压的设计、面向压铸的设计等。面向装配的设计（DFA）是指产品设计需要具有良好的可装配性，使得装配工序简单、装配效率高、装配时间短、装配质量高、装配成本低等。常用的方法包括：简化产品设计、减少零件数量、使用标准件、增加零件装配定位和导向、减少零件装配过程中的调节、零件装配模块化、装配防错等。正是由于DFMA技术的这些特点和功能，使DFMA技术成为并行工程的核心技术，并为广大企业单位所应用。1.3DFMA技术的应用现状到今天为止，500多家的公司在使用DFMA软件，已节省了数十亿美元。这些公司包括汽车和飞机制造商、计算机公司、机床生产商、通讯产品公司、玩具制造商、仪器制造公司等等。DFMA的设计理念对美国工业界总体产生了巨大影响，现在几乎所有的美国制造商都在使用DFMA。国际上，很多领域在开发设计上已经成熟的应用了DFMA技术工具，比如计算机行业的Dell（戴尔）、Intel（因特尔）；交通工具行业的Ford（福特）、BMW（宝马）等等。波音公司的直升机在Apache直升机开发项目的整个周期中运用DFMA软件，节省费用130万美元。再设计后达到每月设计一架直升机，到1999年增加到每月5架。2001年，BDI公司的DFMA分析软件进入中国。在国内华为技术有限公司已经要求把DFMA作为每个结构工程师都必须要掌握的设计理念和工具。但是，目前国内使用DFMA技术进行产品开发的企业还不是很多。其中，不少企业的产品设计仍然采用传统的“串行”方法。1.4DFMA的技术方法在具体的DFMA的实施中，通常采用以下技术方案：（1）建立并行工程团队，采用设计制造一体化的设计模式。通过建立并行工程团队，由设计和制造工艺人员等共同完成产品的设计，并对产品的材料选择、加工工艺、装配过程、检验方法、维修和维护过程等进行综合的分析。（2）建立DFMA的设计准则，以手册、标准规范的形式指导设计。总结归纳DFMA的设计准则，指导设计人员的设计。（3）建立DFMA的指标体系，和评价准则实施DFMA的一项重要工作就是在对已有产品进行大量统计分析的基础上，建立适合于企业自身产品和生产特点的DFMA评价指标体系和评价准则。（4）采用计算机辅助分析工具，对零件的形状、装配过程、制造成本等进行分析，对多种设计方案进行比较和优化。目前，常用的工具包括BDI公司的DFMA系列软件，Glorath公司的SEER-MFG，Geometric公司的DFMPro等。采用DFMA进行开发的步骤如下图所示：图1-2DFMA与产品开发过程在产品的设计过程中，采用DFMA定量分析的方法为：表1-1DFMA定量分析法运用最少零件准则，确定理论上的最少零件数量质疑每个零件独立存在的理由利用DFA数据库，估计真实的装配时间；通过比较真实的装配时间理论上的最小装配时间，确定DFA装配指数。确定设计效率确定装配困难和可能导致加工和质量问题的零件突出可能导致成本增加和质量问题的装配困难2.DFMA应用举例目前DFMA的应用实例有很多，在此仅以联想电脑的DFA分析为例来分析DFMA在实际中的应用。以联想600PⅡ/350D电脑主机为例，其结构主要由机箱、机箱电源、主板、硬盘等组成。联想电脑的主机组成结构简图如下图2-1所示：图2-1联想电脑的主机组成结构简图装配分析的流程图如下图2-2所示：图2-2装配分析流程图由联想电脑产品的实际装配工艺信息，基于DFMA软件的DFA模块，构建其产品的装配模型树，如下图2-3所示：图2-3联想电脑装配的模型树应用前面的DFA理论，对电脑主机中各个零件的装配过程作如下考虑：1）底箱这个是要装配的第一个零件，没有其他已存在零件需要连接，这是理论上必要零件。2）挡片它可以和底箱整合在一起。3）挡片螺钉理论上是不必要的。4)主机电源是电脑主机装配的一部分，而且安装时电源上的螺丝孔需要对准底箱上的螺丝孔。5）主机电源螺钉这是固定电源必要的零件，而且成α和β对称性。6）导向柱材料与底箱不同，理论上是独立的。7）橡胶垫理论上不必要。8)底座支撑理论上不必要。9)主板这是一个必要的装配件。安装时需要两只手操作。10)主板螺钉理论上不必要。11)光驱，软驱支架材料与底箱相同，课做成一体。12)支架螺钉理论上不必要。13)硬盘，光驱和软驱这些是必要的装配件，安装时它们的螺丝孔需要和底箱上的螺丝孔对准。14)硬盘，光驱和软驱螺钉理论上不必要。15)显卡、声卡、CPU、锂电池和内存条（按一个）这些是必要的装配件，显卡和声卡按独立件算。安装时对准插槽，需要两只手操作。16)数据线这是必须要连接的装配。17)机箱的前盖机箱的前盖，分成上下两部分，两者材料一致可以合成整体。安装时需要两只手来搬运。18)箱盖螺钉理论上不必要。可以看出，有些零件需要双手操作，甚至视线受阻，这样就会影响装配时间；有的零件可以去除，因而能够减少装配时间。把所有零件装配过程相关信息输入DFA模块，系统可以生成产品中每个零件装配设计所用的时间明细表及摘要报告。表2-1电脑主机组件装配设计DFA分析名称数量理论零件数搬运时间/s插入时间/s工具操作时间/s装配时间/s底箱1132.305.30挡片102.51305.51挡片螺钉202.069.62.926.22主机电源111.95304.95主机电源螺钉402.069.62.949.54导向柱112.859.2012.95橡胶垫401.135.5026.52底座支撑201.951.807.50主板1135.308.30主板螺钉402.069.62.949.54光驱支架101.95304.95光驱支架螺钉402.069.62.949.54硬盘、软盘支架101.951.503.45硬盘、软盘支架螺钉402.069.62.949.54硬盘1138.3011.30光驱1139.22.915.1软驱1133.806.80锂电池112.51507.51显卡111.958.1010.05声卡1138.1011.10CPU111.958.1010.05内存条1138.1011.10硬盘螺钉402.559.62.951.50光驱螺钉402.069.62.949.54软驱螺钉402.069.62.949.54机箱前上盖1091.8010.80机箱前下盖103407.00前盖螺钉402.069.62.949.54数据线224.18.1024.40机箱盖1133.806.8机箱盖螺钉402.069.62.949.54总计641581.8920731.9684.58设计效率=（15*3/684.58）*100%=6.56%根据DFA给出的优化设计建议，对联想电脑主机的装配进行重新设计。主要考虑的问题有：（1）机箱上的挡片材料和底座一样，可以直接在底座上加工出与挡片功能相同的结构，可以去掉挡片上的两个螺钉，节省拧紧时间26.22秒。（2）硬盘、软驱和光驱的支架改善固定方式，由螺钉紧固改成直接铆在机箱上，可以去掉8个螺钉，节省99.18秒的时间。（3）硬盘、软驱、光驱及主板的固定由螺钉固定方式改为卡口固定，这样又可以去掉16个螺钉，节省时间200.12秒。（4）机箱上的前后盖材料形同，可以做成一体并采用卡口的方式固定连接，这样机箱的前盖可以去掉4个螺钉。节省49.54秒的操作时间。把这些考虑的因素，重新输入到DFA模块改善其装配设计，重新进行DFA分析，结果如下：表2-2电脑主机组件装配再设计DFA分析名称数量理论零件数搬运时间/s插入时间/s工具操作时间/s装配时间/s底箱1132.305.30主机电源111.95304.95导向柱112.859.2012.95主板1135.308.30光驱支架101.95304.95硬盘、软盘支架101.951.503.45硬盘1138.3011.30光驱1139.22.915.1软驱1133.806.80锂电池112.51507.51显卡111.958.1010.05声卡1138.1011.10CPU111.958.1010.05内存条1138.1011.10前盖1093.3012.3数据线224.18.1024.40机箱盖1133.806.8总计641581.8920731.9684.58设计效率=（15*3/153.31）*100%=28.6%再设计对原设计的装配进行了改善，主要是去掉了许多螺钉紧固件、底座支撑及橡胶垫，机箱的上下盖合为一体并采用卡口方式固定，软硬盘的支撑架利用铆接固定方式固定在机箱上，机箱箱盖利用卡口方式固定。通过原设计和再设计的结果分析，可以看出独立零件数由原来的64个减少到18个，减少了46个零件；装配效率也由原设计的6.56%提高到28.6%，相对原设计装配效率提高了22.04%。3.小结面向制造与装配的设计技术（DesignforManufacturingandAssembly，简称DFMA）是并行工程关键技术的重要组成部分。利用DFMA技术可以在产品的早期设计阶段，对影响产品开发时间、产品成本和产品质量的各种因素进行定性分析和定量评估，从而优化产品设计。本文在对DFMA的基本概念、技术分类、应用现状、技术方法进行简要介绍的基础上，以联想电脑为例，应用DFMA理论和技术，进行面向手工装配的设计分析，结果表明应用DFMA技术进行装配设计能够明显提高装配效率并且能够减少零件数量，验证了DFMA技术在产品设计中的实用性和有用性。参考文献【1】胡静．DFA技术在产品设计中的应用【D】．山东：山东大学，2009．【2】张旭．DFMA技术在航空工业中的应用【J】．航空制造技术，2012．【3】韩志轩．浅谈基于DFMA的研发产品成本控制【J】．知识经济，2011．【4】詹友刚，王峰．DFMA面向制造与装配的设计——并行工程的核心技术【J】．计算机辅助设计与制造，2001．【5】喻世良，胡列兵，詹友刚．企业实施DFMA的条件和策略【J】．CAD/CAM与制造业信息化，2002．