研究生现代设计之面向“X”的设计

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1、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

2、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:v 估计制造成本v 降低部件成本v 降低装配成本v 降低辅助生产成本v 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

3、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

4、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，装配操作时间为至在大量生产中，可利用工具以辅助生产（）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

5、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

6、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v 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：（）规模越大，摊在单位产品上的固定成本就越少（）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

7、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v 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v 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:Design For Assembly)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

8、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：l 利用评分l 组合部件l 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“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

9、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

10、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

11、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

12、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：Design For Dsiassembly）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：l 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l 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l 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

13、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：l 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l 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l 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

14、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

15、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：（）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； （）要拆卸的零部件应防止被污染或腐蚀3.3产品拆

16、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

17、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间：拆下某一连接所需要的时间，包括拆卸时间和辅助时间拆卸时间长，说明拆卸性能差拆卸能耗；包括人力能耗和外加动力消耗（如电能，热能）环境影响：主要表现为噪声及排放到环境中的污染物种类和数

18、量 与连接结构性有关的指标：可达性：即拆卸工具接近拆卸部位的难易程度该问题可从三方面入手：第一是看得见视觉可达；第二是实体可达；第三是足够的拆卸空间标准化程度：产品结构的复杂程度4、 面向回收的设计4.1 面向回收的设计的基本概念 面向回收的设计（DFR:Design For Recycling & Recovering） 在进行产品设计时，充分考虑产品零部件及材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等一些列问题，以达到零件材料资料和能源的充分有效利用，并在回收过程中对环境污染为最小的一种设计方法。面向回收的设计与传统的设计的比较这里的回收是广义的回收，即不仅考虑最基本

19、的材料回收，而更关心的是在新产品中利用使用过的或废弃产品的零部件和材料该定义的特点就是明确指出了回收的目的就是最有效地在新产品中使用回收再生后的零部件和材料从上表中可看出，回收设计和传统设计有很大的区别回收设计在产品设计初期就考虑消除或减少废弃物的产生，并在产品废弃淘汰时，对其进行经济有效的回收和使废旧产品的零部件得到重用和移用4.2面向回收设计的特点v 可使材料资源得到最大限度地使用v 可减少环境污染，保护生态环境v 有利于持续发展战略的实施v 扩大了就业门路，提供更多的就业机会v 产品回收是一个社会化综合工程，系统工程，会涉及到很多部门v 物流的闭合性v 回收过程本身是清洁生产，应该对环境

20、无害，不造成对环境的二次污染4.3面向回收的设计的主要内容主要内容包括：可回收材料及其标志可回收工艺及方法回收的经济性回收产品及结构工艺可回收材料及其标志：产品报废后，其零部件及材料能回收，取决于其原有性能的保持性及材料本身的性能所以在设计时要了解产品报废后的零件材料性能大变化，以确定可用程度目前，常用的标志方法有：(1)产品生产时，在零件上模压出材料代号或用不同一颜色表明材料的可回收性或注明专门的分类编码代号；(2)在材料零件上作出条形码标志，具有条形码的塑料零件可采用激光扫描仪会机器人进行分类(3)在材料回收过程中，人们往往需要识别出材料添加剂的比例和种类，同时要求材料识别技术成本低，易操

21、作，能用于不同材料的识别，并能适应工厂车间的工作环境回收工艺及方法回收的经济性是零件材料能否有效回收的决定性因素在产品设计中就应该掌握回收的经济性及支持可回收材料的市场情况，以求最经济和最大限度地使有限的资源，使产品具有良好的环境协调性回收的零件的结构工艺性可回收零件的结构必须具有良好的拆卸性能，以保证回收的可能和便利4.4 面向回收的设计准则面向回收设计的基本要求；(1)对设计过程的要求它除了注重产品的基本功能、性能等指标外，更注重产品的寿命、结构及环境友好性。(2)对产品设计人员的要求产品设计人员不仅具有专业知识，还必须了解产品预定的回收工、环境保护等方面的知识。(3)对生命周期过程管理的

22、要求回收过程依靠科学的管理，在设计阶段要考虑到这一点。面向回收的设计准则v 设计的结构易于拆卸v 尽可能的选取可整新的零件v 洁净的净化工艺v 可充用零部件材料要易于识别分类v 机构设计要有利于维修调整v 限制材料种类v 采用系列化和结构化的产品结构v 考虑材料的异化再使用方法v 尽可能的利用回收零部件和材料v 考虑材料的相容性5、 面向质量的设计5.1 面向质量的设计思想的产生 设计是质量保证的首要环节，是质量保证实施的源头，是生产质量实现的前提。质量保证应从传统的生产过程质量控制向产品设计开发质量控制转变，从制造过程控制向前推进到设计过程控制，因此提出了面向质量的设计DFQ（Design

23、For Quality）5.2 面向质量的设计的基本概念 DFQ就是建立一个知识系统，它能为设计者实现产品或过程的要求质量提供所必需的知识。但由于质量概念的模糊性和不确定性，使DFQ的概念难以确定，许多研究者把Q分为两类：Q外外部质量，指顾客能感受到的质量，及最终产品所表现的特征和特性；Q内内部质量，指企业内部所进行的一切生产活动的质量，如采购、设计、生产、装配等质量。设计过程实际就是设计相应的Q内来保证Q外的过程。质量模型：5.3面向质量设计的实现策略和方法DFQ的实现策略 DFQ是质量驱动的集成化产品和过程开发形式。其模型如下页所示。它强调每一设计阶段中制定目标、合成、评价决策过程的分离，

24、通过对每一过程实施相应的方法和工具来加强质量保证的可能性。由于质量分解、合成的引入，使设计阶段综合考虑到一切与产品质量有关的活动，将质量管理和控制活动融入设计中，将质量设计到产品中，保证设计的完善性。DFQ的方法和工具DFQ方法和工具可分为三类：(1)制定目标的方法和工具质量功能配置QFD（Quality Function Deployment）目标是确保以顾客的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“怎么做”将顾客要求逐步展开，分层转换为工程特性、零件特性、工艺计划和质量生产计划， 稳健设计法：运用正交表来安排试验方案，通过误差因素模拟各种干扰，并以信噪比（SN）作

25、为质量评价体系，同时引入灵敏度分析，来寻求最佳的即稳健性好的参数组合。响应模型法：应用统计学模型通过对设定的设计参数名义值及其误差大小对功能值表的影响，以及产品质量指标的精确分析来选定设计方案。原理设计方法：指出并证明了要控制产品质量，设计必须满足独立原理，者即寻求可行方案的依据。信息原理用来在设计可行域内寻求最优解，并可推导出几条原理和准则以指导设计，在设计早期阶段控制质量。适应性分析：通过分析预测零部件在生产、装配过程中的变化性风险，以及对设计可接受性、质量成本的影响，从而在设计阶段及早的发现解决潜在的加工能力的问题，使设计方案切实可行。5.4 面向质量设计的关键技术DFQ系统信息处理过程建模DFQ的本质是系统化、模块化的设计过程，模块间通过前馈作用，模块内部通过反馈作用形成一反复迭代过程，使每一步的输出都满足质量要求。基于知识的专家系统的研究基于知识的专家系统将不同的设计基本型和部件的设计、性能记录及有关的设计推理、决策之间的所有联系存入事例库和部件库中，进行设计知识和经验的积累，作为以后设计重新应用的基础。参考文献：1. 刘志峰等.绿色设计.北京：机械工业出版社，19992. .刘岩.面向制造的设计。机械制造，1998（10）：12133. .张宪荣。现代设计辞典。北京：北京理工大学出版社，1995思考题： 综述面向“X”的设计的核心思想