面向制造与装配的设计

面向制造和装配的设计(Design for Manufacturing and Assembly，DFMA)

　　在传统的部门制及串行工程的产品开发模式中．产品设计过程与制造加工过程脱节．使产品的可制造性、可装配性和可维护性较差，从而导致设计改动量大、产品开发周期长 产品成本高和产品质量难以保证，甚至有大量的设计无法投入生产．从而造成了人力和物力的巨大浪费。面向制造和装配的设计(DFMA．Design forManufacturing and Assembly)这一设计理念的提出．向传统的产品开发模式提出了挑战。应用DFMA的设计思想和相关工具．设计师可以在设计的每一个阶段都获得有关怎样选择材料、选择工艺以及零部件的成本分析等设计信息。它是一种全新的更加简单 更为有效的产品开发方法，为企业降低生产成本，缩短产品开发周期．提高企业效益提供了一条可行之路。

　　DFMA是并行工程关键技术的重要组成部分，其思想已贯穿企业开发过程的始终。它涵盖的内容很多，涉及产品开发的各个阶段．除了上面所提到的DFMA．还包括面向成本的设计个通用的产品模型．以达到易于装配、提高装配效率和降低装配成本的目的。

　　在制造业日益发达的今天．在满足各种行业标准和法规的前提下，许多公司都形成了各具特色的产品开发模式。任何一种行而有效的产品开发方法，都必须在充分考虑目前现有的产品开发和生产能力的同时进行最优化的产品设计。

　　对一个新产品来讲，产品的成本和开发周期是决定这个设计成败的关键因素。国际上有一个著名的影子理论：产品设计开支虽然只占产品总成本的5％ ，但它却影响产品整个成本的70％。还有一个著名的“28“原则：产品设计约占整个新产品开发周期的20％ ．但它却决定了产品总成本的80％ 。可以看出仅占产品成本5％的产品设计在很大程度上决定了整个产品的成本及质量。

　　DFMA设计概念的提出是为了解决由于设计与制造．装配各自独立而造成的产品成本增加和产品开发周期长等现实问题．它的核心是通过各种管理手段和计算机辅助工具帮助设计者优化设计，提高设计工作的一次成功率。

　　1、设计简单化、标准化

　　设计简单化．就是在满足美观和功能要求的前提下．使设计尽量简单．减少零件的个数．减少以装饰功能为主的附件设计。当然．同时也减少了加工工序．生产成本随之降低．生产周期也相应缩短。同样．在设计时尽量用标准件替代自行开发零部件．不仅可以帮助设计师节省大量的时间，而且可以减少制造加工时间．也节省了设计成本。成组技术(GT)的基本原理是把一些相似的零件划分为零件族，从而揭示和利用它们的基本相似性获得最大的效益。美国、英国等工业发达国家的企业都在使用GT技术．取得了很好的效果。

　　2、向设计师提供符合企业现有情况的产品设计原则

　　如果在设计初期企业能够向设计师提供符合企业实际生产制造情况的一些设计原则，则可以进一步地指导设计师进行设计 以下是一些可以提高设计效率的简单的设计原则。

• a)减少零件个数和种类．并尽量使用标准件。
• b)在可能的情况下尽可能采用组合设计的方法。
• C)使设计的产品方便检验和测量。
• d)产品的精度要求应符合实际生产能力．零件的上下偏差最好取尺寸公差的平均值。
• e)稳健性设计。稳健性设计有助于提高产品生产、测试及使用过程中的稳定性。
• f)充分考虑产品的定位，减少一些没有实际作用或可有可无的附加设计，同时使所设计产品的功能、用途更加清晰明确。
• g)简化装配过程。尽可能采用易于装配的简单零部件，并且简化备组件间的连接设计。
• h)采用常用结构和材料．避免采用特殊材料以及需特殊工艺加工的零部件或组件。
• i) 考虑产品维修保养问题．使产品便于拆装和维修。在实际的新产品设计过程中，企业还应根据自身的情况以及以往的经验向设计师们提供更多更详细的信息。

　　3、多方案分析

　　DFM要求设计者在概念设计阶段就要进行多方面的比较分析，一些很小的改动或完善，可能会给后续的设计工作带来极大的收益。只有通过多个方案的对比分析，设计者才能够达到最终优化设计的目的。

　　多方案分析的实现建立在两个基础之上。一是要在设计创意阶段收集一定数量的设计方案．二是要有科学的分析评价手段和工具。

　　DFMA软件将设计．装配．材料和加工工艺的知识集成在一起．从装配、制造和维护等方面出发创建一个系统的程序来分析已提出的设计方案，使独立的设计者自己就能够利用这些信息做出合理的选择。它为设计、制造和工艺等相关人员提供了一个共同工作的平台，让大家都在同一时间考虑同～ 问题，方便了彼此之间的交流。与当前的产品开发方法相比，应用DFMA软件的结果是以更低的成本和更短的时间得到了更高质量的产品．促进产品并行设计和创新设计的实现。据统计，DFMA可以缩短产品从设计到投产的周期高达50％ ，减少零部件数量达30％ ～70％ ．减少装配时间达5O％ ～80％ 。目前国际和国内许多公司和科研机构都致力于DFMA专用软件的开发。

　　从DFMA 的特征和成本分析方法可知，DFMA 将i殳计、工艺和制造等相关部1"7联系在一起．为他们并行工作提供了一个平台。如果利用DFMA软件帮助设计,在概念设计阶段中 工艺、制造等相关人员就参与设计，对设计方案的可装配性、可制造性和成本进行估计，以成本为核心对方案进行优化。由此可见，DFMA提供的设计理念与传统的设计理念有本质的区别。企业要实施DFMA技术必须具备如下条件：

　　1．建立有利于实施DFMA的组织结构，在产品开发初期，保证设计、工艺 制造等部门的人员参与到设计中来，即建立跨部门多专业的新产品开发团队。

　　2，DFMA是一种并行设计软件，为了使团队成员能够及时沟通，必颓建立分布式网络环境。同时，网络的配置方面需要作一些授权处理，通过网络实现在产品的方案设计后设计人员应用DFA对装配成本进行分析的同时工艺人员可以对方案浏览并应用DFM对产品的制造成本进行分析，而网络的实施可以建立在现有工厂PDM 管理平台上。

　　3．企业内部已推广应用CAX技术和PDM技术，能为实施DFMA 提供技术保障。

　　4．企业主要领导认同DFMA的开发模式，并给予强有力的支持。

　　无论是DFM还是DFA．都必须符合产品设计、生产过程中的实际情况和客观规律，而且需要在新产品设计的初期就要对设计工作进行规范和约束。

　　在美国，DFMA的设计理念和相关产品已广泛应用于汽车、飞机制造、航空和国防等行业．成功地为企业节省了数十亿美元的费用。我国的制造业水平相对落后，但国家已十分重视研发阶段新技术的开发，从1 995年到现在．国家已经在部分企业实施了并行工程，并取得了一定的成效。作为并行工程的关键技术．DFMA也得到了越来越多的企业的关注。在引进一些国外优秀DFMA先进技术的同时，国内一些大软件公司和研究机构如清华大学 上海交通大学等已经对DFMA相关技术着手研究，并开始自主开发相关软件，已取得较好的成果。

　　一、产品设计在产品开发工程中的作用

一般说来，产品开发的整个过程包括这些环节:市场调研、设计、工艺、制造、检验、销售、售后服务、回收处理等，设计是最重要的一个环节。一般说来，产品设计虽然只占产品整个成本的5%，但它确影响产品整个成本的70%。

　　二、传统产品设计的弊端

　　传统的产品设计是采用“串行”的方法进行的，这种设计方式的弊端是各个环节缺少交流和沟通，设计很少考虑其下游的工艺、制造、装配、检测、维修、对环境的影响、直至报废处理方面道德内容，这样往往在产品被制造出来以后，还要多次返回进行设计更改，从而造成巨大浪费，增加产品成本，推迟产品上市时间。

　　更具一家公司的具体实例显示：直到他们的机器运输到客户那才发现存在的问题，改正为题所花费的成本：$590，000！而如果问题被早一点发现和改正，将花费少得多的成本。他估计在不同阶段改正问题所花的成本如下：

　　由此可见，我们需要运用必要的技术工具，采用新的产品设计模式，取代旧的模式中的弊端。

　　三、关于DFMA技术

　　DFMA技术是DFX的另一种统称，该技术是并行工程关键技术的重要组成部分，其思想已贯穿企业开发过程的始终。它涵盖的内容很多，涉及及产品开发的制造、装配、检测、维护、报废处理等各个阶段，DFMA的系列技术包括：DFA(Desgin For Assembly,面向装配的设计)、DFM(Desgin For Manufacture,面向制造的设计)、DFA(Desgin For Testing,面向测试的设计、DFS(Desgin For Serivice,面向维护的设计)、DFE(Desgin For Environment,面向环境的设计)、DFD(Desgin For Discarding,面向报废的设计)等。目前应用较多的是机械领域的DFA和DFM，使机械产品在设计的早期阶段就解决了可装配性和可制造性问题，为企业带来了显著的效益。DFA指在产品设计早期阶段考虑并解决装配过程中可能存在的问题，以确保零件快速、高校、低成本地进行装配。

　　DFA是一种针对转配环节的统筹兼顾的设计思想和方法，就是在产品设计过程中利用各种技术手段入分析、评价、规划、仿真等充分考虑产品的装配环节以及与其相关的各种因素的影响，在满足产品性能与功能调教下改进产品的装配结构、使设计的产品是可以装配的，并尽可能降低装配成本和产品成本。DFA是一种优化产品结构的方法，同时也是一种设计哲理。其作用方式有两种:可装配性分析评价工具和装配设计指南。前者指产品装配性的各种因素，对产品设计进行到一定的程度后，通过系统分析影响产品装配性的进行评价，在此基础上给出再设计建议。后者指先将装配专家的有关知识和经验整理成具体设计指南，然后在它们的指导下进行产品设计，相当与在这些专家的直接帮助下选择设计方案，确定产品结构。DFA在产品开发过程中的作用和地位主要表现在减少零件数(从而精简产品结构)、改进装配性能、降低产品成本等方面。DFM则指在产品设计的早期阶段考虑与制造有关的约束，指导设计师进行同一零件的不同材料和工艺的选择，对不同制造方案进行制造时间和成本的快速定量估计，全面比较与评价方案各种设计与工艺方案，设计团队根据这些定量的反馈信息，在零件的早期设计阶段就能够及时改进设计，确定一种最满意的设计和工艺方案，正是由于DFMA的这些特点和功能，使DFMA技术成为并行工程的核心技术。

　　四、并行工程所采用的产品开发模式

　　如上图所示，这是并行工程所采用的产品开发模式，在产品的设计早期阶段应用DFMA技术，考虑解决了可装配性和可制造性问题，经过多次DFMA循环(见下图)后，再进入后面的详细设计阶段，然后是样机制造和大量投产。经过这样的过程，虽然设计阶段的时间有所延长，但整个产品的开发周期确大大的缩短了，并节约了成本，提高了产品质量。

• 可制造性设计——DFM