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1、1第 4 章 先进设计技术先进制造系统先进制造系统先进制造系统第 1 章 先进制造系统总论第 2 章 先进制造系统基本原理第 3 章 先进制造模式 第 4 章 先进设计技术第 5 章 先进制造装备及技术 第 6 章 先进制造工艺技术 第 7 章 绿色设计与制造第 8 章 典型产品的制造系统 第 9 章 制造系统展望 2第 4 章 先进设计技术先进制造系统第第 4 4 章章 先进设计技术先进设计技术4.1 先进设计技术的定义、内容与特点4.2 计算机辅助X（CAX）4.3 面向X的设计（DFX）4.4 模块化设计（MD）4.5 产品数据管理（PDM）3第 4 章 先进设计技术先进制造系统面向制造
2、的设计（Design For Manufacturing，DFM）调在设计过程中考虑可加工性和加工的方便性；面向装配的设计（Design For Assembly，DFA）在设计过程中考虑可装配性、装配的方便性和减少装配价格；面向成本的设计（Design For Cost，DFC）在设计阶段综合考虑产品的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素，并及时设计修改，降低产品成本。面向质量的设计（Design For Quality，DFQ）在设计阶段进行质量控制，保证产品满足顾客质量要求。面向环境的设计（Design For Environment，DFE）消耗的资源最少，对环境的污染最少，对操作
3、者的危害最低，产品可以回收利用，节约资源，保护环境。DFE也称为生态化设计ED。4.3 4.3 面向面向XX的设计的涵义的设计的涵义 4第 4 章 先进设计技术先进制造系统4.3 4.3 面向面向XX的设计（的设计（DFXDFX）4.3.1 面向制造的设计（DFM）4.3.2 面向装配的设计（DFA）4.3.3 面向成本的设计（DFC）4.3.4 面向质量的设计（DFQ）5第 4 章 先进设计技术先进制造系统4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）1.DFM的发展2.DFM的基本原理 3.产品可制造性的评价 6第 4 章 先进设计技术先进制造系统DFM 是在20世
4、纪80年代后期先进制造设备的优点无法得到发挥时诞生的。零件DFM重点考虑最小材料费用和加工工艺性，而且主要考虑精加工工序。4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）1.DFM的发展 DFM的主要原则有：简化零件的形状；尽量避免切削加工（因为切削加工成本高）；选用便于加工的材料；尽量设置较大的公差；采用标准件与外购件；减少不必要的精度要求。7第 4 章 先进设计技术先进制造系统任务提出产品概念、产品计划和设计目标图4-15 典型的DFM过程工程工具包 零件绘图 零件目录 装配图 过程设计优化产品/工艺概念优化产品结构简化产品设计确保产品/工艺一致性4.3.1 4.3.
5、1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）2.DFM的基本原理 8第 4 章 先进设计技术先进制造系统DFM包括的基本内容与“制造”的定义有关：狭义DFM主要是零件的可加工性评价。其中的M（制造）是指构成产品的单个零件的切削、铸造、焊接、冲压等加工过程。4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）2.DFM的基本原理 广义DFM既包括产品结构的设计，又包括零件结构的设计。前者被称为面向装配的设计DFA，后者被称为面向加工的设计DFM（此处M应为Machining）。广义DFM包含下列内容：零件的可加工性。部件和整机的可装拆性。零部件加工和装配质量的可检测性。零
6、部件和整机性能的可试验性。零部件和整机的可维修性。零部件及材料的可回收性等。9第 4 章 先进设计技术先进制造系统4.3.1 4.3.1 面向制造的设计（面向制造的设计（DFMDFM）表4-1 产品可制造性评价内容评价指标 评价内容技术性装配工艺性装配自由度、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、自定心结构、定位与联接、结构与装配匹配、利于装配的辅助结构零件标准化、装配标准化、结构工艺性热处理性、锻造性、焊接性、铸造性、切削性、制造资源约束、模块化结构、多功能复合结构、对称结构、功能与结构匹配、结构与加工方法匹配、结构继承性、结构与批量匹配、结构标准化、产品系列化加工可行性精度与功能匹配、精度
7、与加工方法匹配、精度与粗糙度匹配、形位精度与尺寸精度匹配、材料与加工方法匹配、加工方法与批量匹配、材料与刀具匹配、工艺继承性、满足装夹定位基准规则、装夹稳定性结构、易装夹结构材料标准化、工艺标准化、辅助工具标准化、经济性成本材料成本、外协成本、加工成本（毛坯、热处理、劳动、机床、刀具、工装成本）、装配成本、运输成本、仓储成本、管理成本时间 加工时间、装配时间、工装准备时间 3.产品可制造性的评价 10第 4 章 先进设计技术先进制造系统4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）1.DFA的发展2.DFA的主要内容 3.基于准则的DFA 11第 4 章 先进设计技术先
8、进制造系统 装配是将零件结合成完整产品的生产过程，DFA的产生可追溯至20世纪60年代初。当时大多数装配任务依靠手工完成，装配所耗的时间约占整个生产周期的50%。4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）1.DFA的发展 图4-17 可制造性设计指南的误导 a）单个功能零件 b）功能由多个零件实现a）b）12第 4 章 先进设计技术先进制造系统(1)产品装配模型的信息描述(2)产品的可装配性分析(3)产品的可装配性评价(4)产品的可装配性再设计4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）2.DFA的主要内容 13第 4 章 先进设计技术先进
9、制造系统信息组成包括六个方面（图4-18）管理信息是与产品及其零部件管理相关的信息。几何信息是与产品的几何实体构造相关的信息。拓扑信息包括两类：层次结构与几何配合约束。2.DFA的主要内容 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(1)产品装配模型的信息描述 工程语义信息反映工程师的设计及制造意图。装配工艺信息是与产品装/拆工艺过程及其具体操作相关的信息，包括各装配元件的装配顺序、装配路径及装配工具的介入、操作和退出等信息。装配资源信息主要是装配系统设备的组成与控制参数。14第 4 章 先进设计技术先进制造系统产品装配模型图4-18 产品装配模型的信息组成几何信息
10、管理信息拓扑信息工程语义信息装配工艺信息装配资源信息4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）2.DFA的主要内容(1)产品装配模型的信息描述 15第 4 章 先进设计技术先进制造系统基于图形的表示方法 如图4-19所示，以节点表示产品装配系统中的各种实体，以有向线弧表示实体与实体的装配关系。其优点是直观、容易理解；缺点是装配信息描述不完整，难以表达节点存在多类型、多层次的相互关系。4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）2.DFA的主要内容(1)产品装配模型的信息描述 图4-19 基于图形的表示方式1箱体 2轮 3螺栓 4箱盖 5轴
11、6套321456131 4256基于关系数据库的表示方法 采用关系数据库存储，可以方便地实现装配系统实体及其关系等信息的组织和维护，但表达实体及其关系的语义困难。面向对象的表示方法 灵活自然地模拟现实的装配工况，减少语义断层。16第 4 章 先进设计技术先进制造系统1)确定产品可装配性类别 产品有三种基本的装配方法：手工装配；专用机械（自动化）装配；程序控制机械（包括机器人）装配，还有三者的混合。4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(2)产品可装配性分析的四项基本任务2.DFA的主要内容 2)确定产品可装配性分析方法 实验的方法 统计的方法 建模的方法3)3)
12、分析影响产品的可装配性的各种因素分析影响产品的可装配性的各种因素 4)4)考察各因素之间的相互作用和相互关系考察各因素之间的相互作用和相互关系17第 4 章 先进设计技术先进制造系统图4-20 广义设计中的可装配性影响因素（外因）产品产品种类产品结构零部件装配工艺装配策略装配结构工艺过程产品可装配性装配系统系统种类系统配置系统元件（外因）（内因）4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）18第 4 章 先进设计技术先进制造系统 T4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）表4-2 产品可装配性评价内容评价指标 评价内容技术性进给性能（套叠
13、、缠结）；元件抓取（尺寸、重量、对称性等）；位置可达（倒角、圆角，装拆顺序）；定位可靠（自定位、预定位）；检测可及工具利用（操作空间）；联接方法（插装、铆接、焊接、胶接等）；合成方向（多向、单向、垂直向下）；位姿调整（装拆便利、稳定性）经济性装配效率（生产纲领、作业方式）；资源利用（设备、工具、人力）；精度保证（公差分布、质量控制）；标准化（标准件比例、零件类数）；材料消耗社会性可拆卸（结构、操作、顺序）；可再用（零件、子装配）；可回收（材料再用）；环保（装配、拆卸、报废）(3)产品可装配性评价1)1)可装配性评价的三方面内容可装配性评价的三方面内容2.DFA的主要内容 19第 4 章 先进设
14、计技术先进制造系统2)可装配性评价方法：定性评价 定量评价 4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）图4-21 技术上不可行的装配2.DFA的主要内容 20第 4 章 先进设计技术先进制造系统通过产品的可装配性再设计，改善产品的可装配性。再设计建议，即系统根据可装配性分析和评价，给出再设计建议，以改进产品的可装配性。再设计工具，在系统支持下，实现产品装配设计的改进、补充和完善，如改变设计参数、改变装配条件、改变装配结构等。4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(4)产品可装配性再设计2.DFA的主要内容 21第 4 章 先进设计技术
15、先进制造系统(1)DFA的常用准则3.基于准则的DFA所使用的零件数最少。产品所有零件的装配方向最少。所有零件应尽量在同一个方向进行装配，以便保证效率和质量。尽量采用模块化设计。尽量减少装配工作面。尽量减少使用紧固件。装配尽量在外部进行，以便于观察和装配的便利。尽量使零件易于识别。须避免设计的零件相互干涉、缠结，优化零件的抓取。装配在一起的零件应有互锁特征。如设计时增加一些凸凹特征，以便使零件保持原位。使零件易于配合。如采用增加导角、引导面等措施引入柔性环境。4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）22第 4 章 先进设计技术先进制造系统图4-22 原始设计的油缸
16、1左端盖 2缸筒 3密封圈 4螺栓 5螺母 6活塞 7密封圈 8垫环 9活塞杆 10密封圈 11右端盖 12螺母1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 10 11 124.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(2)案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用3.基于准则的DFA 23第 4 章 先进设计技术先进制造系统1 2 3 4 5 6 7 8图4-18 DFA再设计后的油缸 1密封圈 2活塞杆 3缸筒 4端盖 5密封垫 6垫圈 7密封圈 8螺钉4.3.2 4.3.2 面向装配的设计（面向装配的设计（DFADFA）(2)案例：基于准则的DFA在油缸设计中的应用3.
17、基于准则的DFA 24第 4 章 先进设计技术先进制造系统4.3.3 4.3.3 面向成本的设计（面向成本的设计（DFCDFC）1.DFC的发展2.DFC系统的关键问题 3.案例：DFC系统的结构 25第 4 章 先进设计技术先进制造系统1.DFC的发展 通常产品设计费用只占产品总成本的5%10%，却决定了产品成本的70%80%。设计不合理所引起的产品性能和经济性方面的先天不足是生产过程中质量和成本控制措施所无法挽回的。4.3.3 4.3.3 面向成本的设计（面向成本的设计（DFCDFC）基于回归分析的产品成本估计 通过对产品描述，比较公司以前生产过的相似订单，建立产品成本模型，实现快速成本估
18、算。产品成本建模 试图通过建立产品的成本模型，在设计阶段实现产品制造成本的估算。基于价值工程的产品成本分析 在产品开发阶段，运用价值工程的分析方法，通过选择新颖设计概念和优化工艺过程达到降低产品成本的目的。26第 4 章 先进设计技术先进制造系统2.DFC系统的关键问题(1)包含成本信息的数字化产品建模方法 建立包含产品设计、加工、装配、检测等成本预算所需信息的数字化模型是在设计阶段进行产品成本估算的基础。产品数字化模型分两个层次：零件特征模型 它为零件制造成本估算提供信息；装配特征模型 它为产品装配成本估算提供信息。4.3.3 4.3.3 面向成本的设计（面向成本的设计（DFCDFC）27第
19、 4 章 先进设计技术先进制造系统图4-24 产品成本信息模型产品模型产品零件制造加工资源使用成本工装资源 工装准备制造时间制造资源装配资源制造方法制造工艺制造特征加工时间装配方法 装配特征装配工艺产品成本 特征成本基本几何形状几何模型零件成本检测特征检测成本产品BOM 物料成本4.3.3 4.3.3 面向成本的设计（面向成本的设计（DFCDFC）28第 4 章 先进设计技术先进制造系统优化设计方案，用最少的零件实现产品的功能；优化零件尺寸和工艺参数，降低零件的加工成本；寻找高成本零件的代用品，降低材料成本；采用优化设计技术降低材料用量；实现零件标准化、部件通用化、产品系列化设计；应用DFM/
20、DFA的分析、评价方法，选择新的设计概念，改进结构设计；简化复杂零部件结构，改善零部件的制造和装配性能，降低加工成本和装配成本。4.3.3 4.3.3 面向成本的设计（面向成本的设计（DFCDFC）(2)(2)面向成本的产品结构优化方法面向成本的产品结构优化方法 2.DFC系统的关键问题 29第 4 章 先进设计技术先进制造系统(3)产品成本估算 产品装配成本估算 取决于零部件的装配难易程度，而零部件的装配难易程度取决于零部件的装配特征。零件制造成本估算 取决于零件的材料成本和制造成本。零件制造成本取决于零件的制造过程。特征制造成本估算 取决于特征的制造过程。(4)零件的分类方法及相似度比较方
21、法 应用成组技术将组成产品的零件根据其特征进行分类编码。通过基于特征的零件相似度比较，快速从产品数据库中检索出与所设计零件相似的零件，实现同类零件的成本类比。4.3.3 4.3.3 面向成本的设计（面向成本的设计（DFCDFC）2.DFC系统的关键问题 30第 4 章 先进设计技术先进制造系统图4-25 DFC系统的结构Y产品装配规划产品设计概念设计装配建模产品结构优化详细设计装配建模产品装配成本估算成本结果分析与评价DFA方法库价值工程方法库DFA方法库成本信息模型存在相似零件？Y成本满足要求？N检索零件库零件相似度比较产品数据库N零件特征建模零件DFM评价零件制造成本估算特征库特征制造过程
22、库成本信息模型4.3.3 4.3.3 面向成本的设计（面向成本的设计（DFCDFC）31第 4 章 先进设计技术先进制造系统4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDFQ）1.DFQ思想的产生2.DFQ的基本概念 3.DFQ的工具 32第 4 章 先进设计技术先进制造系统1.DFQ思想的产生 传统方法是在生产线上布置大量的检测人员，人们认为“质量”是检测出来的。后来人们开始发展和采用统计过程控制(SPC)技术来控制生产过程，保证在生产过程中获得人们期望的质量。于是观念转变为“质量”是生产出来的。随着工业生产的发展研究表明，“质量”首先是设计出来的。4.3.4 4.3.4
23、面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDFQ）2.DFQ的基本概念 质量分解为两类：外部质量，指顾客能感受到的质量，即最终产品体现的特性；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。33第 4 章 先进设计技术先进制造系统图4-26 实现DFQ的过程模型 a）串行设计的DFQ流程设计环境设计管理设计信息设计方法设计人员 生产 要求a）概念分析 方案设计 技术设计 施工设计4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDFQ）2.DFQ的基本概念 34第 4 章 先进设计技术先进制造系统图4-26 实现DFQ的过程模型b）并行设计的DFQ流程
24、c）每一设计阶段的过程设计环境设计管理设计信息设计方法设计人员生产b）时间轴概念分析方案设计技术设计施工设计要求c）质量分解与合成质量评价与决策确定质量目标4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDFQ）2.DFQ的基本概念 35第 4 章 先进设计技术先进制造系统3.DFQ的工具(1)确定质量目标的工具QFD QFD的目标是确保以顾客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“如何做”将顾客要求逐步展开，逐层转换为设计要求、零件要求、工艺要求和生产要求，形成图4-27所示的分解过程。4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDF
25、Q）36第 4 章 先进设计技术先进制造系统产品总体设计 零件设计 工艺设计 生产系统设计设计要求 零部件要求 工艺要求图4-27 质量功能展开示意图设计要求零件要求 工艺要求生产要求顾客要求设计要求零部件要求工艺要求4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDFQ）3.DFQ的工具(1)(1)确定质量目标的工具确定质量目标的工具QFDQFD 37第 4 章 先进设计技术先进制造系统 QFD的基本工具是”质量屋”(HOQ)。利用一系列的相互关联的质量屋，可以将顾客的需求最终转移成零件的制造过程。一个产品计划阶段的质量屋由6个矩阵组成（图4-28）：反映顾客要求的列矩阵。反映
26、产品设计要求的行矩阵。屋顶是个三角形，表示各个设计要求之间的相互关系。表示设计要求与顾客要求之间的关系矩阵。表示将要开发的产品的竞争能力的市场评估矩阵。矩阵中的数据都是相对于每项顾客要求的。表示技术和成本评估矩阵，矩阵中的数据都是相对于每项设计要求的。4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDFQ）(1)(1)确定质量目标的工具确定质量目标的工具QFDQFD 3.DFQ的工具 图4-28 质量屋的组成38第 4 章 先进设计技术先进制造系统目录设计与方法学设计 通过系统的、结构化的设计将系统进行功能分解与综合，寻求最佳设计方案，但缺乏有效的软件支持。响应模型法 应用统计模
27、型，通过对设定的设计参数名义值及其偏差大小，对功能指标的响应及产品质量指标的精确分析来选择方案。适应性分析 预测零部件在生产、装配过程的风险、质量成本影响，在设计阶段及早发现解决潜在的加工能力问题，使设计方案切实可行。三次设计法 又称稳健设计法。应用正交表来安排试验方案，通过误差因素模拟各种干扰。失效模式和效应分析(FMEA)通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及对系统功能的影响与产生后果的严重程度进行分析。故障树分析(FTA)根据产品或系统可能产生的失效，利用失效树图分析，寻找一切可能导致此失效的原因。4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面向质量的设计（DFQDFQ）(2)(2)实现质
28、量分解与合成的工具实现质量分解与合成的工具 3.DFQ的工具 39第 4 章 先进设计技术先进制造系统设计评审 在设计的各个阶段对设计进行评议审查，及早发现和消除设计缺陷，以便对设计提出改进或为转入下一阶段提供依据。多目标优化 是同时考虑多个目标在某种意义下的最优化问题。模糊综合评判 利用隶属度函数和权重来表达指标优劣的模糊性和相对重要性，从而对模糊多目标系统进行评价和决策。信息谱熵分析 是用信息熵测量产品关键性能满足顾客需求的不确定性，以此作为备选方案中择优的依据。这些方法大部分都是用于详细的、具体的产品模型产生之后，尚缺乏适用于设计早期的评价方法。4.3.4 4.3.4 面向质量的设计（面
29、向质量的设计（DFQDFQ）(3)(3)质量评价与决策的工具质量评价与决策的工具 3.DFQ的工具 40第 4 章 先进设计技术先进制造系统4.3 END4.3 END 41第 4 章 先进设计技术先进制造系统第第44章复习思考题（章复习思考题（4.34.3）15.DFM有哪些主要原则？16.狭义DFM与广义DFM有何不同？DFM的实质是什么？17.产品可制造性评价的基本内容是什么?18.产品可制造性的评价方法有哪些？19.DFA的主要内容有哪些？20.影响产品可装配性的因素有哪些？21.产品可装配性评价的基本内容是什么?22.DFA的实质是什么？42第 4 章 先进设计技术先进制造系统第第44章复习思考题章复习思考题（4.34.3）23.DFC系统的出发点是什么？24.DFC系统的关键问题是什么？解决这些问题的关键技术是什么？25.DFQ的基本思想是什么？26.DFQ的实现策略是什么？27.QFD的应用过程一般有哪几个阶段？28.质量屋的组成是什么？29.什么是三次设计法?43第 4 章 先进设计技术先进制造系统Chapter 4 Section 4.3 ENDChapter 4 Section 4.3 END THANK EVERYONE!