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1、先进制造系统,21世纪工业工程专业规划教材,先进制造系统 Advanced Manufacturing System 华北电力大学 戴庆辉 主编 机械工业出版社,先进制造系统,21世纪工业工程专业规划教材,先 进 制 造 系 统 主 编 戴庆辉 副主编 张新敏 王卫平 参 编 张文建 杜必强 周宏明 胡开顺 叶 锋 慈铁军 付培红 主 审 张根保,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
2、 第 9 章 制造系统展望,第 4 章 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）,DFX是指面向X设计（Design For X）。在现代产品开发过程中，还必须采用DFX数字化工具集，其中X可以代表生命周期中的各种因素，如制造、装配、成本、质量、环境等。DFX指面向某一应用领域的计算机辅助设计工具，它们能够使设计者在早期就考虑设计决策对后续的影响。,4.3 面向X的设计的涵义,面向制造的设计（Design For Manufacturing，DFM） 强调在设
3、计过程中考虑加工因素，即可加工性和加工的方便性； 面向装配的设计（Design For Assembly，DFA） 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； 面向成本的设计（Design For Cost，DFC） 在设计阶段综合考虑产品生命周期中的加工制造、装配、检测、维护等多种成本因素，并根据成本原因及时进行设计修改，从而达到降低产品成本的目的。,4.3 面向X的设计的涵义,面向质量的设计（Design For Quality，DFQ） 在设计阶段进行质量控制，保证所设计的产品满足顾客的质量要求。 面向环境的设计（Design For Environment，
4、DFE） 在设计时充分考虑产品在生产和使用过程中，消耗的资源最少，对环境的污染最少，对操作者的危害最低，产品可以回收利用，以节约资源，保护环境。 DFE也称为生态化设计ED（Ecological Design），包括面向拆卸的设计（Design for Disassembly，DFD）和面向回收的设计（Design for Recovering and Recycling，DFR）。,4.3 面向X的设计的涵义,4.3 面向X的设计（DFX）,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、4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展 2. DFM的基本原理 3. 产品可制造性的评价,提高产品的开发和创新能力是增强企业竞争能力的关键，而新产品开发的成功率则是衡量企业产品开发和创新的一个重要标志。现有国外企业新产品的开发成功率已达15%，而我国却不到5%。大量设计成果不能或难以有效地转化为商品，其中的重要原因之一是没有一个合理的产品开发过程，图样上的产品不能或难以按设计要求制造出来，或不得不用很高的成本才得以制成。DFM是改变这一现状，提高企业产品开发和创新能力的一个关键。,1. DFM的发展,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,在传统的产品开发方式中，往往会发生这样
6、的情况：如果对零件的结构稍加改动，就能用另一种较廉价的方法来加工或装配；或者即使仍然用原加工方法和装配工艺，其工艺性和经济性也有显著改进。设计者通常重点考虑的是实现产品的功能和性能指标，较少考虑产品的可制造性和经济性评价 。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展,两个原因： 在设计完成以前，产品的可制造性和经济性信息不够全面，进行可制造性和经济性的评价有相当的难度； 设计者对企业的制造工艺和制造资源及产品的经济性缺乏全面的了解。然而，DFM使设计者不仅要考虑产品的功能和性能的要求，而且还必须同时考虑其可制造性、经济性和制造周期，在保证产品性能的前提下，使制造成本尽可能降低。
7、,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展,20世纪80年代后期，由于数控机床、加工中心和FMS等现代加工手段的发展，于是能够加工出过去无法加工的复杂零件，但已有的设计理论依然过分强调把零件结构设计成传统机床所能加工的简单形状。在这样的产品结构上，先进制造设备的优点无法得到发挥。为此，人们开始对简化机械设计，特别是简化装配问题（即DFA）进行了大量的研究，并取得了应用成果。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展,与此同时，由于计算机技术和通信技术的迅速发展，人们在以零件为研究对象的面向加工设计领域的研究也取得了较大进展，主要体现在对基本知识的可制造性（确切说
8、是可加工性Machining）评价系统工程、DFM专家系统、CAD/CAPP并行交互设计系统及基于制造特征的设计系统的开发研究上。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展,从技术发展的角度来看，成熟的DFM系统大多基于零件进行DFM研究。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。整机DFM重视产品结构对制造费用的影响，关键是通过DFA来简化产品，导致制造费用、装配费用减少，同时缩短产品制造和装配时间。因此整机DFM效果比零件DFM更为显著。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,1. DFM的发展,DFM通常定义为“实现产品及其相关过程并行设计的系统
9、化方法”。也译作 “设计为了制造”。它把产品设计和工艺设计集成在一个共同的活动中，使设计者在产品的设计阶段就尽早地考虑与产品制造有关的约束（如可制造性），在制造工艺和制造资源环境的约束下进行零件形状结构设计，全面评价产品设计和工艺设计，同时提供改进设计的反馈信息，在设计过程中完成可制造性检测，以使产品的结构合理、制造简单、装配性好，并实现全局优化。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,2. DFM的基本原理,DFM方法的目标是同一产品概念，这一概念应便于装配和制造，并便于集成工艺设计和产品设计，确保尽可能好地达到要求。它要求在制造系统各个组成部分之间保持通信联系，在产品实现的各个阶段能够保持
10、设计调整和完善的柔性。DFM方法包括几项必不可少的任务，如图4-15所示。,2. DFM的基本原理,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,2. DFM的基本原理,DFM是一种综合方法，它使用了多种信息，包括： 设计图、产品设计任务书、设备选择方案； 生产和加工过程详情； 制造成本、产量和投产日期的估计。 由此可见，DFM既需要外部专家提供信息，也需要开发组成员搜索信息。许多公司实施DFM时，采用结构化的、跨部门的、以组为基础的开发机构，以集成和共享DFM信息。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,2. DFM的基本原理,DFM的主要原则有： 简化零件的形
11、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。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,2. DFM的基本原理,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。至于一般制造含义中的装配（Assembly）则归属于DFA。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,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
12、M应为Machining）。广义DFM包含下列内容：零件的可加工性，定性的衡量该零件是否能加工出来，并预估零件的加工成本、加工时间及加工成品率。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。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,2. DFM的基本原理,实现DFM的一种重要手段是对产品的设计进行可制造性评价。可制造性是产品设计与制造功能匹配能够满足设计目标的难易程度。评价内容见表4-1。,3. 产品可制造性的评价,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,T,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,技术性评价体现了
13、制造功能的约束，主要评价产品结构合理性及加工可行性。经济性评价反映了企业的目标需求，经济性指标是一个软约束，它不能反映出产品制造的边界约束。实际上，可制造性评价的两个方面是互相联系的。技术性评价通过分析并及时发现产品设计的不合理因素，避免不必要的浪费，从而提高经济性。经济性评价是建立在技术分析的基础上，是技术指标的经济体现。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,3. 产品可制造性的评价,产品可制造性评价方法有三类： 经验评价 定量评价 基于知识的评价,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,3. 产品可制造性的评价,经验评价 这类方法又分三种： 依赖专家对少量几个指标（如时间、费用等）来定性评
14、价零件的可制造性，而且凭经验确定权值。缺点是：常存在估算偏差和估算周期过长。 从产品的功能出发，提出一些设计公理指导产品设计，在产品设计中的每个决策由公理引导，最终设计出可制造性好的产品。由于不同人员对公理的认识有很大不同，所以实施起来比较困难。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,3. 产品可制造性的评价,从制造工艺出发，保证设计出来的产品能够在某种特定的环境条件下，采用某种特定的加工工艺加工出来，例如，面向铸造的设计，面向锻压的设计，面向加工中心的设计等，该方法针对性强，一般在产品具有明确的生产单位时经常采用。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,3. 产品可制造性的评价,定量评价 一
15、般利用计算机程序按经验公式自动评价可制造性，这类方法只限于对局部范围的近似估计，且缺乏柔性。这类方法又分三种： 从缩短生产成本出发，该方法以费用作为评价指标，综合考虑材料费用、加工费用、运输费用、管理费用等，把这些因素用经验公式进行量化处理，近似估计产品总费用。该方法常用于产品的技术报价系统，用于产品的成本估计。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,3. 产品可制造性的评价,从制造工艺出发，该方法以加工方法以及加工方法的难度为基础，结合生产单位的实际情况，对各种加工方法分类，并用百分制表达加工难度和加工费用，找出产品的加工费用，并对不合理的加工方法进行改进，评估产品的制造性。 从产品的性能价格比出发，分析产品的每个功能和每个功能的价值，综合市场需求，精简或增加新的功能，去掉费用大而又增值少的产品的功能。,4.3.1 面向制造的设计（DFM）,3. 产品可制造性的评价,基于知识的评价 随着计算机技术和人工智能的发展，产品的制造性评价系统逐渐发展起来。利用各种数学模型和经验公式建立各应用领域如注射模、冲压模和机加工等的费用估算专家系统。由于各个系统的解决对象不同，系统功能有所差别。,图4-16所示为一种基于知识的DFM系统。建立规则和方案评价作为
