研究生现代设计之面向“X”的设计

２０２１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本钱的设计面向环保的设计面向可靠性的设计面向包装运输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本钱２.１面向制造的设计思想、原理典型的DFM模型〔图１〕SHAPE２.２面向制造的设计方法概述DFM方法如图２所示，主要包括：估计制造本钱降低部件本钱降低装配本钱降低辅助生产本钱考虑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本钱开场的,估计制造本钱可以帮助开发组判断出部件、装配和辅助生产中哪一个本钱最高.使开发组在以后的开发过程中采取措施降低本钱,不断地改进产品设计直到它到达一定的程度为止.２.３估计制造本钱图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。制造本钱就是系统输入花费与处理废物的花费之和。制造本钱的构成以下图所示为制造本钱的构成。制造本钱主要由：部件本钱、装配本钱和间接成本组成图３〔１〕估计标准件本钱估计标准件本钱有两种方法：将部件与公司已制造或购置的相似部件相比较来确定其本钱，该方法主要用于小部件的本钱估算。询问供货商或卖主。该方法主要用于大部件的本钱估算。〔２〕估计定制件本钱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．当定制件是一个单独局部的时候，是把原材料、加工和工装本钱相加来得到其本钱．当它是由几个局部组成时，就把它当一个产品，将其部件本钱、装配本钱和间接本钱相加．原材料本钱通过计算原材料量获得．加工本钱包括设备操作工的工资和设备消耗．工装本钱那么由刀具、模具和夹具的设计和装配费构成．〔３〕估计装配本钱大局部的装配都是由手工完成的．手工装配本钱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４至６０Ｓ．在大量生产中，可利用工具以辅助生产．〔４〕估计间接本钱大局部公司使用间接率来计算间接费用．间接率是由一个或两个本钱驱动因素来确定的．间接本钱是根据驱动因素大小，由直接本钱按一定比例计算出来的．除了上述的分类方法，另一种分类方法是分为固定本钱和变动本钱，固定本钱是指不随产量而变化的本钱．可变本钱是指与产量成比例增长或减少的本钱，如原材料的本钱，加工时间和工人劳动．２.４减少部件本钱了解生产制约条件和本钱驱动因素生产制约条件和本钱驱动因素对于部件的本钱有很大的影响.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,降低部件的制造本钱.对于各种机械产品常有一个主要参数,即加工过程的本钱驱动因素,对其本钱有较大的影响,控制这个参数,即可控制本钱的增长.改进设计部件以简化加工过程通过对已有方案的简化,可以使产品构造简化,降低产品的生产本钱.为了实现简化设计,应注意的根本原那么：(１)尽可能减少产品组成局部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．为加工过程选择适当的经济规模产品产量升高时，单位产品的制造本钱就会下降，这个现象称为“规模经济〞，规模经济产生的原因：〔１〕规模越大，摊在单位产品上的固定本钱就越少．〔２〕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本钱．制造本钱可分为固定本钱和变动本钱，一旦开场生产，固定本钱就形成了，不随产品产量而变化；变动本钱那么是由产量决定．低固定本钱高变动本钱的加工过程适合小量生产；高固定本钱低变动本钱的加工过程适合于大量生产．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，这样部件的单位本钱就会降低，也就降低了制造本钱．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本钱的部件．２.５减少装配本钱面向装配的设计(DFA：DesignForAssembly)是DFM的一个组成局部,它的目标是减少装配本钱,对大局部产品来说,装配本钱只是总本钱中的很小一局部,但是减少装配本钱会带来很大间接效益。下面是辅助DFA决策的原那么：利用评分组合部件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本钱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“３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局部移动＃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成一个部件，来减少本钱．部件组合的优点：*被组合的部件之间不再需要装配；*组合件本钱通常比组合前部件本钱低；*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，所以即使部件数量一样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本钱．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监视、管理、处理这些变量，增加了辅助本钱．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，减少辅助本钱，从而减少产品的制造本钱．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珍贵的,对于一个重要的开发工程来说,在做DFM决策时不仅要考虑对制造本钱的影响,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对开发本钱的影响DFM可以增加开发时间，而开发本钱和开发时间有密切关系，所以开发本钱也会增加．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，降低产品制造本钱的措施会提高产品性能。不过，在实践中，有些降低制造本钱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工程有影响，它必然对开发工程以外的事物有影响。主要是对部件的使用和寿命周期本钱产生影响。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：DesignForDsiassembly〕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：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展回收．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到原零件要求，那么可用来加工别的产品．对应与拆卸的目的，拆卸有三类类型：破坏性拆卸即拆卸活动以使零部件别离为主要宗旨，不管产品构造的破坏程度局部破坏性拆卸即拆卸过程中只损坏局部廉价零件，其余局部那么要平安可靠别离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；产品构造模块化，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；回收材料和剩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面向拆卸的设计准那么面向拆卸的设计准那么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而确定的通用或专用的设计原那么。拆卸准那么主要有以下几种：拆卸工作量最少准那么与构造有关的准那么易于拆卸准那么易于别离准那么产品构造可预估性准那么拆卸工作量最少准那么

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，尽可能简化产品构造和外形，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那么有害材料的集成准那么拆卸目标零件易于接近准那么与构造有关的准那么

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．易于拆卸准那么尽量在要拆卸的零件上预留可供抓取的外表，防止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构造内，提高拆卸效益，防止环境污染．易于别离准那么在产品设计时，尽量防止零件外表的二次加工，防止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．产品构造可预估性准那么

产品在使用过程中的污染、腐蚀、磨损以及维修、维护都会使产品的构造产生不确定性，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，其构造的不确定性减少，设计时应遵循以下准那么：〔１〕防止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；〔２〕要拆卸的零部件应防止被污染或腐蚀．３.３产品拆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、零件根本数据、零部件构造、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〕。如以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〕的层次可分为假设干类及相关属性，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案进展评价－－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展：一方面是产品构造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．是衡量构造拆卸性好坏的主要指标．拆卸费用高那么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量．与连接构造性有关的指标：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：产品构造的复杂程度４、面向回收的设计４.１面向回收的设计的根本概念面向回收的设计〔DFR：DesignForRecycling&Recovering〕在进展产品设计时，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、回收处理构造工艺性等一些列问题，以到达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，即不仅考虑最根本的材料回收，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，对其进展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可使材料资源得到最大限度地使用可减少环境污染，保护生态环境有利于持续开展战略的实施扩大了就业门路，提供更多的就业时机产品回收是一个社会化综合工程，系统工程，会涉及到很多部门物流的闭合性回收过程本身是清洁生产，应该对环境无害，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构造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说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展分类(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本钱低，易操作，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．回收的零件的构造工艺性可回收零件的构造必须具有良好的拆卸性能，以保证回收的可能和便利．４.４面向回收的设计准那么面向回收设计的根本要求；(１)对设计过程的要求它除了注重产品的根本功能、性能等指标外，更注重产品的寿命、构造及环境友好性。(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。面向回收的设计准那么设计的构造易于拆卸尽可能的选取可整新的零件干净的净化工艺可充用零部件材料要易于识别分类机构设计要有利于维修调整限制材料种类采用系列化和构造化的产品构造考虑材料的异化再使用方法尽可能的利用回收零部件和材料考虑材料的相容性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〔DesignForQuality〕５.２面向质量的设计的根本概念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，指企业内部所进展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、评价决策过程的别离，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