先进制造系统(2)

1第4章先进设计技术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）∨3第4章先进设计技术先进制造系统面向制造的设计（DesignForManufacturing，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（DesignForAssembly，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（DesignForCost，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（DesignForQuality，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（DesignForEnvironment，DFE）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，节约资源，保护环境。DFE也称为生态化设计ED。4.3面向X的设计的涵义∧∨4第4章先进设计技术先进制造系统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第4章先进设计技术先进制造系统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∧∨6第4章先进设计技术先进制造系统DFM是在20世纪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面向制造的设计（DFM）1.DFM的发展∧∨DFM的主要原则有：①简化零件的形状；②尽量避免切削加工（因为切削加工成本高）；③选用便于加工的材料；④尽量设置较大的公差；⑤采用标准件与外购件；⑥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面向制造的设计（DFM）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M应为Machining）。广义DFM包含下列内容：①零件的可加工性。②部件和整机的可装拆性。③零部件加工和装配质量的可检测性。④零部件和整机性能的可试验性。⑤零部件和整机的可维修性。⑥零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面向制造的设计（DFM）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面向装配的设计（DFA）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面向装配的设计（DFA）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面向装配的设计（DFA）2.DFA的主要内容∧∨13第4章先进设计技术先进制造系统信息组成包括六个方面（图4-18）①管理信息是与产品及其零部件管理相关的信息。②几何信息是与产品的几何实体构造相关的信息。③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面向装配的设计（DFA）(1)产品装配模型的信息描述∧∨④工程语义信息反映工程师的设计及制造意图。⑤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。⑥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面向装配的设计（DFA）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①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面向装配的设计（DFA）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6－套3214561314256②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。③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面向装配的设计（DFA）(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①实验的方法②统计的方法③建模的方法3)分析影响产品的可装配性的各种因素4)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面向装配的设计（DFA）∧∨18第4章先进设计技术先进制造系统T4.3.2面向装配的设计（DFA）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、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)可装配性评价的三方面内容2.DFA的主要内容∧∨19第4章先进设计技术先进制造系统2)可装配性评价方法：①定性评价②定量评价4.3.2面向装配的设计（DFA）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。①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。②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面向装配的设计（DFA）(4)产品可装配性再设计2.DFA的主要内容∧∨21第4章先进设计技术先进制造系统(1)DFA的常用准则3.基于准则的DFA①所使用的零件数最少。②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。③尽量采用模块化设计。④尽量减少装配工作面。⑤尽量减少使用紧固件。⑥装配尽量在外部进行，以便于观察和装配的便利。⑦尽量使零件易于识别。⑧须避免设计的零件相互干涉、缠结，优化零件的抓取。⑨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。⑩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面向装配的设计（DFA）∧∨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12345678921011124.3.2面向装配的设计（DFA）(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12345678图4-18DFA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面向装配的设计（DFA）(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∧∨24第4章先进设计技术先进制造系统4.3.3面向成本的设计（DFC）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面向成本的设计（DFC）∧∨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：①零件特征模型它为零件制造成本估算提供信息；②装配特征模型它为产品装配成本估算提供信息。4.3.3面向成本的设计（DFC）∧∨27第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面向成本的设计（DFC）∧∨28第4章先进设计