第06章产品装配设计技术

现代CAD技术东北大学机械工程与自动化学院先进制造与自动化技术研究所2012年11月22日2第一篇设计集成化第篇设计集成化第2章产品集成设计的理论与方法第2章产品集成设计的理论与方法第3章产品共享信息模型的建立第4章产品数据管理技术第5章产品数据交换技术第5章产品数据交换技术第6章产品装配设计技术第7章工程设计集成平合现代CAD技术ModernCADTechnology3第6章产品装配设计技术第6章产品装配设计技术6.1产品装配设计的地位与内容6.1产品装配设计的地位与内容6.1.1装配设计的重要性6.1.2装配设计的内容6.1.3装配设计在集成化产品设计中的地位6.2产品装配设计的评价6.3DFA的方法及应用6.3.1早期DFA方法广义设计中的同步方法6.3.2广义设计中的同步DFA方法6.3.3DFA系统的构造与应用64从DFA到DFx面向全生命周期的设计方法6.4从DFA到DFx—面向全生命周期的设计方法6.4.1DFA向DFMA的发展642面向产品全生命周期的DFx工具现代CAD技术ModernCADTechnology6.4.2面向产品全生命周期的DFx工具461产品装配设计的地位与内容6.1产品装配设计的地位与内容一般来讲产品设计进程可以粗略分作四个阶段产品一般来讲，产品设计进程可以粗略分作四个阶段：产品规划、方案设计、结构设计（又称技术设计或概要设计）和详细设计又称施设计）详细设计（又称施工设计）。结构设计阶段的主要任务是从技术、经济和社会等诸方面因素出发，明确、完整地拟定实现原理设计方案的装配结构，形成产品及其关键部件的装配草图，因此这一阶段可以构，形成产品及其关键部件的装配草图，因此这阶段可以笼统地称作产品装配设计或面向装配的设计（DFA，DesignForAssembly）ForAssembly）。现代CAD技术ModernCADTechnology5611装配设计的重要性6.1.1装配设计的重要性装配设计是产品设计过程中工作量最大、耗时最多的环节，装配设计是产品设计过程中工作量最大、耗时最多的环节，对保证产品质量和可靠性、降低产品成本和提高市场竞争力具有十分重要的意义。其重要性主要表现在以下3个方面：（1）满足功能要求的关键产品设计的最终结果都是以定（1）满足功能要求的关键。产品设计的最终结果都是以一定的结构形式表现出来，按照所设计的结构进行加工、装配，进而形成产品，以满足使用要求。因此，装配设计的质量是满足产品功能要求的关键功能要求的关键。（2）设计计算的基础。机械产品设计中，各种计算如强度、刚度、稳定性等都要以确定的结构为基础，机械设计公式一般只刚度、稳定性等都要以确定的结构为基础，机械设计公式般只适用于某种特定的机构或结构。如果不事先选定某种结构，机械设计计算是无法进行的。（3）提高质量降低成本产品设计中装配设计是个很活（3）提高质量，降低成本。产品设计中，装配设计是个很活跃的因素，关系到整机性能、零部件强度、刚度和使用寿命以及人机工作环境、系统协调性、运输安全性等等，正确地选择或设计装配结构可以显著提高设计质量降低产品成本现代CAD技术ModernCADTechnology计装配结构，可以显著提高设计质量，降低产品成本。6612装配设计的内容6.1.2装配设计的内容装配设计是连接产品方案设计和详细设计间的重要阶段，具装配设计是连接产品方案设计和详细设计间的重要阶段，具体内容包括2个方面：（1）概念设计到结构设计的映射。产品方案设计阶段所得到的原理解，只是一些抽象的概念，装配设计的基本内容便是从这些概念出发，进行技术上的具体化，包括关键零部件的构型设计、材料选择以及尺寸、数量和空间相互位置关系的确定等，从而材料择以及尺寸数和间相位关系的确定等从而实现产品从概念设计到结构设计的映射。必须说明的是，这种映射往往是一对多的关系，也就是说，能够实现某原理解的装配结构方案很可能会有多个这就需要能够实现某一原理解的装配结构方案很可能会有多个。这就需要对不同的结构方案进行分析、评价和优选。（2）可装配性分析与评价可装配性指产品及其装配元件（（2）可装配性分析与评价。可装配性指产品及其装配元件（零件或子装配体）容易装配的能力和特性，是衡量装配结构优劣的根本指标，可装配性分析与评价是产品装配设计的重要内容之一这种评价应兼顾技术特性经济特性和社会特性现代CAD技术ModernCADTechnology一。这种评价应兼顾技术特性、经济特性和社会特性。7613装配设计在集成化产品设计中的地位6.1.3装配设计在集成化产品设计中的地位装配设计是集成化产品设计过程中至关重要的一环，是装配设计是集成化产品设计过程中至关重要的环，是一项涉及到零部件构型与布局、材料选择、装配工艺规划、公差分析与综合等众多内容的复杂、综合性工作，其作用和地位可归结为如下4个方面地位可归结为如下4个方面：（1）拟定结构方案，优化装配结构这是装配设计的外在表现，装配设计的基本任务是从原理方案出发，在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，由此拟定装配草图此拟定装配草图。（2）改进装配性能，降低装配成本基本要求是确保产品的零部件能够装配到位进步的基本要求是确保产品的零部件能够装配到位；进一步的要求是确保产品装配能够比较容易实现，即装配成本尽可能低廉。现代CAD技术ModernCADTechnology低廉。8613装配设计在集成化产品设计中的地位6.1.3装配设计在集成化产品设计中的地位（3）产品可制造性的基础和依据（3）产品可制造性的基础和依据制造的最终目的是能够形成满足用户要求的产品，考虑可装配性必须先于可制造性。一旦离开了产品可装配这一前提，讨论可制造性便是毫无意义的，因而装配设计是产品可制造性的出发点。（4）产品并行设计的技术支持和保障（4）产品并行设计的技术支持和保障产品并行设计是让下游有关活动尽早融汇到上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计早期加以考虑。这种融汇是通过诸如DFA、DFM等技术来具体实现和保证的，装配在现代CAD技术ModernCADTechnology生产过程中的支配地位确定了装配设计的龙头作用。962产品装配设计的评价6.2产品装配设计的评价装配设计阶段，产品设计结果好坏是通过可装配性的优装配设计阶段，产品设计结果好坏是通过可装配性的优劣来衡量的。可装配性（assemblability）就是产品及其装配元件（零可装配性（assemblability）就是产品及其装配元件（零件或子装配体）容易装配的能力和特性，其评价应兼顾三个方面的特性：技术特性、经济特性和社会特性。首先，从技术角度考虑，装配必须是合理、可行的。也就是说，装配体的形成在技术上必须是可以实现的。这是装配体赖以存在的前提条件，不满足该前提的装配是缺乏现实意义的。可装配性的技术特性主要考察装配元件的便于抓取、装配工具的易于操作、装配位置可达性、定位可靠性、检测可及性等方面的内容现代CAD技术ModernCADTechnology及性等方面的内容。1062产品装配设计的评价6.2产品装配设计的评价作为一个简单示例，图6-1由齿轮轴与机架两个刚性零作为个简单示例，图61由齿轮轴与机架两个刚性零件组成的装配体尽管在几何上不存在干涉，但其装配过程却是不可能实现的。现代CAD技术ModernCADTechnology1162产品装配设计的评价6.2产品装配设计的评价其次，从经济角度考虑，保证质量的前提下应尽可能降其次，从经济角度考虑，保证质量的前提下应尽可能降低装配成本从而降低总的生产成本。这是产品在市场竞争中争取主动的必要条件。可装配性的经济特性主要考察装配操作的效率、装配资源的消耗、装配公差的分布、零件的标准化程度和材料成本等的内容等方面的内容。此外，产品是为社会服务的，装配理所当然地要受社会会特因素的制约。这便是可装配性的社会特性。可装配性的社会特性考察内容主要包括装配体的可拆性（装配或维护过程均有可能存在拆与装的反复）、元件的可重用性（产品维护过程中耗损件之外的元件应能重复使用）材料的可回收性以及它们所牵涉到的环保问题现代CAD技术ModernCADTechnology、材料的可回收性，以及它们所牵涉到的环保问题。1262产品装配设计的评价6.2产品装配设计的评价现代CAD技术ModernCADTechnology1362产品装配设计的评价6.2产品装配设计的评价图6-2是一种面向全生命周期的产品可装配性评价基本图62是种面向全生命周期的产品可装配性评价基本结构树。从原理上讲，可装配性评价具体实现的量化方法有两种：成本分析法和加权评分法。成本分析法，是将各评价指标折算成实施装配操作所需耗费的成本，通过成本分析来量化产品或部件的可装配性。这种量化方法比较客观，但必须有一套完整的标准成本数据库提供支持，该数据库的建立是一项很艰巨的工作。权法标权加权评分法，是先对各级评价指标赋予相应的权重，按一定标准打分，然后自底向上逐层加权汇总，进而得到可装配性的总评分值这种量化方法实施较为容易但具体操作配性的总评分值。这种量化方法实施较为容易，但具体操作时分值的获取应取决于相关专家的知识和经验，否则难免主观臆断，影响评判结果的公正性。现代CAD技术ModernCADTechnology1463DFA的方法及应用6.3DFA的方法及应用面向装配的设计（DFADesignForAssembly）也面向装配的设计（DFA，DesignForAssembly），也译作设计为了装配，是一种在装配设计阶段统筹兼顾的设计思想和方法思想和方法。面向装配的设计就是在产品设计过程中利用各种技术手段，如分析、评价、规划、仿真等，充分考虑产品的装配环节及其相关的各种因素的影响，在满足产品性能与功能的条节及其相关的各种因素的影响，在满足产品性能与功能的条件下改进产品装配结构，使设计出来的产品是可以装配的，并尽可能降低装配成本和产品总成本并尽可能降低装配成本和产品总成本。DFA是一种广义的装配设计方法，覆盖范围应包括产品现代CAD技术ModernCADTechnology生命周期中与装配相关的所有环节。15631早期DFA方法6.3.1早期DFA方法DFA这一术语是由美国马萨诸塞大学（UniversityofDFA这术语，是由美国马萨诸塞大学（UniversityofMassachusetts）的G.Boothroyd和P.Dewhurst于1980年正式提出的。DFA方法的产生，则可追溯至20世纪60年代。1.DFA产生的背景设计与制造虽然是两个不同的阶段但产品设计是否合设计与制造虽然是两个不同的阶段，但产品设计是否合理对制造成本影响显著。因此，必须从产品设计一开始就考虑制造因素，以减少制造费用，降低产品成本。虑制造因素，以减少制造费用，降低产品成本。早在60年代初，就有许多企业开发基于可制造性（manufacturability）的设计指南，用于指导自己的产品设计manufacturability）的设计指南，用于指导自己的产品设计。但这些指南一味强调零件的形体简单和加工方便，使用时很容易发生误导，甚至得到荒唐的结果。现代CAD技术ModernCADTechnology16631早期DFA方法6.3.1早期DFA方法图6-3就是一个典型例子（a）是所需的功能结构按图6-3就是个典型例子，（a）是所需的功能结构，按指南设计却得到组合结构（b），零件加工起来虽然容易多了，但产品结构变得更为复杂，总成本不但没有降低，反而产得本降低提高了。追根溯源，这是由于立足点太低，孤立、片面地强调单个零件的可加工性而忽视了产品的可装配性。现代CAD技术ModernCADTechnology17631早期DFA方法6.3.1早期DFA方法实际上要想真正地降低产品成本必须从全局观点出实际上，要想真正地降低产品成本，必须从全局观点出发，以简化产品结构为先决条件，首先考虑产品的可装配性其次才考虑零件的可加工性面向装配的设计（DFA）思，其次才考虑零件的可加工性。面向装配的设计（DFA）思想，正是在这一背景下产生的。值得注意