浅论DFA及产品设计优化

略论DFA（可装配性设计）与

电器附件产品设计的优化

当前，自动装配技术正越来越广泛的应用到电器附件产品的生产过程中。自动化技术的应用优化了生产过程，提高了生产效率，更好的保障了产品品质。但是自动化的应用也带来了新的问题，就是在改造传统手工生产方式的过程中，自动化的工艺转换面临很多实际的问题，不少问题直接与产品的设计密切相关。要深入开展自动化生产方式，充分发挥其应有的作用，就必须对产品的设计进行必要的优化。就是说产品在设计阶段，就要充分考虑产品的可装配性。国际上很早就进行了这方面的研究工作，形成了系统的理论并得以快速发展。1980年，美国Massachusetts大学的Boothroyd教授提出了DFA（Design for Automation）这—概念，系统化的总结和研究了产品可装配性的要素和方法，得到逐步推广。近年来，随着自动化技术的迅速发展，对DFA的关注度迅速提高，发展明显加速，相继出现了—些有影响的DFA 定量分析方法。它们都是基于容易装配原则来考察影响产品可装配性的各种因素，并使用列表的形式对各个项目进行评分，以此来追踪产品设计中不利于装配的薄弱环节并及时加以修正。这些方法的实际应用，有力地推动了DFA技术的发展，在实际应用中，产品的可装配性得以明显提高。

●DFA的概念及其运用方法

1．DFA的基本概念

装配是一项劳动密集型的工作。据统计，装配成本在产品总成本中的比重可以达到40％。对于大

多数产品而言，装配自动化的一个主要障碍是：通常的产品设计不是面向装配的，这使产品装配已成

为制造业最薄弱的环节之一。如何有效地降低装配费用，是当今企业所面临的突出问题。DFA就是为

了解决这一问题而成长起来的一项新技术。

简单地说，DFA是一种优化产品设计，以获得最低装配费用的技术。DFA在产品设计阶段，通过分析影响产品可装配性的各种因素，对产品的可装配性进行评价，并在此基础上，给出产品再设计的

建议，通过改进设计，使产品易于装配，以达到降低产品装配费用的目的。

目前，DFA已经成为一种广义的装配设计方法，覆盖范围包括产品生命周期中与装配有关的所有

环节，一般包含以下几方面的内容：自上而下的产品设计；产品装配结构和装配性能分析；数字化预

装配；产品装配序列规划；装配公差综合与分析；机构运动综合与分析。其综合体系如图3所示。

图1 面向装配的设计系统体系结构

2．可装配性分析

装配活动可以分为逻辑上的两个阶段：一是零件的获取阶段，即零件从进料地点到达装配位置；二是零件的装配阶段，在这一阶段，零件和零件进行连接。影响可装配性的因素可以分为三类：零件因素、系统因素和工艺因素。DFA通过考察这些因素在不同装配阶段的表现来完成对候选设计可装配性的评价。

(1)零件因素零件是装配的基本单元，其性质对产品的可装配性影响较大。在获取阶段，零件的影响主要表现在尺寸和形状两方面；在装配阶段，零件的影响主要表现在稳定性方面。

(2)工艺因素依赖于所使用的装配工艺。在获取阶段，工艺因素对可装配性的影响有许多方面，包括所采用的输送手段和输送距离等。在装配阶段，则表现为紧固方法和装配路径等。

(3)系统因素是指零件与零件之间的相互作用。在获取阶段，系统因素表现为零件之间的嵌套或缠绕。在装配阶段，主要表现为两个零件之间的配合间隙和配合区段长度。

3. 运用DFA进行定量分析的方法

以Lucas方法(流程图见图1)为例，DFA 定量分析方法的主要步骤是：

图2 LUCAS方法流程图

(1) 功能分析目的是在保持产品功能不变的前提下减少零件的数目。在Lucas方法中，减少零件数目采用了Boothroyd 提出的最少零件数原则，即一个零件不能与其它零件合并，必须具有下述三条原因之一：

a．与其它零件之间有相对运动要求；

b．由于性能要求而必须使用同其它零件不同的材料；

c．为了维护和替换，要求能够拆卸。

(2) 输送分析通过分析零件的形状、尺寸、重量等来确定零件是否易于传送和定向，给出其输送指数和输送率。输送率过大，表明输送性能不佳，有必要改进设计或选择合适的输送技术。

(3) 配合分析通过分析零件在装配过程中的装配方向、装配力大小以及是否需要特殊工具等因素，来确定零件的配合指数和配合率。配合率过大，表明配合设计不佳，需要改进。

(4) 夹持分析用于机器人等自动线装配，以确定零件是否有适宜的夹持表面以及零件的易碎性等。

近年来，面向并行工程的DFA技术正逐渐成为制造自动化领域的研究热点。并行工程把DFA作为它的一个子集纳入其总体框架之下，并赋予了其新的内涵。

现有的DFA方法基本上是属于一种数学计算方法，它通过评分来显示设计中不利于装配的薄弱环节。而实际上，DFA评价和再设计的许多知识都是属于启发式知识或经验性知识，难以用精确的数学模型和计算公式来表达。因此，要实现有针对性的DFA分析并给出再设计建议，必须运用知识处理技术如专家系统来解决。大量的DFA规则被存入知识库，推理机根据装配信息，扫描知识库，一旦发现

匹配的条件，则触发相应的再设计建议。同时专家系统提供的知识库维护功能可以根据情况对DFA规则进行修改和扩充。

基于上述思想的DFA框架如图2所示。目前，特征造型可以使用广泛使用的主流商品化软件(如Pro ／Engineer)，而装配建模仍然处于研究阶段。研究表明，以Pro／Engineer为支撑平台，开发面向装配的功能，可以使其具有描述装配信息的能力。基于特征的装配CAD系统可以为DFA提供完备的装配信息，分别以装配数据库和零件数据库的形式给出。前者存储了详细的产品装配体之间的零件构成关系，后者则是对各个零件信息的详细描述。通过一定的转换机制，可以将它们进一步转换为基于STEP ／Express标准的产品模型，从而可以使DFA不依赖于具体的CAD系统。装配顺序从装配数据库中经推理产生，DFA在工艺知识库和时间成本数据库的支持下，可以从几个装配工艺方案中选择时间少、成本低的最佳方案。零件因素、工艺因素、系统因素亦可以从产品模型中提取出来，供DFA分析使用。产生的再设计建议反馈给CAD系统，用于改进原有设计中的对装配不利的部分。最终的输出结果是面向装配的设计和优化的装配工艺。它们可以进一步被送入DFM等系统，实现并行工程下从各个不同的生命阶段对设计的考察。

图3 并行工程下的DFA框架

●面向自动装配的产品设计的优化

目前在低压电器附件产品的制造领域，正在加速引进自动化装配的生产工艺及其设备。DFA的概念及其应用正日益受到业界的重视。不少企业开始重视产品设计的可装配性，逐步摒弃一些不合时宜的工艺和产品结构。当然，DFA的深度导入是个痛苦而漫长的过程，不少方面还需要做艰难的取舍，并逐步累积经验。其中，一些成熟的做法和经验如果适当加以运用，完全可以达到事半功倍的效果，因而值得加以总结和借鉴。

我们以常见的五孔二三极连体插座为例进行剖析，通过实例分析产品实现自动装配经历的过程和面临的问题。

图4是这种产品典型的装配爆炸图。

图4

二三极连体插座装配示意图

图5

面板组件示意图

图6

下壳体组件示意图

图7 两单元通过螺钉合并

产品结构分析：这类产品包含的零件主要有：外框、面板、下壳体、保护门、弹簧、左右连体插套、接地插套以及螺钉。可以大体分为上壳体组件与下壳体组件。

装配工艺分析：三种金属零件组件放入下壳体，构成下壳体组件，如图6；保护门弹簧组合放入面板，外框与面板卡接压合，构成上壳体组件；上下壳体组件通过螺钉结合在一起，如图7。动作形式包括：输送、拾取、铆接、拧螺丝、合拢、卡接、插入等。

通过这个实例，我们看到，电器附件的装配过程动作形式多样，关系复杂，需要解决金属-金属、塑料-塑料、金属-塑料的连接和装配问题。

根据该产品的特点和工艺要求，可以大致规划出自动生产线的方案，如下图：

对该方案的可行性进行分析：该自动线中主要的装配动作包括物料的输送、选料、零件的抓取、拧螺丝单元、包装单元等，基本可以采用成熟设备和工艺，技术上可行。影响自动装配效果的主要问题是构成产品的零件的材料品质、成型的标准化程度、尺寸精度、零件的形状及其相互间的配合特征等等。

从对该产品及其自动生产线的特点进行分析并试验、制作的过程中，我们可以看出，产品的可装配性与产品结构密切相关，主要包括材料、形状、连接方式、精度等，应当方便进行搬运、定位、连接、检验等工作，还要满足自动装配过程中的装配节拍、装配工具、自动加工装配单元的使用要求等。产品设计过程中，需要对最终的装配工艺的影响进行分析，主要包括：

1）对装配工序数量的影响

2）对装配顺序的影响

3）对零件输送、搬运、抓取的影响

4）对装配连接固定操作的影响

5）对装配精度的影响

6）对装配效率的影响

7）对工装夹具的影响

8）装配的产品检验

影响产品可装配性的因素主要有：

1）零件数量

2）材料特性

3）零件结构

4）装配结构关系

5）精度

6）连接方式

在产品设计阶段，考虑产品最终的装配工艺方法和可装配性，需要重点着眼于简化产品结构，采用新材料、新工艺，最大限度减少零件数量，降低装配时间和成本，尽量采用标准化、通用化、系列化、模块化方法，形成标准化装配单元，便于整体自动装配的实现。零件设计要设法做出明显特征，便于自动供料，避免采用易于形成缠绕的凸台、钩状等结构，使零件包含方便装配时自对准的特征，如导条、凸缘、倒角等。下面给出一些常见的实例。

开式弹簧容易缠结端头密绕弹簧不易缠结

球形螺钉送料易重叠卡料改为柱形螺钉方便送料

改变产品结构，改螺钉连接为焊接，减少零件，并方便输送