可制造性设计(DFM)

可制造性设计（DFM）

进入九十年代以后，世界市场发生了根本的变化，新产品的开发周期和产品的上市时间成为竞争的主要因素。为此，企业必须掌握并很好地利用先进的产品开发设计技术，尽可能缩短新产品的开发周期和产品的上市时间，才能使自己在激烈的竞争中得以生存和发展。

可制造性设计（DFM,Design for Manufacture）是并行工程中最重要的内容之一，其主要目标是：提高新产品开发全过程（包括设计、工艺、制造、销售服务等）中的质量，降低新产品全生命周期中的成本（包括产品设计、工艺、制造、发送、支持、客户使用乃至产品报废等成本），缩短产品研制开发周期（包括减少设计反复，降低设计、生产准备、制造及投放市场的时间）。

可制造性设计（DFM）是把CAE／CAD／CAPP／CAM的集成化和可制造性分析结合起来，在设计的初期就把制造因素考虑进去。其组成部分有：（1）确认当前制造过程的能力和限制。产生生产过程的结构化分析和数据流向图，由相应部门对其进行审查，剔除多余的操作并验证实际过程。（2）对设计的新部件及其装配关系，进行可制造性、可装配性、可测试性、可维护性及整体设计质量的论证和检查。

现代技术的不断进步和市场的激烈竞争，促使新产品的开发过程跟着迅速的变化。面对来自市场的竞争压力，企业的财政前景在很大程度上依赖于新产品的推出。新产品的开发周期包括产品的概念设计和开发设计两个阶段。

在产品的要领设计阶段可以采取的方法有：可制造性设计原理（PDFM，Principles of Des ign for Manufacture）方法；质量功能配置（QFD，Quality Function Deployment）方法。

一、可制造性设计原理方法和质量功能配置方法

1.可制造性设计原理方法

可制造性设计原理方法是一种结构化方法，它从一系列的功能要求出发，完成产品的设计。可制造性设计原理方法可用于开创性的产品设计。它是由美国麻省理工学院（MIT）的Na m Suh提出来的，它把设计过程看成功能要求的开发，把这些要求通过设计矩阵映射成设计参数，然后再映射成制造过程的参数。功能要求和设计参数是层次性的，应将其分解成为子要求和子参数。在设计中存在两类约束条件：输入约束，由产品说明描述决定；另一类是系统约束，由产品的使用条件决定。设计函数由这两类约束条件限定。

可制造性设计原理方法中有两条基本的设计原则：独立性原则，保持功能要求的独立性；最小信息量原则，使设计的信息量最小。从这两条基本设计原则出发可得到一些推论（设计准

则）；耦合设计的去耦；功能要求的最小化；物理部件的集成、标准化；对称性；最大的公差。

2.质量功能配置方法

质量功能配置方法属于设计质量工程的范畴，于70年代初起源于日本三菱重工的神户造船厂。福特公司于1985年在美国率先采用QFD方法，使福特公司的产品市场占有率得到很大的改善。现在美国很多公司都采用QFD方法。质量功能配置方法是在产品生命周期的较早阶段实现的，着重于用户的输入。质量功能配置方法可作为系列产品设计的准则。在这种情况，用户已熟悉产品功能、预期的用途，设计技术也已成熟。为了保证产品满足顾客需求，能为顾客所接受，企业必须认真研究和分析顾客需求，并将这些需求通过产品规划矩阵、零件配置矩阵、工艺规划矩阵、工艺／质量控制矩阵映射成技术需求（最终产品特征）、零件特征、工艺特征如质量控制方法。质量功能配置方法的最为显著的特点是要求企业不断地倾听顾客的意见和需求，然后通过合适的方法和措施在开发的产品中体现这些需求。所以说，质量功能配置方法是一种顾客驱动的方法。

二、工艺设计规范、公差分析、鲁棒设计

1.制造工艺设计规范

对可制造性设计来说工艺设计规范非常重要。大多数工艺设计规范方法最初是作为人工装配的准则，以后发展到包括自动和柔性装配，金属薄板加工、塑料模具以及印刷电路板的加工等。它们很快被自动化程度很高的大公司所采用，如汽车制造和计算机领域中的大公司。由于这个原因，人们普遍认为这些设计规范方法只对那些大批量生产的制造企业有益。然而，它们对小批量生产的行业甚至可能更加重要。由于单件产品的成本非常高，此外，专门的加工设备和备件的成本也在不断地增加，这些行业的重点在于降低产品的制造和现场支持的成本

2.公差分析

现代制造技术要研究几何尺寸和公差及其在可制造性设计中的关系。几何尺寸和公差（GD T,Geometry Dimension and Tolerance）能使设计师从功能和制造前景两方面客观评价产品。而且，这是在产品设计的早期阶段进行的，所以，GDT经常被称为是可制造性设计的有利工具。GFT已被证实具有可重复性、能降低零件成本、扩展公差、具有更好的互换性、概念表达清晰等优点。

公差分析包括零件的功能分析和可装配性分析。它并不是新概念，但它的重要性是不容低估的。零件的样品原型和实际生产的零件之间，还存在一定的尺寸差别。设计因而被分成完全

不同的两类：原型设计和第二次的生产设计。每个阶段的目的不同，所以制造、装配的工艺以及胜任都不同。如果意识不到这一点，就意味着要冒很大的失败危险。常常存在这样的情况，产品在原型样品阶段完美无缺，而一旦投入生产就可能成为废品。公差分析就是避免这种情况发生的有力工具。

目前CAD系统猛增，这对产品设计非常有益，能起到促进作用。但是，应注意到的是公差分析涉及到对产品功能的理解，以及制造零件时的工艺知识等等。即使采用CAD制作原型样品，仍要进行一个单独的公差分析研究。

一个产品是由用不同材料制成的零件组成的。由于这些用不同材料制成的零件不仅在性质上各不相同，而且零件规定的公差也会有一个很大的范围。薄板零件与机械加工零件相比，要求有一个更宽的公差带。塑料模制零件，一旦模具制成，并规定工艺，各批零件的尺寸偏差就会非常小。而用机械加工制成的零件，每批产品的尺寸偏差就会不同。了解制造工艺可以防止过于保守的设计，而保守的设计必定会增加成本。

三、可制造性设计（DFM）工程项目的管理

可制造性设计工程项目的管理是非技术的，但又是非常重要的一个方面。其主要的内容是可制造性设计工作组（Teamwork）的组织、管理和评估。

可制造性设计工程项目工作组是多学科项目组，是由各功能小组（如设计、可靠性、制造、质量等）的人员，以及采购人员、供应商及用户等组成。这种工作组把设计和开发产品的各个技术方面统统管理起来，并将其集成。项目负责人具有更多的责、权、利，掌握更多的权限。小组成员向项目负责人汇报，项目负责人再向更上一级的管理人员汇报。很显然，这种管理方式有可能引起职能部门管理人员的不满，他们会认为他们的权限被篡夺。在传统机构内成功的运行可制造性设计，就必须克服这种观念上的障碍。同时全体工作人员必须有这样的态度：即可制造性设计是每个人的事。

四、实施可制造性设计在信息技术方面需要解决的问题

1.统一的模型

统一的产品信息模型是实现集成的关键，它保证产品信息的唯一性，使设计人员使用“同一种语言”对同一产品进行交流和数据操作。

2.分布式环境

分布式环境就是可互操作的计算机环境，是为了使各工作小组中的技术人员有效地进行各自的工作，在各自的工作站和微机上共享统一的产品信息模型，利用各自的计算机辅助系统进行分析、设计、仿真、评论、并提出改进意见。计算机网络和分布式数据库保证了它们之间的信息传递。

3.统一的数据交换标准和开放式集成框架

在制造环境中，要以计算机可识别的形式来表示和存储产品数据，并在各个自动化系统间交换这些数据。产品数据交换经常出现在下列情况：（a）不同技术设计部门之间；(b)设计、生产准备和加工部门之间；（c）组装厂家与零部件供应商之间；(d)不同时期研制的产品型号之间；(e)不同用途的CAD／CAPP／CAM系统之间；（f）同一CAD／CAPP／CAM系统的不同版本之间。

现有的CAD／CAPP／CAM系统大多是以单元自动化为目标来开发和应用的，各系统的数据在逻辑结构和物理结构上存在较大差异，给数据交换带来困难，因此，产品数据交换就成为亟待解决的问题。利用统一的数据交换标准和开放式集成框架，提供统一的图形用户界面（GUI），实现数据和异族工具的互操作。

STEP是国际标准化组织ISO 10303从1984年开发的产品数据交换标准（Standard for t hd Exchange of Product Model Data），是一套关于产品全生命周期内数据的表达与交换的国际标准。它的一些应用协议已陆续开发完成并在工业中应用。

4.自动化的产品数据管理（产品数据管理（PDM－Product Data Management）技术

在制造企业中，产品的制造活动不仅是一个物料转换的过程，而且是一个复杂的信息变换过程、信息传递是否正确，直接影响着制造活动能否正常进行。因此，对信息的有序管理在企业中有着举足轻重的地位。许多企业都为大量的设计数据困扰，由于缺乏有效的管理工具，经常出现数据文件误置和数据传递错误以及数据查找困难等问题。企业对工程数据管理问题以前没有引起足够重视，大量的设计数据依靠人工管理，设计数据查找困难，重用性差，而且经常发生错误。总之，在制造企业计算机集成制造环境中，在现代产品开发及设计过程自动化需求的驱动下，能够集数据库的管理数据能力、网络的通信能力以及过程的控制能力与一体，能够实现分布式环境下设计活动的信息交换与共享并对设计过程进行动态高速与监控的PDM系统就应运而生了。

PDM技术的功能有：设计检索；BOM（Bill of Material）与配置管理；版本管理；工作流及过程管理；数据流管理；工程更改管理、检查与圈阅等。PDM技术给制造企业带来以下的好处：能及时提供给设计人员正确的产品数据，避免了繁琐的资料查找，提高了设计效率；

保证产品设计的详细资料能有序存取，提高了设计数据的再利用率，减少重复劳动；有效控制工程设计更改，决策人员可以方便地进行设计审查；可以进行产品设计过程控制，提供了并行设计的协同工作环境；有利于整个产品开发过程的系统集成（包括供应商、销售、支持与维修服务等）。