客戶需求和產(chǎn)品指標對指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)的概念階段非常有用，但是在后繼開發(fā)過程中，設(shè)計團隊很難將這些需求和指標與他們面對的具體的設(shè)計事項聯(lián)系起來。因此，許多團隊都采用“面向X的設(shè)計”(Design for X，DFX)方法，這里的X可以對應(yīng)數(shù)十種質(zhì)量標準中的任何一個，比如可靠性、強健性、操作便捷性、環(huán)境影響或可制造性。這些方法中最常見的是“面向制造的設(shè)計”(Design for Manufacturing，DFM)，他直接影響產(chǎn)品的制造成本，
在《加工與制造工程師手冊》一書中作者William H.Cubberly和Raman Bakerjian對DFM作了如下定義：“DFM主要研究產(chǎn)品本身的物理設(shè)計與制造系統(tǒng)各部分之間的相互關(guān)系．并把它用于產(chǎn)品設(shè)計中以便將整個制造系統(tǒng)融合在一起進行總體優(yōu)化，DFM可以降低產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，使之能更順利地投入生產(chǎn)。”
眾所周知，設(shè)計階段決定了一個產(chǎn)品80%的制造成本，同樣，許多質(zhì)量特性也是在設(shè)計時就固定下來，因此在設(shè)計過程中考慮制造因素是很重要的，而且這些都應(yīng)該讓設(shè)計人員知道，若想提高效率，各公司應(yīng)有自己的一套DFM，并對其進行分類和維護，DFM文件應(yīng)該是隨環(huán)境條件變化而改變的動態(tài)性文件，它由一個核心委員會進行管理，委員會成員至少要包括設(shè)計、制造、市場和財務(wù)等部門的人員。
DFM作用就是改進產(chǎn)品的制造工藝性。當(dāng)今的DFM是并行工程的核心技術(shù)，因為設(shè)計與制造是產(chǎn)品生命周期中最重要的兩個環(huán)節(jié)，并行工程就是在開始設(shè)計時就要考慮產(chǎn)品的可制造性和可裝配性等因素。所以DFM又是并行工程中最重要的支持工具。它的關(guān)鍵是設(shè)計信息的工藝性分析、制造合理性評價和改進設(shè)計的建議。
DFM結(jié)合CAX、PDM、DFX等組成了面向生命周期設(shè)計(DFLC)技術(shù)。
1 DFX通用設(shè)計原則
本文主要探討DFM，但是同時也希望闡明適用于DFX中達成的任何“X”的方法的通用設(shè)計原則。
(1)細節(jié)設(shè)計決策對產(chǎn)品質(zhì)量和成本有著本質(zhì)性的影響；
(2)開發(fā)團隊面臨的是多重的，往往還是互相矛盾的目
(3)擁有比較多種備選方案的度量；
(4)顯著的改進往往需要在開發(fā)過程的早期就投入大量的創(chuàng)造性的活動；
(5)明確定義的方法有助于決策制定過程。
制造成本是產(chǎn)品獲得經(jīng)濟成功的關(guān)鍵決定因素。簡單的說產(chǎn)品的經(jīng)濟成功取決于賣出一件產(chǎn)品可以賺取的利潤，以及能銷售多少產(chǎn)品。利潤是制造商的銷售價格和制造成本之間的差，銷售量和銷售價格在很大程度上取決于產(chǎn)品的整體質(zhì)量。因此在經(jīng)濟上成功的設(shè)計應(yīng)該確保產(chǎn)品的高質(zhì)量，同時又使制造成本降到最低。DFM是達到這一目標的一種有效的方法，有效的DFM可以在不犧牲產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低制造成本。
2 實施DFM的步驟
實施DFM必須具備以下兩個必要條件：
2.1 DFM需要功能交叉的團隊
面向制造的設(shè)計師產(chǎn)品開發(fā)中涉及的最綜合的活動之一。DFM需要用到各種類型的信息包括：草圖、工程詳圖、產(chǎn)品指標以及各種各選設(shè)計：對生產(chǎn)和裝配過程的詳細理解；對制造成本、生產(chǎn)量及生產(chǎn)啟動時間的預(yù)測。所以DFM需要開發(fā)團隊中大多數(shù)成員以及外部專家都做出貢獻。DFM通常要利用來自制造工程師、成本會計、生產(chǎn)人員以及產(chǎn)品設(shè)計人員的專業(yè)知識。許多公司都采用結(jié)構(gòu)化的以團隊為基礎(chǔ)的研習(xí)討論會制度，以便于進行DFM所需要的綜合和思想交流。
2.2 DFM貫穿于整個開發(fā)過程
DFM實施于概念開發(fā)階段，即確定產(chǎn)品的管理和指標階段。在選擇產(chǎn)品概念時，成本一般總是制定決策所依據(jù)的標準之一，雖然這時的成本估計是高度主觀和不精確的，在最終確定產(chǎn)品指標時，團隊要在各種期望的性能特征之間進行權(quán)衡取舍，例如減輕重量可能會增加制造成本。在這個時候，團隊要在各種期望的性能之間權(quán)衡。此時可以使用概念設(shè)計BOM預(yù)估成本，在系統(tǒng)級設(shè)計階段，團隊將按照對成本和工藝復(fù)雜性的估算，決定如何把產(chǎn)品分割成為各個獨立部件，精確的成本估算在產(chǎn)品開發(fā)的細節(jié)設(shè)計階段才能最終獲得，這時的設(shè)計決策都有可制造性所驅(qū)動。
3 可制造性驅(qū)動的DFM過程概述及關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)
面向制造的設(shè)計(DFM)方法包含以下5個步驟以及反復(fù)迭代：
估計制造成奉；降低部件成本：降低裝配成本；降低輔助性生產(chǎn)對其他因素的影響：考慮DFM對其他因素的影響。
如圖1所示，DFM方法從估計所提交的設(shè)計的制造成本開始，這有助于團隊人體把握設(shè)計的那些方面（部件、裝配還是輔助性生產(chǎn)）花費最高，然后，團隊在后繼步驟中將注意力集中在適當(dāng)?shù)牡姆较�，這個過程是重復(fù)迭代的。
圖1 DFM方法
以下面對5個步驟分別進行論述：
3.1 預(yù)估制造成本
主要集中在管理會計領(lǐng)域，此處不深入探討。
3.2 降低部件成本
對于絕大多數(shù)工程化的產(chǎn)品而言，降低部件成本是非常有效的手段，為了達到降低部件成本的目的可以采用以下策略。
(1)理解工藝約束和成本因素；
(2)重新設(shè)計零件以減少工藝步驟；
(3)為零件加工選擇適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟規(guī)模；
(4)部件與工藝的標準化；
(5)堅持“黑箱”部件采購。
對于降低部件成本比較實用的技術(shù)是建立加工制造工藝數(shù)據(jù)庫，并通過對設(shè)計部件進行智能檢查判斷工藝性，并提出改進意見。
這里以SolidWorks的DFMXpress為例進行論述：
如圖2所示對于企業(yè)現(xiàn)有的加工能力，在加工數(shù)據(jù)庫中設(shè)定銑或者車削的加工工藝規(guī)則。然后對設(shè)計完成的零件進行檢查，系統(tǒng)會自動生成加工性能檢查報告，并提出改進建議，目前SolidWorks2008的DFMXpress是唯一集成于CAD環(huán)境的DFM工具，如果想獲得更多的功能，如可定制的工藝數(shù)據(jù)庫，更多的加工類型和標準可以采用完全集成于SolidWorks環(huán)境的專業(yè)級的DFM Pro或者DFM EntERPrise軟件。
圖2 設(shè)定加工規(guī)則
圖3 進行加工性能檢查
3.3 降低裝配成本
面向裝配的設(shè)計(DFA)是DFM的一個定義完善的、使裝配成本最小化的子集。對于大多數(shù)產(chǎn)品，裝配成本只占總成本的較小部分，但是關(guān)注裝配成本會產(chǎn)生絕大多數(shù)間接利益。
DFA是一種在裝配設(shè)計階段統(tǒng)籌兼顧的設(shè)計思想和方法。在產(chǎn)品設(shè)計過程中利用各種技術(shù)手段如分析、評估、規(guī)劃、仿真等，充分考慮產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)及其他相關(guān)因素的影響，在滿足產(chǎn)品性能與功能的情況下改進產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)，使設(shè)計出來的產(chǎn)品可以裝配，并盡可能降低裝配成本和產(chǎn)品總成本。DFA是一種廣義的裝配設(shè)計辦法，覆蓋范圍應(yīng)該包括產(chǎn)品生命周期中與裝配相關(guān)的所有環(huán)節(jié)。
從早期的基于對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可裝配性評估和方法到廣義設(shè)計中的同步DFA方法是DFA發(fā)展的方向，為了在產(chǎn)品開發(fā)階段使DFA具有良好的可操作性，部分CAD廠家和客戶開發(fā)了一些綜合集成的DFA系統(tǒng)。
一個綜合集成的DFA系統(tǒng)可以應(yīng)用公司的某類復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的開發(fā)，它滿足以下三個方面的作用：
確保可裝配性，零部件能夠無干涉地裝配到位，且不會影響運動機構(gòu)的正常運轉(zhuǎn)；
增強裝配可信度，裝配工藝過程和干涉檢查結(jié)果的可視化；
控制加工難度，裝配公差的分析以及合理分布；
針對這些具體需求，一個綜合集成的DFA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 綜合集成DFA系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
這里以SolidWorks為例簡單講述如何在SolidWorks平臺上實現(xiàn)。DFA系統(tǒng)在SolidWorks的PDMEntcrprise管理下執(zhí)行，通過PDM使DFA系統(tǒng)與其他部分，如CAD，CAE，專業(yè)設(shè)計系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，所產(chǎn)生的計算分析報告、工藝分析文件、公差分析報考、仿真分析報告等通過PDM發(fā)布出去。
裝配分析功能是SolidWorks本身具有的，可以通過至上而下的設(shè)計和自下而上的設(shè)計完成。如圖5所示的基于SolidWorks的塊技術(shù)生成裝配部件的“骨架模型”，在SolidWorks環(huán)境中進行二維運動仿真驗證其設(shè)計可行性，然后生成零部件，并滿足裝配關(guān)系。系統(tǒng)在目標裝配體的干涉碰撞問題上有以下三個應(yīng)用層次，體現(xiàn)了裝配體性能的逐步提高。
(1)靜態(tài)干涉：目標裝配體自身的干涉檢查和公差分析，保證產(chǎn)品能靜態(tài)裝配到位而不發(fā)生干涉；
(2)動態(tài)干涉：發(fā)現(xiàn)和排除裝配過程中的干涉，保證零部件能按照一定的順序和路徑裝配成具體的產(chǎn)品；
(3)運動干涉：分析機構(gòu)的運動性能，仿真機構(gòu)運動，保證產(chǎn)品的運動部件工作時不會和周圍零部件發(fā)生干涉碰撞，圖5所示在SolidWorks運動管理器里將裝配模型自動映射成為運動學(xué)模型，在其中定義驅(qū)動力、彈簧、3D碰撞等多種動力學(xué)特性，在集成化的仿真環(huán)境里實現(xiàn)仿真，并可以生成動態(tài)部件運動包絡(luò)圖以實現(xiàn)運動干涉和包絡(luò)檢查功能。
圖5 裝配體生成及動態(tài)仿真
在DFA系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架下，通過集成運動學(xué)模擬及動畫功能，可以開發(fā)“裝配仿真系統(tǒng)”，以可視化手段分析、驗證、完善和展示產(chǎn)品的裝配工藝過程，而需要到到這個目的，需要根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜零件的裝配特性，利用SolidWorks平臺進行二次開發(fā)和定制，由于SolidWorks提供了強大而全面的二次開發(fā)功能可以實現(xiàn)，建模、裝配、工程圖、運動仿真、結(jié)構(gòu)強度等“裝配仿真系統(tǒng)”所必需的功能。
3.4 降低輔助生產(chǎn)成本
在努力降低部件制造成本的同時，團隊可以通過降低系統(tǒng)的復(fù)雜性、防止錯誤等手段來達到輔助降低生產(chǎn)成本的目的。
3.5 考慮DFM決策對其他因素的影響
由于制造車成本最小化并不是產(chǎn)品開發(fā)過程的唯一目標，產(chǎn)品的經(jīng)濟成功還取決于產(chǎn)品的質(zhì)量，產(chǎn)品推出的時機以及產(chǎn)品開發(fā)的成本，因此需要考慮以上這些因素。
4 結(jié)論
DFM的最終目的是在降低制造成本的同時，提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量，縮短開發(fā)時間，減少開發(fā)成本．其中涉及到管理、財務(wù)、營銷、設(shè)計、采購等諸多方面的協(xié)作，目前尚沒有完整的整體解決方案．但是本文討論的DFM結(jié)合CAX、PDM、DFX等組成了面向生命周期設(shè)計(DFLC)技術(shù)，提供了部分DFM的解決方案。
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本文標題：面向制造的設(shè)計(DFM)及軟件實現(xiàn)
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