DFX 的评价指标体系构成

作者 | 陈晓川 ，杨建国 ，李蓓智

配图 | 来源互联网

一般的设计方案评价需要的指标分为三类 :经济性 、技术性和社会性指标 。从本文所讨论的问题角度看有 :可制造 性 、可装配性 、绿色度 、可维修性和全生命周期成本 。

一般可以把产品的可装配性分为三层 ,即产品层 、零件层和特征层 。产品层评价主要考虑零件之间的装配关系 ,如减少零件数和减少装配关系数 。零件层评价主要考虑零件本身的装配性 ,如零件结构形状 、对称性 、外形规则性 、零件 重量 、装配方向 、装配工具 、装配力 、装配时间和成本等 。特征层主要考虑特征本身的装配性 ,特征形状的对称性和装配导引性 ,如特征的倒角和倒圆 。本文主要是指产品层和零件层的可装配性评价 。

产品的可装配性可分解为在一定装配顺序下 ,对每个零件的可装配性评价。每个零件的可装配性评价指标主要包括 :

①零件重量重量越大可装配性越差 。零件重量根据零件体积(从CAD中获得)与密度之积求得 。

②装配力装配力越大装配性越差 ,装配力可由配合的过盈量用公式求出 。装配力与配合直径 、配合长度 、零件的弹性模量 、包容件外径 、被包容件内径 、泊松比和过盈量等因素有关 。

③配合长度根据配合长度 ,确定模糊评价值 。

④装配时间 对各种装配操作 (拿取和插入) 需要的时间 ,可以根据虚拟装配过程来测算拿取时间和插入时间 。根据装配时间确定模糊装配难度值 。

⑤配合精度根据配合精度等级和公差值的大小 ,确定模糊装配难度 。

有些因素需要基于装配专家的经验进行评价 ,再进行定量分级处理 ,以 0～1 之间的数表示可装配性 (值越大表示可装配性越差) 。

①结构系数反映零件结构对装配性的影响 ,值越大装配性越差 ,经验确定评价值 。

②规则系数反映零件的规则程度 ,经验确定评价值 。

③对称系数反映零件的对称程度 。

④装配方向根据经验给定评价值 (0～l) ,0 为轴向插入 ,1为径向定心 。

⑤装配工具根据经验给定评价值 (0～1) ,0 为不用装 配工具 ,1为需用专用设备装配 ,如热装设备和压力装配设备 。

若产品不是一次性使用就成为废弃产品 ,那么产品在使用一段时间后 ,需要进行维护 。产品的可拆卸性与可装配性 是相辅相成的 ,产品可拆卸设计作为 DFM/ A 的延伸 ,不仅与产品的可制造性与可装配性相关 ,而且与产品的绿色性和维修性相关 ,本文将在维修性中讨论 DFD 的内容 。

可制造性指标与零件的形状 、精度和加工工艺等因素密切相关 ,由于设计过程的进展 ,得到的信息详细程度不同 ,所以评价的指标也有所不同 ,主要包括 :

(1)设计初期零件的初步设计主要是确定零件的主要结构形状和尺寸 ,选择零件材料和确定零件毛坯的制造方法 。零件初步设计评价指标包括 :

 ①经济性指标 :主要考虑零件毛坯的成本以及毛坯制造的时间 。毛坯成本包括材料成本 、制模成本和毛坯制造成本 。毛坯加工时间包括 :制模时间 、铸造时间和时效时间 。 

②技术性指标 :主要考虑零件的材料选择 、毛坯制造方法和结构工艺性 。材料选择包括 :零件功能与材料匹配 、材料的可切削性和材料的常用性 。毛坯制造方法与零件类型匹配 ,结构工艺性评价包括 :最大最小壁厚 、壁与壁之间的连接 、壁厚的均匀性和铸孔直径判断等 。

(2)设计中期在设计中期主要检验零件和特征设计是否满足制造资源约束 ,在现有的制造资源约束下 ,零件是否可加工 、是否易于制造 。评价内容有 :机床约束检验 、夹具约束检验和刀具约束检验 。机床约束检验包括 :零件尺寸与机床的加工能力 匹配 ,零件类型与机床匹配 。机床精度检验包括 :尺寸公差 、 粗糙度和形状公差 。夹具检验主要检验零件类型与夹具类型匹配 。刀具约束检验包括 : 零件特征形状与加工刀具匹配 ,零件材料与刀具匹配 ,零件特征尺寸与刀具尺寸匹配 。

(3)设计后期在设计后期主要评价零件设计的合理性和工艺性能优劣 。其评价指标包括 :零件功能评价 、零件标准化 、零件结构工艺性评价 、零件工艺链优选 、零件精度评价 、零件加工成本和时间计算 。 

①零件功能评价包括 :功能与零件匹配 、功能与零件结构尺寸匹配 、功能与精度匹配 。 

②零件尺寸的标准化和系列化检验 。

③零件结构工艺性评价主要考虑零件结构在一定的加工工艺下的加工容易程度 。 

④零件工艺链优 选包括零件工时定额计算和工艺成本计算 ,基于成本最低选择优化的工艺链 。

 ⑤零件精度评价包括 :尺寸公差与粗糙度匹配 、尺寸公差与形状公差匹配和加工方法与精度匹配 。表面粗糙度 、尺寸公差和形状公差相互间存在着密切的联系 , 所以在设计时应相互协调 、匹配 。若选择不当或相互矛盾 , 则不仅不能保证零件的功能 ,而且会造成难于加工 。在评价时重点考虑尺寸公差与表面粗糙度 、尺寸公差与形状公差的匹配性 。尺寸公差与表面粗糙度匹配 ,尺寸公差与表面粗糙度之间存在内在的联系 ,一般尺寸公差越小 ,表面粗糙度越低 。在满足功能要求下 ,应尽可能降低精度和选用较大的粗 糙度 。 

⑥位置公差评价 :应根据零件 、特征的功能要求 ,加工的经济性以及结构 、刚性等具体情况综合考虑 。通过对零件位置公差设计进行评价可使得零件易于加工 ,降低加工成本 。基于功能对位置公差进行评价 ,形位公差的大小是否与 功能相匹配 ,从而提供设计修改信息 。

产品设计是一个复杂的过程 ,有很多因素需要在设计中考虑 、确定 。绿色设计主要考虑如何减少产品在其生命周期 内对环境的影响和损害 。绿色设计所追求的目标是 : 

①产品的资源能源利用率最高 ;

②产品全生命周期成本最低 ;

③产品无污染或环境影响最小 。在众多的影响因素中 ,以下几个方面对生态环境 、社会系统和人类健康的影响最大 :材料的选择 ;能源的有效利用 ;延长产品中零部件的使用寿命 ;产品的包装 ;产品的装配与拆卸 ;产品的回收 ;零部件的重新处理和加工 。

在这一指标中社会性指标占了较大比重 ,如废弃物和噪音污染 。因为可持续发展是绿色产品设计的直接推动力 ,绿色产品的推行也是决定性的方向 。但不同的观察者看到的绿色性是不同的 。消费者关心的绿色性是与他们密切相关的 ,而一些不明显的 、不直接的指标就差了一些 ,例如 :消费者对噪音更关心 ,但对产品的包装是否绿色就不太关心 。具体来说一般在材料选择 、结构设计 、制造工艺 、优化销售系统和减少使用中的环境影响等方面进行评价 。

可维修性[ Maintainability]是系统设计的重要内容之一 。 一台可维修的设备 ,即使故障率很高 ,若可维修性很好修复故障的时间很短则设备在规定时间 ,规定条件下 ,完成规定功能的概率仍然是不低的 。维修是指为保持或恢复某种设备的正常工作状态所进行的有效工作 ,如保养、修复 、改进 、检修等 。维修性是指在规定的时间和规定的条件下 ,按照规定的程序 、方法和资源 ,经过维修使失效设备恢复规定功能状态的能力 。

可维修性设计是指为提高设备的可维修水平而进行的一系列设计和所采取的保证措施 。可维修性设计最关心的课题是当设备一旦发生故障 ,如何尽可能短的时间排除故障 ,修复设备 。一般包括 :部分模块化设计 、可更换设计 、可达性设计 、故障检测性设计 、可拆卸性设计 。其设计原则主要有 :

(1) 通用化 、标准化 、模块化设计原则上述原则可以提高产品的互换性 ,降低产品成本 ,简化生产工艺 ,便了维修过程中的拆 、拼 、换 、装 ,提高产品的维修速度和维修质量 。

(2) 简化设计原则

在满足使用需求的前提下 ,尽可能简化产品功能 。包括取消不必要的功能 ,合并相同或相似的功能 ,尽量减少零 、部件的品种和数量 。

(3) 可达性设计原则 所谓维修可达性是指产品维修时接近维修部位的难易程度 。用通俗的话讲 ,可达性可以用三句话表达 :看得见 (视 觉可达) ;够得着 (人手或借助于工具能接触到维修部位) ;有足够的操作空间 。

(4) 易损件的易换性设计原则尽管在设计中采用了高可靠性的零部件 ,但受寿命和恶劣环境的影响 ,产品中一般仍然会有一部分零部件属于易损件 ,需要更换 。

(5) 贵重件的可修复性设计原则产品的关键零部件 、贵重零部件应具有可修复性 ,失效后可调整 、修复至正常状态 ,这样能降低产品的维修费用 ,减少维修时间 ,提高维修效率 。

(6) 测试性设计原则产品的测试性是指产品能够及时而准确地确定其工作状态 ,并隔离其内部故障的一种设计特性 。

(7) 维修安全性设计原则维修安全性是避免维修人员伤亡或产品损坏的设计特性 。如在可能发生危险的部位提供醒目的标记或声 、光警告 ;对于盛装高压气体 、弹簧 、带有高电压等储有很大能量但维修时需拆卸的装置 ,应设有释放能量的装置 ,采用安全可靠的拆装工具 ;要考虑防止机械损伤 、防电击 、防火 、防爆 、防 毒等措施 。

(8) 防止维修差错原则从结构上消除发生差错的可能性 ,装错了就装不上 ;增加明显的识别标记 。

(9) 易拆卸性设计原则

①最少拆卸时间 。一般产品是由多种不同材料制成 。 材料回收价值低 、拆卸费时是造成资源浪费和环境污染的主 要原因 。减少使用材料种类和改进产品设计结构 ,可使产品得到更好的回收 。例如 ,可拆卸的机夹式硬质合金车刀比焊接式的材料回收性要好 。

②可拆卸 。产品最好采用简易的紧固方法 ,尽量减少固定件数量 。同时对零件之间的联接 ,使用同一类型固定件 , 避免拆卸时零部件的多方向复杂运动 ,避免金属材料嵌入塑料零件 。

③易操作 。产品留有可抓取表面 , 避免非刚性零件 , 在产品单元结构内密封有害物质  ( 如废液等 )  , 防止污染环境 , 构成危害职业健康的根源 。

④易拆散 。产品设计时 ,避免二次光洁产品表面 (如油 漆 、涂层等)  ,同时避免零件材料拆卸时本身的损坏和损坏产品的其他结构 。

⑤减少变异 。产品在设计过程中 ,减少紧固类型 ,同时尽量使用标准零部件 。尤其在新产品设计时 ,零部件在设计结构与功能上应具有良好的设计继承性和通用性 。

以上原则是比较通用的 ,实际上各种产品都应有自己的维修性设计准则 ,这需要通过实践进行总结 ,以确保产品的维修性要求落实到产品设计中 。除了以上的设计原则外还有几个重要的定量维修性指标如下  :

①维修度 M (t) :产品在规定的条件下和规定的时间内 , 按照规定的程序和方法进行维修时 ,保持和恢复其规定状态的概率 。  M ( t)   =   n ( t) / N式中 n ( t) 指在 t 时间内完成维修的产品数 ; N 指送 修的产品总数 。

②平均修复时间 ( M TTR ———Mean  Time  To  Repair)  :在规定的条件下和规定的时间内 ,产品在任一规定的维修级别上 ,修复性维修总时间与在该级别上被修复产品的故障总数之比 。简言之 ,即排除故障所需实际时间的平均值 。

③平均预防性维修时间 MPM T :每项或某个维修级别 一次预防性维修所需时间的平均值 。和可靠性一样 ,维修性指标值的确定要适当 。过高则需要高级设备 、高级技术以及高额费用 ,过低则使产品停机时间过长 ,降低产品的可用性 。

④有效性 (Availability 缩写为 A) : 设备的有效性 ,也称为可利用率 ,它是指可以维修的产品在某时刻具有维持规定功能的能力 ,它是可靠性和维修性的综合 。

A  =  M TBF/ ( M TBF + M TTR)

式中MTBF为平均无故障时间或称为平均修理间隔 ( Mean Time Blank Repair) 的缩写 ,它体现了设备的可靠性 。 而MTTR是体现了设备的维修性 。

⑤最大维修时间 ( Maximum Maintenance Time 缩写一般 写成 Max) :它是指与维修度 M (t) = 0. 95 相应的维修时间 , 也就是说在最大时间内完成此项维修任务的概率是 95 %。

⑥全生命周期成本 (Life Cycle Cost) 。

综上所述 ,在 DFX中由于评价的角度不同 ,存在多种评价标准和指标 ,在这些内容中有一些是要求是一致的 ,而且 与传统上设计要求的内容是相同的 ,如 : 要求重量轻 、体积 小 、结构简单 、能源消耗少 、工作效率高 ;通用化 、标准化 、模 块化 、小而精 、简而美的原则 。

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