面向成本的设计与其他 DFX 工具的关系

作者 | 陈晓川 ，杨建国 ，李蓓智

配图 | 来源互联网

DFC(Design For Cost) 的意思是面向成本的设计 ,它最 早出现于九十年代初期 ,是指在满足用户需求的前提下 ,尽 可能地降低成本 ,通过分析和研究产品制造过程及其相关的 销售 、使用 、维修 、回收 、报废等产品全生命周期中的各个部 分的成本组成情况 ,并进行评价后 ,对原设计中影响产品成 本的过高费用部分进行修改 , 以达到降低成本的设计方 法[ 3 ,4 ] 。在 DFC 中的成本是指全生命周期成本 (LCC ——— Life  Cycle  Cost) 。

DFX 是 Design for X 的缩写 ,其中的 X 可以代表产品生命周期或其中的某一环节 ,如 :加工 、装配 、使用 、维护 、回收 和报废等 ; X 也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因 素 ,如 :质量 、成本和时间等 。而这里的“Design”不仅仅指产 品的设计 ,也指产品开发过程和系统的设计。DFX 是一种 哲理 、方法 、手段和工具 。即在设计阶段尽早地考虑产品全 生命周期将有助于提高产品的竞争力,借助计算机实现的 DFX工具 ,可以有效地辅助产品设计人员按照DFX进行产 品设计 。但DFX方法本身不是设计方法,不直接产生设计 方案 ,它是对候选设计进行评价 、分析的方法 ,为设计提供依 据 。DFX 方法强调产品和过程设计的并行进行 。

(1)DFA 与 DFC

面向装配的设计 ( DFA ———Design  For  Assembly)  : 它是 最早也是最成熟的 DFX 方法 。装配指将零件结合成为完整 的产品的生产过程 。所谓面向装配的设计是旨在提高装配 的方便性以减少装配时间和成本的设计 。其主要的设计原 则包括 :减少零件数 ;采用标准紧固件和其他标准零件 ;零件 的方位保持不变 ;采用模块化部件 ;采用可直接插入的零件 ; 尽量减少需要调整的部分等 。

从 DFC 的角度看 ,装配是产品生产过程中的一个环节 , 在设计中考虑装配问题来降低产品的全生命周期成本就是 两者的结合点 ,关键是采用 DFA 方法降低产品的装配成本 。 影响装配成本的因素的一般有 :

①零件尺寸 ②零件重量 ③子装配数目 ④总的装 配操作数目 ⑤零件个数 ⑥接触面的个数  ⑦紧固件的 个数   ⑧零件形状   ⑨装配路径  10 检测方法和工具

(2)DFM 与 DFC

面向制造的设计 (DFM ———Design  For  Manufacturing)  : 这里的“制造”主要是指生成产品的单个零件的切削 、铸造 、 锻造 、焊接 、冲压等冷热变形加工过程 。DFM 用于减少该类 加工的时间和成本 ,提高加工质量的零件设计评价 。其一般 设计原则有 :简化零件形状 ;尽量避免切削加工 ,因为切削加工的成本高 ;选用便于加工的材料 ;尽量设置较大的公差 ;采 用标准件和外购件 ;减少不必要的精度要求等 。由于不同的 加工方法存在较大的差异 ,具体到面向不同加工的设计必然 有不同的具体的设计原则 。

从 DFC 的角度看 ,制造也是产品生产过程中的一个环 节 ,关键是采用 DFM 方法降低产品在零件制造过程中的制 造成本 ,这是两者的结合点 。一般来说影响制造成本的特征有 :

①材料成本 ②加工时间 :与工艺复杂程度 、加工精度 、加 工方法等有关 。 ③零件结构尺寸 ④生产批量 ⑤检测方法和 工具 ⑥其他 :主参数 、重量 、工资折算率等 。

(3) DFS 与 DFC

面 向 维 修 的 设 计 ( DFS ———Design   For   Serviceability/ Maintainability/ Repairability) :售后服务是现代企业非常重视 的环节之一 ,主要是指产品的维修工作 ,而产品的维修主要 涉及产品的拆卸和重装等 ,产品的维修性主要取决于产品故 障确定的容易程度 、产品的可拆装性 、可靠性 。维修总是伴 随着拆卸和重装 ,如何减少这些工作所需时间和成本是 DFS 的重要问题 。另外 ,考虑零部件的可靠性的结果是要尽量使 容易发生故障的零部件处于容易拆卸的位置 ,从而有利于维 修时间和成本的减少 。改进产品可维修性的原则包括 :提高 产品可靠性 ;经常需要维护的零件和易磨损 、易失效的零件 安装在易于发现和易于接近的地方 ;零件的拆卸尽量不需要 移动其他零件 ;尽量减少需要使用的维修工具的种类 ;采用 标准件 ;采用模块化设计 ;留有足够的维修空间等 。

从 DFC 的角度看 ,维修是伴随着产品的使用过程开始 的 ,是一个较长期的过程 ,采用 DFS 方法降低产品的维修成 本是两者的结合点 。影响维修成本的因素一般包括 :

①易损件 :在维修过程中一般更换零件是需要的 ,易损 件的数量和成本是关键的成本特征 。

②维修工具 :维修中使用工具是必然的 ,如果是专用的 就必然会增加维修的成本 ,专用工具的数量和成本是维修成 本特征 。

③故障查找时间 :这是需要进行转换的特征 。

④拆卸和复原花费的时间 :维修中对产品进行拆卸和安 装的时间 。

(4) DFE 与 DFC

面向环境的设计 (DFE ———Design  For  Environment)  : 它 着重考虑产品开发全过程中的环境因素 ,目的是尽量减少在 生产 、运输 、使用 、维修与维护 、回收与报废等产品生命周期 的各个阶段中产品对环境的不良影响 ,如 : 资源枯竭 、污染 等 。产品对环境产生较大影响的主要因素包括材料 、加工处 理 、功能 、形状 、尺寸 、配合与安装等 ,DFE 的设计原则有 :设 计可重复使用 、可回收的产品和零件 ;尽量少用玻璃 、金属强 化塑料等复合材料 ; 减少零件数 ; 减少使用的材料种类等 。 与 DFE 同 义 的 术 语 有 : 可 持 续 开 发 ( Sustainable develop2 ment) 、生态设计 ( Ecodesign) 、绿色设计 ( Green  design) 和环境 意识设计 ( Environmentally conscious design) 等 。

产品对环境的影响目前是必须进行考虑的指标之一 ,产 品的绿色性日益得到了重视 。适应这一形势出现的绿色设 计与 DFC 密切相关 。DF E 和 DFC 方法都是从产品全生命周期的角度考虑产品的不同方面 ,这表现在进行绿色设计时 需要从产品的材料 、运行 、安装 、调试 、回收报废中考虑产品 对环境的影响最小 ,此时将不可能仅仅考虑环境问题 ,必须 对绿色性与经济性进行权衡 ,才可能做出决策 。在当前形势 下 ,人们不能购买一个是绿色的但昂贵到负担不起的产品 。

(5) DFQ 与 DFC

面向质量的设计 (DFQ ———Design  For  Quality)  : 它要求 把一系列的质量保证措施与设计系统有机地集成 ,在设计阶 段进行质量保证的方法 ,在产品和过程设计阶段就开始进行 质量保证[ 5 ] 。质量是产品的生命 ,可以理解为产品满足使用 要求的程度 。DFQ 的主要原则有 :产品易于检查 ;采用标准 件 ;采用模块化设计 ;图纸标注清楚 、规范 ;尺寸公差设置合 理等 。一 般 采 用 的 方 法 有 : 质 量 功 能 配 置 QFD ( Quality Function Deployment) 、故障模式和效应分析 FMEA ( Failure Mode and  Effect  Analysis) 、鲁棒性设计 RD ( Robust  Design) 、 优化设计 、质量信息反馈的有效利用等 。

质量是个综合概念 ,在本文中主要是指在生产过程中的 产品质量保证过程 ,可以说质量的优先级应该是最高的 ,即 一个产品首先必须是符合一定质量标准的产品 ,然后才会谈 到成本和绿色性问题 。通过 DFM/ DFA/ DFS/ DFE/ DFC 方 法集成设计出的产品就是为了得到一个高质量的产品 。从 这个意义上说 ,本文所讨论的全部内容都是与 DFQ 相关的 , 即质量问题已经包含在文中 ,因此本文不再单独讨论有关质 量的因素 。

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