数字化制造关键性技术进展之DFM

本文通过对数字化制造中的DFM进行了论述，论述DFX（Design for X）设计基本原则和实施过程。并针对面对机械制造领域的DFM部分关键技术，以SolidWorks平台为例论述采用运动学、结构强度仿真、DFM仿真、公差分析和综合集成DFA系统等技术进行具体实现。并提出了具有人工智能的DFM专家系统是真正促进PLM中数字化制造深度推广的远景平台。

以制造过程的知识融合为基础、以数字化建模仿真与优化为特征的“数字化制造”正成为制造技术发展的重要领域。数字化制造的一个主要内容就是通过揭示制造工艺过程的本质，获得知识及进行制造工艺设计和优化控制能力。数字化制造的数字化从宏观和微观来区分，宏观上主要是生产系统的布局设计与实际优化运作，微观上研究制造工艺过程数字化和优化。针对制造工艺过程数字化目前体现出的智能性、知识捕捉、自学习性及以人为本。数字化制造的关键技术之一为虚拟制造，其包含以下5个方面的关键技术。

（1）建模技术：产品模型（完整的产品模型可以使产品实施过程中的全部活动融于一体）、工艺模型（包含功能模型、物理和数学模型、统计模型和计算机）、生产模型（静态描述和动态描述，从而可以预测产品生产的全过程）；

（2）仿真技术：构造虚拟环境，从宏观和微观上进行仿真；

（3）可制造性评估：基于规则或者基于方案预测技术可行性、加工成本、工艺质量和生产周期等；

（4）系统集成支撑系统：PDM和PLM；

（5）虚拟现实技术：人机接口、虚拟现实计算平台。由于涉及到的技术非常广泛，但是本文着重探讨数字化制造关键性技术进展之DFM（面向制造的设计）。

客户需求和产品指标对指导产品开发的概念阶段非常有用，但是在后继开发过程中，设计团队很难将这些需求和指标与具体的设计事项联系起来。因此，许多团队都采用“面向X的设计”（Design for X，DFX）。X可以对应数十种质量标准中的任何一个，如可靠性、强健性、操作便捷性、环境影响或可制造性。这些方法中最常见的是“面向制造的设计”（Design for Manufacturing，DFM），它直接影响产品的制造成本。在《加工与制造工程师手册》一书中，作者William H.Cubberly和RamanBakerjian对DFM作了如下定义：“DFM主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。DFM可以降低产品的开发周期和成本，使之能更顺利地投入生产。”

众所周知，设计阶段决定了产品80%的制造成本，同样，许多质量特性也是在设计时就固定下来，因此在设计过程中考虑制造因素是很重要的，这些都应该让设计人员知道。若想提高效率，各公司应有自己的一套DFM，并对其进行分类和维护，DFM文件应该是随环境条件变化而改变的动态性文件，它由核心委员会进行管理，委员会成员至少要包括设计、制造、市场和财务等部门的人员。DFM作用就是改进产品的制造工艺性。当今的DFM是并行工程的核心技术，因为设计与制造是产品生命周期中最重要的两个环节，并行工程就是在开始设计时就要考虑产品的可制造性和可装配性等因素。所以DFM又是并行工程中最重要的支持工具。它的关键是设计信息的工艺性分析、制造合理性评价和改进设计的建议。DFM结合CAX、PDM、DFX等组成了面向生命周期设计（DFLC）技术。

本文主要探讨DFM，但是同时也希望阐明适用于DFX中任何“X”的方法的通用设计原则。

1.细节设计决策对产品质量和成本有着本质性的影响；

2.开发团队面临的是多重的、往往互相矛盾的目标；

3.拥有比较多种备选方案的度量；

4.显著的改进往往需要在开发过程的早期就投入大量的创造性活动；

5.明确定义的方法有助于决策制定。

制造成本是产品获得经济成功的关键决定因素。简单的说产品的经济成功取决于卖出一件产品可以赚取的利润，以及能销售多少产品。利润是制造商的销售价格和制造成本之间的差。销售量和销售价格在很大程度上取决于产品的整体质量。因此在经济上成功的设计应该确保产品的高质量，同时又使制造成本降到最低。DFM是达到这一目标的一种有效的方法。有效的DFM可以在不牺牲产品质量的前提下降低 制造成本。

实施DFM必须具备以下两个必要条件。

1．DFM需要功能交叉的团队面向制造的设计是产品开发中涉及的最综合的活动之一。DFM需要各种类型的信息，包括：草图、工程详图、产品指标以及各种备选设计；对生产和装配过程的详细理解；对制造成本、生产量及生产启动时间的预测。所以DFM需要开发团队中大多数成员以及外部专家参与。DFM通常要利用来自制造工程师、成本会计、生产人员以及产品设计人员的专业知识。许多公司都采用结构化的以团队为基础的研习讨论会制度，以便于进行DFM所需的综合和思想交流。

2．DFM贯穿于整个开发过程DFM实施于概念开发阶段，即确定产品的管理和指标阶段。在选择产品概念时，成本一般总是制定决策所依据的标准之一，虽然这时的成本估计是高度主观和不精确的。在最终确定产品指标时，团队要在各种期望的性能特征之间进行权衡取舍。例如减轻重量可能会增加制造成本。在这个时候，团队要在各种期望的性能之间权衡。此时可以使用概念设计BOM预估成本。在系统级设计阶段，团队将按照对成本和工艺复杂性的估算，决定如何把产品分割成为各个独立部件。精确的成本估算在产品开发的细节设计阶段才能最终获得，这时的设计决策都有可制造性所驱动。

面向制造的设计（DFM）方法包含以下5个步骤及其反复迭代：估计制造成本，降低部件成本，降低装配成本，降低辅助性生产对其他因素的影响，考虑DFM对其他因素的影响。

DFM方法从估计所提交的设计的制造成本开始。这有助于团队大体把握设计的那些方面(部件、装配还是辅助性生产)花费最高。然后，团队在后继步骤中将注意力集中在适当的方向，这个过程是重复迭代的。

以下对5个步骤分别进行论述：

1．预估制造成本

主要集中在管理会计领域，此处不深入探讨。

2．降低部件成本

对于绝大多数工程化的产品而言，降低部件成本是非常有效的手段。为了达到降低部件成本的目的可以采用以下策略。

⌾理解工艺约束和成本因素；

⌾重新设计零件以减少工艺步骤；

⌾为零件加工选择适当的经济规模；

⌾部件与工艺的标准化；

⌾坚持“黑箱”部件采购。

对于降低部件成本比较实用的技术是建立加工制造工艺数据库，并通过对设计部件进行智能检查判断工艺性，并提出改进意见。

如果想获得更多的功能，如可定制的工艺数据库，更多的加工类型和标准可以采用完全集成于SolidWorks环境的专业级的DFM Pro软件。另外从技术应用前景来看，今后的DFM系统应该具有知识的自动捕捉、自学习性。那么基于神经网络或者遗传算法的加工工艺知识学习智能专家系统也会很快商业化。

3．降低装配成本

面向装配的设计(DFA)是DFM的一个定义完善的、使装配成本最小化的子集。对于大多数产品，装配成本只占总成本的较小部分，但是关注装配成本会产生绝大多数间接利益。

DFA是一种在装配设计阶段统筹兼顾的设计思想和方法。在产品设计过程中利用各种技术手段如分析、评估、规划、仿真等，充分考虑产品装配环节及其他相关因素的影响，在满足产品性能与功能的情况下改进产品装配结构，使设计出来的产品可以装配，并尽可能降低装配成本和产品总成本。DFA是一种广义的装配设计办法，覆盖范围应该包括产品生命周期中与装配相关的所有环节。

从早期的基于对产品结构可装配性评估和方法到广义设计中的同步DFA方法是DFA发展的方向。为了在产品开发阶段使DFA具有良好的可操作性，部分CAD厂家和客户开发了一些综合集成的DFA系统。

一个综合集成的DFA系统可以应用公司的某类复杂结构件的开发，它满足以下三个方面的作用：

⌾确保可装配性，零部件能够无干涉地装配到位，且不会影响运动机构的正常运转；

⌾增强装配可信度，装配工艺过程和干涉检查结果的可视化；

⌾控制加工难度，装配公差的分析以及合理分布。

针对这些具体需求，一个综合集成的DFA系统总体结构。

这里以SolidWorks平台为例，简单讲述如何在SolidWorks平台上实现。DFA系统在SolidWorks的PDMEnterprise管理下执行，通过PDM使DFA系统与其他部分，如CAD，CAE，专业设计系统发生联系，所产生的计算分析报告、工艺分析文件、公差分析报考、仿真分析报告等通过PDM发布出去。

装配分析功能是SolidWorks本身具有的，可以通过至上而下的设计和自下而上的设计完成。基于SolidWorks的块技术生成装配部件的“骨架模型”，在SolidWorks环境中进行二维运动仿真验证其设计可行性，然后生成零部件，并满足装配关系。系统在目标装配体的干涉碰撞问题上有以下三个应用层次，体现了装配体性能的逐步提高。

（1）静态干涉：目标装配体自身的干涉检查和公差分析，保证产品能静态装配到位而不发生干涉；

（2）动态干涉：发现和排除装配过程中的干涉，保证零部件能按照一定的顺序和路径装配成具体的产品；

（3）运动干涉：分析机构的运动性能，仿真机构运动，保证产品的运动部件工作时不会和周围零部件发生干涉碰撞。在SolidWorks运动管理器里将装配模型自动映射成为运动学模型，在其中定义驱动力、弹簧、3D碰撞等多种动力学特性，在集成化的仿真环境里实现仿真，并可以生成动态部件运动包络图以实现运动干涉和包络检查功能。

在DFA系统的总体结构框架下，通过集成运动学模拟及动画功能，可以开发“装配仿真系统”。以可视化手段分析、验证、完善和展示产品的装配工艺过程。而需要到到这个目的，需要根据企业生产的复杂零件的装配特性，利用SolidWorks平台进行二次开发和定制，由于SolidWorks提供了强大而全面的二次开发功能可以实现，建模、装配、工程图、运动仿真、结构强度等“装配仿真系统”所必需的功能。

4．降低辅助生产成本在努力降低部件制造成本的同时，团队可以通过降低系统的复杂性、防止错误等手段来达到辅助降低生产成本的目的。

5．DFM决策对其他因素的影响由于制造车成本最小化并不是产品开发过程的惟一目标。产品的经济成功还取决于产品的质量，产品推出的时机以及产品开发的成本，因此需要考虑以上这些因素。

DFM的最终目的是在降低 制造成本的同时，提高产品开发质量，缩短开发时间，减少开发成本。本文讨论的DFM结合CAX、PDM、DFX等技术组成了面向生命周期设计（DFLC）系统，提供了部分DFM的解决方案。

另外，目前在DFM中游离的知识通过PLM系统实施所谓的数据管理，不能实现DFM知识的自动扩充、升级。因此关键在于PLM系统能够获得有效的DFM知识，能够自动捕捉、分析、自学习，满足人工智能的DFM专家系统是真正促进PLM中数字化制造深度推广的远景平台。

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