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| 面向成本的设计(DFC)与其他DFX工具的集成与应用方法 | |
| 陈晓川 杨建国 李蓓智 | |
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降低成本是企业的永恒主题，产品成本控制的重点内容历来是直接材料与直接人工。但在一定的技术条件下，材料成本降低的可能幅度有限，从20世纪70年代后期至整个80年代，世界各主要国家的绝大多数企业将成本降低的重点转向人工成本，专注于通过减少工作岗位和工资支出来削减成本。在生产自动化及计算机集成制造系统的环境下，生产过程中的直接材料消耗，由受制于人转向更多地受制于机器，降低材料成本的源泉更多地在于技术选择。直接人工成本比重大幅度降低和各种间接费用大幅度增加，使成本降低的重点逐步转向间接费用以及与提高技术装备水平相关的费用支出，但是由于设计本身就决定了产品成本的70%～85%，因此通过改进设计来降低产品成本是最有效的途径。
本文选择DFE、DFM、DFA、DFS、DFQ与DFC进行集成，达到综合评价设计方案的目的。采用的方法是以全生命周期成本为核心，通过产品生命周期的各个环节（制造M、装配A、回收R、服务S）的分解和分析，最终给出有关评价指标和方法完成对设计方案的综合评价。
1 面向成本的设计与其他DFX工具的关系
1.1 DFC和DFX简介
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都分的成本组成情况，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。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。
1.2 DFC与DFX
(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俭测方法和工具
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、配合与安装筹，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 development)、生态设计(Eco de sign)、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。DFE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。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。
2 DFC与其他DFX工具的集成
“集成”一般有信息集成、方法集成、过程集成等，在本文中主要是指“过程集成”。“过程”可以定义为：完成企业某一目标（或任务）而进行的一系列逻辑相关的活动的集合。过程集成就是在完成信息集成的基础土，进行过程之间的协调，消除过程中各种冗余和非增值的子过程（活动），以及由人为因素和资源问题等造成的影响过程效率的一切障碍，使企业过程总体达到最优。其中，过程之间的信息集成，不仅表明过程集成需要信息集成，而且表明过程集成是建立在信息集成之上的更高的一个层次；过程之间协调，表明过程之间存在相互影响利相互作用。过程集成的目的是全局最优，而非局部过程最优。
DFX强调产品设计不仅要满足市场、用户需求，还要考察是否满足产品生命周期后续阶段的需求，如：制造、装配、检验、维修服务等环节的要求，从而避免了后续阶段的设计返工，使产品设计达到面向整个产品生命周期的最优化。
在产品设计过程中，不同的设计阶段采用的方法不同，DFA和DFM方法一般需要的信息较丰富，一般使用在设计阶段的后期。DFC、DFE和DFQ是贯穿在设计的全过程中的。多种设计方法的并行使用就是设计过程的集成。这种集成体现了产品设计的全生命周期特点地体现出顾客为中心的思想，同时反映了可持续发展的思想。
集成的目的是为了设计出高质量、低成本的产品，各种DFX工具都是从某个角度对设计方案进行优化，但最终的设计方案必须是多角度评价结果，所以说集成酌关键是评价指标和方法的选择。即集成的最终体现是对设计方案的评价，因此下文将从DFX评价指标体系的构成方面进行展开。
3 DFX的评价指标体系构成
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。
3.1 可装配性指标体系
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。装配力与配合亩径、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(0～1)，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的内客。
3.2 可制造性指标体系
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犁与夹具类型匹配。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。
3.3 绿色度指标体系
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。
3.4 可维修性指标体系
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、修复至正章状态，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，避免非刚性雩件，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(MTTR-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MPMT：每项或某个维修级别一次预院性维修所需时间的平均值。
和可靠性一样雏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=MTBF/(MTBF+MTTR)
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。
4 DFX中的综合评价方法
对于设计方案的评价方法较多，主要有模糊、层次分析、神经网络、遗传算法等，对于评价方法的选择必须根据具体的产品特点和用户实际需要进行确定，在评价时还需要抓住主要因素，不能面面俱到。本文采用的是设计兼容性分析方法。
在并行工程中设计兼容性分析(DCA-Design Compatibility Analysis)是一种对设计方案迸行评价的有效方法，兼容性模型的核心思想是同时从多种角度来评价候选设计，即由相关的具有不同专业背景的专家以“圆桌”(round table)方式对候选设计进行评价，每个人就设计与他所负责的生命周期价值的兼容性发表自己的意见并提出改进设计的建议。本文对这一概念进行了扩展，即专家可以是人类专家地可以是拥有人类专家知识的专家系统或神经网络等起专家作用的任何系统。每位专家用一个形容词（如：优秀、很好、好、差、坏和极坏）表达候选设计与其专业领域之间的兼容性的优劣。在这一基础上，将若干形容词映射为[0，1]区间的数字。其中某些兼容性项目是绝对的设计原则（即明显地不可接受或是非常地好），而另外一些项目并不是如此。例如：评价“差”表示兼容性差，设计不够理想，但是如果受必须满足的约束条件的制约，专家也可以接受这一设计。
兼容性模型将专家们的设计知识作为兼容性评价，并将其转换为C-data。C-data包括：标志数(IDnumber)，相关设计的零件/特征/关系，兼容性评语，原因和建议，而重要的是使数据为真的条件。在某些C-data中还可以找出候选设计中的兼容性问题和与设计要求不一致的地方。
由C-data的集合构成的兼容性知识库(CKB-Compatibility Knowledge Base)为： （图片） （图片） （图片） | |
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