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山东大学硕士学位论文 捅矍 产品成本是提高产品竞争力的核心要素，而产品设计在很大程度上决定了产品成 本。并行设计是并行工程( c e ) 的核心内容，d f x ( d e s i g nf o rx ) 是并行设计的关键。 d f x 中的d f m ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ) 是指在设计阶段就考虑到制造阶段的诸多因 素，使设计者在设计阶段就可以确定产品的可加工性，在产品设计结束后的制造过程中， 能够容易地、经济地制造，提高制造效率，减少加工时间，降低生产成本，提高产品质 量。本文介绍了面向制造设计的基本概念，发展现状，阐述了c e 与d f m 的关系，提出 了零件制造成本研究的必要性，进而对零件制造成本进行了研究。 在此基础上，本文进一步研究了机械零件制造成本的概念及其组成，设计了零件制 造成本模型；建立了机械零件制造成本核算系统，提出了系统功能模型，f 鞫述了产品目 录树模块、工艺设计与工时计算模块及相似检索模块。在交互式c a p p 的基础上，确定 了基于工艺交互式的成本核算及基于零件的相似性的制造成本核算。以v i s u a lb a s i c 6 0 为工具，采用面向对象的原理和技术，进行了详细的软件设计，实现了制造成本分 析。 本文对机械零件制造成本核算系统数据库的设计及实现进行了研究，介绍了零件 库、设备库、材料库和编码库的组成，进而通过一个轴类零件的实例，分别用相似检索 法和交互式方法实现了机械零件制造成本的分析。 关键词：并行工程面向制造的设计机械零件制造成本成本分析 工时定额 第贾 山东大学硕士学位论文 a n a l y sis0 nt h e _ a n u f a c t u rln gc o s to fm e c h a nic a lp a r t s b a s e do nd f m a b s t r a c t s t h ep r o d u c tc o s ti sac o r ee l e m e n tt oi n c r e a s e sp r o d u c tc o m p e t i t i o na n dt h ed e s i g no f p r o d u c td e t e r m i n e st h ec o s tt oal a r g ee x t e n t c o n c u r r e n td e s i g ni s t h ec o r eo fc o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g d e s i g nf o rx i st h ek e yt e c h n o l o g yi nc o n c u r r e n td e s i g ni nt h i sp a p e r , t h e a u t h o rd e f i n e sd f ma sad e s i g nm e t h o dw h i c hc o n s i d e rm a n yf a c t o r so ft h es t a g eo f m a n u f a c t u r i n gt om a k ed e s i g n e rb es u r eo fp r o d u c t s m a n u f a c t u r a b i l i t ya tt h ed e s i g ns t a g e a n di nt h em a n u f a c t u r i n gs t a g ep r o d u c tc a l lb ee a s i l y ，e c o n o m i c a l l ym a n u f a c t u r e d ，a n dt h u s ， w ec a ni n c r e a s em a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c y , d e c r e a s ep r o c e s st i m e , l o w e rt h ep r o d u c tc o s t ， i n c r e a s ep r o d u c tq u a l i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t so fd f ma n dt h ep r e s e n t s i t u a t i o no fi t sd e v e l o p m e n t ，s e t sf o r t ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc ea n dd f m ，b r i n g sf o r w a r d t h e n e c e s s i t y o ft h e p r o d u c t c o s tr e s e a r c h , a n df u l l e rc a r r i e so u tt h er e s e a r c ho f m a n u f a c t u r i n g c o s to f m e c h a n i c a l p a r t s b a s e do nt h i s ，t h e p a p e r f u r t h e rr e s e a r c h e st h e c o n c e p ta n dc o m p o s i t i o n o ft h e m a n u f a c t u r i n gc o s to f m e c h a n i c a lp a r t sa n dd e s i g n si t sm o d e l s t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h e e s t i m a t e m e n ts y s t e mo fm a n u f a c t u r i n gc o s to fm e c h a n i c a lp a r t s , p u t sf o r w a r dt h ef u n c t i o n a l m o d e lo ft h es y s t e m , s e t sf o r t ht h em o d e lo fp r o d u c t s l i s tt r e e , t h em o d e lo f p r o c e s sd e s i g n a n dm a n - h o u rc a l c u l a t i o na n ds i m i l a rc h e c k b a s e do l lt h em u t u a lc o m p t u e ra i d e dp r o c e s s p l a n n i n g ，t h ea u t h o ra s c e r t a i n st h ec o s te s t i m a t e m e n tf o u n do nt h em u t u a lp r o c e s sa n dt h e s i m i l a r i t yo ft h ep a r t s t h ea u t h o rm a k e sf u l l u s eo fv i s u a lb a s i c6 0 a c c o r d i n gt ot h e o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gp r i n c i p l e sa n dt e c h n o l o g i e st oc a r r yo u tt h ed e t a i l e ds o f t w a r e d e s i g na n dt oi m p l e m e n t t h em 锄面扰t u i _ i n gc o s ta n a l y s i s t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h er e s e a r c ho f t h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ed a t a b a s e a b o u tt h ee s t i m a t e m e n ts y s t e mo fm a n u f a c t u r i n gc o s to fm e c h a n i c a lp a r t s , p r e s e n t st h e c o m p o s i t i o no fp a r t b a s e ，d e v i c e b a s e , m a t e r i a l b a s e , a n dc o d e b a s e ；a n df u l f i l l s t h ec o s t a n a l y s i sw i t ht h em e t h o d s o f s i m i l a rc h e c ka n dm t e m a t i o nr e s p e c t i v d y k e y w o r d s ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gd e s i g n f o rm a n u f a c t u r i n g m a n u f a c t u r i n g c o s to f m e c h a n i c a l p a r t s c o s ta n a l y s i sm a n - h o u rr a t i o n 第v 贾 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘鳗避日期：三笾酉垒最 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塾煎暹导师签名：论文作者签名：渔盟值导师签名：曼兰堡鳖日期：三垒q 蜜拿p l 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 课题研究的目的、意义 自8 0 年代以来，市场竞争日趋国际化，促使了制造业企业不断寻求产品开发的新 思路、新方法并用于有竞争力的产品的开发。在这种情形下，一系列新的设计和制造方 法应运而生，如计算机集成制造( c i m s ) ，敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、并行工程 ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、精益生产( l e a np r o d u c t i o n ) 及经营过程重组( b u s i n e s s p r o c e s sr e e n g i n e e r i n g ) 等，其中比较典型的是面向制造的设计d f m ( d e s i g nf o r m a n u f a c t u r i n g ) i l l 。 d f m 是指在设计阶段就考虑到制造阶段的诸多因素，通过计算机仿真和模拟等手 段，使设计者在设计阶段就可以确定产品的可加工性，在产品设计结束后的制造过程中， 能够容易地、经济地制造，提高制造效率，减少加工时间，降低生产成本，提高产品质 量。 随着全球化市场的形成，市场竞争越来越激烈。缩短产品的上市时间( t ) ，提高产 品质量( q ) ，降低成本( c ) 和提供优质服务( s ) 成为企业赢得竞争的关键。为了赢得市场的 竞争优势，各先进国家纷纷研究和应用先进制造技术和理论，如计算机集成制造( c 办讧) ， 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、并行工程( c o n c h r r e me n g i n e e r i n g ) 、精益生产( l e a n p r o d u c t i o n ) 及经营过程重组( b u s i n e s sp r o c 幅sr e e n g i n e e r i n g ) 等【2 】。随着技术的进步， 劳动生产率的提高，企业生产出高质量产品亦非难事。产品的成本涉及到产品生命活动 的整个周期，如何通过降低产品成本来提高产品的竞争力成为核心要素 2 t 。 众所周知，产品设计在很大程度上决定了产品的成本，例如：对r o l l sr o y c e 公司 的调查表明，2 0 0 0 个部件在产品设计阶段决定了最终产品成本的8 0 0 a p ；据g e n e r a l m o t o r 经理称卡车变速器7 0 的制造成本是由设计决定的【4 】；f o r dm o t o r 公司估计在设 计、材料、劳动力和制造费用四个因素中，7 0 的生产节约源于设计的改进朗。但是降 低和控制产品成本必须在刚刚开始设计的阶段，此时产品设计者拥有最大的自由度来改 进设计并使产品在生命周期中的成本最小化。 8 0 年代中期开始，并行工程逐渐成为制造业中的热门课题。并行工程( c e ) 是对 传统串行工程生产模式的变革，串行生产模式将产品设计过程与后续生产过程分离，产 品生产成本一般在产品开发周期的后期进行分析，这样导致所设计的产品可能无法加工 或制造费用过高，往往需要重新设计，从而影响生产效率，为此人们提出了并行工程这 一新的组织和管理现代制造业的哲理、思想和系统工程方法。该方法强调多学科工作小 第i 贾 山东大学硕士学位论文 组并行、交叉、协调地工作，将分敖于不同专业部门的成员组织起来，并构成一个能够 自由交换信息的环境，从而能够及早解决设计中的错误、矛盾和冲突。d f m 是并行工 程最重要的研究内容之一，它在设计阶段尽早地考虑与制造有关的约束( 可制造型等) ， 全面评价产品设计，并提供改进的反馈信息，及时改进设计，保证产品设计和制造一次 成功，以达到降低生产成本提高产品质量缩短产品开发周期的目的。面对日益激烈的市 场竞争，降低产品的设计和制造成本，是制造企业生存和发展所必需的。产品的设计阶 段决定了产品7 0 8 0 成本，通过产品成本核算可使设计人员在产品设计阶段了解产 品的制造成本，制造成本是评价零件可制造性的一个指标，对产品设计是一种反馈约束， 通过成本核算可促使设计人员及时改进设计以降低生产成本。 随着市场竞争的日益激烈，企业之间的协作制造越来越多，许多制造企 业为减少投资风险、快速适应市场变化，重点在产品开发和市场营销，零部件的制造主 要靠外协。在企业之间的协作制造活动中，价格是决定协作能否进行的一个非常重要因 素。分包商需要控制其产品的制造成本，承包商需要明确制造成本，以便竟标。零件的 制造成本的快速精确核算是非常重要的。 2 并行工程总论 2 1 并行工程( c e ) 的概念 并行工程( c e ， c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是针对传统的串行产品开发过程而提出的 一个概念。从本质上讲，c e 是一种以工作空间的展开换取工作时闻缩短的方式，来处 理系统复杂性的系统化方法。在数据共享、人机交互等工具及其集成的性能技术支持下， 按多学科多层次协同一致的组织方式工作。与传统的顺序方式相比，这种方式扩大了系 统的状态空间，缩短了复杂婚题的交互式求解的迭代次数，促使一次达到最终目标1 6 】。 2 2 并行工程( c e ) 的诞生 8 0 年代初以来，世界制造业产品市场发生了根本性的变化，企业之间的竞争愈来 愈激烈，而且越来越具有全球性、长期卖方市场变成了买方市场。顾客对产品质量、成 本和种类要求越来越高、产品的生命周期也越来越短。因此，企业为了赢得市场竞争的 胜利，就不得不加速解决新产品开发、提高产品质量、降低成本和提高优质服务等一连 串的问题。然而在这些问题中，迅速开发出新产品，加快上市时间是获胜的关键。要解 决这一问题，必须改变长期以来传统的产品开发模式( 沿用“串行”的方法，即先进行 市场需求分析，将分析结果交给设计部门，设计人员进行产品设计，然后将图纸交给另 一部门进行工艺方法的设计和制造工装的准备，采购部门根据要求进行采购，等一切都 齐备以后进行生产加工和测试，产品结果不满意时再反复修改设计和工艺，再加工、测 试，直到满足要求) 。这种方法由于产品设计中各个部门总是独立的进行，特别是在设 第2 贾 山东大学硕士学位论文 计中很少考虑到工艺和工装部门的要求，制造部门的加工生产能力、采购部门的要求， 以及检测部门的要求等，因此常常造成设计修改大循环，严重影响产品的上市时间、质 量和成本。为了改变这种传统的产品开发模式，人们不得不开始寻找更为有效的新产品 开发方法。1 9 8 2 年，美国国防高级研究项目局( d e f e n c ea d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ，d a r p a ) 开始研究如何在产品设计过程中提高各活动之间的“并行度” ( c o n c u r r e n c y ) 的方法。1 9 8 6 年，美国国防部防御分析研究所( t h e i n s t i t u t ef o r d e 角n c e a n f l y s i s ，i d a ) 发表了非常著名的r 一3 3 8 报告，提出了“并行工程” ( c o n c u 仃e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及 其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一 开始就要考虑产品整个生命周期中，从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成 本、进度计划和用户要求。 2 2 1 并行工程是企业制胜于市场竞争的必然选择 市场经济的发展和竞争的加剧总是促成买方市场的形成，制造业也不例外，企业要 想生存和发展，就必须不断快、廉、好地推出满足市场要求的新产品。从制造业的发展 的历程来看，7 0 年代之前的竞争焦点是企业规模和产品成本；而8 0 年代竞争焦点则是 满足用户需求和综合的上市时间、产品质量、产品成本和售后服务( t 、q 、c 、s ) 指 标；9 0 年代，特别是2 0 0 0 年的市场则要求企业以最短的时间开发出质量更高的、用户 可接受的新产品，那种不注重产品开发的企业将在市场竞争中处于劣势，因而，迅速开 发出满足用户需求的新产品并尽快上市成为企业赢得市场竞争的关键，企业为具备这种 能力，最重要的是必须不断采用新技术来改善产品制造系统的各个环节，信息技术的不 断发展更加加速了企业研究和应用新技术的步伐。 国际上一些著名的制造企业如波音、摩托罗拉、惠普等，自9 0 年代以来纷纷在新 产品开发领域实旌并行工程，他们的目的是采用新的产品开发管理模式和过程、把传统 的制造技术与计算机技术和自动化技术相结合，在产品开发的早期阶段全面考虑产品生 命周期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获得成功。实践证明：并行工程能够缩 短产品开发周期的4 0 - 6 0 、减少工程变更次数5 0 以上、降低产品成本3 0 - 4 0 川。 2 3 并行工程的核心思想和关键技术 并行工程( c o n c u r r e n te n g i a e o d n g ) 是一体化和并行地设计产品及其各种相关过程 ( 包括制造过程和支持过程) 的系统化工作模式，它要求产品开发人员在设计一开始就考 虑产品生命周期( 从概念形成到产品报废) 的所有因素，包括质量、成本、工作进度和用户 要求。实施c e 的目的是要改变传统的串行工作方式的根本缺点，即所有的反复修改过 程都是滞后的。面c e 是使产品设计及有关的技术准备和生产准备工作在并行工作的方 第3 页 山东大学硕士学位论文 式下达到一次成功，缩短技术和生产准备周期，使产品能按用户的要求以最快的速度供 应市场。 并行工程实际上是一种生产经营和管理模式，它的核心突出人在有效组织领导下的 协同工作( t e a mw b r k ) 。它要求有一个一体化的行政指挥机构，建立多学科、多功能 的协同工作小组，组内包含企业中设计、工艺、制造、质量、物资供应、销售和服务， 甚至用户代表在内的各类专业人员，按用户订货要求进行充分磋商和协调一致地工作。 传统的产品开发组织模式实际上是一种串行模式，我们称之为串行工程。而并行工 程下的产品开发则是一种并行模式，为了清楚地表明二者的区别，用图1 1 来比较其特 点：【8 】【9 l 【1 0 1 1 1 串行工程图 图1 - 1 并行工程图 在竞争日益激烈的市场中，产品更新换代的周期越来越短，为了能使产品生存的时 第4 贾 山东大学硕士学位论文 间更长，需要尽可能的缩短产品设计和制造的时间，缩短交货期。传统的生产和管理万 法很难适应当前竞争激烈的市场。在传统的生产和管理模式中，企业各部门间的物资和 信息流动通常是单向的，通常是从设计部门到生产部门，从生产部门到销售部门。但实 际上，企业内部的每个部门都可能对产品的价格、质量和交货期产生重大的影响。例如 销售部门的销售情况和预测会影响到生产部门的计划，原材料和零配件的采购，影响到 设计部门对产品的改进和进一步开发【1 2 。 就产品设计、生产和销售的过程来说，产品的设计过程对产品的最终价格、质量的 影响最大。这是因为生产过程基本上根据产品设计结果来进行的，而销售中的各种费用 也是根据产品的类型确定的。如果在产品设计时没有充分考虑各方面的情况，可能会使 产品的制造成本过高，从而影响产品的销售价格，使产品的销售受到影响。修改产品的 设计会打乱原有的生产计划、原材料及零配件的采购计划，推迟产品的上市。由于设计， 尤其是在设计的最初阶段，应尽可能地考虑到制造和销售的影响，以减少以后对设计的 更改，从而缩短设计周期。 信息技术的发展促进了全球大市场的形成。这种趋势对制造业的影响十分明显。2 1 世纪企业竞争的焦点集中在以下四个方面：l 、产品的价值更多的体现在知识含量上；2 、 用户需求趋于个性化；3 、市场越来越零碎，取而代之的是全世界对市场的共同拥有；4 、 必须更多的考虑环境问题。在这种情况下，迅速开发出满足用户需求的新产品并尽快上 市成为企业赢得市场竞争的关键。实践证明：并行工程( c e ) 是缩短产品开发周期、 提高产品质量、降低产品成本的有效方法f 1 3 】【1 4 1 。 早在7 0 年代就有人提出了并行工程的思想。1 9 8 8 年美国国家防御分析研究所 ( i d a ) 完整的理出了并行工程的概念，即“并行工程是集成的、并行的设计产品及其 相关过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统化方法。这种方法要求产品开发人员在一 开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、 进度计划和用户要求。” 并行工程的核心问题是产品开发过程中的管理与技术的综合集成，以小组为工作模 式，以改进产品开发流程为核心，通过数字化产品模型定义d f a 、d f m 、d f q 、产品 数据管理等技术，在产品开发早期综合考虑产品生命周期中的各种因素，力争优化的产 品开发周期( t ) ，产品质量( q ) ，产品成本( c ) ，产品服务( s ) 指标。并行工程是 解决企业产品开发问题的有效方法，是提高我国企业产品竞争能力的重要手段。 并行工程是一种哲理，涉及人员管理以及产品开发过程管理。并行工程也提供技术 和方法，尤其以d f x 技术和方法为代表。d f x 是指面向产品全生命周期的设计，它综 合了计算机技术、制造技术、系统集成技术和管理技术，充分体现了系统化的思想。利 用d f x 技术，可以在设计阶段尽早的考虑产品的性能、质量、可制造性、可装配性、 可测试性、产品服务和价格等因素，对产品进行优化设计或再设计。最常见的d f x 技 第5 贾 山东大学硕士学位论文 术有：面向装配的设计( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，d f a ) 、面向制造的设计( d e s i g nf o r m a n u f a c t u r i n g ，d f m ) 、面向成本的设计( d e s i g n f o r c o s t ，d f c ) 、面向服务的设计( d e s i g n f o rs e r v i c e ，d f s ) 等等。其中面向制造的设计d f m 是并行工程的核心思想和关键技术。 2 4 面向成本的设计( d f c ) 2 4 1 面向成本的设计( d f c ) 的含义及其特点m 1 【1 6 】 面向成本的设计( d f cd e s i g nf o rc o s t ) 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。其主要特点为； 1 、在工程系统研制开发中，应将费用( 成本) 作为一个与技术、性能、进度和可靠 性等要求列为同等重要的参数给予确定； 2 、要求在工程项目的全部生命周期内考虑成本问题； 3 、确定准确的生产、使用和维护等阶段中的d f c 参数( 如：每单位的装配成本、每 单位的使用成本等) ，并使得这些参数与进度、性能、可靠性等参数之间达到一种最佳 平衡； 4 、确保向工程设计及有关人员进行成本信息的及时交流与反馈，以便有效地采取 相应的控制措施。 ： 2 4 2 面向成本的设计( d f c ) 的主要研究内容 d f c 主要的研究内容有： 建立目标成本说明书和对照表：目标成本是企业在管理中对成本进行的预测，也是 企业追求的目标，建立目标成本后，一般可采用材料选择、加工设备选择等方法来降低 成本； 研究成本分配情况并对高成本部分进行标识：在成本会计中，一般需要对成本进行 分析，以加强对成本的管理和控制； 依据产品和投k - r 程的费用进行设计：在实际应用中，有的工程项目或产品在设计 开始前，就已经知道可以获得多少投资( 如：军事订货等情况) ，此时需要根据可获得 的投资进行设计工作； 依据市场情况进行设计和成本的平衡；在市场竞争日益激烈的情况下，只是具有最 低的成本已经不够了，必须寻求最佳的性能价格比，即在客户能接受的范围内以适当 的价格提供最佳的功能，面价格主要是由成本决定的，产品性能与设计是密切相关的， 即成本与设计之间需要进行平衡； 为设计者提供制造材料对成本的影响信息：在一般情况下，材料成本在制造成本中 第6 贾 山东大学硕士学位论文 占有较大的比重，而材料的信息一般比较容易获得且比较准确，因此材料对成本的影响 不可忽视； 选择制造手段，降低制造成本：在现代企业中，制造手段多样化( 如：净成型、快 速成型技术的广泛应用) ，不同的制造方法其成本差异很大，选择制造手段已经成为降 低制造成本的有效方法i ”。 2 4 3 面向成本的设计( d f c ) 的概念模型 针对不同的设计类型有不同的成本估算方法，也就存在不同的d f c 实现方案。设 计是一种创造性行为，但是创造性设计在实际的日常生产中所占比重不大，而变型设计 和模块化设计的确占很大比例。 成组技术是为了适应多品种小批量的生产的需要1 8 1 1 1 9 ，将品种繁多的机械零件， 按其形状、尺寸、工艺等相似性分类归组，扩大其加工批量，用大量生产的先进技术和 设备来解决小批量的生产，达到提高生产率、降低成本和提高质量的目的，并且在设计 阶段按相似原则进行标准化，减少零件的品种以利于生产技术和设备的准备并促进生产 组织合理化。成组技术在设计、制造、生产管理等方面的应用产生了明显的经济效益， 它为并行工程的实施提供了良好的基础。在并行工程中，与产品设计并行工作的工艺、 装配、检验等下游工作都是在产品信息和制造信息不完整的情况下进行的，而以成组技 术为基础的设计思想关键是利用产品的相似性，在原有相似零件和产品的基础上进行适 当修改后形成新零件或新产品，而不是“一切从头开始”，这一点有力地支持了并行工 程的应用。从线框造型、表面造型、实体造型到特征造型c a d 系统的功能日益完善，如 图卜2 所示的模型就是基于成组技术和特征建模技术的，图中虚框中的部分是d f c 的核 心。下面将此模型的要点说明如下： 1 、模型的工作流程： 首先，设计人员根据用户要求采用特征造型技术进行零部件的设计，然后系统 自动对所设计的零部件进行成组编码，并根据编码搜索与之近似的零部件，若有相似零 部件，则可按相似的零部件估算成本，否则，进行成组工艺设计，并根据加工特征估算 成本。在零部件成本估算的基础上对产品成本进行估算，所得到的成本信息再反馈给设 计人员，进行设计上的修改，保证既定成本目标的实现。这姥工作可以反复进行直到满 意为止。 2 、模型的主要组成模块： ( 1 ) 、特征建模工具：主要由特征造型c a d 软件组成，以帮助设计人员完成产品或 零件的表达。 ( 2 ) 、成组编码和分类识别器口1 l ：对新设计的零件进行成组编码，并根据编码对 第7 酉 山东大学硕士学位论文 其进行识别和分类。 ( 3 ) 、估算模块：主要完成零件及产品的成本估算和成本的分配。在进行成本估算 时，利用成组技术的相似性原理通过类比进行成本估算。在产品成本估算时，分阶段计 算产品全生命周期成本，主要包括：装配成本、销售成本、使用成本、维护成本和回收 报废成本。 图1 - 2 实现d f c 的概念模型 3 、模型的特点说明； 此模型利用特征技术和成组编码技术实现零件特征的分类和识别，并根据成组技术 估算其成本；在产品成本的估算中考虑了用户使用成本、维修成本和回收报废成本，体 现了全生命周期成本的特点；而且，在具体计算成本时还选择应用了国际上正在兴起的 作业成本计算方法，保证了成本计算的可靠性和科学性。 3 面向制造与装配的设计( d f m a ) 3 1 面向制造与装配的设计( d f m a ) 的基本概念 d f m 是一种设计方法，其主要思想是：在产品设计时不但要考虑功能和性能要求， 而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性。其目标是在保证 第8 贾 山东大学硕士学位论文 质量的前提下缩短周期、降低成本。在这种情况下，潜在的制造性问题能够及早暴露出 来，避免了很多设计返工；而且，对设计方案根据加工的时问和费用进行优化，能显著 地降低成本，增强产品的竞争力。 面向装配的设计d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 是指简化和方便装配的产品设计，此处 的装配是指增添或者连接若干零件来形成一个完整产品的过程。 3 2 面向制造与装配的设计( d f m a ) 的研究 由于制造系统的复杂性，生产过程的各个环节相互耦合，某一环节中的决策往往会 波及其他，从而使这一决策对整个制造系统的作用复杂化。因此，如何在决策时综合考 虑整个系统，使之趋于全局最优，是现代制造技术中的重要问题。并且传统制造系统的 各个环节一般由不同的部门负责，它们以本环节的需求和优化为出发点，很少也很难考 虑相关环节的需要。在这种彼此分离，缺乏沟通的状况下，必然会由于上下游相互冲突 而引起大量返工。而且这种被动的修补很难得到全局优化的决策，使企业难以从制造资 源中获取高效益。 研究表明，虽然在产品成本中设计成本只占很少一部分，但是，产品成本的大部分 ( 7 0 - - - 8 0 ) 却是在设计阶段决定的，只有少部分( 2 0 3 0 绚是在制造过程中决定的。 由于d f m 方法的引入，可能会导致设计阶段成本的增加和时间的延长。但是，在产品 开发过程中，错误发现得越晚，由这个错误引起的一系列修改、返工与管理协调所花费 的时间越长，费用越高。因此，+ d f m 在设计阶段出于考虑工艺而多花的时间费用能够 在下游的制造阶段得到补偿，而从总体上达到了缩短开发周期和降低生产成本的目的。 根据有关研究结果，美羼商品的竞争力在总体上居世界第一，其重要原因是在产品 开发过程中有效地控制了制造成本。我国企业过去长期处于计划经济体制下，缺乏市场 竞争，酱遍存在产品生产成本过高、企业效益低下的问题。随着我国加入世界贸易组织， 进一步开放国内市场己势在必行。面对国外商品的强大攻势，我国企业在加快产品更新 换代、提高产品性能的同时，如果再不能有效地控制和降低产品成本，我国的产品将很 难在国际市场上立足。 进入8 0 年代以来，面向制造的设计( d f o 的三字母缩写形式，频繁出现在商业和 制造业的出版物中。正如我们所知道的，面向制造的设计( d f m ) 的优点是加快产品开发 周期、缩短投放市场时间( 1 1 a d 和降低制造成本。因为缩短投放市场时间( x x o 的压力 不断增加，设计师和产品工程师不再有时间用对原型样品反复试验的方法以精确协调一 个新设计。另外，新产品开发周期越短，以任何原因引入一个设计修改方案的困难就越 大。所以，在设计过程的早期阶段起用可制造性设计( d f m ) 原则，就可以避免产品性能 要求和制造能力之间的不匹配。d f m 原则的运用，也能降低制造成本。图l 一3 说明了 第9 页 山东大学硕士学位论文 作为在最佳成本下获得更高性能的方法，工艺改进相对于产品改进的影响。曲线说明了 产品制造成本和设计复杂度的关系。 d f m 技术是在并行工程思想的指导下，将产品设计与产品制造及装配相集成的一 种实用技术。利用d f m 在早期概念设计阶段对产品设计方案进行评价及优化，可以大 幅度降低产品成本，提高产品质量和可靠性，缩短设计周期【2 2 2 3 i 2 引。 近年来，在电子、计算机及通讯等领域的巨大发展，以及因特网等全球通讯网络的 应用的迅速扩大，给制造企业带来了新的挑战和机遇，这些全球通讯网络使用户能够更 方便、更迅速地获得产品信息，更方便、更容易地购买到合适的产品，因而对制造业提 出了更高的要求。另一方面，网络也给生产企业带来了更多的机会，企业可以在网络上 进行各种宣传及销售活动。为了抓住市场全球化和技术进步所带来的机遇，企业必须首 先调整自身的生产结构和管理方法，以适应当前激烈竞争的全球市场的要求。也就是要 求企业能够以合理的价格，及时地提供市场需要的高质量的产品。 在竞争日益激烈的市场中，产品的更新换代的周期越来越短，为了能使产品生存的 时间更长，需要尽可能地缩短产品设计和制造时间，缩短交货期。 祷 镫 划 量 l 设计复杂度 图卜3d f m 和设计复杂度 在设计阶段应考虑的问题很多，如制造、装配等。在设计时考虑制造的要求，以设 计出可制造性好的产品和零件的设计方法被称为d f m ( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r e ) 。d f m 的方法是在设计中考虑到具体的制造系统的因素，其中制造成本核算是其一部分。在设 第1 0 贾 山东大学硕士学位论文 计阶段计算出产品的制造成本，通过制造成本的大小决定是否对产品设计进行更改，从 而能快速、准确地做出决策。 d f m a 即为面向制造与装配的设计瞄】，图1 - 4 总结了设计时用d f m a 所采取的步 骤。首先是面向装配的设计的分析导致产品结构的简化。然后为原始设计和新设计做出 零件的早期成本评估，以便制定交易决策。在这个过程中，需要考虑适合各种零件的最 好材料与工艺。一旦材料和工艺最后选定了，就可以为面向制造的设计进行一种更彻底 的分析来实现零件的细节设计【2 6 聊。 3 3d f m 技术的发展现状伫8 脚j d f m 是并行工程的核心思想，是d f x 技术的一个重要环节。其主要思想是：在产 品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性， 即产品的可制造性。其目标是在保证质量的前提下缩短周期、降低成本【3 。在这种情 况下，潜在的制造性问题能够及早暴露出来，避免了很多设计返工；而且，对设计方案 根据加工的时间和费用进行优化，能显著地降低成本，增强产品的竞争力。鉴于d f m 技术的一系列优点及当今市场的发展趋势，近几年来，d f m 已成为国内外的研究热点。 目前，d f m 技术的研究主要集中在以下领域：铸造和注塑、钣金加_ - 1 2 ( ”】、印刷电路板、 粉末冶金和切削加工。 图1 - 4 采用d f 舭的并行工程研究典型步骤 3 3 1 国外d f 8 技术的发展现状 第1 1 酉 山东大学硕士学位论文 早在7 0 年代，就有学者提出了d f m 的概念，但是一直都停留在方法论 ( m e t h o d o l o g y ) 的阶段：只是提出一些定性的指导原则，但很难运用到实际设计工作 中去。进入8 0 年代以后，市场竞争的焦点则是满足用户需求和综合的上市时间、产品 质量、产品成本和售后服务指标。因此，在8 0 年代后期，制造性设计( d f m ) 的三字 母缩写形式，频繁出现在商业和制造业的出版物中，国外一些大的软件公司开始纷纷着 手开发d f m 软件。近几年来，随着c e 成为国际性的研究热点，d f m 作为c e 的关键 技术也受到广泛的重视，而当今信息技术的发展则使d f m 的真正实施成为可能。这些 因素促使d f m 向应用阶段发展，出现了一些计算机辅助d f m 系统。因此，有关d f m 的研究经历了两个重要阶段，一个是以大量的与制造有关的设计准则指导设计的d f m 设计方法阶段，另一个就是所谓的计算机辅助d f m 阶段。我们现在所说的d f m 就是 以计算机和信息技术作为辅助工具阶段。计算机辅助d f m 成为d f m 的主要形式，成 为d f m 发展的新阶段。目前囡外提出的计算机辅助d f m 的实现技术包括以下几点： ( 1 ) 基于知识的系统 这种形式是通过知识库中的工艺知识，数据库中的制造资源数据，对c a d 的设计 结果给出可制造性评价，对不同的设计方案进行优劣评佑，更进一步贝u 可以对制造成本 和生产时间进行预测。基于知识的系统是是目前国内外采用最多的d f m 模式。其优点 在于：l 、d f m 系统比较独立，便于摸块化；2 、系统有较好的柔性，易于发展和维护。 但在处理复杂的零件的几何问题时就显得不是十分有效。 ( 2 ) 基于几何推理的系统 这种系统主要用于对零件结构工艺性的评价。其主要信息来源是零件的实体模型 ( 如p r o e n g i n e e r ，id e a s 等c a d 软件的几何模型) ，通过几何推理方法，可以对零 件集合约束方面的结构工艺性问题进行检查。 这类系统具有如下优点：1 、可以直接利用零件的全部几何拓扑信息，再辅以工艺 参数信息，因此它具有全面的信息来源，与基于知识的系统相比更具潜力。2 、由于几 何推理是直接对零件的几何拓扑信息进行分析，因此它在计算复杂的几何量，识别复杂 的几何问题时具有优越性，而且零件越复杂这种优越性越明显。缺点在于几何推理计算 复杂，难度大。而且系统的功能不易拓展。 ( 3 ) 面型并行工程的c a p p 系统 d f m 的实质就是把产品设计和工艺规划集成到同一活动中。在c a p p 中出现的任 何制造性问题能够随时反馈到c a d ，d f m 和c a p p 在功能和进程上融为一体。 这种系统的优点在于：1 、并行性好，产品设计与工艺设计能够几乎同时完成；2 、 由于有c a p p 提供工艺信息的支持，d f m 的难度有所减轻。缺点是：l 、由于c a d 、 第1 2 贾 山东大学硕士学位论文 c a p p 并行交互，一定程度上延长了设计阶段的时间；2 、c a p p 与c a d 并行进行，随 时交互，对网络系统的要求较高；两者并行的进程控制非常复杂，需要功能强大的集成 框架的支持。 ( 4 ) 制造特征设计造型系统 这种方法与前三者的区别在于它不是后验式的，而是直接对设计决策起作用， d f m 过程融于c a d 系统中。具体地说，首先根据工艺方法( 铸、锻、切削等) 和制 造资源建立特征元库，这些特征元在规定的制造环境中都是可制造的( i a n u f a c t u r a b l e ) ， c a d 的造型过程以库中的特征元为“原料”进行，以保证设计出的零件有较好的可制 造性。 这种系统的优点在于：1 、直接约束零件的造型过程，而不是事后评价，因此作用 更加直接，减少了反馈环节；2 、由于设计本身是基于制造特征的，因此，c a d 与下游 零件的信息从一开始就是一致的，避免了特征提取和识别过程。但这种方法只能解决简 单的可制造性问题。 d f m 在国外的机械、电子等领域己从概念走向应用，并积累了许多经验。到目前 为止，应用较多的是机械领域的d f a 、d f m ，使机械产品在加工、制造前解决了装配 和可制造性闯题，为企业带来了许多效益。尽管如此，但由于该项技术难度较大，算法 和方法进展较慢，软件工具的实用性还有待于进_ 步提高，应用领域还有待于进一步扩 大，还缺乏具有一定通用性的产品。 目前d f m 技术发展比较成熟的当属美国。美国b o o t h r o y d d e w h u r s t i n c ( b d i ) 公 司是世界上唯一始终致力于d f m a 学科研究并提供高品质d f m a 软件的公司。1 9 9 1 年，鉴于b d i 在d f m a 领域的创意、研究和市场化的杰出工作，以及d f m a 的应用对 美国制造业竞争优势所作的贡献，美国总统布什给b d i 公司的创始人d r s b o o t h r o y da n d d e w h u r s t 颁发了美国国家技术奖。b d i 公司不仅推出了d f a 软件，还开发了d f m 系 列软件，用于对单个零件成本