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本文作者：張旭單位：北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院數(shù)字化制造研究所

dfma技術(shù)概述

1DFMA技術(shù)內(nèi)涵

面向制造與裝配的設(shè)計(jì)與精益制造、質(zhì)量工程等一樣，是一種設(shè)計(jì)理念。DFMA強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，對產(chǎn)品加工、裝配直至后續(xù)維護(hù)等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、可維護(hù)性等。產(chǎn)品的可制造性、可裝配性在我國的工業(yè)界一般稱為結(jié)構(gòu)工藝性，包括面向機(jī)加、鑄造、焊接、壓力成型等各種單元加工的制造工藝性以及在產(chǎn)品部裝、總裝階段的裝配工藝性、裝配準(zhǔn)確性和裝配協(xié)調(diào)性等。實(shí)施DFMA的基本思想是通過減少零件數(shù)量、簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)減少單個(gè)零件的加工時(shí)間和總的裝配時(shí)間，從而減少整個(gè)制造成本的目的。DFMA適用于任何企業(yè)和產(chǎn)品，尤其對飛機(jī)等大型復(fù)雜產(chǎn)品可以起到顯著作用。實(shí)施DFMA理念的企業(yè)強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)過程中采用并行工程方式，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量能夠由設(shè)計(jì)師及其他開發(fā)人員共同實(shí)現(xiàn)和保證。因此DFMA也被認(rèn)為是并行工程的核心技術(shù)之一。

2DFMA技術(shù)的分類

DFMA強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，尤其是設(shè)計(jì)的早期，通過建立并行工程團(tuán)隊(duì)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能夠?qū)﹃P(guān)于材料選擇、制造工藝、裝配過程、維護(hù)過程等進(jìn)行同步的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以減少制造和裝配時(shí)間，從而降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。DFMA根據(jù)所達(dá)到的目標(biāo)，可劃分為面向制造的設(shè)計(jì)（DesignforManufacture，DFM）、面向裝配的設(shè)計(jì)（DesignforAssembly，DFA）、面向測試的設(shè)計(jì)（DesignforTesting，DFT）、面向服務(wù)的設(shè)計(jì)（DesignforService，DFS）、面向環(huán)境的設(shè)計(jì)（DesignforEnvironment，DFE）等。其中DFM是根據(jù)企業(yè)自身及供應(yīng)商的工藝水平和制造能力，綜合考慮零件的設(shè)計(jì)對零件制造過程中材料處理、加工成型、質(zhì)量檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)的影響，通過對材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸公差等的改進(jìn)和優(yōu)化，使零件能夠在企業(yè)已有設(shè)備資源條件下，經(jīng)濟(jì)、高效、高質(zhì)量地制造和生產(chǎn)。采用DFM技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制造時(shí)間和成本的快速定量分析，比較與評價(jià)各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝方案。設(shè)計(jì)人員根據(jù)DFM評價(jià)的結(jié)果，對零件進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使零件在滿足性能指標(biāo)的同時(shí)，具有最好的加工工藝性。DFA是針對產(chǎn)品在制造過程中的裝配和檢驗(yàn)，以及維護(hù)過程中的拆卸和組裝等操作，采用規(guī)劃、評價(jià)、仿真等技術(shù)手段對裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、評價(jià)，并進(jìn)一步提出改進(jìn)建議。

3實(shí)施DFMA對產(chǎn)品的影響

DFA技術(shù)在20世紀(jì)70年代初由美國Boothroyd教授提出，其最初的目的是希望通過減少零件的數(shù)量以達(dá)到減少裝配環(huán)節(jié)的目的。但是，在企業(yè)中應(yīng)用DFA技術(shù)后發(fā)現(xiàn)，采用DFA技術(shù)最大的成果是減少了零件的數(shù)量，從而減少了零件的制造時(shí)間和成本，并進(jìn)一步減少了裝配時(shí)間和成本。因此，實(shí)施DFMA必須首先從產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能減少零件的數(shù)量和種類，并盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化的零件和結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)降低加工與裝配時(shí)間的目標(biāo)。因此，DFMA的實(shí)施貫穿了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程，既包括了涉及產(chǎn)品總體的宏觀DFM技術(shù)，如產(chǎn)品平臺(tái)的構(gòu)建、模塊化設(shè)計(jì)、供應(yīng)鏈構(gòu)造等，也包括了與局部的零部件的形狀、尺寸、聯(lián)接方式等有關(guān)的微觀層面的DFM技術(shù)。在總體或概念設(shè)計(jì)階段，可以通過對產(chǎn)品總體布局的調(diào)整和優(yōu)化，如采用一體化設(shè)計(jì)或模塊化設(shè)計(jì)的思想，采用新型材料的功能復(fù)合部件的設(shè)計(jì)，大幅度減少零件的種類。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)制造工藝和設(shè)備要求，對零部件的形狀、連接方式等進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減少制造難度，縮短加工與裝配時(shí)間的目標(biāo)。DFMA可以應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)階段和已有產(chǎn)品的改型優(yōu)化中。在新產(chǎn)品開發(fā)中，設(shè)計(jì)師在概念設(shè)計(jì)中通過減少零部件數(shù)量、簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的方式，來保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)和性能要求，并使產(chǎn)品方便裝配。在產(chǎn)品的改型中，設(shè)計(jì)師通過重現(xiàn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化已有的組件，以優(yōu)化產(chǎn)品的性能，并簡化制造和裝配環(huán)節(jié)。為了最大程度地應(yīng)用DFMA技術(shù)，要求設(shè)計(jì)師必須具有對制造工藝、材料等領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)與工藝人員必須緊密合作以確定最佳的設(shè)計(jì)和制造方案。

4DFMA的技術(shù)方法

在具體的DFMA的實(shí)施中，通常采用以下技術(shù)方案。

•建立并行工程團(tuán)隊(duì)，采用設(shè)計(jì)制造一體化的設(shè)計(jì)模式。

通過建立并行工程團(tuán)隊(duì)，由設(shè)計(jì)與制造工藝人員等共同完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并對產(chǎn)品的材料選擇、加工工藝、裝配過程、檢驗(yàn)方法、維修與維護(hù)過程等進(jìn)行綜合的分析。該方法也稱為工程與制造同步驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)（EngineeringandManufacturingDrivingDesign）。

•建立DFMA的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以手冊、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的形式指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

總結(jié)歸納DFMA的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)。常用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則包括最少零件數(shù)原則、標(biāo)準(zhǔn)化與通用化設(shè)計(jì)、易于加工的零件設(shè)計(jì)、滿足經(jīng)濟(jì)加工能力的精度設(shè)計(jì)原則、易于裝配操作的設(shè)計(jì)原則（方便定位、易于搬運(yùn)、防差錯(cuò)設(shè)計(jì)、方便連接與緊固等）、模塊化設(shè)計(jì)、便于自動(dòng)化制造、便于檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法等。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則通常以手冊、規(guī)范等形式發(fā)放給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參考。

•建立DFMA的指標(biāo)體系和評價(jià)準(zhǔn)則。

實(shí)施DFMA的一項(xiàng)重要工作就是在對已有產(chǎn)品進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，建立適合于企業(yè)自身產(chǎn)品和生產(chǎn)特點(diǎn)的DFMA評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)準(zhǔn)則，如典型零件的加工時(shí)間、典型的裝配操作時(shí)間、材料成本、單位工時(shí)成本等。通過建立適合于企業(yè)自身產(chǎn)品特點(diǎn)和制造資源能力的評價(jià)指標(biāo)體系和準(zhǔn)則，使設(shè)計(jì)與工藝人員能夠快速、準(zhǔn)確地對產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)。如最初的HitachiAEM（AssembilityEvaluationMethod）方法和BoothroydDFA方法，以及之后日本的DAC（DesignforAssemblyCost-effectiveness）、英國的Lucas以及德國的AOPD（Assembly-OrientedProductDesign），都是針對產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)提出的對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的評價(jià)指標(biāo)和準(zhǔn)則。BoothroydDFA方法由美國的G.Boothroyd和P.Dewhurst共同提出，該方法的基本內(nèi)容與步驟如下（：1）選擇裝配方法（；2）計(jì)算理論最少零件數(shù)（；3）估算實(shí)際裝配時(shí)間和成本（；4）計(jì)算DFA指標(biāo)（；5）提出改進(jìn)修改建議。上述方法根據(jù)零部件的材料、形狀、裝配關(guān)系等對影響裝配操作的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行打分評價(jià)，最終通過對多個(gè)方案的比較，進(jìn)行可裝配性的評價(jià)。

•采用計(jì)算機(jī)輔助分析工具，對零件的形狀、裝配過程、制造成本等進(jìn)行分析，對多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和優(yōu)化。

目前常用的工具包括BDI公司的DFMA系列軟件中的DFMCurrentCosting，可以實(shí)現(xiàn)對零件加工成本的計(jì)算，DFAProductSimplification實(shí)現(xiàn)對裝配結(jié)構(gòu)簡化的分析（圖1）；Galorath公司的SEERforManufacturin（gSEER-MFG）可以實(shí)現(xiàn)對制造成本的分析（圖2）；Geometric公司的DFMPro可以實(shí)現(xiàn)與CAD環(huán)境集成的機(jī)加、注塑模具、鈑金成型等零件進(jìn)行幾何可加工性的檢查和分析等（圖3）。

國外航空企業(yè)中DFMA的應(yīng)用

DFMA技術(shù)受到各國政府和研究機(jī)構(gòu)的重視，如美國DoD、DARPA、NIST、NSF、ONR等長期以來一直支持開發(fā)DFM等相關(guān)技術(shù)的研究。在許多國外大型的航空企業(yè)中DFMA技術(shù)也已經(jīng)得到多年的應(yīng)用，并取得了顯著的效果。在洛克希德•馬丁公司F-35的研制中，提出了設(shè)計(jì)時(shí)間減少50%、制造時(shí)間減少66%、加工時(shí)間減少90%、分立零件減少50%、維護(hù)支持時(shí)間減少50%等嚴(yán)格且苛刻的目標(biāo)。因此，在F35中全面應(yīng)用了大量先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及新材料、新工藝。并采用了工程與制造同步驅(qū)動(dòng)的DFM的設(shè)計(jì)模式，最終實(shí)現(xiàn)了將零件數(shù)量減少50%，加工時(shí)間減少95%，制造成本降低50%，取消了裝配緊固件和裝配中的鉆孔，使制造周期從15個(gè)月縮短到5個(gè)月，達(dá)到了每月17架次的生產(chǎn)能力。

如在波音公司，其制造過程中的一個(gè)重大難點(diǎn)是孔加工。以往波音公司每天大約需要加工120萬個(gè)孔。而通過采用DFM的設(shè)計(jì)策略，以焊接工藝替代了原來的鉚接和連接方法，不僅減少了大量孔加工的大型設(shè)備，同時(shí)還提高產(chǎn)品質(zhì)量約20%以上。

在麥道NorthropB-2轟炸機(jī)的研制中也大量采用了基于可制造性的設(shè)計(jì)、制造一體化集成技術(shù)，降低設(shè)計(jì)和制造因返工、廢品和缺陷的故障率60%，縮短研制周期50％以上。在AH64D阿帕奇直升機(jī)研制中采用了可制造性分析技術(shù)，使產(chǎn)品在高速切削、復(fù)合結(jié)構(gòu)裝配和鋁合金的超塑成型加工中具有良好的結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的研制速度、制造質(zhì)量和設(shè)備的利用率。采用DFMA軟件使飛行儀表板的設(shè)計(jì)零件數(shù)從74減少到9，加工時(shí)間由305h減少到20h，裝配/安裝時(shí)間從149/153h縮短到8/153h，減少總成本74%。

據(jù)BDI公司對超過100家采用DFMA技術(shù)的公司的統(tǒng)計(jì)，采用DFMA技術(shù)可以幫助企業(yè)平均減少裝配時(shí)間13%，縮短加工周期17%，減少零件數(shù)量和相關(guān)成本9%，實(shí)現(xiàn)在質(zhì)量和可靠性方面的改進(jìn)22%，縮短上市周期39%。

DFMA在我國航空工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國航空制造業(yè)正在經(jīng)歷快速的發(fā)展，已經(jīng)在核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件上取得了重大突破，并建立了包括先進(jìn)材料加工、數(shù)字化柔性裝配等技術(shù)在內(nèi)的飛機(jī)數(shù)字化制造體系。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造、并行工程、設(shè)計(jì)制造一體化等技術(shù)在航空企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，基于MBD的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、數(shù)字化預(yù)裝配、制造過程仿真等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用為企業(yè)提升設(shè)計(jì)和制造能力提供了有力的支撐。而DFMA作為并行工程的一項(xiàng)核心技術(shù)，也日益得到航空企業(yè)的重視。但是由于DFMA技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)施涉及到設(shè)計(jì)理論、工藝技術(shù)、制造能力、信息化基礎(chǔ)、管理體制等諸多方面，在我國航空工業(yè)整體能力和水平與國際先進(jìn)企業(yè)還存在一定差距的情況下，航空企業(yè)在實(shí)施DFMA中還存在以下的困難。

（1）設(shè)計(jì)水平和制造能力的不足制約了對設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)能力。

我國民用航空還處于起步階段，在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論、工藝技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)等方面還存在一定差距。在實(shí)施DFMA中，不管是根據(jù)制造能力進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，還是對改進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu)采用新的制造工藝和設(shè)備，都需要堅(jiān)實(shí)的設(shè)計(jì)理論和制造能力做支撐。如波音公司通過采用先進(jìn)的攪拌摩擦焊技術(shù)替代了傳統(tǒng)的鉚接，從而減少了大量的孔加工；采用新型復(fù)合材料，減少了生產(chǎn)現(xiàn)場大型制造設(shè)備的使用；采用激光定位技術(shù)大量替代了傳統(tǒng)的定位夾具和裝配工具，這些都是以其雄厚的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、材料技術(shù)和先進(jìn)制造能力為基礎(chǔ)的。

（2）我國航空企業(yè)還處于發(fā)展階段，產(chǎn)品制造周期與制造成本等在設(shè)計(jì)中還未得到足夠的重視。

我國航空企業(yè)目前面臨的迫切問題依然是核心技術(shù)的突破和關(guān)鍵零部件的制造，技術(shù)突破和產(chǎn)品研發(fā)成功的緊迫性遠(yuǎn)高于對成本、周期和效率的要求。因此，盡管一些企業(yè)采用了并行工程、設(shè)計(jì)制造一體化等技術(shù)，但取得的成效極為有限。隨著我國航空業(yè)的不斷發(fā)展，必將逐步走入國際競爭，屆時(shí)將對成本和效率有更加嚴(yán)格的要求。實(shí)施DFMA將是我國航空制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

（3）缺乏有效的手段和方法，難以保證DFMA分析的準(zhǔn)確和科學(xué)。

在我國的航空航天等行業(yè)都建立了與結(jié)構(gòu)工藝性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計(jì)指南和程序文件，對設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)流程等進(jìn)行規(guī)范，建立了各研制階段的工藝檢查和會(huì)簽制度，由工藝人員參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的可制造性問題，提出改進(jìn)的意見和建議。同時(shí)借助加工仿真、虛擬裝配等對制造過程進(jìn)行仿真分析，對制造過程進(jìn)行驗(yàn)證。但是，工藝檢查和工藝會(huì)簽主要基于工藝人員的經(jīng)驗(yàn)，對可制造性難以嚴(yán)格、科學(xué)的定量評價(jià)；仿真分析也一般是在詳細(xì)設(shè)計(jì)的后期，除非發(fā)生重大的制造問題，一般也難以對設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。因此，開發(fā)支持研制各個(gè)階段的數(shù)字化DFMA工具，實(shí)現(xiàn)對可制造性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累，實(shí)現(xiàn)對三維模型的定量分析，實(shí)現(xiàn)對成本、制造周期等的準(zhǔn)確評價(jià)，是保證DFMA成功應(yīng)用于產(chǎn)品研制的重要條件。

結(jié)論

隨著國際航空業(yè)競爭的日益加劇，DFMA已經(jīng)成為國際航空企業(yè)尋求生存與發(fā)展、提升競爭能力的有效手段。我國航空企業(yè)盡管還處于發(fā)展和起步階段，飛機(jī)中的許多核心技術(shù)、核心部件和關(guān)鍵材料及制造技術(shù)還有待突破，實(shí)施DFMA，從產(chǎn)品生命周期的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能真正提升并增強(qiáng)我國航空工業(yè)在制造領(lǐng)域的優(yōu)勢，增強(qiáng)我國航空工業(yè)在國際上的競爭力。DFMA并不是一項(xiàng)獨(dú)立的技術(shù)，需要在先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、新材料、新工藝等基礎(chǔ)技術(shù)的支撐下，通過改變現(xiàn)有的管理體制和流程，改進(jìn)產(chǎn)品的評價(jià)指標(biāo)體系才能取得成功。當(dāng)前數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展為DFMA技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景?；谀Ｐ偷亩x（MBD）、數(shù)字化樣機(jī)、虛擬制造與仿真等技術(shù)，為進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的可制造性、可裝配性評價(jià)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行DFMA相關(guān)技術(shù)研究的領(lǐng)域主要包括總體方案設(shè)計(jì)中的可制造性分析與評價(jià)；基于可制造性約束和知識(shí)的產(chǎn)品建模技術(shù)；面向制造的模型檢查與驗(yàn)證技術(shù)；針對各類制造工藝的結(jié)構(gòu)件可制造性分析與評價(jià)；飛機(jī)數(shù)字化預(yù)裝配與DFA分析；虛擬裝配與仿真技術(shù)。從“十五”、“十一五”到“十二五”，國家已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域資助了大量的DFMA基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用項(xiàng)目。隨著對DFMA認(rèn)識(shí)的提高，以及技術(shù)的不斷成熟與完善，DFMA技術(shù)必將為我國航空制造技術(shù)的快速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。