面向制造和装配的自动生产设备设计相关研究

面向制造和装配的自动生产设备设计相关研究

张国军

东莞新友智能科技有限公司 广东东莞 523000

[摘要]在产品设计界有一个成本理念即设计阶段影响产品整个成本的70%，从成本角度考虑产品设计中必须确保产品设计理论成本最低，在产品设计过程尤其在是在自动化产品设计中，在保证设备外观、功能和稳定性等前提下，通过对设备的可制造性和可装配性的改善可以有效的降低成本、提升装配效率、提高产品质量、减少产品修改的次数；在设计阶段充分评估加工及装配的要求。故本文主要围绕着面向制造及装配自动化生产设备总体设计深入研究，仅供参考。

[关键词]面向制造；面向装配；机械制造；DFMA；成本降低；

前 言

自动化生产设备在整个开发过程分产品设计和产品制造两个主要大的阶段，在产品设计阶段工程师更多的关注产品功能的实现、外观和可靠性等要求，对于零件、部装的可加工性和可装配性不会有过多的思考，尤其是在概念设计到样品制作阶段，成本多由此阶段决定，当设备设计过程结束进入产品制造阶段，制造工程师只关注产品的可制造性，对前端的成本没有定量和定性的认知，导致对产品的功能、外观和稳定性没有任何把控，成本持续居高不下，后期维护呈较大工作量等。因而，把成本控制在概念设计到样品制作阶段有效减少设备成本，面向制造及装配自动化生产设备设计非常有必要。

1、面向制造及装配设计概述

1. 1. 在产品开发前端的设计层面

可有效的减少设备在设计过程中的修改次数，提升设备的可制造性和可装配性,能很好的优化产品制造和装配的过程，让制造过程更加顺利,减少设计修改的可能,在设计阶段进行材料和工艺的选择分析、成本分析、进行面向制作及装配的设计（DFMA）、讨论、评审，反复进行；把设计修改放在CAD数据上,借助计算机辅助设计手段，增加设计修改的灵活程度，跳出传统的产品开发设计的怪圈，利用面向制造和装配的产品理念。

1. 2. 缩短设备研发周期

设备在整个开发周期内包含设备设计、加工制造、装配、调试、样机评估、迭代设计、重复样机、市场试用、量产等阶段组成.而设计时间占据研发周期的55%,如果按传统的开发手段，制造过程中修改及上市处理客诉的时间远大于设计时间，甚至导致设备研发失败；利用面向制造和装配的设计方法，将时间和精力更多的投入在产品设计之中，相较传统的装备开发,会缩短39%的开发周期，有效的缩短样机制造及评估，提升试用的客户体验。

1. 3. 降低设备设计、制造、装配、售后成本

利用DFMA手段，将设计修改集中在设计修改、制造浪费等全部集中在花费最少的设备设计阶段,有效降低成本,还可简化设备部装构架，减少零件种类；降低加工工艺要求，缩减装配工序和装配时间,压缩装配人工及工序投入;提升产品良率,增加设备稳定性，减少售后成本。

2、面向制造及装配的设计基本规范

首先，功能模块内减少或消除零部件，将功能部件整合为一个零件为终极目标，功能相似的零件进行合并，需要对称组合实现功能的零件进行合并，减少零件的加工工艺,同一零件功能多元化，不额外增加零件易辨识性装置，利用新技术消除此零件；第二，优化减少紧固件数量和类型，整个设备最好适用一种紧固件，巧用卡扣和零件本身的机械形状折边替代紧固件，紧固件选用一体型，减少装配工艺，必要螺丝禁锢位不设计单独螺母配套使用，选用市场通用标准化螺丝选用用内部标准化范围内的螺丝，消除紧固件；第三，企业标准化，减少非标零件缩减开发周期和人员投入，批量开模制造，制订常用零件的标准库和零件优先选用表,并在企业内部不同产品之间实行标准化策略，缩减企业的供应商数量，建立相互信赖的供需关系；第四，设备实现模块化设计及加工，应用模块化设计复杂设备被划分为多个功能模块,减少设备结构和设备总装配时的装配工序，可实现模块化功能检证，提早在总装前发现问题；第五，装配过程中避免大零件以小零件为基座进行组装，实现“金字塔”的装配过程，在台面上上平稳的进行组装；第六，零件在装配过程中易于抓取，避免零件有锋利的边角、抓取打滑、零件过小、零件过软等问题；第七，减少装配过程中对工件的翻转，设计必要的装配预导向，减少装配过程中位置不确定的安装，消除装配过程中的零件相互干涉，杜绝装配过程中零件与工具干涉问题；第八，设计重要零部件装配过程中的限位特点，防止零件欠约束和过定义，满足需求的前提下放宽零件的公差要求；最后，做好防呆设计，确保零件装配过程中的唯一位置，优化装配人机工学，提供足够的装配视野和空间。

3、面向制造及装配的设计开展

3.1 在设计要求层面

结合现有调查资料可了解到，自动化生产设备具体开发设计节点，设计费用通常占据70%以上，要求设计自动化生产设备过程，促使设计、制造和装配各项活动密切联系。但未重视对于自动化生产设备实际制造及装配调试过程、加工工艺、后期维修检验各层面后续设计节点，让自动化生产设备总体设计开发周期延长，无法保证总体质量，物力及人力各项资源浪费严重。对此做到如下几点：首先，设计思维的转变：工程师必须在设计充分考虑制造和装配成本占比，企业将成本关注点从制造转向设计，增加多设计人员福利和关注，促成面向制造和装配的设计团队转型引进建立完整的开发流程体系；其次，加大面向制造和装配的设计团队的培训工作，完备人才体系，使一群人具备DFMA的思维；最后，让设计人员深入工厂了解制造的过程和成本的构成，同时建立健全的设计评审机制，减少制造过程中的设计修改。

3.2 在设计思路层面

设备设计初期，应着重考虑到产品的零部件可制造性、装配效率提升相关问题，将面向制造及装配自动化生产设备总体设计成本有效降低。具体设计过程包含两个层面内容，即为面向于制造设计、面向于装配设计。初期设计或概念设计节点，设计者应着重考虑到自动化生产设备可制造性，即经面向于制造设计，确保自动化生产设备各项功能能够实现^[3]。设计自动化设备零部件过程，所需着重考虑问题则是设备各个零部件总体结构可装配性情况，优化自动化生产设备内部所有零部件，确保零部件实际装配效率能够得以提升，且保证其能够满足于自动化生产总体运行需求，将零部件实际装配过程所用种类及数量尽可能地减少，促使面向制造及装配自动化生产设备总体设计成本得以降低。相比较传统经验型设计，面向制造及装配自动化生产设备总体设计方法之下，自动化生产设备内部零部件实际用量可节约30%~70%左右，后期装配时间也得以有效缩短，基本上可缩减至原有装配操作所需时间一半以上，面向制造及装配自动化生产设备整个设计开发周期大幅度缩减，待设计开发完成后，自动化生产设备可尽快投放使用，总体设计效率均可全面提升，开发成本及其劳动强度显著降低。

结语

综上所述，通过面向制造及装配的设计用于自动化生产设备研发过程，旨在对占成本5%的概念阶段、设计阶段依托计算机辅助设计实施减少零件数量、缩减紧固件种类、利用标准化、模块化设计加工、优化装配顺序等8个手段来优化设计文件，做到降低加工工艺、提升零件良率、杜绝装配返工、优化装配工艺、减少装配工序，促使科学合理的成本降低的同时提升用户体验、提高设备稳定性、减少售后成本。如此可将70%设计控制的成本做到更可控，提升设备市场竞争力，此文观点可为部分初创或OEM往ODM转型的企业提供参考。

参考文献

[1]牛文婷,张志勇,王晓东,等.面向生产线的全自动微小零件装配系统研制[J].内燃机与配件,2019,14(017):411-412.

[2]王江,郭芸麟,赵伯伦,等.面向制造与装配的住宅定制设计研究[J].室内设计与装修,2021，28（012）;333-334.

[3]徐锋,贾广跃,杨龙,等.面向制造全过程的转向架装配制造仿真[J].制造技术与机床,2020,39(012):519-520.