面向制造和装配的产品开发

 

第二部分：Design For X

 

1. 产品生命周期

产品生命周期包括了产品的开发过程、使用过程和报废回收处理过程。产品开发过程分为产品设计、产品制造、产品装配、产品检测和产品包装与运输。产品使用过程可分为产品销售、产品使用和产品维修与维护。产品报废过程分为产品回收与产品报废。这些过程构成了产品生命周期，如图2-1所示。

2. DFX产生的背景

为了适应变化迅速的市场需求，真正提高竞争能力，现代的制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度（T，Time to Market），最好的质量（Q，Quality），最低的成本（C,Cost）

以及最优的服务（S，Service）来满足不同顾客的需求。

 

3. DFX:面向产品生命周期的设计

DFX是Design For X的简称，其第一层含义是指面向产品生命周期的设计，这里的X指产品生命周期中的任一环节。DFX是基于并行设计的思想，在产品概念设计和详细设计阶段就充分考虑到产品生命周期中的各种要求，包括制造工艺要求、装配工艺要求、检测要求等，使得产品设计与这些要求之间紧密联系、相互影响，将这些要求反映到产品设计中。DFX不再把产品

设计看作是一个孤立的任务，而是利用现代化设计工具和DFX分析工具，设计具有良好工程特性的产品。

目前，比较成熟的DFX技术包括以下方面：

1）DFM（Design For Manufacture 面向制造的设计）。

2）DFA（Design For Assembly 面向装配的设计）。DFM和DFA统称为DFMA（Design For Manufacture and Assembly），即面向制造和装配的产品设计。

3）DFI（Design For Inspection 面向检验的设计）。DFI着重考虑产品、过程、人的因素，以便提高产品检验的方便性。

4）DFS（Design For Service 面向维修的设计）。产品故障确定的容易程度、产品的可靠性、产品的可拆卸性和可重装性等是产品维修主要考虑的因素。其设计原则包括：

Ø 通用化、标准化、模块化设计原则。

Ø 简化产品设计原则。

Ø 可达性设计原则。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。

Ø 易损件的易换性设计原则。

Ø 贵重件的可修复性设计原则。贵重零部件失效后可调整、修复至正常状态，以降低产品的维修费用，减少维修时间，提高维修效率。

Ø 测试性设计原则。

Ø 维修工具原则。尽量使用常规的维修工具，减少需要使用的维修工具种类。

Ø 维修安全性设计原则。

Ø 维修防错原则。如零部件装错了就装不上，增加明显的识别标识等。

Ø 易拆卸性设计原则。

5）DFE（Design For Environment 面向环境的设计）。强调从根本上防止污染、节约资源和能源，关键在于产品设计和制造。包括：

Ø 使用可循环使用、可回收的材料。

Ø 使用对环境友好、污染少的材料；限制产品中铅、水银、镉、六价铬离子、PBBs（多溴联苯）及PBDEs（多溴联苯醚）的使用；尽量避免使用玻璃、金属强化塑料等复合材料。

Ø 优化产品设计以减少材料使用，避免过于稳健的设计致使材料浪费。

Ø 减少使用材料的种类。

Ø 减少产品制造和使用过程中的能源消耗。

Ø 提高产品的可靠性以延长产品的使用年限。

Ø 提高产品的可回收性。

6）DFR（Design For Recycling 面向回收的设计）。包括：

Ø 尽量使用可回收的材料。

Ø 在可回收材料的零件上用清晰的标识进行标记。

Ø 限制喷漆和涂层的使用。

Ø 考虑零件以及材料的回收工艺性。

Ø 考虑回收经济性。

Ø 零件可回收的前提条件是能方便、经济、无损害地从产品中拆卸下来。因此可回收零件的结构必须具有良好的拆卸性。

 

4. DFX:面向各种要求的设计

DFX的第二层含义是面向各种要求的设计，是指在产品的设计中，充分明确和理解产品的各种要求，并设计产品满足这些要求。X指各种要求，包括来自于客户或消费者对产品功能、外观、质量和易使用性等的要求；来自于产品制造的要求；来自于产品装配的要求；产品可靠性的要求和产品成本的要求等。如图2-2所示，DFX的要求包括以下六个方面的主要内容：

5. DFX的内涵

1）DFX体现了并行过程的思想

DFX是一种哲理、方法、手段和工具，体现了并行工程的思想，即在设计阶段尽早地考虑产品生命周期各阶段的各种要求，将有助于提高产品的竞争力。

2）DFX要求团队合作

产品的成功开发并不仅仅是产品设计工程师的职责，而是依赖于整个DFX团队成员之间的团队合作。在产品设计阶段，产品设计工程师要尽早与DFX团队的其他人员进行充分沟通与交流，并设计产品完全满足DFX的各种要求，尽早发现问题并加以解决，避免在产品开发的中后期才发现而造成产品质量降低和成本增加等。

第三部分：产品开发模式

 

 

1. 产品开发模式的进化

1）原始产品开发模式

产品的设计和制造都由同一个人来完成，这样的开发模式被称为原始产品开发模式。“我设计，我制造”是原始产品开发模式的典型特点。原始产品开发模式的生产效率很低。

2）传统产品开发模式

产品开发过程分为产品设计阶段和制造阶段，分别由产品设计工程师和制造工程师负责。在产品设计阶段，产品设计工程师关注的是如何实现产品的功能、外观和可靠性等要求，而不去关心产品是如何制造、如何装配的；当产品设计工程师完成产品设计后，由制造工程师进行产品的制造和装配，这就是传统产品开发模式。传统产品开发模式大幅提高了产品开发的效率。

但是，传统产品开发模式存在着一个致命弊端，那就是产品设计与产品制造之间沟通很少，甚至没有沟通。传统产品开发模式也常被称为“抛墙式设计”。

3）面向制造和装配的产品开发模式

设计与制造并不应该只是简单的先后顺序关系，不应该是“我们设计，你们制造”的关系，而应当是“水乳交融，你中有我，我中有你”的关系。在产品设计阶段必须考虑到来自于制造端制造和装配对产品设计的要求，制造和装配的要求越早介入到设计中，对产品开发越有利。

产品设计工程师和制造工程师有着共同的目标，那就是如何以更低的成本、更短的时间和更高的质量进行产品开发。

4）三种产品开发模式的主要特征

2. 传统产品开发流程

传统产品开发流程包括以下主要阶段：定义产品规格、产品设计、产品制造和装配、产品测试和量产等。

在市场人员提出产品构想，并同各部门人员一起合作定义出产品详细规格后，产品设计工程师进行产品的设计，然后由制造工程师负责产品制造，装配工程师负责产品装配方面的工艺设计，通过相关测试之后，最后进行大批量生产。在进行产品制造、装配和测试等过程中，如果发现问题，就必须返回到产品设计阶段进行产品设计的修改，如图3-1所示。

3. 传统产品开发模式的弊端

传统产品开发模式的主要特征就是“我们设计，你们制造”。产品设计工程师在产品设计阶段没有考虑到制造和装配的要求，造成设计与制造、装配的脱节，所设计的产品可制造性、可装配性差，使产品的开发过程变成了设计、加工、试验、修改的多重循环，从而造成产品设计改动过大、产品开发周期长、产品成本高，同时带来的后果就是产品质量的降低。如图3-2所示。

下面以一个塑胶零件的产品设计来说明传统产品开发模式的弊端。

图3-3 a）所示是一个塑胶零件的原始设计剖面图，通过注射加工工艺制造，这是产品设计工程师在三维设计软件中绘制的图形。

图3-3 b）所示是实际制造的零件成品效果图，零件外部发生了严重的缩水和变形，零件内部产生了气泡，零件的质量非常低。这是由于产品设计与制造脱节，在产品设计阶段完全没有考虑到产品的可制造性。注射加工工艺对零件壁厚有着严格的要求，如果零件壁厚太厚，在零件外表面就会产生缩水和变形、零件内部产生气泡等不良现象。原始的零件设计正是因为壁厚太厚，所以发生了上述问题。

此时就需要做设计修改，把零件壁厚处进行掏空，避免零件壁厚局部太厚，使得零件壁厚满足注射加工的制造性要求，如图3-3 c）所示。由于零件设计的修改，注射模具也需要做相应的修改，产品的开发成本大大增加，产品开发的周期也加长。（本文完）

图3-3 传统产品开发模式

a）原始的零件设计图 b）成品图 c）DFMA的零件设计图
 

第四部分：

面向制造和装配的产品开发模式

 

 

1. DFMA概述

面向制造和装配的产品设计（Design For Manufacturing and Assembly，DFMA）是指在考虑产品功能、外观和可靠性等前提下，通过提高产品的可制造性和可装配性，从而保证以更低的成本，更短的时间和更高的质量进行产品设计。

1）可制造性

零件的可制造性高，说明零件满足制造工艺对零件的设计要求，零件就容易制造，制造效率高、制造成本低、制造缺陷少、制造质量高等；相应的，零件的可制造性低，说明零件不满足制造工艺对零件的设计要求，零件很难制造，制造效率低、制造成本高、制造缺陷多、制造质量低等。

制造工艺包括注射加工、冲压加工、压铸加工、机械加工等，不同的制造工艺对零件设计有不同的要求。

2）可装配性

产品的可装配性高，说明产品的设计满足装配工序和装配工艺对产品的设计要求，产品就很容易装配、装配效率高、装配不良率低、装配成本低和装配质量高等；相应的，产品的可装配性低，说明产品设计不满足装配工序和装配工艺对产品的设计要求，产品很难装配甚至装配不上、装配效率低、装配不良率高、装配成本高和装配质量低等。

 

 

2. DFMA的开发流程

在市场竞争日益激烈的今天，为提高产品质量、缩短产品开发周期、降低产品开发成本等，应当抛弃传统产品开发模式，采用DFMA开发模式，如图4-1所示。

1）定义产品规格

产品规格定义得越清楚、越详细，对之后的产品开发过程指导意义就越大。

2）概念设计

在概念设计阶段，产品设计必须考虑到产品各方面的设计要求，例如来自客户、装配、制造等各方面的要求。如果概念设计考虑不全面，在以后的详细设计中如果发现产品设计还有些要求不能满足，此时再来修改设计必将费时费力。

3）面向装配的设计（Design For Assembly，DFA）

常用的方法包括简化产品设计、减少零件数量、使用标准件、增加零件装配定位和导向、减少零件装配过程中的调节、零件装配模块化和装配防错等。

4）面向制造的设计（Design For Manufacturing，DFM）

根据产品制造工艺的不同，面向制造的设计可以分为面向注射加工的设计、面向冲压的设计和面向压铸的设计等。

5）面向测试的设计

在设计阶段，产品设计工程师需要设计产品满足各种测试的要求，而不是等到产品制造完成之后发现测试不通过时再去修改设计。这就要求在产品规格定义阶段明确定义产品需要通过的测试，然后去理解这些测试要求，并接受测试部门同事的建议，以便在产品设计阶段就设计产品使得产品满足这些测试要求，保证产品在制造完成后通过相关的测试，并最终保证消费者安全可靠地使用产品。

6）面向制造和装配的设计评审

这一步非常重要，特别是当产品设计工程师对某些制造和装配工艺不了解时或者对当前制造装配部门现有制造装配设施和水平不了解时。当然，对于他们的意见，产品设计工程师不能盲目听从，而是需要认真分析，毕竟他们对设计并不了解，只是从他们的角度和利益出发提出建议，产品设计工程师更不能因为他们的一面之词就牺牲产品设计其他方面的要求。

7）样品制作

样品制作作为验证产品设计合理性的一种方法，可以减少设计的错误，从而避免后续模具的反复修改。

8）产品制造

常用的制造工艺包括注射加工、钣金冲压加工、铸造和机械加工等。

9）产品装配

一般来说，产品会经过小批量的试产来发现和解决装配中出现的问题。

10）测试

产品的测试是验证产品是否能够满足相关的测试要求，保证产品的安全性和可靠性。另外，有些产品需要通过相关行业的认证，例如3C认证、TUV认证和UL认证等。

11）量产

当产品没有质量问题，通过相应的测试之后，就可以进行大规模的量产，走向市场。

 

 

3. DFMA的价值

面向制造和装配的产品开发的核心是“我们设计，你们制造，设计充分考虑制造的要求”“第一次就把事情做对”。其四大优点是：产品设计修改次数少、产品开发周期短、产品成本低和产品质量高。如图4-2所示。

1）减少产品设计修改

面向制造和装配的产品开发倡导“第一次就把事情做对”的理念，把产品的设计修改都集中在产品设计阶段完成。

在产品开发周期中，设计修改的灵活性随着时间的推移逐渐降低。在产品设计阶段进行设计修改最为容易，设计修改时间短、成本低，如图4-3所示。

2）缩短产品开发周期

据统计，相对于传统产品开发，面向制造和装配的产品开发能够节省39%的产品开发时间，如图4-4所示。

为缩短产品开发周期、加速产品上市，正确的做法是采用面向制造和装配的产品开发，增加产品设计阶段时间和精力的投入，确保“第一次就把事情做对”。

 

 

3）降低产品成本

产品设计阶段决定了75%的产品成本，面向制造和装配的产品开发同时也是面向成本的开发，这主要通过以下六个方面体现：

Ø 在设计阶段进行成本分析，降低产品成本。在满足产品功能等要求的前提下，选择合适的材料和最经济的产品制造工艺。

Ø 减少设计修改，降低成本。一般来说，设计修改费用在产品开发周期中是随着时间的推移呈10倍增长的。减少产品设计修改，同时避免在产品开发后期进行设计修改，能够大大降低产品成本。

Ø 简化零件设计，降低产品制造成本。零件设计简单与否直接关系到零件制造成本。实现同样功能的一个零件，如果设计简单，制造的成本就低；相反，如果零件设计复杂，制造就复杂，制造的成本就高。

Ø 简化产品设计，降低产品成本。零件数量是衡量产品复杂度的一个指标之一，通过减少零件数量、降低产品复杂度，可以降低零件成本。

Ø 减少装配工序和装配时间，降低装配成本。面向制造和装配的产品开发在产品设计阶段通过选择合适的装配工序、保证产品的可装配性，从而使得产品装配变得简单、有效率、人性化，能够大幅度降低装配时间，减少装配成本。

Ø 降低产品不良率，减少成本浪费。

 

 

4）提高产品的质量

面向制造和装配的产品开发使得产品具有很高的可制造性和可装配性。产品设计在产品开发原始阶段就得到了优化和完善，因此避免了产品在后期制造和装配中产生的质量问题，大大提高了产品的质量。

 

 

4. DFMA与并行工程

并行工程是指集成地、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。并行工程的目的是提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

可以说，面向制造和装配的产品开发是并行工程的核心部分，是并行工程中最关键的技术。

第五部分：DFMA的实施

1. 实施的障碍

面向制造和装配的产品开发能够降低产品成本、提高产品质量、缩短产品开发周期，但是，由于传统产品开发思路和各种条件的限制，实施面向制造和装配的产品开发面临着不少的障碍，主要有以下方面：

1）轻视产品设计

一些企业轻视产品设计，对产品设计不重视，认为产品设计不重要，不愿意在产品设计阶段投入时间和精力。时间就是金钱，为了争取缩短产品上市时间，企业千方百计压缩产品设计的时间和精力，当然这种做法的结果是事倍功半、适得其反。

2）错误的产品质量观念

一些企业认为产品是制造出来的，产品质量就等于制造质量，这是不全面的、有偏颇的产品质量观念。产品质量不只是制造出来的，更是设计出来的。

3）没有面向制造和装配的产品开发意识

目前已经有很多企业在传统产品开发的基础上，在产品设计阶段就注重产品设计的可制造性和可装配性，但是这些往往是产品设计工程师们根据以往产品开发的经验和教训产生的下意识的做法，并没有系统性地去考虑产品设计的可制造性和可装配性，与真正的面向制造和装配的产品开发尚有一段距离。

4）面向制造和装配的产品开发需要团队合作

对于产品设计工程师来说，面向制造和装配的产品开发不但要求产品设计工程师在设计时考虑产品的可制造性和可装配性，还需要制造和装配等部门的工程师针对产品设计从制造和装配的角度提出意见。产品设计工程师需要认真地分析这些建议是不是真的对产品的可制造性和可装配性等有所改善，需要在各个方面取得平衡。因此，面向制造和装配的产品开发需要团队合作，实施起来并不容易。

5）缺乏面向制造和装配的产品开发人才

面向制造和装配的产品开发对产品设计工程师要求高，产品设计工程师既要能够把各种产品设计要求转化为产品设计，同时又需要熟悉产品制造和装配的工艺。对于产品设计工程师来说，这需要时间和经验的积累。

6）制造的错误定位

在产品开发产业链中，制造常是作为设计的一个供应商出现，于是产品设计工程师理所当然地认为，设计出什么样的产品，供应商就应当制造什么样的产品。而且，有些时候供应商明明知道产品设计不合理，制造出来的产品不可能满足设计要求，但为了得到订单，往往会一开始就满口应承。在这样的情况之下，产品设计常不考虑制造的需求，但是当产品制造出来后就悔之晚矣。

7）“客户第一”原则的错误影响

“客户第一”“客户至上”，这是很多企业面对客户时所秉承的原则。在面对客户要求时，总是想方设法去满足，而往往会忽略产品的可制造性和可装配性。但是，“没有可制造性和可装配性，再好的产品也无法实现”，到头来客户的要求得不到满足，当初的承诺没有实现，客户会更加不高兴，这反而会失去客户；或者，产品具有可制造性和可装配性，但成本较高，企业没有利润，这样的产品开发也没有意义。如果在开始面对客户的要求时，不是一口应承，而是结合产品的可制造性和可装配性，综合分析，有理有据，纵然客户的要求不能全部满足，但客户一定会为工程师的专业度所折服，并不会因此而不高兴，这才能实现企业与客户之间的双赢。

 

 

2. 实施的关键

为提高产品质量、缩短产品开发周期、降低产品开发成本，企业实施面向制造和装配的产品开发的关键有如下几个方面：

1）转变思路

产品设计工程师应该改变产品开发以设计为主的想法。产品并不是想怎么设计就怎么设计，产品设计固然需要一些创新，但同时也必须遵循产品制造和装配的规律。产品设计工程师应当从“我们设计，你们制造”转变为“我们设计，你们制造，设计充分考虑制造的要求”。

而对于企业来说，应当改变企业以往“重制造，轻设计”的思想，加大对产品设计的投入，同时支持企业实施面向制造和装配的产品开发。

2）建立面向制造和装配的产品开发团队

除了产品设计工程师之外，产品开发团队还需要包括制造和装配的工程师等。产品制造和装配的技术纷繁复杂、日新月异，产品设计工程师并不可能都完全掌握，而且也不是这方面的专家。因此，面向制造和装配的产品开发必须寻求制造和装配工程师的帮助，进行团队合作。

3）实施面向制造和装配的产品开发流程

改变产品开发流程不是一件容易的事情，涉及多个部门之间的团队合作，这需要企业高层的支持。面向制造和装配的产品开发流程的具体实施则依赖项目工程师的管控。项目工程师应当理解面向制造和装配的产品开发的内涵，制订合理的产品开发进度，组建产品开发团队参加面向制造和装配的产品开发讨论，在产品设计阶段就完善产品的设计。

4）进行面向制造和装配的产品开发培训

针对产品设计工程师的面向制造和装配的产品开发培训必不可少。另外，在有条件的情况下，把产品设计工程师派到设计的后方去（例如，零件注射车间和产品装配线等），让产品设计工程师亲身参与和体验产品的制造和装配过程。在日本，产品设计工程师往往只有在工厂工作一段时间，充分理解产品的制造和装配过程之后，才有机会从事产品的设计工作。

5）使用面向制造和装配的产品开发检查表

尽管面向制造和装配的产品开发需要团队合作，但产品开发工程师仍然承担着主要的责任。面对纷繁复杂的设计要求，产品设计工程师常会顾此失彼，很可能因为一个微小的设计失误造成产品开发的失败。

在产品设计阶段，利用面向制造和装配的设计检查表（如图5-1所示），可以系统化地检查产品设计是否具有很好的可制造性和可装配性，从而确保产品设计万无一失。当然，不同企业针对其产品不同的测试或者其他要求，还可以在设计检查表中加入更多的内容。