面向装配成本的设计研究.pdf

第 2 8卷第 1 0期 2 0 0 7 年 l 0月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e J V0 1 ． 2 8 N o． 1 0 O c t ．20 07 面 向装配成本 的设计研 究 曹连民 。黄德杰 。肖兴媛 1 ． 山东科技大学，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ；2 ． 山东科技大学，山东 泰安 2 7 1 0 0 0 摘要 通过对面向成本的设计和面向装配的设计分析 ，提 出了面向装配成本设计的概念模 型，通过对产品装 配成本估算 方法的研 究，提 出了产 品装配估 算策略和 降低 装配成本 的设计 原 则 。 关键词 装配；成本 ；估算；模型 中图分类号 O 2 1 3 ；T B 1 1 4文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 7 1 0 0 0 2 7 0 3 S t u d y 0 n De s i g n o f Fa c i n g As s e m b l y Co s t CAO L i a nmi l l 。HUANG Dej i 。XI AO Xmgy u a n 1 ． S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 。 Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0 。C h i n a ； 2 ． S h a n d o n g U n i v e rs i t y o f Sci e n c e and T e c h n o l o gy。 T a i ’ an 2 7 1 0 0 0 。 C h i n a Ab s t r a c t Pr o p o s e s t h e c o n c e p t u a l mo d e l o f f a c i n g t h e a s s e mb l y c o s t d e s i g n t h rou g h t h e a n aly s i s o f f a c i n g c o s t d e s i gn a n d ass e mb l y d e s i gn ，p r o p o s e s t h e e s t i ma t e s t r a t e g y o f p r o d u c t ass e mb l y an d t he d e s i gn p r i n c i p l e o f r e d u c i n g ass e mb l y c o s t t h rou g h t h e r e s e a r c h t o t h e e s t i ma t e me t h od o f p r o d u c t ass e mb l y c o s t ． Ke y wo r d s ass e mb l y；c o s t ；e s t i ma t e；mod e l 0引言 装配是产品生命周期的重要环节 ， 是产品功能 实现的主要过程。在产品生产 过程 中， 装配工作量 占整个制造工作量 的 2 0 ％ 一7 0 ％， 装配时间 占整个 制造时间的 4 0 ％ 6 0 ％， 而装配成本则 占整个生产 成本的 3 0 ％ 一5 0 ％。因此在产 品开始设计 的过程 中， 努力探索装配成本预测 、 装配成本估算 和装配成 本分析的理论和方法是十分有意义的。 面向装配成本 的设 计是实现面 向成本 的设计 D F C 和面向装配的设计 D F A 的重要组成部分 ， 是 并行工程的重要使能工具 ， 代表着并行工程研究的 发展方向。装配成本估算问题是面向装配成本设计 液压轴对给定的阶跃参考输入信号的位移输出 响应无振荡 ， 超调量小于 1 ％， 输出达到与稳态值 的 误差小于 1 ％所需要 的调整时间大约为 1 4 0 m s 。位 移稳态控制精度达到 0 ． 0 5 m ／ T l ， 满足实际生产要 求的 0 ． 1 m ／ T l ， 单轴伺服周期接近 1 0 0 s ， 实时性 比 常规快了 1 0 0 倍 以上 。 6 结语 1 该算法相对简单实用 ， 本质上不要求系统 有精确 的数学模型。 2 将传统的数字式 P I D的优点与模糊控制理 论的灵活性 、 自适应性优点相结合 ， 是基于模糊推理 的 P 1 D参数 自整定 ， 可以满足运动控制系统 的变参 数 、 非线性 、 现场干扰强等不利因素的要求。 3 相应算法在铜管表面铣削加工设备上进行 了运行考核 ， 显著减少 了原来纯数字 P I D控制时系 的关键技术 ， 实现装 配成本参数在整个装配设计过 程中 的传递 能 真正 意 义上 实 现 面 向装 配成 本 的 设 计 。 1 面向成本的设计 面向成本的设计是在设计阶段 ， 对产品进行设 计时 ， 在满足用户功能需求 的前提下， 尽可能地降低 产品成本 ， 提高产品的性能价格比， 使设计出的产品 既具有高的性能又具有好的技术经济性。在产品设 计阶段 ， 通过分析和研究产 品加工 、 装配过程及其相 关的销售、 使用 、 维修、 回收和报废等产品全生命周 期中各个部分 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 ， 统不稳定因素带来的影 响， 实现了较理想的预期效 果 。 参考文献 [ 1 ] 赖 寿宏 ． 微型计算机控制技术 [ M] 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 0． [ 2 ] 刘金琨 ． 先进 P I D控 制 MA T L A B仿真 E M] ． 2版 ． 北京 电子工业 出 版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 李有善 ． 模糊控制理论及其在过程控制中的应用 [ M] ． 北京 国防 _丁业出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 4 ] 戎月莉 ． 计算机模糊控制原理及应用[ M] ． 北京 北 京航 空航天大 学 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 5 ] 李秀艳 ． 非晶成带机控制系统研 究[ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 0 6 5 7 6 6 7 6 8． 作者简介 何刘宇 1 9 8 2 一 ， 上海人， 河南科技大 学机电工程学 院研究 生， 研究方 向 机 电系统智能控制 ， 电话 0 3 7 9 6 4 2 4 4 0 8 9 ， 电子 信箱 z il o n g 6 4 4 2 s i n a ． e o m． 一 2 7一 收稿 日期 2 0 0 7 ． 0 3 ． 2 8 维普资讯 V o 1 ． 2 8 N o ． 1 0 面向装配成本 的设计研究曹连民， 等 第 2 8卷第 1 0 期 以达到降低产品成本 的设计方法。 D F C的主要特点是 在产品开发中， 将成本 与产 品的性能 、 精度和可靠性等一起作为重要 的参数同 时考虑； 在产品开发的整个生命周期内考虑成本问 题； 确保在设计阶段向产品设计人员及时反馈成本 信息， 以便设计人员采取相应的控制措施。 D F C研究的主要内容 对全生命周期成本进行 分析 ， 提取相应的与成本有关的设计特征 ， 建立全生 命周期成本数据库 和成本估算方法库 ； 分析设计过 程和模型 ， 在不同的设计模型中提取与全生命周期 成本有关的设计特征， 为成本估算提供设计方面的 信息； 依据市场情况进行设计和成本的平衡， 寻求最 佳的性t i ps ／ 价格 比； 与其他 D F X工具的集成。 2 面向装配的设计 面向装配的设计是一种针对装配环节的统筹兼 顾的设计思想和方法， 它是在产品设计过程 中利用 各种手段如分析、 评价、 规划、 仿真等充分考虑产品 的装配环节以及与其相关的各种 因素的影 响， 在满 足产品性能与功能 的条件下改进产品的装配结构 ， 使设计出的产品可 以装配 ， 并尽可能降低产品的装 配成本和产品总成本。D F A将装配准则集成到产品 的设计过程 中， 其 目标是引导设计者设计容易装配 的产品， 并且从装配角度优化产品的设计 ， 以获得最 低的装配成本和最短的装配时间。 D F A评价的主要思想在于 在满足产品给定功 能要求的基础上， 尽量减少组成产品的零件数， 精简 产品结构 ， 减少产品装配难度 ， 从而提高产品的可装 配性。同时 ， 由于零件数 目减少 ， 产品零件形状复杂 性必将相对提高， 引起零件加工难度和加工成本 的 提高 ， 即可加工性 的下降 。这样 ， 如果为 了降低成 本 ， 一味追求产品可装配性的提高， 必将适得其反， 引起总的制造成本增加。因此 ， 必须兼顾 2 方面 ， 在 进行可装配性评价的同时 ， 应考虑设计的可加工性 ， 降低零件的制造成本 ， 使总的成本达到最少。 3 面 向装配成本设计的概念模型 面向装配成本设计的概念模型是实现面向装 配 成本的设计的抽象和概括。面向装配成本的设计方 法的出发点是在产品装配设计阶段为设计者提供支 持工具 ， 使得设计者能够及 时获得产品的装配成本 ； 通过对产品技术经济性评价， 设计者根据成本原因， 及时进行设计修改 ， 从而达到降低产品装 配成本和 产品总成本的 目的。 随着数字化产品建模、 成组技术、 产品数据管 理 、 C A D ／ C A P P ／ C A M等相关技术的 日趋成熟 ， 在统一 的数字化产品模型 的支 持下 ， 在设计 阶段考虑产品 的装配成本 ， 建立可评价产品装配成本的集成设计 系统已成为可能。面向装配成本设计的概念模型即 是以并行工程的思想为指导 ， 在相关技术的支持下， 实现在产品设计 阶段对产品的装 配成本估算 ， 从而 达到辅助设计人员优化设计的 目的。 面向装配成本设计的概念模型如图 1 所示。 l 重 I 功能结构模 ‘ 丽 数据库和知识存取与管理 图 1 面向装 配成本设计 的概念模型 4 产品装配成本的估算方法 成本估算是产 品成本研究的起点 ， 有关成本其 他方面的研究都 以成本估算为基础。产品装配成本 的估算方法总结起来主要有 以下 3种 传统的装配 工艺分析法 、 回归分析法和人工神经网络法 。 1 传统的装配工艺分析法 这种方法是在对装配工序及步骤分析 的基础 上 ， 利用以往的实际数据 ， 得出各装配相关量与装配 成本的经验公式进行装配成本计算 。常见的装配系 统分为以下 6 种 M A 一手工装配， 操作者利用简单 的工具 ， 没有 机械设备的辅助 ； M M 一半手工装配 ， 操作者有机械设备的辅助 ， 主要是传送机 ， 以减少装配时间； A 卜 同步传送设备用 于材料 的处理 ， 带有专用 工作头和部件传送机的装配机 ； A 卜 自由传送 非 同步 材料处理 系统 ， 带有 专 用工作头和部件传送机的装配机 ； A 通用 可编程 操作器 和非同步材料处理 系统 。本系统适用于不同的产品 ； A R 一单独的机器人工作站 ， 2个 机器臂在 同一 工作站交替工作 。 这种方法的优点是 准确、 明晰 ； 各分量对成本 的作用关系很 明确 ， 对装配有指导性意义。尤其对 于设计人员可以根据该经验公式， 在设计阶段保证 产 品性能要求不变的情况下 ， 减少对成本影 响大 的 因素 ， 从而降低成本。 一 2 8一 l [ 一 维普资讯 第 2 8 卷第 1 0期 面向装配成本的设计研究 曹连民， 等 V o 1 ． 2 8 N o ． 1 0 缺点是 该方法只能适用于静态系统 ， 不能快速 地随着装配设计 的改变而改变 ， 一旦装配设计有所 变动 ， 则必须在新设计的基础上 ， 重新对装配进行分 析 ， 以得 出新的经验公式 。 2 回归分析法 目前， 很多领域尤其是成本估算方面 ， 都运用了 回归分析法。 它的优点是 模型简单 ， 更新速度快 ， 有 明确 的 数学表达式。成本与其相关因素之问的关系由表达 式明确表达， 有助于设计者在设计阶段有侧重地考 虑成本 。对实 际问题 的发展趋 势有一定 的预测功 能 ， 能够指导具体的生产过程。 主要缺点是 由于回归分析法需要对 问题事先 归纳出其可能的函数形式 ， 再对其 中的参数进行估 算。这样在归纳 函数形式 的时候 ， 势必会 由于函数 形式 的不准确造成某些有用信息 的损失 ， 产生较大 误差 ， 降低了模型的准确度 。设计方案有变动时 ， 必 须根据新方案重新建立成本方程 ， 对 已有模 型没有 继 承性 。 3 人工神经网络法 近来 ， 有很多学者探索将人工神经 网络用 于产 品的装配成本 的估算。A v r a h a m S h t u b和 Y o a v Z i m e r ． m a n在运用 B o o t h r o y d的分类 的基础上 ， 分别对 6种 理想情况 中的装配系统进行了装配的成本估算。但 是 ， 仅仅停留在理论 的研究上 。利用 B o o t h r o y d提出 的装配成本 的经验公式产生数据 ， 进而训练网络 ， 得 出了较好的结果 ， 但是没有针对某种实际生产 中的 产品装配进行研究。 5 装配成本估算策略 在产品数据管理系统 P D M 和 C A D等计算机 应用系统 的支持下， 建立基于并行工程 ， 符合 自顶而 下设计思想的产品装配模型， 根据产品设计 的特点 ， 分析与产品装配成本有关 的关键特征 ， 并建立适合 不同设计阶段的产 品装配成本估算模 型， 利用人工 智能方法 ， 多级权衡协调多种成本估算方法 ， 借助多 种成本估算方法的综合运用 ， 寻找最佳的估算结果 。 针对早期设计阶段数据贫乏的情况 ， 采用模糊数学 中的欧氏距离来表达参 数样本之间的相关性 ， 提高 设计早期 阶段产品成本估算 的精度 ； 产 品的详细设 计阶段和施工设计阶段 ， 建立基于产 品结构树和二 又树的产品估算模 型， 对产品的装配成本进行分 析 估算。 6 降低装配成本设计的原则 产 品的装配成 本取决于零部件 的装配难易程 度， 而零部件的装配难易程度取决于零部件 的装 配 特征， 产品的装配 序列 以及装配资源对产品 的装配 成本也有直接影响。实现装配合理化的方法主要是 通过在产品设计 过程的不 同阶段 中， 考虑产品系列 和变形 、 产品结构和零部件 的几何特征对装配效率 、 总的装配时间、 装配成本劳动力率和装配系统利用 率的影 响， 使产品的设计不仅满足用户需求 ， 而且易 于装配。 降低产品装配成本设计的基本原则有 1 尽可能减少零部件数 目 减少零部件数 目意味着减少后期制造和维修的 全部费用 ， 它是降低产品成本的最重要因素 ， 但应注 意 的是减少零部件数 目的同时不应使合并后的单个 零件的制造成本过高 。即应当确保不出现形状太复 杂或太笨重以至于难以装配和制造的情况。一般来 说 ， 减少零件数量和类型的最好方法是取消功能重 复的零件或设计多功能复合的零件。 2 使产品结构和零部 件结构尽可能地易于装 配 为使产品易于装配 ， 应采用标准化 、 模块化 、 积 木块式的产品结构 ； 尽量减少联接件 ， 减少装配表面 和装配方向 ， 使零部件有一定的柔性 ， 加强零部件的 对称性能 ， 将新产品中与原产品相 比有变化 的结构 尽量晚地引入装配系统等 。装配方向最少是指所有 的零件应尽可能在 同一方向上进行装配 ， 在 自动化 装配中 自上而下的装配方 向应是优先考虑 的。 7 结 语 本文对面 向成本设计 D F C 中的装 配成本部分 进行 了研究 ， 通过对产品装配建模和不 同设计 阶段 成本估算方法的研究 ， 提出了产 品装配估算策略和 降低装配成本 的设计原则。提高 了产品不同设计 阶 段装配成本的估算精度 ， 使装配成本估算贯穿于整 个设计过程 ， 以便 在产 品设计 的每一阶段都能进行 经济性和技术性指标 的综合评价 ， 以得到最佳的设 计方案， 达到降低产品成本的目的。 参考文献 [ 1 ] 王先逵 ． 自顶 而下的产 品装配建模 系统研究及实现 [ J ] ． 清 华大学 学报 ， 1 9 9 8 ， 3 4 4 1 21 4 ． [ 2 ] 张 帆， 张友 良． 面 向 自顶 而下设计 的装配模 型研究 [ J ] ． 机械科学 l卜技术 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 2 ， 1 4 0 71 4 0 9 ． [ 3 ] 刘志峰 ， 刘光 复 ． 面 向装配 的产 品设 计方 法研究 [ J ] ． 机 械设计 ， 1 9 9 6 2 91 1 ， 4 ． 作者简介曹连民 1 9 7 8一 ， 山东陵县人 ， 在读博士 ， 讲师 ， 现从 事机械设计 制造及 其 自动化专 、 {k 的教学与科研工作 ， 发表论文数篇， 电话 0 5 3 28 8 0 3 2 6 5 8 ， 电子信箱 e l m t u s t ． e d u ． e n ． 一 2 9一 收稿 日期 2 0 0 7 0 6 0 7 维普资讯