对自行车安全警示灯基于DFMA的改进.docx

CAD/CAM 制造信息化技术的理论及应用课程设计（论文）CAD/CAM 制造信息化技术的理论及应用课程设计（论文）对自行车安全警示灯基于DFMA的改进小组成员：周宇、高巍、周姝、王永指导教师：于华 2006年11月30日摘 要本文讲述的是对于一款自行车安全尾灯基于DFMA技术的分析与改进。首先对该车灯的功能进行了简单的描述，对车灯的结构进行了分析，然后基于DFMA技术，从产品的设计与装配两个角度对车灯进行了改进设计。本文采用CATTIA设计工具，对原始灯型及改进后的灯型进行了软件环境下的建模，通过实物对比，直观准确地说明了基于DFMA技术的分析与改进。在改进过程中，本文从装配时间，设计制图，工艺制造，力学分析等角度对车灯的改进进行了详细的DFMA分析，实现了对车灯电路板固定方式，灯体与座管连接器的固定方式的改进，从材料成本，装配成本，模具成本三方面对产品设计进行了DFMA优化，一旦应用于实际生产，这必将大大降低产品成本，实现生产商的利益最大化。关键词：DFMA 尾灯 分析 改进ABSTRACTAn analysis of the lamp fixed on the back of a bicycle for an alert is presented with a focus on its components and their functions, materials, and other specifications. The methods and paradigms used the analysis of manufacture, assembly, materials selection, cost, times, and other factors followed, and a Design for Manufacture and Assembly (DFMA) method was fully taken into consideration during the process.Keywords: DFMA, Flash Light, Analysis, Change前言目 录第一章 前言11.1自行车警示灯简介11.1.1功能11.1.2 使用方法11.2 DFMA研究的目的和意义2第二章 车灯原形分析32.1 零件32.1.1 座管套（图2-1）32.1.3 卡子（图2-3）42.1.4 灯座（图2-4）42.1.5 电路板（图2-5）52.1.6 反光板（图2-6）52.1.7 灯罩（图2-7）62.1.8 其他附件（图2-8）62.2 装配7第三章 用DFMA进行改进93.1 概述93.2 针对电路板与灯座连接的改进93.2.1 设计思想93.2.2 设计图113.2.3 力学分析183.2.4 制造工艺193.2.5 前后对比193.3 针对灯座与车坐杆的连接203.3.1 设计思想203.3.2 设计图213.2.3 力学分析243.2.4 制造工艺253.2.5 前后对比26第四章 结论27参考文献28致谢2830第1章 前言1.1自行车警示灯简介1.1.1功能本产品用于在夜晚行车时使用，警示行人、车辆避让，以防撞车事故的发生。（图1-1）图1-1 产品功能1.1.2 使用方法安装电池后将警示灯固定在座管上，灯内包含3个发光二极管。轻按按钮，三个二极管同时闪烁；再次按下按钮，三个二极管依次闪烁；第三次按下，灯常亮；第四次按下，灯熄灭。1.2 DFMA研究的目的和意义DFMA, Design For Manufacture and Assembly, 是面向制造和装配的设计，目的是改进设计，是设计的零部件便于制造和装配，从而提高生产效率。它能够为企业生产提供有效的支持；保证良好的开放性、可集成性和可重构性；保证现有投资的长期性；保证安全性和保证信息工程的高效及低成本。在产品设计的早期阶段考虑与制造有关的约束，指导设计师进行同一零件不同材料和工艺选择，对不同制造方案进行制造时间和成本的快速定量估计，全面比较与评价各种设计与工艺方案。因此设计团队根据这些定量的反馈信息，在零件的早期设计阶段就能够及时改进设计，确定一种最满意的设计和工艺方案。从而在产品开发过程中减少了所需零件数（从而精简产品结构）、改进了装配性能、降低了产品成本，提高了生产效率。在本次设计中，我们将通过对自行车安全警示灯的DFMA设计，深刻认识DFMA，从而掌握这种设计方法。车灯原型分析第2章 车灯原型分析2.1 零件自行车警示灯由一个座套管、一个T型连接器、一个卡子、一个灯座、一块电路板、一块反光板、一个灯罩、一组螺栓螺母、两对螺栓组成。下面一一进行介绍。2.1.1 座管套（图2-1）图2-1 座管套模型图座管套的材质是塑料的。将自行车警示灯固定在自行车上合适的位置。两端有孔便于螺母穿过。2.1.2 T型连接器（图2-2）图2-2 T型连接器模型图T型连接器的材质是塑料的，用于连接卡子和座管套，一端有槽，一端有孔。2.1.3 卡子（图2-3）图2-3 卡子模型图卡子的材质是塑料的，它一端穿过T型连接器一端的槽，与T型连接器相连，T型连接器可在卡子上滑动；另一端有两个小孔，可以通过一对螺钉与灯座相连。2.1.4 灯座（图2-4）图2-4 灯座模型图灯座的黑色部分的材质是塑料的。灯座底部有一个大孔和两个小孔，大孔用于放置开关，两个小孔便于用螺钉固定卡子；底座内部有两个小凸起，凸起上有小孔，便于用螺钉固定电路板；另外，还插入了一组跟电池接触的金属片。2.1.5 电路板（图2-5）图2-5 电路板模型图电路板上留有两个小孔，便于用一对螺钉将其固定在灯座内部的小凸起上。同时，电路板上焊接有LED灯，是唯一的发光元器件。2.1.6 反光板（图2-6）图2-6 反光板模型图反光板的材质是塑料的，上面涂有反光材料。两个红色内灯罩能起到聚合光源的作用。2.1.7 灯罩（图2-7）图2-7 灯罩模型图灯罩的材质是塑料的。装配灯罩是整个自行车警示灯装配过程的最后一环，灯罩有调节光源、保护内部元器件，以及防水的作用。2.1.8 其他附件（图2-8）螺栓、螺母组是金属材质。两对螺钉都是金属材质。 图2-8 开关实物图开关的蓝色部分是塑料材质的。内部黑色的部分是导体，按下开关时，导体与电路板接触，导通电路。2.2 装配2.2.1螺栓穿过座管套和T型连接器上的孔，螺母在螺栓的另一端旋紧，将座管套和T型连接器连接在一起。卡子穿过T型连接器上的槽。（图2-9）图2-9 卡子、T型连接器装配模型图2.2.2将开关放入灯座的孔中，用一对螺钉将电路板固定在灯座上。（图2-10）图2-10 电路板装配实物图2.2.3将反光板安装在电路板上。（图2-9） 图2-9 反光板装配实物图2.2.4安装灯罩。（图2-10）图2-10自行车安全警示灯实物图用DFMA进行改进第3章 用DFMA进行改进3.1 概述经过反复拆卸，我们对于车灯的构造和装配顺序有了一定的掌握。进而发现影响装配效率的最主要因素集中在以下几处：1. 用来固定电路板的两个小螺钉。这两个螺钉尺寸很小，要将其对准螺孔会比较困难，同时在装配过程中也很容易滑落和遗失。2. 与灯座相连的卡子。装配这个卡子同样需要两个与上述螺钉尺寸相同的螺钉。影响效率的理由同上。3. 座管套，T型连接器，卡子构成的固定结构过于复杂，装配相当耗时，而且需要制造三个模具，成本较高，且用户使用起来不太方便。针对上述问题，我们进行了如下改进：1. 将固定电路板用的两个小螺钉换成卡子；2. 对灯座与座管的连接方式进行了整体改进。对于重新设计的部分，我们绘出了工程图，确定了相应的尺寸，给出了制造工艺，并与原设计进行了比较。3.2 针对电路板与灯座连接的改进3.2.1 设计思想原电路板是通过在板上打孔，在底座上用模具做了两个螺孔，利用小螺钉固定的（图3-1），现在我们用三个卡子对电路板进行固定，远离开关的一端是一个平头卡子，开关这端做两个带斜面的活动卡子。利用塑料的弹性使活动卡子能在小范围内活动，卡子头部的斜面可使电路板方便的插入（图3-2）。图3-1 原底座图3-2 改进后的底座3.2.1.1 平头卡子的设计平头卡子位于灯座内部远离开关的一端，装配的时候应先将电路板非开关端插入该卡子内（图3-3）。图3-3 平头卡子及其剖视图3.2.1.2活动卡子的设计活动卡子位于车座内部靠近开关的一端，电池极板槽与开关孔之间，其头部为斜面，当电路板的非开关端插入平头卡子之后，只需要用力下压，电路板带有开关的一端就能进入活动卡子内，与平头卡子将电路板牢牢地固定住（图3-4），大大提高了装配速度的同时，避免了使用成本较高的螺钉（图3-4）。图3-4活动卡子及剖视图为配合改进后的尺寸，电路板须加长3mm，但并没有没有改变电路板的工作原理。改进后开关孔在电路板的顶端（图3-5）。图3-5开关位置3.2.2 设计图3.2.2.1 灯座设计图为了配合卡子的设计，去掉了原来禁锢螺钉用的凸起，并对开关按钮孔的位置进行了调整。同时考虑模具的制造，在卡子的下方底座上均留有通孔。改进后灯座内部俯视如图3-6。图3-6俯视图细节I为平头卡子俯视图（图3-7），细节H为活动卡子俯视图（图3-8）。图3-7 细节I 图3-8细节H中纵剖面如图3-9所示。图3-9截面视图A-A细节F为平头卡子端（图3-10），细节G为活动卡子端（图3-11）。图3-10平头卡子端 图3-11活动卡子端左视图截面D-D为活动卡子的横截面，截面E-E展现了固定卡子（图3-12）。图3-12左视图右视图截面C-C为平头卡子，截面B-B展现了活动卡子（图3-13）。图3-13右视图后视图中可以看到一个1.5*10的开孔和一个5*1.5的开孔，用于产品加工中模具的制造（图3-14）。此开口同时可用来连接座管卡（3.3节）。图3-14 后视图改进后的等轴视图可看出对功能和外观均没有作过多变动，符合DFMA要求（图3-15）。图3-15 等轴视图3.2.2.2 电路板改进图在3.2.1.2节中我们提到，为了配合改进的设计，电路板的尺寸增加了3mm,原电路板的设计尺寸如图3-16所示，改进后的电路板设计尺寸如图3-17所示。图3-16原电路板设计图及其尺寸图3-17 改进后电路板设计图及其尺寸显而易见，在保持原电路板设计的基础上，改进的电路板长度增加了3mm，除去了原固定电路板用的小孔，减少了制造工序，进而降低了电路板的残品率。产品对比图如图3-18和图3-19所示。 图3-18原电路板 图 3-19 改进后电路板3.2.3 力学分析活动卡子斜面所受到的电路板向下的压力可分解为垂直于灯座底面的力Fy和与灯座底面水平的力Fx（图3-20），其中Fx使得卡子顶端产生0.5mm的挠度，使得电路板能够顺利安装。图3-20 活动卡子斜面所受压力卡子的尺寸为1mm×1.5mm×8mm（长×宽×高），其受力简化如下(图)XFY图3-21 活动卡子受力分析假设其弹性模量为金属的1/100，即E = 2GPa。通过尺寸得到Iz = 1.5E-3×1E-33/12 = 1.25E-13。由挠曲线微分方程经积分得转交方程和挠度方程：由已知边界条件(x = 0, y = -5E-4); (x = 8E-3, = 0); (x = 8E-3, y = 0) 可得： F = 0.7324N。忽略板的重力，手向下按板的压力约为 F×2.24×2 = 3.3N。因此，工人可以很轻易的将电路板安装在灯座内。3.2.4 制造工艺改进后的灯底座模具可以沿着垂直于底座平面的方向上下拔开，模具的形状与底座的形状凹凸互补。与原有模具不同的是，卡子下面的模具应穿过所开通孔，与下部模具相连。3.2.5 前后对比原灯底座轴面的剖视图如图3-21所示，改进后卡子设计的轴面剖视图如图3-22所示。图3-21原灯底座轴面的剖视图图3-22 卡子设计轴面的剖视图原灯座设计图如图3-23所示，改进后灯座设计图如图3-24所示。图3-23 原设计图 图 3-24 改进后设计图显而易见，原设计图中的螺孔被卡子所取代，从而达到了避免用螺钉装配的目的，实现了基于DFMA的改造。3.3 针对灯座与车坐杆的连接3.3.1 设计思想灯体与车柱体的链接，厂家的做法是采用螺钉固定连接杆，然后用划杆套挂连接杆，再用螺钉固定圆环等一些部件联合组成.。但这样做的缺点是：部件太多，组装费时，容易出错，不符合DFMA的设计思想。为此我们小组经过讨论之后决定采用一种新的连接方法，即采用皮筋将灯座与座管连接，并依此设计出新的连接部件，我们称之为座管卡（图3-25）图3-25 座管卡 这样做的好处是：避免原来卡件安装和卸载的困难，并且套件损坏时还可以置换新的部件，所用模具也比较简单，可以一次成型。3.3.2 设计图3.3.2.1 座管卡设计图座管卡用于连接皮筋和灯座，由上下两部分构成（图3-26）。图3-26 座管卡等轴视图装配时，将上部两个卡子插入灯座，与之固定。使用时用皮筋穿过下部钩子，将灯固定在座管上（图3-26）。图3-26 正视图及尺寸卡子的设计与灯座留下的孔配合（图3-27 细节A）；钩子尺寸尺寸便于皮筋的拆装（图3-27 细节B） 图3-27 细节A和B座管卡板的尺寸与灯座底部凹槽的尺寸相同（图3-28）。图 3-28 座管卡板俯视图3.3.2.2 灯座设计图为了配合座管卡，对灯座也进行了一定的改造。首先在底面开了一个与座管卡板尺寸相同的槽，使得整个座管卡板在固定后能够陷入灯座中，起到一定的防水作用。另外，座管卡板的卡子利用铸造灯座内连接电路板所用卡子时留下的通孔插入灯座内。在利用这两个通孔的同时进一步堵住了可能进水的通孔（图3-29）。图3-29 灯座底视图从截面视图中可以清晰地看到开关按钮被设计在座管卡的外侧，这样不会影响按开关(图3-30)。为了实现这个功能，这里对原设计的尺寸进行了一点变动，引发了电路板加长3mm。 图3-30 截面视图3.3.3 力学分析皮筋能否有效的将灯束缚在座管上不下滑是这个改进是否成功的关键。按照一般情况，假设皮筋的原长L0 = 120mm，安装后总长为320mm，伸长量L = 200mm，皮筋弹性模量E = 2.0MPa，截面面积A=9mm2。则皮筋安装后产生的拉力F=E×L×A =2.7N，安全系数s=1.2。灯与座管依靠皮筋连接的受力情况简化如下图所示（图3-31）：GabcNF1F2f图3-31 灯与座管连接的受力分析其中F1,F2为皮筋的拉力，计算的目的就是验证这个拉力在不大于F/s=2.25N的情况下，结构能保持平衡。假设灯与座管的摩擦系数k=0.3，灯重G=1N，重心到座管的距离a=20mm，F1，F2之间的距离（座管卡的宽度）b=10mm，并将座管对灯的支持力N由分布力简化为集中力，其作用点到F2作用点的距离c未知。由横纵方向合力为零以及对F2作用点的力矩为零可得到如下方程组：将数据代入解得F1+c/3 = 2. c < b/2=5 F1>2-5/3=0.33N,因此，采用皮筋连接的强度符合要求。3.3.4 制造工艺座管卡的模具设计比较容易，只需沿垂直于座管卡板的任意纵剖面为分界面，用两个模具对合即成。3.3.5 对比原来的固定方式所用到的部件较多，包括螺栓螺母等金属部件，不易组装和拆卸（图3-31）。图3-31原来的连接效果图采用座管卡连接后，部件得到简化，不仅节省了材料，而且易于拆装, 实现了DFMA的改造。优化了生产制造。（图3-32）。图3-3-9 改进后的连接器组图CAD/CAM 制造信息化技术的理论及应用课程设计（论文）第4章 结论DFMA技术是一种在制造装配设计阶段统筹兼顾的设计思想和方法，就是在产品设计过程中利用各种技术手段，如分析、评价、规划、仿真等，充分考虑产品的制造装配环节及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生产与装配结构，使设计出来的产品是可以装配的，并尽可能降低生产和装配成本和产品总成本。本文从车灯的功能与结构入手，对电路板的固定，车灯与车座管连接部件的固定进行了基于DFMA的改进，我们从设计图着手，以降低装配时间为着眼点，从设计结构到模具实现，提出了一些相当可行的建议，这些建议一经采用将大大减少产品装配阶段所用的时间，减少模具数量，节约制造材料，从而降低生产成本，为生产商带来更多的经济效益。通过这次基于DFMA技术对车灯的研究，我们更深的体会到了DFMA技术在CAD中的应用，做到了将理论知识与实际生产相联系，实现了学为所用，术有专攻。参考文献1 Xiaofan Xie, Vamsi Uppalapati, Charan R. Sarjapur, Naveen Huilgol, Clief Castleton，DFMA as Applied to the Swingline® 747 Desktop Stapler，Department of Mechanical Engineering, The University Of Utah, Salt Lake City, Utah.2 David D. Bedworth Mark R. Henderson Philip M. wolfe: Computer-integrated design and manufacturing, McGraw-Hill, Inc New York, 1991.3 童炳枢主编：现代CAD技术，清华大学出版社，北京，2000.4 Practical applications of Unigraphics, EDS,20025 Injection molding updated in DFMA  David F Kates. Plastics Engineering.Brookfield Center: May 1997. Vol. 53, Iss. 5; p. 82 (1 page)6 M.D.Shields and S.M.Young.Product life cycle cost management.Journal of Cost Management for Manufactuning Industry,1991,Fall7 面向DFMA的基于特征的设计系统建模, 杨波, 黄克正, 组合机床与自动化加工技术-2004年3期.8 DFMA面向制造与装配的设计并行工程的核心技术, 詹友刚 王峰, 计算机辅助设计与制造-2001年6期.9 Design for manufacture & assembly (DFMA)-the Boothroyd & Dewhurst approach, Bettles, I. Factory 2000, 1992. Competitive Performance Through Advanced Technology, Third International Conference on (Conf. Publ. No. 359) 27-29 Jul 1992Page(s):316 - 32110 Design for manufacture & assembly (DFMA)-the Boothroyd & Dewhurst approach.  CAD/CAM 制造信息化技术的理论及应用课程设计（论文）致 谢于华老师的这种教学方式非常新颖，充分调动了我们的学习主动性，体现了该门课程理论结合实际，科技指导生产的教学理念，在此献上我组的敬佩之情：三尺讲台讲尽车铣刀钻，四方屏幕描绘机械图景。八尺之躯尽表为师风范，九州大地遍布桃李芳芬。