0 前言
“山寨”伴隨著中國制造而聞名世界,卻也困擾著很多企業(yè)家,如何才能從“山寨”走向創(chuàng)新就成了目前最緊迫的難題。但是,歷史總是驚人的相似。
1871年,統(tǒng)一后的德國仿造或冒牌生產(chǎn)英國,法國的產(chǎn)品,然后廉價銷售。逼迫英國與1887年修改了1862開始實施的商標(biāo)法:所有外國產(chǎn)品, 無論是來自法國,美國或是德國,如果有可能與英國本土產(chǎn)品向混淆的,都必須貼上“made in ......”的標(biāo)記,以防止英國的老百姓上當(dāng)受騙。
日本也曾面臨“小偷”、“拷貝貓”的國際惡名,但最終形成了“日本風(fēng)格”,“日本設(shè)計”也在國際上占有一席之地。
從“山寨”到創(chuàng)新,除了經(jīng)驗之外,關(guān)鍵的問題在于如何進(jìn)行產(chǎn)品的分析,真正掌握產(chǎn)品設(shè)計的方法。只有“山寨”到這兩點,產(chǎn)品在技術(shù)上才有可能超越“山寨”的對象,創(chuàng)新才有可能出現(xiàn)。
如何進(jìn)行產(chǎn)品的分析與產(chǎn)品的設(shè)計,本文以筆者參與或主導(dǎo)過的一些成功項目為例子,介紹一種設(shè)計方法——功能設(shè)計方法。這種設(shè)計方法幫助一些公司完成“山寨”之后,開始走向了原創(chuàng)設(shè)計創(chuàng)新。
1 功能設(shè)計方法
功能設(shè)計方法是一套完整的產(chǎn)品設(shè)計理論;卮鹆嗽O(shè)計的三大問題:
圖紙上為什么要有這個尺寸;這個尺寸的名義值為什么要這么大;這個尺寸的公差為什么要這個范圍。
其主要活動如下:
1.1 功能分析
根據(jù)客戶需求,分析劃分出產(chǎn)品的生命周期,在每個生命周期內(nèi)研究產(chǎn)品的應(yīng)用場景,進(jìn)而梳理出產(chǎn)品能夠按照客戶需求完成功能的所有極限條件,并形成功能規(guī)格的列表。
在具體處理上,用章魚圖的方式進(jìn)行直觀表述,將功能分為“服務(wù)功能”與“限制功能”。
圖1 斷路器的功能分析
1.2 方案設(shè)計
根據(jù)需求進(jìn)行方案設(shè)計,明確設(shè)計方案如何滿足需求,并梳理子系統(tǒng)需求和子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系。當(dāng)然,如果是“山寨”,方案已經(jīng)有了,本階段可以忽略。
圖2 設(shè)計原理及方案
1.3 功能條件
功能條件(Functional Condition)簡稱FC,是產(chǎn)品在特定狀態(tài)下,為實現(xiàn)產(chǎn)品功能而提出的零件與零件之間要滿足的限制條件。
一方面,功能條件的范圍是由產(chǎn)品的技術(shù)原理及質(zhì)量等級進(jìn)行限定的。
另一方面產(chǎn)品的特定狀態(tài)由零件的接觸關(guān)系通知限制相應(yīng)的自由度而實現(xiàn),功能條件必然受零件自身尺寸的偏差的影響,功能條件的實際變化范圍由對應(yīng)的零件尺寸的偏差決定。功能設(shè)計的最終也在于此:給每個零件尺寸選定合適的公差,使其滿足功能條件的設(shè)計的要求。
常見的功能條件如圖3。
圖3 功能條件
1.4 尺寸鏈計算
尺寸鏈計算的目的在于驗證設(shè)計給出的每個零件尺寸,按照設(shè)計結(jié)構(gòu)堆疊在一起之后,累積出來的功能條件的偏差是否能夠滿足設(shè)計的要求。
1.5 Tloerance Manager軟件
Tolerance Manager軟件是一個全球唯一的公差設(shè)計、分析及優(yōu)化軟件。和全球500強企業(yè)——Schneider Electric(施耐德電氣)一起合作開發(fā)了將近15年。Tolerance Manager提供了多種公差累積算法,其優(yōu)異的非線性尺寸鏈計算能力能為設(shè)計確定圖紙的每個尺寸名義值和公差帶。
圖4 Tolerance Manager軟件提供的功能條件計算結(jié)果
2 導(dǎo)入功能設(shè)計的逆向設(shè)計流程
一般逆向工程流程:
客戶需求——尋找符合需求的標(biāo)桿產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)拆解——全尺寸測繪——建模出圖——零件投制——尺寸測量——樣機裝配驗證
把功能設(shè)計流程與逆向設(shè)計流程結(jié)合,新成新的逆向設(shè)計流程:
圖5 導(dǎo)入功能設(shè)計的逆向設(shè)計流程
3 導(dǎo)入功能設(shè)計的逆向設(shè)計流程在實際案例用的應(yīng)用
3.1 功能分析
識別與所有產(chǎn)品有關(guān)系的外部環(huán)境,并確認(rèn)其余產(chǎn)品的約束關(guān)系,并在表格中將這些約束關(guān)系量化,形成產(chǎn)品的開發(fā)需求。
圖6 C45“章魚圖”
圖7 C45功能規(guī)格列表
3.2 功能條件
對于斷路器產(chǎn)品來說,脫扣單元上鎖扣與跳扣的搭接量、接觸力、摩擦系數(shù)等都是與功能直接相關(guān)的功能條件,必須嚴(yán)格控制。
圖8 功能條件
表1 功能條件列表
3.3 由功能定尺寸及功能尺寸實物測量
根據(jù)表1的功能條件,識別每個零件上與功能條件相關(guān)的尺寸,這些尺寸由于直接影響產(chǎn)品的功能,稱之為功能尺寸。這些功能尺寸必須在設(shè)計初期就進(jìn)行精確的測繪。另一方面,傳統(tǒng)的逆向工程做法是在本階段便對每個零件的每個尺寸進(jìn)行精確設(shè)計,往往在這個階段要耗費大量的時間。而導(dǎo)入功能設(shè)計的逆向開發(fā)流程,由于設(shè)計初期僅需要精確測繪零件上的部分尺寸(僅功能尺寸)便可進(jìn)行下一步的開發(fā), 可以大大減少測繪工作對設(shè)計進(jìn)度的影響。
圖9 扣接件需要精確測繪的功能尺寸
3.4 尺寸鏈計算
根據(jù)表1的要求,及3.3測繪的結(jié)果。對每個功能條件繪制尺寸鏈,并在Tolerance Manager軟件內(nèi)自動計算所有零件的尺寸公差對每個功能條件的影響。如圖11為脫扣力的計算結(jié)果F_373按照當(dāng)前的零件尺寸及公差其范圍為0.27~0.57,而設(shè)計要求為0.25~0.55,略微有些偏差,但是基本滿足要求。
圖10 脫扣力的計算結(jié)果
3.5 自制零件與逆向?qū)ο蟮谋葘?/strong>
完成尺寸鏈計算之后,關(guān)鍵的零件尺寸已經(jīng)設(shè)計定型,通過3D掃描,把逆向?qū)ο蟮牧慵䲣呙璩牲c云,同時也把設(shè)計投制的零件掃描成點云,兩者對比,可以發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵的功能面由于已經(jīng)精確測量過,基本完全吻合,而一些非關(guān)鍵的特征存在部分偏差,進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。圖 12中,顏色越深表示偏差越大,從圖中可知,偏差較大的地方集中在倒角、圓弧過渡等工藝特征上。
圖11 逆向?qū)ο笈c逆向設(shè)計零件掃描的點云
3.6 樣機功能驗證
把設(shè)計投制完成的零件裝配成產(chǎn)品,測量關(guān)鍵的功能條件是否落在了設(shè)計的要求范圍內(nèi)。由圖 13可知,逆向設(shè)計的產(chǎn)品符合功能的要求。
圖12 樣機實測參數(shù)與尺寸鏈計算結(jié)果比對
3.7 由功能設(shè)計驅(qū)動的設(shè)計創(chuàng)新
在產(chǎn)品開發(fā)過程中,還發(fā)現(xiàn)逆向的對象與逆向設(shè)計成功的產(chǎn)品都存在搭扣不穩(wěn)定的情況,具體表現(xiàn)在偶見產(chǎn)品滑扣的現(xiàn)象,即鎖扣與跳扣搭接不穩(wěn),有時會滑落。使得斷路器無法合閘。
標(biāo)桿產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷的分析:鎖扣、跳扣在搭接處都會受到各自的工藝倒、圓角的影響,接觸點的位置是不確定的,從而導(dǎo)致表1的功能需求無法滿足,如圖13,通過分析,其中鎖扣的圓角A的影響最明顯。
圖13 基于功能設(shè)計的標(biāo)桿產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷分析
為了保證該功能的可靠性,必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn),保證每次合作,鎖扣與跳扣的搭扣位置。改進(jìn)的方向確定為消除圓角A的影響。根據(jù)功能設(shè)計要求,鎖扣的功能為在搭接2時,必須保證兩個有效接觸點,跳扣的自由度才能被有效約束。為了避開圓角的影響,把搭接面后延,同時為了保證有效可控的接觸點,可以有如圖 14兩種改進(jìn)方案,這兩種方經(jīng)過試驗驗證,兩種方案都能保證搭扣的可靠性。
圖14 基于功能設(shè)計的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)
4 結(jié)論
采用功能設(shè)計方法,不僅逆向完成了功能技術(shù)指標(biāo)完全與標(biāo)桿產(chǎn)品一致的產(chǎn)品,而且在效率上,產(chǎn)品一次逆向設(shè)計便通過驗證試驗。另外,通過對標(biāo)桿產(chǎn)品固有缺陷的分析。利用功能設(shè)計方法的思路,緊緊抓住結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)的功能進(jìn)行設(shè)計、論證,最終實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。
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本文標(biāo)題:2014產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文:功能設(shè)計方法——從“山寨”到創(chuàng)新
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