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2014产品创新数字化征文:功能设计方法——从“山寨”到创新

2014/11/10    来源:e-works    作者:葛永斌      
关键字:功能设计方法  尺寸链  
文章通过阐述功能设计方法的相关活动,介绍了其在逆向开发项目实践中的运用。

0 前言

    “山寨”伴随着中国制造而闻名世界,却也困扰着很多企业家,如何才能从“山寨”走向创新就成了目前最紧迫的难题。但是,历史总是惊人的相似。

    1871年,统一后的德国仿造或冒牌生产英国,法国的产品,然后廉价销售。逼迫英国与1887年修改了1862开始实施的商标法:所有外国产品, 无论是来自法国,美国或是德国,如果有可能与英国本土产品向混淆的,都必须贴上“made in ......”的标记,以防止英国的老百姓上当受骗。

    日本也曾面临“小偷”、“拷贝猫”的国际恶名,但最终形成了“日本风格”,“日本设计”也在国际上占有一席之地。

    从“山寨”到创新,除了经验之外,关键的问题在于如何进行产品的分析,真正掌握产品设计的方法。只有“山寨”到这两点,产品在技术上才有可能超越“山寨”的对象,创新才有可能出现。

    如何进行产品的分析与产品的设计,本文以笔者参与或主导过的一些成功项目为例子,介绍一种设计方法——功能设计方法。这种设计方法帮助一些公司完成“山寨”之后,开始走向了原创设计创新。

1 功能设计方法

    功能设计方法是一套完整的产品设计理论。回答了设计的三大问题:

    图纸上为什么要有这个尺寸;这个尺寸的名义值为什么要这么大;这个尺寸的公差为什么要这个范围。

    其主要活动如下:

    1.1 功能分析

    根据客户需求,分析划分出产品的生命周期,在每个生命周期内研究产品的应用场景,进而梳理出产品能够按照客户需求完成功能的所有极限条件,并形成功能规格的列表。

    在具体处理上,用章鱼图的方式进行直观表述,将功能分为“服务功能”与“限制功能”。

    1.2 方案设计

    根据需求进行方案设计,明确设计方案如何满足需求,并梳理子系统需求和子系统之间的接口关系。当然,如果是“山寨”,方案已经有了,本阶段可以忽略。

    1.3 功能条件

    功能条件(Functional Condition)简称FC,是产品在特定状态下,为实现产品功能而提出的零件与零件之间要满足的限制条件。

    一方面,功能条件的范围是由产品的技术原理及质量等级进行限定的。

    另一方面产品的特定状态由零件的接触关系通知限制相应的自由度而实现,功能条件必然受零件自身尺寸的偏差的影响,功能条件的实际变化范围由对应的零件尺寸的偏差决定。功能设计的最终也在于此:给每个零件尺寸选定合适的公差,使其满足功能条件的设计的要求。

    1.4 尺寸链计算

    尺寸链计算的目的在于验证设计给出的每个零件尺寸,按照设计结构堆叠在一起之后,累积出来的功能条件的偏差是否能够满足设计的要求。

    1.5 Tloerance Manager软件

    Tolerance Manager软件是一个全球唯一的公差设计、分析及优化软件。和全球500强企业——Schneider Electric(施耐德电气)一起合作开发了将近15年。Tolerance Manager提供了多种公差累积算法,其优异的非线性尺寸链计算能力能为设计确定图纸的每个尺寸名义值和公差带。

2 导入功能设计的逆向设计流程

    一般逆向工程流程:

    客户需求——寻找符合需求的标杆产品——结构拆解——全尺寸测绘——建模出图——零件投制——尺寸测量——样机装配验证

    把功能设计流程与逆向设计流程结合,新成新的逆向设计流程。

3 导入功能设计的逆向设计流程在实际案例用的应用

    3.1 功能分析

    识别与所有产品有关系的外部环境,并确认其余产品的约束关系,并在表格中将这些约束关系量化,形成产品的开发需求。

    3.2 功能条件

    对于断路器产品来说,脱扣单元上锁扣与跳扣的搭接量、接触力、摩擦系数等都是与功能直接相关的功能条件,必须严格控制。

    3.3 由功能定尺寸及功能尺寸实物测量

    根据表1的功能条件,识别每个零件上与功能条件相关的尺寸,这些尺寸由于直接影响产品的功能,称之为功能尺寸。这些功能尺寸必须在设计初期就进行精确的测绘。另一方面,传统的逆向工程做法是在本阶段便对每个零件的每个尺寸进行精确设计,往往在这个阶段要耗费大量的时间。而导入功能设计的逆向开发流程,由于设计初期仅需要精确测绘零件上的部分尺寸(仅功能尺寸)便可进行下一步的开发, 可以大大减少测绘工作对设计进度的影响。

    3.4 尺寸链计算

    根据表1的要求,及3.3测绘的结果。对每个功能条件绘制尺寸链,并在Tolerance Manager软件内自动计算所有零件的尺寸公差对每个功能条件的影响。脱扣力的计算结果F_373按照当前的零件尺寸及公差其范围为0.27~0.57,而设计要求为0.25~0.55,略微有些偏差,但是基本满足要求。

    3.5 自制零件与逆向对象的比对

    完成尺寸链计算之后,关键的零件尺寸已经设计定型,通过3D扫描,把逆向对象的零件扫描成点云,同时也把设计投制的零件扫描成点云,两者对比,可以发现,关键的功能面由于已经精确测量过,基本完全吻合,而一些非关键的特征存在部分偏差,进行适当调整即可。

    3.6 样机功能验证

    把设计投制完成的零件装配成产品,测量关键的功能条件是否落在了设计的要求范围内。

    3.7 由功能设计驱动的设计创新

    在产品开发过程中,还发现逆向的对象与逆向设计成功的产品都存在搭扣不稳定的情况,具体表现在偶见产品滑扣的现象,即锁扣与跳扣搭接不稳,有时会滑落。使得断路器无法合闸。

    标杆产品结构缺陷的分析:锁扣、跳扣在搭接处都会受到各自的工艺倒、圆角的影响,接触点的位置是不确定的,从而导致表1的功能需求无法满足,通过分析,其中锁扣的圆角A的影响最明显。

    为了保证该功能的可靠性,必须进行结构的改进,保证每次合作,锁扣与跳扣的搭扣位置。改进的方向确定为消除圆角A的影响。根据功能设计要求,锁扣的功能为在搭接2时,必须保证两个有效接触点,跳扣的自由度才能被有效约束。为了避开圆角的影响,把搭接面后延,同时为了保证有效可控的接触点,可以有两种改进方案,这两种方经过试验验证,两种方案都能保证搭扣的可靠性。

4 结论

    采用功能设计方法,不仅逆向完成了功能技术指标完全与标杆产品一致的产品,而且在效率上,产品一次逆向设计便通过验证试验。另外,通过对标杆产品固有缺陷的分析。利用功能设计方法的思路,紧紧抓住结构要实现的功能进行设计、论证,最终实现了结构上的创新。 

责任编辑:程玥
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