LLPC工業(yè)設(shè)計中的可行性探討范文

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1框架式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與產(chǎn)品特色分析

框架式結(jié)構(gòu)對于產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，體現(xiàn)出很多的優(yōu)點，可歸納為以下幾個方面。

1．1生產(chǎn)靈活性(flexibility)與整體性奧迪汽車公司推出的第三代車身空間框架(AudiSpaceFrame，ASF)如圖1所示，該空間框架采用最新技術(shù)制造出更堅韌、更強操作性能的全鋁車身框架，此車架結(jié)構(gòu)的采用為奧迪汽車提供了更輕、更強和更安全的車身構(gòu)造?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理是將產(chǎn)品根據(jù)功能的關(guān)聯(lián)性程度進行模塊化分析與設(shè)計，該原理運用于ASF車架設(shè)計中則是將一種多體連接的整體式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為主次連接的框架式簡化結(jié)構(gòu)。根據(jù)該設(shè)計原理，在生產(chǎn)過程中，會將產(chǎn)品整體劃分為主體框架和分體模塊，如圖1中的奧迪汽車車架由主體框架和三個功能廂體模塊組成。另外有些產(chǎn)品如多功能螺絲刀、吸塵器的設(shè)計，采用通用性的接口連接，這樣根據(jù)局部功能進行模塊化更換和生產(chǎn)，滿足不同產(chǎn)品功能需要，可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)的靈活性。

1．2維護性(maintainability)框架式結(jié)構(gòu)采用模塊化裝配方式，每個模塊相對獨立，如果某個部件出現(xiàn)故障需要維修，只需對該模圖2蘋果G5電腦機箱塊的局部進行修理和維護，不改變其他模塊的鏈接關(guān)系，無需拆解整體結(jié)構(gòu)，這與傳統(tǒng)整體式結(jié)構(gòu)相比體現(xiàn)出了高效性、便利性和低成本等優(yōu)點。如奧運場館水立方的外墻采用了模塊化的框架式結(jié)構(gòu);蘋果電腦公司推出的G5電腦機箱采用全鋁金屬框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該產(chǎn)品的內(nèi)部零件模塊、外觀側(cè)板和基座都是連接在整體結(jié)構(gòu)上的。本文將探討在llpc產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中導入框架式結(jié)構(gòu)的可用性，系統(tǒng)地從設(shè)計角度分析功能模塊的布局;運用框架式結(jié)構(gòu)的設(shè)計手段保持產(chǎn)品整體風格，在用戶視覺范圍內(nèi)不暴露結(jié)構(gòu)性零件，進而保持產(chǎn)品的外觀整潔性。

1．3外觀造型的系列感(series)框架式結(jié)構(gòu)在各類產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用對外觀風格頗有影響，如在系列化產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中，采用統(tǒng)一的框架式結(jié)構(gòu)可塑造出外觀造型相似的系列化產(chǎn)品風格特征。根據(jù)不同人群定位、功能定位等要求，更換局部模塊以形成不同功能產(chǎn)品，而整體結(jié)構(gòu)保持著相對穩(wěn)定和獨立性，進而保持產(chǎn)品的系列化風格。圖3所示為電子產(chǎn)品外觀夾邊設(shè)計，此結(jié)構(gòu)方式的采用使其在外觀上形成了一種獨特的視覺分割效果，使產(chǎn)品顯得更精致和纖薄。Iphone4手機也采用了這種設(shè)計方法，根據(jù)不同功能需求更換上蓋模塊，中框結(jié)構(gòu)和下蓋可以保持不變，可獲得視覺效果不同的系列產(chǎn)品。圖4所示的IBM服務(wù)器機柜整體設(shè)計也采用了框架式結(jié)構(gòu)，外殼與內(nèi)部零件模塊可根據(jù)功能需要進行選擇性裝配。這樣的設(shè)計方式可實現(xiàn)只更換前面板和內(nèi)部模塊，形成不同功能產(chǎn)品系列。

1．4可控性(controllability)基于框架式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計流程可控性好、風險低，通過對功能布局、整體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)等幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，可確定整體結(jié)構(gòu)形式，后期設(shè)計研發(fā)過程中可變因素少，大大降低了設(shè)計風險。特別是在產(chǎn)品升級與更新時，框架式結(jié)構(gòu)可減少產(chǎn)品零件的定制數(shù)量，簡化研發(fā)流程，進而提高對產(chǎn)品功能品質(zhì)和工藝的控制性。使用過程中，如果哪個部件出現(xiàn)問題，即可更換或者局部改良，不影響其他零/部件的使用。

1．5拓展性(extending)大型機床產(chǎn)品的系列延續(xù)性對于品牌產(chǎn)品的戰(zhàn)略發(fā)展尤其重要。單一的產(chǎn)品系列可能導致片面的市場格局，在穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)上可根據(jù)市場細分，基于同一平臺拓展出不同功能定位的產(chǎn)品，這一策略在大眾、標致等汽車的車型工程開發(fā)中尤為常見。框架式結(jié)構(gòu)形式有助于功能的模塊化定義，對于影響終端界面的模塊可進行更新?lián)Q代，而共用的基礎(chǔ)部分保持不變，即可根據(jù)產(chǎn)品的系列化定位進行基于平臺架構(gòu)的不同功能組合延展，在不增加太多成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)不同產(chǎn)品系列的拓展，因此具有較好的產(chǎn)品拓展性。

2大型激光加工中心的結(jié)構(gòu)特點與工業(yè)設(shè)計分析

大型激光加工中心(Large-scaleLaserProcessCen-ter，LLPC)是一種通過激光對截面積在2m×2m內(nèi)、高度為0．15m內(nèi)的大體量金屬材料件進行打孔、切割和雕刻等加工的設(shè)備，可進行材料的熔覆及修復工作，LLPC是本文研究的主要對象。其功率可設(shè)定在1～2kW范圍內(nèi);X軸行程為3～4m，Y軸行程為1．5～2m，Z軸行程為0．1m左右，最大速度可達18m/min，定位精度為±0．015mm，重復定位精度為±0．01mm。該設(shè)備控制系統(tǒng)由高功率激光器、激光專用制冷系統(tǒng)、外光路系統(tǒng)和多功能大型激光數(shù)控加工機床組成。其技術(shù)特點有:1)采用高效的自動化激光熔敷技術(shù)，可以有效地減小熱影響區(qū)，降低葉片裂紋的產(chǎn)生。2)可以在氫氣保護下進行，而無需真空環(huán)境。3)加工精度高，易于數(shù)字化控制，可加工幾何形狀復雜的零/部件。大型激光加工中心主要應(yīng)用于模具加工、機械制造、石油、化工、輕工、能源和交通等行業(yè)。

該類產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中需要綜合考慮加工效率、安全性、良好人機交互性和良好維護性等方面的要求。因此，在設(shè)計過程中需分析各個功能模塊的合理化布局，以獲得高效率的加工方式，如考慮在設(shè)備加工過程中操作人員的安全性問題;考慮人員操作的易用性，以獲得良好的精確操作及監(jiān)視效果;考慮使用后的定期維護需求，將控制模塊進行獨立布局，不與其他模塊形成功能交叉區(qū)域。奧地利生物學家貝塔朗菲(1937年)最早對一般系統(tǒng)作出了定義:系統(tǒng)是由若干要素以一定結(jié)構(gòu)形式連接構(gòu)成的具有某種功能的有機整體。按照系統(tǒng)的定義，本文的研究對象LLPC產(chǎn)品設(shè)定為系統(tǒng)需要滿足三個基本條件，即:若干要素、結(jié)構(gòu)形式和功能輸出?；鞠到y(tǒng)性關(guān)系可以用式(1)表示:式中:M為產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計的功能輸出，即LLPC產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果與加工過程的整體效果;S為系統(tǒng)功能模塊(即要素)的集合;F為建立在模塊集合S上的各種結(jié)構(gòu)鏈接關(guān)系。

在LLPC產(chǎn)品系統(tǒng)中，M為一個產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計的功能輸出，即產(chǎn)品設(shè)計的功能效果;S為固定的功能成模塊，只在產(chǎn)品系列化時才產(chǎn)生變化;F為一個可變的要素，包含了結(jié)構(gòu)形式，也包含了連接方式與系統(tǒng)、外界交互形式。在該類產(chǎn)品設(shè)計中，可采用整體結(jié)構(gòu)連接與框架式結(jié)構(gòu)連接兩種方式，前者是產(chǎn)品的每個功能模塊相互產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性連接，形成固定模塊的整體產(chǎn)品系統(tǒng);后者則是根據(jù)設(shè)計要求先將整體結(jié)構(gòu)方式進行獨立設(shè)計定型，然后再進行功能模塊組裝，如控制柜、操作面板和檢測門等模塊均采用常規(guī)標準件，然后與主體框架結(jié)構(gòu)進行連接，形成有主體框架和可變模塊組成的產(chǎn)品系統(tǒng)。通過產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)分析、以用戶為中心的設(shè)計評估等方法適當改變F的關(guān)系，可獲得一個更優(yōu)化、更高效率的產(chǎn)品系統(tǒng)功能輸出M。

因此，該類產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的重點是F。式(1)中的M也可以表示為:式中:M1為大型設(shè)備產(chǎn)品中各個組件模塊之間的關(guān)系，如激光加工模塊與加工材料的空間位置匹配關(guān)系，材料進、出口與主體的對接，控制機柜與激光加工模塊的相對位置等;M2為個體模塊與整體加工中心系統(tǒng)的關(guān)系，如材料進、出口對操作人員的視覺與操作障礙，控制柜對產(chǎn)品其他模塊的位置重疊影響，控制面板與檢測門的位置重疊影響等;M3為本產(chǎn)品系統(tǒng)功能與外環(huán)境的關(guān)系，包括產(chǎn)品占地面積，產(chǎn)品與加工環(huán)境的匹配關(guān)系，其他工序?qū)υ摦a(chǎn)品可能的相互影響等內(nèi)容;M4為本產(chǎn)品系統(tǒng)與人的人機關(guān)系，包括一般操作人員對該產(chǎn)品控制過程的直觀性，應(yīng)急操作的方式與位置等內(nèi)容。式中:n為產(chǎn)品功能模塊數(shù)量，可根據(jù)工業(yè)設(shè)計分析方法進行針對性定義;Wi為產(chǎn)品中的第i個獨立模塊;ki為第i個獨立模塊的設(shè)計特征與要求，即某個模塊對系統(tǒng)的影響因子，如控制面板是與人直接接觸的，則其他模塊的位置不能布局在人的操作范圍內(nèi);如控制柜必須是開放的獨立空間，該范圍不再安排其他模塊;又如檢測門可與其他模塊重疊，但需保證對操作人員安全保護性;材料進、出口位置須是獨立的。

本文將LLPC產(chǎn)品設(shè)定為一個系統(tǒng)，其功能輸出M體現(xiàn)在經(jīng)工業(yè)設(shè)計有效地完成大型材料的激光加工的效果。而要素S為激光加工模塊(范圍)、控制模塊、待加工的材料、加工完成的材料、正在加工的材料、操作模塊，以及基座七大部分;其結(jié)構(gòu)鏈接形式為F，該結(jié)構(gòu)形式的選擇將影響該產(chǎn)品系統(tǒng)功能M的最終結(jié)果。本文將運用三維虛擬原型輔助法進行分析，假定可變性結(jié)構(gòu)連接F為框架式結(jié)構(gòu)，從功能布局、人機界面模塊化、產(chǎn)品維護和外觀整體性等幾個方面研究框架式結(jié)構(gòu)在LLPC產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的可行性。

2．1功能布局分析———框架式結(jié)構(gòu)理念的條件以功能為對象，大型激光加工中心產(chǎn)品按加工流程可分為:進料區(qū)、加工區(qū)(含控制區(qū))及出料區(qū)。每個功能區(qū)在工作過程中相對獨立，在各功能區(qū)功能完成后進行區(qū)間對接。如進料口完成材料裝載工序后，將待加工的材料輸送至加工區(qū)進行加工工序，進料口完成輸送動作后與加工區(qū)保持暫時性的獨立;此時，可考慮向進料口分配下一件材料，加工區(qū)在加工過程中保持獨立空間。加工過程中，工作人員需要適時觀察與調(diào)整加工工序，因此，需要考慮加工過程中的人機界面，加工完成的材料從出料口輸出，完成加工過程等幾方面因素。圖5所示為基本功能布局圖，圖5中激光加工范圍包括:激光模塊(含三軸電動機)及其行程范圍。從模擬的原型中，分析模塊布局與加工過程，發(fā)現(xiàn)該加工流程可初步地分為線型、L型兩種流程布局，這兩種流程布局占用空間大、效率低。通過分析加工流程的間歇性相關(guān)特點，筆者發(fā)現(xiàn)設(shè)備在進料工序的行程與出料的行程相似，基于運用框架式結(jié)構(gòu)原理的進料口與出料口重疊式的優(yōu)化布局方式，將進料輸送動作與出料動作合并，即N型的流程布局。加工流程布局如圖6所示。經(jīng)過三種布局形式對比，發(fā)現(xiàn)線型布局為進料口與加工區(qū)域、出料口呈現(xiàn)線型橫向排列，如圖6a所示;L型布局為三個功能模塊呈現(xiàn)L型的排列，如圖6b所示;N型布局為進料口與出料口重疊布局，利用升降架結(jié)構(gòu)完成出料、進料的上錯位輸送，如圖6c所示。對三種布局結(jié)構(gòu)從以下幾個主要內(nèi)容進行對比研究。

1)完成流程所需的時間，是指完成一個零件從輸入→加工→輸出所需的時間。2)場地占用，為產(chǎn)品的投影面積，同時結(jié)合工作人員活動范圍的投影進行綜合分析，場地占用面積大可能造成工作人員與機床工作的空間重疊而造成安全隱患。3)操作效率，是指流程布局對完成加工總量的效果，同時結(jié)合工作人員對操作模塊的不定期檢測所影響效率的情況。4)產(chǎn)品整體性，是指該加工中心布局形式對整體產(chǎn)品的完整性、形象的統(tǒng)一感的比較。布局的效益對比見表1。表1所示表明，以框架式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的N型布局具有較好的優(yōu)勢，因此選擇N型布局進行加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的。

2．2人機(human-machine)界面的模塊化分析以工作人員(用戶)為中心進行產(chǎn)品分析，按操作人員的活動流程為:開機啟動→電動機復位調(diào)試→操控入料→加工控制→監(jiān)視(加工過程)→控制出料(加工完成)→檢查材料→操控入料→查看與維護等。基于N型布局，其操作過程中產(chǎn)生幾個重要的人機界面，可能影響結(jié)構(gòu)布局與產(chǎn)品外觀設(shè)計，分別為:操作控制界面、觀察界面和維護界面。因此，需要根據(jù)以用戶為中心的評價原則，對該產(chǎn)品的幾個重要人機界面進行分析。圖7所示為大型激光加工中心人機操作范圍平面圖，該范圍包含了操作界面、觀察界面和維護界面，從而可確定LLPC產(chǎn)品的外觀平面格局。圖8所示為人機操作范圍的立面圖，圖8所示是以人機數(shù)據(jù)為依據(jù)，將操作控制界面、觀察界面和維護界面進行了區(qū)域劃分，確定產(chǎn)品立面基本外觀格局。通過界面平面與立面圖的綜合研究，得出以框架式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的人機界面模塊化組合形式的可控性高。

2．3維護的需求在LLPC產(chǎn)品的使用過程中，工作人員需要不定期地對控制模塊進行檢查、維護以及零件的更換。因此，該產(chǎn)品的維護模塊需保持足夠的開放性與獨立性。按框架結(jié)構(gòu)設(shè)計原理應(yīng)選擇獨立模塊，以便不影響加工范圍及人機界面模塊。由此，該模塊應(yīng)該設(shè)計在產(chǎn)品外立面，以圖7所示為例，維護模塊應(yīng)設(shè)計在加工中心外沿曲線范圍內(nèi)，在圖8所示中，維護模塊應(yīng)設(shè)計在人的觀察界面(窗口)范圍之外，比如上方或下方，考慮到操作的便利性，筆者認為下較為合適。

2．4外觀設(shè)計整體感要求及隱藏式結(jié)構(gòu)LLPC產(chǎn)品是體量較大的工業(yè)產(chǎn)品，其外觀設(shè)計對于產(chǎn)品的品質(zhì)、形象具有重要的作用。整體產(chǎn)品外觀設(shè)計應(yīng)保持完整性，即外觀上應(yīng)看不到結(jié)構(gòu)裝配的零件，即產(chǎn)品零件的工程結(jié)構(gòu)連接方式是隱藏式連接結(jié)構(gòu);同時，視覺上的體量不能給予用戶過大的壓迫感。具體要求:1)在外觀整體風格一致情況下，在用戶視覺范圍內(nèi)應(yīng)看不到暴露的結(jié)構(gòu)零件，以保持外觀的整體性與設(shè)計感，因此對結(jié)構(gòu)的連接方式提出了挑戰(zhàn)。2)產(chǎn)品系列化的擴展性，即該產(chǎn)品在系列化功能拓展時，可保持產(chǎn)品的基本功能不變，可根據(jù)需要更換某個模塊。鑒于以上對LLPC產(chǎn)品外觀設(shè)計的要求，試用框架式結(jié)構(gòu)原理進行驗證，發(fā)現(xiàn)運用框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計原理可以滿足不同功率、不同加工種類和不同型號產(chǎn)品系列化的要求。

3工業(yè)設(shè)計驗證

采用框架式理念的設(shè)計思路對LLPC產(chǎn)品進行設(shè)計驗證，首先根據(jù)系統(tǒng)分析確定模塊布局，基于該布局進行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進行外觀設(shè)計，運用計算機輔助軟件Pro/E進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)構(gòu)建及結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配等，完成后期數(shù)據(jù)分析及修改后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程圖輸出，進行數(shù)字化的生產(chǎn)加工。將生產(chǎn)完成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外觀零件根據(jù)預先設(shè)計的裝配流程進行最后實物裝配。完成裝配的整體產(chǎn)品實物如圖9所示。其中左邊低矮的箱體部分為上下N型結(jié)構(gòu)，分別進行待加工材料的裝入和加工完成材料的卸出工序(編號2、編號3);整體外觀保持了整潔感，無外露結(jié)構(gòu)件;操作模塊設(shè)計在產(chǎn)品右側(cè)(編號6)，便于觀察與控制，高度參考人機工程95%的人體尺寸;控制模塊設(shè)計在產(chǎn)品右邊(編號7)，保持獨立性。以上驗證結(jié)果均體現(xiàn)了框架式結(jié)構(gòu)在LLPC產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的各項優(yōu)勢，即可行性高的特點。

4結(jié)語

框架式結(jié)構(gòu)是一種具有諸多優(yōu)勢的產(chǎn)品工程結(jié)構(gòu)方式，其應(yīng)用面較廣，本文提出的在大型激光加工中心產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用，符合該類產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計要求;通過最終的產(chǎn)品實物使用效果發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品的設(shè)計方法是可行的，通過本文的研究，得出以下結(jié)論。

1)前期的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)與該產(chǎn)品的外觀、功能需求等因素結(jié)合考慮，為結(jié)構(gòu)、外觀造型設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2)新理念的創(chuàng)意應(yīng)該與該產(chǎn)品本身系統(tǒng)特點結(jié)合考慮，需要滿足基于產(chǎn)品功能上的優(yōu)化需求。3)應(yīng)在設(shè)計流程的前期確定框架的基本結(jié)構(gòu)，再進行后期的外觀、人機界面等設(shè)計工作內(nèi)容，但在結(jié)構(gòu)階段應(yīng)考慮人機工程及工業(yè)設(shè)計的需求。但是，框架式理念同樣存在著局限性，并非適合所有產(chǎn)品的構(gòu)造，其結(jié)構(gòu)形式與功能格局的內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律有待進一步研究。從本文的應(yīng)用實例看，該理念目前適用于產(chǎn)品功能流程工序簡單、人機交互可進行模塊化區(qū)分的產(chǎn)品。導入前，需要對產(chǎn)品系統(tǒng)進行工作特點、可行等必要的分析。

作者：李偉湛楊先英單位：重慶交通大學