产品的分解与实验_完成

产品的分解与实验产品的分解与实验 产品分解 是指对一个产品进行零部件拆解的过程 通过这一过程 我们 可以 r 解这个产品本身 并最终理解这项产品能够获得成功的原因一般说来 产品分解的目标主要体现在以下三方面 1 逆向工程中的产品分析 2 产品个体数据的获取 3 对同类竞争性产品的检测分析 以上第一项目标主要专用于一个产品的更新换代过程中 在一个产品发展到下 一代产品之前 首先 我们必须从功能 包括现有功能和潜在功能 技术指标 优势和缺陷等各方面 对当前的产品有深人的理解而运用产品分解及相关方法 我们可以获得这些基本的信息 即使是对于此项产品的历史无所知并且完全独 立的设计团队 这种方法也同样奏效 我们将产品分解的另一项主要目标形容为 寻根刨底 通过不断深人地分 解一件产品 我们最终将了解到产品核心功能的实现方式 而分解过程越是全 面 细致和具体所获得的能够产生新概念的基础信息也就越多 最后一个方面 同时也是最重要的目标 是对同类竞争性产品进行检测分 析 为了保持产品的竞争力 设计团队必须将自己的研发概念和同类竞争性产 品做出比较 以找到其他产品获得成功的原因 因此 通常的做法是 在企业 里必须设置这样一个部门或机构 对竞争对手的产品采取产品分解策略 估计 其成本 探寻发展趋势 进行需求预测 并将这些工作与其他的设计团队相配 合而最终 借助这些工作将能够发现竞争对手产品中的 精华成分 揭示出形 成其创意思路的规律 并能够发掘出这项产品的潜在价值 这里需要加以强调说明的是 竞争性产品检测分析的方法适合于产品发展 过程的不同阶段 而且 如果在用户需求分析和功能分解的步骤之前 采取竞 争性产品检测分析 可能会更加适合 换句话说 在产品开发之初 团队成员 可能会主观地坚持原有的想法 但这时 通过数据校验将是一种更有说服力的 方式关于竞争性产品的检测分析 我们将在第 7 章讲行更多的探讨和研究 6 1 内容提要内容提要 如图 6 1 所示 我们首先介绍一种所谓的 分布式产品分解法 这种方法 既适用于进行粗略的概要分析 也适用于进行细致的深人分析 而无论采取何 种精度和层次的分析都要求对产品采用系统化的分解方法 在系统化的分解方 法之后 我们将具体介绍这一方法中各阶段步骤中所运用的各项技术 在下一 章中我们将详细介绍竞争性产品检测分析过程中的各个环节 其中也将用到本 章中介绍的分解理论 但其目的是说明我们充分了解竞争对手的重要性 6 2 2 步骤步骤 1 列举设计条目列举设计条目 首先 必须清楚的是 对于目前所进行的项目 设计团队将要面临的问题 和机遇是什么 如果是一个新的产品开发项目 则我们所面对的设计条目可能 是全新的 因此 这时任何关于市场 竞争对手 竞争性产品特性等方面的信 息都是有价值的 这些条目将成为影响产品性重要指标 因此必须加以详细研 究 一般说来 它们都与消费者的需求相关 如果我们所面对的项目是一个现有产品的改良设计 那就需要了解一些关 于先前设计团 情况 其中包括 1 他们曾经面临一些什么样的困难 2 他们所解决的认为最有成就感的设计难题是什么 3 他们所感兴趣的相关技术是什么 为了使设计条目更好地展开 我们可以同时开展 消费者需求研究 见第 4 章 和 产品能预测 见第 5 章 消费者需求分析和级别排序将使设计条 目的内容更加全面充分 同样 产品功能预测的作用可以帮助我们在追求 功能实现手段之前 能 够首先明确 功能本身是什么 这样将有利于新的概念和设计条目的形成 我们进行竞争性 产品检测分析的的是什么 为了产品目标的实现如何进行功能的设定和规划 对于这些问题 我们可以运用第 5 章的方法 在进行产品分解之前 尽最大可 能地消除原则性的偏差 并在清晰的目标指导下进行产品分解 如果设计者没 有参与先前阶段建立功能结构的工作 则有可能会比较狭隘和短浅 目前只停 留于现在的产品形式中而无法越出自身的框架 因此 从根本上说 概念化地 建立产品的结构工作的作用实则是一种发掘设计条目的有效手段 最后 我们需要在收尾阶段记录的一类设计条目 是关于装配过程中的相 关部件的基本信息 这此条目将成为后期分析中的性能评估标准 例如 我们 需要根据选用材料的类型和质量来确定 某个零件的成本 一般说未 这些基 本的要素包括 单位产品包含的零件数 尺寸测量值 材料厚度的最大 最小和平均值 重量 材料 颜色表面处理 制造过程 包括制造分析中的足量信息 几何性 空间性 参数容差 基本功能 单位零件或组件的成本 某此其他方面 6 2 3 步骤步骤 2 产品分解前期预备产品分解前期预备 在明确设计条目之后 我们需要确定出用来完成产品分解任务所需的全部 工具 这些工具要是那些用于测量过程的感应设备和试验器具 比如这一过程 是否需要照相机 是否需要录像 用来记录产品操作 还有万用表 硬度测试 仪 光学感应器 流量计 测力计 圆规 闪光灯 通常 我们要将这些信 息做成一份书面或电子文档式的报告 6 2 4 步骤步骤 3 对流通和安装环节的检验对流通和安装环节的检验 在产品研发的决策过程中 产品及零件如何实现从下线到包装 运输 市 场销售的过程是需我们着重考虑的一项环节和内容 对这项内容的检验也是产 品分解过程中不可分割的一部分 我们应该细致了解关于产品包装方面的信息 但通常 这方面的检验工作往往要耗费大量成本 另外 我们也应当了解产品 安装过程的操作程序 这主要是基于对成本 实现效果和可靠性等方面的考虑 6 2 5 步骤步骤 4 对装配件进行拆解 测量和数据分析对装配件进行拆解 测量和数据分析 对于逆向工程而言 产品分解是一种很普遍而又自然的方式但为了最后的 实现效果 产品分解必须同测试和实验的步骤相协调进行 具体说来 首先 我们在分解过程之前 要对产品装配件进行整体的拍摄记录和测量而后的工作 包括 对装配件进行拆分 在分解状态下进行拍摄记录 或者 并且制作出关于产品实物模型的装配 图 即产品剖析图 对各零部件进行测量并制成数据表格 在第一遍执行这一步骤的过程中 我们应当尽量避免出现 破坏性试验 从而造成对零件的损坏 由于零件在加工过程中可能附带有嵌人铸件 铆钉 焊接点 塑料声波焊接点 焊料 复合件 比如发动机上的绕组或者机械钟表 内的线圈弹簧 等等 所以必须细致谨慎 以保证产品仍能运转正常 而在随 后的实验性操作中 我们可以在需要破坏性试验的地方进行进一步的分解 6 2 6 步骤步骤 5 制作材料表格制作材料表格 在拆解过程中 设计团队应当完成一份详述产品细节的书面材料 图 6 3 给出的是一份关于指甲刀产品的分解报告 它具有良好的参考价值 与此同时 我们也应当完成相应的装配拍摄和分解后的 CAD 制图工作 在这个材料表格 BOM bill of material 中 每一列中的数据对于随后的分析都必不可少 这 其中包括成本和性能 在后文中我们将详细介绍一些用来生成材料表格数据的 系统化的数据采集方法 这些方法同时也能提供其他方面的一些数据 比如关 于装配方面的数据 6 3 产品分解方法产品分解方法 我们接下来将依次介绍几种适用于上述概要性产品分解流程的方法这些方 法 包括能够用来指示子系统功能和可能存在的冗余成分的 移除操作程序法 能够用来确定装配件功能和可能的组件组合的 力流图表法 以及一些可以用 来获取所需数据的实验方法 6 3 1 移除操作程序法移除操作程序法 与在产品分解过程中讨沦的一样 对一件产品中各个组件和部件的功能信 息的掌握是相当重要的 然而 我们对产品的了解程度必须要达到能够洞察产 品的意图 即能够知晓 它要做什么 而不仅仅专注于其功能实现的手段 为 此 我们可以对竞争对手产品的功能结构进行探究 产品的可制造性评估也是一项极其关键性的工作 我们经常会遇到产品发 生 过量设计 的情况 所谓过量设计 是指产品中出现了多个单独的组件来 实现某些子功能的情况 而此时如果将这些结构简化或仅仅用一个部件加以替 代 则可能会有更好的效果 这种情况下 我们需要去 除那些冗余的组件 而对冗余组的识别工作可能具有相当的难度 移除操作程序法 SOP Subtract and Operate Procedure 是一种包含 5 个 连续步骤的方法 这种方法通过明确各个组件的本质功能 Lefever 和 Wood 1996 的方式 来发现存在于装配系统中的多余组件 步骤 1 拆解 或移除 装配部件中的某个组件 组件移除的次序可以任意的 但有时 在移除目标组件之前我们可能必须要带动移除 某个或多个其他的组件 而这些预先移动的组件可能还要重新装配回原来的位置 但 如果出现无法使它们再回到先前位置的情况 我们就需要采取一定的措施来弥补这些 组件的功能 关寸这些其休的措施和方法 我们将在后又中进行讨论 步骤 2 在最大可能的范围内对系统进行操作 在这个步骤中 我们应当从用户需求的各个方面对产品进行检验 在移除一个组件后 产品接下来将进行全面的试验 这些试验依据用户需求的各个方面 包括结构方面 人机方面 运动学方面 等等 以此来验证由于组件移除所产生的影响 步骤 3 结果分析 多数情况下 我们只须通过视觉观察就能完成这一步骤 但有时 组件移除后的试验 结果并不是那么明显 这时就有必要用到一台检测设备 步骤 4 推断移除组件的功能 根据步骤 3 的试验结果我们可以推断出所移除组件的功能或作用 在以上的操作过程 中 我们应该着重注意 自由度 DOF degree of freedom 的变化自由度将是一个 用来确定冗余组件的至关重要的因素 我们也将对其进行计论 步骤 5 更换移除组件并重复 n 次以上的程序操作 这一步骤我们要将移除的组件进行重新装配 接下来 为了时所有的组件展开分析 我 们将重复进行这 5 个操作步骤 重复的次数 n 等于装配件中所有组件的数目 在某些情 况下 我们必须要以子装配件和组件群为单位来分析一个产品 假设产品里存在 n 个 复合组件 这个问题在后面还会出现 我们将以一台能够实现局部绕转的机械装置作为 SOP 方法运用的实例 这个 机械装置的结构 虽然简单 但是可以用来比较好地说明 SOP 方法 6 3 2 SOP 方法实例方法实例 图 6 4 所示是一个机械装置的分解视图 这个装置能够在一个设定的角度 范围内实现反复性的摆臂动作摆臂作为产生旋转运动的力源 被连接在一个能 够旋转的轴上 转轴所旋转的角度范围被上部的两个长销栓和顶盘开槽所约束 为了构造一个关于这个装配件的表格 我们将执行 SOP 方法的 5 个步骤程 序 其中 零件数目 零件描述以及移除零件的操作结果等都应当做表格中的 栏口 此外 移除组件的子功能和用户的需求也应当列出最后 对上述装置 我们完成的表格如表 6 1 所示 SOP 方法的结果表明 系统中存在着 5 个可能的多余组件 见表 6 1 也就 是在表格中标注为 无影响 的零件 通过对图 6 4 的观察可以发现 装置中只需要一个旋转销栓就能够达到限 制旋转轴的转角范围的目的 而对于摆臂上的销栓来说 也只需要一个 在左 臂或右臂上 就能限制摆臂所有运动方向的白由度 这是 我们得到这个结论 的前提是假定摆臂没有承担大的负荷 同时摆臂是方状 刚性并与转轴紧密接 触 然而 即使出现较大的负荷 采用单一销栓的方式仍可以正常发挥作用 水平的销栓移除同样不会产生影响 因为由于有垂直销栓的限制 摆臂是不能 沿着转轴上下滑动的 我们在执行 SOP 方法时的一条规则是 如果发现一个组 件 无影响 则将其移除后继续探索下一个组件 因此 我们在将水平销栓移 除后 又移除了一个垂直销栓 当对系统进行操作时 发现结果仍是 无影响 其原因在于摆臂 转轴 加上销栓本身的儿何形状都限制了摆臂的随意运动 SOP 法归纳法归纳 有这样一个问题必须加以强调 SOP 法是否仅仅适用于出现过量约束设计 的情况 如上例所示 一般说来 导致组件移除 无影响 的原因通常是因为 这些组件所约束运动自由度与另一组件的约束作用发生重复 但是 也存在着 其他形式的组件冗余情况 例如 若移走一个结构件而系统的强度仍然在其安 全范围之内 那就可以认定这个组件在结构上是多余的 另外 美学 人机工 程学因素也可能导致某些组件出现冗余 这时 冗余件的确定方式带有更强的 主观性 但在详细分析用户需求的情况下 我们也能够对其加以区分 综上所述 对于一个组件 当被移除时是否改变原产品的自由度 是界定 这一组件是否冗余的重要标准 由此 我们得到以下定义 命题 当组件被移除时 没有引起自由度以及其他因素的改变则这类组件称为 第 I 类冗余组件 当组件被移除时 组件的自由度没有改变 但由于它们的移动引起别的方面 的变化 因此这类部件称为 第 2 类型冗余组件 1 第 1 类型冗余组件往往作为移除对象 2 第 2 类如果有别的组件能够通过参 变 数上的调整和再设计来弥补组 件移除的负面影响 则第 2 类型冗余组件也叮以被移除 解释说明 知果一个组件不会因为另一个组件的移动而变动 那么两个组件就有合 并的可能如果组件移除没有产生影响 那么将其移除就是可行的 而且它们属于第 1 类型 冗余组件而如果组件移除引起了一定的后果 只有当这种影响的作用能够被抵消时 移除 才可行 这种情况下它们属于第 2 类型冗余组件 图 6 4 中的实例中出现了多个冗余件 除了水平尾部销栓 零件 A 2 4 之 外 它们都属于第 1 类型冗余组件的情况 在这种情况下 水平尾部销栓的移 除并不会影响装置的自由度 同时 如果臂栓设汁合适 水平栓的移除也不影 响对负荷的支撑但是它的移除影响到了顾客的安全需求 如果臂栓失效或没有 正确地进行装配 水平尾栓的存在就可以起到防止摆臂与转轴相脱离的作用 鉴于尾栓对顾客安全需要所产生的影响 我们将尾栓归为第 2 类型冗余组 件 在尾栓作为一个独立组件被移除时 我们就需要对旋转摆臂的某个参数进 行调整在这个实例中 受影响的参数将是旋转臂的几何尺寸和形状如果摆臂被 加工为一端闭合 见图 6 4 零件的左侧部分 并且如果在接近支梁的部分局部 加宽 见图 6 4 中零件的右侧部分 转轴就能够在接近支梁的部分被插入 这 时 摆臂的尾端封闭 臂栓将用来连接摆臂和转轴这样 我们就能在不影响顾 客安全需求的同时 顺利将冗余组件移除 但是任何这种类型的再设计得以成 立的依据是 在削减零件数量或改变零件形式的同时一定要以能够降低零件加 工制造以及材料的成本为先决条件 第 2 类型冗余组件的另一实例是一个带把手的抽屉 其中把手用一个扣件 雕 如果这时将把手移除 我们可能会握住某一个突出部分来打开抽屉 但这 样将会 增加拿捏或抓握的难度 若对抽屉突出部分的几何形状进行凋整 使 其适应人手 就能起到一个把手的作用 因此 最终的解决方式是将抽屉在整 体上做出一个凹进或突出的几何体部分在这种情况下 手柄将是一个冗余的组 件 因为它不会影响抽屉的自由度 关于关于 SOP 方法的讨论方法的讨论 根据正在剖析的产品 我们可以知道移除操作程序法 SOP 有一些限制 通常 一个部件的分解需要先拆除其他部件 以螺钉这个简单的结构为例 它 作为一个模块连接到一个固定的部件模块上 而要想移除后者 必须先要拆下 螺钉 因此 类似的组件必须考虑在功能上与其他部件间的依赖性 在这个实 例中 螺钉的功能要视模块是否被拆除而定一旦模块被拆下来了 螺钉就不起 任何作用 系统的操作也不会因为缺少它而受到影响 但如果螺钉不仅连接了 一个模块 而且还连接了另一个模块到固定的模块上 在操作之前我们就应该 将它重新装土 因为它的功能要依这两个模块共同而定 在很多时候 一个部件被拆解后 产品的操作就会变得很困难 对于这些 情况 采用如图 6 5 所示的归纳分级的方法来分析一个产品将是非常有效的 把产品分解为子部件并对子部件应用 移除操作程序法 可以将系统整体的艰巨 任务化整为零 可以进行单独装配的子部 件可以不考虑其他部件的装配而独立进行 评估与其他部件相关的子部件则应该将它 与外部组件看做一个整体来进行评估在某 些时候 这种组件的划分是需要洞察力和 创造性的 而借助外部的控制工具则可以解决系统操作性上的问题 SOP 实例实例 II 我们再次回到已经在其他章节中讨论过的电锅产品的设计 它的主要市场 是年轻的城市居民 而这些人的愿望是能够方便地烹饪出正宗的中国美食 图 66 显示的是电锅的分解图 我们对其运用移除操作程序法 如果安全上允许 我们将电锅上的各个组 件分别移除 而在多种温度设置下 用电锅的所有操作方式来进行烹饪操作表 6 2 记录了采用这种方法后的执行结果 其中包含了关于自由度 DOF 的信息 表 6 2 的结果显示 零件 002 004 005 006 007 和 015 都具有设计改 进的可能同时 该表也确认了在电锅的系统内各个组件的基本功能 这此功能 可以连接成为一棵功能树或一个功能网络 以阐述电锅产品的实际功能特性 见第 5 章 试验策略 概念生成 详细说明 工程模型以及产品成本等 都 可能与这些功能有关系 SOP 法总结法总结 SOP 法在产品分解的过程中是一个逻辑性工具 它能确定一个产品里组件 的功能并且 或者 确定出冗余组件 或潜在的冗余组件 SOP 法的过程可以 概括为以下步骤 步骤 l 从产品中拆卸 或移除 一个组件 步骤 2 在它的最大使用范围内操作系统 步骤 3 分析结果 步骤 4 推测移走的组件的子功能 步骤 5 替换组件并重复 n 次程序 SOP 法通过定义从系统移除组件的功能特征来确定冗余组件如果这个功能 是多余的 设计就会受到某方面的约束和限制 于是这个组件就可以去除 如 果移除了一个组件后 系统的自由度保持不变 而其他功能受到影响 则有通 过剩余组件的参数变化进行补偿的可能 但即使这种可能性没有出现 SOP 法 仍是一种可以帮助在逆向工程中对组件功能进行理解的有效技术 6 3 3 力流 属能量通路范围 图表法力流 属能量通路范围 图表法 如果说 SOP 法是一种通过定义组件功能来探寻冗余组件的方法 那么力流 图表法则注重组件间的结合 除了探求组件的功能外 它的主要方式是建立一 个设计模型和进行对此模型的分析 力流图表主要反映的是力在一个产品的各个组件中转移的情况 Lefever 和 Wood 1996 这些组件在图中以圆形 或正方形 的节点来表示 力以箭 头的方式画出 连接在发生力转移部件的位置以下我们将以一个简单的二件套 纸夹 活页夹 产品作为说明的实例 如图 6 刀所示 在这个实例中 手把力传递到每一个杠杆臂 这些杠杆臂依次把力传递给 夹子 图 6 8 实际上以图表的方式描述了这些力之间的传递转移状况 构造产品的力流图表的目的是借助图表的形式来进行分析 最终探求到组 件 部件能够结合在一起的可能在一个模型完成图表化后 如图 6 8 所示 分析 过程的第一步是在存在相互运动关系的两个部件之间的箭头上放置一个 R 这个步骤完成后 流程化的图表就能被 R 分隔为许多不同的群组接下来 我们将用到以下的埋论 如图 6 7 和图 6 8 所示 我们假定纸夹的杠杆臂不需要旋转由此 图 6 8 a 所示的图表中就有存在相对运动 或者不会出现表示两个组件相关联 性的一个 R 标记 在此情况下杠杆可以被划分为群组并与夹子结合同样 杠杆臂 2 的情况也是如此 这样 由于群组间不存在对运动 因此它们都能够 与夹子合并所得结果是如图 6 9 a 所示的一个整体的纸夹它作为一个单一的 模型或金属薄片零件来生产 从而减少了 2 3 的部件数量 这项出现于 1899 年 纸夹的设计具有相当的创新性 保留宽口形式以便能夹住更多的纸 另外 图 6 9 b 和图 6 9 c 展示了几种较当今差异较大的曲别针的原始几何形式 当然 图 6 9 a 所示的新型纸夹的设计不能完全满足顾客的要求顾客对 纸夹的一个重要要求就是它夹住纸张时要紧 由于设计了长的杠杆臂 满足使用 上的方便性 我们在设计上就可以采用 空间和时间相分离 的设计原则 在 夹纸张时 所需要的较长的杠杆臂增大了夹子的尺寸 而在夹好纸张之后 又 需要一个平整的外形轮廓以避免尖角突出或占用过多空间 因此 我们用连接 件将杠杆臂和弹性夹子连接起来 在力流图表中又出现了符号 R 见图 6 8 这样 为保持所需的相对运动仍然需要三个组件的结构 应用 应用 Swingline订书机实例订书机实例 TM 图 6 10 所示 Swingline的订书机产品订书机由 24 个零件组成 图 6 11 所 TM 示为订书机的侧视分解图 我们将对这个订书机产品应用力流图表的方法 任何产品的使用过程都包含了一系列的操作行为使用订书机主要有二组操 作步骤 每组操作都有一次正向操作和一次相应的反向操作订书机的三个操作 步骤如下 la 当顶部被向下压时 订书机挤出一个订书钉 它穿过一叠纸到达 这叠纸的后面被弯曲 1b 当松开顶部时 订书机弹回到原来的准备位置 2a 碰撞盘能被向上提起并可以使用旋转钮将其旋转 180 度 2b 将 其放下使它接 触底座 以确保能够向里或向外将订书钉弯曲地钉进纸页里 3a 添加新的订 书机或取走没用的订书钉时 可以通过提起顶部滑轨使其与底部滑轨脱离 3b 当完成装卸书钉时 复归先前的位置 以上每组操作的力流图表都能够单独构造 而对这这不三组操作而言 由 于我们已经知道弹簧有负荷的情况 就可以由此得知它不受负荷的情况 这样 图表里就产生了大量的冗余一旦弹簧不承担负荷 力流的方向就发生简单的颠 倒 对于这个实例 我们选择了操作 1 操作者用手施加力 从顶部将订书 机向下压 这个力差依次被传递到弹簧支架 顶部滑轨 底部滑轨 通过枢轴 弹簧到达底座 最后传到外部接触面 当枢轴弹簧充分弯曲时 向上的反作用 力将超过托架向下的压力这种力差会引起在弹簧托架与底部滑轨之间的相对运 动 这个相对的运动允许弹簧托架推出一个订书钉并使它穿透纸张到达碰盘 同时 订书机弹簧对滑足和订书钉上施加了作用力 这个力既保证前面的订书 钉能准确到位 又能在前面的订书钉被移走之后 将其后的书钉向前 水平 移动 力流产生并通过除一个组件之外的所有组件连接片 铆钉 4 和铆钉 5 是操 作 3 所必需全部组件 但不是操作 1 所需要的 图 6 12 所示为 Swingline订 TM 书机的力流图在发生相对移动的组件之问标注 R 然后进行群组化 我们就 可以得到图 6 13 所示的结果 对于群组 1 我们将塑料外壳 不锈钢顶和铆钉结合为一个组件 这个组 件可能采取把塑料顶和弹簧托架以卡口的方式连接在一起的形式 对于群组 2 原先的弹簧和滑轨的组合将被一个能够推动书钉的弹簧所取代 对于群组 3 顶部和底部的滑轨能够很容易地组合在一起 顶部滑轨为订书钉提供顶盖并 为弹簧支架提供施压平面但如果这时底部滑轨是封闭的 这种组合就会使顶部 滑轨的存在失去意义 不过 我们在图 6 13 中的顶部滑轨和底部滑轨之间标有 一个星号 原因是这部分组件在另外某组操作的力流图上会发生相对运动 对 于本实例 这种情况出现在操作 3 中 即通过二条滑轨间的开合将实现订书 钉的插人或取出 但是这个分析也不表示将顶部和底部轨道结合在一起是不可 能的 因为有可能存在一种设计能够使两个轨道不必分离 而对于群组 4 这个由片簧 旋钮 铆钉 3 碰撞盘构成的群组可以视为一 个新颖的单一组件 这在图 6 14 中有具体的描述在新的设计中 一个与整体结 合在一起的弹性合页 用以取代压缩片簧和铆钉 被做成了碰撞盘的一部分 当组件通过一个冲孔被装配在基座上时 片簧向着基座触连接部分受压 弹簧 的一边退出孔后 它们展开回复到平衡状态 通过弹性合页偏转 碰撞盘可以 被顶高以及旋转 同样 对于第 4 组 在碰撞盘和基座之间的星号再一次表示了会出现在其 他操作中的相对运 不考虑操作 2 会得出这样的结论 任何没有相对运动的 部件都能够被安装到基座上 然实际情况并不是这样 相反 我们需要如图 6 14 a 所示的集成零件一样的新型部件 来维持操作 2 所需要的相对运动 除此之外 如图 6 14 b 所示的再设计可以被改进 这里 弹簧和轴的连接功 能能被一个快速连接件所替代 为了实现订书机弹簧向里和向外弯曲以定位碰 撞盘 最后一组是第 5 组 铆接 2 和基座的结合是可行的 对枢轴弹簧施压 可 以使它配合在一个按钮上 然而 枢轴的弹簧和基座需要不同的材料 基座和 橡胶座也是如此 这些组件很难结合 上卖弄所给出的每一个组件结合的实例都是一次再设计 而我们要在没有 影响其它组件功能的前提下进行这项再设计 尝试将他们与所在组之外的组件 结合 这意味着两者之间存在相对运动 这是一个更高层次的再设计 有可能 不仅改变了产品的外形 还改变了它的功能 为了使这点形象化 可以考虑将 订书机上不同组内的组件结合在一起 这不是不可能实现完全共享并精简为单 一的夹物模压的组件 Ananthasuresh 和 Kota 1995 回复弹簧被做成集成式的 塑料组件 惟一的金属零件 订书机的制动元件和碰撞盘在制造期间就被陷 入到模型中 这样产品就不需要任何装配了 总结总结 力流图力流图 力流图法的主要目的有三个方面 1 别一组组件 子部件 的功能 2 识别潜在的组合组件的方法 3 为后续的 更加详细的设计分析提供一个原始的力流模型 执行力流分析的过程包括 8 个步骤 1 步骤 1 确认通过一个产品传导的主要力流或能量通路 2 步骤 2 绘制力流 能量通路 从外部的来源开始 通过产品到达各个 组件 直到流出产品到达地面的过程 当能最通路通过元件分支 变得平行 时要特别注意 3 步骤 3 把结果记录在一个力流图中 其中节点表示组件 连接部分是作 用力 4 步骤 4 分析力流图在所有存在相对运动的组件之问添加标签 R 5 步骤 5 用 R 分解力流图为群组 把这些组件群组以线框标记 6 步骤 6 推断各群组的子功能和相关的客户需求 7 步辍 7 以创新性 概念性的设计方式来进行各群组组件的合井 8 步骤 8 对各个力流 能量通路 依次重复以上过程 按照 Boothroyd 1980 的理论 如果一个产品里的组件属于以下三种情况 则这个组件必须存在 1 它的运动与其他部分相关 2 它必须是由一种与 其他组件不同的材料制成的 3 如果它不被分离装配和分解其他组件将不可 能完成力流图法接受了这种观点 并进一步标出哪些元件才能被组合到一个系 统化的产品中通过建立各个组件间作用力的转移模型 这种方法能够对产品的 组件合并进行全面的分析以相对运动来对产品进行分组的标准 突出和强训了 那些由于低适应性设计可能被合并的组件 这些群组中的组件应当按照标准 2 和标准 3 来进行评估 6 3 后期分解报告后期分解报告 在后期 我们需要总结对产品进行的分解 将结果整理成一此关键性文件 这此文件具体包括一份产品分解计划 一份预期的材料表单 各个产品分解图 以及一个产品的实际功能结构 模型 6 3 1 分解计划和材料表单分解计划和材料表单 在产品分解的过程期间有两个文件必须要完成 分解计划和预期材料表单 BOM 分解计划说明了分解时间 执行人和分解的各个执行步骤 计划内容 包括如下项目 步骤数 各步骤的任务 执行步骤需要的工具以及关于分解过 程的引导性说明 与一个已定义的参考框架相关 其中分解工具和引导性说明 有助于鉴定分解过程 或者装配过程 虽然分解与装配不是完全对应的反向过 程 的难度而总体计划可以用来评价整个产品的可装配性 它也能用来指导产 品的重新装配 这样就 没有一个部分是多余的了 图 6 20 所示为一个分解计划的参考模板 模板的内容会根据实际的产品分 解状况 做出相应的调整和补充 我们执行其中的步骤 随后记录下步骤的执 行信息这一过程将不断重复 直到产品被完全分解或必须进行破坏性的实验步 骤 具有不可逆性 因为后者将终止继续装配的过程 在图 6 20 中我们注意到 分解计划中也包括了附加的信息 这类信息包括 对子系统和组件进行的所有测量方式 对组件的制造过程的观察 对组件所采 用物理原理的观察等方面的信息 这些数据由于能够帮助理解产品 因此特别 有助于之后的模型化工作和设计团队开展的预测工作 进行比较 除产品分解计划以外 我们还需要定制一个 BOM BOM 的一般形式如图 6 21 所不 它提供断了一种记录产品的结构性 物理性 功能性信息的方法 这些信息包括为装配中各部件和组件所 选择的标签 组件的数量 组件的细 节描述 组件关于流与功能的输人 输出状况 组件的颜色 物理性数据 大小 材料属性 等等 以及各个组件的制造过程 这些数据将被用来对产品进行竞 争性产品检测分析并用于进行对制造成本模型的设计关于 BOM 的实例可以参 考图 6 3 6 4 2 个性化的产品分解图个性化的产品分解图 产品分解图 无论是绘图的形式还是照片采集的形式 都是一种代表产品 在图像方面的重要文档一图 6 22 所示为一个产品分解图的实例一图中有关于各 个组件的透视图 而各个组件沿着装配配轴的方向由产品的中心向外分散 所 有组件都标注准确并且细节突出 一个产品的分解图可能用来帮助发展装配计 f9 它也 用来研究重要的组 件 装配界面以及错综复杂的产品特征 6 4 3 实际产品功能结构实际产品功能结构 一个产品功能结构简单说来是一个功能网络 产品通过它转换能量 物料 和信号最后形成所需的输出物它并不是一件产品在黑箱下作条件下的假设性功 能模刑 相反 它代表的是一件产品的现存部件功能这些功能关乎顾客需求 图 6 23 显示了一件电锅产品的实际功能结构 我们可以注意到 除了在虚 线框里的第一项功能外 在结构里的所有功能都代表的是产品本身所做的工作 而不是用户的工作情况或者在某个典型使用场景中其他产品的工作情况这个功 能结构提供了一个关于产品的定性模型 我们可以从中了解到各条通路的状况 它也提供了一种完全产品分解的方法 可以用来改变一个产品的体系结构或者 用来产生新的解决产品功能的概念方案 发展一个实际的产品功能结构可以用 它来比较不同的功能观点或者用以预测各项功能的价值 通过价值分析 见第 7 章 它同样可以被添加 删减或者整合 以此来满足尚未开辟的顾客需求市 场 6 5 产品分解的应用产品分解的应用 产品分解可以帮助我们理解现有的产品 它同时提供了一种能够创造性地 进行产品研发的途径 本文将研究产品分角的两个具体应用实例 一是汽车的 辅助护目板 已侧重十对分解工具的介绍 包括 SOP 法和力流图法 当与工程 分析结合时 运用这些工具将大大简化产品的组件结构 第二个应用实例是冰 茶机 主要用来引入对产品规格和测量工具的说明我们将从中得到一系列反映 顾客需求的产品规格 并且能够从产品及同类竞争性产品分析中得到工具的量 化 图 6 23 电锅实际产品功能结构 6 5 1 应用 滑出式辅助护目板应用 滑出式辅助护目板 目前 一家汽车制造商生产了一种滑出式辅助护目板 SOAV slide out auxiliary visor 产品 它以一个辅助零件的形式放置在车顶之上 这款护目板 将供应给豪华汽车的制造商 辅助护目板的作用是在驾驶员或乘客的前方阻挡 光线 而传统的折叠向下在旋转位置的遮护防护板位于侧面 大多数的辅助护 目板都是由一个二次折叠护目镜组成 SOAV 位置高于头 因此必须首先向外 翻起 而后向下旋转以遮挡射进来的光线 图 6 24 所 7 为产品的简单使用示意 图图 6 25 是 SOAV 翻出时的位置 SOAV 由 40 个零件装配组成 是一件大体积的产品 因此 如何减少 SOAV 的装配成本就成为了一个重要的问题 通过简化某个组件的处理和嵌入过程 或者通过减少装配工序的数日 都 能达到减少装配时间的目的 由于对于所执行的功能来说 40 个零件无疑是一 个过多的数目 因此 我们可能会采取减少零件数目的方式来缩减装配时间装 配时间的减少反过来会减少装配成本 接下来 我们所确定的任务是为了减少零件数而进行 SOAV 产品的改良设 计我们将采用 SOP 法和力流图法来进行产品分解和再设计 最终将达到减少 SOA 的零件数的目的 SOA 再设计再设计 对 SOAV 我们将执行产品开发的逆向工程方法 而其重点在于产品分解 过程由于内容所限 我们不能对各个步骤都展开充分描述 Lefever 1995 Lefever 和 Wood 1996 对任何产品开发过程 IN 言 收集和整理顾客需 求的步骤都是至关重要的在了解顾客需求时 我们必须考虑所有顾客的状次在 进行完顾客调查后 我们将顾客需求的信息制成表格形式 如表 6 6 所示 在顾客需求分析和原始功能模型化的步骤之后 我们将对 SOAV 护目板进 行产品分解 以下为这一过程的具体程序 1 在分解 SOAV 的过程中 应当预备两件相同的产品当其中件被拆分时 另一件将作为参考 2 一次移除一个零件 3 按照移除的顺序 将移除组件逐一记录在一张分解过程表里 4 当产品完全分解时 使用分解过程表可以帮助进行重新装配 这个过程 有助于对装配程的良好理解并帮助确定最优的装配顺序 同时可用来核查引导 性说明 所需工具和装配流程 5 至此 五个步骤的 SOP 程序完成 表 6 7 所示为这一产品分解过程的结果 毫无疑问 这一过程加深了我们 对某些重要功能的理解有更多 SOAV 的通用子功能被分解为 原子级别 最 小级别 的子功能 例如 引导导运动 的功能被分解为 允许线性自由度 提供线性阻力 和 在翻转时约束自由度 的子功能 这些功能为 SOAV 产 品的功能详细描述提供了基础 并引发了从力流角度进行的改良设计 图 6 26 所示的力流图描述了一个翻转护目板 而后向下旋转的操作流程在 图中 通过 SOAV 的力流在形式卜大致对称 沿力流图的中间可以划一条水平 线 水平线以上的部件是在 SOA 内侧的组件 水平线以下的是 SOAV 外侧的 组件因此 此图是一个关于产品形式和功能的双重描述 SOP 法的结果分析 见表 6 7 内缆索的移动没有导致护目板自由度的改 变 缆索的作用是约束旋转的自由度 DOF 并提供线性阻力 如果当缆索移 动时自由度不变化 这里可能存在一个冗余部件如果对子功能 在翻转时约束 自由度 进行分析 就能找到对 SOAV 反向旋转进行限制的两个设计着眼点 内缆索和滑轨自身的角度 虽然减去内缆索对白由度没有影响 但也因此失去了向其他部分提供线性 阻力的功能同时 发出护目板的力被减小了 这意味着缆索组件不是第 l 类型 冗余部件 而可能是一个第 2 类型冗余部件 第 2 类型冗余部件主要是通过对 其他组件参数的改良设计来弥补移除所产生的影响和后果 内缆索的其他子功 能 即 提供线性的阻力 可以有多个解决方案 通过对这此解决方案的思路 和具体化的分析 我们可以很容易地发现 剩余的外侧缆索能用来补偿线性阻 力的损失只要采取减少缆索的长度或增加牵引簧的弹簧常数的方式 就可以增 加缆索的张力并提供更多摩擦力来通过较低的滑块 工程模型和数学等式工程模型和数学等式 对不同组件进行分类是 SOAV 模型的参数再设计过 程的重要环节 例如 我们能够通过分析护目板的几何特征以减少护目板的摆动 或建立一个旋转夹的模刑以便检查护目板厚度变化对转动阻力的影响 因为此 例研究的日的是减少 SOAV 的零件数并且已明确定出一个第 2 类型冗余组 件 因此缆索提供的摩擦力是这个模型的重点 图 6 27 是个缆索 弹簧设计的简图在缆索里的张力 T 由弹簧提供 弹簧伸 缩量是 x 弹簧常数是 k 在缆索里的张力是通过较低滑块按钮的正常作用力 在缆索和按钮之间的摩擦力系数表示为 通过各个按钮的正常作用力等于 ck 2kx 于是总摩擦力是 摩擦力 f 4kx 目标功能 ck 这个摩擦力提供必要的阻力 当经历一次特定的减速后 护目板能保持在 任何位置 从图 6 28 可以了解到护目板的质量 连接组件和减速器 从而可以 确定必需的摩擦力加上来自 x 方向的力 摩擦力的阻力变为 4kx mcos mgsin 因此可以从中看出 减去一个缆索就可以非常轻易地将等式左边的作用力 减小一半 与此同时 我们可以通过增加弹簧系数 弹簧偏转 弹性有效长度 与摩擦力系数的方式进行参数补偿 构造一个物理模型 建立关于此方面参数变化的物理原型的工作比较细节 化 首先 需要移除内部的缆索 而后 我们用一个两倍弹性系数的弹簧来代 替其余的拉伸弹簧图 6 29 展示了这个改变结果 使用这个原型测试弹簧的牵引力 可以发现牵引力在规格 4 5 N 16 N 之 内 因此对共进行再设计是有效的除去内缆索的同时也允许我们移除内牵引弹 簧和内牵引弹簧毡 这样将总共减少三个零件 力流结果的分析力流结果的分析 图 6 26 所示为转换和旋转操作的力流图 分析力流图 我们将一个 R 放置在有相对运动的组件之间然后 组件将被群组图 6 26 中 标明了在力流图中发现的两个组件群组其中 群组 2 是进行 SOAV 适应胜设计 的焦点 群组 2 是对称的旋转杆连接系列的内组件和外组件对任一边的再设计都可 以复制到相对的另一边组合交叉对称的组件是困难的 检查群组 2 的结果表明 锁紧装置的使用可能能够消除连接上下滑块的螺 丝 然而 更可取的方法是简单地联合上下滑块这个群组表明其中包含装配份 解的问题图 6 30 的适应性改良设计展示了如何去除约束和组合两个组件在上下 滑块之间的泡沫塑料缓冲器被一个 O 形环所替换这样 装配问题通过旋转块子 部件进人滑轨得到 r 解决内外侧的上下滑块的组合导致减少附加的 6 个零件 改进的改进的 SOAV 设计设计 在顾客的需求和产品开发过程的背景下 SOAV 减少组件数任 务的实现是通过使用产品分解方法来完成的最终的改良设计将减少 9 个组件 除去缆索 牵引弹簧 弹簧毡以及购买两倍弹性系数的弹簧 是最直接的调整方式厂 商一般也采取了这种方式一因为这些零件的减少不仅仅降低制造和销售成本 而且也允许 厂商将一名装配工从一条 SOAV 线移动到另一条线 然而 这个改变对 SOAV 制造商意味 着每年大量的节省 几百万美元 对单一滑块进行移除 6 个组件的改良设计也得到了执行即使算上单一滑块设计的新模 型的成本 这一改变所带来的年度成本节约相对于消除缆索的改良设计将对应于更大的数 量级 6 5 2 自动冰茶机的案例研究自动冰茶机的案例研究 这部分我们将介绍一个有关自动冰茶机的研究案例 并着重于其测量和试 验的分解方法如图 6 31 和图 6 32 所示 West Bend 冰茶机用类似于自动咖啡机 的方法制作冰茶自来水被注人到一个水槽或蓄水容器中 而茶则被放在一个浸 泡篮中 当冰茶机被打开时 水通过产品底部的耐热元件加热经由一个管道 蒸发 到其顶部之后被引人浸泡硫中并滴在茶叶袋上 茶则从浸泡篮底的孔 中流出并进人一个装满冰的水罐里 除了水罐和机器比较高 容器的材料用塑 料取代玻璃外 这个设计十分类似于自动咖啡机 结构案例研究结构案例研究 在分解冰茶机之前 让我们首先简短地介绍冰茶加 7 背景现在 市场中有 数十个自动咖啡机的制造厂商 然而 仅仅有很少品牌的自动冰茶机在市场上 销件 包括 Mr Coffee 和 West Bend 据 Stash Tea 公司报告 现在 茶是世界上 仅次于水的消费最广泛的饮料 几乎 80 的美国家庭中都饮用茶饮料 Stash Tea 1997 传统的制作冰茶的方法需要煮沸水 加人茶 然后放在冰箱里冷却 茶的最初类型有红茶 乌龙茶和绿茶红茶在制作过程中经历了几小时的发醉 并且构成了美国市场份额的 90 Nielsen 1997 红茶是最醇厚的冰茶通常是由 红茶制作的 并没有那么复杂 只需固定五分钟的浸泡时间 很少会烧焦茶叶 而绿茶和乌龙茶需要变化浸泡的时间和热水的温度 9 个不同国家的消费者参与了调杳访问 品尝以不同方式制作的冰茶 粉 末的 传统煮沸的 自动冰茶机冲制的和现成的饮料这个顾客见面会的主题是 他们是否喜欢所饮用的冰茶顾客包括一个中东人 他认为冰茶仅仅是一种美国 的饮料 3 名欧洲人 在欧洲他们每天喝冰咖啡 没有迹象表明冰茶机不适用 于外国的酿造标准 总体来说 对产品的主要意见包括 使用更少的冰 不容易加茶 和 泡茶 见表 6 8 值得注意的一个重要的问题是 不使用 制冰机将较容易控制所需的加冰量 因此 在 9 名被调查者中有 7 人没有制冰 机或者对于有制冰机的调查者也没有做出任何回答 利用这些结果 构架一个功能结构图如图 6 34 所 这个功能结构考虑到了 顾客的各个需求 通过每一个需求相关的流和一系列子功能的流分别满足顾客 需求 这个功能结构图采用一个共同自原理构架 见第 5 章 所以它可以与其 他相似产品进行比较 从而选择话当的测量方法 有了对顾客需求的了解和形 成功能结构图 结合对产品的了解 就能确定在产品分解期间应测量的最宜要 的功能 顾客需求的加权值顾客需求的加权值 相关子功能相关子功能 这个步骤分为三个小部分 首先把顾客 需求按比例分为 1 5 个等级 下一步 必须确定与各客户需求相关的功能 最 后 子功能的等级增加 1 以便分配功能一个 1 见图 6 35 的重要度 在绘图过程中 要考虑一些令人感兴趣的相互关系 首先 要汪意所有的顾客 需求应直接绘制在一个和三个子功能之间相互关系 一些功能是相当明显的 如 容纳蒸汽 与 停止蒸汽 而理解其他的相 互关系需要更多的洞察力 如 使用更少的冰 与 输人人力 由于对加冰的 人类工程学方面的考虑 传送热量 产生于最初的功能 冰水 顾客需求 容易加茶 与四个子功能有关 因为过程包括 引导手 去 导人茶 和 加茶 测量选择方法测量选择方法 为了测量选择方法 首先要集中精力调查 传送热童 和 混合固体和液 休 这两个子功能因为这些功能在图 6 35 中的等级很高 理解 5 个首要的作用 有助于我们更加彻底地研究功能结构 在最初的重复完成以后 这样的附加功 能是可能的 测量选择方法的步骤 3 包括以冰茶机指标的形式选择测量方法 一个包含 每个功能测量值的数据库展示了下面的产品指标 见表 6 9 我们现在能利用 这个信息确定产品指标和正确的改良设计方法 集中考虑首要的两项顾客需求 如顾客需求图所示 较浓的茶 和 使用较少的冰 两者直接相关于冰茶机 的主要功能 传送热量 和 混合固体和液体 在完成池茶过程的最初研 究后 我们决定把茶的浓度以引起混合的能量值 加水的温度 和水与茶的混 合时间为基础 通过测量混合室的容量和茶水的输出流量确定泡茶的时间 第二项顾客需求是 使用较少的冰 主要与冷却水或传送热量相关 在 观察产品操作并研究数据库之后 选择两个产品指标 即 介质的量 容器里 水的量 和 最终温度 进入水罐的茶的温度 测量选择 选择一台测量设备测量选择 选择一台测量设备 由于温度的测量在两个选择的指标中 因此温度将用来说明这个选择过程 选择一台测量设备的过程有三个步骤 输人数据到工作表 从目录收集数据 选择测量设备我们需要完善数据的广度和精度来建立起产品规格 例如通过竞 争性产品检测分析的方式 对于冰茶机 我们测量其热水的温度 因此 温度 范围应当到达 100 摄氏度并且至少从一个近似 25 摄氏度的房间温度 开始我们 可以基于总的温度范围和预测的加热后的水和流出的水之间的温度下降来确定 这个产品的准确