基于力流分析的產品再設計方法研究

容芷君，林澤軍，莫壽康，陳奎生

（武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081）

產品再設計是指在設計條件限制和市場要求下，尋求一種既可以保留產品原始功能又能降低生產成本的方法，在產品生命周期開始階段，對產品的材料、結構、裝配等方面進行改善設計。產品再設計的方法有很多，管強等［1］提出面向產品再設計的裝配性評價體系，主要討論并行工程環境下面向裝配的設計中的關鍵技術，提出了一種面向產品結構和裝配工藝過程再設計的可裝配性評價體系，但是其模型中的設計參數具有特殊性，只能針對特殊復雜產品，不能普遍應用于大眾化產品。方峻等［2］提出基于模型推理的參數再設計方法，采用定性因果推理和啟發式搜索的方法，提出一種自動生成參數再設計方案的關鍵技術，建立了基于因果影響關系的再設計模型，但模型建立過程中涉及權重值及多個約束變量，需要經驗豐富的設計工程師和大量數據來完成建模。田燕［3］提出面向再設計的級進模結構設計方法，開發出了相應的級進模結構CAD系統，利用該系統用戶可以方便地進行級進模總裝及零部件設計，并完成設計過程中的實時修改，但是只涉及在原有零件上進行位置和形狀修改，沒有考慮零部件組合。在產品再設計領域，多零件規格組合技術正在引起人們的廣泛關注［4］。基于力流分析的再設計方法［5］可用單個的兼容部件直接代替特定零件，只需要考慮小部分的形狀修改和物料特性問題就能成功地完成零件組合，不僅減少了組成產品的零件數量又保留了產品的原有功能。Jensen等［6］提出的面向產品進化的力流分析是以裝配設計（DFA）為準則的，然而DFA第一個準則過于約束設計。因此，本文以功能結構為準則進行產品再設計，以訂書機產品再設計為例，通過對其進行結構功能建模，應用力流分析法實現零部件組合從而減少零部件數量。

1 力流分析的基本要素

力流分析法通過力流圖分析零部件之間的相對運動所產生的力傳遞來確定零部件整合的方式，實現產品的再設計。力流圖是基于圖的語義網絡，圖的節點代表產品的零件，節點之間的鏈接代表零件之間的連接。力流圖以產品的拓撲結構為基礎進行設計和布局，可以清晰地顯示出零部件可能存在組合的機會。零件之間的相對運動可以多種形式發生，并且需要應用力流分析法進行建模。為了實現建模，需要確定力流分析法的基本要素。力流圖的3個基本物理要素是零件、零件之間的交界面以及零件交界面之間力的傳遞。表1給出了零件之間可能的相對運動形式。

表1 零件間相對運動形式Table1 Forms of relative movement between parts

由N－Link連接的零件組是組合的第一級候選。N－Link代表零件以及交界面之間都沒有相對運動的連接，這些零件組像剛性體一樣移動，代表最容易的零件組合，即如果兩個零件之間的交界面能夠用N－Link表示，那么這些零件可被直接組合。

由C－Link連接的零件組是組合的第二級候選。C－Link代表在非交界面處有相對運動而在交界面處沒有相對運動的零件之間的相互作用。這種相互作用意味著一個或更多的零件之間力的傳遞。如果兩個零件之間的相互作用能以CLink表示，這些零件就能通過更改所涉及的零件的幾何參數直接組合成柔性機構。以C－Link連接的零件組被分類為第二級候選是因為他們相對于N－Link組合來說零件組合的可能性降低了。

由R－Link連接的零件組是組合的第三級或更高級候選。R－Link代表一般的相對運動像力的傳遞發生在交界面以及非交界面之間。RLink有多種形式，如所有形式的運動連接、導槽的滑動接觸、齒輪和軸承等。如果交界面不固定，R－Link也可能代表從動型部件和支撐性組件之間的交界面。以R－Link連接的零件組被分類為第三級或更高級候選是因為他們相對于N－Link和C－Link組合方式來說零件組合的可能性最低。

2 力流分析的步驟

產品再設計的力流分析流程圖如圖1所示。力流分析全過程從確定再設計工作的發展目標開始，這個目標可能會漸漸地演化成產品或者會徹底地改變產品。需要注意的是設計工作可能在最后決策之前分析最初的改善設計，或者針對產品進行再設計。活動圖可以用來描述力流分析的過程。活動圖給使用者提供了關于產品操作的理解，這些操作將會在力流圖中被建模，然后在操作建模的基礎上進行功能建模，接下來就是產品分解，建立單個零件以及它們的交界面，最后建立零件和交界面的力流模型。根據零件的接觸面特征和力流分析結果，來確定零件之間的組合方式。

圖1 力流分析流程Fig.1 Process of force flow analysis

力流分析法假設任何再設計產品都必須持續滿足原始的產品功能，還必須滿足基本的物理定律，包括應變－位移定律、應力－應變定律和力平衡定律。零件組合除了需要滿足基本的物理定律，還需要具備功能條件，包括自由度條件、能量傳遞條件和驅動力條件。自由度條件是指在最后的組合件中最初的基于功能的剛性或柔性的自由度條件必須保留，即在原始零件提供的動作條件下，零件基于動作的功能必須在再設計零件中被保留。對于機械產品而言，動作有兩個基本的需求：第一個是路徑生成；第二個是終點定位。平衡和應力分布定律是滿足自由度條件的關鍵。能量傳遞條件是指組合件的材料必須滿足產品所需的能量傳遞功能，能量傳遞條件的基礎是功能建模的能量流。在機械產品領域應用力流分析時，能量流是力或力矩的表現。力將會在組合零件材料之間傳遞，并且這些組合零件的材料強度必須足夠大以便提供能量傳輸功能，這個力的標準需要滿足應力定律，驅動力條件是指最后的剛性或柔性機構的驅動力必須在驅動組件合理可達到的范圍內。這3個功能條件是零部件組合的必要但非充分條件，充分性沒有得到滿足是因為這些條件沒有涵蓋所有可能的功能需求。

當然零部件組合還要考慮物料和裝配、拆卸功能，就像功能關系包括原始產品設計中提供的路徑生成和終點定位屬性。為了確定零部件組合后的功能保留性和生產成本，必須評估其材料、結構、裝配和加工成本以及組合件的重量和外觀。

3 實例

得力0309型號訂書機是得力公司最暢銷的訂書機產品之一，該產品包含20個零件，主要分為3大部件，包括底座部件、訂書釘支撐部件和壓釘部件。訂書機的零件分解圖如圖2所示。

圖2 訂書機零件分解圖Fig.2 Decomposition map of stapler parts

產品的功能包括主要功能、次要功能以及輔助功能。主要功能是該產品最基本的功能，也是再設計中必須保留的功能；次要功能是產品在主要功能的基礎上能保證其更好地工作的功能；輔助功能是設計者給產品在正常工作時添加的能使正常工作更方便、更快捷、使用范圍更大的功能。訂書機的主要功能包括裝針功能和釘針功能；次要功能是改變針頭裝訂形狀功能，訂書機的訂書針裝訂后，要能持續保證被裝訂物體正常工作，所以要在裝訂時須改變裝訂針的形狀，這樣既能保證裝訂功能，又能保證裝訂針不至于劃傷其他物體；輔助功能在訂書機的發展過程中不斷增加，目前市面上訂書機被使用的輔助功能包括防滑功能、防噪功能、省力功能、商品展示功能等。

根據訂書機操作過程建立其力流圖，如圖3所示。從圖3中可見，從施力到釘書動作完成，釘書機零件與零件之間的受力關系以及零件之間的連接共有15個，包括：5個N－Link，是實現組件組合的第一級候選，也是最有可能實現組件組合的；4個C－Link，是實現組件組合的第二級候選；6個R－Link，是實現組件組合的最后一級候選。

圖3所示的15個連接分析如下：

圖3 訂書機力流圖Fig.3 Force flow diagram of stapler

（1）塑料端蓋與上頂蓋之間、上頂蓋和壓釘板之間、墊片與支座之間、支座與底座之間、中央支架與支座之間的連接類型均為N－Link，可以分別直接組合成一個組件。

（2）上頂蓋與端蓋彈簧之間、端蓋彈簧與端蓋彈片之間的連接處沒有相對運動，只有彈簧的受力變形；釘子支架與彈片之間、彈片與中央支架之間的連接處沒有相對運動，只有彈片的受力變形。這些連接類型均為C－Link，因此固定連接處，也可以分別組合成一個零件。

（3）上頂蓋與定位軸之間、端蓋彈片與定位軸之間、釘子支架與定位軸之間、中央支架與定位軸之間的交界面間存在旋轉運動；端蓋彈片與釘子卡具之間、釘子卡具與釘子支架之間的交界面間存在滑動，且存在與滑動方向正交方向的力的傳遞。以上連接類型均為R－Link，不能實現零件的組合。

以上分析只考慮了零件與零件之間的連接關系，得到了零件之間的組合可行性，但沒有考慮生產條件及裝配特性對組合的約束，如因為生產及裝配的局限性，訂書機中上頂蓋與端蓋彈簧的零件組合、端蓋彈簧與端蓋彈片的零件組合不能同時實現；訂書機中彈片和釘子支架的零件組合、彈片和中央支架的零件組合也不能同時實現。綜合考慮零件間的連接關系及其組合的可行性后，對訂書機進行再設計，即可實現零部件的有效組合。組合后的訂書機零件分解圖如圖4所示。

圖4 組合后訂書機的零件分解圖Fig.4 Decomposition map of stapler parts after combination

對再設計后的訂書機再次進行力流分析，力流圖如圖5所示。由圖5可以看出，再設計后的訂書機零部件之間存在7個連接，其中C－Link 1個，R－Link 6個。具體為：①上頂蓋與端蓋彈片之間，連接類型為C－Link，為可組合的零件關系，但考慮到生產條件及裝配特性對組合的約束，不再進行零件組合；②連接銷與上頂蓋之間、端蓋彈片與連接銷之間、端蓋彈片與滑塊之間、中央支架與連接銷之間、連接銷與底座之間的交界面存在旋轉運動，且存在與旋轉運動相垂直的橫向力；滑塊與中央支架之間的交界面存在導槽的滑動，這些連接的類型均為R－Link，不能實現組件的組合。由此可見，該訂書機中已無可再組合零件，零件組合完成。

圖5 組合后訂書機的力流圖Fig.5 Force flow diagram of stapler after combination

4 結語

有相對運動接觸面的零部件的組合對于產品改進和再設計有著實際意義，力流分析法可實現這一目標。力流分析法針對3種相對運動連接，建立產品的功能圖，確定產品零件之間的連接關系，分析零件之間受力情況，建立產品的力流圖，然后根據力流圖和連接關系確定零件之間的可組合性，實現零件之間的組合，減少產品的零件數量，從而減少產品裝配工序和時間。

［1］管強，劉繼紅，鐘毅芳，等.面向產品再設計的裝配性評價體系研究［J］.中國機械工程，2002，13（2）：111－114.

［2］方峻，聶宏.基于模型推理的參數再設計方法研究［J］.中國機械工程，2005，16（18）：1632－1636.

［3］田燕.面向再設計的級進模結構設計方法研究［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［4］胡朝輝，成艾國，陳少偉，等.多材料－多零件規格組合結構多目標優化的應用［J］.機械工程學報，2010，46（22）：111－116.

［5］Greer J L，Jensen D D，Wood K L.Effort flow analysis：a methodology for directed product evolution［J］.Design Studies，2004，25（2）：193－214.

［6］Jensen D D，Greer J L，Wood K L，et al.Force flow analysis：opportunities for creative component combination［C］／／Recent Advances in Design for Manufacture，Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress，2000.