基于DFX合并五原則與DSM矩陣的零件設(shè)計(jì)優(yōu)化

摘 要：DFX設(shè)計(jì)中，降本增效的最有效手法就是零件合并，減少零件種類(lèi)。實(shí)踐中有5條指導(dǎo)原則幫助設(shè)計(jì)師識(shí)別零件合并機(jī)會(huì)。1）相對(duì)靜止。2）相同材料。3）合并后不干擾其他零件的裝配或拆卸。4）合并后的零件成本不大幅上升。5）合并后的零件的安全系數(shù)滿(mǎn)足要求。本文分析了這五條原則之間的關(guān)系，并對(duì)原則一提出補(bǔ)充，存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相鄰零件也可以合并；針對(duì)原則二也提出補(bǔ)充，不同材料的零件也可以通過(guò)先進(jìn)工藝合并為一個(gè)零件。此外，針對(duì)5條原則在運(yùn)用時(shí)依賴(lài)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的弱點(diǎn)，提出更明確的流程，并結(jié)合SM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，首先，分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各個(gè)零件之間的耦合關(guān)系。其次，結(jié)合公理設(shè)計(jì)AD的獨(dú)立原則，通過(guò)聚類(lèi)分析、識(shí)別零件合并機(jī)會(huì)。最后，結(jié)合原則三、四、五評(píng)價(jià)合并方案的可制造性。

關(guān)鍵詞：DFX；零件合并；DSM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣；AD公理設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：F 426 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DFX（Design for X，面向制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)），也被稱(chēng)為卓越設(shè)計(jì)（Design for Excellence），核心是在產(chǎn)品創(chuàng)新全生命周期中的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)階段，提前識(shí)別產(chǎn)品方案難以制造的隱患，進(jìn)行預(yù)防性設(shè)計(jì)質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)“治未病”的目標(biāo)：設(shè)計(jì)一次到位，減少迭代，從而降本增效。

石曉飛等[1]對(duì)零件特征進(jìn)行拆分、定義、編碼，與設(shè)備能力、材料特性、工藝方法等進(jìn)行匹配，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和工藝審查階段，基于特征評(píng)價(jià)可制造能力；同時(shí)，基于特征相似度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)典型工藝自動(dòng)推送。李壯等[2]根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝變量的交互關(guān)系研究耦合機(jī)理，提出工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的耦合表現(xiàn)形式，運(yùn)用AHP識(shí)別引發(fā)工藝問(wèn)題的關(guān)鍵耦合變量，基于沖突解決原理提出解決方案。沈靖[3]提出了基于DSM矩陣復(fù)雜度、零件的DFX結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)度、零件關(guān)鍵尺寸與公差構(gòu)成的零件信息含量，構(gòu)建復(fù)合評(píng)價(jià)指標(biāo)的方法。戴志杰等[4]對(duì)DFM軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立了個(gè)性化的規(guī)則庫(kù)，驗(yàn)證了二次開(kāi)發(fā)結(jié)合工藝規(guī)則庫(kù)的可行性和有效性，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段可制造性審查的自動(dòng)化。

1 DFX技術(shù)中的零件合并

1.1 基于降本增效的零件合并

為了降本增效，無(wú)論是新品開(kāi)發(fā)，還是老品改善，基本思路就是盡量減少產(chǎn)品中零件的種類(lèi)和數(shù)量，簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：裝配尺寸鏈變短、尺寸鏈上的各零件的精度要求降低、零件號(hào)減少，降低文檔管理成本。最直接的技術(shù)路徑就是零件合并的五條原則[5]，見(jiàn)表1。

1.2 零件合并五原則的內(nèi)在聯(lián)系

甲和乙用于識(shí)別相鄰零件的合并機(jī)會(huì)：只要2個(gè)零件之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且可以采用同種材料，就有潛在的合并機(jī)會(huì)。

丙、丁和戊是可行性約束，滿(mǎn)足就可以合并，否則最好不合并（即拆分）。

丙裝配可行，DFA；丁成本可行，DFC；戊可靠性設(shè)計(jì)，DFR。

另外，文獻(xiàn)[5]也提出，所有的緊固件都符合甲和乙，理論上所有緊固件都能被合并。因此，當(dāng)實(shí)踐中分析具體問(wèn)題時(shí)，都默認(rèn)不考慮緊固件（本文的案例研究也不考慮緊固件）。

1.3 實(shí)踐中的例外情況以及原則的修正

關(guān)于原則甲的討論，為了方便，指定零件1是靜止零件，零件2相對(duì)1有運(yùn)動(dòng)：平移+轉(zhuǎn)動(dòng)。

在較多的設(shè)計(jì)實(shí)踐中注意到，即使零件1和2存在上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可以合并，只要合并后的零件3繼承零件1的運(yùn)動(dòng)即可。

在新設(shè)計(jì)、新技術(shù)的加持下，原則甲需要補(bǔ)充。例如模內(nèi)裝配技術(shù)（IMA），能夠在同一個(gè)注塑模具里同時(shí)成形材料相同的多個(gè)不同零件，然后在模內(nèi)自動(dòng)裝配成為一個(gè)組件，并且這些零件還可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了吸收汽車(chē)焊釘?shù)妮^大位置誤差，在汽車(chē)線(xiàn)束保護(hù)套上安裝局部卡扣，如圖2～圖4所示。

因此，原則甲可以對(duì)應(yīng)3種工況。1）相鄰零件同時(shí)靜止。2）原來(lái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)但合并后可以一起運(yùn)動(dòng)。3）合并后保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@3種工況出現(xiàn)的概率不同，所以加工便利度也不同：①＞②＞＞③。

另外，若干工藝可以將多種材料成形并結(jié)合成一個(gè)零件，不需要后續(xù)裝配。例如，雙色/多色注塑成形（Over-mold）、注塑零件上直接制作印刷電路的LDS工藝、鋁合金板材零件再注塑加工制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)的NMT工藝、不同材料同時(shí)擠出成形的共擠出工藝等。

因此，原則乙修改為相同材料或不同材料但無(wú)須裝配就能結(jié)合的零件也可以合并。從而，得到新的零件合并五原則，見(jiàn)表2。

2 公理設(shè)計(jì)AD、DSM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣與DFX中零件合并五原則的關(guān)系

文獻(xiàn)[6]提出了公理設(shè)計(jì)AD（Axiom Design）的概念以及2條公理（信息公理和獨(dú)立公理），用于評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量：信息含量越少、零部件之間的耦合關(guān)系越少，設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜度越低。與本文關(guān)系密切的，是獨(dú)立公理的三模型，如圖5所示。

AD設(shè)計(jì)使用DSM來(lái)分析產(chǎn)品中零件間的相互關(guān)系：有關(guān)系=1，沒(méi)關(guān)系=0。

模型1：滿(mǎn)矩陣，意味零件1、2、3之間有相互關(guān)系，是不可接受的設(shè)計(jì)。

模型2：左下角半矩陣，零件1輸出給2、3；零件2輸出給3，是可以接受的設(shè)計(jì)。

模型3：空矩陣，所有零件之間各自獨(dú)立，是最理想（可能不現(xiàn)實(shí)）的設(shè)計(jì)。

上述關(guān)系有4種。1）裝配關(guān)系（定位參照關(guān)系）。每一列的表頭零件屬于主動(dòng)方，作為定位基準(zhǔn)，給其他零件提供定位參照。2）作用力關(guān)系。每一列的表頭零件屬于主動(dòng)方，是作用力源頭，對(duì)其他零件施加作用力。3）信息交流關(guān)系（光、電信號(hào)）。每一列的表頭零件屬于主動(dòng)方，是信息源頭，向其他零件發(fā)送信息。4）物質(zhì)交流關(guān)系（流體如吸塵器中的空氣、固體等）。每一列的表頭零件屬于主動(dòng)方，是物質(zhì)來(lái)源，向其他零件傳送物質(zhì)。

在矩陣中，每一行的表頭零件屬于被動(dòng)方，是終點(diǎn)，接受來(lái)自其他零件的裝配定位、作用力、信息和物質(zhì)。

文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[7]探討了基于DSM矩陣的聚類(lèi)分析，將關(guān)系密切的零件聚攏到DSM矩陣對(duì)角線(xiàn)附近，成為一個(gè)模塊，進(jìn)一步合并為一個(gè)零件，并計(jì)算聚類(lèi)前、后的DSM矩陣復(fù)雜度的過(guò)程。因此，可以使用DSM矩陣以及AD的獨(dú)立公理作為零件合并機(jī)會(huì)識(shí)別的輔助方法。

3 DFX設(shè)計(jì)中零件合并的過(guò)程

零件合并的過(guò)程如圖6所示。1）第一步。產(chǎn)品需求-功能-結(jié)構(gòu)分析，初步生成多個(gè)零件的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念。2）第二步。應(yīng)用DSM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣，聚類(lèi)分析，形成合并思路。3）第三步。應(yīng)用零件合并五原則，結(jié)合AD設(shè)計(jì)的獨(dú)立性公理，逐一審視第二步的合并思路，得到零件合并的可行性方案（若干個(gè)）。4）第四步。結(jié)合DFX方法，評(píng)價(jià)上述各個(gè)合并方案的功能性和可制造性，如果DFX評(píng)價(jià)結(jié)果不符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，就重新構(gòu)思結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，跳回第二步，形成循環(huán)。

4 案例：一款清潔工具的設(shè)計(jì)優(yōu)化

清潔刷主流設(shè)計(jì)：拇指按壓獨(dú)立的按鍵，推動(dòng)推板，刮除梳針部上堆積的污物（毛發(fā)、污垢等），如圖7所示。

頻繁操作導(dǎo)致拇指疲勞，按鍵一般設(shè)置在靠近刷頭的位置（如圖8所示），但是手的握?qǐng)?zhí)部位一般在手柄的中后部，為了按壓按鍵，對(duì)長(zhǎng)柄刷來(lái)說(shuō)，需要頻繁地移動(dòng)手的握?qǐng)?zhí)部位。此外，為了防止梳針意外接觸變形和人身傷害，還需要刷針保護(hù)盒，增加了制造成本（如圖9所示）。

5 產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)分析

由表3可知，將9個(gè)零件的名稱(chēng)作為矩陣的行與列，建立DSM矩陣，分析零件兩兩之間的關(guān)系。

45.254833是產(chǎn)品初始DSM復(fù)雜度[3]。

清潔刷的DSM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

經(jīng)過(guò)聚類(lèi)分析（見(jiàn)表4）得到零件合并的機(jī)會(huì)。

29.698484是聚類(lèi)分析后的DSM復(fù)雜度，小于聚類(lèi)前的DSM復(fù)雜度[3]。

9個(gè)零件合并成3個(gè)新零件或者3個(gè)新模塊。1）（A+B）。A按鍵、B按鍵復(fù)位彈簧合并。2）（C+D+E+G+F+I）。C手柄+頂面板、D彈性墊支架、E泡棉彈性墊、G中框可以合并。3）（H+I）。H推板、I梳針保護(hù)罩；雖然H相對(duì)于I是運(yùn)動(dòng)的，但是由修正后的“五原則”可知，HI可以合并之后相對(duì)于F一起運(yùn)動(dòng).

重寫(xiě)DSM矩陣，得到表5。

基于AD設(shè)計(jì)的獨(dú)立公理原理，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品復(fù)雜度，應(yīng)該將矩陣中的“1”變?yōu)椤?”，也就是嘗試進(jìn)行設(shè)計(jì)解耦，解除相互關(guān)系。

結(jié)合使用修正后的五原則，對(duì)上述3種零件合并機(jī)會(huì)進(jìn)行分析。首先，注意“AB”列-“HI”行=1，物理意義是按鍵+彈簧是與推板-梳針保護(hù)罩聯(lián)動(dòng)的，因此考慮將ABHI合并為一個(gè)零件，這樣整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為2個(gè)零件，見(jiàn)表6。

雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)化了，但是DSM矩陣是一個(gè)全耦合矩陣，必須優(yōu)化。至少要使右上角的“1”變成“0”，理想狀態(tài)是左下角的“1”也變成“0”。

第一步嘗試：右上角“1”的物理意義是DEFGC對(duì)ABHI提供了定位和運(yùn)動(dòng)限位，C是基準(zhǔn)；要讓這個(gè)“1”變?yōu)椤?”，最簡(jiǎn)單的是讓ABHI成為基準(zhǔn)，C被定位。

第二步嘗試：左下角“1”的物理意義是H對(duì)CDEFGI中的I進(jìn)行了毛發(fā)刮除，H是主動(dòng)方；要讓這個(gè)“1”變?yōu)椤?”，只有讓H成為被動(dòng)方，CDEFGI成為主動(dòng)方。但是，這樣就會(huì)讓第一步嘗試得到的右上角的“0”重新變回“1”。

第三步嘗試：根據(jù)公理設(shè)計(jì)的獨(dú)立公理，矩陣對(duì)角線(xiàn)右上區(qū)域最好為“0”；綜合第一步和第二步，得到設(shè)計(jì)改善方向，ABHI是基準(zhǔn)，CDEFG是被定位的；同時(shí)，ABHI是主動(dòng)方，對(duì)CDEFG進(jìn)行毛發(fā)刮除，得到最終矩陣（見(jiàn)表7），根據(jù)信息公理可知，這是一個(gè)可以接受的方案。

最終，得到新設(shè)計(jì)概念如圖11所示。

新設(shè)計(jì)的概念圖如圖12、圖13所示，工作狀態(tài)（緊握狀態(tài)），浮動(dòng)把手貼緊手柄C，梳針外露。非工作狀態(tài)（釋放狀態(tài)），浮動(dòng)把手遠(yuǎn)離手柄C，梳針內(nèi)藏。新設(shè)計(jì)的改善點(diǎn)。1）取消了拇指按壓操作，消除了拇指疲勞，取消了單獨(dú)的拇指按鍵。2）取消了拇指按鍵，不需要頻繁改變握?qǐng)?zhí)部位，讓較短的拇指能夠接觸到按鍵。3）將按鍵改用食、中、無(wú)、小指操作，通過(guò)四指自然握緊和放松動(dòng)作，更符合人體操作習(xí)慣。因此，將推板向手柄方向延長(zhǎng)，構(gòu)成握緊——放松的浮動(dòng)把手，以彈簧進(jìn)行復(fù)位。4）取消了單獨(dú)的拇指按鍵，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。5）非握緊狀態(tài)下，推板+浮動(dòng)把手復(fù)位，起到保護(hù)梳針的作用，替代了獨(dú)立保護(hù)盒。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。

零件合并以及新設(shè)計(jì)的最終狀態(tài)。1）植針板F放棄合并，因?yàn)橹册樄に噯为?dú)進(jìn)行成本更低（原則丁），但F是定位和裝配到C上的，形成一個(gè)模塊。2）彈簧B因?yàn)榭煽啃院统杀驹颍ㄔ瓌t丁、戊），放棄了合并到H或I上，但定位和裝配在HI上，形成一個(gè)模塊。3）浮動(dòng)把手HI取代了按鍵A，合并了推板H、梳針保護(hù)罩I。4）手柄頂面板C合并了D、E、G（圖14中省略）。5）因?yàn)槠颍允÷粤似渌暮喜⒎桨敢约癉FX評(píng)價(jià)的部分。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以清潔刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，證明“有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件”也可以合并成1個(gè)零件并保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)，修正后的零件合并五原則擴(kuò)大了合并機(jī)會(huì)的范圍。同時(shí)，結(jié)合DSM矩陣對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚類(lèi)分析，提供了更清晰的零件之間的相互關(guān)系，提高了五原則的運(yùn)用效率。

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