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LLPC工业设计中的可行性探讨
时间:2014-02-17 12:41 来源:未知 作者:admin 点击:

1框架式结构优势与产品特色分析

框架式结构对于产品的开发设计,体现出很多的优点,可归纳为以下几个方面。

1.1生产灵活性(flexibility)与整体性奥迪汽车公司推出的第三代车身空间框架(AudiSpaceFrame,ASF)如图1所示,该空间框架采用最新技术制造出更坚韧、更强操作性能的全铝车身框架,此车架结构的采用为奥迪汽车提供了更轻、更强和更安全的车身构造。框架式结构设计原理是将产品根据功能的关联性程度进行模块化分析与设计,该原理运用于ASF车架设计中则是将一种多体连接的整体式结构转化为主次连接的框架式简化结构。根据该设计原理,在生产过程中,会将产品整体划分为主体框架和分体模块,如图1中的奥迪汽车车架由主体框架和三个功能厢体模块组成。另外有些产品如多功能螺丝刀、吸尘器的设计,采用通用性的接口连接,这样根据局部功能进行模块化更换和生产,满足不同产品功能需要,可降低生产成本,提高生产的灵活性。

1.2维护性(maintainability)框架式结构采用模块化装配方式,每个模块相对独立,如果某个部件出现故障需要维修,只需对该模图2苹果G5电脑机箱块的局部进行修理和维护,不改变其他模块的链接关系,无需拆解整体结构,这与传统整体式结构相比体现出了高效性、便利性和低成本等优点。如奥运场馆水立方的外墙采用了模块化的框架式结构;苹果电脑公司推出的G5电脑机箱采用全铝金属框架结构,如图2所示,该产品的内部零件模块、外观侧板和基座都是连接在整体结构上的。本文将探讨在LLPC产品开发设计中导入框架式结构的可用性,系统地从设计角度分析功能模块的布局;运用框架式结构的设计手段保持产品整体风格,在用户视觉范围内不暴露结构性零件,进而保持产品的外观整洁性。

1.3外观造型的系列感(series)框架式结构在各类产品开发设计中的应用对外观风格颇有影响,如在系列化产品的开发设计中,采用统一的框架式结构可塑造出外观造型相似的系列化产品风格特征。根据不同人群定位、功能定位等要求,更换局部模块以形成不同功能产品,而整体结构保持着相对稳定和独立性,进而保持产品的系列化风格。图3所示为电子产品外观夹边设计,此结构方式的采用使其在外观上形成了一种独特的视觉分割效果,使产品显得更精致和纤薄。Iphone4手机也采用了这种设计方法,根据不同功能需求更换上盖模块,中框结构和下盖可以保持不变,可获得视觉效果不同的系列产品。图4所示的IBM服务器机柜整体设计也采用了框架式结构,外壳与内部零件模块可根据功能需要进行选择性装配。这样的设计方式可实现只更换前面板和内部模块,形成不同功能产品系列。

1.4可控性(controllability)基于框架式结构的产品开发设计流程可控性好、风险低,通过对功能布局、整体结构和框架结构等几个关键环节的质量控制,可确定整体结构形式,后期设计研发过程中可变因素少,大大降低了设计风险。特别是在产品升级与更新时,框架式结构可减少产品零件的定制数量,简化研发流程,进而提高对产品功能品质和工艺的控制性。使用过程中,如果哪个部件出现问题,即可更换或者局部改良,不影响其他零/部件的使用。

1.5拓展性(extending)大型机床产品的系列延续性对于品牌产品的战略发展尤其重要。单一的产品系列可能导致片面的市场格局,在稳定产品品质的基础上可根据市场细分,基于同一平台拓展出不同功能定位的产品,这一策略在大众、标致等汽车的车型工程开发中尤为常见。框架式结构形式有助于功能的模块化定义,对于影响终端界面的模块可进行更新换代,而共用的基础部分保持不变,即可根据产品的系列化定位进行基于平台架构的不同功能组合延展,在不增加太多成本的基础上实现不同产品系列的拓展,因此具有较好的产品拓展性。

2大型激光加工中心的结构特点与工业设计分析

大型激光加工中心(Large-scaleLaserProcessCen-ter,LLPC)是一种通过激光对截面积在2m×2m内、高度为0.15m内的大体量金属材料件进行打孔、切割和雕刻等加工的设备,可进行材料的熔覆及修复工作,LLPC是本文研究的主要对象。其功率可设定在1~2kW范围内;X轴行程为3~4m,Y轴行程为1.5~2m,Z轴行程为0.1m左右,最大速度可达18m/min,定位精度为±0.015mm,重复定位精度为±0.01mm。该设备控制系统由高功率激光器、激光专用制冷系统、外光路系统和多功能大型激光数控加工机床组成。其技术特点有:1)采用高效的自动化激光熔敷技术,可以有效地减小热影响区,降低叶片裂纹的产生。2)可以在氢气保护下进行,而无需真空环境。3)加工精度高,易于数字化控制,可加工几何形状复杂的零/部件。大型激光加工中心主要应用于模具加工、机械制造、石油、化工、轻工、能源和交通等行业。

该类产品开发设计中需要综合考虑加工效率、安全性、良好人机交互性和良好维护性等方面的要求。因此,在设计过程中需分析各个功能模块的合理化布局,以获得高效率的加工方式,如考虑在设备加工过程中操作人员的安全性问题;考虑人员操作的易用性,以获得良好的精确操作及监视效果;考虑使用后的定期维护需求,将控制模块进行独立布局,不与其他模块形成功能交叉区域。奥地利生物学家贝塔朗菲(1937年)最早对一般系统作出了定义:系统是由若干要素以一定结构形式连接构成的具有某种功能的有机整体。按照系统的定义,本文的研究对象LLPC产品设定为系统需要满足三个基本条件,即:若干要素、结构形式和功能输出。基本系统性关系可以用式(1)表示:式中:M为产品系统设计的功能输出,即LLPC产品设计的结果与加工过程的整体效果;S为系统功能模块(即要素)的集合;F为建立在模块集合S上的各种结构链接关系。

在LLPC产品系统中,M为一个产品系统设计的功能输出,即产品设计的功能效果;S为固定的功能成模块,只在产品系列化时才产生变化;F为一个可变的要素,包含了结构形式,也包含了连接方式与系统、外界交互形式。在该类产品设计中,可采用整体结构连接与框架式结构连接两种方式,前者是产品的每个功能模块相互产生结构性连接,形成固定模块的整体产品系统;后者则是根据设计要求先将整体结构方式进行独立设计定型,然后再进行功能模块组装,如控制柜、操作面板和检测门等模块均采用常规标准件,然后与主体框架结构进行连接,形成有主体框架和可变模块组成的产品系统。通过产品设计系统分析、以用户为中心的设计评估等方法适当改变F的关系,可获得一个更优化、更高效率的产品系统功能输出M。

因此,该类产品开发设计的重点是F。式(1)中的M也可以表示为:式中:M1为大型设备产品中各个组件模块之间的关系,如激光加工模块与加工材料的空间位置匹配关系,材料进、出口与主体的对接,控制机柜与激光加工模块的相对位置等;M2为个体模块与整体加工中心系统的关系,如材料进、出口对操作人员的视觉与操作障碍,控制柜对产品其他模块的位置重叠影响,控制面板与检测门的位置重叠影响等;M3为本产品系统功能与外环境的关系,包括产品占地面积,产品与加工环境的匹配关系,其他工序对该产品可能的相互影响等内容;M4为本产品系统与人的人机关系,包括一般操作人员对该产品控制过程的直观性,应急操作的方式与位置等内容。式中:n为产品功能模块数量,可根据工业设计分析方法进行针对性定义;Wi为产品中的第i个独立模块;ki为第i个独立模块的设计特征与要求,即某个模块对系统的影响因子,如控制面板是与人直接接触的,则其他模块的位置不能布局在人的操作范围内;如控制柜必须是开放的独立空间,该范围不再安排其他模块;又如检测门可与其他模块重叠,但需保证对操作人员安全保护性;材料进、出口位置须是独立的。

本文将LLPC产品设定为一个系统,其功能输出M体现在经工业设计有效地完成大型材料的激光加工的效果。而要素S为激光加工模块(范围)、控制模块、待加工的材料、加工完成的材料、正在加工的材料、操作模块,以及基座七大部分;其结构链接形式为F,该结构形式的选择将影响该产品系统功能M的最终结果。本文将运用三维虚拟原型辅助法进行分析,假定可变性结构连接F为框架式结构,从功能布局、人机界面模块化、产品维护和外观整体性等几个方面研究框架式结构在LLPC产品开发设计中的可行性。

2.1功能布局分析———框架式结构理念的条件以功能为对象,大型激光加工中心产品按加工流程可分为:进料区、加工区(含控制区)及出料区。每个功能区在工作过程中相对独立,在各功能区功能完成后进行区间对接。如进料口完成材料装载工序后,将待加工的材料输送至加工区进行加工工序,进料口完成输送动作后与加工区保持暂时性的独立;此时,可考虑向进料口分配下一件材料,加工区在加工过程中保持独立空间。加工过程中,工作人员需要适时观察与调整加工工序,因此,需要考虑加工过程中的人机界面,加工完成的材料从出料口输出,完成加工过程等几方面因素。图5所示为基本功能布局图,图5中激光加工范围包括:激光模块(含三轴电动机)及其行程范围。从模拟的原型中,分析模块布局与加工过程,发现该加工流程可初步地分为线型、L型两种流程布局,这两种流程布局占用空间大、效率低。通过分析加工流程的间歇性相关特点,笔者发现设备在进料工序的行程与出料的行程相似,基于运用框架式结构原理的进料口与出料口重叠式的优化布局方式,将进料输送动作与出料动作合并,即N型的流程布局。加工流程布局如图6所示。经过三种布局形式对比,发现线型布局为进料口与加工区域、出料口呈现线型横向排列,如图6a所示;L型布局为三个功能模块呈现L型的排列,如图6b所示;N型布局为进料口与出料口重叠布局,利用升降架结构完成出料、进料的上错位输送,如图6c所示。对三种布局结构从以下几个主要内容进行对比研究。

1)完成流程所需的时间,是指完成一个零件从输入→加工→输出所需的时间。2)场地占用,为产品的投影面积,同时结合工作人员活动范围的投影进行综合分析,场地占用面积大可能造成工作人员与机床工作的空间重叠而造成安全隐患。3)操作效率,是指流程布局对完成加工总量的效果,同时结合工作人员对操作模块的不定期检测所影响效率的情况。4)产品整体性,是指该加工中心布局形式对整体产品的完整性、形象的统一感的比较。布局的效益对比见表1。表1所示表明,以框架式结构为基础的N型布局具有较好的优势,因此选择N型布局进行加工中心结构设计是可行的。

2.2人机(human-machine)界面的模块化分析以工作人员(用户)为中心进行产品分析,按操作人员的活动流程为:开机启动→电动机复位调试→操控入料→加工控制→监视(加工过程)→控制出料(加工完成)→检查材料→操控入料→查看与维护等。基于N型布局,其操作过程中产生几个重要的人机界面,可能影响结构布局与产品外观设计,分别为:操作控制界面、观察界面和维护界面。因此,需要根据以用户为中心的评价原则,对该产品的几个重要人机界面进行分析。图7所示为大型激光加工中心人机操作范围平面图,该范围包含了操作界面、观察界面和维护界面,从而可确定LLPC产品的外观平面格局。图8所示为人机操作范围的立面图,图8所示是以人机数据为依据,将操作控制界面、观察界面和维护界面进行了区域划分,确定产品立面基本外观格局。通过界面平面与立面图的综合研究,得出以框架式结构为基础的人机界面模块化组合形式的可控性高。

2.3维护的需求在LLPC产品的使用过程中,工作人员需要不定期地对控制模块进行检查、维护以及零件的更换。因此,该产品的维护模块需保持足够的开放性与独立性。按框架结构设计原理应选择独立模块,以便不影响加工范围及人机界面模块。由此,该模块应该设计在产品外立面,以图7所示为例,维护模块应设计在加工中心外沿曲线范围内,在图8所示中,维护模块应设计在人的观察界面(窗口)范围之外,比如上方或下方,考虑到操作的便利性,笔者认为下较为合适。

2.4外观设计整体感要求及隐藏式结构LLPC产品是体量较大的工业产品,其外观设计对于产品的品质、形象具有重要的作用。整体产品外观设计应保持完整性,即外观上应看不到结构装配的零件,即产品零件的工程结构连接方式是隐藏式连接结构;同时,视觉上的体量不能给予用户过大的压迫感。具体要求:1)在外观整体风格一致情况下,在用户视觉范围内应看不到暴露的结构零件,以保持外观的整体性与设计感,因此对结构的连接方式提出了挑战。2)产品系列化的扩展性,即该产品在系列化功能拓展时,可保持产品的基本功能不变,可根据需要更换某个模块。鉴于以上对LLPC产品外观设计的要求,试用框架式结构原理进行验证,发现运用框架式结构设计原理可以满足不同功率、不同加工种类和不同型号产品系列化的要求。

3工业设计验证

采用框架式理念的设计思路对LLPC产品进行设计验证,首先根据系统分析确定模块布局,基于该布局进行框架结构设计,然后进行外观设计,运用计算机辅助软件Pro/E进行产品数据构建及结构设计、装配等,完成后期数据分析及修改后,将数据转换为工程图输出,进行数字化的生产加工。将生产完成的产品结构、外观零件根据预先设计的装配流程进行最后实物装配。完成装配的整体产品实物如图9所示。其中左边低矮的箱体部分为上下N型结构,分别进行待加工材料的装入和加工完成材料的卸出工序(编号2、编号3);整体外观保持了整洁感,无外露结构件;操作模块设计在产品右侧(编号6),便于观察与控制,高度参考人机工程95%的人体尺寸;控制模块设计在产品右边(编号7),保持独立性。以上验证结果均体现了框架式结构在LLPC产品开发设计中的各项优势,即可行性高的特点。



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