LLPC工業設計中的可行性探討范文

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1框架式結構優勢與產品特色分析

框架式結構對于產品的開發設計，體現出很多的優點，可歸納為以下幾個方面。

1．1生產靈活性(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制造出更堅韌、更強操作性能的全鋁車身框架，此車架結構的采用為奧迪汽車提供了更輕、更強和更安全的車身構造。框架式結構設計原理是將產品根據功能的關聯性程度進行模塊化分析與設計，該原理運用于ASF車架設計中則是將一種多體連接的整體式結構轉化為主次連接的框架式簡化結構。根據該設計原理，在生產過程中，會將產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。另外有些產品如多功能螺絲刀、吸塵器的設計，采用通用性的接口連接，這樣根據局部功能進行模塊化更換和生產，滿足不同產品功能需要，可降低生產成本，提高生產的靈活性。

1．2維護性(maintainability)框架式結構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系，無需拆解整體結構，這與傳統整體式結構相比體現出了高效性、便利性和低成本等優點。如奧運場館水立方的外墻采用了模塊化的框架式結構;蘋果電腦公司推出的G5電腦機箱采用全鋁金屬框架結構，如圖2所示，該產品的內部零件模塊、外觀側板和基座都是連接在整體結構上的。本文將探討在llpc產品開發設計中導入框架式結構的可用性，系統地從設計角度分析功能模塊的布局;運用框架式結構的設計手段保持產品整體風格，在用戶視覺范圍內不暴露結構性零件，進而保持產品的外觀整潔性。

1．3外觀造型的系列感(series)框架式結構在各類產品開發設計中的應用對外觀風格頗有影響，如在系列化產品的開發設計中，采用統一的框架式結構可塑造出外觀造型相似的系列化產品風格特征。根據不同人群定位、功能定位等要求，更換局部模塊以形成不同功能產品，而整體結構保持著相對穩定和獨立性，進而保持產品的系列化風格。圖3所示為電子產品外觀夾邊設計，此結構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，使產品顯得更精致和纖薄。Iphone4手機也采用了這種設計方法，根據不同功能需求更換上蓋模塊，中框結構和下蓋可以保持不變，可獲得視覺效果不同的系列產品。圖4所示的IBM服務器機柜整體設計也采用了框架式結構，外殼與內部零件模塊可根據功能需要進行選擇性裝配。這樣的設計方式可實現只更換前面板和內部模塊，形成不同功能產品系列。

1．4可控性(controllability)基于框架式結構的產品開發設計流程可控性好、風險低，通過對功能布局、整體結構和框架結構等幾個關鍵環節的質量控制，可確定整體結構形式，后期設計研發過程中可變因素少，大大降低了設計風險。特別是在產品升級與更新時，框架式結構可減少產品零件的定制數量，簡化研發流程，進而提高對產品功能品質和工藝的控制性。使用過程中，如果哪個部件出現問題，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)大型機床產品的系列延續性對于品牌產品的戰略發展尤其重要。單一的產品系列可能導致片面的市場格局，在穩定產品品質的基礎上可根據市場細分，基于同一平臺拓展出不同功能定位的產品，這一策略在大眾、標致等汽車的車型工程開發中尤為常見。框架式結構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換代，而共用的基礎部分保持不變，即可根據產品的系列化定位進行基于平臺架構的不同功能組合延展，在不增加太多成本的基礎上實現不同產品系列的拓展，因此具有較好的產品拓展性。

2大型激光加工中心的結構特點與工業設計分析

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、高度為0．15m內的大體量金屬材料件進行打孔、切割和雕刻等加工的設備，可進行材料的熔覆及修復工作，LLPC是本文研究的主要對象。其功率可設定在1～2kW范圍內;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。該設備控制系統由高功率激光器、激光專用制冷系統、外光路系統和多功能大型激光數控加工機床組成。其技術特點有:1)采用高效的自動化激光熔敷技術，可以有效地減小熱影響區，降低葉片裂紋的產生。2)可以在氫氣保護下進行，而無需真空環境。3)加工精度高，易于數字化控制，可加工幾何形狀復雜的零/部件。大型激光加工中心主要應用于模具加工、機械制造、石油、化工、輕工、能源和交通等行業。

該類產品開發設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域。奧地利生物學家貝塔朗菲(1937年)最早對一般系統作出了定義:系統是由若干要素以一定結構形式連接構成的具有某種功能的有機整體。按照系統的定義，本文的研究對象LLPC產品設定為系統需要滿足三個基本條件，即:若干要素、結構形式和功能輸出。基本系統性關系可以用式(1)表示:式中:M為產品系統設計的功能輸出，即LLPC產品設計的結果與加工過程的整體效果;S為系統功能模塊(即要素)的集合;F為建立在模塊集合S上的各種結構鏈接關系。

在LLPC產品系統中，M為一個產品系統設計的功能輸出，即產品設計的功能效果;S為固定的功能成模塊，只在產品系列化時才產生變化;F為一個可變的要素，包含了結構形式，也包含了連接方式與系統、外界交互形式。在該類產品設計中，可采用整體結構連接與框架式結構連接兩種方式，前者是產品的每個功能模塊相互產生結構性連接，形成固定模塊的整體產品系統;后者則是根據設計要求先將整體結構方式進行獨立設計定型，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標準件，然后與主體框架結構進行連接，形成有主體框架和可變模塊組成的產品系統。通過產品設計系統分析、以用戶為中心的設計評估等方法適當改變F的關系，可獲得一個更優化、更高效率的產品系統功能輸出M。

因此，該類產品開發設計的重點是F。式(1)中的M也可以表示為:式中:M1為大型設備產品中各個組件模塊之間的關系，如激光加工模塊與加工材料的空間位置匹配關系，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的關系，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為本產品系統功能與外環境的關系，包括產品占地面積，產品與加工環境的匹配關系，其他工序對該產品可能的相互影響等內容;M4為本產品系統與人的人機關系，包括一般操作人員對該產品控制過程的直觀性，應急操作的方式與位置等內容。式中:n為產品功能模塊數量，可根據工業設計分析方法進行針對性定義;Wi為產品中的第i個獨立模塊;ki為第i個獨立模塊的設計特征與要求，即某個模塊對系統的影響因子，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;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產品設定為一個系統，其功能輸出M體現在經工業設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;其結構鏈接形式為F，該結構形式的選擇將影響該產品系統功能M的最終結果。本文將運用三維虛擬原型輔助法進行分析，假定可變性結構連接F為框架式結構，從功能布局、人機界面模塊化、產品維護和外觀整體性等幾個方面研究框架式結構在LLPC產品開發設計中的可行性。

2．1功能布局分析———框架式結構理念的條件以功能為對象，大型激光加工中心產品按加工流程可分為:進料區、加工區(含控制區)及出料區。每個功能區在工作過程中相對獨立，在各功能區功能完成后進行區間對接。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進行加工工序，進料口完成輸送動作后與加工區保持暫時性的獨立;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，發現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特點，筆者發現設備在進料工序的行程與出料的行程相似，基于運用框架式結構原理的進料口與出料口重疊式的優化布局方式，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。經過三種布局形式對比，發現線型布局為進料口與加工區域、出料口呈現線型橫向排列，如圖6a所示;L型布局為三個功能模塊呈現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，利用升降架結構完成出料、進料的上錯位輸送，如圖6c所示。對三種布局結構從以下幾個主要內容進行對比研究。

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，為產品的投影面積，同時結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)產品整體性，是指該加工中心布局形式對整體產品的完整性、形象的統一感的比較。布局的效益對比見表1。表1所示表明，以框架式結構為基礎的N型布局具有較好的優勢，因此選擇N型布局進行加工中心結構設計是可行的。

2．2人機(human-machine)界面的模塊化分析以工作人員(用戶)為中心進行產品分析，按操作人員的活動流程為:開機啟動→電動機復位調試→操控入料→加工控制→監視(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，其操作過程中產生幾個重要的人機界面，可能影響結構布局與產品外觀設計，分別為:操作控制界面、觀察界面和維護界面。因此，需要根據以用戶為中心的評價原則，對該產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所示是以人機數據為依據，將操作控制界面、觀察界面和維護界面進行了區域劃分，確定產品立面基本外觀格局。通過界面平面與立面圖的綜合研究，得出以框架式結構為基礎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，該產品的維護模塊需保持足夠的開放性與獨立性。按框架結構設計原理應選擇獨立模塊，以便不影響加工范圍及人機界面模塊。由此，該模塊應該設計在產品外立面，以圖7所示為例，維護模塊應設計在加工中心外沿曲線范圍內，在圖8所示中，維護模塊應設計在人的觀察界面(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外觀設計整體感要求及隱藏式結構LLPC產品是體量較大的工業產品，其外觀設計對于產品的品質、形象具有重要的作用。整體產品外觀設計應保持完整性，即外觀上應看不到結構裝配的零件，即產品零件的工程結構連接方式是隱藏式連接結構;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，在用戶視覺范圍內應看不到暴露的結構零件，以保持外觀的整體性與設計感，因此對結構的連接方式提出了挑戰。2)產品系列化的擴展性，即該產品在系列化功能拓展時，可保持產品的基本功能不變，可根據需要更換某個模塊。鑒于以上對LLPC產品外觀設計的要求，試用框架式結構原理進行驗證，發現運用框架式結構設計原理可以滿足不同功率、不同加工種類和不同型號產品系列化的要求。

3工業設計驗證

采用框架式理念的設計思路對LLPC產品進行設計驗證，首先根據系統分析確定模塊布局，基于該布局進行框架結構設計，然后進行外觀設計，運用計算機輔助軟件Pro/E進行產品數據構建及結構設計、裝配等，完成后期數據分析及修改后，將數據轉換為工程圖輸出，進行數字化的生產加工。將生產完成的產品結構、外觀零件根據預先設計的裝配流程進行最后實物裝配。完成裝配的整體產品實物如圖9所示。其中左邊低矮的箱體部分為上下N型結構，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，無外露結構件;操作模塊設計在產品右側(編號6)，便于觀察與控制，高度參考人機工程95%的人體尺寸;控制模塊設計在產品右邊(編號7)，保持獨立性。以上驗證結果均體現了框架式結構在LLPC產品開發設計中的各項優勢，即可行性高的特點。

4結語

框架式結構是一種具有諸多優勢的產品工程結構方式，其應用面較廣，本文提出的在大型激光加工中心產品開發設計中的應用，符合該類產品的開發設計要求;通過最終的產品實物使用效果發現，該產品的設計方法是可行的，通過本文的研究，得出以下結論。

1)前期的產品結構應與該產品的外觀、功能需求等因素結合考慮，為結構、外觀造型設計打下基礎。

2)新理念的創意應該與該產品本身系統特點結合考慮，需要滿足基于產品功能上的優化需求。3)應在設計流程的前期確定框架的基本結構，再進行后期的外觀、人機界面等設計工作內容，但在結構階段應考慮人機工程及工業設計的需求。但是，框架式理念同樣存在著局限性，并非適合所有產品的構造，其結構形式與功能格局的內在聯系的規律有待進一步研究。從本文的應用實例看，該理念目前適用于產品功能流程工序簡單、人機交互可進行模塊化區分的產品。導入前，需要對產品系統進行工作特點、可行等必要的分析。

作者：李偉湛楊先英單位：重慶交通大學