面向裝配的設(shè)計(jì)

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01.裝配中的人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)是從人的能力、極限和其他生理及心理特性出發(fā)，研究人、環(huán)境的相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律，以優(yōu)化人、機(jī)、環(huán)境以及提高整個(gè)系統(tǒng)效率的一門科學(xué)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師必須考慮人的生理和心理特性，使得操作人員更容易、更方便、更有效率地進(jìn)行操作，提高裝配效率，同時(shí)提高裝配過程中的安全性、降低操作人員的疲勞度和壓力、增加操作人員的舒適度。

對(duì)于面向裝配的人機(jī)工程學(xué)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到以下各個(gè)方面。

1. 避免視線受阻的裝配

2. 避免裝配操作受阻的裝配

在進(jìn)行裝配操作時(shí)，操作人員會(huì)有諸多如抓取零件、移動(dòng)零件、放置零件、固定零件等動(dòng)作。產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)為這些動(dòng)作提供足夠的操作空間，避免受到阻礙，從而造成裝配錯(cuò)誤甚至造成裝配無法進(jìn)行。

3. 避免操作人員（或消費(fèi)者）受到傷害

在產(chǎn)品裝配過程中必須保障操作人員（或消費(fèi)者）的安全，不正確的產(chǎn)品設(shè)計(jì)很可能給操作人員（或消費(fèi)者）的人身造成傷害。因此，對(duì)于機(jī)箱中的操作人員（或者消費(fèi)者）容易接觸的邊角，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須增加壓飛邊工序，以保障操作人員（或消費(fèi)者）的安全。

4. 減少工具的使用種類，避免使用特殊的工具

裝配線上工具的種類過多會(huì)增加裝配的復(fù)雜度，同時(shí)會(huì)造成操作人員使用錯(cuò)誤的工具，引起產(chǎn)品裝配錯(cuò)誤。

5. 設(shè)計(jì)特征輔助產(chǎn)品的裝配

操作人員的推、拉、舉、按等施力動(dòng)作都有一定的極限，當(dāng)產(chǎn)品的裝配所需要操作人員的施力超出極限或者容易造成操作人員疲勞，應(yīng)當(dāng)通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)減少產(chǎn)品裝配過程中所需要的施力，輔助產(chǎn)品的裝配。

02.為重要部件設(shè)計(jì)裝配止位特征

產(chǎn)品中一般都包括很重要但同時(shí)又很脆弱的零部件，如電腦中的硬盤、電源以及一些印刷電路板，這些零部件極容易損壞，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要確保這些重要的零部件在裝配和使用過程不被損壞。最容易發(fā)生的失效方式是這些重要零部件裝配到正確位置后，由于操作人員或者消費(fèi)者用力不當(dāng)，使得零部件繼續(xù)前進(jìn)，碰到其他零部件而損壞，因此，有必要在產(chǎn)品中設(shè)計(jì)止位特征，阻止重要零部件裝配到正確位置后繼續(xù)前進(jìn)。

在另外一種情況下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也需要阻止零件裝配到正確位置后繼續(xù)前進(jìn)，防止損壞已經(jīng)裝配好的其他零部件。

03.先定位后固定

零件的裝配如果先定位后固定，在固定之前零件自動(dòng)對(duì)齊到正確位置，這能夠減少裝配過程的調(diào)整，大幅度提高裝配效率。

1. 四周增加限位

在塑膠底座的四周增加限位，在固定之前使得PCB自動(dòng)對(duì)齊到正確位置。需要注意的是，PCB與塑膠四周的限位間隙不可太小，否則容易造成PCB過約束；同時(shí)限位間隙不可太大，否則沒有定位效果。

2. 使用定位柱

使用定位柱（如果導(dǎo)向柱的精度較高，導(dǎo)向柱也可以被當(dāng)成定位柱使用），在螺釘固定之前使PCB自動(dòng)對(duì)齊到正確位置。對(duì)于鈑金件來說，在鈑金件上鉚接定位螺柱可以起相同的作用。推薦這種方法，因?yàn)槎ㄎ恢�或者定位螺柱的尺寸公差比較容易控制，這種固定方法可以使得PCB的裝配位置精確度比較高。

04.裝配方向/導(dǎo)向特征

減少零件裝配方向

零件的裝配方向可分為六個(gè)：從上至下，從側(cè)面進(jìn)行裝配（前后左右），從下至上的進(jìn)行裝配。

1. 零件裝配的方向越少越好

對(duì)于產(chǎn)品裝配來說，零件的裝配越少越好，最理想的裝配只有一個(gè)裝配方向。裝配方向過多造成在裝配過程中對(duì)零件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，降低零件的裝配效率，使得操作人員容易產(chǎn)生疲憊，同時(shí)零件的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作容易造成零件與操作臺(tái)上的設(shè)備碰撞而發(fā)生質(zhì)量問題。只有一個(gè)裝配方向的零件裝配操作簡(jiǎn)單，對(duì)于自動(dòng)化裝配來說，這也是最方便的。

2. 最理想的裝配方向

零件的六個(gè)基本裝配方向中：

從上至下的裝配，可以充分利用重力，是最理想的裝配方向。

從側(cè)面進(jìn)行裝配（前后左右），是次理想的裝配方向。

從下至上，由于要克服重量對(duì)裝配的影響，是最差的裝配方向。

設(shè)計(jì)導(dǎo)向特征

3. 導(dǎo)向特征的設(shè)計(jì)

較好的設(shè)計(jì)是在基準(zhǔn)零件上或者插入的零件上增加斜角導(dǎo)向特性，這樣能夠使得裝配過程順利進(jìn)行。當(dāng)然，最好的設(shè)計(jì)是在基準(zhǔn)零件上和插入的的零件上均增加斜角導(dǎo)向特征，這樣的零件插入阻力最小，裝配過程最為順利，同時(shí)對(duì)零件的相應(yīng)的尺寸也可以允許寬松的公差。

4. 導(dǎo)向特征應(yīng)該是最先接觸點(diǎn)

在裝配時(shí)，導(dǎo)向特征應(yīng)該最先于零件的其他部分與對(duì)應(yīng)的裝配件接觸，否則，不能起到導(dǎo)向作用。

5. 導(dǎo)向特征越大越好

導(dǎo)向特征越大，越能容忍零件的尺寸誤差，越能減少裝配時(shí)的調(diào)整與對(duì)齊，導(dǎo)向效果越好。

05.避免裝配干涉

1. 避免零件在裝配過程發(fā)生干涉

避免零件在裝配過程中發(fā)生干涉是產(chǎn)品最基本、最簡(jiǎn)單的常識(shí)，但這也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師最容易犯的錯(cuò)誤之一。零件的裝配過程應(yīng)該很順利，裝配過程不應(yīng)該出現(xiàn)阻擋和干涉的情況。避免這樣的錯(cuò)誤很簡(jiǎn)單，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行簡(jiǎn)單的產(chǎn)品裝配過程動(dòng)態(tài)模擬就可以發(fā)現(xiàn)零件是否發(fā)生了裝配干涉。

2. 避免運(yùn)動(dòng)零件在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生干涉

很多產(chǎn)品都包含運(yùn)動(dòng)零件，運(yùn)動(dòng)零件在運(yùn)動(dòng)過程中需要避免發(fā)生干涉，否則會(huì)阻礙產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，造成產(chǎn)品故障甚至損壞。對(duì)此產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師也可通過運(yùn)動(dòng)過程莫您確保運(yùn)動(dòng)零件在運(yùn)動(dòng)過程中暢通無阻，避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。

3. 避免用戶在使用過程發(fā)生干涉

產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師也需要考慮在產(chǎn)品的具體使用過程中零部件的干涉問題，避免用戶在使用產(chǎn)品時(shí)發(fā)生干涉問題。

4. 為輔助工具提供空間

零件在裝配過程中，經(jīng)常需要輔助工具來完成裝配。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要為輔助工具提供足夠的空間，使得輔助工具能夠順利完成裝配工序。

06.寬松的零件公差要求

人們常常誤以為嚴(yán)格的零件公差就可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，而為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，唯一途徑是通過對(duì)零件公差做出嚴(yán)格的要求。事實(shí)上，嚴(yán)格的零件公差只能表示單個(gè)的零件生產(chǎn)質(zhì)量高，并不一定表示產(chǎn)品質(zhì)量高，產(chǎn)品質(zhì)量只能通過產(chǎn)品裝配才能體現(xiàn)出來。但是，零件公差越嚴(yán)格，零件制造成本就越高，產(chǎn)品的成本就越高。

嚴(yán)格的零件公差要求意味著：

1. 更高的模具費(fèi)用

2. 更精密的設(shè)備和儀器

3. 額外的加工程序

4. 更長(zhǎng)的生產(chǎn)周期

5. 更高的不良率和返工率

6. 要求更熟練的操作員和對(duì)操作員更多的培訓(xùn)

7. 更高的原材料質(zhì)量要求及其產(chǎn)生的費(fèi)用

在傳統(tǒng)機(jī)械加工過程中，零件的公差與成本的關(guān)系如圖所示，可以看出，零件的公差要求越高，零件的成本就越高。

同樣的道理，零件之間的產(chǎn)品裝配公差越嚴(yán)格，裝配質(zhì)量管控要求越高、裝配不良率越高、裝配效率越低，裝配成本就越高。

因此，在滿足產(chǎn)品功能和質(zhì)量的前提下，面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)允許寬松的零件公差要求，從而降低產(chǎn)品的制造成本。

那么，如何進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)才能使得產(chǎn)品裝配允許寬松的公差要求呢？

1.設(shè)計(jì)合理的間隙

設(shè)計(jì)合理的間隙，防止零件過約束，避免對(duì)零件尺寸的不必要的公差要求。不合理的零件間隙設(shè)計(jì)會(huì)帶來零件不合理的公差要求。

2.簡(jiǎn)化產(chǎn)品裝配關(guān)系

簡(jiǎn)化產(chǎn)品裝配關(guān)系，減少尺寸鏈的數(shù)目從而減少累計(jì)公差。在同一個(gè)尺寸鏈中，尺寸數(shù)目越多，最終所帶來的產(chǎn)品的累計(jì)公差就越大。如果因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量和功能的要求，產(chǎn)品的累計(jì)公差不能大于一定數(shù)值，那么就不得不對(duì)尺寸鏈的尺寸進(jìn)行比較嚴(yán)格的公差要求。

3.使用定位特征

在零件的裝配關(guān)系中增加可以定位的特征，如定位柱等，定位特征能夠使零件準(zhǔn)確地裝配在產(chǎn)品中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)只需要對(duì)定位特征相關(guān)的尺寸公差進(jìn)行制程管控，對(duì)其他不重要的尺寸就可以允許寬松的公差要求。因此，對(duì)于那些重要的裝配尺寸，在產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)階段就要重點(diǎn)加以關(guān)注，簡(jiǎn)化產(chǎn)品裝配關(guān)系，避免重要裝配尺寸涉及更多的零件，從而減少尺寸鏈中尺寸的數(shù)目，達(dá)到減少累計(jì)公差的目的，于是就能夠允許累計(jì)有寬松的公差要求。

4.使用點(diǎn)或線與平面配合

當(dāng)兩個(gè)零件之間通過平面與平面配合并具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)（可以是裝配過程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也可以是使用過程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)），可以使用點(diǎn)或線與平面配合的方式代替平面與平面的配合方式，避免平面的變形或者平面較高的表面粗糙度值阻礙零件的順利運(yùn)動(dòng)，從而可以不對(duì)零件的平面度和表面粗糙度提出嚴(yán)格的公差要求，繼而允許寬松的公差，如圖所示。

07.防止零件欠約束和過約束

空間上任何一自由體共有6個(gè)自由度，分別是3個(gè)沿著xyz坐標(biāo)移動(dòng)的自由度和繞著3個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，如圖所示

1）完全約束：

如果零件在6個(gè)自由度上均存在約束，稱之為完全約束。

2）欠約束：

如果零件在1個(gè)或1個(gè)以上的自由度不存在約束，稱之為欠約束。

3）過約束：

如果零件在1個(gè)自由度上有2個(gè)或者2個(gè)以上的約束，稱之為零件過約束。產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要避免零件欠約束和過約束，只有零件完全約束，零件才能在產(chǎn)品中正確的裝配以及行駛應(yīng)有的功能。

1.避免零件欠約束：

如果零件欠約束，納米零件裝配好后，零件會(huì)在欠約束的自由度方向上出現(xiàn)不該有的運(yùn)動(dòng)，妨礙零件功能的實(shí)現(xiàn)。

值得注意的是，如果零件尺寸比較大，那么零件的約束需要盡量覆蓋零件的整個(gè)范圍，而不僅僅是在某一個(gè)角落對(duì)零件進(jìn)行約束。

2.避免零件過約束

零件發(fā)生過約束，要么零件很難進(jìn)行裝配，要么產(chǎn)生裝配質(zhì)量問題，或者裝配好了之后零件之間存在內(nèi)應(yīng)力。

08.防錯(cuò)的設(shè)計(jì)

防錯(cuò)法是指通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的管控來防止錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

日本豐田公司第一次提出了防錯(cuò)的概念。

我國(guó)臺(tái)灣稱之為防呆法，顧名思義，就是一個(gè)呆子來裝配也不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

防錯(cuò)法能夠達(dá)到以下目的：

1）減少錯(cuò)誤、提高產(chǎn)品利潤(rùn)率。

2）減少浪費(fèi)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率。

3）減少由于檢查而導(dǎo)致的浪費(fèi)

4）消除返工及引起的浪費(fèi)

5）提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性

6）提高產(chǎn)品使用人性化、消費(fèi)者滿意度和產(chǎn)品信譽(yù)。

防錯(cuò)的設(shè)計(jì)意味著：

不需要注意力——即使疏忽也不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。

不需要經(jīng)驗(yàn)和知覺——外行人也可以做。

不需要專門知識(shí)——誰做都不會(huì)出錯(cuò)。

不需要檢查——第一次就把事情做好。

防錯(cuò)設(shè)計(jì)的對(duì)象包括兩種：

單個(gè)零件本身的防錯(cuò)，即零件在正確的裝配位置旋轉(zhuǎn)一定角度后，例如90°180°，等，零件是否還可以繼續(xù)裝配。

零件與零件之間的防錯(cuò)，一個(gè)零件在產(chǎn)品中應(yīng)當(dāng)只能在一個(gè)裝配位置裝配，如果一個(gè)零件在另外一個(gè)裝配位置也可以進(jìn)行裝配，那就會(huì)帶來裝配錯(cuò)誤問題。

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喂我袋鹽

應(yīng)該是面向降低成本的設(shè)計(jì)。

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不錯(cuò)