作者：李偉湛 楊先英 單位：重慶交通大學(xué)

生產(chǎn)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(shù)制造出更堅韌、更強操作性能的全鋁車身框架［1］，此車架結(jié)構(gòu)的采用為奧迪汽車提供了更輕、更強和更安全的車身構(gòu)造。框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是將產(chǎn)品根據(jù)功能的關(guān)聯(lián)性程度進行模塊化分析與設(shè)計，該原理運用于ASF車架設(shè)計中則是將一種多體連接的整體式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為主次連接的框架式簡化結(jié)構(gòu)。根據(jù)該設(shè)計原理，在生產(chǎn)過程中，會將產(chǎn)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(chǎn)品如多功能螺絲刀、吸塵器的設(shè)計，采用通用性的接口連接，這樣根據(jù)局部功能進行模塊化更換和生產(chǎn)，滿足不同產(chǎn)品功能需要，可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)的靈活性。框架式結(jié)構(gòu)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(xiàn)故障需要維修，只需對該模塊的局部進行修理和維護，不改變其他模塊的鏈接關(guān)系，無需拆解整體結(jié)構(gòu)，這與傳統(tǒng)整體式結(jié)構(gòu)相比體現(xiàn)出了高效性、便利性和低成本等優(yōu)點。如奧運場館水立方的外墻采用了模塊化的框架式結(jié)構(gòu);蘋果電腦公司推出的G5電腦機箱采用全鋁金屬框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該產(chǎn)品的內(nèi)部零件模塊、外觀側(cè)板和基座都是連接在整體結(jié)構(gòu)上的。本文將探討在LLPC產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中導(dǎo)入框架式結(jié)構(gòu)的可用性，系統(tǒng)地從設(shè)計角度分析功能模塊的布局;運用框架式結(jié)構(gòu)的設(shè)計手段保持產(chǎn)品整體風(fēng)格，在用戶視覺范圍內(nèi)不暴露結(jié)構(gòu)性零件，進而保持產(chǎn)品的外觀整潔性。

外觀造型的系列感(series)框架式結(jié)構(gòu)在各類產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中的應(yīng)用對其外觀風(fēng)格頗有影響，如在系列化產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中，采用統(tǒng)一的框架式結(jié)構(gòu)可塑造出外觀造型相似的系列化產(chǎn)品風(fēng)格特征。根據(jù)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(chǎn)品，而整體結(jié)構(gòu)保持著相對穩(wěn)定和獨立性，進而保持產(chǎn)品的系列化風(fēng)格。圖3所示為電子產(chǎn)品外觀夾邊設(shè)計［2］，此結(jié)構(gòu)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(chǎn)品顯得更精致和纖薄。Iphone4手機也采用了這種設(shè)計方法，根據(jù)不同功能需求更換上蓋模塊，中框結(jié)構(gòu)和下蓋可以保持不變，可獲得視覺效果不同的系列產(chǎn)品。圖4所示的IBM服務(wù)器機柜整體設(shè)計也采用了框架式結(jié)構(gòu)，外殼與內(nèi)部零件模塊可根據(jù)功能需要進行選擇性裝配。這樣的設(shè)計方式可實現(xiàn)只更換前面板和內(nèi)部模塊，形成不同功能產(chǎn)品系列［3］。

可控性(controllability)基于框架式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計流程可控性好、風(fēng)險低，通過對功能布局、整體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)等幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，可確定整體結(jié)構(gòu)形式，后期設(shè)計研發(fā)過程中可變因素少，大大降低了設(shè)計風(fēng)險。特別是在產(chǎn)品升級與更新時，框架式結(jié)構(gòu)可減少產(chǎn)品零件的定制數(shù)量，簡化研發(fā)流程，進而提高對產(chǎn)品功能品質(zhì)和工藝的控制性。使用過程中，如果哪個部件出現(xiàn)問題，即可更換或者局部改良，不影響其他零/部件的使用。

拓展性(extending)大型機床產(chǎn)品的系列延續(xù)性對于品牌產(chǎn)品的戰(zhàn)略發(fā)展尤其重要。單一的產(chǎn)品系列可能導(dǎo)致片面的市場格局，在穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)上可根據(jù)市場細(xì)分，基于同一平臺拓展出不同功能定位的產(chǎn)品，這一策略在大眾、標(biāo)致等汽車的車型工程開發(fā)中尤為常見。框架式結(jié)構(gòu)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?lián)Q代，而共用的基礎(chǔ)部分保持不變，即可根據(jù)產(chǎn)品的系列化定位進行基于平臺架構(gòu)的不同功能組合延展，在不增加太多成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)不同產(chǎn)品系列的拓展，因此具有較好的產(chǎn)品拓展性。

大型激光加工中心的結(jié)構(gòu)特點與工業(yè)設(shè)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(nèi)、高度為0．15m內(nèi)的大體量金屬材料件進行打孔、切割和雕刻等加工的設(shè)備，可進行材料的熔覆及修復(fù)工作，LLPC是本文研究的主要對象。其功率可設(shè)定在1～2kW范圍內(nèi);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(fù)定位精度為±0．01mm。該設(shè)備控制系統(tǒng)由高功率激光器、激光專用制冷系統(tǒng)、外光路系統(tǒng)和多功能大型激光數(shù)控加工機床組成。其技術(shù)特點有:1)采用高效的自動化激光熔敷技術(shù)，可以有效地減小熱影響區(qū)，降低葉片裂紋的產(chǎn)生。2)可以在氫氣保護下進行，而無需真空環(huán)境。3)加工精度高，易于數(shù)字化控制，可加工幾何形狀復(fù)雜的零/部件。大型激光加工中心主要應(yīng)用于模具加工、機械制造、石油、化工、輕工、能源和交通等行業(yè)。該類產(chǎn)品開發(fā)設(shè)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(shè)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(shè)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(jiān)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(qū)域。

奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲(1937年)最早對一般系統(tǒng)作出了定義:系統(tǒng)是由若干要素以一定結(jié)構(gòu)形式連接構(gòu)成的具有某種功能的有機整體。按照系統(tǒng)的定義，本文的研究對象LLPC產(chǎn)品設(shè)定為系統(tǒng)需要滿足三個基本條件，即:若干要素、結(jié)構(gòu)形式和功能輸出。基本系統(tǒng)性關(guān)系可以用式(1)表示:M={S，F(xiàn)}(1)式中:M為產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計的功能輸出，即LLPC產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果與加工過程的整體效果;S為系統(tǒng)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(jié)構(gòu)鏈接關(guān)系。在LLPC產(chǎn)品系統(tǒng)中，M為一個產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計的功能輸出，即產(chǎn)品設(shè)計的功能效果;S為固定的功能組成模塊，只在產(chǎn)品系列化時才產(chǎn)生變化;F為一個可變的要素，包含了結(jié)構(gòu)形式，也包含了連接方式與系統(tǒng)、外界交互形式。在該類產(chǎn)品設(shè)計中，可采用整體結(jié)構(gòu)連接與框架式結(jié)構(gòu)連接兩種方式，前者是產(chǎn)品的每個功能模塊相互產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性連接，形成固定模塊的整體產(chǎn)品系統(tǒng);后者則是根據(jù)設(shè)計要求先將整體結(jié)構(gòu)方式進行獨立設(shè)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(guī)標(biāo)準(zhǔn)件，然后與主體框架結(jié)構(gòu)進行連接，形成有主體框架和可變模塊組成的產(chǎn)品系統(tǒng)。通過產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)分析、以用戶為中心的設(shè)計評估等方法適當(dāng)改變F的關(guān)系，可獲得一個更優(yōu)化、更高效率的產(chǎn)品系統(tǒng)功能輸出M。