基于力流分析的產(chǎn)品再設(shè)計(jì)方法研究

容芷君，林澤軍，莫壽康，陳奎生

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081）

產(chǎn)品再設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)條件限制和市場要求下，尋求一種既可以保留產(chǎn)品原始功能又能降低生產(chǎn)成本的方法，在產(chǎn)品生命周期開始階段，對(duì)產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、裝配等方面進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的方法有很多，管強(qiáng)等［1］提出面向產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的裝配性評(píng)價(jià)體系，主要討論并行工程環(huán)境下面向裝配的設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和裝配工藝過程再設(shè)計(jì)的可裝配性評(píng)價(jià)體系，但是其模型中的設(shè)計(jì)參數(shù)具有特殊性，只能針對(duì)特殊復(fù)雜產(chǎn)品，不能普遍應(yīng)用于大眾化產(chǎn)品。方峻等［2］提出基于模型推理的參數(shù)再設(shè)計(jì)方法，采用定性因果推理和啟發(fā)式搜索的方法，提出一種自動(dòng)生成參數(shù)再設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù)，建立了基于因果影響關(guān)系的再設(shè)計(jì)模型，但模型建立過程中涉及權(quán)重值及多個(gè)約束變量，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師和大量數(shù)據(jù)來完成建模。田燕［3］提出面向再設(shè)計(jì)的級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，開發(fā)出了相應(yīng)的級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)用戶可以方便地進(jìn)行級(jí)進(jìn)模總裝及零部件設(shè)計(jì)，并完成設(shè)計(jì)過程中的實(shí)時(shí)修改，但是只涉及在原有零件上進(jìn)行位置和形狀修改，沒有考慮零部件組合。在產(chǎn)品再設(shè)計(jì)領(lǐng)域，多零件規(guī)格組合技術(shù)正在引起人們的廣泛關(guān)注［4］?；诹α鞣治龅脑僭O(shè)計(jì)方法［5］可用單個(gè)的兼容部件直接代替特定零件，只需要考慮小部分的形狀修改和物料特性問題就能成功地完成零件組合，不僅減少了組成產(chǎn)品的零件數(shù)量又保留了產(chǎn)品的原有功能。Jensen等［6］提出的面向產(chǎn)品進(jìn)化的力流分析是以裝配設(shè)計(jì)（DFA）為準(zhǔn)則的，然而DFA第一個(gè)準(zhǔn)則過于約束設(shè)計(jì)。因此，本文以功能結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)則進(jìn)行產(chǎn)品再設(shè)計(jì)，以訂書機(jī)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)為例，通過對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能建模，應(yīng)用力流分析法實(shí)現(xiàn)零部件組合從而減少零部件數(shù)量。

1 力流分析的基本要素

力流分析法通過力流圖分析零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力傳遞來確定零部件整合的方式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)。力流圖是基于圖的語義網(wǎng)絡(luò)，圖的節(jié)點(diǎn)代表產(chǎn)品的零件，節(jié)點(diǎn)之間的鏈接代表零件之間的連接。力流圖以產(chǎn)品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和布局，可以清晰地顯示出零部件可能存在組合的機(jī)會(huì)。零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以多種形式發(fā)生，并且需要應(yīng)用力流分析法進(jìn)行建模。為了實(shí)現(xiàn)建模，需要確定力流分析法的基本要素。力流圖的3個(gè)基本物理要素是零件、零件之間的交界面以及零件交界面之間力的傳遞。表1給出了零件之間可能的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式。

表1 零件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式Table1 Forms of relative movement between parts

由N－Link連接的零件組是組合的第一級(jí)候選。N－Link代表零件以及交界面之間都沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接，這些零件組像剛性體一樣移動(dòng)，代表最容易的零件組合，即如果兩個(gè)零件之間的交界面能夠用N－Link表示，那么這些零件可被直接組合。

由C－Link連接的零件組是組合的第二級(jí)候選。C－Link代表在非交界面處有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在交界面處沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間的相互作用。這種相互作用意味著一個(gè)或更多的零件之間力的傳遞。如果兩個(gè)零件之間的相互作用能以CLink表示，這些零件就能通過更改所涉及的零件的幾何參數(shù)直接組合成柔性機(jī)構(gòu)。以C－Link連接的零件組被分類為第二級(jí)候選是因?yàn)樗麄兿鄬?duì)于N－Link組合來說零件組合的可能性降低了。

由R－Link連接的零件組是組合的第三級(jí)或更高級(jí)候選。R－Link代表一般的相對(duì)運(yùn)動(dòng)像力的傳遞發(fā)生在交界面以及非交界面之間。RLink有多種形式，如所有形式的運(yùn)動(dòng)連接、導(dǎo)槽的滑動(dòng)接觸、齒輪和軸承等。如果交界面不固定，R－Link也可能代表從動(dòng)型部件和支撐性組件之間的交界面。以R－Link連接的零件組被分類為第三級(jí)或更高級(jí)候選是因?yàn)樗麄兿鄬?duì)于N－Link和C－Link組合方式來說零件組合的可能性最低。

2 力流分析的步驟

產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的力流分析流程圖如圖1所示。力流分析全過程從確定再設(shè)計(jì)工作的發(fā)展目標(biāo)開始，這個(gè)目標(biāo)可能會(huì)漸漸地演化成產(chǎn)品或者會(huì)徹底地改變產(chǎn)品。需要注意的是設(shè)計(jì)工作可能在最后決策之前分析最初的改善設(shè)計(jì)，或者針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)?；顒?dòng)圖可以用來描述力流分析的過程?；顒?dòng)圖給使用者提供了關(guān)于產(chǎn)品操作的理解，這些操作將會(huì)在力流圖中被建模，然后在操作建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能建模，接下來就是產(chǎn)品分解，建立單個(gè)零件以及它們的交界面，最后建立零件和交界面的力流模型。根據(jù)零件的接觸面特征和力流分析結(jié)果，來確定零件之間的組合方式。

圖1 力流分析流程Fig.1 Process of force flow analysis

力流分析法假設(shè)任何再設(shè)計(jì)產(chǎn)品都必須持續(xù)滿足原始的產(chǎn)品功能，還必須滿足基本的物理定律，包括應(yīng)變－位移定律、應(yīng)力－應(yīng)變定律和力平衡定律。零件組合除了需要滿足基本的物理定律，還需要具備功能條件，包括自由度條件、能量傳遞條件和驅(qū)動(dòng)力條件。自由度條件是指在最后的組合件中最初的基于功能的剛性或柔性的自由度條件必須保留，即在原始零件提供的動(dòng)作條件下，零件基于動(dòng)作的功能必須在再設(shè)計(jì)零件中被保留。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品而言，動(dòng)作有兩個(gè)基本的需求：第一個(gè)是路徑生成；第二個(gè)是終點(diǎn)定位。平衡和應(yīng)力分布定律是滿足自由度條件的關(guān)鍵。能量傳遞條件是指組合件的材料必須滿足產(chǎn)品所需的能量傳遞功能，能量傳遞條件的基礎(chǔ)是功能建模的能量流。在機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用力流分析時(shí)，能量流是力或力矩的表現(xiàn)。力將會(huì)在組合零件材料之間傳遞，并且這些組合零件的材料強(qiáng)度必須足夠大以便提供能量傳輸功能，這個(gè)力的標(biāo)準(zhǔn)需要滿足應(yīng)力定律，驅(qū)動(dòng)力條件是指最后的剛性或柔性機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力必須在驅(qū)動(dòng)組件合理可達(dá)到的范圍內(nèi)。這3個(gè)功能條件是零部件組合的必要但非充分條件，充分性沒有得到滿足是因?yàn)檫@些條件沒有涵蓋所有可能的功能需求。

當(dāng)然零部件組合還要考慮物料和裝配、拆卸功能，就像功能關(guān)系包括原始產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提供的路徑生成和終點(diǎn)定位屬性。為了確定零部件組合后的功能保留性和生產(chǎn)成本，必須評(píng)估其材料、結(jié)構(gòu)、裝配和加工成本以及組合件的重量和外觀。

3 實(shí)例

得力0309型號(hào)訂書機(jī)是得力公司最暢銷的訂書機(jī)產(chǎn)品之一，該產(chǎn)品包含20個(gè)零件，主要分為3大部件，包括底座部件、訂書釘支撐部件和壓釘部件。訂書機(jī)的零件分解圖如圖2所示。

圖2 訂書機(jī)零件分解圖Fig.2 Decomposition map of stapler parts

產(chǎn)品的功能包括主要功能、次要功能以及輔助功能。主要功能是該產(chǎn)品最基本的功能，也是再設(shè)計(jì)中必須保留的功能；次要功能是產(chǎn)品在主要功能的基礎(chǔ)上能保證其更好地工作的功能；輔助功能是設(shè)計(jì)者給產(chǎn)品在正常工作時(shí)添加的能使正常工作更方便、更快捷、使用范圍更大的功能。訂書機(jī)的主要功能包括裝針功能和釘針功能；次要功能是改變針頭裝訂形狀功能，訂書機(jī)的訂書針裝訂后，要能持續(xù)保證被裝訂物體正常工作，所以要在裝訂時(shí)須改變裝訂針的形狀，這樣既能保證裝訂功能，又能保證裝訂針不至于劃傷其他物體；輔助功能在訂書機(jī)的發(fā)展過程中不斷增加，目前市面上訂書機(jī)被使用的輔助功能包括防滑功能、防噪功能、省力功能、商品展示功能等。

根據(jù)訂書機(jī)操作過程建立其力流圖，如圖3所示。從圖3中可見，從施力到釘書動(dòng)作完成，釘書機(jī)零件與零件之間的受力關(guān)系以及零件之間的連接共有15個(gè)，包括：5個(gè)N－Link，是實(shí)現(xiàn)組件組合的第一級(jí)候選，也是最有可能實(shí)現(xiàn)組件組合的；4個(gè)C－Link，是實(shí)現(xiàn)組件組合的第二級(jí)候選；6個(gè)R－Link，是實(shí)現(xiàn)組件組合的最后一級(jí)候選。

圖3所示的15個(gè)連接分析如下：

圖3 訂書機(jī)力流圖Fig.3 Force flow diagram of stapler

（1）塑料端蓋與上頂蓋之間、上頂蓋和壓釘板之間、墊片與支座之間、支座與底座之間、中央支架與支座之間的連接類型均為N－Link，可以分別直接組合成一個(gè)組件。

（2）上頂蓋與端蓋彈簧之間、端蓋彈簧與端蓋彈片之間的連接處沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只有彈簧的受力變形；釘子支架與彈片之間、彈片與中央支架之間的連接處沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只有彈片的受力變形。這些連接類型均為C－Link，因此固定連接處，也可以分別組合成一個(gè)零件。

（3）上頂蓋與定位軸之間、端蓋彈片與定位軸之間、釘子支架與定位軸之間、中央支架與定位軸之間的交界面間存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；端蓋彈片與釘子卡具之間、釘子卡具與釘子支架之間的交界面間存在滑動(dòng)，且存在與滑動(dòng)方向正交方向的力的傳遞。以上連接類型均為R－Link，不能實(shí)現(xiàn)零件的組合。

以上分析只考慮了零件與零件之間的連接關(guān)系，得到了零件之間的組合可行性，但沒有考慮生產(chǎn)條件及裝配特性對(duì)組合的約束，如因?yàn)樯a(chǎn)及裝配的局限性，訂書機(jī)中上頂蓋與端蓋彈簧的零件組合、端蓋彈簧與端蓋彈片的零件組合不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)；訂書機(jī)中彈片和釘子支架的零件組合、彈片和中央支架的零件組合也不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。綜合考慮零件間的連接關(guān)系及其組合的可行性后，對(duì)訂書機(jī)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)零部件的有效組合。組合后的訂書機(jī)零件分解圖如圖4所示。

圖4 組合后訂書機(jī)的零件分解圖Fig.4 Decomposition map of stapler parts after combination

對(duì)再設(shè)計(jì)后的訂書機(jī)再次進(jìn)行力流分析，力流圖如圖5所示。由圖5可以看出，再設(shè)計(jì)后的訂書機(jī)零部件之間存在7個(gè)連接，其中C－Link 1個(gè)，R－Link 6個(gè)。具體為：①上頂蓋與端蓋彈片之間，連接類型為C－Link，為可組合的零件關(guān)系，但考慮到生產(chǎn)條件及裝配特性對(duì)組合的約束，不再進(jìn)行零件組合；②連接銷與上頂蓋之間、端蓋彈片與連接銷之間、端蓋彈片與滑塊之間、中央支架與連接銷之間、連接銷與底座之間的交界面存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且存在與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相垂直的橫向力；滑塊與中央支架之間的交界面存在導(dǎo)槽的滑動(dòng)，這些連接的類型均為R－Link，不能實(shí)現(xiàn)組件的組合。由此可見，該訂書機(jī)中已無可再組合零件，零件組合完成。

圖5 組合后訂書機(jī)的力流圖Fig.5 Force flow diagram of stapler after combination

4 結(jié)語

有相對(duì)運(yùn)動(dòng)接觸面的零部件的組合對(duì)于產(chǎn)品改進(jìn)和再設(shè)計(jì)有著實(shí)際意義，力流分析法可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。力流分析法針對(duì)3種相對(duì)運(yùn)動(dòng)連接，建立產(chǎn)品的功能圖，確定產(chǎn)品零件之間的連接關(guān)系，分析零件之間受力情況，建立產(chǎn)品的力流圖，然后根據(jù)力流圖和連接關(guān)系確定零件之間的可組合性，實(shí)現(xiàn)零件之間的組合，減少產(chǎn)品的零件數(shù)量，從而減少產(chǎn)品裝配工序和時(shí)間。

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