设备产品设计方法

1LLPC产品特点分析

LLPC产品工业设计中需要满足加工效率高、安全性、良好人机与操控、良好维护性等要求。因此，对应地，设计过程中考虑分析加工各个功能模块的布局，获得高效率的加工方式;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，获得良好的精确操作及监视需要;考虑使用后的定期维护需要，需要将控制模块进行独立布局，而不影响其他模块。概括地，该产品的特点有:(1)体量大;基于计算机辅助设计的设计方法容易造成尺度把握不当而造成装配误差。同时该产品的人机尺度与交互关系成为设计要点，设计过程中应注重计算机数据对人机尺度的检测与验证。通过分析确定的人机尺寸数据输入前期的模块化设计中，为后期造型与结构设计作重要参考。(2)零件多;大型机床功能较繁琐，实现功能的零件多，设计过程中需要利用计算机辅助设计软件基于零件的三维数据构建三维模型，佘月明等人对复杂层次关系的造型做了研究［5］，必要时候采用逆向工程方法进行三维数据采集。(3)构造复杂，需要提前进行产品布局设计;大型机床产品功能模块多，因此构造必然复杂，零件装配点多而连接关系复杂，因此，在计算机辅助设计时，应先构建主体零件，次要零件的尺寸、位置及装配关系。(4)生产方式与材料特性对造型风格影响大;确定功能模块的布局后，则需要导入生产方式的考虑，以建立造型设计的基本工程要求。魏专等人研究的造型比例关系在数控机床造型设计中的应用［6］，提供了一定参考。

2LLPC产品的多目标体系构建

针对该产品的多个特点及设计的要求，在产品计划阶段我们对该产品的要求进行目标化，构建出多目标的体系，如图1所示，通过目标体系对产品设计的指导，加强产品的设计的方向和过程控制。(1)整体性:该部门要求产品具有整体感的结构与外观设计。产品的复杂性与零件数量多，要求在产品设计过程中，对整体结构进行统一规划，避免产生多个零件群的链接关系，及产品设计装配时考虑都与一个共同体进行链接。另外对产品的外观需要保持整体性，避免结构零件的外露而破坏整体性。(2)维护性:该目标要求是产品应具有灵活的维护性，产品构造上可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，只需在对局部该模块进行修理和维护，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、便利性和较低的成本。著名奥运场馆水立方的外墙设计采用了模块化的结构，整体造型的局部每块覆膜都是独立装嵌的，如果某一个模块受损坏，只需要根据该模块编号更换该模块的一个覆膜即可，维护非常方便。这种理念是设计师在整体风格与系统性因素分析所获得的。导入维护性目标，在大型激光加工中心产品结构上，系统分析功能模块与布局。(3)外观品质:该目标要求是产品外观风格设计具有一定品质感，框架式构造与外壳的加工方式对外观风格影响明显，可利用加工方式获得的造型特点进行整体造型设计，通过外观主型面的造型分割形成设备品质感较强的风格。(4)可靠性:该目标要求是研发流程可控性好，风险低;基于框架式构造的产品设计流程稳健可靠，属于比较规范合理的产品设计流程，通过对功能布局、整体结构、框架结构等几个关键环节的质量控制，确定了整体结构后，该产品设计即可定型，后期的可变因素很小，大大降低了设计风险。在产品周期中，如果那个部件出现问题，可更换或者局部改良，不影响其他零部件品质。(5)拓展性:该目标要求产品的更新换代可行性。对于大型机床产品，产品的系列化与延续性对于品牌的战略尤其重要，单一的产品系列势必导致片面的市场格局。在保证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。这一策略在汽车品牌的车型开发中常见。模块化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。(6)易用性:该目标要求整体产品在人机交互过程中，保证操作人员从尺寸、操作范围、操作过程等方面便于使用。对于体量大的LLPC产品，人机易用性是产品设计重要的目标。

3多目标作用下的产品框架方式创意

在产品设计的工程结构中，一般会采用单体式结构，即每个主体零件都成为结构的一部分，结构上并没独立承重与支持的单体，这种结构方式简单实用。另一种整体式结构是框架式结构，当需要考虑产品的稳定性和扩展性时，可采用这种设计理念，它对产品起整体支撑作用，其他零件则只需设计与它的装配关系。框架式结构的产品具有便于拆卸、维护、更换、重组、升级等优点。LLPC产品设计开发过程将面临着模块布局、人机界面、安全性、操作性、维护性等多个目标要求，多重因素的叠加促使该产品的结构主体成为重要的关键点。提出框架式设计理念对以上目标问题进行整合规划设计，以求获得实用功能布局、友好人机关系、便利功能维护、高效操作性的设计结果，提高产品的品质与形象。

4框架式结构应用的可行性对比分析

基于以上初步讨论，我们需要将两者进行对比性分析，寻找框架式理念的优势与LLPC产品多目标要求的吻合度，同时对比传统单体式结构。大型激光加工中应用框架式结构设计的可行性是LLPC产品自身的产品特点分别与应用框架式与单体式结构设计对比分析，寻找其多元性系统性的关系，根据对比结果评估其应用的对应情况，见表格1。从上表对比可见，框架式结构理念对于LLPC产品的工业设计具有较好的优势，符合多个目标的要求，此对比情况对于产品开发初期的规划与设计定位具有重要的指导作用。

5设计过程验证———框架式结构的应用过程

基于多目标体系的构建，我们综合了相关的产品设计方法，应用该结构形式对LLPC产品进行了工业设计的过程应用，进一步验证其作用，以多个目标为导向，我们应用了功能定量优化设计、人机交互设计、外观特征造型设计、计算机辅助设计等多种设计方法，研究过程包括:(1)产品规划设计初期，我们对所需完成的工作作出一个计划性安排，流程的规划主要包括:功能定量优化法优化功能分区与结构机构———基于结构优化的框架搭接———基于布局方案与品牌形象外化的外观造型设计———基于装配与维护的细节设计———基于计算机辅助评价方法———基于基础零件标准化的生产监控。(2)产品结构机构设计在LLPC产品设计前期，以整体性目标导向，导入框架式理念，对产品进行模块化布局设计，根据优化的模块方案，进行了产品框架结构与机构的设计，设计结果见图2。(3)外观创意设计完成产品整体框架构建后，以外观品质、易用性目标导向，导入生产方式与框架式特指进行外观创意设计。主要完成内容有外观造型的风格化、色彩方案、人机界面、观察门的开合方式等。其中重点是在框架范围内根据合理的人机关系进行功能细化的设计;然后根据生产方式及产品风格进行外观造型特征营造设计，设计结果如图3所示。(4)零件标准化完成外观方案设计及三维数据建立后，则进行结构设计阶段。考虑到产品装配过程中涉及到较多的装配位置及装配误差问题，以可靠性目标导向，基于简化原则。结构零件中的连接零件采用统一标准设计，仅在链接孔位预留装配余地，大大减少了零件数量简化了生产工序与装配流程。连接零件的设计采用可调式设计方案，装配时可根据零件尺寸误差进行局部调整。(5)三维数据的评估完成LLPC产品整体外观结构数据构建后，即可基于计算机辅助软件进行零件装配，图4所示，装配的顺序应根据零件的重要性与尺寸从大到小分别装配。完成产品整体零件模拟装配后即可进行结构分析与装配干涉分析，以验证数据的可靠性与可行性。分析检查过程中，如发现零件的干涉(装配过盈)，则根据零件的重要性进行逐级调整参数。(6)设计完成的产品实物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装配工装。完成装配的产品实物如图5所示，最后根据产品实物进行人机操作验证，见图6。根据系列设计方法的指导与辅助，完成了多目标导向的框架式结构在LLPC产品工业设计中的应用研究与实践，有效验证了多目标作用的效果与框架式结构在大型产品机床设备中的应用设计可行性。

6结束语

多目标导向对大型机床设备产品具有较好的适用性，综合系统因素，采用针对性结构方式，可提高该类产品的设计效率，应用面广。本课题研究在大型的激光加工中心中应用，符合该产品的工业设计要求。通过最终的产品实物看，多目标体系的作用是有效的，该设计过程体现了:(1)工业设计前期的产品导入多目标要求，指导设计方向;(2)根据产品本身特点进行对比性的评估，确定整体构造;(3)根据多目标导向，确定框架的基本结构，再进行后期的外观设计、人机界面设计等工作，过程更合理、可控。但多目标体系同时也存在局限性，不同产品类型要求不同的目标体系构建，我们将对此继续研究。

作者：杨先英 李伟湛 单位：重庆交通大学 机电学院