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【方法篇】产品分解之移除操作程序法 - 揭示多余组件、为精益设计铺平道路
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2023.01.28 江苏

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作者在文章《产品分解》中叙述了产品分解的目标,在文章《产品拆卸六步法》中介绍了产品拆卸的六个步骤。本文即将介绍的移除操作程序法是适用于概要性产品分解流程的方法之一。

一、移除操作程序法简介

掌握产品中各个组件功能信息是非常重要的一件事。开发团队要能够能够既存产品的意图,也就是说要知道"产品要做什么”,而不是仅仅专注于产品本身。为此,开发团队需要探究竞争对手产品的功能结构。

产品可制造性评估也是一项极其关键性的工作。开发团队经常会遇到产品发生“过量设计”的情况。所谓过量设计,是指产品中出现了某些子功能由多个单独组件来实现的情况,而如果简化这些结构或将其用一个部件来替代,则可能会有更好的效果。开发团队需要去除那些冗余组件以解决过量设计的问题。识别冗余组件可能具有相当的难度。

二、移除操作程序法步骤

"移除操作程序法”(SOP,Subtract and Operate Procedure) 是一种包含六个连续步骤的方法,通过明确各组件本质功能的方式来发现存在于装配系统中的冗余组件。

图2-1 零件存在的必要性

步骤1:拆解(或移除)装配件中的某个组件

组件移除的次序可以是任意的。但有时,在移除目标组件之前,开发团队可能必须要移除其他组件,而这些预先移除的组件可能还要重装回原来的位置。可能出现这些组件再也无法装回原来位置的情况,开发团队就需要采取一定的措施来弥补这些组件的功能。

步骤2:在最大范围内对系统进行操作

开发团队需要检验产品,以确认产品是否满足顾客需求。在移除一个组件后,开发团队将根据包括结构、人机、运动等方面的顾客需求对产品进行全面的试验,,以此来验证组件移除所产生的影响。

步骤3:结果分析

多数情况下,开发团队只需通过视觉观察就能完成这一步骤,但有时,组件移除后的试验结果并不是那么明显,这时就有必要用到一台检测设备。

步骤4:推断移除组件的功能

根据步骤2的试验结果,开发团队可以推断出被移除组件功能或作用。在以上的操作过程中,我们应该着重注意“自由度”(DOF, degree of freedom) 的变化,自由度将是一个用来确定冗余组件的至关重要的因素。

步骤5:更换移除组件并重复n次以上的程序操作

开发团队需要将移除的组件进行再次装配。接下来,为了对所有的组件展开分析,开发团队需要重复执行这个步骤,重复的次数等于装配件中所有组件数目。在某些情况下,我们必须要以子装配件和组件群为单位来分析一个产品(假设产品里存在n个复合组件)。

步骤6:复盘与经验总结

开发团队对如下问题的回答将增强移除操作程序法的效用

  • 是否出现了被移除组件无法装回的现象?如有

  • 开发团队怎么办的?

  • 开发团队是否全面检验了产品?

  • 组件试验是否顺利?如不是,出现了什么困难?开发团队是怎么解决的?

  • 组件移除后,对产品功能是否有影响?如有,影响是什么?

  • 团队有没有成员对推断的功能有不同的理解?如有,是什么?

  • 团队成员是否出现把推断功能当做实际功能来对待的现象?

  • 开发团队是否一次只移除一个组件?

  • 开发团队是否找到了冗余组件?

  • 移除操作程序法是否有改善的空间?如有,它们是什么?

三、移除操作程序法案例

本文将以一台能够实现局部绕转的机械装置作为 SOP 方法运用的案例。虽然这个机械装置的结构简单,但是可以用来比较好地说明 SOP 方法。

图3-1 摆臂机械装置的SOP案例

图3-1所示是这个机械装置的爆炸视图,装置能够在一个设定的角度范围内实现反复性的摆臂动作。摆臂作为产生旋转运动的力源,被连接在一个能够旋转的轴上,转轴所旋转的角度范围被上部的两个长销栓和顶盘开槽所约束。

为了构造一个关于这个装配件的表格,我们将执行 SOP 方法的6个步骤。零件数目、零件描述以及移除零件的操作结果等都应当做表格中的栏目,此外,移除组件的子功能和用户的需求也应当列出。这个装置的分析结果如表3-1所示。

SOP 方法的结果表明,系统中存在着5个可能的多余组件(表 3-1标注为“无影响”行所代表的零件)。

表3-1 SOP元件工作表举例

通过对图3-1的观察可以发现,装置中只需要一个旋转栓就能够达到限制旋转轴的转角范围的目的。而对于摆臂上的臂栓来说,也只需要一个(在左臂或右臂上)就能限制摆臂所有运动方向的自由度。得到这个结论的前提是假定摆臂不承担大的负荷,同时摆臂是方状、刚性并与转轴紧密接触。然而,即使出现较大的负荷,采用单一栓的方式仍可以正常发挥作用。移除水平尾栓同样不会产生影响,因为由于有垂直臂栓的限制,摆臂是不能沿着转轴上下滑动的。我们在执行 SOP 方法时的一条规则是:如果发现一个组件“无影响”,则将其移除后继续探索下一个组件。因此,我们在移除水平尾栓后,又移除了一个垂直臂栓。当对系统进行操作时,发现结果仍是“无影响”,其原因在于摆臂、转轴、加上销栓本身的几何形状都限制了摆臂的随意运动。

四、移除操作程序法归纳

有这样一个问题必须加以强调:SOP 法是否仅仅适用于出现过量约束设计的情况(如第三部分的摆臂案例所示)?

一般说来,组件被移除却“无影响"的原因通常是因为这些组件与其他组件约束的产品运动自由度有重复。但是,也存在着其他形式的组件冗余情况。例如,若移走一个结构件,而系统的强度仍然在其安全范围之内,那就可以认定这个组件在结构上是多余的。另外,美学和人机工程学因素也可能导致某些组件出现冗余。这时,冗余件的确定方式带有更强的主观性,但在详细分析用户需求的情况下,开发团队也能够对其加以区分。

综上所述,对于一个组件,当被移除时是否改变原产品的自由度,是界定这一组件是否冗余的重要标准。由此,我们得到以下定义:

命题:当组件被移除时,没有引起自由度以及其他因素的改变,则这类组件称为“第1类型冗余组件" 当组件被移除时,组件的自由度没有改变,但由于它们的移动引起别的方面的变化,因此这类部件称为"第2类型冗余组件”。

  1. 第1类型冗余组件往往作为移除对象。

  2. 如果有别的组件能够通过参(变)数上的调整和再设计来弥补组件移除的负面影响,则第2类型冗余组件也可以被移除。

解释说明:如果一个组件不会因为另一个组件的移动而变动,那么两个组件就有合并的可能。如果组件移除没有产生影响,那么将其移除就是可行的,而且它们属于第1类型冗余组件;而如果组件移除引起了一定的后果,只有当这种影响的作用能够被抵消时,移除才可行,这种情况下它们属于第2类型冗余组件。

图3-1中的实例中出现了多个冗余件,除了水平尾部销栓(零件 A-2-4 )之外,它们都属于第1类型冗余组件的情况。在这种情况下,水平尾部销栓的移除并不会影响装置的自由度。同时,如果臂栓设计合适,水平栓的移除也不影响对负荷的支撑。但是它的移除影响到了顾客的安全需求。如果臂栓失效或没有正确地进行装配,水平尾栓的存在就可以起到防止摆臂与转轴相脱离的作用。

鉴于尾栓对顾客安全需要所产生的影响,我们将尾栓归为第2类型冗余组件。在尾栓作为一个独立组件被移除时,我们就需要对旋转摆臂的某个参数进行调整。在这个实例中,受影响的参数将是旋转臂的几何尺寸和形状。如果摆臂被加工为一端闭合(见图3-1中零件的左侧部分),并且如果在接近支梁的部分局部加宽(见图3-1中零件的右侧部分),转轴就能够在接近支梁的部分被插入。这时,摆臂的尾端封闭,臂栓将用来连接摆臂和转轴。这样,我们就能在不影响顾客安全需求的同时,顺利将冗余组件移除。但是任何这种类型的再设计得以成立的依据是,在削减零件数量或改变零件形式的同时一定要以能够降低零件加工制造以及材料的成本为先决条件。

第2类型冗余组件的另一实例是一个带把手的抽屉,其中把手用一个扣件固定。如果这时将把手移除,我们可能会握住某一个突出部分来打开抽屉,但这样将会“增加拿捏或抓握的难度”。若对抽屉突出部分的几何形状进行调整,使其适应人手,就能起到一个把手的作用。因此,最终的解决方式是将抽屉在整体上做出一个凹进或突出的几何体部分 在这种情况下,手柄将是一个冗余的组件,因为它不会影响抽屉的自由度。

五、移除操作程序法讨论

根据正在剖析的产品,我们可以知道移除操作程序法 (SOP) 有一些限制。通常,一个部件的分解需要先拆除其他部件 以螺钉这个简单的结构为例,它作为一个模块连接到一个固定的部件模块上,而要想移除后者,必须先要拆下螺钉。 因此,类似的组件必须考虑在功能上与其他部件间的依赖性。在这个实例中,螺钉的功能要视模块是否被拆除而定 一旦模块被拆下来了,螺钉就不起任何作用,系统的操作也不会因为缺少它而受到影响。但如果螺钉不仅连接了一个模块,而且还连接了另一个模块到固定的模块上,在操作之前我们就应该将它重新装上,因为它的功能要依这两个模块共同而定。

在很多时候,一个部件被拆解后,产品的操作就会变得很困难对于这些情况,采用如图5-1所示的归纳分级的方法来分析一个产品将是非常有效的。

图5-1 SOP分级法

把产品分解为子部件并对子部件应用移除操作程序法,可以将系统整体的艰巨任务化整为零。进行单独装配的子部件可以不考虑其他部件的装配而独立进行评估。与其他部件相关的子部件则应该将它与外部组件看做一个整体来进行评估。在某些时候,这种组件的划分是需要洞察力和创造性的,而借助外部的控制工具则可以解决系统操作性上的问题。

参考文献
[1] [美】Kevin N. Otto,Kristin L. Wood. 产品设计[M]. 电子工业出版社,2017.
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