面向制造和装配的产品设计指南（二）：面向装配的设计指南

参考引用

• 面向制造和装配的产品设计指南

1. 概述

1.1 装配的概念

• 装配是指把多个零件组装成产品，使得产品能够实现相应的功能并体现产品的质量，装配包含三层含义
  • 把零件组装在一起
  • 实现相应的功能
  • 体现产品的质量

1.2 最好和最差的装配工序

1.3 面向装配的设计的目的

• 简化产品装配工序
• 缩短产品装配时间
• 减少产品装配错误
• 减少产品设计修改
• 降低产品装配成本
• 提高产品装配质量
• 提高产品装配效率
• 降低产品装配不良率
• 提高现有设备使用率

2. 设计指南

2.1 减少零件数量

产品开发中一个零件的开发周期

• 1、考虑去除每个零件的可能性

  • 在产品设计中，考察每一个零件，在确保产品功能和质量的前提下，考虑是否可以和相邻的零件合并、是否可以共用产品中已经存在的零件或者以往产品中已经开发完成的零件、是否可以用更简单的制造工艺来实现等，从而达到去除零件、减少产品零件数量、简化产品结构的目的
    

• 2、把相邻的零件合并成一个零件

  • (1) 相邻的零件是否有相对运动?
  • (2) 相邻零件是否必须由不同材料组成?
  • (3) 相邻零件的合并是否阻止了其他零件的固定、拆卸和维修等?
  • (4) 相邻零件的合并是否造成零件制造复杂、产品整体成本增加?

• 3、把相似的零件合并成一个零件

  • 尽量把相似的零件合并成一个零件，使得同一个零件能够应用在多个位置
    

• 4、把对称的零件合并成一个零件

  • 合并对称零件的另外一个好处就是防错，因为对称的零件往往也比较相似，容易被装配到错误的位置
  • 如果无法把两个对称的零件合并成一个零件，那么需要把它们设计得非常不对称，夸大零件的不对称性，这是防错的要求
    

• 5、避免过于稳健的设计

  • 产品稳健设计要有一定的限度，过于稳健的设计会增加零件数量和产品的复杂度，造成产品成本的增加
  • 可通过相关的理论分析和模拟，以及样品制作和测试来避免过于稳健的产品设计

• 6、合理选用零件制造工艺，设计多功能的零件

  • (1) 将一个钣金件和三个机械加工件合并成一个零件
    

  • (2) 一个压铸件代替了一个塑胶件和导电布或不锈钢弹片

    • 一些电子产品的塑料外壳由于需要防电磁辐射功能，常常需要在外壳上再固定一个导电布或不锈钢弹片，此时可以将这两个零件合并成一个压铸件
      

  • (3) 塑胶件上增加特征代替束线带或线夹

    • 很多产品离不开线缆，而线缆需要通过束线带或线夹固定在产品中，此时可在塑胶零部件上增加特征来代替束线带或线夹
      

• 7、去除标签

  • 标签本身需要额外的成本，而把标签固定在零部件上也需要装配成本
  • 在有些情况下，可以将标签的内容通过注射加工、压铸加工、冲压加工等方式显示在零部件上，继而可以去除标签

2.2 减少紧固件的数量和类型

• 1、使用同一种类型的紧固件

  • (1) 减少在设计和制造过程中对多种类型紧固件的管控
  • (2) 给紧固件的购买带来批量上的成本优势
  • (3) 使用同一种类型的紧固件能够减少装配线上辅助工具的种类
  • (4) 防止产生装配错误
  • (5) 示例：通过在钣金中增加凸台来调整高度就能够使用同一种螺柱，以达到减少螺柱类型的目的
    

• 2、使用卡扣、折边等代替紧固件

  • (1) 四种装配方式成本对比
    

  • (2) 卡扣装配是最经济、最环保的装配方式
    

  • (3) 在钣金件上可通过折边压紧来减少紧固件数量
    

• 3、避免分散的紧固件设计

  • 把紧固件设计为一体，能够减少紧固件的类型，减少装配时间和提高装配效率
    

• 4、使用自攻螺钉代替机械螺钉

  • 使用自攻螺钉代替机械螺钉可避免加工成本昂贵的攻螺纹工序，在塑胶零件中，使用自攻螺钉代替机械螺钉可避免在注塑时嵌入螺母，可减少零件数量，降低零件成本
  • 但是自攻螺钉仅用于零件不需要反复拆卸或者对紧固要求不高的场合

2.3 零件标准化

• 企业应当制订常用零件的标准库和零件优先选用表，并在企业内部不同产品之间实行标准化策略，鼓励在产品开发中从标准库中选用零件，鼓励重复利用之前产品中应用过的零件，同一件产品中的零件也可以进行零件标准化
• 五金零件，例如螺钉、螺柱、导电泡棉等选用供应商的标准零件

2.4 模块化产品设计

• 模块化产品设计是指把产品中多个相邻的零件合并成一个子组件或模块
• 模块化的产品设计有以下好处
  • 缩短产品总装配工序，提高总装配效率
  • 提高装配灵活性，在不同的模块合理使用人工或机械装配
  • 质量问题尽早发现，提高产品质量
  • 避免因质量问题而造成整个产品返工或报废
  • 提高产品的可拆卸性和可维修性
  • 按单定制

2.5 设计一个稳定的基座

• 一个稳定的基座能够保证装配顺利进行，还可简化产品装配工序，提高装配效率，减少装配质量问题

• 一个稳定的基座应当具备如下条件

  • (1) 基座必须具有较大的支撑面和足够的强度以支撑后续零件，并辅助后续零件的装配
  • (2) 在装配件的移动过程中，基座应当支撑后续零件的固定而不发生晃动以及脱落
  • (3) 基座必须包括导向或定位特征来辅助其他零件的装配
    

• 最理想的装配方式是金字塔式装配方式

  • 最理想的产品装配方式是金字塔式的装配，一个大而且稳定的零件充当产品基座放置于工作台上，然后依次装配较小的零件，最后装配最小的零件，同时基座零件能够对后续的零件提供定位和导向功能
  • 避免把大的零件置于小的零件上进行装配
    

2.6 设计零件容易被抓取

• 1、避免零件太小、太重、太滑、太黏、太热和太柔弱

  • 零件需要具有合适的尺寸，使得操作人员或者机器手能够很容易地抓取零件进行装配
  • 零件越容易抓取装配过程就越顺利，装配效率就越高

• 2、设计抓取特征

  • 增加一个折边用于零件的抓取，零件的抓取和装配变得很容易
    

• 3、避免零件的锋利边、角

  • 零件应避免具有锋利的边、角等，否则会对操作人员或消费者造成人身伤害
  • 同时，在装配过程中，锋利的边、角也可能对产品的外观和重要的零部件造成损坏

2.7 避免零件缠绕

• 1、避免零件本身互相缠绕
  

• 2、避免零件在装配过程中卡住

  • 不合适的零件形状可能造成零件在装配过程中卡住，降低装配效率和产生装配质量问题
    

2.8 减少零件装配方向

• 1、零件装配方向越少越好

  • 对于产品装配来说，零件的装配方向越少越好，最理想的产品装配只有一个装配方向。装配方向过多造成在装配过程中对零件进行移动、旋转和翻转等动作，降低零件装配效率，使得操作人员容易产生疲惫，同时零件的移动、旋转和翻转等动作容易造成零件与操作台上的设备碰撞而发生质量问题
    

• 2、最理想的零件装配方向

  • 从上至下的装配，可以充分利用重力，是最理想的装配方向
  • 从侧面进行装配(前、后、左、右)，是次理想的装配方向
  • 从下至上的装配，由于要克服重力对装配的影响，是最差的装配方向
    

2.9 设计导向特征

• 1、导向特征的设计

  • 产品的装配也如同液体的倾倒借助漏斗导向一样，如果在零件的装配方向上设计导向特征，减少零件在装配过程中的装配阻力，零件就能够自动对齐到正确的位置，从而可以减少装配过程中零件位置的调整，提高装配质量和效率

  • 对于操作人员视线受阻的装配，更应该设计导向特征，避免零件在装配过程中被碰坏

    • 下图所示：最好的设计是在基准零件上和插人的零件上均增加斜角导向特征，这样零件的插人阻力最小，装配过程最为顺利，同时对零件相应的尺寸也可以允许宽松的公差
      

  • 常用的导向特征包括斜角、圆角、导向柱和导向槽等，连接器的导向特征示例如下

    • 注：导向柱的长度不能太短，需要保证导向柱是两个零件最先接触点，导向柱才具有导向效果
      

• 2、导向特征应该是装配最先接触点

  • 在装配时，导向特征应该先于零件的其他部分与对应的装配件接触，否则，不能起到导向作用
    

• 3、导向特征越大越好

  • 导向特征越大，越能容忍零件的尺寸误差，越能减少装配时的调整与对齐，导向效果越好
    

2.10 先定位后固定

• 零件的装配如果先定位后固定，在固定之前零件自动对齐到正确位置，这能够减少装配过程的调整，大幅提高装配效率。特别是对那些需要通过辅助工具 (如电动螺钉旋具、拉钉枪等) 来固定的零件，在固定之前零件先定位，能够减少操作人员手工对齐零件的调整
  

• 1、四周增加限位
  

• 2、使用定位柱
  

2.11 避免装配干涉

• 1、避免零件在装配过程中发生干涉
  • 对于整个产品的装配过程，都需要进行产品装配过程动态模拟，确保零件装配顺利
• 2、避免运动零件在运动过程中发生干涉
  • 通过运动过程模拟确保运动零件在运动过程中畅通无阻，避免发生运动干涉
• 3、避免用户在使用产品过程中发生干涉
  

2.12 为辅助工具提供空间

• 零件在装配过程中，经常需要辅助工具来完成装配
  • 例如，两个零件之间通过螺钉固定，零件的装配需要电动螺钉旋具的辅助，在产品设计中需要为辅助工具提供足够的空间，使得辅助工具能够顺利完成装配工序
    

2.13 为重要零部件设计装配止位特征

• 产品中一般都包括很重要但同时又比较脆弱的零部件，如电脑中的硬盘、电源以及一些印制电路板等，产品设计时需要确保这些重要的零部件在装配和使用过程中不被损坏
  • 最容易发生的失效方式：这些重要零部件装配到正确位置后，由于操作人员或者消费者用力不当，使得零部件继续前进，碰到其他零件而损坏
  • 因此，有必要在产品中设计止位特征，阻止重要零部件装配到正确位置后继续前进
    

2.14 防止零件欠约束和过约束

• 空间上任何一自由物体共有 6 个自由度，分别是 3 个沿着 x、y、z 坐标轴移动的自由度和绕着 3 个坐标轴转动的自由度

  • (1) 完全约束：如果零件在 6 个自由度上均存在约束，称之为完全约束
  • (2) 欠约束：如果零件在 1 个或 1 个以上的自由度上不存在约束，称之为欠约束
  • (3) 过约束：如果零件在 1 个自由度上有 2 个或者 2 个以上的约束，称之为零件过约束

• 1、避免零件欠约束

  • 如果零件欠约束，那么在零件装配好后，零件会在欠约束的自由度方向上出现不该有的运动，妨碍零件功能的实现
  • 如果零件尺寸比较大，那么零件的约束需要尽量覆盖零件的整个范围，而不仅仅是在某一个角落对零件进行约束

• 2、避免零件过约束

  • 零件发生过约束，要么零件很难进行装配，要么产生装配质量问题，或者装配好之后零件之间存在应力
    

2.15 宽松的零件公差要求

• 严格的零件公差只能表示单个的零件生产质量高，并不一定表示产品质量高，产品质量只能通过产品装配才能体现出来，零件之间的产品装配公差越严格，装配质量管控要求越高、装配不良率越高、装配效率越低，装配成本就越高，在满足产品功能和质量的前提下，面向装配的产品设计应当允许宽松的零件公差要求和产品装配公差要求，从而降低产品的制造成本

• 1、设计合理的间隙

  • 防止零件过约束，避免对零件尺寸不必要的公差要求
    

• 2、简化产品装配关系

  • 减少尺寸链的数目从而减少累积公差
  • 在同一个尺寸链中，尺寸数目越多，所带来的产品累积公差就越大

• 3、使用定位特征

  • 在零件的装配关系中增加可以定位的特征，定位特征能够使得零件准确地装配在产品之中，产品设计只需要对定位特征相关的尺寸公差进行制程管控，对其他不重要的尺寸就可以允许宽松的公差要求（见2.10）

• 4、使用点或线与平面配合

  • 当两个零件之间通过平面与平面配合并具有相对运动关系时，可以使用点或线与平面配合的方式代替平面与平面的配合方式，避免平面的变形或者平面较高的表面粗糙度值阻碍零件的顺利运动，从而可以不对零件的平面度和表面粗糙度提出严格的公差要求，继而允许宽松的公差
    

2.16 防错的设计

• 防错法 (mistake-proof，error-proof) 是指通过产品设计和制造过程的管控来防止错误的产生。日本丰田公司第一次提出了防错的概念，我国台湾称之为防呆法，顾名思义，就是一个呆子来装配也不会产生错误
• 1、零件仅具有唯一正确的装配位置
  • 任何一个零件在产品装配中只能具有唯一正确的装配位置，只有当零件装配位置正确的时候，零件才能被固定，如果零件有多个装配位置，产品或者零件上应当具有特征来阻止零件被装配到错误的位置
    

• 2、零件的防错设计特征越明显越好

  • 在允许的情况下，零件的防错特征需要设计得越明显越好，非对称的孔、槽和凸台越不对称越好
  • PS/2 接口的防错设计不是一个很好的防错设计，正是因为其防错特征不够明显
  • PS/2 接口和 PS/2 插头的防错设计具有两个防错特征
    • 其一是 PS/2 接口中长方形的孔与 PS/2 插头中间的长方形柱子
    • 其二是 PS/2 接口四周不对称的三个孔与 PS/2 插头四周的三个金属凸起
    • 只有当以上两个防错特征一一对齐时，PS/2 插头才能正确插入，但是两个防错特征尺寸都比较小，在实际操作过程中要对齐非常困难，必须把 PS/2 插头和接口完全对齐，才能保证正确插人，稍有偏差都不能成功
      

• 3、夸大零件的不相似处

  • 如果在产品装配的生产线上，有两个相似的零件需要装配在不同的位置实现不同的功能，它们的唯一判别方式是零件料号，那么这就存在着两个零件互相装错位置的风险
  • 针对相似的零件，如果不能合并成一个零件，则夸大零件的不相似处

• 4、夸大零件的不对称性

  • 完美的零件是完全对称的零件

    • 零件完全对称，任何角度都可装配，可以减少操作人员的装配调整时间减少产品整体装配时间
    • 零件完全对称，可以进行盲装，大幅提高装配效率
    • 有关消费者操作的零件如果完全对称，消费者操作时根本无须仔细对齐和调整即可正确操作到位，可提高使用人性化，提高用户体验度

  • 人们日常生活中使用的音频接口和音频插头在轴线上是完全对称的，因此把音频插头插入到音频接口中，无论插头怎么旋转，都不会插错
    

  • USB 接口因为其不对称性使得其操作非常不方便、不人性化。最新的 USB3.1 TypeC 的设计考虑到了这一点，将 USB 的接口设计得上下都对称，正反一样，正反插都能保证有效连接，提高了使用人性化
    

  • 如果零件无法做到完全对称，则应该提高零件的对称度
    

• 5、设计明显防错标识

  • 如果零件防错特征很难设计，至少需要在零件上做出明显的防错标识，以指导操作人员的装配，或者告诉消费者如何使用，这些标识包括符号、文字和鲜艳的颜色等
    

• 6、最后的选择：通过制程来防错

  • 改变或增添工具、工装
  • 改变加工步骤
  • 增加使用清单、模板或测量仪
  • 执行控制图表

2.17 装配中的人机工程学

• 人机工程学是从人的能力、极限和其他生理及心理特性出发，研究人、机、环境的相互关系和相互作用的规律，以优化人、机、环境以及提高整个系统效率的一门科学
• 1、避免视线受阻的装配
  • 在产品的每一个装配工序中，操作人员应当可以通过视觉对整个装配工序过程进行掌控，需要避免发生操作人员视线被阻挡的情况
    

• 2、避免装配操作受阻的装配

  • 在进行装配操作时，操作人员会有诸如抓取零件、移动零件、放置零件、固定零件等动作。产品设计应当为这些动作提供足够的操作空间，避免受到阻碍，从而造成装配错误甚至造成装配无法进行
    

• 3、避免操作人员(或消费者)受到伤害

  • 对于机箱中操作人员 (或消费者) 容易接触的边、角，在产品设计时必须增加压飞边工序，以保障操作人员(或消费者)的安全

• 4、减少工具的使用种类，避免使用特殊的工具

  • 特殊的工具会增加装配线的复杂度，同时操作人员熟悉特殊的工具也需要一定的时间

• 5、设计特征辅助产品的装配
  

2.18 线缆的布局

• 1、减少线缆的种类和数量

  • 过多的线缆种类和数量会带来以下问题
    • 增加成本
    • 带来电磁辐射和散热问题
    • 增加装配的复杂度，使得产品装配效率低，容易出现质量问题
    • 增加产品维修难度
  • 使用板对板连接、合并印制电路板等方法来减少线缆的种类和数量
    

• 2、合理的线缆布局

  • 在产品的设计阶段，需要规划线缆的走向和布局，同时通过简化产品结构，减少线缆的种类、数量和长度，优化线缆的走向和布局，从而可以大幅提高产品装配效率、避免线缆引起的机箱散热或电磁辐射问题
  • 在线缆的走线方向上，可通过线夹、束线带或零部件上的特征来辅助控制线缆的走线
    

• 3、对线缆进行保护

  • 在线缆走向周围需要防止零件锋利的边、角刮伤线缆，线缆被刮伤容易造成短路，进而损坏产品中的电子元器件
  • 例：可以在钣金件缺口上添加线缆护线套对线缆进行保护
    

• 4、对线缆的防错

  • 单个线缆的连接器需要防错，使得线缆只有一个正确的插入方向，避免线缆插反
  • 各种线缆的连接器接口设计应当不同，以防止线缆插错

• 5、为线缆的装配提供足够的空间

  • 线缆往往是产品最后组装的零部件，在这个时候，产品的其他内部零件已经组装好，很容易造成线缆的组装空间有限，造成线缆无法装配