面向装配的设计

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机械工程文萃-1-09月26日星期二

--正文--

装配中的人机工程学

01.

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、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。

在产品设计中，产品设计工程师必须考虑人的生理和心理特性，使得操作人员更容易、更方便、更有效率地进行操作，提高装配效率，同时提高装配过程中的安全性、降低操作人员的疲劳度和压力、增加操作人员的舒适度。

对于面向装配的人机工程学，产品设计时必须考虑到以下各个方面。

1. 避免视线受阻的装配

2. 避免装配操作受阻的装配

在进行装配操作时，操作人员会有诸多如抓取零件、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

在产品装配过程中必须保障操作人员（或消费者）的安全，不正确的产品设计很可能给操作人员（或消费者）的人身造成伤害。因此，对于机箱中的操作人员（或者消费者）容易接触的边角，在产品设计中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

装配线上工具的种类过多会增加装配的复杂度，同时会造成操作人员使用错误的工具，引起产品装配错误。

5. 设计特征辅助产品的装配

操作人员的推、拉、举、按等施力动作都有一定的极限，当产品的装配所需要操作人员的施力超出极限或者容易造成操作人员疲劳，应当通过产品设计减少产品装配过程中所需要的施力，辅助产品的装配。

为重要部件设计装配止位特征

02.

产品中一般都包括很重要但同时又很脆弱的零部件，如电脑中的硬盘、电源以及一些印刷电路板，这些零部件极容易损坏，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不被损坏。最容易发生的失效方式是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，碰到其他零部件而损坏，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。

在另外一种情况下，产品设计也需要阻止零件装配到正确位置后继续前进，防止损坏已经装配好的其他零部件。

先定位后固定

03.

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，大幅度提高装配效率。

1. 四周增加限位

在塑胶底座的四周增加限位，在固定之前使得PCB自动对齐到正确位置。需要注意的是，PCB与塑胶四周的限位间隙不可太小，否则容易造成PCB过约束；同时限位间隙不可太大，否则没有定位效果。

2. 使用定位柱

使用定位柱（如果导向柱的精度较高，导向柱也可以被当成定位柱使用），在螺钉固定之前使PCB自动对齐到正确位置。对于钣金件来说，在钣金件上铆接定位螺柱可以起相同的作用。推荐这种方法，因为定位柱或者定位螺柱的尺寸公差比较容易控制，这种固定方法可以使得PCB的装配位置精确度比较高。

装配方向/导向特征

04.

减少零件装配方向

零件的装配方向可分为六个：从上至下，从侧面进行装配（前后左右），从下至上的进行装配。

1. 零件装配的方向越少越好

对于产品装配来说，零件的装配越少越好，最理想的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，降低零件的装配效率，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。只有一个装配方向的零件装配操作简单，对于自动化装配来说，这也是最方便的。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！

2. 最理想的装配方向

零件的六个基本装配方向中：

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，由于要克服重量对装配的影响，是最差的装配方向。

设计导向特征

3. 导向特征的设计

较好的设计是在基准零件上或者插入的零件上增加斜角导向特性，这样能够使得装配过程顺利进行。当然，最好的设计是在基准零件上和插入的的零件上均增加斜角导向特征，这样的零件插入阻力最小，装配过程最为顺利，同时对零件的相应的尺寸也可以允许宽松的公差。

4. 导向特征应该是最先接触点

在装配时，导向特征应该最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。

5. 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。

避免装配干涉

05.

1. 避免零件在装配过程发生干涉

避免零件在装配过程中发生干涉是产品最基本、最简单的常识，但这也是产品设计工程师最容易犯的错误之一。零件的装配过程应该很顺利，装配过程不应该出现阻挡和干涉的情况。避免这样的错误很简单，产品设计工程师在三维设计软件中进行简单的产品装配过程动态模拟就可以发现零件是否发生了装配干涉。

2. 避免运动零件在运动过程中发生干涉

很多产品都包含运动零件，运动零件在运动过程中需要避免发生干涉，否则会阻碍产品实现相应的功能，造成产品故障甚至损坏。对此产品设计工程师也可通过运动过程莫您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. 避免用户在使用过程发生干涉

产品设计工程师也需要考虑在产品的具体使用过程中零部件的干涉问题，避免用户在使用产品时发生干涉问题。

4. 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。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。

宽松的零件公差要求

06.

人们常常误以为严格的零件公差就可以提高产品质量，而为了提高产品的质量，唯一途径是通过对零件公差做出严格的要求。事实上，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。但是，零件公差越严格，零件制造成本就越高，产品的成本就越高。

严格的零件公差要求意味着：

1. 更高的模具费用

2. 更精密的设备和仪器

3. 额外的加工程序

4. 更长的生产周期

5. 更高的不良率和返工率

6. 要求更熟练的操作员和对操作员更多的培训

7. 更高的原材料质量要求及其产生的费用

在传统机械加工过程中，零件的公差与成本的关系如图所示，可以看出，零件的公差要求越高，零件的成本就越高。

同样的道理，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。

因此，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，从而降低产品的制造成本。

那么，如何进行产品设计才能使得产品装配允许宽松的公差要求呢？

1.设计合理的间隙

设计合理的间隙，防止零件过约束，避免对零件尺寸的不必要的公差要求。不合理的零件间隙设计会带来零件不合理的公差要求。

2.简化产品装配关系

简化产品装配关系，减少尺寸链的数目从而减少累计公差。在同一个尺寸链中，尺寸数目越多，最终所带来的产品的累计公差就越大。如果因为产品质量和功能的要求，产品的累计公差不能大于一定数值，那么就不得不对尺寸链的尺寸进行比较严格的公差要求。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！

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，如定位柱等，定位特征能够使零件准确地装配在产品中，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。因此，对于那些重要的装配尺寸，在产品最初设计阶段就要重点加以关注，简化产品装配关系，避免重要装配尺寸涉及更多的零件，从而减少尺寸链中尺寸的数目，达到减少累计公差的目的，于是就能够允许累计有宽松的公差要求。

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（可以是装配过程中的相对运动，也可以是使用过程中的相对运动），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，如图所示。

防止零件欠约束和过约束

07.

空间上任何一自由体共有6个自由度，分别是3个沿着xyz坐标移动的自由度和绕着3个坐标轴转动的自由度，如图所示

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。产品设计需要避免零件欠约束和过约束，只有零件完全约束，零件才能在产品中正确的装配以及行驶应有的功能。

1.避免零件欠约束：

如果零件欠约束，纳米零件装配好后，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。

值得注意的是，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，或者装配好了之后零件之间存在内应力。

防错的设计

08.

防错法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。

防错法能够达到以下目的：

1）减少错误、提高产品利润率。

2）减少浪费时间、提高生产效率。

3）减少由于检查而导致的浪费

4）消除返工及引起的浪费

5）提高产品质量和可靠性

6）提高产品使用人性化、消费者满意度和产品信誉。

防错的设计意味着：

不需要注意力——即使疏忽也不会发生错误。

不需要经验和知觉——外行人也可以做。

不需要专门知识——谁做都不会出错。

不需要检查——第一次就把事情做好。

防错设计的对象包括两种：

单个零件本身的防错，即零件在正确的装配位置旋转一定角度后，例如90°180°，等，零件是否还可以继续装配。

零件与零件之间的防错，一个零件在产品中应当只能在一个装配位置装配，如果一个零件在另外一个装配位置也可以进行装配，那就会带来装配错误问题。