進階篇：4.1）DFA設計指南：簡化產品設計（kiss原則）

時間 2019-12-05

標籤進階 4.1 dfa 設計指南簡化產品 kiss 原則简体版

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本章目的：理解kiss原則，明確如何簡化產品的設計。數據庫

1.前言：kiss原則，優化產品的第一原則

若是要做者選出一個優化產品的最好方法，那必定是kiss原則莫屬。從產品的總體設計到公差的分析，kiss原則能夠說貫穿整個結構設計的自己。並且其帶來的效果，也在各個統計數據中顯而易見。固然，kiss原則沒那麼容易作，去實施就要下必定的決心。微信

2.kiss原則概念

Keep It Simple, Stupid--KISS原則。
KISS原則是指產品的設計越簡單越好,簡單就是美,任何沒有必要的複雜都是須要避免的。KISS原則從英文的直譯是把事情弄得越簡單、越傻瓜化越好。其最完美的案例是傻瓜相機,傻瓜相機操做簡單,彷佛連傻瓜都能利用它拍攝出曝光準確、影像清晰的照片來。
KISS原則是DFMA中最重要的一條設計原則和設計思想,幾乎貫穿於DFMA的每一條設計指南中。
減小零件數量、簡化產品設計是KSS原則在DFA的主要體現。通常來講,在產品中零件數量越多,產品製造和裝配越複雜、越困難,產品製造費用和裝配費用越高,產品開發週期就越長,同時產品發生製造和裝配質量問題的可能性越高。在確保實現產品功能和質量的前提下,簡化的設計、更少的零件數量可以下降產品成本,縮短產品開發週期,提升產品開發質量。框架

高水平的產品設計工程師把複雜的東西設計得很簡單。低水平的產品設計工程師則把簡單的東西設計得很複雜。此時也能夠把KISS原則應用上,由於KISS原則也能夠翻譯成:把事情弄簡單點,傻瓜!模塊化

減小零件數量、簡化產品設計對產品質量、成本和開發週期具備很是大的幫助:
更少的零件須要進行設計、製造、測試、購買、存儲、運輸；
更少的產品質量問題出現可能性；
更少的供應商；
更少的裝配工具或夾具；
更少的裝配時間等。工具

對於產品設計工程師來講,減小零件數量、簡化產品設計可以大幅減小工做量,減小設計失誤。一個零件在其開發週期中的任務包括概念設計、概念討論、詳細設計、CAE分析DFMA檢查等直到最後的零件認可一系列過程,無一不是繁重的任務,而其中任意一個環節的疏忽和錯誤均可能對產品的質量、成本和開發週期帶來致命的危害。所以減小零件數量、簡化產品設計對於工程師來講是看得見的實惠,可以讓工程師把更多的時間和精力放在提升產品設計質量上來。性能

2.1 kiss原則的其餘解讀

①KISS原則（Keep It Simple, Stupid）:產品的設計越簡單越好，簡單就是美，任何沒有必要的複雜都是須要避免的；

②《喬布斯傳》Jonathan Ive：「只要不是絕對必須的部件，咱們都想辦法去掉」，「爲達成這一目標，就須要設計師，產品開發人員，工程師以及製造團隊的通力合做。咱們一次次的返回到最初，不斷問本身：咱們須要那個部分嗎？咱們能用它來實現其它部分的功能嗎？」；

③ 最完美的產品是沒有零件的產品；

④把產品設計得複雜，是一件簡單的事情；把產品設計得簡單，是一件複雜的事情。

隨着自動化程度的提升，kiss原則的運用勢必更高，由於高人力及倉儲、運輸的成本，勢必對零件設計的DFMA提出更多的要求。但反之亦然的，也就是說，自動化程度不高，人力成本低，產品複雜可能更省錢（反正式多找幾個便宜的人來裝來管的問題）。

kiss原則及DFMA的運用在如今國內是一個難點，一方面人口紅利減退，一方面管理人員的意識還在但願用壓低人力成本的方式，卻沒有意識產品簡化及優化的做用（慣性思惟）。設計師須要酌情而用！

還有，kiss原則不是意味的零件越簡單越好，經常是一個複雜零件要優於兩個簡單零件，這點注意。

3.減小零件數量

從第三節開始，就承接總章，開始DFA設計指南的描述。

這一章的做用就是依據kiss原則，減小零件數量，並是產品零件標準化和模塊化。

只有產品及零件儘量簡化後，進行裝配工序的優化才方便。

3.1 考查每一個零件，考慮去除每一個零件的可能性

"最好的產品是沒有零件的產品",這是產品設計的最高境界。學習

消費者關心的是產品功能和質量,而根本不關心產品的內部結構以及是如何實現這些功能的,所以,在產品中沒有一個零件是必須存在的,每個零件都必須有充分的存在理由,不然這個零件是能夠去除的。測試

固然,不可能存在沒有零件的產品,這只是產品設計工程師的夢想。不過,產品設計工程師能夠向這個夢想努力和靠近,儘可能以最少的零件數量完成產品設計。優化

在產品設計中,考察每個零件,在確保產品功能和質量的前提下,考慮是否能夠和相鄰的零件合併、是否能夠共用產品中已經存在的零件或者以往產品中已經開發完成的零件、是否能夠用更簡單的製造工藝來實現等,從而達到去除零件、減小產品零件數量、簡化產品結構的目的。spa

圖2-2所示是一個減小零件數量的實例。在原始設計中,產品由零件A和零件B經過焊接裝配而成,行使一個卡扣的功能,其中零件A是鈑金件,零件B是機械加工件。在改進的設計中,去除了零件B,把卡扣的功能合併到鈑金件上。一樣是實現卡扣的功能,改進的設計中僅包含一個零件,而原始的設計中包含兩個零件,並且兩個零件還須要經過焊接裝配而成,孰優孰劣,一目瞭然。

3.2 把相鄰的零件合併成一個零件.

減小產品零件數量的一個重要途徑是經過設計的優化,把任意相鄰的零件合併成一個零件,判斷相鄰零件可否合併的準則以下:
1)相鄰的零件是否有相對運動?
2)相鄰零件是否必須由不一樣材料組成?
3)相鄰零件的合併是否阻止了其餘零件的固定、拆卸和維修等?
4)相鄰零件的合併是否形成零件製造複雜、產品總體成本增長?
若是上面四個問題的答案都是否認的,那麼相鄰零件就有可能合併成一個零件。圖2-2所示就是把相鄰的零件A、B合併成一個零件A的實例。

這是一條很是實用原則，特別在一個擁有複雜零件的產品中。

但這條原則看起來簡單，要作完整卻沒有這麼簡單。這須要工程師的耐心和擔當。

3.3 把類似的零件合併成一個零件

在產品設計中,類似零件也是減小零件數量的重點關注對象。因爲產品功能的須要,在產品中常常存在着兩個或多個形狀很是類似、區別很是小的零件。產品設計工程師須要儘可能把這些類似的零件合併成一個零件,使得同一個零件可以應用在多個位置。固然,這可能會使得零件變得複雜,有時會形成零件應用在某個位置時出現一些多餘的特徵,帶來必定的制形成本浪費。不過通常來講,類似零件合併所帶來的制形成本浪費與節省的模具成本和裝配成本相比不值一提。
如圖2-3所示,零件A和零件B很是類似,惟一的區別是零件左端折邊的位置不一樣,零件A的折邊在左中側,零件B的折邊在左下側。零件的類似性爲零件的合併提供了基礎。經過設計的優化,能夠把零件A和零件B合併成零件C,零件C把零件A的折邊和零件B的折邊合併成一個大的折邊,使得零件C既可以應用在零件A的位置,同時又可以應用在零件B的位置。

合併類似的零件能夠帶來另外的一個好處,就是防錯。在裝配過程當中類似的零件很容易被裝配到錯誤的位置,這就比如人們老是把鄰居家的雙胞胎叫錯名字樣。若是沒法把類似的零件合併成一個零件,則須要把它們設計得很是不一樣,誇大零件的區別。防錯是DFA的另一個要求,本章稍後分章會講到。

設計技巧:在三維設計軟件中,產品設計工程師先設計好一個零件,而後把零件裝配到類似零件的位置,再來設計類似零件所應該具有的特徵。合併後的零件包含了類似零件的全部特徵。

3.4 把對稱的零件合併成一個零件

同類似的零件同樣,對稱的零件也是減小零件數量的重點關注對象,因爲產品功能的要求,對稱零件在產品設計中出現的概率也每每很是大。
如圖2-4所示,零件A和零件B是對稱的,兩者的區別是零件A的折邊在零件中心線的右側,而零件B的折邊在零件中心線的左側,經過設計的優化,把零件A和零件B合併成零件C,零件C在零件的左側和右側均包含折邊,這樣零件C既可以應用在零件A的位置,同時又可以應用在零件B的位置。

合併對稱零件的另一個好處就是防錯,由於對稱的零件每每也比較類似,容易被裝配到錯誤的位置。若是沒法把兩個對稱的零件合併成一個零件,那麼須要把它們設計得很是不對稱,誇大零件的不對稱性,這是防錯的要求

設計技巧:在三維設計軟件中,產品設計工程師先設計好一個零件,而後把零件裝配到對稱零件的位置,再來設計對稱零件所應該具有的特徵。合併後的零件包含了對稱零件的全部特徵。

3.5 避免過於穩健的設計（可先不填）

爲了知足各類要求，產品設計應當是穩健的設計，可是穩健有必定的限度，過於穩健的設計會增長零件數量和產品的複雜度，形成產品成本的增長。例如，按照客戶的要求，某設備須要承受500N的衝擊力，爲了保證符合要求，產品設計時經過增長零件厚度並添加新的零件來提升產品的力學性能，最後該設備實際測量下來可以承受1000N的衝擊力。很顯然，這種過於穩健的設計形成了巨大的浪費。
工程師能夠經過相關的理論分析和模擬，以及樣品製做和測試來避免過於穩健的產品設計。

//這一條運用時要慎重，由於結構設計面臨各類不可測的風險時，通常會將設計裕度提的很高，因此不能簡單的避免穩健設計。

3.6 合理選用零件製造工藝、設計多功能的零件

零件製造工藝決定了零件形狀的複雜度,有的製造工藝只能製造出簡單形狀的零件,而有的製造工藝可以製造出複雜形狀的零件。在產品功能和成本知足的條件下,選用合理的零件製造工藝,設計多功能的零件有助於減小產品的零件數量和下降產品複雜度。
如圖2-2所示,一個鈑金件代替了一個鈑金件和機械加工件的焊接組件。

如圖2-5所示,一個鈑金件代替了一個鈑金件和三個機械加工件的焊接組件。

如圖2-6所示,一些電子產品的塑料外殼因爲須要防電磁輻射功能,經常須要在外殼上再固定一個導電布或不鏽鋼彈片,此時能夠將這兩個零件合併成一個壓鑄件。

如圖2-7所示,在不少產品中經常離不開線纜,而線纜須要經過束線帶或線夾固定在產品中,此時可在塑膠零部件上增長特徵來代替束線帶或線夾。

如圖2-8所示,在原始的接線盒設計中,鉸鏈和卡扣是經過沖壓和機械加工等方法進行製造的。經過將鉸鏈和卡扣合併在接線盒的盒體和上蓋中,經過注射加工進行製造,接線盒的零件數量從原來的15個減小爲5個,大幅度地簡化了產品設計。

如圖2-9所示,最初的指甲刀由十幾個結構件和一些緊固件組成,結構件經過機械加工的方法制造,產品結構很複雜;現有的指甲刀僅僅由三個零部件組成,上壓柄、下壓柄和銷釘。上壓柄經過壓鑄成型的工藝製造,下壓柄由上下兩壓板組成,這兩個壓板由鑄造和銑削加工製造。經過合理的製造工藝選用、合併相鄰零件的方法,指甲刀的零件從十幾個減小到四個,產品結構大幅度簡化產品設計工程師應當掌握多種零件製造工藝,在產品設計時纔會遊刃有餘,才能合理地選擇零件的製造工藝,設計多功能的零件,從而簡化產品設計。

3.7 去除標籤

產品的零部件上經常因爲標識的需求,須要增長額外的標籤,經過粘接、卡扣或緊固件固定等方式固定在零部件上。標籤自己須要額外的成本,而把標籤固定在零部件上也須要裝配成本。在有些狀況下,能夠將標籤的內容經過注射加工、壓鑄加工、衝壓加工等方式顯示在零部件上,繼而能夠去除標籤,如圖2-10所示。

標籤還有一種經常使用作法就是用鐳射鵰刻代替紙質標籤，好處是能夠更改設計的內容而不增長成本，在標準容許的範圍內，酌情使用。

3.8 使用全新技術

在有些時候,經過普通的簡化產品設計方法很難對產品進行簡化,此時可經過全新技術或創新技術來顛覆現有設計。例如,如圖2-11所示,手機的進化史就是伴隨着新技術的應用,原來複雜的機械零部件不斷被電子元器件替代,繼而被集成在一個芯片、一塊印製電路板上,手機結構從最開始的很是複雜、很是龐大進化到現在的很是簡單、很是小,從最初的「大哥大」「磚頭」到如今可輕鬆放進褲兜裏。

計算機的發展也是如此，見圖2-12。第一代計算機是美國軍方定製的,該機使用了1500個繼電器,18800個電子管,長15m,寬9m,佔地170m2,重量重達30多噸。經過科學技術的不斷髮展,如今的計算機或者筆記本電腦僅僅長0.3m、寬0.2m、重量2kg左右,可隨身攜帶。

3.9 其餘

在後續小節中,例如「減小緊固件的數量和類型」「線纜的設計」等中很大一部份內容也屬於減小零件數量、簡化產品設計。

4. 減小緊固件的數量和類型

緊固件對零件僅起着固定的做用,對產品功能和質量並不帶來額外的價值。緊固件的開發過程包括設計、製造、驗證、採購、儲存、拆卸(若是有須要)等,耗時耗力;同時,緊固件(特別是螺栓、螺母)的成本一般都比較高,並且緊固件的使用須要工具,很是不方便。所以,在產品設計中應儘可能減小緊固件的使用。如今比較流行的消費類電子產品都要求「無工具設計」,即不須要專用的工具就能夠完成產品的拆卸,爲消費者提供產品快速裝配和使用的方便性,國外很多企業甚至把產品中「無工具設計」做爲產品賣點推向市場,並得到大批擁躉。

//但有些時候國內風氣會被各類銷售的手段而攪亂，如錘*子手機就把治具當成一種輔助銷售的賣點，這時候就須要工程師清晰辨別。

4.1 使用同一種類型的緊固件

若是一個產品中有多種類型的緊固件,產品設計工程師須要考慮減小緊固件的類型,儘可能使用同一種類型的緊固件。使用同一種類型的緊固件可以帶來以下好處:
1)減小在設計和製造過程當中對多種類型緊固件的管控。
2)給緊固件的購買帶來批量上的成本優點。
3)使用同一種類型的緊固件可以減小裝配線上輔助工具的種類。
不少企業都要求在同一條裝配線上緊固件的類型不要超過必定數量,最好是僅使用一種緊固件。
4)防止產生裝配錯誤。
太多的緊固件類型很容易形成操做人員用錯緊固件,緊固件用錯很容易帶來產品質量和功能問題,操做人員不得不花費大量的精力來防止錯誤的產生,並且一旦裝配錯誤發生,操做人員又不得不花費更大的精力來返工。

如圖2-14所示,在一個產品中,原始的設計包含有四種類型的螺釘,包括不一樣的螺釘長度、螺釘頭型、螺釘牙型。經過優化設計,把螺釘的類型減小爲一種最多見的M3×6螺釘,使得同一種類型的螺釘可以應用在產品不一樣的位置。

如何減小緊固件的類型須要具體問題具體分析。例如,在鈑金件設計中,螺柱是經常使用的特徵,有時由於功能的要求,在同一個鈑金件中要求的螺柱高度不同。
此時,有的產品設計工程師每每就選擇兩種不一樣高度的螺柱,即兩種類型的螺柱。可是,經過在鈑金中增長凸臺來調整髙度就可以使用同一種螺柱,以達到減小螺柱類型的目的。如圖2-15所示,原始的設計中須要兩種不一樣高度的螺柱,M3×6和M3×7。M3×6是最通用的螺柱,M3×7則須要定製加工。在改進的設計中,經過在鈑金中增長1mm的凸臺,把螺柱的裝配位置提升1mm,從而在兩個位置均可以使用同一種螺柱M3×6。

//這張圖尤爲顯現好的機械設計師的責任心和做用。好的機械設計師會由於不想辜負本身，而去花時間設計這種能節省成本的東西，但產品功能並不會提升。而後容易被誤會成浪費時間作沒用的事情。

4.2 使用卡鉤、折邊（鈑金）等代替緊固件

裝配一個緊固件須要耗費比較多的時間,一個緊固件的裝配成本每每是制形成本的5倍以上。如圖2-16所示,經常使用四種裝配方式成本的高低由左向右排列,即卡扣成本最低,拉釘成本次之,螺釘成本較高,螺栓和螺母的成本最高。

卡扣裝配是最經濟、最環保的裝配方式。相對於傳統的螺釘固定,卡扣固定可以快速裝配,節省大量裝配時間,同時下降裝配成本。如圖2-17所示,兩個塑膠件之間能夠經過卡扣來裝配。

//但卡扣方式的可靠性很是有待爭議。好比GMW3172上就對卡扣作出了明確的限制。低價快捷的裝配方式，固然要付出代價。
在鈑金件上則可經過折邊壓緊來減小緊固件數量,如圖2-18所示。在原始的設計中,兩個鈑金件經過四個螺釘固定;在改進的設計中,經過在一個鈑金件上增長折邊(相似塑膠件中卡扣的功能)來固定,將螺釘的數量由四個減小到兩個。

//這種減小緊固件的方式在車用的各類產品支架上被大量運用。

4.3 避免分散的緊固件設計

把緊固件設計爲一體,可以減小緊固件的類型,減小裝配時間和提升裝配效率,如圖2-19所示。

4.4 使用自攻螺釘代替機械螺釘

在金屬材料零件中,使用自攻螺釘代替機械螺釘可避免加工成本昂貴的攻螺紋工序。在塑膠零件中,使用自攻螺釘代替機械螺釘可避免在注塑時嵌人螺母,可減小零件數量,下降零件成本。固然,自攻螺釘僅用於零件不須要反覆拆卸或者對緊固要求不高的場合。

//以做者在車用測試中的經驗：-40°C~140°C也是能在塑膠件中很好地使用自攻螺釘的。並且自攻螺釘的製做水平在增加，能提供的緊固能力也越高。但仍是以一些國外廠商的自攻螺釘爲準！

4.5 把螺栓螺母做爲最後的選擇

同其餘的裝配方式相比，螺柱和螺母的制形成本最髙，裝配成本最髙，裝配效率最低。所以，除非零件的裝配要求特別高，不然永遠把螺柱和螺母做爲最後的選擇。

//若感受卡扣或自攻螺釘的可靠性不足，產品緊固老是不過測試，能夠反向使用這條原則。將卡扣替換成自攻螺釘或螺釘螺母。

5. 零件標準化

永遠不要設計從產品目錄中買不到的零件。--大衛·安德森
零件標準化、避免零件定製具備以下諸多好處:
1)零件標準化可以減小定製零件所帶來的新零件開發時間和精力的浪費,縮短產品開發週期。
2)零件標準化可以帶來零件成本的優點。標準化零件由於規模性每每成本較低。對於塑膠、鈑金等須要經過模具進行製造的零件,使用標準化的零件可以節省模具的成本,零件成本優點更加明顯。在成本上,定製零件就如同定製衣服同樣,一般都會比較貴。
3)避免出現零件質量問題的風險。標準化的零件已經被普遍使用,並證實質量可靠。相反,定製的零件須要經過嚴格的質量和功能驗證,不然容易出現質量問題。

//這一條只有吃過虧的才知道，做者有一個領導最近每天嘮叨這件事，巴不得全部零件都能通用，哪怕初期付出代價。在越後期的管理中，項目越多，這條越重要。

反之，若是想突破創新，就經常須要打破標準化，但須要有承擔風險的覺悟。

那麼,企業應當如何實現零件標準化呢?

5.1 選用標準庫中的零件或重複利用其它項目零件

企業應當制訂經常使用零件的標準庫和零件優先選用表,並在企業內部不一樣產品之間實行標準化策略,鼓勵在產品開發中從標準庫中選用零件,鼓勵重複利用以前產品中應用過的零件。同一件產品中的零件也能夠進行零件標準化,在前幾節中講述的合併類似和對稱的零件就是一種零件標準化的形式。

5.2 五金零件標準化

五金零件,例如螺釘、螺柱、導電泡棉等選用供應商的標準零件,五金零件的定製會帶來成本和時間的增長。大衛·安德森在2001年的計算機集成制造大會發表演講說:「永遠不要設計從產品目錄之中買不到的零件」,意思是永遠從供應商那裏買現成的標準零件,國外稱這樣的零件是off-the-shelf,而不是去定製零件。企業能夠收集整理各類五金零件的供應商產品目錄。目前有些企業已經創建了些經常使用標準零件(如螺釘)的三維數據庫,產品設計工程師設計時能夠從數據庫中直接調用,這對企業實施零件標準化策略頗有幫助。

//SolidWorks零件庫中的零件就是一個標準庫。能夠知足大部分須要了。有興趣的讀者能夠找找對應的國標標準，升入學習一下。