0 前言
“山寨”伴隨著中國(guó)制造而聞名世界，卻也困擾著很多企業(yè)家，如何才能從“山寨”走向創(chuàng)新就成了目前最緊迫的難題。但是，歷史總是驚人的相似。
1871年，統(tǒng)一后的德國(guó)仿造或冒牌生產(chǎn)英國(guó)，法國(guó)的產(chǎn)品，然后廉價(jià)銷售。逼迫英國(guó)與1887年修改了1862開始實(shí)施的商標(biāo)法：所有外國(guó)產(chǎn)品, 無(wú)論是來自法國(guó)，美國(guó)或是德國(guó)，如果有可能與英國(guó)本土產(chǎn)品向混淆的，都必須貼上“made in ......”的標(biāo)記，以防止英國(guó)的老百姓上當(dāng)受騙。
日本也曾面臨“小偷”、“拷貝貓”的國(guó)際惡名，但最終形成了“日本風(fēng)格”，“日本設(shè)計(jì)”也在國(guó)際上占有一席之地。
從“山寨”到創(chuàng)新，除了經(jīng)驗(yàn)之外，關(guān)鍵的問題在于如何進(jìn)行產(chǎn)品的分析，真正掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法。只有“山寨”到這兩點(diǎn)，產(chǎn)品在技術(shù)上才有可能超越“山寨”的對(duì)象，創(chuàng)新才有可能出現(xiàn)。
如何進(jìn)行產(chǎn)品的分析與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，本文以筆者參與或主導(dǎo)過的一些成功項(xiàng)目為例子，介紹一種設(shè)計(jì)方法——功能設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法幫助一些公司完成“山寨”之后，開始走向了原創(chuàng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。
1 功能設(shè)計(jì)方法
功能設(shè)計(jì)方法是一套完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論�；卮鹆嗽O(shè)計(jì)的三大問題：
圖紙上為什么要有這個(gè)尺寸；這個(gè)尺寸的名義值為什么要這么大；這個(gè)尺寸的公差為什么要這個(gè)范圍。
其主要活動(dòng)如下：
1.1 功能分析
根據(jù)客戶需求，分析劃分出產(chǎn)品的生命周期，在每個(gè)生命周期內(nèi)研究產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)而梳理出產(chǎn)品能夠按照客戶需求完成功能的所有極限條件，并形成功能規(guī)格的列表。
在具體處理上，用章魚圖的方式進(jìn)行直觀表述，將功能分為“服務(wù)功能”與“限制功能”。
圖1 斷路器的功能分析
1.2 方案設(shè)計(jì)
根據(jù)需求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，明確設(shè)計(jì)方案如何滿足需求，并梳理子系統(tǒng)需求和子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系。當(dāng)然，如果是“山寨”，方案已經(jīng)有了，本階段可以忽略。
圖2 設(shè)計(jì)原理及方案
1.3 功能條件
功能條件（Functional Condition）簡(jiǎn)稱FC，是產(chǎn)品在特定狀態(tài)下，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能而提出的零件與零件之間要滿足的限制條件。
一方面，功能條件的范圍是由產(chǎn)品的技術(shù)原理及質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行限定的。
另一方面產(chǎn)品的特定狀態(tài)由零件的接觸關(guān)系通知限制相應(yīng)的自由度而實(shí)現(xiàn)，功能條件必然受零件自身尺寸的偏差的影響，功能條件的實(shí)際變化范圍由對(duì)應(yīng)的零件尺寸的偏差決定。功能設(shè)計(jì)的最終也在于此：給每個(gè)零件尺寸選定合適的公差，使其滿足功能條件的設(shè)計(jì)的要求。
常見的功能條件如圖3。
圖3 功能條件
1.4 尺寸鏈計(jì)算
尺寸鏈計(jì)算的目的在于驗(yàn)證設(shè)計(jì)給出的每個(gè)零件尺寸，按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)堆疊在一起之后，累積出來的功能條件的偏差是否能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。
1.5 Tloerance Manager軟件
Tolerance Manager軟件是一個(gè)全球唯一的公差設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化軟件。和全球500強(qiáng)企業(yè)——Schneider Electric（施耐德電氣）一起合作開發(fā)了將近15年。Tolerance Manager提供了多種公差累積算法，其優(yōu)異的非線性尺寸鏈計(jì)算能力能為設(shè)計(jì)確定圖紙的每個(gè)尺寸名義值和公差帶。
圖4 Tolerance Manager軟件提供的功能條件計(jì)算結(jié)果
2 導(dǎo)入功能設(shè)計(jì)的逆向設(shè)計(jì)流程
一般逆向工程流程：
客戶需求——尋找符合需求的標(biāo)桿產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)拆解——全尺寸測(cè)繪——建模出圖——零件投制——尺寸測(cè)量——樣機(jī)裝配驗(yàn)證
把功能設(shè)計(jì)流程與逆向設(shè)計(jì)流程結(jié)合，新成新的逆向設(shè)計(jì)流程：
圖5 導(dǎo)入功能設(shè)計(jì)的逆向設(shè)計(jì)流程
3 導(dǎo)入功能設(shè)計(jì)的逆向設(shè)計(jì)流程在實(shí)際案例用的應(yīng)用
3.1 功能分析
識(shí)別與所有產(chǎn)品有關(guān)系的外部環(huán)境，并確認(rèn)其余產(chǎn)品的約束關(guān)系，并在表格中將這些約束關(guān)系量化，形成產(chǎn)品的開發(fā)需求。
圖6 C45“章魚圖”
圖7 C45功能規(guī)格列表
3.2 功能條件
對(duì)于斷路器產(chǎn)品來說，脫扣單元上鎖扣與跳扣的搭接量、接觸力、摩擦系數(shù)等都是與功能直接相關(guān)的功能條件，必須嚴(yán)格控制。
圖8 功能條件
表1 功能條件列表
3.3 由功能定尺寸及功能尺寸實(shí)物測(cè)量
根據(jù)表1的功能條件，識(shí)別每個(gè)零件上與功能條件相關(guān)的尺寸，這些尺寸由于直接影響產(chǎn)品的功能，稱之為功能尺寸。這些功能尺寸必須在設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行精確的測(cè)繪。另一方面，傳統(tǒng)的逆向工程做法是在本階段便對(duì)每個(gè)零件的每個(gè)尺寸進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，往往在這個(gè)階段要耗費(fèi)大量的時(shí)間。而導(dǎo)入功能設(shè)計(jì)的逆向開發(fā)流程，由于設(shè)計(jì)初期僅需要精確測(cè)繪零件上的部分尺寸（僅功能尺寸）便可進(jìn)行下一步的開發(fā)， 可以大大減少測(cè)繪工作對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)度的影響。
圖9 扣接件需要精確測(cè)繪的功能尺寸
3.4 尺寸鏈計(jì)算
根據(jù)表1的要求，及3.3測(cè)繪的結(jié)果。對(duì)每個(gè)功能條件繪制尺寸鏈，并在Tolerance Manager軟件內(nèi)自動(dòng)計(jì)算所有零件的尺寸公差對(duì)每個(gè)功能條件的影響。如圖11為脫扣力的計(jì)算結(jié)果F_373按照當(dāng)前的零件尺寸及公差其范圍為0.27～0.57，而設(shè)計(jì)要求為0.25～0.55，略微有些偏差，但是基本滿足要求。
圖10 脫扣力的計(jì)算結(jié)果
3.5 自制零件與逆向?qū)ο蟮谋葘?duì)
完成尺寸鏈計(jì)算之后，關(guān)鍵的零件尺寸已經(jīng)設(shè)計(jì)定型，通過3D掃描，把逆向?qū)ο蟮牧慵䲣呙璩牲c(diǎn)云，同時(shí)也把設(shè)計(jì)投制的零件掃描成點(diǎn)云，兩者對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵的功能面由于已經(jīng)精確測(cè)量過，基本完全吻合，而一些非關(guān)鍵的特征存在部分偏差，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。圖 12中，顏色越深表示偏差越大，從圖中可知，偏差較大的地方集中在倒角、圓弧過渡等工藝特征上。
圖11 逆向?qū)ο笈c逆向設(shè)計(jì)零件掃描的點(diǎn)云
3.6 樣機(jī)功能驗(yàn)證
把設(shè)計(jì)投制完成的零件裝配成產(chǎn)品，測(cè)量關(guān)鍵的功能條件是否落在了設(shè)計(jì)的要求范圍內(nèi)。由圖 13可知，逆向設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合功能的要求。
圖12 樣機(jī)實(shí)測(cè)參數(shù)與尺寸鏈計(jì)算結(jié)果比對(duì)
3.7 由功能設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新
在產(chǎn)品開發(fā)過程中，還發(fā)現(xiàn)逆向的對(duì)象與逆向設(shè)計(jì)成功的產(chǎn)品都存在搭扣不穩(wěn)定的情況，具體表現(xiàn)在偶見產(chǎn)品滑扣的現(xiàn)象，即鎖扣與跳扣搭接不穩(wěn)，有時(shí)會(huì)滑落。使得斷路器無(wú)法合閘。
標(biāo)桿產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷的分析：鎖扣、跳扣在搭接處都會(huì)受到各自的工藝倒、圓角的影響，接觸點(diǎn)的位置是不確定的，從而導(dǎo)致表1的功能需求無(wú)法滿足，如圖13，通過分析，其中鎖扣的圓角A的影響最明顯。
圖13 基于功能設(shè)計(jì)的標(biāo)桿產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷分析
為了保證該功能的可靠性，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，保證每次合作，鎖扣與跳扣的搭扣位置。改進(jìn)的方向確定為消除圓角A的影響。根據(jù)功能設(shè)計(jì)要求，鎖扣的功能為在搭接2時(shí)，必須保證兩個(gè)有效接觸點(diǎn)，跳扣的自由度才能被有效約束。為了避開圓角的影響，把搭接面后延，同時(shí)為了保證有效可控的接觸點(diǎn)，可以有如圖 14兩種改進(jìn)方案，這兩種方經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，兩種方案都能保證搭扣的可靠性。
圖14 基于功能設(shè)計(jì)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)
4 結(jié)論
采用功能設(shè)計(jì)方法，不僅逆向完成了功能技術(shù)指標(biāo)完全與標(biāo)桿產(chǎn)品一致的產(chǎn)品，而且在效率上，產(chǎn)品一次逆向設(shè)計(jì)便通過驗(yàn)證試驗(yàn)。另外，通過對(duì)標(biāo)桿產(chǎn)品固有缺陷的分析。利用功能設(shè)計(jì)方法的思路，緊緊抓住結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)、論證，最終實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。
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本文標(biāo)題：2014產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文：功能設(shè)計(jì)方法——從“山寨”到創(chuàng)新
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