框架式结构在LLPC中的运用

作者：李伟湛 杨先英 单位：重庆交通大学

生产灵活性(flexibility)与整体性奥迪汽车公司推出的第三代车身空间框架(AudiSpaceFrame，ASF?)如图1所示，该空间框架采用最新技术制造出更坚韧、更强操作性能的全铝车身框架［1］，此车架结构的采用为奥迪汽车提供了更轻、更强和更安全的车身构造。框架式结构设计原理是将产品根据功能的关联性程度进行模块化分析与设计，该原理运用于ASF车架设计中则是将一种多体连接的整体式结构转化为主次连接的框架式简化结构。根据该设计原理，在生产过程中，会将产品整体划分为主体框架和分体模块，如图1中的奥迪汽车车架由主体框架和三个功能厢体模块组成。另外有些产品如多功能螺丝刀、吸尘器的设计，采用通用性的接口连接，这样根据局部功能进行模块化更换和生产，满足不同产品功能需要，可降低生产成本，提高生产的灵活性。框架式结构采用模块化装配方式，每个模块相对独立，如果某个部件出现故障需要维修，只需对该模块的局部进行修理和维护，不改变其他模块的链接关系，无需拆解整体结构，这与传统整体式结构相比体现出了高效性、便利性和低成本等优点。如奥运场馆水立方的外墙采用了模块化的框架式结构;苹果电脑公司推出的G5电脑机箱采用全铝金属框架结构，如图2所示，该产品的内部零件模块、外观侧板和基座都是连接在整体结构上的。本文将探讨在LLPC产品开发设计中导入框架式结构的可用性，系统地从设计角度分析功能模块的布局;运用框架式结构的设计手段保持产品整体风格，在用户视觉范围内不暴露结构性零件，进而保持产品的外观整洁性。

外观造型的系列感(series)框架式结构在各类产品开发设计中的应用对其外观风格颇有影响，如在系列化产品的开发设计中，采用统一的框架式结构可塑造出外观造型相似的系列化产品风格特征。根据不同人群定位、功能定位等要求，更换局部模块以形成不同功能产品，而整体结构保持着相对稳定和独立性，进而保持产品的系列化风格。图3所示为电子产品外观夹边设计［2］，此结构方式的采用使其在外观上形成了一种独特的视觉分割效果，使产品显得更精致和纤薄。Iphone4手机也采用了这种设计方法，根据不同功能需求更换上盖模块，中框结构和下盖可以保持不变，可获得视觉效果不同的系列产品。图4所示的IBM服务器机柜整体设计也采用了框架式结构，外壳与内部零件模块可根据功能需要进行选择性装配。这样的设计方式可实现只更换前面板和内部模块，形成不同功能产品系列［3］。

可控性(controllability)基于框架式结构的产品开发设计流程可控性好、风险低，通过对功能布局、整体结构和框架结构等几个关键环节的质量控制，可确定整体结构形式，后期设计研发过程中可变因素少，大大降低了设计风险。特别是在产品升级与更新时，框架式结构可减少产品零件的定制数量，简化研发流程，进而提高对产品功能品质和工艺的控制性。使用过程中，如果哪个部件出现问题，即可更换或者局部改良，不影响其他零/部件的使用。

拓展性(extending)大型机床产品的系列延续性对于品牌产品的战略发展尤其重要。单一的产品系列可能导致片面的市场格局，在稳定产品品质的基础上可根据市场细分，基于同一平台拓展出不同功能定位的产品，这一策略在大众、标致等汽车的车型工程开发中尤为常见。框架式结构形式有助于功能的模块化定义，对于影响终端界面的模块可进行更新换代，而共用的基础部分保持不变，即可根据产品的系列化定位进行基于平台架构的不同功能组合延展，在不增加太多成本的基础上实现不同产品系列的拓展，因此具有较好的产品拓展性。

大型激光加工中心的结构特点与工业设计分析

大型激光加工中心(Large-scaleLaserProcessCen-ter，LLPC)是一种通过激光对截面积在2m×2m内、高度为0．15m内的大体量金属材料件进行打孔、切割和雕刻等加工的设备，可进行材料的熔覆及修复工作，LLPC是本文研究的主要对象。其功率可设定在1～2kW范围内;X轴行程为3～4m，Y轴行程为1．5～2m，Z轴行程为0．1m左右，最大速度可达18m/min，定位精度为±0．015mm，重复定位精度为±0．01mm。该设备控制系统由高功率激光器、激光专用制冷系统、外光路系统和多功能大型激光数控加工机床组成。其技术特点有:1)采用高效的自动化激光熔敷技术，可以有效地减小热影响区，降低叶片裂纹的产生。2)可以在氢气保护下进行，而无需真空环境。3)加工精度高，易于数字化控制，可加工几何形状复杂的零/部件。大型激光加工中心主要应用于模具加工、机械制造、石油、化工、轻工、能源和交通等行业。该类产品开发设计中需要综合考虑加工效率、安全性、良好人机交互性和良好维护性等方面的要求。因此，在设计过程中需分析各个功能模块的合理化布局，以获得高效率的加工方式，如考虑在设备加工过程中操作人员的安全性问题;考虑人员操作的易用性，以获得良好的精确操作及监视效果;考虑使用后的定期维护需求，将控制模块进行独立布局，不与其他模块形成功能交叉区域。

奥地利生物学家贝塔朗菲(1937年)最早对一般系统作出了定义:系统是由若干要素以一定结构形式连接构成的具有某种功能的有机整体。按照系统的定义，本文的研究对象LLPC产品设定为系统需要满足三个基本条件，即:若干要素、结构形式和功能输出。基本系统性关系可以用式(1)表示:M={S，F}(1)式中:M为产品系统设计的功能输出，即LLPC产品设计的结果与加工过程的整体效果;S为系统功能模块(即要素)的集合;F为建立在模块集合S上的各种结构链接关系。在LLPC产品系统中，M为一个产品系统设计的功能输出，即产品设计的功能效果;S为固定的功能组成模块，只在产品系列化时才产生变化;F为一个可变的要素，包含了结构形式，也包含了连接方式与系统、外界交互形式。在该类产品设计中，可采用整体结构连接与框架式结构连接两种方式，前者是产品的每个功能模块相互产生结构性连接，形成固定模块的整体产品系统;后者则是根据设计要求先将整体结构方式进行独立设计定型，然后再进行功能模块组装，如控制柜、操作面板和检测门等模块均采用常规标准件，然后与主体框架结构进行连接，形成有主体框架和可变模块组成的产品系统。通过产品设计系统分析、以用户为中心的设计评估等方法适当改变F的关系，可获得一个更优化、更高效率的产品系统功能输出M。