關於作者:
鍾元,2011年出版書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》(DFMA)。
2019年11月即將出版《面向成本的產品設計:降本設計之道》(DFC)。
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作為一名工程師,在產品開發時,你是否曾經為了解決類似下面問題而絞盡腦汁?
或者,作為一名消費者,當你使用的產品碰到下面類似這些問題時,是否曾經讓你很苦惱?如果你剛好是處女座,一個完美主義者,是不是更會讓你發瘋?
電腦機箱主板上IO接口與機箱外殼開口不對齊,甚至無法插拔外部設備:
筆記本電腦的上蓋與底部未對齊:
汽車外觀上的不對齊:
Airpods耳機的上下部分未對齊:
Airpods盒子上下部分未對齊:
螺絲過孔與螺牙孔未對齊,造成螺絲無法擰緊:
金屬件焊接後未對齊:
以下兩圖僅供娛樂:
以上所有問題發生的原因很多,例如加工誤差過大、組裝時操作工人未對齊等,但是追根究底,根本原因只有一個,那就是:在產品設計時,零部件與零部件之間沒有設計定位特徵、或者定位特徵設計不準確,造成了零部件之間的相對位置精度較差。
什麼是定位:
定位是指在零部件與零部件之間具有限位特徵,限制相互移動,確保在緊固之前、緊固之中和緊固之後二者具有精密的位置關係。
定位的好處:
1). 在緊固之前,零部件之間的相對位置已經確定,就可以直接進行下一步的緊固工序,例如鎖螺絲、焊接和膠粘等,從而提高裝配效率,降低裝配成本。如果沒有定位,在緊固之前就需要反反覆復的調整來對齊二者的位置,浪費裝配時間。
2). 使用定位特徵,可以保證零部件與零部件之間的精密位置精度。
這是因為:
通過下面這個實例可以看出,使用定位特徵之後,兩個零件之間的位置精度從0±1.00mm提高到0±0.20mm.
方法1:側壁定位
在一個零部件的側壁四周增加定位特徵。如下圖所示,一個電路板裝入塑膠外殼中,可以在塑膠外殼的四周增加多個肋條進行定位,肋條與電路板具有0.05~0.20mm的間隙(具體視塑膠外殼和電路板大小而定)。
一旦電路板放入到塑膠外殼中,二者較高的相對位置精度就已經確定,電路板在外殼中不會前後左右晃動,螺絲孔已經對齊。下一步就可以直接鎖緊螺絲。
方法2:定位柱與定位孔
在塑膠外殼上增加兩個定位柱,在電路板上增加兩個定位孔,通過定位柱與定位孔的配合來進行定位,間隙為0.05~0.20mm(具體視塑膠外殼和電路板大小而定)。對齊定位柱和定位孔,即可把電路板放入外殼中,同時二者較高的相對位置精度就已經確定。
在很多時候,定位和導向常常結合在一體,前端導向,後端定位。
一些定位實例:
雷射焊接時兩個塑膠件之間的定位:
超聲波焊接時兩個塑膠件之間的定位:
鈑金件之間在焊接或螺絲緊固之前通過一些定位特徵進行定位:
雷射焊接時兩個金屬件之間的定位:
連接器公母端的定位柱(導向柱)和定位孔的設計:
原則1:定位特徵應當是零部件上尺寸精度較高的特徵
定位特徵應當是零部件上尺寸精度較高的特徵。否則,定位特徵本身的尺寸誤差較大,那麼就無法行使定位功能、無法保證零部件之間相對較高的位置精度。
原則2:避免過定位
在設計定位特徵時,需要避免過定位,否則零部件會裝不上,或者強行裝上之後零部件之間存在內應力。
過定位:
無過定位:
原則3:緊固無法提供定位功能
定位和緊固是兩個不同的概念,應當區別開來。不少工程師在設計零部件的裝配關係時,選擇好零部件之間的緊固工藝如螺絲、卡扣、焊接工藝之後,就認為萬事大吉了。如果僅僅考慮緊固工藝,那麼就會存在文章開頭所列舉的對不齊的問題。
緊固不是定位,無法提供定位的功能。緊固無法保證兩個零部件之間精密的位置精度。
零部件與零部件之間需要定位!產品設計時,在設計兩個零部件的裝配關係時,需要時刻問自己的是:這兩個零部件設計定位特徵了嗎?
人生需要定位!
更多內容請閱讀《面向製造和裝配的產品設計指南》一書。
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鍾元,2011年出版書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》(DFMA)。
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