本章目的：設計需要為裝配考慮，給他們提供各種優待，裝配才能做出好產品。
1.前言
機械貼合現實而軟件遠離現實。
越是學習機械設計的原則，越是感覺他們和一些做人做事的道理相同的。
如，機械設計原則都是有灰度的，不是全對也不是全錯。設計時宛如中醫問葯，知曉是葯三分毒的道理。取舍皆有錯，但需有判斷。
如，機械設計師越是為制造、裝配等環節考慮，給制造、裝配人員減輕負擔，越是容易做好產品。這個和公司與員工的關系很像。
當然，事實不會這么簡單，這就是人間世。
關於本章所闡述的設計DFA設計原則如下：
2.寬松的零件公差要求（這一條也是公差分析最重要的依據）
接觸到這一條，用這一條DFA原則去優化產品，就要用到公差分析了。嗯，好多的--作者說。
人們常常誤以為嚴格要求零件公差就可以提高產品質量,而為了提高產品質量,唯一的途徑是通過對零件公差做出嚴格的要求。事實上,嚴格的零件公差只能表示單個的零件生產質量高,並不一定表示產品質量高,產品質量只能通過產品裝配才能體現出來。但是,零件公差越嚴格,零件制造成本就越高,產品的成本就越高。嚴格的零件公差要求意味着:
①更高的模具費用。
②更精密的設備和儀器。
③額外的加工程序。
④更長的生產周期。
⑤更高的不良率和返工率。
⑥要求更熟練的操作員和對操作員更多的培訓。
⑦更高的原材料質量要求及其產生的費用。
在傳統機械加工過程中,零件的公差與成本的關系如圖2-45所示,可以看出,零件的公差要求越高,零件的成本就越高。
同樣的道理,零件之間的產品裝配公差越嚴格,裝配質量管控要求越高、裝配不良率越高、裝配效率越低,裝配成本就越高。
因此,在滿足產品功能和質量的前提下,面向裝配的產品設計應當允許寬松的零件公差要求和產品裝配公差要求,從而降低產品的制造成本。
那么,如何進行產品設計才能使得產品裝配允許寬松的公差要求呢?
2.1 設計合理的間隙
設計合理的間隙,防止零件過約束,避免對零件尺寸的不必要的公差要求。不合理的零件間隙設計會帶來對零件不合理的公差要求。在產品的裝配關系中,有些情況下零件之間平面與平面是接觸、緊貼在一起的,此時平面與平面之間不應該有間隙。而在另外的一些情況之下,平面與平面之間需要設計一定的間隙,防止裝配干涉或者產品裝配尺寸超出規格。如果間隙設計得過小或者沒有間隙,為了避免零件的干涉和保證裝配尺寸,就必須對相關的零件尺寸提出嚴格的公差要求,參見本章中關於過約束的討論。至於多大的間隙是合理的,可以通過第7章的公差分析計算出來,一般來說,在不影響產品功能和質量的情況下,間隙盡可能地大。
一個合理間隙設計的例子如圖2-46所示;當通過螺釘固定幾個零件時,中間零件的螺釘孔稍微擴大,保證該零件與螺釘有一定的間隙,從而可以避免對該零件螺釘孔不必要的嚴格的公差要求。
2.2 簡化產品裝配關系，縮短裝配尺寸鏈
簡化產品裝配關系,減少尺寸鏈的數目從而減少累積公差。在同一個尺寸鏈中,尺寸數目越多,最終所帶來的產品的累積公差就越大。如果因為產品質量和功能的要求,產品的累積公差不能大於一定數值,那么就不得不對尺寸鏈中的尺寸進行比較嚴格的公差要求。因此,對於那些重要的裝配尺寸,在產品最初設計階段就要重點加以關注,簡化產品的裝配關系,避免重要裝配尺寸涉及更多的零件,從而減少尺寸鏈中尺寸的數目,達到減少累積公差的目的,於是就能夠允許零件有寬松的公差要求。
2.3 使用定位特征
在零件的裝配關系中增加可以定位的特征,如圖2-37所示的定位柱等。定位特征能夠使得零件准確地裝配在產品之中,產品設計只需要對定位特征相關的尺寸公差進行制程管控,對其他不重要的尺寸就可以允許寬松的公差要求。2.4 使用點或線或小平面與平面配合代替平面與平面配合
當兩個零件之間通過平面與平面配合並具有相對運動關系時(可以是裝配過程中的相對運動,也可以是使用過程中的相對運動),可以使用點或線與平面配合的方式代替平面與平面的配合方式,避免平面的變形或者平面較高的表面粗糙度值阻礙零件的順利運動,從而可以不對零件的平面度和表面粗糙度提出嚴格的公差要求,繼而允許寬松的公差,如圖2-47所示。
3. 裝配中的人機工程學
人機工程學是從人的能力、極限和其他生理及心理特性出發,研究人、機、環境的相互關系和相互作用的規律,以優化人、機、環境以及提高整個系統效率的門科學。
在產品設計中,產品設計工程師必須考慮人的生理和心理特性,使得操作人員更容易、更方便、更有效率地進行操作,提高裝配的效率,同時提高裝配過程中的安全性、降低操作人員的疲勞度和壓力、增加操作人員的舒適度。
//你不考慮裝配人員的感受，裝配人員就會把怒氣發泄在產品上。--底層的作者感受。
對於面向裝配的人機工程學,產品設計時必須考慮到以下各個方面。
3.1 避免視線受阻的裝配
在產品的每一個裝配工序中,操作人員應當可以通過視覺對整個裝配工序過程進行掌控,需要避免發生操作人員視線被阻擋的情況,或者操作人員不得不彎下腰、偏着頭或者仰着脖子等非正常方式才能看清楚零件的裝配過程,甚至通過觸覺來感受裝配過程、通過反復的移動調整才能對齊到正確的位置,這樣的裝配效率非常低,而且容易出現裝配質量問題。
如圖2-65所示,原始的設計中視線被阻擋,很難進行固定螺釘的裝配;改進的設計中操作人員能夠對整個操作過程進行掌控,螺釘的裝配非常順利。
當然,原始的設計還有一個裝配問題,就是上節所述的“為輔助工具提供空間”。如之前所述,為了幫助零件能夠自動對齊到正確位置,在零件上增加導向特征,導向特征必須設置在操作人員容易看見的位置。如圖2-66所示,零件A具有兩個導向柱,零件B具有兩個相應的導向孔。在原始的設計中,零件A放在零件B上面進行裝配,在把導向柱和導向孔對齊時,操作人員的視線很容易被零件A本身所阻擋;在改進的設計中,零件A放在零件B的下面,操作人員對零件的對齊過程一目了然,兩個零件很容易裝配。一般來說,較小的零件是放在較大的零件上進行裝配的。如果把較大的零件放在較小的零件之上進行裝配,較小零件的視線就完全被較大零件阻擋,操作人員不得不通過多次的調整才能對齊,裝配效率很低。
3.2 避免裝配操作受阻的裝配
在進行裝配操作時,操作人員會有諸如抓取零件、移動零件、放置零件、固定零件等動作。產品設計應當為這些動作提供足夠的操作空間,避免受到阻礙,從而造成裝配錯誤甚至造成裝配無法進行。
例如,為了產品拆卸和裝配的方便,手擰螺釘應用於經常需要拆卸的產品中。但是手擰螺釘的周圍需要保證足夠的空間,否則操作人員(或者用戶)在拆裝產品時,手很容易被周圍的零件阻礙,造成手擰螺釘無法正常擰緊或擰松,同時可能造成操作人員的手受到傷害。一般來說,手擰螺釘的圓心周圍至少保證有25mm的空間,以保證手擰螺釘的正常擰緊或擰松,如圖2-67所示。
在開闊的空間裝配,操作人員的裝配操作不容易受阻,裝配效率高,裝配時不容易出現質量問題,如圖2-68所示。
3.3 避免操作人員（或消費者）受到傷害
3.4 減少工具的使用種類、避免使用特殊的工具
裝配線上工具的種類過多會增加裝配的復雜度,同時會造成操作人員使用錯誤的工具,引起產品裝配錯誤。例如,一個產品中設計M3、M4和M5等不同種類的螺釘,這就要求產品裝配線上使用不同種類的螺釘旋具,這往往不利於提高裝配效率和裝配質量。
特殊的工具會增加裝配線的復雜度,同時操作人員熟悉特殊的工具也需要一定的時間。例如,產品設計中,除非客戶指明要求,否則不必使用Torx螺釘,使用普通的 Philips十字螺釘即可,因為Torx螺釘需要專用的螺釘旋具。
3.5 設計特征輔助產品的裝配
操作人員的推、拉、舉、按等施力動作都有一定的極限,當產品的裝配所需操作人員的施力超出極限或者容易造成操作人員疲勞時,應當通過產品設計減少產品裝配過程中所需的施力,輔助產品的裝配。
內存是電腦中必不可少的一個重要零件。因為內存形狀的關系,在拆卸時操作人員或消費者只能通過手指抓住內存來施力,這很容易造成手指的酸痛,甚至無法拔出內存。為解決這個問題,在內存連接器的兩側增加兩個可以旋轉的把手,通過往下按動把手,把力轉化為向上的拔出力,從而很簡單順利地把內存拔出,完成拆卸動作,如圖2-69所示。利用把手的結構,內存的裝配也相當簡單,只需把內存往下施力即可固定。
4. 電纜的設計
4.1 減少電纜的種類和數量
線纜用於產品中傳輸電力或信號,將產品中各種零部件連接在一起,是大多數產品中不可或缺的一部分。在產品設計時,需要考慮盡量減少線纜的種類和數量,因為過多的線纜種類和數量會帶來以下問題疒增加成本。線纜的成本比較高,特別是一些傳輸信息的線纜。帶來電磁輻射和散熱問題。增加裝配的復雜度,使得產品裝配效率低,容易出現質量問題，增加產品維修難度。工程師可以通過產品內部結構優化,使用板對板連接、合並印制電路板等方法來減少線纜的種類和數量,如圖2-70所示。
如圖2-71所示,在原始的設計中,兩個印制電路板通過一個線纜連接。通過優化,將兩個電路板合並為一個電路板,避免了線纜的使用。
4.2 合理的電纜布局
現代化的產品傾向於在有限的空間內集成更多的功能,於是產品的內部空間變得異常擁擠,而產品中的線纜經常需要從產品的一端布置到產品的另一端,非常耗費時間和精力,同時線纜的存在容易干擾風流,影響產品內部散熱效果,而且線纜也容易帶來電磁輻射的問題。
如圖2-72所示,一個普通的台式機機箱內部包含了電源線、光驅線、硬盤數據線、主板數據線、前置USB接口線等,非常復雜。如果在產品設計之初不對線纜的走向和布局進行規划,那么機箱內部肯定亂成一團,更不用談計算機的散熱效果及其帶來的電磁輻射問題。
因此,在產品的設計階段,產品設計工程師需要規划線纜的走向和布局,同時通過簡化產品結構,減少線纜的種類、數量和長度,優化線纜的走向和布局,從而可以大幅提高產品裝配效率、避免線纜引起的機箱散熱或電磁輻射問題。
如圖2-73所示,通過合理布局電路板中連接器的位置,可以優化線纜的布局,減少線纜的長度。
在線纜的走線方向上,可通過線夾、束線帶,或者零部件上的特征來輔助控制線纜的走線。圖4.3給出了線束組裝的可能的布置和術語。
圖4.4則表示了所涉及的主要操作——從導線的制備到線束組裝,最后是產品的安裝。
線束通常是利用手工方式將單個的導線或電纜鋪設到板上,該板表面上有一個完整全尺寸的示意圖以指導裝配工人來安裝線束。同時,支柱或釘子是用來定位導線,使其限制在所要求的路徑里。在施工時,導線的端部必須固定在適當的位置。如果導線在一個連接器上終止,那么連接器則必須事先就插入一個處於正確位置的安裝插座上,終端線的端部插入到連接器的后面。
另外,工程師應當在產品三維圖中完整繪制出線纜及其走向。
4.3 對電纜進行保護
在線纜走向周圍需要防止零件鋒利的邊、角刮傷線纜。線纜被刮傷容易造成短路,進而損壞產品中的電子元器件。例如電腦機箱一般由鈑金件組成,在線纜的走向上鈑金件需要壓飛邊或反折壓平或加上塑膠護線套,以保證線纜不被刮傷。
如圖2-75所示,在鈑金件上線纜通過處反折壓平對線纜進行保護。
如圖2-76所示,可以在鈑金件缺口上添加線纜護線套對線纜進行保護。
4.4 電纜的防錯
線纜的防錯需要考慮以下兩方面的內容：
1）單個線纜的連接器需要防錯,使得線纜只有一個正確的插入方向,避免線纜插反。
2）各種線纜的連接器接口設計應當不同,以防止線纜插錯。
具體的線纜防錯設計參見防錯章節。
4.5 為電纜的裝配提供足夠的空間
線纜往往是產品最后組裝的零部件,在這個時候,產品的其他內部零件已經組裝好,很容易造成線纜的組裝空間有限,造成線纜無法裝配。5.DFMA表格
6.DFMA章節對應的資料
