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[家具设计] 面向制造和装配的实木茶几模块化设计 柳献忠

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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2019-11-2 13:19:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    面向制造和装配的实木茶几模块化设计
    柳献忠
    摘要: 以实木茶几完整的设计实践为例,阐述面向制造和装配的实木茶几模块化设计过程,为实木家具领域的设计者提供参考。遵循面向制造和装配的基本原则,采用模块化设计方法,对实木茶几进行产品零部件模块化设计。结论:模块化设计方法作为产品设计中有效的设计方法已经得到广泛应用,板式家具设计中应用模块化设计已经成功实施大规模全屋定制模式,实木家具设计需要具体分析,标准化接口设计和标准部件规格是产品模块化设计的基础。
    关键词: 模块化设计方法; 制造和装配; 实木茶几; 标准化接口设计; 标准部件

    [size=1em]在市场销售线上线下融合的背景下,家具行业面对生产线智能化、产品多样化、用户个性化定制的消费者差异化需求,如何利用互联网技术通过产品设计、原料采购、仓储运输、订单处理、终端零售等环节创新设计实现持续发展,成为实木家具设计急需解决的难题。笔者以茶几类实木家具的模块化设计探索为例,探讨面向制造和装配的实木家具模块化设计,总结设计要点,为实木家具制造业的转型升级提供参考。

    1 模块化设计概述

    [size=1em]模块化是从系统观点出发,研究产品或系统的构成形式,用分解和组合的方法,建立模块体系,并运用模块组合成产品或系统的全过程。模块化具有广义和狭义两种概念,广义模块化是指事物的构成具有清晰的层次性,“构成单元”的功能具有典型性和通用性;狭义模块化是指系统具有清晰多级的模块层次结构,模块具有功能互换性或尺寸互换性[1]。模块化设计有3个层次:模块化系统总体设计、模块系统设计、模块化产品设计[2]。模块化设计的对象有两个:有特定功能的模块和有使用功能的模块。

    [size=1em]产品模块可以定义为复合产品的结构单元,由不同构件或模块共同构成,发挥整体功能的组件。产品模块化的两个主要优势是:零件的标准化和外形的可塑性;其形式上总体可以分为:基于功能的模块(功能模块)和基于生产加工的模块(制造模块)。模块化设计所体现出的经济效益特征是非常显著的,尤其是后期的加工制造和装配[3-4]。

    2 设计的基本原则2.1 面向制造的设计基本原则

    [size=1em]面向制造的设计(DFM, design for manufacture)侧重于解决由原材料到零件这一过程的可实现性。主要涉及到多种形式的零件成型模型的构建,即加工成型的方法和成本控制[5-7]。设计基本原则主要有:

    [size=1em]1) 产品零部件尺寸设计应尽量采用制材标准中通用规格尺寸的倍数系列,提高原材料的利用率,最大限度降低制造成本。

    [size=1em]2) 产品零部件造型设计应当符合加工工艺的要求,减少切削刀具的数量和型号,便于批量化加工制造。

    [size=1em]3) 产品零部件设计尽量采用对称原则,消除加工定位中的不确定性。

    [size=1em]4) 产品零部件设计在满足功能需求的前提下,尽量实施标准部件设计,便于连续加工制造和储存备件,满足互换性要求。

    [size=1em]5) 充分考虑木材的材性,选择适合的切削刀具和加工设备,满足加工精度要求。

    2.2 面向装配的设计基本原则

    [size=1em]面向装配的设计(DFA, design for assemble)侧重于解决由零部件到产品的过程中的便利性。主要涉及零件和部件组合成整体的模型,即装配的简单化和装配的效率。设计基本原则主要有:1) 系统装配原则:通过功能模块减少制造部件的数量。2) 局部处理原则:所以产品零部件都必须进行试装测试,保证零部件设计合理,方便安装,便于定位和定向。3) 连接装配原则:遵循一致性原则,采用统一的标准件进行连接设计,尽可能减少连接数量,设计连接部位便于操作和固定。4)零件最小数原则:简化装配部件,采用多个部件构造相对简单的模块[5]。

    [size=1em]由此可见,模块化产品设计方法与DFM和DFA的设计基本原则异曲同工,笔者以模块化设计思想为指导原则,以实际生产为目的和出发点,采用实木茶几设计为例,分析和全面考虑面向制造和装配产品模块化设计的全过程。

    3 设计实践以实木茶几为例3.1 结构分析与设计

    [size=1em]茶几是家庭生活中常见的家具,小型茶几因为移动便利和用途多样化备受欢迎。根据京东商城网上的数据显示,小型茶几销售量成倍数增加,因此笔者选择其作为结构模块化设计的实例加以分析[8]。

    [size=1em]传统实木茶几在结构设计上一般采用榫卯结构,产品结实耐用。将其主要功能部件拆解,可以分为:茶几面板、中柱和脚部3个部分。因此,应用模块化设计可以将其分为3个模块,即茶几面板、中柱、脚型;结构形式上可以采用现代五金连接件接合,实现拆装化设计,其中设计中的关键部位是三者之间的连接设计,设计中采用反向装配内置螺母五金连接件,增加一块标准连接板,即可实现自由变换,如图1所示;通过变换2个部件的造型,可以实现产品系列化设计,满足零部件批量化生产需要和不同用户选择需求。

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    [size=0.8em]图 1 小型圆茶几结构示意图
    Fig.1 Tea table structure diagram

    3.2 面向制造的茶几面造型设计

    [size=1em]茶几的风格变化之一是几面的几何造型风格的变化。基于拆装式设计,标准连接板在结构中属于整体茶几组装时的关键部件,保持接口尺寸和结构方式一致,即可实现茶几面互换,根据顾客个性化需求,通过模块重组的方式实现系列化产品设计,满足不同客户的需求,同时实现制造过程的便利性[9-11]。根据上述理念,同一尺寸的茶几面的设计可以采用不同的造型,如图2、3所示。

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    [size=0.8em]图2 直径400 mm茶几面设计实例
    Fig.2 400 mm tea table top design sample

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    [size=0.8em]图3 直径400 mm同心圆切割不同几何样式的茶几面
    Fig.3 Different geometry shapes of tea table in 400 mm

    3.3 面向装配的标准连接板设计

    [size=1em]标准件连接板是实木茶几模块化设计中的关键环节,传统的方式是将中柱和几面采用榫卯结构固定,不能拆卸。在当前新型电商销售模式下,不能实现拆装化既不利于快递运输,也不利于生产协作,因此在本次设计实践中引入通用连接板结构设计,根据小型茶几(圆形或正方形)的常用3种尺寸:600 mm、500 mm、400 mm确定,通用连接板采用200 mm×200 mm正方形和直径200 mm圆形2种设计,依据茶几板面尺寸及强度稳定性要求选择4个或6个螺栓螺母连接,无论哪一种设计,安装的连接孔和五金连接件全部采用常用的标准化规格,加工时采用常规刀具,从而实现制造和装配的便利化。如图4、5所示。

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    [size=0.8em]图4 方形和圆形标准连接板设计
    Fig.4 Square and circle design for standard junction plate

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    [size=0.8em]图5 标准连接板和茶几面板连接结构设计细节图
    Fig.5 The structural design between junction plate and the top

    3.4 面向制造的中柱设计

    [size=1em]茶几风格样式的变化一是几面造型,二是中柱造型,三是脚型造型的变化。中柱很大程度上构成实木茶几整体造型的风格改变,在结构上与几面采用标准连接板设计接口,在脚型上采用统一规格的燕尾榫装配,可以实现中柱样式变换和装配的便利性,同时实现中柱的批量化生产。中柱设计模块如图6所示。

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    [size=0.8em]图6 实木茶几中柱的风格样式
    Fig.6 The column types of wooden tea table

    3.5 面向装配的脚型设计

    [size=1em]脚型设计是实木茶几模块化设计中的最后一个模块,也是可替换模块。脚型和中柱连接采用燕尾榫底部嵌入,另外加铁片加螺栓螺母结构锁紧即可。结构图7所示。

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    [size=0.8em]图7 实木茶几脚型连接结构图
    Fig.7 The foot type of tea table junction diagram

    3.6 设计实例

    [size=1em]依据上述模块化设计思想和方法,面向制造和装配的实木茶几设计实例如图8~10所示。

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    [size=0.8em]图8 茶几零部件及安装工具
    Fig.8 Components and parts of tea table,and installation tool

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    [size=0.8em]图9 茶几安装过程
    Fig.9 The process of tea table assembly

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    [size=0.8em]图10 完成后的系列产品照片
    Fig.10 Real product photo

    4 结论

    [size=1em]面向制造和装配的设计的重要性有3个方面:1)简化部件数量,降低成本;2)侧重关键部件技术优势,优化产品造价;3)提高产品质量,提高可靠性。笔者以实木茶几设计实践为例,采用模块化设计方法很好地解决了这一问题,标准化接口设计和标准部件规格为产品造型变化提供了基础。在实际设计中,以功能体系为基础的模块化设计方法,具有广泛的适用性,在设计和生产中得到日益广泛的采纳和应用。

    [size=1em]参考文献

    [size=1em][1]汪杉.模块化设计在产品设计中的应用[J].家具与室内装饰,2018(1):22-23.

    [size=1em][2]童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社,2000:3-47,67-75,131-163.

    [size=1em][3]余俊.现代设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社, 2002:919-929.

    [size=1em][4]纪雅萌, 蒋中秋.设计学中的经济学原理研究[J].家具与室内装饰,2018(3):58-59.

    [size=1em][5][著]Kevin N O, [著]Kristin L W, [译]齐春萍, 等.产品设计[M].北京:电子工业出版社, 2007, (7):227-261, 347-474.

    [size=1em][6]刘睿雅.南康家具企业社会化需求服务及其影响因素研究[D].北京:北京林业大学, 2016.

    [size=1em][7]杜金伟.面向制造和装配的食品机械设计[J].机械设备, 2017, (1):34.

    [size=1em][8]李兵.模块化设计方法在家居产品上的应用案例研究[J].家具与室内装饰, 2017(9):40-41.

    [size=1em][9]董欢欢, 王伟伟, 等.面向个性化需求的模块化设计模型研究[J].包装工程, 2017, (3):129-133.

    [size=1em][10]戴向东, 谌锴, 肖跃军, 等.家装业定制家具设计与制造流程中的问题探析[J].林产工业, 2016, 43(7):36-38.

    [size=1em][11]叶望, 朱毅.定制家具造型与结构的设计研究[J].家具与室内装饰,2018, (3):14-15.


    [size=1.8em]Modular Design of Wooden Tea Table for Manufacture and Assemble
    [size=1em]LIU Xian-zhong
    (College of Art, University of Jiangxi Finance & Economics, Nanchang 330013, China)

    [size=1em]Abstract: Taking wooden tea table as an example, the author elaborated in the process of modular design for manufacture and assembly, provided references for furniture designers.According to the principle of manufacture and assembly, modular design method has been used for wooden-tea table.Modular design method has been extensive used for product design.Panel-type furniture come into effect whole house customization by modular design.Wooden furniture need complete analyzing, the foundation of modular design is standard interface design and standardized serial model component.

    [size=1em]Key words: Modular design method; Manufacture and assembly; Wooden tea table; Standard interface design;Standardized serial model component


    [size=1em]中图分类号:TS664.01

    [size=1em]文献标识码:A

    [size=1em]文章编号:1001-5299 (2018) 10-0046-04

    [size=1em]DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201810010

    [size=1em]柳献忠,副教授/博士,江西财经大学艺术学院产品设计系,E-mail:liuxzh2005@126.com

    [size=1em]修回日期:2018-02-07



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