程鴻

引言

隨著人們對產品功能與品質的不斷追求，產品開發(fā)所涉及的知識領域越來越廣設計難度越來越高，最突出的問題是產品設計與制造過程很容易脫節(jié)，經常發(fā)生新穎的設計理念難以實施的現象。為促進設計與制造之間的協調統(tǒng)一，使設計創(chuàng)意被真實還原，研究人員進行了大量理論與實踐探索。作為有效應對策略之一的并行設計，可在產品設計階段提早發(fā)現后續(xù)的工藝性問題，減少設計修改次數，提高產品開發(fā)效率。本研究應用并行設計方法，開發(fā)出新型醫(yī)用吊塔，有效解決了醫(yī)護人員使用過程中的突出問題，取得了良好的社會效益與經濟效益。

一、產品開發(fā)的系統(tǒng)性工程要求

（一）結構原型的開發(fā)依據

產品開發(fā)過程中，“原型”可以理解為在一個或多個維度上對產品的一種近似。產品開發(fā)其根本目的在于最大限度滿足用戶需求，因此用戶需求就是原型開發(fā)的根本依據。然而，用戶需求常常通過語言進行描述，難以對原型開發(fā)提供確切指導，需要將用戶需求轉變?yōu)楫a品的技術指標，才可用于原型開發(fā)。在本案例中，設計團隊與用戶反復溝通，深入分析用戶需求，提煉出醫(yī)用吊塔的如下技術指標：醫(yī)用吊塔主體部件采用鋁合金拉伸成型，在簡單的機械加工后需進行噴塑處理;少部分零件采用注塑成型;箱體表面無安裝螺絲，其余部件在正常視線內不能出現螺絲;平臺單層最小承重為20kg。

（二）材料性能與制造工藝

產品的材料性能與制造工藝是設計成敗的基礎。材料的選擇首先要滿足安全性要求和功能要求，遵循相關標準，充分論證各種可能存在的危險，實現產品預定的功能。其次，較好的制造工藝性也是材料選擇的必要條件，所選材料要便于成形制造和加工制造，所有零部件應具有制造可行性。再次，隨著人們對生活和工作環(huán)境要求的不斷提高，人機工程學和美學成為產品材料選擇的重要影響因素。工作過程中的人、產品及環(huán)境之間若能保持高度協調，則可在工作效率、健康、舒適性等方面收獲意想不到的積極效果。

（三）生產成本

控制生產成本是提升產品市場競爭力的主要措施，產品主要成本在制造階段和運營階段發(fā)生，但設計階段一旦完成，這些成本中的絕大部分就已經被決定了。因此，要在設計階段估計并設法降低產品整個生命周期的各項成本。

二、產品開發(fā)中工程結構設計的典型模式

（一）圍繞典型結構工程的新產品開發(fā)

圍繞典型結構工程的新產品開發(fā)模式，是對已有實物進行測繪或掃描，建立其幾何模型并進行再次創(chuàng)新的過程。它是一種產品設計技術的再現，通過對目標產品進行逆向分析與研究，獲得該產品的結構組成、技術規(guī)格、制造工藝等要素，從而開發(fā)出功能相近的產品。

（二）實現產品概念的工程設計

實現產品概念的工程設計模式，是從概念到實物的設計過程。首先確定產品的功能指標，然后構思實現方案和總體框架，再考慮零部件的設計、制造、裝配、調試等具體環(huán)節(jié)。對于復雜產品，采用該模式通常難度較大，且周期較長。但隨著三維建模技術的快速發(fā)展，這一狀況正在得到改善，設計人員可借助軟件將設計意圖和產品概念很方便地轉變?yōu)槿S模型，進而制作出實物樣品。

（三）協調多領域的并行設計

傳統(tǒng)設計過程的每一階段總是以前一階段的結束作為前提，信息交流僅限于相鄰階段的連接處，無法完成信息的及時反饋與總體協調。協調多領域的并行設計的出現有效解決了這一問題，它可在開發(fā)階段，考慮產品生命周期的整個過程，分析涉及的所有因素，包括設計、分析、制造、裝配、檢驗、維護和成本等，開發(fā)出具有最優(yōu)綜合性能的產品。

三、醫(yī)用吊塔的并行設計模式

現代科學技術的飛速發(fā)展推動新型醫(yī)療儀器設備不斷出現，采用各種先進儀器設備對病人進行生理功能檢測和診治已成為流程。醫(yī)用吊塔是醫(yī)院現代化手術室及ICU的關鍵醫(yī)療設備，作為醫(yī)護人員的工作平臺與終端，它功能非常豐富，不僅可提供氧氣、壓縮空氣、氮氣等醫(yī)用氣體以及電源插座和數據接口，還具有輸液架和放置各種醫(yī)療器械的承載平臺。同時，醫(yī)用吊塔的技術要求十分復雜，各項要求往往相互影響，給設計工作帶來極大困難。比如吊塔在調整位置時需要輕便靈活，有廣闊的覆蓋范圍;在固定時又需要定位精確、鎖緊可靠，整體剛度較高，受力變形小;外觀造型要圓滑而有美感，不能出現焊縫和裸露螺釘等不符合醫(yī)院特殊環(huán)境要求的結構。開發(fā)出同時滿足多項技術要求的醫(yī)用吊塔，可大幅提升醫(yī)護人員的工作感受和工作質量，也是各大醫(yī)用吊塔生產廠商競爭的焦點。

本研究所開發(fā)的醫(yī)用吊塔總體結構（如圖1）所示，箱體可容納數據線、電源線、氣體管路，前部平臺用于放置各種醫(yī)療器械，兩橫梁之間的轉動副使吊塔具有足夠的覆蓋范圍，兩個后置的輸液架可方便地調整位置，前部的承載平臺可沿隱式導槽上下調整位置。吊塔通過數據線可以連接醫(yī)療機構的患者數據庫，協助醫(yī)護人員監(jiān)控患者生命體征。箱體是吊塔的主要部分，其設計質量直接決定著產品的成本、工作效能、使用舒適度以及制造工藝性等關鍵指標。（如圖2）給出了箱體的組成結構，側門和線夾的設計使插座、插頭等接口被完美覆蓋，各種引線外觀整齊而集中;可拆式側板的設計為箱體內部結構的維修與檢查提供了方便;后把手的特殊設置既便于醫(yī)護人員從后面移動吊塔，又具備光滑的連接與安裝表面。

（如表1）給出了醫(yī)用吊塔的二維并行設計，即從結構工程設計流程和設計職能二個維度進行并行設計。設計流程包括產品規(guī)劃、概念開發(fā)、系統(tǒng)設計、細節(jié)設計、測試改進、生產啟動，設計職能包括結構原型、材料選擇、加工廠藝路線、產品裝配工藝、成本分析。由（如表1）可知，采用并行設計所開發(fā)的醫(yī)用吊塔，通過對6個設計階段及5個設計職能的并行分析，全面考慮交互影響，提出10項原創(chuàng)性設計，為醫(yī)護人員提供了方便、舒適的工作環(huán)境，顯著提高了產品的市場競爭力。

由（如表1）可知，吊塔結構原型與設計流程的并行設計與協作貢獻了3項原創(chuàng)性設計，分別解決了原產品的線路零亂、顯式導槽、不便維修等突出問題。吊塔材料選擇及加了工藝與設計流程的并行設計，實現了復雜主體結構的強度校核并簡化了其制造工藝。在產品裝配與設計流程的并行設計中，側門的設計覆蓋了裸露的電源插座，使吊塔更安全、更美觀;增設的液晶屏可顯示重要的基本信息;增設的后把手方便了醫(yī)護人員從后邊移動吊塔。成本分析與設計流程的并行設計集中在后把手的制造方法與安裝方式，折彎制造工藝降低了生產成本，其安裝方式避免了裸露螺絲同時降低了生產成本。