機械設計教材－細部設計的考量 作者：徐業良(1997-10-07)；推薦：徐業良(2000-12-23)；最近更新：徐業良(2003-02-21)。 附註：本文為元智大學機械系大三機械設計課程教材，僅限於教學上學生個人使用，原書初版由全華科技圖書公司印行。 機械設計教材－細部設計的考量 一個設計計畫通常起始於顧客需求，設計者由顧客需求中訂定設計的規範，而在概念設計階段，設計者所關切的也主要是產生適當的設計概念，以達到設計規範中訂定的功能。到了細部設計階段，產品功能上的要求基本上應該已經可以達成，這時候設計者所關注的問題逐漸轉移到各子系統在產品中的空間配置，以及各子系統間交互作用的關係，也就是建立「產品架構(product architecture)」。此外，最終產品的可靠度、強健性，以及是否容易製造、組裝、維修等等，也是細部設計階段的工作考慮的重點，因此有許多“設計的××性(design for X, DFX)”的研究，例如設計的可靠性、強健性、製造性、組裝性、維修性等等。除此之外，在細部設計階段，設計者另外一項重要工作是完成整個設計的設計文件，包括詳細的設計圖、組裝圖、材料表等等，藉以和採購、製造、組裝部門做溝通。 這一個單元裡首先以一個設計案例，討論產品架構建立的程序，主要內容是參考麻省理工學院Ulrich和Eppinger兩位教授所著“Product design and development”一書[Ulrich and Eppinger, 1995]。接著討論細部設計階段中對設計的製造性及組裝性的考量，舉出一些細部零件設計上的原則提供參考。最後本單元並討論整個設計完成後所產生的設計文件當中，應該包含的設計圖和其他相關內容。 1. 建立產品架構 在探討設計需求、建立規格、概念設計等階段，設計程序思考的主軸，還是產品要達成的“功能”。然而到了細部設計階段，必須開始思考要達成這些功能的實體元件，其外型、尺寸、空間配置、與其他實體元件的交互作用等。有些實體元件在功能性的概念設計完成時便被清楚定義了，有些實體元件則是在細部設計階段才逐漸成1
機械設計教材－細部設計的考量 形。在一個產品中這些實體元件經常被組合成幾個幾個群組(chunk)或模組(module)，而所謂產品架構即是決定這些元件如何被組成實體群組，以及群組之間如何產生交互作用。 模組化設計與整體性設計 在產品架構上最常被談到的概念是所謂「模組化架構(modular architecture)」或「模組化設計」。模組化架構有兩項主要的特性：一個模組僅執行一個（或者少數幾個）功能，模組之間的交互作用定義非常清楚。 最模組化的設計是一個模組僅執行一項功能，這樣的架構每個模組的設計、修改都能獨立進行，對於產品需要升級、修改、更換配件、建立產品多樣性、乃至於元件標準化、甚至產品開發管理上都有相當大的幫助。然而下一節要談到設計的製造性，其中一個重要手段便是透過元件整合來減少產品中零件的總數。模組化架構顯然限制了元件的整合，在同一個模組中的元件才有被整合的可能。 和模組化設計相對的產品結構是「整體性架構(integral architecture)」。整體性架構的特性是一個實體群組執行好幾項功能，或者好幾個群組結合起來共同執行一項功能，而群組間的交互作用較難清楚定義，甚至群組間的“界限”可能都並不清楚。 整體性的產品架構，在修改某項元件時可能會嚴重影響其他元件而需要隨之做大幅修改，但整體性架構可以整合不同功能於一個群組，對於產品尺寸或功能都會有幫助。例如一般自行車都是將煞車與變速器設計成兩個獨立的模組，但日本自行車名廠Shimano將變速器設計在煞車手柄上，減少了零件的數目；又如一般機車以車架來承擔負荷，傳動箱來傳輸動力，而BMW跑車的設計中刪除了車架，以傳動箱同時承擔負荷與傳輸動力，減輕了整體車重，性能更加提升。 建立產品架構的程序 一個產品設計往往不是全然模組化架構或全然整體性架構，也不見得模組化架構或整體性架構必然較佳，還是要是產品功能與需求而定。細部設計中建立產品架構的程序中，設計者必須決定哪些元件應該是獨立的模組化架構，哪些元件應該整合成整體性架構。這一小節中首先描述一個防護眼鏡起霧測試機台的設計案例，並以此機台之設計描述建立產品架構的程序。 防護眼鏡起霧測試機台在模擬防護眼鏡在使用者的汗水、體溫，以及其他環境因素所引起的起霧狀態環境，評估安全眼鏡是否容易起霧，因而影響勞工朋友配戴時視2
機械設計教材－細部設計的考量 線的清晰度。在經過探討設計需求、概念設計等程序之後，防護眼鏡起霧測試機台整體設計概念的“故事”描述如下： “將待測防護眼鏡佩戴在一假頭上，以一固定位置的光源照射防護眼鏡，以照度計量測透過防護眼鏡鏡片之光線照度，將量測訊號經由送入電腦計算評估鏡片的透光率。接著以一超音波起霧機產生室溫的霧氣，並使霧氣噴至防護眼鏡內使其緩慢起霧，起霧穩定之後再以先前之固定光源照射防護眼鏡，以照度計量測起霧後透過防護眼鏡鏡片之光線照度，將訊號送入電腦，以起霧前後透光率的差異，評估防護眼鏡是否容易起霧。為了操作上的方便，整體程序包括光源明滅、霧氣產生與停止、照度量測訊號輸送等、都經由同一電源盒透過電腦控制。 在概念設計階段完成時，已經可以整理出此測試機台所必須包含的實體元件如下八項：待測防護眼鏡、假頭、光源、固定基座、照度計、電腦、超音波起霧機、電源盒。對於這些實體元件的描述有些已經十分特定，如照度計、電腦、超音波起霧機，有些以可訂定規範進行設計，如電源盒，有些則只是功能性描述，要在架構確立之後才能進一步完成設計如假頭、光源、固定基座。甚至有些元件在概念設計階段並沒有考慮到，在確立產品架構之後才產生需求。 建立產品架構包括四個步驟：繪製產品「概要圖(schematic)」、將概要圖中的元件分為群組、建立大略幾何佈置圖、找出群組間交互作用。 (1) 繪製產品概要圖 圖1是前述防護眼鏡起霧測試機台之產品概要圖，主要是標示出產品所有實體元件及其間之交互作用。從圖1中可以看出，實體元件之間的交互作用大致可分為四類：接觸力、實體材料（如霧）、能量（如電、光）、以及資料和訊號。這四類交互作用對於實體元件空間位置的佈置有關鍵性的參考價值，例如兩個實體元件間有接觸力，顯然兩者必須實際接觸；兩個實體元件間有實體材料傳輸時，兩元件間也必須有實體接觸之界面，位置也應靠近；兩實體元件間有能量傳輸時，則依能量形式而有不同的可能性，例如有光傳輸，兩元件必須成一直線，且其間沒有障礙物阻隔，距離也要考量，電能傳輸則只要在電源線可及長度即可；如兩實體元件間僅有資料與訊號傳輸，其界面較有“可攜帶性(portable)”，兩者空間位置的佈置應該比較沒有限制。 3
機械設計教材－細部設計的考量 固定基座力力待測防光光源護眼鏡光力電資料資料假頭照度計電源盒電腦訊號電霧超音波起霧機 圖1. 防護眼鏡起霧測試機台之產品概要圖 (2) 將概要圖中的元件分為群組 這個步驟將圖1中的實體元件分為群組，是設計者決定哪些元件應該是獨立的模組化架構、哪些元件應該整合成整體性架構的關鍵步驟。除了考慮前述實體元件間的交互作用之外，還應考慮以下因素： z 幾何上的整體性與精確性：空間上需要有精確位置者最好列為同一群組。 z 功能共享：單一群組如能提供多種功能，也可將相關元件群組在一起。 z 有現成的產品：如有現成外購元件或標準化元件，可將其列為單一群組。 z 設計更改的考慮：如果某個部份可能經常修改設計，或有不同選擇以增加產品多樣性，此部份應列為單一模組。 圖2是防護眼鏡起霧測試機台之可能群組分法，考慮假頭、照度計、超音波起霧機必須維持固定之幾何空間相關性，因此整合成為同一群組，同時並增加一個固定座將此三個元件結合。另外電源盒除了提供電能、傳輸資料外，也被作為固定光源高度之支撐結構，因此將其與光源整合成一個群組。 4
機械設計教材－細部設計的考量 固定基座力力待測防光光源護眼鏡力光力電資料資料假頭照度計電源盒電腦訊號電霧超音波起霧機 圖2. 防護眼鏡起霧測試機台之群組圖 (3) 建立大略幾何佈置圖 至此已經可以建立產品之大略幾何佈置圖，如圖3所示。電腦因為無空間配置上的限制，故沒有顯現在圖3中。 待測眼鏡假光頭源模電組源固定基座 圖3. 防護眼鏡起霧測試機台之大略幾何佈置圖 (4) 找出群組間交互作用 至此，我們已可清楚定義各群組的功能及其間的交互作用、空間關係、及大略尺寸等，可以分別交由不同設計者或設計團隊，進行細部設計、工程圖繪製等工作。但圖1、2中顯示之交互作用，是設計上預期發生之交互作用，在空間位置確定之後，設計者還應進一步找出各群組間「不預期的交互作用(incidental interaction)」，最常可能發生的不預期交互作用，包括某些群組可能產生熱、機械振動、電磁波等，因而影響其他群組的功能，這些不預期交互作用應該加以評估，並設計防止或解決的方式。 5
機械設計教材－細部設計的考量 在防護眼鏡起霧測試機台的例子中，最主要不預期交互作用是光源同時投射大量熱能至防護眼鏡，使得防護眼鏡內溫度升高，不易形成霧氣。因此光源與防護眼鏡間必須設定一足夠長度，以減低熱量傳遞。圖4為設計完成之成品照片。 圖4. 防護眼鏡測試機台成品照片 2. 設計的製造性 設計者設計的整個過程中所作的每一個設計決策（不僅僅是在細部設計階段而已），製造成本往往都是重要的考量，而「設計的製造性(esign for manufacturing, DFM)」也是細部設計上經常被強調的重點。在細部設計階段的設計決策，對製造的品質與成本，更是有直接影響，因此在細部設計階段DFM的考慮顯得更為重要。 DFM的最終目的在減少製造成本，因此DFM方法的每一個步驟也直接和製造成本有關。設計者建議出一個具體的設計方案之後，DFM的第一個步驟是要估計製造的成本，接下來則是要以加強製造上的管理、變更細部設計、或者其他方式，想辦法減少製造成本，最後重新計算這個新設計的製造成本，看看製造成本是否已經降低到可以接受的程度。 在設計階段要估計一個產品製造的成本，有許多不確定的因素，非常精確的估算其實是相當困難的。大體來說，一項產品製造的成本，可以分為三個主要部份：零件成本、組裝成本、和管理費用。 (overhead)零件又可以分成“標準零件(standard parts)”和“訂做零件(custom parts)”兩種，標準零件是指有標準規格，可以直接從供應商採購的零件，訂做零件則是6
機械設計教材－細部設計的考量 根據某項產品的特殊需求而訂做的零件。訂做零件有時是在工廠內自行製造，有時也是設計者訂定規格之後發給供應商，由供應商製造供給。訂做零件的成本要考慮材料成本、機具成本、和製造過程的成本，同時訂做零件的數量往往也比較難達到製造生產的經濟規模，因此設計者經常被建議如非必要儘可能避免訂做零件，儘量採用標準零件，而通常一項產品中，大部分的零件成本也是屬於標準零件成本。 一項產品的管理費用通常也可分成兩個部份，第一個部份是直接支援該項產品生產的費用，如機器運轉時所需要的水電費用、維修費用等等；第二個部份則是工廠營運的一些非直接費用，必須分攤到該項產品的部份，例如一個廠房內同時生產三項產品，估計其中一項產品的製造成本時，就必須將廠房租金的三分之一分攤進來。顯然的，一項產品管理費用的精確估算是非常困難、近乎不可能的，因此業界實際做管理費估算時，都是根據過去的經驗數據，訂出一個“管理費比例(overhead rate)”，也就是以製造產品時一些可以測量直接的成本（如材料、人力）為基準，直接乘上一個百分比，作為管理費用的估算。 產品製造時，零件採購進來之後，組裝是非常主要的活動，組裝成本包括人工和組裝所需設備、工具兩部份。整理前面討論的各個項目，可以得到整個製造成本估算上的項目架構如圖所示。 製造成本零件成本組裝成本管理費用組裝所需直接支援標準零件定做零件人工非直接費用設備費用製造過程材料成本機具成本成本 圖5. 製造成本估算項目架構 在減少製造成本方面，減少標準零件採購、庫存成本，和減少管理費用，往往牽涉到許多工廠經營、管理的問題，設計者可能比較幫不上忙，然而產品是否容易組裝，7
機械設計教材－細部設計的考量 設計者可以有決定性的影響。在細部設計階段，設計者如果能對所設計產品「設計的組裝性(design for assembly, DFA)」多加注意，一些設計上細微的改變，可以大幅降低產品組裝的成本。下一節裡便將介紹一些DFA上有用的方法和實例。 3. 設計的組裝性 組裝效率的評估 在設計組裝性的考量上，中心的問題應該是，“如何設計產品的各個零件，以及零件之間相對位置關係，使得組裝能夠更快、更容易？” 為了評估組裝過程是否“更快、更容易”，Boothroyd和Dewhurst[1989]提出了「組裝效率(assembly efficiency)」的概念。在他們的定義裡，組裝效率是指“理論上最少的組裝時間”和“預估實際組裝時間”的比值，如果一項產品實際組裝時間過長，遠大於理論上最少組裝時間，便表示這項產品組裝效率太低。這個組裝性評估的指標可以表示如下： (理論上最少的零件數目)×(3秒) 組裝效率= (1) 預估實際組裝時間式(1)分母中的“預估實際組裝時間”，可以透過以設計原型做組裝實驗的方式來估計。而式(1)中“理論上最少的組裝時間”的估算，則是以“理論上最少的零件數目”乘上3秒來計算，其中這個“3秒”，是一個設計良好的零件，被組裝在產品上時理論上所需要的時間。然而一項產品“理論上最少的零件數目”應該是多少？Boothroyd和Dewhurst建議這個數字可以由以下三個條件來決定： (1) 產品中的某個零件，是否必須和其他部份有相對運動？如果必須，這個零件理論上才必須被區分成為一個獨立零件。但是零件間的相對運動如果是可以用材料本身的彈性來達成的微小運動則不算，例如牙膏蓋便不一定必須是一個分離的零件。 (2) 產品中的某個零件，是否有任何特殊的理由，而必須使用和其他零件不同的材料來製作？如果的確必須，這個零件理論上才必須被區分成為一個獨立零件。 (3) 產品中的某個零件，是否必須被拆卸下來，才能進行其他零件的組裝或維修？如果必須，這個零件理論上才必須被區分成為一個獨立零件。 8
機械設計教材－細部設計的考量 例如圖6(a)中的螺栓和墊圈，如果在某一項產品中，這兩個零件之間不必要有相對運動、沒有特殊理由而必須要用不同材料製造（事實上螺栓和墊圈可能必須採用不同材料）、也不見得要拆卸下來才能進行其他零件的組裝和維修，則這兩個零件根本可以整合成同一個零件（圖6(b)）。 (a) (b) 圖6. 螺栓和墊圈可以整合成為同一個零件 依照這個組裝效率的式子，如果理論上最少零件數目很少，但實際設計中零件數目很多，造成預估實際組裝時間拉長的話，組裝效率自然比較低。要提升組裝效率，減少零件數目，將不必要分開的零件整合在一起，是一個非常重要的手段。整合零件的原則也非常簡單，在依式(1)估計設計的組裝效率時，設計者已經依照前面的三個條件評估每一個零件是否理論上必須被區分成為一個獨立零件，如果某個零件沒有滿足上述的三個條件，則表示這個零件應該要和其他的零件整合在一起。零件的整合後所得到的“新零件”，往往不見得是不同零件直接加成起來，而是要考慮各個零件所要達成不同的功能可否用一個零件來達成。另外將不同零件整合在一起，造型上也許會變得比較複雜，可能也需要略加修正。 ◇例題1 零件的整合 圖7是Boothroyd和Dewhurst經常用來說明零件整合程序的例子，這是一個氣壓活塞的組成，圖左是原始設計，共有7個獨立分離的零件（包括兩個螺絲）。依據前面Boothroyd和Dewhurst提出的三項原則一一檢查這7個零件，發現螺絲和上蓋之間沒有必要有相對運動，同時上蓋和活塞停止環也沒有必要有相對運動，且沒有必要採用不同的材料，甚至兩者沒有必要拆開，因此這個氣壓活塞設計“理論上最少零件數目”是4。 右圖是氣壓活塞組成重新設計的結果，螺絲、上蓋和活塞停止環整合成為一個嵌入式上蓋，當然氣壓活塞本體的上緣和活塞本身也要重新設計，以搭配這個嵌入式上蓋。這個整合設計將零件總數從7減少到4。◇ 9
機械設計教材－細部設計的考量 螺絲鋼1-(2) () 嵌入式上蓋1-塑膠()上蓋鋼 2-()彈簧鋼2-()彈簧鋼 3-()活塞停止環尼龍 4-()活塞鋁3-()活塞鋁 5-()本體塑膠 本體塑膠6-()4-() 圖7. 氣壓活塞組成的零件整合設計 ◇實作計畫1 DFA方法的應用 選擇一個容易拆卸成為獨立零件的機械產品（如自動鉛筆、小型風扇等）作為分析對象，依照下列步驟做DFA設計。 (1) 這個設計有幾個獨立零件？繪出設計的組合草圖，標示各個獨立零件並簡單說明每個零件的功能。 (2) 依照本節討論的三個條件，一一檢視每一個零件，這個產品理論上必須有多少個獨立零件？ (3) 實際將這個產品反覆拆卸、組裝幾次，測量其組裝所需時間。依照式(1)的定義，這個產品的組裝效率為何？ (4) 是否有哪些零件可以整合成為一個零件？將你認為可以整合的零件重新設計、整合起來，以草圖的方式表示。在做過整合設計之後，這個產品總共有幾個零件？◇ 10
機械設計教材－細部設計的考量 DFA的考慮雖然主要是在提升組裝效率、減少組裝成本，但是經由零件整合，也可能附帶減少製造上的複雜度，降低製造成本。例如整合之後的零件不需要再被組裝，在關鍵的幾何尺寸配合上，經由製造過程會得到比經由組合過程更好的精度控制，產品的精度將因此而提高。另外整合之後的零件單一但是比較複雜的模子，通常比整合前的零件多個卻簡單的模子來的便宜，整合之後的零件所需的加工時間和剩餘的廢料都比較少。 便利組裝的零件設計 除了整合零件、減少零件的數目之外，兩個產品零件數目相同時，並不代表兩者組裝效率完全一樣，零件設計上的幾何型態、組裝的程序的不同，可能使兩個產品所需的組裝時間相差很大，這一點便要靠設計者在設計的細節上加以注意。 以下提供了一些便利組裝的零件設計之建議與規則，討論零件應如何設計才能夠便利組裝。 (1) 設計應該有一個主體零件作為組裝時基座 組裝的過程中，如果是好幾個零件“互相組裝”，零件的挾持與固定都會非常困難，因此設計上應該有一主體零件為組裝的基座，而其他零件是逐一組裝在主體零件上。如圖8所示，好的主體零件設計通常有平坦的底面、簡單的輪廓，並且提供穩固的固定方式，以方便其他零件裝配於其上。 其他零件 主體零件 圖8. 主體零件的設計 (2) 零件組裝最好由上往下 以主體零件作為組裝的基座，其他零件的組裝最好是由上往下，具有這種特性的零件組合方式，稱為「Z軸組裝(Z-axis assembly)」。Z軸組裝的方式在組裝時不需要翻轉零件，組裝的人員可以廣泛地看到要組裝的位置，而且零件受重力的作用，可使組裝過程更方便。例如圖9中兩種設計，所達成的功能完全相同，但是在組裝的考量上圖9(b)顯然是較佳的設計。 11
機械設計教材－細部設計的考量 (a) (b) 圖9. 兩種組裝設計方式的比較 (3) 零件設計時要考慮組裝上的容差 兩零件組裝時容差的配合，對組裝品質有相當大的影響。例如圖10中兩個零件要能緊密組裝在一起，圖10(a)的設計方式容差的配合顯然要比圖10(b)的設計困難許多。又如圖11(a)的設計中，兩個配合軸孔的軸徑、孔徑、中心距，在兩個零件中都必須十分精確，才能順利組裝；而在圖11(b)的設計中，將其中一個孔設計為長形，不但組裝上較為容易，零件精確度也不需太高，零件製造成本也可降低。 TolTol (a) (b) 圖10. 零件設計時考慮組裝上的容差 (a) (b) 圖11. 考慮組裝上的容差使得組裝較容易，零件製造成本也可降低 12
機械設計教材－細部設計的考量 (4) 零件設計上儘量採用不具方向性、對稱的設計 組裝具有方向性的零件時，組裝人員需要去辨認正確的組裝方向、翻轉零件方向，因此比組裝不具有方向性的零件需要較多的組裝時間。因此零件設計上應儘量採用對稱設計，最壞的設計是在X、Y、Z三方向都需具有方向性的零件。例如圖12中的軸，儘管只有一個方向需要組裝，但是仍然可以設計成兩端對稱的形式（圖12(b)），組裝時不必翻轉挑選正確方向，是較佳的設計。圖13中零件的兩種設計方式也是很好的例子，設計三個固定孔，組裝時必須旋轉零件尋找正確固定位置，設計成四個固定孔時便完全沒有這個問題（圖13(b)）。 (a) (b) 圖12. 軸的設計採用對稱方式較佳 (a) (b) 圖13. 零件設計沒有方向性比較容易組裝 如果因為功能上的考慮，零件無法設計成對稱形式，必須要有方向性時，應該設法使其方向特別明顯，例如最常見的方式是將零件“去角”表示其方向，如圖14所示。 (a) (b) 圖14. 將零件去角，以清楚標示其方向性 (5) 使零件容易裝置、容易固定 不管是以人工組裝，或是自動化的方式組裝，零件設計都應該考慮如何能夠容易裝置、容易固定。如圖15中，在裝配的部位給予適當的導角，可以使零件更容易裝配，是最常見的手段。 13
機械設計教材－細部設計的考量 圖15. 在裝配的部位給予適當的導角 此外零件設計時，可以思考能否將零件設計成可以用單手組裝？是否可以用單方向的動作方式組裝？例如插入一根銷子的組裝動作，就比旋轉動作鎖上一根螺絲要容易。是否可以不需要工具組裝？許多設計如牙膏的蓋子、電腦外殼的組裝，都利用塑膠本身的彈性，作成“按扣式(snap fit)”組裝設計，組裝時不需要工具，且很容易拆卸、固定。 (6) 考慮以自動化方式組裝時的需求 以自動化方式組裝時，零件的設計往往便決定了應選擇何種組裝設備，因此設計者應該考慮使用何種自動化程序，在零件設計過程中經常諮詢所有關於自動化程序的製造工程師、設備廠商等人員。 以自動化方式組裝時，零件在輸送帶上便已大批排好，且有固定方向，因此如果零件設計上外型特徵簡單，可以使零件容易堆疊在一起；大批零件堆放在一起時，零件與零件之間應該易於分開，避免相互干擾，如圖16(a)的環片設計，容易互相鉤在一起，圖16(b)則是較佳的設計。 (a) (b) 圖16. 零件和零件之間應該易於分開 圖17也是在考量以自動化方式組裝時零件設計的例子，如圖17中的零件兩端設計成重量上有差異，利用重力掉落一簡單的漏斗狀裝置，便可以將零件排列成一致的方向。 14
機械設計教材－細部設計的考量 圖17. 利用重力將零件排列成一致的方向 當然這些考慮組裝性的零件設計例子非常多，在不同的產品、不同的公司都可能有其特殊考量。最後特別要提出的是，現在許多產品的組裝工作，經常有一部份是保留給消費者自己來作，如此不但可以減少產品組裝的成本、縮小產品運送及儲藏的體積，同時讓消費者享受“自行動手(DIY)”的樂趣往往也是重要的銷售訴求。但是對設計工程師來說，設計一個消費者能輕鬆地、正確地組裝完成的產品，是相當具有挑戰性的。 4. 細部設計文件 在整個設計階段產生的設計文件，最主要的就是各類設計圖，包括概念設計階段時的設計草圖，進入細部設計階段後產生的「設計佈置圖(layout drawing)」、細部零件圖、組合圖等等，這些設計圖是設計者幫助自己思考設計的重要工具，也是設計者與其他設計者、或設計者與製造者共同的溝通語言。除了設計圖之外，一份完整的設計文件還應該包含零件、材料表，以及設計過程中分析計算資料等。 設計圖的繪製方法在機械科系圖學、機械畫課程中、都有深入的說明。這一節裡純粹由設計的觀點，討論各種設計圖的角色、目的，和其中應包含的設計資訊。 設計佈置圖 概念設計階段中產生的設計概念，通常是以設計概念草圖來表現，概念草圖中包含了各零件的外型、配置位置、及主要尺寸，並用文字說明各部份零件的功能，及設計者的想法。從概念草圖出發，逐漸進入產品細部設計時，如第一節中的討論，在確立產品架構之後，設計者必須先繪製一張比較正式的設計佈置圖。 15
機械設計教材－細部設計的考量 設計佈置圖主要的功能還是幫助設計者自己釐清設計當中各個主要元件之間的關係與介面位置，了解組件之間空間搭配上的限制，以繼續進行做後續的細部零件設計。設計佈置圖也可用來作為設計者與設計者之間溝通、討論、分工的工具。 圖18是一個鐘體敲擊機構設計佈置圖的例子。設計佈置圖還僅是屬於工作圖，並非正式的設計文件，在後續的設計過程中仍然可能經常做修改。與概念草圖相同，設計佈置圖上僅標有重要的尺寸和容差，且常有文字說明設計的特徵和功能。但是設計佈置圖和概念草圖一個很大的不同，就是為了要精確地表現各主要元件之間的大小比例與相對位置關係，設計佈置圖繪製是完全成比例的，且通常會以CAD電腦軟體繪製。 圖18. 鐘體敲擊機構設計佈置圖 細部零件圖 佈置圖完成之後，設計者便會“拆圖”，開始對每一個零件進行細部設計工作。圖19是前面鐘體敲擊機構例子中主機構連桿的細部零件圖。 16
機械設計教材－細部設計的考量 細部零件圖除了幫助設計者自己做細部設計時的考量之外，細部零件圖最重要的功能，是作為設計者與製造、加工者之間溝通的工具。因此在細部零件圖中，所有的尺寸都必須詳細標示，對於配合件的尺寸則須標示容差，對於材料的選用或特別指定的加工方式，也必須以特定的文字或符號標示清楚。細部零件圖已經屬於正式的設計文件，在從設計部門發送到製造部門前，一定要經過設計部門管理階層認可，因此右下角的標示必定有設計部門管理人員簽名欄。通常來說，只有訂做零件需要繪製細部零件圖，標準零件只要在組裝圖上給定零件編號即可。 圖19. 撞捶頭夾具的細部零件圖 組裝圖和零件表 所有細部零件設計完成，有了一整套細部零件圖之後，組裝圖是用來說明零件之間的位置關係、組裝方式，並且展現整體設計的成果。 組裝圖的一個重要目的，是提供類似書本的目錄功能，組裝圖提供零件配置關係，同時也將各零件圖號標示於圖中，使用者可以依照編號查詢細部零件設計圖，將所有相關的細部零件設計圖連接在一起。當然組裝圖的另一個目的是標17
機械設計教材－細部設計的考量 示設計的組裝方式，與組裝部門做溝通。因此若是需要特別註明組裝方法亦可詳述於圖上，而圖上有不夠清楚的地方，還可以附加更詳細或放大的圖樣說明。 組裝圖形式上有點類似設計佈置圖，但是兩者要強調的訊息是不同的。組裝圖也是正式的設計文件，也需要經過設計部門管理人員簽證認可。組裝圖有許多不同形式的表示方法，常用的組裝圖形式有垂直投影三視圖或立體組裝圖（俗稱“爆炸圖”）等。圖20為鐘體敲擊機構組裝圖，這張圖採用爆炸圖方式來描述零件間的關係。 圖20. 鐘體敲擊機構組裝圖 組裝圖經常搭配零件表一起做對照，零件表像是設計產品的索引，這個表中需註明編號、件號、數量、名稱與使用材料，甚至將來源也註明清楚，也是設計者和採購部門重要的溝通工具。如表1所示零件表範例中，零件的編號應與組18
機械設計教材－細部設計的考量 合圖上的號碼相互對應，件號則可以依照各公司的圖檔管理或採購管理方式來編訂，另外也可使用採買公司的編號；零件使用數量是讓採買與組裝者瞭解整個產品的零件數目，方便買料與取料工作；零件表中也標示零件名稱，一般都是以簡略的文字來表示，但須清楚的描述該零件所扮演的角色；最後兩項就是零件的材料及來源，可以標明自製或外購，若是外購零件則可以直接標示該公司名稱，如果是標準零件，不必特別註明供應廠商的話，則直接寫標準編號即可。 表1. 鐘體敲擊機構零件表 編號 件號 數量 名稱 材料 來源 2 1 主機構 塑鋼POM 外包製作 3 1 電磁鐵連桿 鋁合金 外包製作 4 1 套筒 塑鋼POM 外包製作 5 1 磁力桿 鋁合金 外包製作 6 1 捶頭夾具 鋁合金 外包製作 7 1 捶頭夾具滑道 塑鋼POM 外包製作 8 1 鐵塊 鐵 外包製作 9 1 捶頭 黑檀木 外包製作 10 SDM 10Y 1 直線軸承 外購 11 606Z 2 旋轉軸承 外購 12 1 止付螺絲 M6_50mm 外購 13 1 O型環 橡膠 外購 14 2 O型環 橡膠 外購 15 T30920 3 拉伸彈簧 春名公司 16 D12320 1 壓縮彈簧 春名公司 17 1 螺帽 M6 外購 18 1 墊片 外13內7厚1 外購 19 1 固定機構 銅 外包製作 設計文件中最具技術性與機密性的是設計計算書，它記錄產品設計參數、設計方法、分析結果及產品細部功能等，這些詳細的設計記錄都是要提供往後修改與其他產品發展的參考，附帶提供後進設計者學習的依據。計算書可以是詳細記錄整個發展過程中，所有分析結果與嘗試思考過的資料，也可以只記錄最後的設計成果。 19
機械設計教材－細部設計的考量 ◇實作計畫2 設計圖繪製練習 這個實作計畫的目的是讓同學有繪製整套設計圖的經驗。選擇一個簡單、零件數不多、且容易拆解的機械產品，作為你繪圖的對象。量測產品各個零件的相關尺寸，為其繪製一套完整的設計圖，包括設計佈置圖、細部零件圖、組裝圖、和零件表。加入一至二頁的產品設計說明，並且製作一個封面裝訂起來，成為一份完整的設計書。◇ 複習問題 (1) 設計的製造性(DFM)的最終目的為何？程序為何？而考慮設計的組裝性(DFA)又有什麼好處呢？ (2) 為何在設計時，設計者經常被建議如非必要儘可能避免訂做零件，而儘量採用標準零件？ (3) 組裝效率中“理論上最少的零件數目”是如何決定？簡述零件整合的三個原則。 (4) 為何設計應有一個主體零件作為組裝時的基底？ (5) 設計佈置圖的主要內容與功能為何？ (6) 零件圖的主要內容與功能為何？ (7) 組裝圖的主要內容與功能為何？ (8) 零件表中需註明哪些項目？其可作為設計者與誰之間的溝通工具？ 參考資料 Boothroyd, G., and Dewhurst, P., Production Design for Assembly, Boothroyd Dewhurst, Inc., Wakefield, RI, 1989. Ulrich, ., and Eppinger, ., Product Design and Development, McGraw-Hill, New York, 1995. 20
