工程结构设计在产品开发中的协作模式探讨-以医用吊塔设计为例

程鸿

引言

随着人们对产品功能与品质的不断追求，产品开发所涉及的知识领域越来越广设计难度越来越高，最突出的问题是产品设计与制造过程很容易脱节，经常发生新颖的设计理念难以实施的现象。为促进设计与制造之间的协调统一，使设计创意被真实还原，研究人员进行了大量理论与实践探索。作为有效应对策略之一的并行设计，可在产品设计阶段提早发现后续的工艺性问题，减少设计修改次数，提高产品开发效率。本研究应用并行设计方法，开发出新型医用吊塔，有效解决了医护人员使用过程中的突出问题，取得了良好的社会效益与经济效益。

一、产品开发的系统性工程要求

（一）结构原型的开发依据

产品开发过程中，“原型”可以理解为在一个或多个维度上对产品的一种近似。产品开发其根本目的在于最大限度满足用户需求，因此用户需求就是原型开发的根本依据。然而，用户需求常常通过语言进行描述，难以对原型开发提供确切指导，需要将用户需求转变为产品的技术指标，才可用于原型开发。在本案例中，设计团队与用户反复沟通，深入分析用户需求，提炼出医用吊塔的如下技术指标：医用吊塔主体部件采用铝合金拉伸成型，在简单的机械加工后需进行喷塑处理;少部分零件采用注塑成型;箱体表面无安装螺丝，其余部件在正常视线内不能出现螺丝;平台单层最小承重为20kg。

（二）材料性能与制造工艺

产品的材料性能与制造工艺是设计成败的基础。材料的选择首先要满足安全性要求和功能要求，遵循相关标准，充分论证各种可能存在的危险，实现产品预定的功能。其次，较好的制造工艺性也是材料选择的必要条件，所选材料要便于成形制造和加工制造，所有零部件应具有制造可行性。再次，随着人们对生活和工作环境要求的不断提高，人机工程学和美学成为产品材料选择的重要影响因素。工作过程中的人、产品及环境之间若能保持高度协调，则可在工作效率、健康、舒适性等方面收获意想不到的积极效果。

（三）生产成本

控制生产成本是提升产品市场竞争力的主要措施，产品主要成本在制造阶段和运营阶段发生，但设计阶段一旦完成，这些成本中的绝大部分就已经被决定了。因此，要在设计阶段估计并设法降低产品整个生命周期的各项成本。

二、产品开发中工程结构设计的典型模式

（一）围绕典型结构工程的新产品开发

围绕典型结构工程的新产品开发模式，是对已有实物进行测绘或扫描，建立其几何模型并进行再次创新的过程。它是一种产品设计技术的再现，通过对目标产品进行逆向分析与研究，获得该产品的结构组成、技术规格、制造工艺等要素，从而开发出功能相近的产品。

（二）实现产品概念的工程设计

实现产品概念的工程设计模式，是从概念到实物的设计过程。首先确定产品的功能指标，然后构思实现方案和总体框架，再考虑零部件的设计、制造、装配、调试等具体环节。对于复杂产品，采用该模式通常难度较大，且周期较长。但随着三维建模技术的快速发展，这一状况正在得到改善，设计人员可借助软件将设计意图和产品概念很方便地转变为三维模型，进而制作出实物样品。

（三）协调多领域的并行设计

传统设计过程的每一阶段总是以前一阶段的结束作为前提，信息交流仅限于相邻阶段的连接处，无法完成信息的及时反馈与总体协调。协调多领域的并行设计的出现有效解决了这一问题，它可在开发阶段，考虑产品生命周期的整个过程，分析涉及的所有因素，包括设计、分析、制造、装配、检验、维护和成本等，开发出具有最优综合性能的产品。

三、医用吊塔的并行设计模式

现代科学技术的飞速发展推动新型医疗仪器设备不断出现，采用各种先进仪器设备对病人进行生理功能检测和诊治已成为流程。医用吊塔是医院现代化手术室及ICU的关键医疗设备，作为医护人员的工作平台与终端，它功能非常丰富，不仅可提供氧气、压缩空气、氮气等医用气体以及电源插座和数据接口，还具有输液架和放置各种医疗器械的承载平台。同时，医用吊塔的技术要求十分复杂，各项要求往往相互影响，给设计工作带来极大困难。比如吊塔在调整位置时需要轻便灵活，有广阔的覆盖范围;在固定时又需要定位精确、锁紧可靠，整体刚度较高，受力变形小;外观造型要圓滑而有美感，不能出现焊缝和裸露螺钉等不符合医院特殊环境要求的结构。开发出同时满足多项技术要求的医用吊塔，可大幅提升医护人员的工作感受和工作质量，也是各大医用吊塔生产厂商竞争的焦点。

本研究所开发的医用吊塔总体结构（如图1）所示，箱体可容纳数据线、电源线、气体管路，前部平台用于放置各种医疗器械，两横梁之间的转动副使吊塔具有足够的覆盖范围，两个后置的输液架可方便地调整位置，前部的承载平台可沿隐式导槽上下调整位置。吊塔通过数据线可以连接医疗机构的患者数据库，协助医护人员监控患者生命体征。箱体是吊塔的主要部分，其设计质量直接决定着产品的成本、工作效能、使用舒适度以及制造工艺性等关键指标。（如图2）给出了箱体的组成结构，侧门和线夹的设计使插座、插头等接口被完美覆盖，各种引线外观整齐而集中;可拆式侧板的设计为箱体内部结构的维修与检查提供了方便;后把手的特殊设置既便于医护人员从后面移动吊塔，又具备光滑的连接与安装表面。

（如表1）给出了医用吊塔的二维并行设计，即从结构工程设计流程和设计职能二个维度进行并行设计。设计流程包括产品规划、概念开发、系统设计、细节设计、测试改进、生产启动，设计职能包括结构原型、材料选择、加工厂艺路线、产品装配工艺、成本分析。由（如表1）可知，采用并行设计所开发的医用吊塔，通过对6个设计阶段及5个设计职能的并行分析，全面考虑交互影响，提出10项原创性设计，为医护人员提供了方便、舒适的工作环境，显著提高了产品的市场竞争力。

由（如表1）可知，吊塔结构原型与设计流程的并行设计与协作贡献了3项原创性设计，分别解决了原产品的线路零乱、显式导槽、不便维修等突出问题。吊塔材料选择及加了工艺与设计流程的并行设计，实现了复杂主体结构的强度校核并简化了其制造工艺。在产品装配与设计流程的并行设计中，侧门的设计覆盖了裸露的电源插座，使吊塔更安全、更美观;增设的液晶屏可显示重要的基本信息;增设的后把手方便了医护人员从后边移动吊塔。成本分析与设计流程的并行设计集中在后把手的制造方法与安装方式，折弯制造工艺降低了生产成本，其安装方式避免了裸露螺丝同时降低了生产成本。