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技術趨勢
量產件檢具與組立治具設計
2018.02.15∣瀏覽數:805

產品經過研發、少量試製、組裝及功能測試 合格後,其零組件就可進入大量生產階段, 經一段製作時程後,即面臨驗收與組立工 序,既然是大量生產,應考量製作功能檢具 (Functional gauge)協助檢測零組件之尺寸、 形狀與位置等特徵,一方面確保每個零組件均 有經過檢具套量合格,以保證後續組裝產線 100%可順利組立,另一方面;亦可減少高階檢 測識圖判讀之技術人力負荷,同時組立用治具 與檢具皆為相同尺寸,彼此之間無爭議,消除 檢驗與組裝產線部門之間各持己見,各自表述之問題。
文 ◆ 陳銘德

產品能否依當初原先規劃時程如期上市,甚 至提前搶佔先機,端賴組裝順利及直通率兩大 因素,而其關鍵技術在檢具/治具之設計與製 作公差是否正確。歷經兩百多年機械工業實務 經驗淬練與現代科學運算,各高科技國家各有 其秘笈技術計算,歐美各領風騷,各有一套 規範應付孔徑、孔位置、銷徑、銷位置等之設 計數學公式,結果尺寸不盡相同就不足為奇, 只要能被市場接受而暢銷,即可證明有效用 之know-how。本文先以美國規範為例說明檢 具與治具之設計思維,假設一零件有4孔(單位mm),孔徑為∅8 ,於最大實體條件情況之 正位度(位置度)為ψ0.1,均佈於孔心距為 , 如圖1示意圖,則其檢具之銷徑尺寸與製作公 差如何設計。

依美國機械工程師協會 (American Society of Mechanical Engineers ASME)、美國國 家標準局 (American National Standards Institute ANSI)之幾何尺寸與公差(Geometric Dimensioning & Tolerancing GD&T)規範, 孔徑於最大實體條件情況(Maximum Material Condition MMC, ),檢具銷徑尚能整支通 過其最小孔徑,因此ψ8.1-ψ0.1=ψ8.0(下偏 差),而考量師傅製作誤差(三大因數即孔徑誤 差、孔位誤差及耐磨耗量)概取5~10%之尺寸 公差量,得ψ8.01(上偏差),同理;檢具之幾何 公差採10%之零件幾何公差,簡單易懂,快速 有效,其檢測示意圖如圖2。

當零件孔徑於最嚴苛情況下(ψ8.0),檢具 銷徑仍可順利穿透,而當零件孔徑偏離最大實 體情況,亦即孔徑製作加工往大一些,最大至 ψ8.02,與檢具銷徑就產生餘隙,則銷徑更易 穿透,致於銷徑如製作為ψ8.01,若碰到孔徑ψ8.0情況時會產生干涉現象,實務上機率甚低,因大量零件每件需套量,而加上些微之耐 磨耗量為明智之舉,檢具也有製作費用,延長 檢具使用壽命應納入考量。

通過檢具套量之零件保證可後續組配,但不 知孔徑尺寸數據,因此需配合定量(視零件功能 性、價格、大小等因素而不同)抽出,量測製 作孔徑尺寸,確保尺寸部分合乎設計圖規格。 組裝用治具之定位銷徑尺寸需與檢具銷徑尺寸 一致,避免遇到有些零件已通過套量,卻在組 裝產線上無法套上治具之銷或形狀(內外形、凹 凸、高低),影響組裝效率。如果零組件製作與 產品組裝為同一公司企業,溝通較順暢,效率 較高。如果分別屬於不同公司企業,萬一碰到 組裝不順利,糾紛就產生,檢具與治具分屬不 同公司企業設計製作,設計工程師之裁量可能 不盡相同,尺寸與公差就不可能一樣,對一些 較偏兩極限尺寸之零件造成些微誤差,很可能 引起爭議。

建議零件設計、模擬分析軟體、製作、檢 具、治具、功測等之公司企業各部門事先有共 識,均採用一套規範標準,待量產次第展開 後,各時程較能符合原先規劃時程。空中巴士 A 380巨型民航機分屬英、德、西班牙、法國 研製,全機組裝在法國,當進行到全機組裝距 展示時間一年前,卻發現線束較短,需全面更 換重做之重大缺失,進而檢討後發現英國與德 國之模擬分析設計軟體不同(工程師喜歡習用軟 體較順手,自然人性),造成一些資訊無法全 部相容,各持己見,必須重來,嚴重影響時程 達兩年多,有被取消訂單,違約罰款,轉單到 美國波因公司等風險。高科技公司當初研發之 初系統工程規劃分包次系統時之疏忽,竟造成 如此巨大之問題,一般商品分包零組件時,宜 以此為借鏡。通常大企業公司內部較沒問題, 資訊可完全接收利用,如有部分零組件委外製作,就得注意,避免再犯。

對較複雜之產品通常於研發之初,均會成立產 品專案系統工程組織部門,統轄專案進度,訂定 功能規格、大小、重量、重心、強度、壽命、顏 色、售價等工程技術要項,分配各次系統之責 任範圍,有時還搭配執行作業室,協助更細節之 執行進度。以產品尺寸大小為例,各分系統需遵 守配賦之尺寸內,研發製作滿足次系統之功能需 求,如有不足,應隨時反映,例如控制線束必需 穿透其他分系統才能達到功能需求,其他分系統 就需就近配 合讓出空間,因而零組件形狀就配 合變形,同樣;相鄰分系統結合界面,往往可能 變成凹凸而非單純之平面結合。

3C資訊產品之零組件均往輕薄短小發展, 結合孔位更顯斤斤計較,更彰顯關鍵性,因零 組件價格昂貴,例如印刷電路板因孔位不能組 配,既不能像機械件擴孔,亦無法固定夾持加 工而列入淘汰,浪費資源,美國還特別編製一 套專供印刷電路板用之標準,規範印刷電路板 之尺寸與幾何公差,供業界遵循設計。其精髓 為適當合理增大結合用之孔位之公差,可替企 業公司獲得更多利潤(網路EET 電子工程專輯 有介紹)。因此3C資訊產品組裝之治具設計製 作重要性就居於組裝直通率之高低關鍵,實務 上不論機械或資訊產品之組裝直通率為100% 非神話,尤其大量生產要求零組件具全互換性 需求之產品(汽車、機車、自行車、家電、運動 器材、工具機、手工具、手機、油氣壓零件等) 更應重視,不容浪費。