0 前言
“山寨”伴隨著中國制造而聞名世界，卻也困擾著很多企業家，如何才能從“山寨”走向創新就成了目前最緊迫的難題。但是，歷史總是驚人的相似。
1871年，統一后的德國仿造或冒牌生產英國，法國的產品，然后廉價銷售。逼迫英國與1887年修改了1862開始實施的商標法：所有外國產品, 無論是來自法國，美國或是德國，如果有可能與英國本土產品向混淆的，都必須貼上“made in ......”的標記，以防止英國的老百姓上當受騙。
日本也曾面臨“小偷”、“拷貝貓”的國際惡名，但最終形成了“日本風格”，“日本設計”也在國際上占有一席之地。
從“山寨”到創新，除了經驗之外，關鍵的問題在于如何進行產品的分析，真正掌握產品設計的方法。只有“山寨”到這兩點，產品在技術上才有可能超越“山寨”的對象，創新才有可能出現。
如何進行產品的分析與產品的設計，本文以筆者參與或主導過的一些成功項目為例子，介紹一種設計方法——功能設計方法。這種設計方法幫助一些公司完成“山寨”之后，開始走向了原創設計創新。
1 功能設計方法
功能設計方法是一套完整的產品設計理論。回答了設計的三大問題：
圖紙上為什么要有這個尺寸；這個尺寸的名義值為什么要這么大；這個尺寸的公差為什么要這個范圍。
其主要活動如下：
1.1 功能分析
根據客戶需求，分析劃分出產品的生命周期，在每個生命周期內研究產品的應用場景，進而梳理出產品能夠按照客戶需求完成功能的所有極限條件，并形成功能規格的列表。
在具體處理上，用章魚圖的方式進行直觀表述，將功能分為“服務功能”與“限制功能”。
圖1 斷路器的功能分析
1.2 方案設計
根據需求進行方案設計，明確設計方案如何滿足需求，并梳理子系統需求和子系統之間的接口關系。當然，如果是“山寨”，方案已經有了，本階段可以忽略。
圖2 設計原理及方案
1.3 功能條件
功能條件（Functional Condition）簡稱FC，是產品在特定狀態下，為實現產品功能而提出的零件與零件之間要滿足的限制條件。
一方面，功能條件的范圍是由產品的技術原理及質量等級進行限定的。
另一方面產品的特定狀態由零件的接觸關系通知限制相應的自由度而實現，功能條件必然受零件自身尺寸的偏差的影響，功能條件的實際變化范圍由對應的零件尺寸的偏差決定。功能設計的最終也在于此：給每個零件尺寸選定合適的公差，使其滿足功能條件的設計的要求。
常見的功能條件如圖3。
圖3 功能條件
1.4 尺寸鏈計算
尺寸鏈計算的目的在于驗證設計給出的每個零件尺寸，按照設計結構堆疊在一起之后，累積出來的功能條件的偏差是否能夠滿足設計的要求。
1.5 Tloerance Manager軟件
Tolerance Manager軟件是一個全球唯一的公差設計、分析及優化軟件。和全球500強企業——Schneider Electric（施耐德電氣）一起合作開發了將近15年。Tolerance Manager提供了多種公差累積算法，其優異的非線性尺寸鏈計算能力能為設計確定圖紙的每個尺寸名義值和公差帶。
圖4 Tolerance Manager軟件提供的功能條件計算結果
2 導入功能設計的逆向設計流程
一般逆向工程流程：
客戶需求——尋找符合需求的標桿產品——結構拆解——全尺寸測繪——建模出圖——零件投制——尺寸測量——樣機裝配驗證
把功能設計流程與逆向設計流程結合，新成新的逆向設計流程：
圖5 導入功能設計的逆向設計流程
3 導入功能設計的逆向設計流程在實際案例用的應用
3.1 功能分析
識別與所有產品有關系的外部環境，并確認其余產品的約束關系，并在表格中將這些約束關系量化，形成產品的開發需求。
圖6 C45“章魚圖”
圖7 C45功能規格列表
3.2 功能條件
對于斷路器產品來說，脫扣單元上鎖扣與跳扣的搭接量、接觸力、摩擦系數等都是與功能直接相關的功能條件，必須嚴格控制。
圖8 功能條件
表1 功能條件列表
3.3 由功能定尺寸及功能尺寸實物測量
根據表1的功能條件，識別每個零件上與功能條件相關的尺寸，這些尺寸由于直接影響產品的功能，稱之為功能尺寸。這些功能尺寸必須在設計初期就進行精確的測繪。另一方面，傳統的逆向工程做法是在本階段便對每個零件的每個尺寸進行精確設計，往往在這個階段要耗費大量的時間。而導入功能設計的逆向開發流程，由于設計初期僅需要精確測繪零件上的部分尺寸（僅功能尺寸）便可進行下一步的開發， 可以大大減少測繪工作對設計進度的影響。
圖9 扣接件需要精確測繪的功能尺寸
3.4 尺寸鏈計算
根據表1的要求，及3.3測繪的結果。對每個功能條件繪制尺寸鏈，并在Tolerance Manager軟件內自動計算所有零件的尺寸公差對每個功能條件的影響。如圖11為脫扣力的計算結果F_373按照當前的零件尺寸及公差其范圍為0.27～0.57，而設計要求為0.25～0.55，略微有些偏差，但是基本滿足要求。
圖10 脫扣力的計算結果
3.5 自制零件與逆向對象的比對
完成尺寸鏈計算之后，關鍵的零件尺寸已經設計定型，通過3D掃描，把逆向對象的零件掃描成點云，同時也把設計投制的零件掃描成點云，兩者對比，可以發現，關鍵的功能面由于已經精確測量過，基本完全吻合，而一些非關鍵的特征存在部分偏差，進行適當調整即可。圖 12中，顏色越深表示偏差越大，從圖中可知，偏差較大的地方集中在倒角、圓弧過渡等工藝特征上。
圖11 逆向對象與逆向設計零件掃描的點云
3.6 樣機功能驗證
把設計投制完成的零件裝配成產品，測量關鍵的功能條件是否落在了設計的要求范圍內。由圖 13可知，逆向設計的產品符合功能的要求。
圖12 樣機實測參數與尺寸鏈計算結果比對
3.7 由功能設計驅動的設計創新
在產品開發過程中，還發現逆向的對象與逆向設計成功的產品都存在搭扣不穩定的情況，具體表現在偶見產品滑扣的現象，即鎖扣與跳扣搭接不穩，有時會滑落。使得斷路器無法合閘。
標桿產品結構缺陷的分析：鎖扣、跳扣在搭接處都會受到各自的工藝倒、圓角的影響，接觸點的位置是不確定的，從而導致表1的功能需求無法滿足，如圖13，通過分析，其中鎖扣的圓角A的影響最明顯。
圖13 基于功能設計的標桿產品結構缺陷分析
為了保證該功能的可靠性，必須進行結構的改進，保證每次合作，鎖扣與跳扣的搭扣位置。改進的方向確定為消除圓角A的影響。根據功能設計要求，鎖扣的功能為在搭接2時，必須保證兩個有效接觸點，跳扣的自由度才能被有效約束。為了避開圓角的影響，把搭接面后延，同時為了保證有效可控的接觸點，可以有如圖 14兩種改進方案，這兩種方經過試驗驗證，兩種方案都能保證搭扣的可靠性。
圖14 基于功能設計的創新結構
4 結論
采用功能設計方法，不僅逆向完成了功能技術指標完全與標桿產品一致的產品，而且在效率上，產品一次逆向設計便通過驗證試驗。另外，通過對標桿產品固有缺陷的分析。利用功能設計方法的思路，緊緊抓住結構要實現的功能進行設計、論證，最終實現了結構上的創新。
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