發(fā)布時(shí)間：2021-10-11作者來(lái)源：科理咨詢瀏覽：1436
MDS Sciex公司（位于安大略省康科德市）在科學(xué)儀器這一領(lǐng)域是處于領(lǐng)先地位。在90年代已成功開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合飛行時(shí)間技術(shù)和傳統(tǒng)四極設(shè)計(jì)的混合質(zhì)譜儀。這項(xiàng)新設(shè)計(jì)之所以受到化學(xué)家們的青睞，是因?yàn)樗鼣U(kuò)大了實(shí)驗(yàn)室能夠分析和識(shí)別的化合物的范圍——從命名簡(jiǎn)單的化合物到區(qū)分像DNA這樣大而復(fù)雜的分子之間的差異。
背景
MDS Sciex是MDS公司的一個(gè)部門，也是四極質(zhì)譜儀的領(lǐng)先制造商。1998年初，管理層啟動(dòng)了Qstar項(xiàng)目，這是公司25年歷史上最大的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。由75名成員組成的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)將把由研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家開(kāi)發(fā)的一個(gè)電路試驗(yàn)板改造成了一種高質(zhì)量、具有成本競(jìng)爭(zhēng)力、可裝運(yùn)的產(chǎn)品，不需要安裝技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。
（三重四極質(zhì)譜儀飛行管視圖）
實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娐吩囼?yàn)板本質(zhì)上是用于證明概念的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且太復(fù)雜了，無(wú)法構(gòu)建和使用。機(jī)械工程經(jīng)理喬治·瓦萊蒂斯說(shuō)：“每一個(gè)都是定制組裝和調(diào)整?！?/strong>因此，設(shè)計(jì)和制造工程師團(tuán)隊(duì)必須與科學(xué)家合作，將電路試驗(yàn)板轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。
工程團(tuán)隊(duì)使用了BDI公司的DFA軟件，這是面向制造和裝配設(shè)計(jì)（DFMA?）系列軟件的一部分。此外，該團(tuán)隊(duì)還依賴于Edward de Bono博士開(kāi)發(fā)的“六思維帽”頭腦風(fēng)暴技術(shù)。Valaitis說(shuō)：“DFA軟件是促進(jìn)討論和指導(dǎo)設(shè)計(jì)技術(shù)分析的催化劑。而六帽法使我們的討論集中在一起，這樣設(shè)計(jì)工作就可以如期進(jìn)行?！?/span>
創(chuàng)新過(guò)程
第一，制造團(tuán)隊(duì)的認(rèn)識(shí)。
Qstar質(zhì)譜儀是一種小產(chǎn)量的大型精密儀器。他們認(rèn)識(shí)到易于裝配在很大程度上決定了產(chǎn)品的成本、制造效率和現(xiàn)場(chǎng)性能。
第二，重新設(shè)計(jì)Qstar。
簡(jiǎn)化電路試驗(yàn)板的重要目標(biāo)是使其具有盡可能少的組件，并設(shè)計(jì)自定位和自固定的零部件。Qstar工程師使用DFA軟件分析現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，并激發(fā)創(chuàng)新的方法來(lái)鞏固零件和消除裝配困難。在DFA軟件指導(dǎo)下進(jìn)行了一輪改進(jìn)后，投入生產(chǎn)的Qstar版本不需要在裝配后調(diào)整的情況下實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的機(jī)械公差。
第三，穩(wěn)定儀器及其模塊，方便運(yùn)輸。
因?yàn)檠兄齐娐吩囼?yàn)板的科學(xué)家利用重力把一些組件固定在一起，所以這個(gè)裝置不能承受任何側(cè)向負(fù)荷。此外，電路試驗(yàn)板中也有些主要組件是易碎的，精密元件像積木一樣疊放在一起。為了增加支撐并提高公差，新的設(shè)計(jì)要求從支撐結(jié)構(gòu)上懸掛組件和模塊，而不是將它們堆疊起來(lái)。對(duì)重新設(shè)計(jì)的儀器進(jìn)行的測(cè)試表明，它能承受8G（重力G）的側(cè)向載荷。
第四，借助DFA軟件設(shè)計(jì)的最重要的組件之一是飛行管。
它是一個(gè)附加組件，允許傳統(tǒng)的四極體裝置生成同等數(shù)量級(jí)的更多被測(cè)物質(zhì)的數(shù)據(jù)。飛行管開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)成員機(jī)械工程師Goran Marunic說(shuō)：“我們一個(gè)接一個(gè)地回答了DFA軟件中的問(wèn)題，這些問(wèn)題引發(fā)了一系列關(guān)于零件數(shù)量和裝配效率的討論。我們與制造工程部門密切合作，保持設(shè)計(jì)模塊化，旨在實(shí)現(xiàn)更易于開(kāi)發(fā)管理和更好的裝配及服務(wù)。我們按照邏輯將設(shè)計(jì)分為多個(gè)組件，每個(gè)組件都有自己的物料清單。”
Marunic和他的團(tuán)隊(duì)為裝配實(shí)踐進(jìn)行了良好的設(shè)計(jì)，還將飛行管的部件設(shè)計(jì)成自固定和自對(duì)中模塊。離子探測(cè)器和加速器組件的組裝只能用一種方式配合，因此裝配機(jī)械師可以每次正確插入它們，而不必花費(fèi)時(shí)間調(diào)整對(duì)準(zhǔn)。
（飛行管頂部視圖）
創(chuàng)新亮點(diǎn)——反射鏡組件的設(shè)計(jì)
反射鏡組件是飛行管中的關(guān)鍵模塊，也是試驗(yàn)板中最脆弱的部件。因此，使用DFA軟件對(duì)反射鏡組件進(jìn)行了多次分析。在考慮了結(jié)果并改進(jìn)了反射鏡模塊之后，再次使用該軟件來(lái)驗(yàn)證我們的概念。
（反射組件視圖）
軟件標(biāo)記的一個(gè)問(wèn)題是絕緣層分離了一系列金屬環(huán)，這些金屬環(huán)排列在飛行管的反射部分。在電路試驗(yàn)板中，陶瓷球被用作每個(gè)金屬環(huán)之間的隔離物以調(diào)節(jié)整個(gè)組件到-5到+1千伏電位。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，他們從陶瓷球到平板陶瓷墊片再到卡普頓片材，而卡普頓片材又能極大地降低了成本并讓裝配體更加結(jié)實(shí)堅(jiān)固。
DFA軟件還標(biāo)記了連接電阻和金屬環(huán)的緊固件數(shù)量。Marunic說(shuō)：“作為替代方案，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)連接，允許技術(shù)人員將電阻壓入金屬部分，因?yàn)檫@樣不需要螺絲，組裝迅速，更換方便。”
最后，Qstar團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)反射器組件，它可以在45分鐘內(nèi)組裝起來(lái)，并且可以在不干擾儀器其余部分的情況下拆卸和維修。初始的電路試驗(yàn)板反射器包含289個(gè)零件和26個(gè)獨(dú)特組件，而最終的反射器模塊包含144個(gè)零件和21個(gè)獨(dú)特組件。只有三個(gè)螺釘和三個(gè)螺母將144個(gè)零件固定在一起。因此，更好的平行度是另一個(gè)重要的結(jié)果。
（反射鏡組件頂部視圖）
創(chuàng)新小結(jié)
Marunic指出：“模塊化的設(shè)計(jì)能夠在不中斷生產(chǎn)的情況下找到問(wèn)題并迅速加以糾正。”通過(guò)減少零件數(shù)量，Qstar工程師將每臺(tái)設(shè)備的材料成本降低了35000美元，并減少了設(shè)計(jì)和制造錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。同時(shí)，在其他方面也節(jié)省了資金。最重要的是，DFA幫助縮短了20%的開(kāi)發(fā)周期。MDS Sciex Management計(jì)算，在14個(gè)月內(nèi)上市后，收入增加了2000萬(wàn)美元，并使Qstar在第一年的銷售中占據(jù)全球市場(chǎng)的五分之一。對(duì)于一家計(jì)劃繼續(xù)跨越機(jī)遇之窗的公司來(lái)說(shuō)，這是一次受歡迎的著陸。
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