定制运动器材的开发过程
假设您是一名长曲棍球教练。训练结束时,场地上散落着一百个球。总得有人把它们捡起来。您想到了一台能做这件事的机器。本文展示运动器材开发如何把这个想法从草图变成装箱的产品,每一步都给出具体的计算。
先解决三件事
每个定制运动器材的项目,都从三件事开始:意图、约束和方法体系。
意图,就是您希望这个产品改变什么。对我们这台机器来说很简单:教练不该再在每次训练结束时,弯着腰在满场的球中间捡来捡去。
约束,是产品必须遵守的限制。每一条约束都像设计周围的一道围栏。我们的机器必须不用电机就能工作。必须一个人就能操作。必须能装进汽车。
方法体系,是您在每次决策时都重复使用的方法,我们用的是“理想结果法”。按照这种方法,您先设想每个可能的方案在物理定律范围内完美运行,然后再评判它。如果连完美版本都无法让您满意,就放弃它;如果能,就研究如何实现。这种方法能在糟糕的想法还很便宜的时候就把它们淘汰掉。
运动产品开发的六个步骤
每一件硬件,从头盔到拾球机,都经过同样的六个步骤。每个步骤回答一个问题。
我们将以一台机器为例,走完全部六个步骤:一台用于小球的拾球器。它有活动部件。它要接触地面。它要装在车里带回家。它的成本还必须低于另一种选择,也就是一位拎着桶、累得够呛的助理教练。
我们将关注两项运动,长曲棍球和壁球。两者都使用小球。这些球之间的差异决定了设计的大部分内容。
第 1 步:需求
在画任何图纸之前,先写下机器必须做到什么。这份清单就是需求。之后的每个决策都要对照它来检查。
好的需求里有数字。“很快就能捡起球”是愿望。“10 分钟内捡起 100 个球”才是需求。
从球开始。
| 属性 | 长曲棍球 | 壁球 |
|---|---|---|
| 直径 | 62.7 到 64.7 mm | 39.5 到 40.5 mm |
| 质量 | 142 到 149 g | 23 到 25 g |
| 结构 | 实心橡胶 | 空心,两半橡胶胶合 |
| 所在场地 | 户外的天然草或人造草皮 | 木地板,四面有墙 |
长曲棍球的数据来自球类标准 NOCSAE ND049。该标准规定重量为 5.0 至 5.25 oz,周长为 7.75 至 8.0 in,公制数值是我们换算的。壁球的数据来自世界壁球联合会公布的用球规范。
长曲棍球的直径约为壁球的 1.6 倍,重量约为六倍。一台同时适用于两种球的机器,比分别为每种球各做一台机器更难制造。
在这个例子中,我们开发的是长曲棍球拾球器。需求清单如下。
| 编号 | 需求 | 检验方式 |
|---|---|---|
| R1 | 能从天然草地和人造草皮上收集长曲棍球 | 在两种场地上实地测试 |
| R2 | 10 分钟或更短时间内收集 100 个球 | 秒表计时,100 个球散布在 30 m × 30 m 的区域内 |
| R3 | 至少可容纳100个球 | 填充测试 |
| R4 | 一个人即可操作 | 由一名用户进行实地测试 |
| R5 | 能放进中型轿车的后备箱 | 对照标明的后备箱尺寸测量 |
| R6 | 能把球倒入标准球桶 | 演示 |
| R7 | 户外使用可坚持一个赛季 | 耐久性测试,在第 4 步中定义 |
| R8 | 售价低于 $250 | 成本模型,第 5 步 |
R2、R3、R5 和 R8 中的数字是本例的假设。在真实项目中,这些数字由您提供,因为您才是每天站在场上的人。
现在我们给需求加上数字,愿望清单就变成了一道用铅笔就能解的工程题。
满载有多重?
一百个长曲棍球,每个约 145 g,总重约 15 kg,相当于一个特大号西瓜。车架、轮子和把手必须承受这个重量,操作者必须推得动它。
这些球要占多大空间?
一个长曲棍球的体积约为 135 cm³。倒进容器的球彼此之间会留下空隙,随机堆积的球体只能填满其所占空间的约 64%(随机密堆积)。所以 100 个球需要约 21 升的空间,相当于一个小背包的大小。
您得走多快?
假设机器能捡起与自身同宽的一条带状区域内的所有球。用一台 0.6 m 宽的机器清理 30 m × 30 m 的区域,意味着要走 1,500 m。假设匀速步行速度为 1.2 m/s,大约需要 21 分钟。这不满足 R2。机器宽度增加到 1.2 m,步行时间减半,约为 10 分钟。但 1.2 m 宽的机器必须能折叠,才能满足 R5。
于是两条需求相互冲突。这里有一条出路。假设球是成堆分布的,比如射门训练之后集中在球门附近。那您就从一堆走到另一堆,不必扫过每一平方米。R2 可以成立,但前提是它的测试要按球的真实分布方式来摆放。R2 的测试方法必须写明如何摆放。
规则:先让需求彼此对照检查,再拿它们去对照现实世界。
第 2 步:概念方案
需求确定之后,设计师会把满足需求的每一种合理方式都画成草图。这些草图就是概念方案。在任何人挑出自己偏爱的方案之前,所有方案都要先摆上桌面。
我们的拾球器有四个概念方案。每一个都在某处不达标。任务是选出您能接受的那种不足。
| 概念方案 | 工作原理 | 制造成本 | 不足之处 |
|---|---|---|---|
| A. 拾球管 | 一根带柔性唇口的管子,作为长曲棍球拾球器出售;将它按在每个球上 | 最低;已有在售产品 | 一次只能拾一个球;不满足 R2 |
| B. 推式滚笼 | 由弹簧钢丝构成的笼子在地面上滚动;球被压进钢丝之间,困在笼内 | 低 | 钢丝间距只适合一种尺寸的球 |
| C. 拖曳式收球机 | 由多功能车拖在后面的宽滚筒,类似高尔夫练习场的收球机 | 高 | 需要车辆;不满足 R4 和 R5 |
| D. 机器人 | 一台带轮子的机器,用摄像头找到球并开过去 | 最高 | 电池、软件和天气;不满足 R8 |
现在应用理想结果法。设想每个概念方案都完美运作。
即便是完美的拾球管,每弯一次腰也只能拾起一个球。弯一百次腰,正是我们一开始要解决的问题。放弃。
即便是完美的拖曳式收球机,也仍然需要一辆车开进场地。没有车的球队用不了它。放弃。
完美的机器人能找到每一个球。但它也需要电池、电机、摄像头,以及能分辨球和蒲公英的软件。即使是完美形态,它也超出了 R8 的价格上限。放弃。
完美的推式滚笼一趟就能收起所有球,而且完全不需要电机。它通过了。结论是方案 B。
注意它为什么胜出。在通过的方案中,B 的零件最少。每去掉一个零件,就少一个需要设计、采购或可能损坏的东西。
方案 B 其实已经有在售产品,只是尺寸更小。Kollectaball K-Field 是一款钢丝笼式滚筒,适用于长曲棍球、棒球、曲棍球和板球。它最多可容纳 25 个球,标价 $99.95。它证明了这一原理对长曲棍球有效。但它不满足 R3:一百个球意味着要倒空四次。剩下要做的,就是一个大四倍的笼子。在任何项目继续推进之前,先看看市面上已有的产品。
推式滚笼的内部
笼子是一个滚筒,由张紧在两块端盘之间的弹簧钢丝构成。滚筒滚过一个球时,相邻的两根钢丝从上方压住它。球比钢丝之间的间隙宽,于是钢丝被撑开,球挤了进去。随后钢丝弹回原位。此时球已在笼内,掉不出来。
一切都取决于间隙。间隙太宽,球会掉出来。间隙太窄,钢丝弯不到足够的程度,球进不去。一个实用的起点是间隙约为球直径的 80%。对于 64 mm 的长曲棍球,约为 51 mm。对于 40 mm 的壁球,约为 32 mm。这两个数字都是有待第 3 步测试的假设。
现在再回到壁球。按长曲棍球尺寸设定间隙,壁球会直接从中漏过去。按壁球尺寸设定间隙,长曲棍球根本进不去。一个笼子无法同时用于两种运动。壁球拾球器需要自己的笼子,或者一个可以更换笼子的框架。
壁球还引出第二个问题。一个球场里,四面墙之内大概只有 30 个球。再用一次理想结果法。一台完美的机器只能为壁球教练省下一两分钟。一个篮子可能就够用了。最便宜的机器,是您不必去制造的那一台。
规则:在画任何东西之前,先写下机器必须处理的最小和最大的物体。
第 3 步:概念验证
概念验证是为回答一个问题而做的粗糙模型:核心想法行得通吗?
对推式滚笼来说,问题很具体:滚过草地时,长曲棍球会不会进入笼子并留在里面?把手、涂装和折叠都可以以后再说。
模型可以是几根弹簧钢丝,弯绕在两块胶合板圆盘之间。把它滚过一块放了十个球的草地,数一数最后有多少个在里面。然后把间隙调整 2 mm,再滚一次,范围从 45 到 57 mm。把进球数与间隙的关系画成曲线。最佳间隙是所有球都进去、一个也不掉出来的那个。
草地带来第二项测试。长曲棍球会陷在草里。笼子必须把球压得足够用力,让它在滚走之前就被挤进钢丝之间。这个压力来自滚筒的重量。滚筒太轻,在长草里会从球上跳过去。要在机器可能遇到的最长的草上测试。
在整个项目中,这里是犯错成本最低的地方。在这一步失败的想法,只花掉一些胶合板、一卷钢丝和几个在草地上度过的下午。同样的想法若在开模之后才失败,代价就是数千美元。
第 4 步:工程原型与测试
想法一旦验证可行,设计师就会制作一个外观和表现都像真实产品的原型。每个零件先在计算机模型中画出来,每个尺寸、材料和紧固件都列入清单。
原型有五个主要部分,每个部分都有自己的工程问题。
| 部件 | 作用 | 工程问题 |
|---|---|---|
| 笼子 | 困住球 | 钢丝的材料、直径和间隙 |
| 端盘 | 固定钢丝 | 刚度足够,在 15 kg 负载下仍保持间隙均匀 |
| 轮轴和车轮 | 让笼子滚动 | 能耐受草、泥和雨水的轴承 |
| 车架和把手 | 让一个人就能推动 | 把手高度,以及为放进后备箱而折叠 |
| 卸球门 | 把球倒出来 | 无需工具即可打开,滚动时保持关闭 |
以钢丝为例。每进来一个球,都会让其中两根弯曲。把回形针来回弯折,它很快就会断。金属在反复弯曲下会逐渐“累坏”。工程师称之为疲劳。
那就来数一数弯曲次数。假设每次训练 100 个球,每周训练五次,一个赛季 30 周。这样共计 15,000 个球,每个球弯曲两根钢丝。弹簧钢只要远低于其极限使用,能承受的弯曲次数远不止于此。钢丝还要在湿草地上滚动,因此必须是不锈钢的,或带防锈涂层。
然后,逐条对照需求测试原型。
| 测试 | 方法 | 合格标准 |
|---|---|---|
| 拾取速度(R2) | 100 个球成堆分布在 30 m × 30 m 的区域内,一名操作者 | 10 分钟或更短 |
| 容量(R3) | 持续装球直到有球掉出 | 100 个球或以上 |
| 耐久性(R7) | 让笼子在人造草皮上滚过 15,000 个球;从后备箱门高度跌落 | 无断丝或开裂部件 |
| 倒空(R6) | 倒入标准球桶 | 无需工具即可倒出所有球 |
大多数原型第一次测试时,至少有一项不通过。这正是测试的意义。每次失败都要记录下来,修改设计,然后再测一次。计划进行两到三轮。
第 5 步:面向制造的设计
原型是用手头现有的东西一台一台做出来的。工厂则是成百上千地生产产品。面向制造的设计,就是修改设计、让工厂能够快速、低成本且每次都一致地生产它的那一步。
在这里,您会遇到决定大多数硬件预算的那个数字:模具费用。模具费用指的是工厂在做出第一个零件之前所需的模具和工装夹具。在任何一件产品发货之前,您就要先付这笔钱。一个塑料零件的模具,简单的铝模约 $1,500,大型复杂模具可达 $100,000。
单件成本为:
C 是单件成本。N 是生产数量。T 是模具费用,一次性支付。M 是每件的材料和零件费用。L 是每件的装配人工。
比较两种制作拾球器端盘和车架零件的方法。方法 1 用 3D 打印机打印,再手工组装,其工装就是打印机本身。方法 2 使用注塑零件。本例中所有数字均为假设,并非实际报价。
| 方法 1:打印 | 方法 2:注塑 | |
|---|---|---|
| 模具费用,T | $600 | $30,000 |
| 材料和零件,M | $60 | $18 |
| 装配,L | $25 | $10 |
| 产量 100 件时的单件成本 | $91 | $328 |
| 产量 500 件时的单件成本 | $86 | $88 |
| 产量 5,000 件时的单件成本 | $85 | $34 |
产量为 100 件时,每台注塑拾球器要分摊 $300 的模具费。产量为 5,000 件时,同一套模具只增加 $6。两种方法的成本在约 516 件时持平。这个数字等于 $29,400 的模具费用差额,除以注塑在每件上节省的 $57。
所以,产品该怎么造,取决于您预计能卖出多少。一个只需要 50 台拾球器的联盟不应该花钱开模。而在 5,000 件时,打印的每台成本比注塑高出 $51。
这里也回答了一个常见问题:做一个原型要花多少钱?原型本身只是小数目。随之而来的模具费用才是决定性因素。
第 6 步:试产与量产
在正式下单之前,工厂会先生产一小批,称为试产,通常视工艺而定为 30 到 300 件。设计已在第 4 步定型。现在接受检验的是工厂。零件在生产线上能否顺利装配?第一百件与第一件是否一致?就连包装盒也要对照产品检查。
在试产中发现的问题,只损失几件产品。同样的问题若在发货后才发现,就已经装在 5,000 个箱子里了。
然后开始量产。从这一步起,工作的重心就是检查。零件到货时要检验,成品要随机抽测,每一处变更都要记录在案。
本例的局限性
- 所有成本和 $250 的目标价格都是为演示计算而选定的假设。真实项目会拿到真实报价。
- 壁球拾球器没有开发到概念阶段之后。
- 本文不涉及电子、软件和安全认证。推式滚笼这三样都不需要,但许多运动产品三样都需要。
常见问题
和设计师沟通之前,我需要先申请专利吗? 不需要。保密协议可以保护沟通内容。是否申请专利,是另一个应当咨询专利代理人的问题。
可以跳过概念验证吗? 很少可以。这是最便宜的一步,后面的每一步都取决于它给出的答案。
一台机器应该同时服务两项运动吗? 一开始不应该。先针对问题最明确的那项运动来做,再做调整。
整个过程需要多长时间? 从 2 个月到 2 年不等,取决于您的需求、预算和毅力。
我们的定位
来源: NOCSAE ND049-19,新制造长曲棍球的标准性能规范 · 壁球规格,摘自维基百科的概述 · 球体的随机密堆积 · Kollectaball K-Field 捡球器 · Protolabs:注塑价格 · Xometry:注塑成本 · Fictiv:试产 · StudioRed:产品设计成本 · Cad Crowd:设计与原型制作费率. 相关: 硬件原型要花多少钱 · 如何把想法变成产品.