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年代已成功開發(fā)了一種結(jié)合飛行時間技術(shù)和傳統(tǒng)四極設(shè)計的混合質(zhì)譜儀。這項新設(shè)計之所以受到化學(xué)家們的青睞，是因為它擴大了實驗室能夠分析和識別的化合物的范圍——從命名簡單的化合物到區(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，管理層啟動了Qstar項目，這是公司25年歷史上最大的產(chǎn)品開發(fā)項目。由75名成員組成的開發(fā)團隊將把由研究實驗室的科學(xué)家開發(fā)的一個電路試驗板改造成了一種高質(zhì)量、具有成本競爭力、可裝運的產(chǎn)品，不需要安裝技術(shù)人員進行現(xiàn)場組裝。

（三重四極質(zhì)譜儀飛行管視圖）

實現(xiàn)這些目標(biāo)是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為電路試驗板本質(zhì)上是用于證明概念的科學(xué)實驗，而且太復(fù)雜了，無法構(gòu)建和使用。機械工程經(jīng)理喬治·瓦萊蒂斯說：“每一個都是定制組裝和調(diào)整。”因此，設(shè)計和制造工程師團隊必須與科學(xué)家合作，將電路試驗板轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。

工程團隊使用了BDI公司的DFA軟件，這是面向制造和裝配設(shè)計（DFMA?）系列軟件的一部分。此外，該團隊還依賴于Edward de Bono博士開發(fā)的“六思維帽”頭腦風(fēng)暴技術(shù)。Valaitis說：“DFA軟件是促進討論和指導(dǎo)設(shè)計技術(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)計工作就可以如期進行?！?/span>

   創(chuàng)新過程

第一，制造團隊的認(rèn)識。

Qstar質(zhì)譜儀是一種小產(chǎn)量的大型精密儀器。他們認(rèn)識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)場性能。

第二，重新設(shè)計Qstar。

簡化電路試驗板的重要目標(biāo)是使其具有盡可能少的組件，并設(shè)計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，并激發(fā)創(chuàng)新的方法來鞏固零件和消除裝配困難。在DFA軟件指導(dǎo)下進行了一輪改進后，投入生產(chǎn)的Qstar版本不需要在裝配后調(diào)整的情況下實現(xiàn)了嚴(yán)格的機械公差。

第三，穩(wěn)定儀器及其模塊，方便運輸。

因為研制電路試驗板的科學(xué)家利用重力把一些組件固定在一起，所以這個裝置不能承受任何側(cè)向負(fù)荷。此外，電路試驗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。對重新設(shè)計的儀器進行的測試表明，它能承受8G（重力G）的側(cè)向載荷。

第四，借助DFA軟件設(shè)計的最重要的組件之一是飛行管。

它是一個附加組件，允許傳統(tǒng)的四極體裝置生成同等數(shù)量級的更多被測物質(zhì)的數(shù)據(jù)。飛行管開發(fā)團隊成員機械工程師Goran Marunic說：“我們一個接一個地回答了DFA軟件中的問題，這些問題引發(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)計模塊化，旨在實現(xiàn)更易于開發(fā)管理和更好的裝配及服務(wù)。我們按照邏輯將設(shè)計分為多個組件，每個組件都有自己的物料清單?！?/span>

Marunic和他的團隊為裝配實踐進行了良好的設(shè)計，還將飛行管的部件設(shè)計成自固定和自對中模塊。離子探測器和加速器組件的組裝只能用一種方式配合，因此裝配機械師可以每次正確插入它們，而不必花費時間調(diào)整對準(zhǔn)。

（飛行管頂部視圖）

   創(chuàng)新亮點——反射鏡組件的設(shè)計

反射鏡組件是飛行管中的關(guān)鍵模塊，也是試驗板中最脆弱的部件。因此，使用DFA軟件對反射鏡組件進行了多次分析。在考慮了結(jié)果并改進了反射鏡模塊之后，再次使用該軟件來驗證我們的概念。

（反射組件視圖）

軟件標(biāo)記的一個問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。在電路試驗板中，陶瓷球被用作每個金屬環(huán)之間的隔離物以調(diào)節(jié)整個組件到-5到+1千伏電位。因此，在設(shè)計過程中，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)實堅固。

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：“作為替代方案，我們設(shè)計了一個連接，允許技術(shù)人員將電阻壓入金屬部分，因為這樣不需要螺絲，組裝迅速，更換方便?！?/span>

最后，Qstar團隊設(shè)計了一個反射器組件，它可以在45分鐘內(nèi)組裝起來，并且可以在不干擾儀器其余部分的情況下拆卸和維修。初始的電路試驗板反射器包含289個零件和26個獨特組件，而最終的反射器模塊包含144個零件和21個獨特組件。只有三個螺釘和三個螺母將144個零件固定在一起。因此，更好的平行度是另一個重要的結(jié)果。

（反射鏡組件頂部視圖）

   創(chuàng)新小結(jié)

從一開始，Qstar工程師遵循設(shè)計實踐，幫助他們避免質(zhì)量控制和制造中的故障排除。他們策略的關(guān)鍵要素是在采用模塊化的設(shè)計，并確定可測量的參數(shù)，這些參數(shù)將指示儀器在現(xiàn)場執(zhí)行的能力。飛行管組件的平行度就是這樣一個參數(shù)。因為飛行管的偏移電壓是管平行度的函數(shù)，所以Qstar開發(fā)團隊決定測量電壓將是對平行度的快速質(zhì)量控制檢查。如果偏移電壓或其他值超出公差范圍，研究團隊可以利用Qstar的模塊化設(shè)計來找到問題的來源。

Marunic指出：“模塊化的設(shè)計能夠在不中斷生產(chǎn)的情況下找到問題并迅速加以糾正?！蓖ㄟ^減少零件數(shù)量，Qstar工程師將每臺設(shè)備的材料成本降低了35000美元，并減少了設(shè)計和制造錯誤的機會。同時，在其他方面也節(jié)省了資金。最重要的是，DFA幫助縮短了20%的開發(fā)周期。MDS Sciex Management計算，在14個月內(nèi)上市后，收入增加了2000萬美元，并使Qstar在第一年的銷售中占據(jù)全球市場的五分之一。對于一家計劃繼續(xù)跨越機遇之窗的公司來說，這是一次受歡迎的著陸。