運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)

【摘 要】從目前情況看增加產(chǎn)品多樣性及其個(gè)性化成為占領(lǐng)市場(chǎng)滿足客戶需求的重要手段。產(chǎn)品需求的變化也促進(jìn)了生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，非標(biāo)設(shè)計(jì)研究和解決了快速進(jìn)行新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以滿足市場(chǎng)并在最短的時(shí)間內(nèi)以低成本將新產(chǎn)品投放市場(chǎng)，本文闡述了非標(biāo)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法及制作特點(diǎn)，比較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和積木式設(shè)計(jì)的優(yōu)略，研究了非標(biāo)零件標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建設(shè)，分析了具體產(chǎn)品方案的擬定方法。

【關(guān)鍵詞】積木式設(shè)計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)開發(fā)；結(jié)構(gòu)方法擬定

“非標(biāo)設(shè)備”就是指非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，不是按照國(guó)家頒布的統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格制造的設(shè)備，而是根據(jù)自己的用途需要，自行設(shè)計(jì)制造的設(shè)備；且外觀或性能不在國(guó)家設(shè)備產(chǎn)品目錄內(nèi)的設(shè)備。從某種意義上來(lái)講非標(biāo)設(shè)備可以定義為“因批量小或要求特殊而需要專門設(shè)計(jì)和制造的設(shè)備”。非標(biāo)設(shè)備具有單件或小批量生產(chǎn)、設(shè)計(jì)制造制約因素多等特點(diǎn)。70年代以來(lái)日本的“豐田模式”受到汽車行業(yè)的信賴和追捧，其中非常重要的就是技術(shù)創(chuàng)新和消除浪費(fèi)，而技術(shù)創(chuàng)新又是其中的重中之重。

汽車行業(yè)的繁榮程度是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)，而汽車零件加工的主要設(shè)備為機(jī)械設(shè)備。由于汽車產(chǎn)業(yè)的型號(hào)更新?lián)Q代非?？?，因此其中的機(jī)械非標(biāo)設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛。我國(guó)目前國(guó)內(nèi)的汽車企業(yè)，已經(jīng)有相當(dāng)一部分為本土公司，隨著原材料的國(guó)產(chǎn)化甚至本土化，生產(chǎn)設(shè)備也越來(lái)越趨向于國(guó)產(chǎn)化，也對(duì)我們現(xiàn)有的機(jī)械加工設(shè)備和生產(chǎn)、工藝技術(shù)提出了新的要求。進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備模塊化技術(shù)研究是經(jīng)濟(jì)全球化和縮減企業(yè)生產(chǎn)成本的必然要求，也為促進(jìn)我國(guó)國(guó)內(nèi)非標(biāo)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)不斷更新提供的有力保證。

針對(duì)非標(biāo)設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提倡新的設(shè)計(jì)理念及方法，把“積木式設(shè)計(jì)方法”與CAD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的功能相結(jié)合，深入理解并應(yīng)用到非標(biāo)設(shè)備實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過(guò)程，符合了CAD技術(shù)在非標(biāo)設(shè)備行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高工程師設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高非標(biāo)設(shè)備的整機(jī)性能和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高自主研發(fā)制作的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

一、非標(biāo)設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)方法

1.積木式設(shè)計(jì)方法

所謂積木式設(shè)計(jì)就是將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程看作是一個(gè)搭積木的過(guò)程，而這些商品化的標(biāo)準(zhǔn)件就是被選用搭建模型的“積木”，積木不僅指商品化的標(biāo)準(zhǔn)件，也包括設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)案例或者其中的某些機(jī)構(gòu)。因?yàn)楫?dāng)設(shè)計(jì)者每設(shè)計(jì)完成一項(xiàng)非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備，就如同多了一塊“積木”，這種“積木”逐漸增多，就形成了非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)的“積木”并納入“標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)”。有了“標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)”之后，就可以改變每次都要重新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)或裝置的被動(dòng)局面。當(dāng)要設(shè)計(jì)新的項(xiàng)目時(shí)，設(shè)計(jì)者可以檢索“標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)”，找出近似或者有參考價(jià)值的“積木”，并按照新的項(xiàng)目要求，對(duì)近似“積木”進(jìn)行修改或者變換，即可完成新的設(shè)計(jì)。這就大大減少了整個(gè)設(shè)計(jì)工作量，從長(zhǎng)期發(fā)展角度看，不僅提高了工作效率，更提高了設(shè)計(jì)的可靠性。以“破壞力試驗(yàn)”與“效率測(cè)試”兩臺(tái)架的支撐框架為例，支架的外形是非常相近的，利用CAD技術(shù)對(duì)其尺寸進(jìn)行相應(yīng)的更改，便可以生成想要的模型。

圖1.1 經(jīng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成不同尺寸的支架模型

2.“積木式”設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)

1）減少設(shè)計(jì)工作量，提高設(shè)計(jì)效率，解決時(shí)間緊迫的矛盾。2）提高可靠性，減少設(shè)計(jì)失誤。3）降低制造成本，減少修改和返工。

一個(gè)優(yōu)秀的非標(biāo)設(shè)備機(jī)械工程師需要較扎實(shí)的機(jī)械相關(guān)知識(shí)，如對(duì)零件的材料加工性能及使用性能要有深刻的理解，對(duì)機(jī)加工設(shè)備及生產(chǎn)加工工藝要非常熟悉，對(duì)材料熱處理方法及零件極限與配合，表面粗糙度及形狀位置公差等的設(shè)定要合理。在進(jìn)行非標(biāo)機(jī)加工件時(shí)外協(xié)的設(shè)計(jì)考量因素主要有以下幾方面：良好的加工工藝性和裝配工藝性，合理確定加工精度、配合種類及表面加工質(zhì)量，合理選擇熱處理及表面處理方式等。

二、非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)制作特點(diǎn)

行業(yè)內(nèi)非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備幾乎沒(méi)有一種是完全相同的。就算是同類設(shè)備，用戶每一次訂制，都會(huì)有新的要求和新的設(shè)計(jì)。隨著生產(chǎn)企業(yè)的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)品逐漸向?qū)I(yè)化發(fā)展，現(xiàn)有的生產(chǎn)非標(biāo)設(shè)備的方法已經(jīng)跟不上時(shí)代的步伐，而目前采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備基本上都有很大的局限性，改進(jìn)或改造都很困難。

在非標(biāo)設(shè)備的零件設(shè)計(jì)中，很大一部分都不能直接套用現(xiàn)成的計(jì)算方法和計(jì)算公式。大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算大多有規(guī)范化的計(jì)算程序和現(xiàn)成的計(jì)算公式，而非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算則不同，在大多數(shù)情況下，難以找到經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料，只能采用理論分析，并且沒(méi)有反復(fù)修改的條件和機(jī)會(huì)，同時(shí)有些精確計(jì)算公式計(jì)算繁瑣，需要選取的變量參數(shù)較多，使計(jì)算結(jié)果的變動(dòng)范圍很大。

目前我們采用的非標(biāo)設(shè)備的能量計(jì)算，可以建立在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，能量輸入及能量消耗的方式和過(guò)程是各式各樣的，但不管這個(gè)過(guò)程如何曲折復(fù)雜，都不影響這種計(jì)算方法的有效性和可靠性。

三、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的建立

無(wú)論什么種類的非標(biāo)設(shè)備，通常都是由傳動(dòng)裝置、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、冷卻或加熱系統(tǒng)、直接實(shí)現(xiàn)非標(biāo)設(shè)備主功能的專用主體部分、機(jī)體和電氣控制系統(tǒng)等一部分或全部組成。而傳動(dòng)裝置中的電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、離合器、傳動(dòng)機(jī)機(jī)座等都有標(biāo)準(zhǔn)件，盡可能采用合適可靠地標(biāo)準(zhǔn)件。包括軸、聯(lián)軸器、馬達(dá)同步帶輪、惰輪、同步齒形帶、免鍵襯套、平皮帶、皮帶、滑輪、惰輪滾輪、傳送類零件、春倫鏈輪、鏈條輸送等標(biāo)準(zhǔn)化和商品化的機(jī)械配套等，將這些標(biāo)準(zhǔn)件集中起來(lái)，建立“標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)”。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，直接選型，可在既定的標(biāo)準(zhǔn)件上進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，不僅提高了非標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)備的工作可靠性，還降低了非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的制造成本，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)效率、縮短了制造周期。

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的主要標(biāo)準(zhǔn)元件來(lái)源有三個(gè)方式：一是CAD/CAE軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，二是各類型標(biāo)準(zhǔn)件制造商的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，三是作為設(shè)計(jì)者自己工作過(guò)程中累積的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。

1）Solidworks標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)

圖1.2 Solidworks標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)

其中包括螺絲、螺母、螺栓、墊片、卡環(huán)、軸承等。才外，類似標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)還應(yīng)包括建立在軟件基礎(chǔ)上的二次開發(fā)的各類專家系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1.3 基于Solidworks二次開發(fā)的螺紋結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)

2）各供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)

圖1.4和1.5分別為機(jī)械和電器元件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。

圖1.4 機(jī)械元件標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)

圖1.5 電器元件標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)

此種“積木”從類型上看可以是某種功能相同的不同品牌的元件，也可以是同類品牌不同功能的元件。

3）設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中建立的基礎(chǔ)“標(biāo)準(zhǔn)”庫(kù)

設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于案例的不斷增多以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的增多，尤其是對(duì)相關(guān)元器件和機(jī)械機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，為以后的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

圖1.6 常用非標(biāo)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)件的類型（電機(jī)、抓手、按鈕、輸送機(jī)構(gòu)等）

設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中自建的基礎(chǔ)“標(biāo)準(zhǔn)”庫(kù)中，相似或和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)可能是功能相同機(jī)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)件，又或者是相似機(jī)構(gòu)不同功能的結(jié)構(gòu)件。不僅僅可能是工裝，還有可能是送料機(jī)構(gòu)，或是下料機(jī)構(gòu)，或是移載機(jī)構(gòu)，或是輸送機(jī)構(gòu)，或是驅(qū)動(dòng)總成，或是機(jī)架等。

四、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)擬定的方法

非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)流程一般包括：用戶需求及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、根據(jù)要求擬定設(shè)計(jì)方案、確定設(shè)計(jì)方案、確認(rèn)選型并外購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件、設(shè)計(jì)繪制結(jié)構(gòu)3D模型、功能模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)、修改確認(rèn)總裝、出BOM表及2D圖紙、外協(xié)機(jī)加工非標(biāo)準(zhǔn)件、SQE外協(xié)非標(biāo)準(zhǔn)件和外購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件、裝配總成、調(diào)試設(shè)備、總檢、交付用戶使用、售后服務(wù)等。以上是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)的基本流程，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以根據(jù)具體情況加以變動(dòng)；有時(shí)可將幾個(gè)步驟結(jié)合在一起進(jìn)行；有時(shí)也可以省略或增加某些步驟。

1.認(rèn)真落實(shí)非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的功能和參數(shù)

在擬定結(jié)構(gòu)方案之前，設(shè)計(jì)者必須詳細(xì)了解用戶對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的具體要求，并進(jìn)一步確定設(shè)備的主要功能和參數(shù)，這是擬定結(jié)構(gòu)方案的必要條件和依據(jù)。

2.根據(jù)產(chǎn)品的制造工藝流程找出設(shè)備的工作原理

在保證非標(biāo)設(shè)備的要求和參數(shù)之后，工作原理就成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3.根據(jù)工作原理擬定最合理的結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)現(xiàn)有的條件擬定快速便捷可靠地結(jié)構(gòu)方案。如過(guò)往的設(shè)計(jì)案例，采用積木式設(shè)計(jì)方法，套用相同或類似的機(jī)構(gòu)或總成裝配體；反之，受加工條件或時(shí)間限制，亦可采用現(xiàn)有機(jī)構(gòu)，調(diào)整實(shí)現(xiàn)方式。

圖1.7所示為某測(cè)試設(shè)備中的校準(zhǔn)裝置及耐壓檢測(cè)裝置，外圍機(jī)架部分較為相似，動(dòng)作桿及定位桿的功能相同，但驅(qū)動(dòng)方式不同。在加工的過(guò)程中，有相當(dāng)部分的機(jī)加工件是相同的，減低的設(shè)計(jì)時(shí)間及加工時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)件部分可以分別選購(gòu)。大大降低了設(shè)計(jì)成本，購(gòu)料時(shí)間和物料成本，進(jìn)而裝配（安裝和調(diào)試）成本也得到很好的控制。

（a） （b）

圖1.7 利用模塊化設(shè)計(jì)的耐壓裝置與校準(zhǔn)裝置

總之，在實(shí)際工作生產(chǎn)非標(biāo)設(shè)備時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅可以幫助設(shè)計(jì)人員快速有效地完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，而且可以大大減低物料成本和時(shí)間成本，進(jìn)而幫助企業(yè)獲得更多的利潤(rùn)空間。

模塊化設(shè)計(jì)方法的核心就是積木式設(shè)計(jì)，基本單元就是“積木”。在設(shè)計(jì)時(shí)，選用合適的積木，或?qū)ο嗨品e木進(jìn)行改進(jìn)，需要機(jī)械設(shè)計(jì)者們有大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)注重團(tuán)隊(duì)合作，共建“標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)”。

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