探究面向制造和裝配的食品機(jī)械設(shè)計

牛犇

摘 要：食品機(jī)械涉及到食品資源的加工、保鮮以及貯藏各個環(huán)節(jié)，對我國食品資源的利用以及食品的質(zhì)量具有重要影響。近年來，我國食品機(jī)械行業(yè)獲得了快速發(fā)展，但食品機(jī)械在設(shè)計過程中，仍偏重于基于原理的設(shè)計，從而使食品機(jī)械僅能滿足相應(yīng)功能，而未兼顧到設(shè)計的全過程，從而導(dǎo)致我國食品機(jī)械零部件的可裝配性與可制造性較差，造成了大量的浪費(fèi)。因此，加強(qiáng)對面向制作與裝配的食品機(jī)械設(shè)計研究已是勢在必行。本文在以我國食品機(jī)械制造現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，立足于基本實(shí)例，分析了面向制造與裝配的食品機(jī)械設(shè)計的方法思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計 食品機(jī)械行業(yè) 制造 裝配

中圖分類號：TS203 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0078-02

1 我國食品機(jī)械設(shè)計現(xiàn)狀簡析

在市場競爭激烈的環(huán)境下，好的食品機(jī)械產(chǎn)品要求在滿足外觀以及功能需求的前提下，還需有效減少產(chǎn)品制造與裝配的時間以及成本。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，在食品機(jī)械的開發(fā)設(shè)計階段，設(shè)計費(fèi)用占有80%左右的比重。優(yōu)秀的設(shè)計，能夠有效減少零件成本、裝配成本以及設(shè)計變更成本等，這就要求在食品機(jī)械的設(shè)計過程中，必須將設(shè)計、制造以及裝配等活動有機(jī)聯(lián)系起來。同時，隨著產(chǎn)品需求個性化的發(fā)展，要求食品機(jī)械設(shè)計制造，要在追求質(zhì)優(yōu)價廉的基礎(chǔ)上，最大限度地縮短產(chǎn)品的制造周期，并能提供優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)，從而使食品機(jī)械產(chǎn)品能夠迅速投產(chǎn)，并方便快速維修，降低因產(chǎn)品故障引起的損失。但就我國目前的食品機(jī)械設(shè)計現(xiàn)狀而言，還不能完全滿足食品機(jī)械上述的要求。這是由于我國在食品機(jī)械設(shè)計過程中，過分重視基于原理的設(shè)計，追求食品機(jī)械產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)，而未對制造過程、裝配調(diào)式、加工工藝以及維修檢驗(yàn)等后續(xù)設(shè)計環(huán)節(jié)引起足夠的重視，從而導(dǎo)致我國食品機(jī)械產(chǎn)品可維護(hù)性相對較差，且零部件的制造以及裝配性較差，不得不對其進(jìn)行反復(fù)的改進(jìn)，從而延長了食品機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)周期，質(zhì)量也得不到有效保障，從而造成了大量的浪費(fèi)。針對這一現(xiàn)狀，加強(qiáng)對面向制造與裝配的食品機(jī)械設(shè)計的研究，從設(shè)計思路與方法上加強(qiáng)對我國食品機(jī)械的改造，對于我國食品機(jī)械行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2 面向制造和裝配的食品機(jī)械設(shè)計

2.1 設(shè)計思路方法分析

DFMA，即面向制造與裝配的設(shè)計，它是機(jī)械設(shè)計制造領(lǐng)域中并行工程設(shè)計思想的具體體現(xiàn)，要求在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的全過程之中，體現(xiàn)并行工程思想。基于此，在面向制造與裝配的食品機(jī)械設(shè)計中，就要求在食品機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計之初，就要綜合考慮產(chǎn)品后續(xù)工程中將面臨的情況（如食品機(jī)械產(chǎn)品零部件的可制造性，以及提高裝配效率等問題），從而有效提高產(chǎn)品開發(fā)效率，降低設(shè)計成本。通常而言，DFMA主要分為兩方面內(nèi)容：面向制造的設(shè)計（DFM）以及面向裝配的設(shè)計（DFA）。在食品機(jī)械設(shè)計的初始階段或者概念設(shè)計階段，主要考慮食品機(jī)械產(chǎn)品的可制造性，也即是運(yùn)用面向制造的設(shè)計促進(jìn)食品機(jī)械產(chǎn)品的功能得以實(shí)現(xiàn)；而在食品機(jī)械產(chǎn)品零部件的具體設(shè)計階段，產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)的可裝配性則是主要考慮的問題，也即是運(yùn)用面向裝配的設(shè)計，進(jìn)行食品機(jī)械各零部件的優(yōu)化，使其便于裝配，從而提高零部件的裝配效率，并確保在滿足食品機(jī)械產(chǎn)品基本功能的基礎(chǔ)上，確保裝配所用的零部件的數(shù)量與種類最少，避免在零部件裝配過程中加工等，從而降低食品機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計成本。

相較于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計而言，采用面向制造與面向?qū)ο蟮氖称窓C(jī)械設(shè)計，能夠極大地減少零部件使用的數(shù)量（僅需原來的30%～70%），而且能夠有效地縮減裝配時間（最大可縮減至原來裝配時間的一半），從而全面降低食品機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)周期，使其能夠迅速地投產(chǎn)使用，全面提高了設(shè)計綜合效率，降低了開發(fā)成本與勞動強(qiáng)度。在面向制造與裝配的食品機(jī)械設(shè)計中，要求在設(shè)計過程中遵循以下原則：

（1）采用模塊化設(shè)計。

（2）盡量采用簡單的、標(biāo)準(zhǔn)的且易于裝配的零部件。

（3）盡量減少零件的種類以及零件的數(shù)量。

（4）便于產(chǎn)品的工作狀態(tài)的檢驗(yàn)以及故障的快速修復(fù)。

（5）在考慮實(shí)際加工成本的基礎(chǔ)上，對各零部件精度分配適合采用的工藝。

（6）在考慮普通裝配人員的裝配技能的前提下，注重裝配過程的簡化，盡量運(yùn)用經(jīng)常運(yùn)用的結(jié)構(gòu)。

（7）將設(shè)計過程中可有可無的附加設(shè)計取消，實(shí)施產(chǎn)品的可靠性設(shè)計，使產(chǎn)品無故障工作的平均時間得以延長。

2.2 實(shí)例分析

（1）傳統(tǒng)設(shè)計實(shí)例分析。通常而言，普通的小型食品機(jī)械在其設(shè)計過程中，所包含的電子元器件以及機(jī)械零部件至少都有上百個，若按照傳統(tǒng)的食品機(jī)械設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，就可能造成產(chǎn)品的設(shè)計中非標(biāo)件的大量使用、零件過渡設(shè)計，裝配時間過長、維修不便以及設(shè)計成本過高等不足。就如該案例中運(yùn)用傳統(tǒng)食品機(jī)械設(shè)計方法設(shè)計的一小型的液體自動包裝機(jī)，在其設(shè)計過程中，主要運(yùn)用活塞運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)（如圖1所示）實(shí)現(xiàn)對該裝置進(jìn)行定量間歇中的精確供料。圖1中，1～17則分別為該活塞運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的各零部件：撥叉、軸套、支承座、軸、螺母（5、6、12）、偏心滑塊、平墊圈（8、9、13）、螺栓、擋板、銷軸、開口銷、連桿以及偏心倒槽等。

2.3 應(yīng)用DFMA的分析與改造

根據(jù)面向制造與裝配設(shè)計原則，對圖1中的活塞運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析與改進(jìn)如下：

（1）根據(jù)該液體自動包裝機(jī)撥叉件的功能，在裝置中僅需在一個維度上開口，因此，在本設(shè)計中，右側(cè)視圖中的開口設(shè)計屬于冗余結(jié)構(gòu)，應(yīng)將其取消。同時，在活塞運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)中，撥叉件需要通過連桿的帶動而實(shí)現(xiàn)在軸上進(jìn)行擺動，因此，該裝置中的撥叉與軸在裝配中，具有精度要求。而該設(shè)計中，將裝配面設(shè)計得過大，導(dǎo)致?lián)懿娴目變?nèi)表面與軸的外表面都具有相當(dāng)高的加工精度成本，鑒于此，可適當(dāng)縮短該裝置中的軸向配合長度。

（2）裝置中，支承座的結(jié)構(gòu)屬于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，加工較為困難，因此，可使兩側(cè)與中間的固定部分與支撐部分稍微向內(nèi)縮進(jìn)一些，使其在同一平面內(nèi)，從而減少螺孔端面的磨削加工量。

（3）該設(shè)計在對軸的尺寸與結(jié)構(gòu)確定之后，未結(jié)合面向制造與裝配設(shè)計原則，選用標(biāo)準(zhǔn)件，因此，在進(jìn)行改進(jìn)中，在初步設(shè)計中的尺寸與結(jié)構(gòu)之后，優(yōu)選符合要求的軸套標(biāo)準(zhǔn)件，并對此處軸的具體尺寸與結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。

3 分析與討論

結(jié)合面向制造與裝配的食品機(jī)械設(shè)計原則對該案例中的傳統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，可發(fā)現(xiàn)，消除冗余結(jié)構(gòu)利于生產(chǎn)進(jìn)度的加快，對裝配過程中的連接設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，利于縮短裝配時間，提高裝配效率。同時，在設(shè)計過程中，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)件，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)成本的降低，并降低產(chǎn)品制造與裝配時的勞動強(qiáng)度。在食品機(jī)械設(shè)計過程中，運(yùn)用面向制造與裝配的設(shè)計思路與方法進(jìn)行設(shè)計，考慮了食品機(jī)械產(chǎn)品的全生命周期中所需考慮的注意事項(xiàng)，尤其是產(chǎn)品后續(xù)工程中制造、裝配以及維修階段中產(chǎn)品的可制造性，可裝配性以及可維護(hù)性，利于提高設(shè)計的綜合效率。

綜上所述，在食品機(jī)械設(shè)計過程中，面向制造與裝配的設(shè)計思想與方法的運(yùn)用，須在各設(shè)計階段，綜合考慮零部件、材料、工藝選擇，以及產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)須考慮的問題，從而提高設(shè)計效率，降低食品機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)周期，縮短故障修復(fù)時間，增強(qiáng)食品機(jī)械產(chǎn)品的可靠性以及性能。

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