機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究

李艷鈺 袁文婷

濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濟(jì)源，459000

【摘要】本文從機(jī)械設(shè)計(jì)概念、類型及其發(fā)展過程出發(fā)，結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)遵循的主流程序，總結(jié)了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)；程序；重點(diǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的功能要求越來(lái)越高，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快。中國(guó)制造2025戰(zhàn)略要在2025年把我國(guó)建設(shè)成制造大國(guó)，制造強(qiáng)國(guó)，隨著機(jī)械自動(dòng)化的推進(jìn)，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)也已經(jīng)進(jìn)入自動(dòng)化，最終走向智能化，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高要求。

一、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)

（一）機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

Machine design是為機(jī)械設(shè)計(jì)，就是結(jié)合使用要求，將機(jī)械工作原理、運(yùn)行方式、結(jié)構(gòu)、能量傳遞方式、各零部件材料和尺寸形狀、潤(rùn)滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析以及計(jì)算，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成具體方案以作為制造依據(jù)的一個(gè)過程。在機(jī)械工程中機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)重要組成部分，它是機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)的第一步，也是決定機(jī)械產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。其最終目的是要在各類限制條件下設(shè)計(jì)出最好的機(jī)械產(chǎn)品，限制條件包括材料、理論知識(shí)、技術(shù)手段（加工能力）、計(jì)算能力等等，從而達(dá)到最佳的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

具體機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)則可劃分成四個(gè)類別，包括新型設(shè)計(jì)即應(yīng)用成熟的或經(jīng)過驗(yàn)證可行的新技術(shù)，設(shè)計(jì)以往不曾出現(xiàn)過的新型機(jī)械產(chǎn)品。繼承設(shè)計(jì)即根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品使用經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高性能，降低成本。變形設(shè)計(jì)即以市場(chǎng)為導(dǎo)向，為適應(yīng)新的需求，改進(jìn)已有機(jī)械產(chǎn)品，修改或增減一些部分，發(fā)展出不同標(biāo)準(zhǔn)型變形產(chǎn)品，比如inter桌面處理器就有入門級(jí)i3系列、中端i5系列、高端i7系列，還有服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)處理器，如至強(qiáng)系列等等。此外，還有一個(gè)分類則是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（二）機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展

20世紀(jì)70年代，德國(guó)興起了系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，具備一般設(shè)計(jì)模式，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)工作的條理性。把一個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)分解成多個(gè)具有層次性、關(guān)聯(lián)性的設(shè)計(jì)要素，當(dāng)所有要素結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)任務(wù)便可完成。我國(guó)以此為基礎(chǔ)研究得出了以用戶需求為導(dǎo)向，進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，在宏觀上利用質(zhì)量功能布置方法。同時(shí)把產(chǎn)品設(shè)計(jì)分解為功能、效應(yīng)、載體、形狀、參數(shù)五個(gè)設(shè)計(jì)要素，并借助生命系統(tǒng)理論將產(chǎn)品設(shè)計(jì)分為三個(gè)層次，包括功能需求層次、實(shí)現(xiàn)功能層次以及具體設(shè)計(jì)層次，用生命系統(tǒng)抽象地表達(dá)產(chǎn)品功能，從而形成產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

規(guī)劃產(chǎn)品方面出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方式，依照已有的通用零件部件等產(chǎn)品的解決方案，進(jìn)行任務(wù)的分解描述。在設(shè)計(jì)之初就將生產(chǎn)能力、成本以及設(shè)計(jì)計(jì)劃可調(diào)整性進(jìn)行全盤考慮，從而提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的可靠性，還能夠有效降低產(chǎn)品成本。理想的結(jié)構(gòu)模塊具有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、集成化等等特點(diǎn)。目前我國(guó)這方面的應(yīng)用主要是將軟件構(gòu)件和CAD技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)以及元件級(jí)這四個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，并用CAD技術(shù)將其組合成不同的產(chǎn)品。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用機(jī)械產(chǎn)品特征知識(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念興起。在設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上針對(duì)不同產(chǎn)品和零件進(jìn)行知識(shí)的梳理，在信息技術(shù)的支持下將其數(shù)字化。通過軟件系統(tǒng)的再加工，將其與工具軟件進(jìn)行整合，在技術(shù)層面上將設(shè)計(jì)知識(shí)工具化，形成符合要求的數(shù)據(jù)模型，為設(shè)計(jì)人員提供幫助。設(shè)計(jì)、工藝、制造以及管理等信息組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)模型，即要把產(chǎn)品形狀和結(jié)構(gòu)的信息以及產(chǎn)品工程屬性和制造要求等信息囊括進(jìn)去，合理利用程序開發(fā)軟件提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)與準(zhǔn)則的工具化，開發(fā)出友好的人機(jī)交互界面，方便設(shè)計(jì)人員控制設(shè)計(jì)參數(shù)、調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)等。

二、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)

現(xiàn)階段機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般遵循如下程序：整體計(jì)劃→設(shè)計(jì)計(jì)劃→草案圖→計(jì)劃圖→零件圖、裝配圖→制造→檢查→設(shè)計(jì)后期工作。

實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)過程是一個(gè)循環(huán)過程。從上述程序來(lái)看，整體計(jì)劃就是要確定需要制造的產(chǎn)品以及制造活動(dòng)內(nèi)容，就需要了解用戶要求，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，這為產(chǎn)品開發(fā)策略提供依據(jù)。同時(shí)領(lǐng)導(dǎo)者需要洞察社會(huì)變化并且預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展，最終形成可行的產(chǎn)品開發(fā)策略，進(jìn)而提出產(chǎn)品概念，逐步形成整體計(jì)劃，并在此基礎(chǔ)上研究技術(shù)可行性，進(jìn)行技術(shù)開發(fā)形成技術(shù)概念，最終形成設(shè)計(jì)方案。然后依據(jù)方案進(jìn)行生產(chǎn)加工，完成成品進(jìn)入市場(chǎng)，并向用戶提供售后服務(wù)，而這又是了解用戶需求和市場(chǎng)變化的關(guān)鍵途徑，最終形成一個(gè)封閉循環(huán)。

而機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)思過程最終是要以市場(chǎng)為導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品功能。以機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)為例，一般構(gòu)思過程，需要首先明確實(shí)現(xiàn)要求功能的可行性概念方案，進(jìn)而在技術(shù)范圍內(nèi)尋求實(shí)現(xiàn)功能的設(shè)計(jì)原理。并提出多個(gè)方案，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度評(píng)價(jià)和比較，選擇最優(yōu)化的技術(shù)方案。

在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中將機(jī)械設(shè)計(jì)的重點(diǎn)概括為平面機(jī)構(gòu)及其自由度求解；連桿機(jī)構(gòu)；齒輪機(jī)構(gòu)；漸開線齒輪及其相關(guān)尺寸計(jì)算；輪系傳動(dòng)比計(jì)算；帶傳動(dòng)；軸的類型及其尺寸計(jì)算，軸與軸承配合等等。結(jié)合上文的步驟分析，如果將機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序看成是輸入→研究→輸出這樣一個(gè)過程，由此推斷機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)有四個(gè)方面。

首先輸入部分有兩個(gè)重點(diǎn)。其一設(shè)計(jì)要求，包括目標(biāo)功能、運(yùn)動(dòng)范圍、性能參數(shù)、可靠性指標(biāo)、使用環(huán)境、成本、行業(yè)規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)等。其二市場(chǎng)調(diào)研，包括類似產(chǎn)品情報(bào)（照片、說明、論文、參考圖等）、相關(guān)專利、制造方法、生產(chǎn)設(shè)備、市場(chǎng)產(chǎn)品要求。比如說嘉峪關(guān)公路管理局應(yīng)急搶險(xiǎn)保障中心需要除雪，以往人海戰(zhàn)術(shù)耗時(shí)又耗力，除雪工作需要機(jī)械自動(dòng)化，因此采用了吉林省北歐重型機(jī)械股份有限公司的創(chuàng)新升級(jí)版除雪車，這是世界首臺(tái)環(huán)保型多功能除雪車。因此，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)必先有需求，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，企業(yè)需要降低成本提供性能更好、功能更強(qiáng)的機(jī)械產(chǎn)品針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。或是新技術(shù)出現(xiàn)，生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生了新問題或是新概念，就需要展開創(chuàng)新設(shè)計(jì)，制造新產(chǎn)品。上述兩個(gè)重點(diǎn)本質(zhì)上可以歸納為需求。

其次，研究部分，這個(gè)部分可以說囊括了最終機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案出臺(tái)前的所有過程，是最終成品質(zhì)量好壞的決定性環(huán)節(jié)。包括概念物化、基本工作原理、明確實(shí)現(xiàn)功能的技術(shù)路線、成本核算、可行性評(píng)價(jià)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、產(chǎn)品化可能性評(píng)價(jià)。一方面要根據(jù)需求細(xì)化設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，并使設(shè)計(jì)人員明確任務(wù)和目標(biāo)，同時(shí)組建設(shè)計(jì)項(xiàng)目組和領(lǐng)導(dǎo)小組，在后者的統(tǒng)籌規(guī)劃下，前者利用當(dāng)前主流的設(shè)計(jì)方法分步驟分階段進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，研究需求，形成初步可行的設(shè)計(jì)方案，并就技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度研究方案的可行性、可靠性，最終確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)圖紙。只有把這個(gè)環(huán)節(jié)做好才能真正保證制造出受市場(chǎng)歡迎并且性能好的機(jī)械產(chǎn)品。以機(jī)電產(chǎn)品為例，線分析并描述原有機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)的使用功能，總結(jié)其設(shè)計(jì)要求和限制條件等信息，畫出設(shè)計(jì)草圖，計(jì)算自由度，并思考設(shè)計(jì)目標(biāo)是否有需要改進(jìn)之處以及結(jié)構(gòu)方案是否需要改進(jìn)，最后出具設(shè)計(jì)研究報(bào)告。比如，大型五軸無(wú)模鑄造數(shù)控成型機(jī)（北京機(jī)械科學(xué)研究總院）完成國(guó)產(chǎn)化，這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)有模鑄造工藝難以滿足制造大尺寸、高精度、短周期等要求的產(chǎn)品，通過研究大型無(wú)模燭照成型機(jī)專用高仿砂防塵精密五軸頭、廢砂排除與防塵一體化系統(tǒng)、成形機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研究，最終研制出該產(chǎn)品。加工范圍可達(dá)3020×1600×1080mm，加工速度213mm/s，定位精度0.05mm，已授權(quán)2項(xiàng)國(guó)際專利、1項(xiàng)發(fā)明專利、2項(xiàng)實(shí)用新型專利。已經(jīng)過應(yīng)用驗(yàn)證，預(yù)計(jì)未來(lái)5年市場(chǎng)需求量2000～3000臺(tái)，價(jià)值60～90億元。

最后，輸出部分，包括圖紙、專利申請(qǐng)、設(shè)計(jì)參數(shù)，然后交付圖紙進(jìn)行加工制造，這時(shí)設(shè)計(jì)人員需要同加工制造單位保持順暢的溝通交流，及時(shí)了解加工進(jìn)度和存在的問題，做好及時(shí)處理工作外還需做好記錄，形成檔案，方便查閱。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)有三個(gè)方面，包括需求、研究以及最終交付加工制造。當(dāng)然隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)理論和方法也在進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)也可能出現(xiàn)變化，但需求和研究這兩個(gè)重點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生變化的，而第三項(xiàng)可能隨著3D一體化成型技術(shù)的成熟而變得不重要。所以在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，哪怕機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)入智能化時(shí)代，也不能忽視需求和研究。

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作者簡(jiǎn)介：李艷鈺，1986年5月，女，漢族，河南濟(jì)源人，本科，助教，研究方向：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論。