單件小批量機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量設(shè)計(jì)

杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司□劉守謙

隨著 “個(gè)性化化服務(wù)”的盛行，在食品飲料行業(yè)中，客戶的個(gè)性化要求也越來(lái)越加凸顯。而機(jī)械產(chǎn)品的形成，又往往是經(jīng)過(guò) “試制—改進(jìn)—小批量生產(chǎn)—批量制造”的周期才能達(dá)到理想的質(zhì)量。 “單臺(tái)套制造”的機(jī)械產(chǎn)品，幾乎不可能達(dá)到最初設(shè)想的質(zhì)量要求。制造方又以 “首臺(tái)套”為由，堂而皇之地回避 “質(zhì)量不達(dá)標(biāo)”的問(wèn)題；用戶也被迫 “諒解”這一理由。

然而，用戶是用 “機(jī)械設(shè)備”生產(chǎn)自己的產(chǎn)品， “機(jī)械設(shè)備”的質(zhì)量問(wèn)題會(huì)給自己的 “產(chǎn)品生產(chǎn)”帶來(lái)無(wú)法回避的 “質(zhì)量”和 “效率”的問(wèn)題。所以，如何提高 “單臺(tái)套制造”的機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，是當(dāng)前亟待研究和解決的普遍性課題。本文重點(diǎn)從創(chuàng)新設(shè)計(jì)的角度加以分析、闡述 “單件小批量機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量設(shè)計(jì)”方法。

1 機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)

（1）創(chuàng)新思維與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

創(chuàng)新思維是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的靈魂。建筑設(shè)計(jì)、藝術(shù)設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)新思維，工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)同樣也需要?jiǎng)?chuàng)新思維。機(jī)械設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新思維，是指 “有意識(shí)的努力思考”與 “潛意識(shí)的思維反應(yīng)”的碰撞與結(jié)合，而產(chǎn)生的靈感上的頓悟。創(chuàng)新設(shè)計(jì)，必須以雄厚的的專業(yè)知識(shí)、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、海量的行業(yè)資訊為支撐；以敏銳的思維、科學(xué)的方法、簡(jiǎn)約的理念為引導(dǎo)；加以匯集、融合，而形成的巧妙的、富有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)構(gòu)思。

“雄厚的的專業(yè)知識(shí)”、 “豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)”，不是人人都有；但 “海量的行業(yè)資訊”，每位設(shè)計(jì)人員都可以通過(guò)資料查詢而獲得；“敏銳的思維”不見(jiàn)得人人都具備，但 “科學(xué)的方法”可以通過(guò)按部就班的學(xué)習(xí)去掌握； “簡(jiǎn)約的理念”也是每位設(shè)計(jì)人員應(yīng)該遵循、不斷追求的設(shè)計(jì)理念。

TRIZ理論是目前設(shè)計(jì)領(lǐng)域比較推崇的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法之一。在TRIZ理論中，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)為新產(chǎn)品的發(fā)展指出了方向。TRIZ理論認(rèn)為：任何一個(gè)產(chǎn)品或者客觀事物，都可以看作是一個(gè)系統(tǒng)；而任何一個(gè)系統(tǒng)都是按照一定的客觀規(guī)律進(jìn)化的，這并不取決于某一個(gè)人。新產(chǎn)品的產(chǎn)生是一種看似偶然的必然。因此，這個(gè)客觀規(guī)律就是可以被發(fā)現(xiàn)、認(rèn)知和利用的。

TRIZ理論將創(chuàng)新思想進(jìn)行了科學(xué)化的整理與提煉，是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有效開(kāi)發(fā)工具。利用TRIZ理論可以大大縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間，全面地解決矛盾和問(wèn)題。但并不意味著有了TRIZ理論就有了一把萬(wàn)能的鑰匙。應(yīng)用TRIZ理論時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的問(wèn)題進(jìn)行具體研究和分析，在TRIZ理論給出的一般理解的基礎(chǔ)上，利用特定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)去發(fā)掘需要的解決方案。

（2）新工藝的設(shè)計(jì)思維

針對(duì)食品、飲料行業(yè)，特別需要注重新知識(shí)、新工藝的學(xué)習(xí)。因?yàn)?，食品、飲料的生產(chǎn)與包裝，所涉及的技術(shù)包羅萬(wàn)象、廣泛跨界；大至整個(gè)工廠、整個(gè)物流運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)；細(xì)至毫厘之差，甚至飛塵、細(xì)菌的控制；外表固定、內(nèi)部如“翻江倒?！钡呐淞?、混料系統(tǒng)，外部飛速旋轉(zhuǎn)、內(nèi)部卻穩(wěn)流如絲的灌裝設(shè)備；有紙袋、塑料袋、紙盒、塑料瓶、玻璃瓶、鐵罐等小包裝，有紙箱、大膜包、鐵桶、編織袋、噸袋的大包裝；有生產(chǎn)線上精準(zhǔn)輸送，有倉(cāng)儲(chǔ)、物流的大噸位運(yùn)輸。就設(shè)備的組成而言，有傳統(tǒng)的齒輪、鏈輪、皮帶傳動(dòng)，也有氣缸、電缸、伺服電機(jī)等現(xiàn)代傳動(dòng)技術(shù)；有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)的經(jīng)典機(jī)構(gòu)，也有 “機(jī)器人工作站”的現(xiàn)代化技術(shù)；有接觸式、光電感應(yīng)傳感器、也有熱敏、壓敏、超聲波、激光測(cè)量等先進(jìn)的傳感技術(shù)；有PLC控制技術(shù)，也有總線智能控制系統(tǒng)，凡此種種，需要設(shè)計(jì)人員有廣泛的知識(shí)積累，和跨界的思維能力。

各個(gè)領(lǐng)域的新技術(shù)、新元件的不斷涌出，設(shè)計(jì)人員要及時(shí)跟蹤、了解，并努力學(xué)習(xí)、熟練掌握與自己的設(shè)計(jì)工作密切相關(guān)的新工藝、新技術(shù)，特別是市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)、并有成功應(yīng)用案例的新模塊、新元件的功能指標(biāo)與使用技術(shù)要求，以便及時(shí)、合理地應(yīng)用到自己的設(shè)計(jì)之中，使自己所設(shè)計(jì)的機(jī)器既先進(jìn)、有可靠。

“工藝設(shè)計(jì)”是機(jī)械設(shè)計(jì)的前提。正確的原理、合理的工藝，是一臺(tái)機(jī)器、一條生產(chǎn)線成功的前提條件。如：灌裝機(jī)的常壓灌裝、負(fù)壓灌裝、壓力灌裝等工藝；旋蓋機(jī)的機(jī)械式旋蓋、伺服旋蓋；包裝機(jī)的立式包裝、臥式包裝；裝箱機(jī)的推入式裝箱、抓取式裝箱、裹包式裝箱；碼垛機(jī)的紙箱排列 （排箱）等工藝；設(shè)計(jì)機(jī)器，必須首先確定 “原理、工藝”，然后再分模塊實(shí)施具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）模塊化設(shè)計(jì)思維

工藝確定后，各個(gè)功能塊的選型與模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；如前所述，了解市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)，并有成功應(yīng)用案例的新模塊、新元件的功能指標(biāo)與使用技術(shù)要求，往往能啟發(fā)新的設(shè)計(jì)思路。工藝設(shè)計(jì)決定后續(xù)的 “模塊設(shè)計(jì)”，反過(guò)來(lái) “模塊的選型設(shè)計(jì)”也可以進(jìn)一步優(yōu)化先期的 “工藝設(shè)計(jì)”；如氣動(dòng)模塊、電動(dòng)模塊、伺服模塊、智能化模塊組合等，都可以對(duì)前面的工藝設(shè)計(jì)有新的啟發(fā)。

“大道至簡(jiǎn)”，機(jī)械設(shè)計(jì)也是一樣，機(jī)器的方案設(shè)計(jì)要盡量簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)機(jī)器、制造機(jī)器的最終目的是替代人工勞動(dòng)，在保證勞動(dòng)質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率。所以，首先要參透所設(shè)計(jì)的機(jī)器想要達(dá)到的功能，利用所掌握的元器件功能、技術(shù)模塊的性能，用最簡(jiǎn)單的構(gòu)思、加以巧妙的組合，可以得到多種實(shí)施方案。再根據(jù) “所設(shè)計(jì)的機(jī)器”的產(chǎn)能要求，用動(dòng)態(tài)的想象，排除那些不適用的方案；然后，結(jié)合 “所設(shè)計(jì)的機(jī)器”的使用環(huán)境、操作需要，進(jìn)一步加以篩選、優(yōu)化，形成切實(shí)、可靠的設(shè)計(jì)方案。

2 技術(shù)設(shè)計(jì)

對(duì) “所設(shè)計(jì)的機(jī)器”有了整體的方案構(gòu)思以后，核心部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為主要矛盾，如灌裝機(jī)的灌裝閥、擰蓋機(jī)的旋蓋頭、瓶子裝箱機(jī)的抓瓶器，以及各種機(jī)器人工作站的抓具 （吸具）等，都是關(guān)鍵的零部件，需要精心設(shè)計(jì)。

根據(jù)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)原理，結(jié)合預(yù)先的“工藝設(shè)計(jì)”、綜合產(chǎn)能要求等 “設(shè)計(jì)輸入條件”，規(guī)劃?rùn)C(jī)器的主傳動(dòng)方案，以及主機(jī)架的結(jié)構(gòu)，并對(duì)輔助機(jī)構(gòu)提出 “動(dòng)作要求”。

（1）關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)

每臺(tái)設(shè)備都有關(guān)鍵的零部件，如前面所說(shuō)的灌裝閥、旋蓋頭、抓瓶器、抓具 （吸具）等，是該種設(shè)備的主要零部件；這些零部件是設(shè)備的核心部件，其中的每個(gè)零件都需要精細(xì)化設(shè)計(jì)。

（2）輔助功能的部件配套設(shè)計(jì)

為了保證設(shè)備主機(jī)構(gòu)功能的可靠性，或者說(shuō)根據(jù)工藝要求，往往還有一些輔助的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些輔助機(jī)構(gòu)需要與主機(jī)構(gòu)同步運(yùn)行，或按規(guī)定的時(shí)序運(yùn)行。通常，需要繪制整臺(tái)中各個(gè)執(zhí)行部件的動(dòng)作時(shí)序圖；根據(jù) “時(shí)序圖”設(shè)計(jì)整臺(tái)設(shè)備的傳動(dòng)鏈及其控制程序。

（3）各部分技術(shù)要求的提出

無(wú)論是關(guān)鍵零部件，還是輔助機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)圖中都需要有相應(yīng)的技術(shù)要求，用于指導(dǎo)零部件的制作與裝配；零件圖的技術(shù)要求包括：材料及材料的處理要求、加工精度要求、表面處理、特種零件的配套參數(shù)、焊接件的焊接要求等；裝配圖的技術(shù)要求，主要包括：各零件裝配前的要求、特殊裝配的指導(dǎo)方法，以及裝配后的功效要求等。

（4）設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)軟件

目前，電腦輔助設(shè)計(jì)已普及應(yīng)用，無(wú)紙化設(shè)計(jì)、制造也已逐漸興起。常用的設(shè)計(jì)軟件很多，如：平面圖設(shè)計(jì)軟件有：AutoCAD、CAXA；三維設(shè)計(jì)軟件有：SOLIDWORKS、Pro/e、UG、mastercam等；仿真設(shè)計(jì)軟件有：CATIA、 ADAMS、 ansys、 abaqus、 fluent等。 其中：AutoCAD、CAXA是目前主流的平面圖設(shè)計(jì)軟件；Pro/e、UG多用于造型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)；SOLIDWORKS廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的三維模型設(shè)計(jì)；mastercam提供了設(shè)計(jì)零件外形所需的理想環(huán)境，其強(qiáng)大穩(wěn)定的造型功能可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲線、曲面零件；CATIA、ADAMS、ansys、abaqus、fluent等，是目前國(guó)際上比較流行的模擬、分析軟件包，可以實(shí)現(xiàn)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、磁力場(chǎng)、流體力學(xué)、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)模擬和分析。

當(dāng)然，任何的設(shè)計(jì)軟件都是輔助工具，真正的設(shè)計(jì)水平、設(shè)計(jì)質(zhì)量，還是取決于設(shè)計(jì)者的思維和意識(shí)。從另一方面講，高級(jí)的設(shè)計(jì)軟件，使用成本也較高；對(duì)于普通的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，目前用AutoCAD、CAXA，及SOLIDWORKS、Pro/e、UG等輔助設(shè)計(jì)軟件就可以了。

對(duì)于特別關(guān)鍵的零部件，在條件允許的情況下，可以做一下模擬分析。若沒(méi)有模擬分析的條件，則可以采用實(shí)驗(yàn)室制造、原理模擬的方法，獲取有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或模擬姿態(tài)，為下一步的零件設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)、模擬的結(jié)果，設(shè)計(jì)關(guān)鍵的零件，不同類型的零件，有不同的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。以試驗(yàn)、模擬的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，零件的使用功能已經(jīng)有了基本保證。需要注意的是零件加工的可行性、以及加工的成本問(wèn)題。

首先，必須以本單位的加工工藝、通用的加工工藝為基礎(chǔ)，這就要求機(jī)械設(shè)計(jì)人員對(duì)常用的機(jī)加工工藝非常了解，食品飲料設(shè)備中，對(duì)于“細(xì)長(zhǎng)管”、 “小徑深孔”、 “特殊形狀的光潔表面”等零件結(jié)構(gòu)要素的獲得方法，也要胸有成竹；其次，對(duì)本專業(yè)的原材料的供貨規(guī)格要有所了解，以便統(tǒng)籌考慮，選用最接近零件使用要求的原材料，以節(jié)約加工成本。

（1）關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)

對(duì)于關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)，選材是第一位的。比如食品飲料行業(yè)的設(shè)備，與物料接觸的零件必須用316L不銹鋼或無(wú)毒無(wú)味、材質(zhì)細(xì)膩的超高分子材料；要耐酸、耐堿、耐腐蝕；零件外形要易于清洗，能 “在線沖洗”干凈；同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能要求。

（2）軸系零件的設(shè)計(jì)

軸系零件，大多數(shù)是承受交變載荷。零件的材料要有韌性、表面要耐磨，公差配合要適中，還要根據(jù)環(huán)境要求選用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑方式及密封結(jié)構(gòu)，亦或選用免潤(rùn)滑材料，軸肩倒角與清根的幅度也要謹(jǐn)慎考慮。

主傳動(dòng)軸是影響設(shè)備運(yùn)行性能的關(guān)鍵所在，軸承的選用與組合尤其重要。食品飲料設(shè)備中，豎直設(shè)置的傳動(dòng)軸很多，懸臂較長(zhǎng)的主軸經(jīng)常使用。所以在選用軸承時(shí)，不僅要經(jīng)過(guò)靜態(tài)的受力分析計(jì)算，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)一步做動(dòng)力學(xué)分析與計(jì)算。

（3）鈑金類零件的設(shè)計(jì)

在食品飲料設(shè)備中，鈑金類零件應(yīng)用比較語(yǔ)遍，常用不銹鋼 （鏡面、拉絲面、霧面），根據(jù)零件的作用不同，選用316L或304材料，主要考慮是否與食品物料有接觸；對(duì)于純粹外觀的鈑金零件，也要根據(jù)設(shè)備在車間的安裝位置是 “濕區(qū)”還是 “干區(qū)”，來(lái)決定用不銹鋼，還是普通鋼板噴漆，一般需從其用途、成本、及設(shè)備外觀的統(tǒng)一性來(lái)考慮。

（4）機(jī)架類零件的設(shè)計(jì)

在食品飲料行業(yè)，單臺(tái)套、小批量制造的情況下，通常用焊接結(jié)構(gòu)的機(jī)架。一般的灌裝設(shè)備，采用碳鋼焊接機(jī)架、不銹鋼外包；無(wú)菌灌裝設(shè)備采用不銹鋼焊接機(jī)架；特殊的包裝機(jī)，也采用不銹鋼焊接與鋁板組合的機(jī)架；干區(qū)的包裝設(shè)備采用碳鋼焊接、表面噴涂的機(jī)架，或鋁型材拼接的機(jī)架。

總之，機(jī)架設(shè)計(jì)以堅(jiān)固、穩(wěn)定為主要要求；同時(shí)要考慮材料的成本。對(duì)于重量較輕的機(jī)架，安裝時(shí)可輔以預(yù)埋的地腳螺栓。考慮到生產(chǎn)線的靈活性，預(yù)埋的地腳螺栓要慎用。

（5）鑄造類零件

食品飲料設(shè)備中，鑄造件應(yīng)用較少；偶有使用，多半是通用的外購(gòu)零部件。如閥體、傳動(dòng)轉(zhuǎn)向器、地腳、輸送鏈道上的通用連接件等。

（6）外購(gòu)的零件設(shè)計(jì)要求

食品飲料行業(yè)的設(shè)備，雖然都是單臺(tái)套、小批量制造，但其中的通用零部件很多，系列化的更換件也很多；每一個(gè)有積累的設(shè)備制造廠，其系列化的產(chǎn)品都已基本形成；即便是新興的設(shè)備制造企業(yè)，也可以從系列化的產(chǎn)品規(guī)劃起步。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就有系列化的理念，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求，也有效降低制作成本。

零件系列化的同時(shí)，也要著重考慮專業(yè)備件供應(yīng)商的備件類型，以及特型零件、專業(yè)加工的配套服務(wù)，如：鏈輪、齒輪、皮帶輪、星輪、護(hù)板、進(jìn)瓶螺桿等及真空吸具、裝箱機(jī)抓頭等。本行業(yè)的備件供應(yīng)市場(chǎng)已配套形成。這些外購(gòu)零配件的合理選用，會(huì)有效地降低設(shè)備的制造成本。

4 公差與粗糙度標(biāo)注

對(duì)于必須自已加工的零件，在零件設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

（1）通用的公差與粗糙度標(biāo)注

《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的公差配合應(yīng)用舉例，是通用的配合公差與粗糙度的選用標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)注參考值，通常是批量生產(chǎn)的條件下優(yōu)先選用。批量生產(chǎn)的零件在裝配時(shí)，可以通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)與測(cè)量，配對(duì)組裝。既保證使用要求，又相對(duì)地節(jié)約成本。

（2）單件、小批量零件的公差與粗糙度選用

對(duì)于單件、單套的配合零件，其公差精度的選用可以略高，表面粗糙度也隨之略高。這樣，雖然零件加工成本略高了一點(diǎn)，但保證了 “配合處”、 “傳動(dòng)副”真正的精度要求；表面粗糙度要求，也會(huì)有效地提高接觸面的磨合效率；從而有效地提高設(shè)備的整體 “運(yùn)行質(zhì)量”。

（3）輔助零件的公差配合要求

對(duì)于單件、小批量的輔助性零件，仍可參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的公差與配合的選用標(biāo)準(zhǔn)；表面粗糙度，則可以據(jù)食品飲料設(shè)備的通用技術(shù)條件標(biāo)注，以保證整體的 “外觀質(zhì)量”。

5 裝配與調(diào)試

機(jī)架焊好后，需要經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，所以機(jī)架要先期制作。時(shí)效不足的情況下，也可以采用“加厚安裝面”的方法來(lái)保證主體機(jī)架的裝配需求；也可以根據(jù)需要對(duì)輔助的 “執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件”采用 “安裝孔配做”或 “安裝位置可調(diào)”的結(jié)構(gòu)來(lái)保證最終的裝配質(zhì)量。這些方法要 “因地制宜”，在裝配圖的技術(shù)要求中需標(biāo)注清楚。

不論是自制的零件，還是外購(gòu)的零件，都要經(jīng)過(guò)清潔、檢驗(yàn)后再拿來(lái)裝配。單臺(tái)制造，裝配過(guò)程一定要認(rèn)真，絕不能 “只裝、不配”。在裝配的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)要求不相符的情況，一定要與設(shè)計(jì)人員溝通，及時(shí)返修零件，達(dá)到裝配技術(shù)要求。

裝配過(guò)程中，每完成一步，都要 “手動(dòng)盤車”或 “點(diǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)”，以檢驗(yàn)各個(gè)部件的裝配質(zhì)量；一步一調(diào)試，直至整機(jī)裝配完成。按 “點(diǎn)動(dòng)、慢運(yùn)行、提速運(yùn)行、設(shè)計(jì)速度空運(yùn)行”，“慢速模擬工況運(yùn)行、提速模擬工況運(yùn)行、設(shè)計(jì)速度模擬工況運(yùn)行”的步驟進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。條件允許的情況下，可做真實(shí)物料、實(shí)際工況的模擬調(diào)試后，再驗(yàn)收出廠，確保整機(jī)設(shè)備的出廠質(zhì)量。