李艷鈺 袁文婷

濟源職業(yè)技術(shù)學院，河南濟源，459000

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

【關(guān)鍵詞】機械產(chǎn)品設計；程序；重點

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品的功能要求越來越高，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越復雜，更新?lián)Q代的速度越來越快。中國制造2025戰(zhàn)略要在2025年把我國建設成制造大國，制造強國，隨著機械自動化的推進，機械產(chǎn)品設計也已經(jīng)進入自動化，最終走向智能化，對機械產(chǎn)品設計提出了更高要求。

一、機械產(chǎn)品設計

（一）機械產(chǎn)品設計簡述

Machine design是為機械設計，就是結(jié)合使用要求，將機械工作原理、運行方式、結(jié)構(gòu)、能量傳遞方式、各零部件材料和尺寸形狀、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析以及計算，進而轉(zhuǎn)化成具體方案以作為制造依據(jù)的一個過程。在機械工程中機械設計是一個重要組成部分，它是機械產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)的第一步，也是決定機械產(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計出最好的機械產(chǎn)品，限制條件包括材料、理論知識、技術(shù)手段（加工能力）、計算能力等等，從而達到最佳的綜合技術(shù)經(jīng)濟效果。

具體機械產(chǎn)品設計則可劃分成四個類別，包括新型設計即應用成熟的或經(jīng)過驗證可行的新技術(shù)，設計以往不曾出現(xiàn)過的新型機械產(chǎn)品。繼承設計即根據(jù)機械產(chǎn)品使用經(jīng)驗以及技術(shù)發(fā)展，針對現(xiàn)有機械產(chǎn)品進行改進設計，提高性能，降低成本。變形設計即以市場為導向，為適應新的需求，改進已有機械產(chǎn)品，修改或增減一些部分，發(fā)展出不同標準型變形產(chǎn)品，比如inter桌面處理器就有入門級i3系列、中端i5系列、高端i7系列，還有服務器標準處理器，如至強系列等等。此外，還有一個分類則是結(jié)構(gòu)設計。

（二）機械產(chǎn)品設計發(fā)展

20世紀70年代，德國興起了系統(tǒng)化設計方法，以系統(tǒng)理論為基礎，具備一般設計模式，強調(diào)設計工作的條理性。把一個設計系統(tǒng)分解成多個具有層次性、關(guān)聯(lián)性的設計要素，當所有要素結(jié)合起來，設計任務便可完成。我國以此為基礎研究得出了以用戶需求為導向，進行系統(tǒng)化設計，在宏觀上利用質(zhì)量功能布置方法。同時把產(chǎn)品設計分解為功能、效應、載體、形狀、參數(shù)五個設計要素，并借助生命系統(tǒng)理論將產(chǎn)品設計分為三個層次，包括功能需求層次、實現(xiàn)功能層次以及具體設計層次，用生命系統(tǒng)抽象地表達產(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)模塊化設計方式，依照已有的通用零件部件等產(chǎn)品的解決方案，進行任務的分解描述。在設計之初就將生產(chǎn)能力、成本以及設計計劃可調(diào)整性進行全盤考慮，從而提高設計效率和產(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)模塊具有標準化、系列化、通用化、集成化等等特點。目前我國這方面的應用主要是將軟件構(gòu)件和CAD技術(shù)結(jié)合起來，設計出產(chǎn)品級、部件級、組件級以及元件級這四個模塊化結(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，利用機械產(chǎn)品特征知識實現(xiàn)機械產(chǎn)品設計理念興起。在設計流程的基礎上針對不同產(chǎn)品和零件進行知識的梳理，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，將其與工具軟件進行整合，在技術(shù)層面上將設計知識工具化，形成符合要求的數(shù)據(jù)模型，為設計人員提供幫助。設計、工藝、制造以及管理等信息組成一個完整的數(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去，合理利用程序開發(fā)軟件提供的函數(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品設計知識與準則的工具化，開發(fā)出友好的人機交互界面，方便設計人員控制設計參數(shù)、調(diào)用數(shù)據(jù)庫等。

二、機械產(chǎn)品設計重點

現(xiàn)階段機械產(chǎn)品設計一般遵循如下程序：整體計劃→設計計劃→草案圖→計劃圖→零件圖、裝配圖→制造→檢查→設計后期工作。

實際的產(chǎn)品開發(fā)過程是一個循環(huán)過程。從上述程序來看，整體計劃就是要確定需要制造的產(chǎn)品以及制造活動內(nèi)容，就需要了解用戶要求，進行市場調(diào)查，這為產(chǎn)品開發(fā)策略提供依據(jù)。同時領(lǐng)導者需要洞察社會變化并且預測技術(shù)發(fā)展，最終形成可行的產(chǎn)品開發(fā)策略，進而提出產(chǎn)品概念，逐步形成整體計劃，并在此基礎上研究技術(shù)可行性，進行技術(shù)開發(fā)形成技術(shù)概念，最終形成設計方案。然后依據(jù)方案進行生產(chǎn)加工，完成成品進入市場，并向用戶提供售后服務，而這又是了解用戶需求和市場變化的關(guān)鍵途徑，最終形成一個封閉循環(huán)。

而機械產(chǎn)品設計構(gòu)思過程最終是要以市場為導向?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品功能。以機電產(chǎn)品設計為例，一般構(gòu)思過程，需要首先明確實現(xiàn)要求功能的可行性概念方案，進而在技術(shù)范圍內(nèi)尋求實現(xiàn)功能的設計原理。并提出多個方案，從技術(shù)、經(jīng)濟角度評價和比較，選擇最優(yōu)化的技術(shù)方案。

在機械設計基礎中將機械設計的重點概括為平面機構(gòu)及其自由度求解；連桿機構(gòu)；齒輪機構(gòu)；漸開線齒輪及其相關(guān)尺寸計算；輪系傳動比計算；帶傳動；軸的類型及其尺寸計算，軸與軸承配合等等。結(jié)合上文的步驟分析，如果將機械產(chǎn)品設計程序看成是輸入→研究→輸出這樣一個過程，由此推斷機械產(chǎn)品設計的重點有四個方面。

首先輸入部分有兩個重點。其一設計要求，包括目標功能、運動范圍、性能參數(shù)、可靠性指標、使用環(huán)境、成本、行業(yè)規(guī)格、標準等。其二市場調(diào)研，包括類似產(chǎn)品情報（照片、說明、論文、參考圖等）、相關(guān)專利、制造方法、生產(chǎn)設備、市場產(chǎn)品要求。比如說嘉峪關(guān)公路管理局應急搶險保障中心需要除雪，以往人海戰(zhàn)術(shù)耗時又耗力，除雪工作需要機械自動化，因此采用了吉林省北歐重型機械股份有限公司的創(chuàng)新升級版除雪車，這是世界首臺環(huán)保型多功能除雪車。因此，機械產(chǎn)品設計必先有需求，以市場為導向，企業(yè)需要降低成本提供性能更好、功能更強的機械產(chǎn)品針對現(xiàn)有產(chǎn)品進行改進設計。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)新設計，制造新產(chǎn)品。上述兩個重點本質(zhì)上可以歸納為需求。

其次，研究部分，這個部分可以說囊括了最終機械產(chǎn)品設計方案出臺前的所有過程，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、明確實現(xiàn)功能的技術(shù)路線、成本核算、可行性評價、穩(wěn)定性評價、產(chǎn)品化可能性評價。一方面要根據(jù)需求細化設計任務和要求，并使設計人員明確任務和目標，同時組建設計項目組和領(lǐng)導小組，在后者的統(tǒng)籌規(guī)劃下，前者利用當前主流的設計方法分步驟分階段進行設計研發(fā)，研究需求，形成初步可行的設計方案，并就技術(shù)和經(jīng)濟角度研究方案的可行性、可靠性，最終確定最優(yōu)設計方案和設計圖紙。只有把這個環(huán)節(jié)做好才能真正保證制造出受市場歡迎并且性能好的機械產(chǎn)品。以機電產(chǎn)品為例，線分析并描述原有機構(gòu)或系統(tǒng)的使用功能，總結(jié)其設計要求和限制條件等信息，畫出設計草圖，計算自由度，并思考設計目標是否有需要改進之處以及結(jié)構(gòu)方案是否需要改進，最后出具設計研究報告。比如，大型五軸無模鑄造數(shù)控成型機（北京機械科學研究總院）完成國產(chǎn)化，這是國內(nèi)首臺。該產(chǎn)品設計針對傳統(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，通過研究大型無模燭照成型機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3020×1600×1080mm，加工速度213mm/s，定位精度0.05mm，已授權(quán)2項國際專利、1項發(fā)明專利、2項實用新型專利。已經(jīng)過應用驗證，預計未來5年市場需求量2000～3000臺，價值60～90億元。

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

結(jié)束語

機械產(chǎn)品設計重點有三個方面，包括需求、研究以及最終交付加工制造。當然隨著技術(shù)的進步，設計理論和方法也在進步，機械產(chǎn)品設計重點也可能出現(xiàn)變化，但需求和研究這兩個重點是不會發(fā)生變化的，而第三項可能隨著3D一體化成型技術(shù)的成熟而變得不重要。所以在機械產(chǎn)品設計時，哪怕機械產(chǎn)品設計進入智能化時代，也不能忽視需求和研究。

參考文獻：

[1]孫文濤.機械產(chǎn)品設計中的造型學研究[J].機械設計，2011，09：6-9.

[2]周濟.制造業(yè)數(shù)字化智能化[J].中國機械工程，2012，20：2395-2400.

[3]胡光忠，柳忠彬，肖守訥.機械產(chǎn)品快速設計理論與方法研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代制造工程，2014，12：110-117.

作者簡介：李艷鈺，1986年5月，女，漢族，河南濟源人，本科，助教，研究方向：現(xiàn)代機械設計理論。