資深機械設計工程師對產品標準化的設計思路探討

文/深圳市橙子自動化有限公司 劉工

結構是產品實現功能的基礎，軟體是產品的靈魂，兩者任一個缺陷都造不出優秀的產品，評價一個工程師的能力可以從其設計項目看出其放入多少設計思想，繪畫員級別的工程師畫零件圖通常不加入任何思想進去，從草圖開始可能就沒有完全定義，裝配圖就如同搭積木一層一層疊加，不考慮因加工精度等原因造成裝配困難，工程圖基準與公差隨意性較大。初級工程師會對零件圖按加工順序或加工方法進行繪製，不至於車床加工的軸件按拉伸凸台的方式一層一層疊加，裝配圖通常也會考慮裝配先後順序和裝配過程中因零件加工精度的原因帶來的裝配精度，對工程圖尺寸標準有明確的加工基礎面和公差，不會在非關鍵尺寸上標0.002的高要求，還說自己設計的東西很精密。

而一個高級工程師其所畫的零件圖，在加工製作方面考慮到加工裝夾與加工成本問題，已完全按工藝需求來設計並充分考慮到運動受力情況，對關鍵複雜部分會用有限元進行強度、疲勞等的分析，在結構設計、材料、加工處理、功能方面融合一體，裝配圖上已有了使用壽命和損壞後的維修方法，極少出現為換一個壽命短的零件拆下一大堆東西的問題，並且可以清晰地寫出自己的設計文檔。對一個大師級的工程師，他已經很少會在零件與工程圖之間花費時間，更多的是對整個產品的核心競爭力負責。對產品的規範化，標準化、模塊化方面花費更多的精力，了解國內外製造業相關標準規範和行業動態同時分析自己的產品在市場上的價值與壽命，並有更好的技術方案對策，清楚競爭對手的產品並能夠一針見血的指出對方的短木板與自己產品的優勢所在，並制定長期的發展戰略來提升自己的產品來滿足市場需求。

要想成為真正的機械設計工程師，除了需要一定的時間經驗進行磨礪之外，更重要的是需要有自己的設計靈魂，精明的工程師勤奮好學更講究方法。一個優秀的結構工程師應具備以下基本條件：

1.見多識廣，熟悉市場能提供的通用零件、標準零件和其它組件，清楚各類標準零件結構與應用，了解各行業配件與設備，熟悉當前產品工藝。了解常用的外購件的品牌，有助於你選擇合適的供應商，儘可能多的了解外購件和標準件的種類，拓寬知識面。對一個產品設計有優質的方案構思，產品的設計成本很大程度上取決於方案，見過同一種產品加工工藝，有用各種機械手進行操作，成本幾十萬的方案，而另一種只用兩個氣缸及一些軟膠進行操作，成本只有一萬多的方案。一般剛入門的時候，只是幫老工程師出圖，或跟進修改一些小問題，就算設計很多只能照抄，在此過程中需要去理解原設計者的意圖和思維，理解整個機器的傳動，各個裝置之間的相互關聯，每個零件的相互關係，理解之後就可以出圖，圖紙上就可以有明確的尺寸配合要求，形位公差約束。

2.基礎紮實，了解材料特性，機械加工工藝，機械運動控制形式和優缺點，能分析各運動結構和主體結構的受力情況。會設計不一定要會機械加工，但至少要懂得各類機械加工工藝與加工特點，在設計時加以充分考慮，會畫圖不代表設計，如果自己都不知道按什麼方法畫，也不知道設計的零件如何加工那就不叫設計了。之前碰到好多自以為設計的東西是很精密的工程師，不管設備零件是否有必要精度要求，都玩命的把精度往上標，動不動就0.005，0.002，本來就用普通平墊可以解決的還非得定製一個墊圈來用，只會把成本都浪費在無意義的地方。

3.學會使用工具，很多勤勞的工程師喜歡自己花一天時間去計算整理，甚至不知疲倦地重複設計相類似的結構，不會在設計過程中查手冊和資料，不懂得運用可自動計算的工具來複制自己的工作，而在他們忽略的手冊和工具中已有很多前人已整理好的經驗技術資料或各種科學計算的方法和公式，也有很多供應商手冊中就有設計教導方法。精明的工程師通常都會在空閑之時翻閱各類設計手冊，設計圖例，優秀供應商資料，哪怕只看看目錄也能加深印象，以便在以後需要之時找到。

4.熟練使用一兩門設計軟體，相似軟體不需要門門精通，找到一個適合自己使用的軟體並應用精通，如果軟體只是用來畫零件裝配出工程圖，那隻能說你會用而已，最多也就用了20%，有些工程師得到一個項目就開始畫圖，沒有明確的思路，先做哪個草圖，先建哪個特徵，後做哪個特徵，全是想到那，做到哪。甚至草圖都沒有約束完全，想到要減短不去改總長直接來個切除。隨著零件特徵的不斷修改，一個很簡單的零件做到最後，佔用的內存很大。因為沒有明確的思路，往往會給後面的修改帶來很大麻煩，經常拿到一些工程師的相似零件想修改點尺寸使用，看了後發現比自己重畫還複雜，因為根本找不到要修改的尺寸或修改一個尺寸出現一堆特徵報錯的問題。建模的思路遠比會操作某個命令要重要得多，軟體功能很強大，一些功能可以批量處理你的重複工作；一些功能可以檢查你的設計缺陷；一些功能可以改善你的設計性能；一些功能可以降低設計產品的製造成本。

製作一個優秀的產品，如果還是按非標產品來進行設計，工程師憑經驗感覺進行設計，其很難兼顧到最小的製造經濟與最大的機器性能，對產品而言，理論先行是最省時省錢的辦法，機械設計沒有理論很難做出精品。當一台非標設計要轉變成標準產品時，需要做的工作便比非標項目多很多，原來可以隨意建立的零件都需要充分考慮其命名規則，通用性、經濟性、可擴展性和是否可量化，對產品各部件進行模塊化、標準化轉變，對使用者充分考慮安全簡單、人性化操作。

非標自動化設計多數在時間上較緊，通常省略了前期市場分析評估，直接根據客戶需求確定方案，再進行功能選型、零件匹配，在設計過程中也簡化了評審再評審的工作，工程師多數以之前的經驗作為基礎進行設計或用相似機器原型進行修改拼裝成適合的新機器，對理論數據設計相對較少，也由於產品數量少的原因，放棄了通用性、經濟性、可擴展性的考慮。

一個產品的開發必須經過市場調研，了解市場背景確定產品市場定位，再根據市場情況及相關行業的技術情況分析可開發產品的範圍，定義好產品功能，分析公司的設計製造能力。一台大型設備通常由多台機器組合而成，而每台機器又分多個功能模塊，每個模塊再設計不同功能的零件或用標準零件裝配而成。在設計過程通常由多名工程師根據自身特長針對性地設計功能模塊或機器，共同協作完成。

機械設計包含方案、設計、製造、使用，維護幾個過程的思想，前期的優劣直接影響到後期的性能與成本，就有設計一天修三天，設計三天閑兩天；賣一年爛機器修三年的說法。設計時的疏忽總會在後面反映出來，設計的過程中，受製造的影響很大，也就是說好的設計是不能脫離製造的，對製造越了解，越有助於提高設計水平。設計的圖紙，投入生產，很多並不能立即按圖加工裝配，在審圖、工藝等過程發現大堆的問題很常見，包括一些資深的高工、總工拿出的圖紙，也有可能是經過多次開會研究反覆討論出來的結果，原因是一個人不可能全才，其他方面總有高人，但設計人員對製造工藝的了解不深入會是主要原因。以前一個零部件在設計過程中檢查修改八遍的事情我干過，一個方案功能結構在設計完成後推倒重定方案再設計也沒少做。

設計方法不同工程師會有不同的思路，現就談談個人在產品設計整個過程思路。

1．分析產品功能定義與工藝要求，把大腦中想像出來的產品在紙上勾畫出大概形狀並理清功能模塊設計方法，總體思路清楚後再用軟體對產品進行方案式設計，初步評估設計方案可行性。

2．確定產品重點功能模塊（影響工藝要求相關部分），分出整機設計先後順序，按整體方面從大到小，細節方面從內到外的原則進行。整體方面，設計一個機器框架、平台，預定各運動模塊尺寸與位置，最後確定小型功能模塊安裝，整體規劃好後便進入細節設計，細節設計順序剛好與整體設計順序相反，最先對安裝於運動未端部分進行設計，以便清楚未端部件大小、重量、重心位置等參數，然後根據已有參數再逐級向上設計各運動部件，最後才設計機器機架與外殼。

3．零件設計可以根據主要加工工藝順序一步步進行出圖，其與加工製作形成同步，如板件可以按外型畫出草圖並拉伸厚度，把下原料、加工外形、加工通孔等一次性畫好，其與加工方法也基本相同，同時考慮好加工基準面並盡量用基準面去標註尺寸，然後再畫重點特徵，並對後續特徵（如打孔挖槽）尺寸關聯到重點特徵上，以便後繼修改位置時無需每個特徵都修改，最後才畫無位置關係的加工。軸件可以畫出各台階面尺寸並定好軸芯旋轉生成，同時考慮單端還是兩端裝夾，是否需要端面支撐等，分兩端加工的還得考慮先加工哪一端，加工一端後如何裝夾才能滿足同心度，長度是否方便測量，測量基準面為哪個台階面。鈑金件設計與加工商能力關係很大，通常在尺寸上不能太理想化，不光要考慮鈑金成型工藝造成的尺寸偏差，更要考慮加工商能力與方法上的誤差，這樣就需要工程師在裝配設計上充分滿足因各種誤差帶來的裝配效果。一般來講，零件的結構和形狀越複雜，製造、裝配和維修將越困難，成本也越高。所以，在滿足使用要求的情況下，零件的結構形狀應盡量簡單，力求減少加工表面的數量和加工的面積，公差精度越少越好,產品的成本是按精度的幾何級數上升的，設計者筆頭上稍微疏忽，成本可能直線上升幾倍。幾個符合精度的零件不一定能裝起來，尺寸鏈問題在裝配設計中就要考慮避免。

4．功能模塊設計，個人習慣在模塊設計時用配置生成系列化零件庫或模塊化功能配件，各零件裝配關係都直接在零件草圖中標註清楚公差等級，以便在生成工程圖或轉交其他工程師時可以很直觀地了解設計思想。對功能模塊設計如同整機設計相似，也是先確定整體安裝情況，先對工藝要求及安裝要求進行初步規劃結構，再根據使用條件選擇零件材料、工藝處理、成本評估，如運動部件還需對速度、重心、力矩等進行計算，關鍵部件要用有限元分析應力、變形、失效等優化設計，最後確認尺寸與重量是否與定義相符，裝配順序是否與設計相符，是否會因人為原因造成模塊裝配精度不穩定，維護是否方便拆裝。

5．零件的選擇，很多工程師都很勤快很賣力，設計起來一頭扎進去玩命地畫圖，標準的非標的都一五一十地描繪出圖，相似的零件也一個個畫出來。在這種缺乏有效選擇的情況下，只會出現工作效率低、生產管理成本高、非標零件圖紙數量多、售後維護難的情況。很多時候，工程師需要的是準確判斷，如果可以用標準零件的就必須用，裝配後對精度要求不高的零件就盡量不標公差要求，之前見過十多年的老工程師還特別喜歡在小皮帶輪上自製非標墊片，理由是精度高，但實際皮帶比輪寬足足小0.5mm，自製墊片只不過是在浪費成本而已，此類華而不實的設計盡量少干。可能有人認為拿別人畫好的零件或設計好的半成品體現不出自己的設計能力，但問題是很多工程師也僅僅只是重畫一遍而已，沒有創新。設計之時，我首先考慮使用各類設計手冊或軟體上自帶的標準零件，節約設計時間與成本，對於常用的非標準零部件，通常先在供應商或網上找相關設計模型資料，因為此類零部件我們自己生產與外購價格不會相差很多，質量與交期可能外購更有優勢，同時因技術經驗管理等方面，供應商已形成他的標準零部件而我們還是非標件，充分利用他人的技術經驗與資源，實在沒有必要去再設計。

6．設計檢查，完成一個零件、工程圖或者一台機器的設計，最重要的是檢查檢查再檢查，因為大神也有分神的時候，每個人都有考慮不周的時候。所以檢查很重要，零件的加工問題、公差尺寸、裝配工藝、運動干涉、受力情況等。每一個設計者從一開始搞設計就應該保持一絲不苟、嚴格要求，堅持不懈的作風，久而久之習慣了才能練就一身敏捷、利落的好本事。

7．虛心學習團隊合作，在設計方面，包括各個部門或供應商，各個機械工程師和電氣工程師。由於各個工程師都在負責不同部分，這就面臨各工程師之間需經常溝通協作，在技術討論的時候，盡量用理論數據結合實際進行技術說明，不依靠個人經驗或權威獨裁，因為很少有人可以兼顧產品的多個方面的能力。在設計過程中，對不清楚的地方一定要虛心地尋求幫助，沒有哪個工程師或供應商會瞧不起虛心求教的人，就算生產線的小小鉗工車工，相信他也會很樂意告訴你他的打磨方法或能達到的加工精度。機械工程師也需要有一定的電氣基礎知識，在設計中才能更好地布局電氣路，當然，最主要還需要有專業電氣工程師的團隊合作與互補。

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