機械產品設計的重點研究

李艷鈺 袁文婷

濟源職業技術學院，河南濟源，459000

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

【關鍵詞】機械產品設計；程序；重點

隨著科學技術的發展，人們對機械產品的功能要求越來越高，機械產品的結構越來越復雜，更新換代的速度越來越快。中國制造2025戰略要在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，機械產品設計也已經進入自動化，最終走向智能化，對機械產品設計提出了更高要求。

一、機械產品設計

（一）機械產品設計簡述

Machine design是為機械設計，就是結合使用要求，將機械工作原理、運行方式、結構、能量傳遞方式、各零部件材料和尺寸形狀、潤滑方法等進行構思、分析以及計算，進而轉化成具體方案以作為制造依據的一個過程。在機械工程中機械設計是一個重要組成部分，它是機械產品開發生產的第一步，也是決定機械產品性能的關鍵因素。其最終目的是要在各類限制條件下設計出最好的機械產品，限制條件包括材料、理論知識、技術手段（加工能力）、計算能力等等，從而達到最佳的綜合技術經濟效果。

具體機械產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過驗證可行的新技術，設計以往不曾出現過的新型機械產品。繼承設計即根據機械產品使用經驗以及技術發展，針對現有機械產品進行改進設計，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，改進已有機械產品，修改或增減一些部分，發展出不同標準型變形產品，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構設計。

（二）機械產品設計發展

20世紀70年代，德國興起了系統化設計方法，以系統理論為基礎，具備一般設計模式，強調設計工作的條理性。把一個設計系統分解成多個具有層次性、關聯性的設計要素，當所有要素結合起來，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，進行系統化設計，在宏觀上利用質量功能布置方法。同時把產品設計分解為功能、效應、載體、形狀、參數五個設計要素，并借助生命系統理論將產品設計分為三個層次，包括功能需求層次、實現功能層次以及具體設計層次，用生命系統抽象地表達產品功能，從而形成產品功能結構系統。

規劃產品方面出現了結構模塊化設計方式，依照已有的通用零件部件等產品的解決方案，進行任務的分解描述。在設計之初就將生產能力、成本以及設計計劃可調整性進行全盤考慮，從而提高設計效率和產品的可靠性，還能夠有效降低產品成本。理想的結構模塊具有標準化、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件和CAD技術結合起來，設計出產品級、部件級、組件級以及元件級這四個模塊化結構，并用CAD技術將其組合成不同的產品。

隨著信息技術的快速發展，利用機械產品特征知識實現機械產品設計理念興起。在設計流程的基礎上針對不同產品和零件進行知識的梳理，在信息技術的支持下將其數字化。通過軟件系統的再加工，將其與工具軟件進行整合，在技術層面上將設計知識工具化，形成符合要求的數據模型，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據模型，即要把產品形狀和結構的信息以及產品工程屬性和制造要求等信息囊括進去，合理利用程序開發軟件提供的函數實現產品設計知識與準則的工具化，開發出友好的人機交互界面，方便設計人員控制設計參數、調用數據庫等。

二、機械產品設計重點

現階段機械產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。

實際的產品開發過程是一個循環過程。從上述程序來看，整體計劃就是要確定需要制造的產品以及制造活動內容，就需要了解用戶要求，進行市場調查，這為產品開發策略提供依據。同時領導者需要洞察社會變化并且預測技術發展，最終形成可行的產品開發策略，進而提出產品概念，逐步形成整體計劃，并在此基礎上研究技術可行性，進行技術開發形成技術概念，最終形成設計方案。然后依據方案進行生產加工，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鍵途徑，最終形成一個封閉循環。

而機械產品設計構思過程最終是要以市場為導向實現產品功能。以機電產品設計為例，一般構思過程，需要首先明確實現要求功能的可行性概念方案，進而在技術范圍內尋求實現功能的設計原理。并提出多個方案，從技術、經濟角度評價和比較，選擇最優化的技術方案。

在機械設計基礎中將機械設計的重點概括為平面機構及其自由度求解；連桿機構；齒輪機構；漸開線齒輪及其相關尺寸計算；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。結合上文的步驟分析，如果將機械產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、可靠性指標、使用環境、成本、行業規格、標準等。其二市場調研，包括類似產品情報（照片、說明、論文、參考圖等）、相關專利、制造方法、生產設備、市場產品要求。比如說嘉峪關公路管理局應急搶險保障中心需要除雪，以往人海戰術耗時又耗力，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新升級版除雪車，這是世界首臺環保型多功能除雪車。因此，機械產品設計必先有需求，以市場為導向，企業需要降低成本提供性能更好、功能更強的機械產品針對現有產品進行改進設計?；蚴切录夹g出現，生產、生活中產生了新問題或是新概念，就需要展開創新設計，制造新產品。上述兩個重點本質上可以歸納為需求。

其次，研究部分，這個部分可以說囊括了最終機械產品設計方案出臺前的所有過程，是最終成品質量好壞的決定性環節。包括概念物化、基本工作原理、明確實現功能的技術路線、成本核算、可行性評價、穩定性評價、產品化可能性評價。一方面要根據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導小組，在后者的統籌規劃下，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，研究需求，形成初步可行的設計方案，并就技術和經濟角度研究方案的可行性、可靠性，最終確定最優設計方案和設計圖紙。只有把這個環節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品。以機電產品為例，線分析并描述原有機構或系統的使用功能，總結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構方案是否需要改進，最后出具設計研究報告。比如，大型五軸無模鑄造數控成型機（北京機械科學研究總院）完成國產化，這是國內首臺。該產品設計針對傳統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、成形機專用數控系統等關鍵技術研究，最終研制出該產品。加工范圍可達3020×1600×1080mm，加工速度213mm/s，定位精度0.05mm，已授權2項國際專利、1項發明專利、2項實用新型專利。已經過應用驗證，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，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。

結束語

機械產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。當然隨著技術的進步，設計理論和方法也在進步，機械產品設計重點也可能出現變化，但需求和研究這兩個重點是不會發生變化的，而第三項可能隨著3D一體化成型技術的成熟而變得不重要。所以在機械產品設計時，哪怕機械產品設計進入智能化時代，也不能忽視需求和研究。

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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：現代機械設計理論。