原創(chuàng) | 資深結(jié)構(gòu)工程師對產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計思路
2017-09-23 08:09:00 3440
.，評價一個工程師的能力可以從其設(shè)計項目看出其放入多少設(shè)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行繪制，不至于車床加工的軸件按拉伸凸臺的方式一層一層疊加，裝配圖通常也會考慮裝配先后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(biāo)準(zhǔn)有明確的加工基礎(chǔ)面和公差，不會在非關(guān)鍵尺寸上標(biāo)0.002的高要求，還說自己設(shè)計的東西很精密。而一個高級工程師其所畫的零件圖，在加工制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(shè)計并充分考慮到運動受力情況，對關(guān)鍵復(fù)雜部分會用有限元進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞等的分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)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后的維修方法，極少出現(xiàn)為換一個壽命短的零件拆下一大堆東西的問題，并且可以清晰地寫出自己的設(shè)計文檔。對一個大師級的工程師，他已經(jīng)很少會在零件與工程圖之間花費時間，更多的是對整個產(chǎn)品的核心競爭力負(fù)責(zé)。對產(chǎn)品的規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方面花費更多的精力，了解國內(nèi)外制造業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和行業(yè)動態(tài)同時分析自己的產(chǎn)品在市場上的價值與壽命，并有更好的技術(shù)方案對策，清楚競爭對手的產(chǎn)品并能夠一針見血的指出對方的短木板與自己產(chǎn)品的優(yōu)勢所在，并制定長期的發(fā)展戰(zhàn)略來提升自己的產(chǎn)品來滿足市場需求。
優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師具備的基本條件
要想成為真正的機(jī)械設(shè)計工程師，除了需要一定的時間經(jīng)驗進(jìn)行磨礪之外，更重要的是需要有自己的設(shè)計靈魂，精明的工程師勤奮好學(xué)更講究方法。一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)具備以下基本條件：
01
見多識廣，熟悉市場能提供的通用零件、標(biāo)準(zhǔn)零件和其它組件，清楚各類標(biāo)準(zhǔn)零件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，了解各行業(yè)配件與設(shè)備，熟悉當(dāng)前產(chǎn)品工藝。了解常用的外購件的品牌，有助于你選擇合適的供應(yīng)商，盡可能多的了解外購件和標(biāo)準(zhǔn)件的種類，拓寬知識面。對一個產(chǎn)品設(shè)計有優(yōu)質(zhì)的方案構(gòu)思，產(chǎn)品的設(shè)計成本很大程度上取決于方案，見過同一種產(chǎn)品加工工藝，有用各種機(jī)械手進(jìn)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(jìn)行操作，成本只有一萬多的方案。一般剛?cè)腴T的時候，只是幫老工程師出圖，或跟進(jìn)修改一些小問題，就算設(shè)計很多只能照抄，在此過程中需要去理解原設(shè)計者的意圖和思維，理解整個機(jī)器的傳動，各個裝置之間的相互關(guān)聯(lián)，每個零件的相互關(guān)系，理解之后就可以出圖，圖紙上就可以有明確的尺寸配合要求，形位公差約束。
02
基礎(chǔ)扎實，了解材料特性，機(jī)械加工工藝，機(jī)械運動控制形式和優(yōu)缺點，能分析各運動結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的受力情況。會設(shè)計不一定要會機(jī)械加工，但至少要懂得各類機(jī)械加工工藝與加工特點，在設(shè)計時加以充分考慮，會畫圖不代表設(shè)計，如果自己都不知道按什么方法畫，也不知道設(shè)計的零件如何加工那就不叫設(shè)計了。之前碰到好多自以為設(shè)計的東西是很精密的工程師，不管設(shè)備零件是否有必要精度要求，都玩命的把精度往上標(biāo)，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制一個墊圈來用，只會把成本都浪費在無意義的地方。
03
學(xué)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，甚至不知疲倦地重復(fù)設(shè)計相類似的結(jié)構(gòu)，不會在設(shè)計過程中查手冊和資料，不懂得運用可自動計算的工具來復(fù)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(jīng)驗技術(shù)資料或各種科學(xué)計算的方法和公式，也有很多供應(yīng)商手冊中就有設(shè)計教導(dǎo)方法。精明的工程師通常都會在空閑之時翻閱各類設(shè)計手冊，設(shè)計圖例，優(yōu)秀供應(yīng)商資料，哪怕只看看目錄也能加深印象，以便在以后需要之時找到。
04
熟練使用一兩門設(shè)計軟件，相似軟件不需要門門精通，找到一個適合自己使用的軟件并應(yīng)用精通，如果軟件只是用來畫零件裝配出工程圖，那只能說你會用而已，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，先建哪個特征，后做哪個特征，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。隨著零件特征的不斷修改，一個很簡單的零件做到最后，占用的內(nèi)存很大。因為沒有明確的思路，往往會給后面的修改帶來很大麻煩，經(jīng)常拿到一些工程師的相似零件想修改點尺寸使用，看了后發(fā)現(xiàn)比自己重畫還復(fù)雜，因為根本找不到要修改的尺寸或修改一個尺寸出現(xiàn)一堆特征報錯的問題。建模的思路遠(yuǎn)比會操作某個命令要重要得多，軟件功能很強(qiáng)大，一些功能可以批量處理你的重復(fù)工作；一些功能可以檢查你的設(shè)計缺陷；一些功能可以改善你的設(shè)計性能；一些功能可以降低設(shè)計產(chǎn)品的制造成本。
制作一個優(yōu)秀的產(chǎn)品，如果還是按非標(biāo)產(chǎn)品來進(jìn)行設(shè)計，工程師憑經(jīng)驗感覺進(jìn)行設(shè)計，其很難兼顧到最小的制造經(jīng)濟(jì)與最大的機(jī)器性能，對產(chǎn)品而言，理論先行是最省時省錢的辦法，機(jī)械設(shè)計沒有理論很難做出精品。當(dāng)一臺非標(biāo)設(shè)計要轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品時，需要做的工作便比非標(biāo)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(guī)則，通用性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性和是否可量化，對產(chǎn)品各部件進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，對使用者充分考慮安全簡單、人性化操作。
非標(biāo)自動化設(shè)計多數(shù)在時間上較緊，通常省略了前期市場分析評估，直接根據(jù)客戶需求確定方案，再進(jìn)行功能選型、零件匹配，在設(shè)計過程中也簡化了評審再評審的工作，工程師多數(shù)以之前的經(jīng)驗作為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計或用相似機(jī)器原型進(jìn)行修改拼裝成適合的新機(jī)器，對理論數(shù)據(jù)設(shè)計相對較少，也由于產(chǎn)品數(shù)量少的原因，放棄了通用性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性的考慮。
一個產(chǎn)品的開發(fā)必須經(jīng)過市場調(diào)研，了解市場背景確定產(chǎn)品市場定位，再根據(jù)市場情況及相關(guān)行業(yè)的技術(shù)情況分析可開發(fā)產(chǎn)品的范圍，定義好產(chǎn)品功能，分析公司的設(shè)計制造能力。一臺大型設(shè)備通常由多臺機(jī)器組合而成，而每臺機(jī)器又分多個功能模塊，每個模塊再設(shè)計不同功能的零件或用標(biāo)準(zhǔn)零件裝配而成。在設(shè)計過程通常由多名工程師根據(jù)自身特長針對性地設(shè)計功能模塊或機(jī)器，共同協(xié)作完成。
機(jī)械設(shè)計包含方案、設(shè)計、制造、使用，維護(hù)幾個過程的思想，前期的優(yōu)劣直接影響到后期的性能與成本，就有設(shè)計一天修三天，設(shè)計三天閑兩天；賣一年爛機(jī)器修三年的說法。設(shè)計時的疏忽總會在后面反映出來，設(shè)計的過程中，受制造的影響很大，也就是說好的設(shè)計是不能脫離制造的，對制造越了解，越有助于提高設(shè)計水平。設(shè)計的圖紙，投入生產(chǎn)，很多并不能立即按圖加工裝配，在審圖、工藝等過程發(fā)現(xiàn)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(jīng)過多次開會研究反復(fù)討論出來的結(jié)果，原因是一個人不可能全才，其他方面總有高人，但設(shè)計人員對制造工藝的了解不深入會是主要原因。以前一個零部件在設(shè)計過程中檢查修改八遍的事情我干過，一個方案功能結(jié)構(gòu)在設(shè)計完成后推倒重定方案再設(shè)計也沒少做。
產(chǎn)品設(shè)計思路
設(shè)計方法不同工程師會有不同的思路，現(xiàn)就談?wù)剛€人在產(chǎn)品設(shè)計整個過程思路。
1
分析產(chǎn)品功能定義與工藝要求，把大腦中想象出來的產(chǎn)品在紙上勾畫出大概形狀并理清功能模塊設(shè)計方法，總體思路清楚后再用軟件對產(chǎn)品進(jìn)行方案式設(shè)計，初步評估設(shè)計方案可行性。
2
確定產(chǎn)品重點功能模塊（影響工藝要求相關(guān)部分），分出整機(jī)設(shè)計先后順序，按整體方面從大到小，細(xì)節(jié)方面從內(nèi)到外的原則進(jìn)行。整體方面，設(shè)計一個機(jī)器框架、平臺，預(yù)定各運動模塊尺寸與位置，最后確定小型功能模塊安裝，整體規(guī)劃好后便進(jìn)入細(xì)節(jié)設(shè)計，細(xì)節(jié)設(shè)計順序剛好與整體設(shè)計順序相反，最先對安裝于運動未端部分進(jìn)行設(shè)計，以便清楚未端部件大小、重量、重心位置等參數(shù)，然后根據(jù)已有參數(shù)再逐級向上設(shè)計各運動部件，最后才設(shè)計機(jī)器機(jī)架與外殼。
3
零件設(shè)計可以根據(jù)主要加工工藝順序一步步進(jìn)行出圖，其與加工制作形成同步，如板件可以按外型畫出草圖并拉伸厚度，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(zhǔn)面并盡量用基準(zhǔn)面去標(biāo)注尺寸，然后再畫重點特征，并對后續(xù)特征（如打孔挖槽）尺寸關(guān)聯(lián)到重點特征上，以便后繼修改位置時無需每個特征都修改，最后才畫無位置關(guān)系的加工。軸件可以畫出各臺階面尺寸并定好軸芯旋轉(zhuǎn)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，加工一端后如何裝夾才能滿足同心度，長度是否方便測量，測量基準(zhǔn)面為哪個臺階面。鈑金件設(shè)計與加工商能力關(guān)系很大，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(shè)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(jié)構(gòu)和形狀越復(fù)雜，制造、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(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡量簡單，力求減少加工表面的數(shù)量和加工的面積，公差精度越少越好,產(chǎn)品的成本是按精度的幾何級數(shù)上升的，設(shè)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(shè)計中就要考慮避免。
4
功能模塊設(shè)計，個人習(xí)慣在模塊設(shè)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(guān)系都直接在零件草圖中標(biāo)注清楚公差等級，以便在生成工程圖或轉(zhuǎn)交其他工程師時可以很直觀地了解設(shè)計思想。對功能模塊設(shè)計如同整機(jī)設(shè)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(jìn)行初步規(guī)劃結(jié)構(gòu)，再根據(jù)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(jìn)行計算，關(guān)鍵部件要用有限元分析應(yīng)力、變形、失效等優(yōu)化設(shè)計，最后確認(rèn)尺寸與重量是否與定義相符，裝配順序是否與設(shè)計相符，是否會因人為原因造成模塊裝配精度不穩(wěn)定，維護(hù)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(shè)計起來一頭扎進(jìn)去玩命地畫圖，標(biāo)準(zhǔn)的非標(biāo)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(xiàn)工作效率低、生產(chǎn)管理成本高、非標(biāo)零件圖紙數(shù)量多、售后維護(hù)難的情況。很多時候，工程師需要的是準(zhǔn)確判斷，如果可以用標(biāo)準(zhǔn)零件的就必須用，裝配后對精度要求不高的零件就盡量不標(biāo)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制非標(biāo)墊片，理由是精度高，但實際皮帶比輪寬足足小0.5mm，自制墊片只不過是在浪費成本而已，此類華而不實的設(shè)計盡量少干?？赡苡腥苏J(rèn)為拿別人畫好的零件或設(shè)計好的半成品體現(xiàn)不出自己的設(shè)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(chuàng)新。設(shè)計之時，我首先考慮使用各類設(shè)計手冊或軟件上自帶的標(biāo)準(zhǔn)零件，節(jié)約設(shè)計時間與成本，對于常用的非標(biāo)準(zhǔn)零部件，通常先在供應(yīng)商或網(wǎng)上找相關(guān)設(shè)計模型資料，因為此類零部件我們自己生產(chǎn)與外購價格不會相差很多，質(zhì)量與交期可能外購更有優(yōu)勢，同時因技術(shù)經(jīng)驗管理等方面，供應(yīng)商已形成他的標(biāo)準(zhǔn)零部件而我們還是非標(biāo)件，充分利用他人的技術(shù)經(jīng)驗與資源，實在沒有必要去再設(shè)計。
6
設(shè)計檢查，完成一個零件、工程圖或者一臺機(jī)器的設(shè)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(shè)計者從一開始搞設(shè)計就應(yīng)該保持一絲不茍、嚴(yán)格要求，堅持不懈的作風(fēng)，久而久之習(xí)慣了才能練就一身敏捷、利落的好本事。
7
虛心學(xué)習(xí)團(tuán)隊合作，在設(shè)計方面，包括各個部門或供應(yīng)商，各個機(jī)械工程師和電氣工程師。由于各個工程師都在負(fù)責(zé)不同部分，這就面臨各工程師之間需經(jīng)常溝通協(xié)作，在技術(shù)討論的時候，盡量用理論數(shù)據(jù)結(jié)合實際進(jìn)行技術(shù)說明，不依靠個人經(jīng)驗或權(quán)威獨裁，因為很少有人可以兼顧產(chǎn)品的多個方面的能力。在設(shè)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(yīng)商會瞧不起虛心求教的人，就算生產(chǎn)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(dá)到的加工精度。機(jī)械工程師也需要有一定的電氣基礎(chǔ)知識，在設(shè)計中才能更好地布局電氣路，當(dāng)然，最主要還需要有專業(yè)電氣工程師的團(tuán)隊合作與互補(bǔ)。
