机械产品设计的重点研究

李艳钰 袁文婷

济源职业技术学院，河南济源，459000

【摘要】本文从机械设计概念、类型及其发展过程出发，结合机械产品设计遵循的主流程序，总结了机械产品设计的重点，仅供参考。

【关键词】机械产品设计；程序；重点

随着科学技术的发展，人们对机械产品的功能要求越来越高，机械产品的结构越来越复杂，更新换代的速度越来越快。中国制造2025战略要在2025年把我国建设成制造大国，制造强国，随着机械自动化的推进，机械产品设计也已经进入自动化，最终走向智能化，对机械产品设计提出了更高要求。

一、机械产品设计

（一）机械产品设计简述

Machine design是为机械设计，就是结合使用要求，将机械工作原理、运行方式、结构、能量传递方式、各零部件材料和尺寸形状、润滑方法等进行构思、分析以及计算，进而转化成具体方案以作为制造依据的一个过程。在机械工程中机械设计是一个重要组成部分，它是机械产品开发生产的第一步，也是决定机械产品性能的关键因素。其最终目的是要在各类限制条件下设计出最好的机械产品，限制条件包括材料、理论知识、技术手段（加工能力）、计算能力等等，从而达到最佳的综合技术经济效果。

具体机械产品设计则可划分成四个类别，包括新型设计即应用成熟的或经过验证可行的新技术，设计以往不曾出现过的新型机械产品。继承设计即根据机械产品使用经验以及技术发展，针对现有机械产品进行改进设计，提高性能，降低成本。变形设计即以市场为导向，为适应新的需求，改进已有机械产品，修改或增减一些部分，发展出不同标准型变形产品，比如inter桌面处理器就有入门级i3系列、中端i5系列、高端i7系列，还有服务器标准处理器，如至强系列等等。此外，还有一个分类则是结构设计。

（二）机械产品设计发展

20世纪70年代，德国兴起了系统化设计方法，以系统理论为基础，具备一般设计模式，强调设计工作的条理性。把一个设计系统分解成多个具有层次性、关联性的设计要素，当所有要素结合起来，设计任务便可完成。我国以此为基础研究得出了以用户需求为导向，进行系统化设计，在宏观上利用质量功能布置方法。同时把产品设计分解为功能、效应、载体、形状、参数五个设计要素，并借助生命系统理论将产品设计分为三个层次，包括功能需求层次、实现功能层次以及具体设计层次，用生命系统抽象地表达产品功能，从而形成产品功能结构系统。

规划产品方面出现了结构模块化设计方式，依照已有的通用零件部件等产品的解决方案，进行任务的分解描述。在设计之初就将生产能力、成本以及设计计划可调整性进行全盘考虑，从而提高设计效率和产品的可靠性，还能够有效降低产品成本。理想的结构模块具有标准化、系列化、通用化、集成化等等特点。目前我国这方面的应用主要是将软件构件和CAD技术结合起来，设计出产品级、部件級、组件级以及元件级这四个模块化结构，并用CAD技术将其组合成不同的产品。

随着信息技术的快速发展，利用机械产品特征知识实现机械产品设计理念兴起。在设计流程的基础上针对不同产品和零件进行知识的梳理，在信息技术的支持下将其数字化。通过软件系统的再加工，将其与工具软件进行整合，在技术层面上将设计知识工具化，形成符合要求的数据模型，为设计人员提供帮助。设计、工艺、制造以及管理等信息组成一个完整的数据模型，即要把产品形状和结构的信息以及产品工程属性和制造要求等信息囊括进去，合理利用程序开发软件提供的函数实现产品设计知识与准则的工具化，开发出友好的人机交互界面，方便设计人员控制设计参数、调用数据库等。

二、机械产品设计重点

现阶段机械产品设计一般遵循如下程序：整体计划→设计计划→草案图→计划图→零件图、装配图→制造→检查→设计后期工作。

实际的产品开发过程是一个循环过程。从上述程序来看，整体计划就是要确定需要制造的产品以及制造活动内容，就需要了解用户要求，进行市场调查，这为产品开发策略提供依据。同时领导者需要洞察社会变化并且预测技术发展，最终形成可行的产品开发策略，进而提出产品概念，逐步形成整体计划，并在此基础上研究技术可行性，进行技术开发形成技术概念，最终形成设计方案。然后依据方案进行生产加工，完成成品进入市场，并向用户提供售后服务，而这又是了解用户需求和市场变化的关键途径，最终形成一个封闭循环。

而机械产品设计构思过程最终是要以市场为导向实现产品功能。以机电产品设计为例，一般构思过程，需要首先明确实现要求功能的可行性概念方案，进而在技术范围内寻求实现功能的设计原理。并提出多个方案，从技术、经济角度评价和比较，选择最优化的技术方案。

在机械设计基础中将机械设计的重点概括为平面机构及其自由度求解；连杆机构；齿轮机构；渐开线齿轮及其相关尺寸计算；轮系传动比计算；带传动；轴的类型及其尺寸计算，轴与轴承配合等等。结合上文的步骤分析，如果将机械产品设计程序看成是输入→研究→输出这样一个过程，由此推断机械产品设计的重点有四个方面。

首先输入部分有两个重点。其一设计要求，包括目标功能、运动范围、性能参数、可靠性指标、使用环境、成本、行业规格、标准等。其二市场调研，包括类似产品情报（照片、说明、论文、参考图等）、相关专利、制造方法、生产设备、市场产品要求。比如说嘉峪关公路管理局应急抢险保障中心需要除雪，以往人海战术耗时又耗力，除雪工作需要机械自动化，因此采用了吉林省北欧重型机械股份有限公司的创新升级版除雪车，这是世界首台环保型多功能除雪车。因此，机械产品设计必先有需求，以市场为导向，企业需要降低成本提供性能更好、功能更强的机械产品针对现有产品进行改进设计。或是新技术出现，生产、生活中产生了新问题或是新概念，就需要展开创新设计，制造新产品。上述两个重点本质上可以归纳为需求。

其次，研究部分，这个部分可以说囊括了最终机械产品设计方案出台前的所有过程，是最终成品质量好坏的决定性环节。包括概念物化、基本工作原理、明确实现功能的技術路线、成本核算、可行性评价、稳定性评价、产品化可能性评价。一方面要根据需求细化设计任务和要求，并使设计人员明确任务和目标，同时组建设计项目组和领导小组，在后者的统筹规划下，前者利用当前主流的设计方法分步骤分阶段进行设计研发，研究需求，形成初步可行的设计方案，并就技术和经济角度研究方案的可行性、可靠性，最终确定最优设计方案和设计图纸。只有把这个环节做好才能真正保证制造出受市场欢迎并且性能好的机械产品。以机电产品为例，线分析并描述原有机构或系统的使用功能，总结其设计要求和限制条件等信息，画出设计草图，计算自由度，并思考设计目标是否有需要改进之处以及结构方案是否需要改进，最后出具设计研究报告。比如，大型五轴无模铸造数控成型机（北京机械科学研究总院）完成国产化，这是国内首台。该产品设计针对传统有模铸造工艺难以满足制造大尺寸、高精度、短周期等要求的产品，通过研究大型无模烛照成型机专用高仿砂防尘精密五轴头、废砂排除与防尘一体化系统、成形机专用数控系统等关键技术研究，最终研制出该产品。加工范围可达3020×1600×1080mm，加工速度213mm/s，定位精度0.05mm，已授权2项国际专利、1项发明专利、2项实用新型专利。已经过应用验证，预计未来5年市场需求量2000～3000台，价值60～90亿元。

最后，输出部分，包括图纸、专利申请、设计参数，然后交付图纸进行加工制造，这时设计人员需要同加工制造单位保持顺畅的沟通交流，及时了解加工进度和存在的问题，做好及时处理工作外还需做好记录，形成档案，方便查阅。

结束语

机械产品设计重点有三个方面，包括需求、研究以及最终交付加工制造。当然随着技术的进步，设计理论和方法也在进步，机械产品设计重点也可能出现变化，但需求和研究这两个重点是不会发生变化的，而第三项可能随着3D一体化成型技术的成熟而变得不重要。所以在机械产品设计时，哪怕机械产品设计进入智能化时代，也不能忽视需求和研究。

参考文献：

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[3]胡光忠，柳忠彬，肖守讷.机械产品快速设计理论与方法研究现状[J].现代制造工程，2014，12：110-117.

作者简介：李艳钰，1986年5月，女，汉族，河南济源人，本科，助教，研究方向：现代机械设计理论。