单件小批量机械产品的质量设计

杭州娃哈哈集团有限公司□刘守谦

随着 “个性化化服务”的盛行，在食品饮料行业中，客户的个性化要求也越来越加凸显。而机械产品的形成，又往往是经过 “试制—改进—小批量生产—批量制造”的周期才能达到理想的质量。 “单台套制造”的机械产品，几乎不可能达到最初设想的质量要求。制造方又以 “首台套”为由，堂而皇之地回避 “质量不达标”的问题；用户也被迫 “谅解”这一理由。

然而，用户是用 “机械设备”生产自己的产品， “机械设备”的质量问题会给自己的 “产品生产”带来无法回避的 “质量”和 “效率”的问题。所以，如何提高 “单台套制造”的机械产品的质量，是当前亟待研究和解决的普遍性课题。本文重点从创新设计的角度加以分析、阐述 “单件小批量机械产品的质量设计”方法。

1 机械产品的方案设计

（1）创新思维与创新设计

创新思维是创新设计的灵魂。建筑设计、艺术设计需要创新思维，工业设计、机械设计同样也需要创新思维。机械设计中的创新思维，是指 “有意识的努力思考”与 “潜意识的思维反应”的碰撞与结合，而产生的灵感上的顿悟。创新设计，必须以雄厚的的专业知识、丰富的设计经验、海量的行业资讯为支撑；以敏锐的思维、科学的方法、简约的理念为引导；加以汇集、融合，而形成的巧妙的、富有创造性的设计构思。

“雄厚的的专业知识”、 “丰富的设计经验”，不是人人都有；但 “海量的行业资讯”，每位设计人员都可以通过资料查询而获得；“敏锐的思维”不见得人人都具备，但 “科学的方法”可以通过按部就班的学习去掌握； “简约的理念”也是每位设计人员应该遵循、不断追求的设计理念。

TRIZ理论是目前设计领域比较推崇的创新设计方法之一。在TRIZ理论中，以系统的观点为新产品的发展指出了方向。TRIZ理论认为：任何一个产品或者客观事物，都可以看作是一个系统；而任何一个系统都是按照一定的客观规律进化的，这并不取决于某一个人。新产品的产生是一种看似偶然的必然。因此，这个客观规律就是可以被发现、认知和利用的。

TRIZ理论将创新思想进行了科学化的整理与提炼，是产品创新设计的有效开发工具。利用TRIZ理论可以大大缩短新产品设计开发的时间，全面地解决矛盾和问题。但并不意味着有了TRIZ理论就有了一把万能的钥匙。应用TRIZ理论时，应根据具体的问题进行具体研究和分析，在TRIZ理论给出的一般理解的基础上，利用特定的知识和经验去发掘需要的解决方案。

（2）新工艺的设计思维

针对食品、饮料行业，特别需要注重新知识、新工艺的学习。因为，食品、饮料的生产与包装，所涉及的技术包罗万象、广泛跨界；大至整个工厂、整个物流运输网络；细至毫厘之差，甚至飞尘、细菌的控制；外表固定、内部如“翻江倒海”的配料、混料系统，外部飞速旋转、内部却稳流如丝的灌装设备；有纸袋、塑料袋、纸盒、塑料瓶、玻璃瓶、铁罐等小包装，有纸箱、大膜包、铁桶、编织袋、吨袋的大包装；有生产线上精准输送，有仓储、物流的大吨位运输。就设备的组成而言，有传统的齿轮、链轮、皮带传动，也有气缸、电缸、伺服电机等现代传动技术；有连杆机构、凸轮机构的经典机构，也有 “机器人工作站”的现代化技术；有接触式、光电感应传感器、也有热敏、压敏、超声波、激光测量等先进的传感技术；有PLC控制技术，也有总线智能控制系统，凡此种种，需要设计人员有广泛的知识积累，和跨界的思维能力。

各个领域的新技术、新元件的不断涌出，设计人员要及时跟踪、了解，并努力学习、熟练掌握与自己的设计工作密切相关的新工艺、新技术，特别是市场上已经出现、并有成功应用案例的新模块、新元件的功能指标与使用技术要求，以便及时、合理地应用到自己的设计之中，使自己所设计的机器既先进、有可靠。

“工艺设计”是机械设计的前提。正确的原理、合理的工艺，是一台机器、一条生产线成功的前提条件。如：灌装机的常压灌装、负压灌装、压力灌装等工艺；旋盖机的机械式旋盖、伺服旋盖；包装机的立式包装、卧式包装；装箱机的推入式装箱、抓取式装箱、裹包式装箱；码垛机的纸箱排列 （排箱）等工艺；设计机器，必须首先确定 “原理、工艺”，然后再分模块实施具体的结构设计。

（3）模块化设计思维

工艺确定后，各个功能块的选型与模块化设计的应用，是至关重要的设计环节；如前所述，了解市场上已经出现，并有成功应用案例的新模块、新元件的功能指标与使用技术要求，往往能启发新的设计思路。工艺设计决定后续的 “模块设计”，反过来 “模块的选型设计”也可以进一步优化先期的 “工艺设计”；如气动模块、电动模块、伺服模块、智能化模块组合等，都可以对前面的工艺设计有新的启发。

“大道至简”，机械设计也是一样，机器的方案设计要尽量简单。设计机器、制造机器的最终目的是替代人工劳动，在保证劳动质量的前提下，提高生产效率。所以，首先要参透所设计的机器想要达到的功能，利用所掌握的元器件功能、技术模块的性能，用最简单的构思、加以巧妙的组合，可以得到多种实施方案。再根据 “所设计的机器”的产能要求，用动态的想象，排除那些不适用的方案；然后，结合 “所设计的机器”的使用环境、操作需要，进一步加以筛选、优化，形成切实、可靠的设计方案。

2 技术设计

对 “所设计的机器”有了整体的方案构思以后，核心部件的关键结构设计，成为主要矛盾，如灌装机的灌装阀、拧盖机的旋盖头、瓶子装箱机的抓瓶器，以及各种机器人工作站的抓具 （吸具）等，都是关键的零部件，需要精心设计。

根据关键零部件的结构原理，结合预先的“工艺设计”、综合产能要求等 “设计输入条件”，规划机器的主传动方案，以及主机架的结构，并对辅助机构提出 “动作要求”。

（1）关键结构的精细化设计

每台设备都有关键的零部件，如前面所说的灌装阀、旋盖头、抓瓶器、抓具 （吸具）等，是该种设备的主要零部件；这些零部件是设备的核心部件，其中的每个零件都需要精细化设计。

（2）辅助功能的部件配套设计

为了保证设备主机构功能的可靠性，或者说根据工艺要求，往往还有一些辅助的执行机构。这些辅助机构需要与主机构同步运行，或按规定的时序运行。通常，需要绘制整台中各个执行部件的动作时序图；根据 “时序图”设计整台设备的传动链及其控制程序。

（3）各部分技术要求的提出

无论是关键零部件，还是辅助机构，设计图中都需要有相应的技术要求，用于指导零部件的制作与装配；零件图的技术要求包括：材料及材料的处理要求、加工精度要求、表面处理、特种零件的配套参数、焊接件的焊接要求等；装配图的技术要求，主要包括：各零件装配前的要求、特殊装配的指导方法，以及装配后的功效要求等。

（4）设计方法及设计软件

目前，电脑辅助设计已普及应用，无纸化设计、制造也已逐渐兴起。常用的设计软件很多，如：平面图设计软件有：AutoCAD、CAXA；三维设计软件有：SOLIDWORKS、Pro/e、UG、mastercam等；仿真设计软件有：CATIA、 ADAMS、 ansys、 abaqus、 fluent等。 其中：AutoCAD、CAXA是目前主流的平面图设计软件；Pro/e、UG多用于造型复杂的结构件设计；SOLIDWORKS广泛应用于机械设计的三维模型设计；mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件；CATIA、ADAMS、ansys、abaqus、fluent等，是目前国际上比较流行的模拟、分析软件包，可以实现静力学、动力学、磁力场、流体力学、热传递和化学反应等有关的工业模拟和分析。

当然，任何的设计软件都是辅助工具，真正的设计水平、设计质量，还是取决于设计者的思维和意识。从另一方面讲，高级的设计软件，使用成本也较高；对于普通的机械产品的设计，目前用AutoCAD、CAXA，及SOLIDWORKS、Pro/e、UG等辅助设计软件就可以了。

对于特别关键的零部件，在条件允许的情况下，可以做一下模拟分析。若没有模拟分析的条件，则可以采用实验室制造、原理模拟的方法，获取有效的实验数据或模拟姿态，为下一步的零件设计提供参考依据。

3 零件结构设计

根据试验、模拟的结果，设计关键的零件，不同类型的零件，有不同的设计注意事项。以试验、模拟的结果进行设计，零件的使用功能已经有了基本保证。需要注意的是零件加工的可行性、以及加工的成本问题。

首先，必须以本单位的加工工艺、通用的加工工艺为基础，这就要求机械设计人员对常用的机加工工艺非常了解，食品饮料设备中，对于“细长管”、 “小径深孔”、 “特殊形状的光洁表面”等零件结构要素的获得方法，也要胸有成竹；其次，对本专业的原材料的供货规格要有所了解，以便统筹考虑，选用最接近零件使用要求的原材料，以节约加工成本。

（1）关键零件的设计

对于关键零件的设计，选材是第一位的。比如食品饮料行业的设备，与物料接触的零件必须用316L不锈钢或无毒无味、材质细腻的超高分子材料；要耐酸、耐碱、耐腐蚀；零件外形要易于清洗，能 “在线冲洗”干净；同时，又能实现设计的功能要求。

（2）轴系零件的设计

轴系零件，大多数是承受交变载荷。零件的材料要有韧性、表面要耐磨，公差配合要适中，还要根据环境要求选用适当的润滑方式及密封结构，亦或选用免润滑材料，轴肩倒角与清根的幅度也要谨慎考虑。

主传动轴是影响设备运行性能的关键所在，轴承的选用与组合尤其重要。食品饮料设备中，竖直设置的传动轴很多，悬臂较长的主轴经常使用。所以在选用轴承时，不仅要经过静态的受力分析计算，必要时应进一步做动力学分析与计算。

（3）钣金类零件的设计

在食品饮料设备中，钣金类零件应用比较语遍，常用不锈钢 （镜面、拉丝面、雾面），根据零件的作用不同，选用316L或304材料，主要考虑是否与食品物料有接触；对于纯粹外观的钣金零件，也要根据设备在车间的安装位置是 “湿区”还是 “干区”，来决定用不锈钢，还是普通钢板喷漆，一般需从其用途、成本、及设备外观的统一性来考虑。

（4）机架类零件的设计

在食品饮料行业，单台套、小批量制造的情况下，通常用焊接结构的机架。一般的灌装设备，采用碳钢焊接机架、不锈钢外包；无菌灌装设备采用不锈钢焊接机架；特殊的包装机，也采用不锈钢焊接与铝板组合的机架；干区的包装设备采用碳钢焊接、表面喷涂的机架，或铝型材拼接的机架。

总之，机架设计以坚固、稳定为主要要求；同时要考虑材料的成本。对于重量较轻的机架，安装时可辅以预埋的地脚螺栓。考虑到生产线的灵活性，预埋的地脚螺栓要慎用。

（5）铸造类零件

食品饮料设备中，铸造件应用较少；偶有使用，多半是通用的外购零部件。如阀体、传动转向器、地脚、输送链道上的通用连接件等。

（6）外购的零件设计要求

食品饮料行业的设备，虽然都是单台套、小批量制造，但其中的通用零部件很多，系列化的更换件也很多；每一个有积累的设备制造厂，其系列化的产品都已基本形成；即便是新兴的设备制造企业，也可以从系列化的产品规划起步。在新产品设计时，就有系列化的理念，以适应市场的需求，也有效降低制作成本。

零件系列化的同时，也要着重考虑专业备件供应商的备件类型，以及特型零件、专业加工的配套服务，如：链轮、齿轮、皮带轮、星轮、护板、进瓶螺杆等及真空吸具、装箱机抓头等。本行业的备件供应市场已配套形成。这些外购零配件的合理选用，会有效地降低设备的制造成本。

4 公差与粗糙度标注

对于必须自已加工的零件，在零件设计时要注意以下几点：

（1）通用的公差与粗糙度标注

《机械设计手册》中推荐的公差配合应用举例，是通用的配合公差与粗糙度的选用标准和标注参考值，通常是批量生产的条件下优先选用。批量生产的零件在装配时，可以通过实际检验与测量，配对组装。既保证使用要求，又相对地节约成本。

（2）单件、小批量零件的公差与粗糙度选用

对于单件、单套的配合零件，其公差精度的选用可以略高，表面粗糙度也随之略高。这样，虽然零件加工成本略高了一点，但保证了 “配合处”、 “传动副”真正的精度要求；表面粗糙度要求，也会有效地提高接触面的磨合效率；从而有效地提高设备的整体 “运行质量”。

（3）辅助零件的公差配合要求

对于单件、小批量的辅助性零件，仍可参照《机械设计手册》中推荐的公差与配合的选用标准；表面粗糙度，则可以据食品饮料设备的通用技术条件标注，以保证整体的 “外观质量”。

5 装配与调试

机架焊好后，需要经过时效处理，所以机架要先期制作。时效不足的情况下，也可以采用“加厚安装面”的方法来保证主体机架的装配需求；也可以根据需要对辅助的 “执行机构部件”采用 “安装孔配做”或 “安装位置可调”的结构来保证最终的装配质量。这些方法要 “因地制宜”，在装配图的技术要求中需标注清楚。

不论是自制的零件，还是外购的零件，都要经过清洁、检验后再拿来装配。单台制造，装配过程一定要认真，绝不能 “只装、不配”。在装配的过程中，一旦发现与设计要求不相符的情况，一定要与设计人员沟通，及时返修零件，达到装配技术要求。

装配过程中，每完成一步，都要 “手动盘车”或 “点动运转”，以检验各个部件的装配质量；一步一调试，直至整机装配完成。按 “点动、慢运行、提速运行、设计速度空运行”，“慢速模拟工况运行、提速模拟工况运行、设计速度模拟工况运行”的步骤进行反复调试。条件允许的情况下，可做真实物料、实际工况的模拟调试后，再验收出厂，确保整机设备的出厂质量。