机械产品设计制造过程当中的几个问题与解答

机械产品设计制造过程当中的几个问题与解答

张召桃

北京市宏微诚达技术咨询服务有限公司

一、如何制定产品发展战略和产品规划？

答：当今社会競争激烈、产品更新换代频繁、生产过剩严重，给企业的生存和发展带来严重挑战，因此制定正确的企业发展战略和产品规划，是使企业产品适用当前市场需求且随市场变化不断更新、销售持续旺盛、企业不断发展壮大的可靠保证。为了制定正确的企业发展战略和产品规划，首先要对市场、客户、竞争者和自身状况进行全面的调查、分析和评估，对企业现有产品的归属（明星产品、问题产品或瘦狗产品）进行分类，明确企业的发展状况，对可能引进的新产品的发展前景进行认真的分析，优化企业战略选择，确定企业产品的长期规划和短期计划。在战略决策中，企业外部情况的了解是十分困难且又十分关键的，外部资源的利用是必须考虑的一条捷径。

二、机械产品设计的主要内容是什么？

答：主要是概念设计、性能设计、外形设计、结构设计、材料选择、公差设计、工艺设计和试验验证设计。

三、产品性能受什么影响？

答：产品性能是产品结构及其配合的综合体现，所以它受结构设计和公差设计（包括表面光洁度）的综合影响；由于零部件形状在受力和温度变化下会产生变形，且不同材料在相同受力和相同温度下变形一般不相同，在运动情况下受磨损的程度也不一定相同，所以它还受材料性能的影响。如果产品结构没有变化而性能变差了，则肯定是产品的几何尺寸发生了变化（这可能是公差设计的问题，也可能是制造偏差超出了设计误差所致）。

所以在做性能验证时，一定要首先确定组装成产品的零部件的几何尺寸是否在设计公差范围内，否则就不知道性能的变化是由于结构设计的问题还是制造偏差的问题，盲目修改既浪费时间和经费，又解决不了遇到的问题。在性能验证过程中遇到问题时，也应该首先从公差设计和制造偏差查起，除非是一些显而易见的问题。

四、结构设计是如何开展的？

答：产品的结构是逐步演变而来的，由于产品结构变得越来越复杂，完全的创新设计几乎完全不可能，往往要部分或全部借鉴同类产品，加以改进或局部创新而得到（当然如果没有经验，或许不但没有改进，反而改得更差了也有，所以吃透样品是非常重要的）。

即使是独创产品的全新设计，也往往需要借鉴和借用其它产品的结构。由于中国的工业化比西方先进国家晚了几十年到上百年，逆向测绘仿制是最佳路径。西方国家的工业化的时间也有先后，相对后进的国家也是这么走过来的，例如美国学英国，日本学欧美和韩国学日本等。同类产品有许多不同规格和型号，样品的选择也是至关重要的。一旦有了自己的初期产品，就要不断改进，争取超越样品和其它同类产品，逐步创立自己的更加优秀的品牌。如果一味只是仿制，则永远不可能超越人家，就象猴子掰玉米，掰一个丢一个，没有积累。

五、样品拆解的主要工作内容是什么？

答：样品拆解的第一项工作是获取样品及其零部件的几何形状，以便进行数模的逆向设计；其次是分析产品的装配顺序、装配和定位方法；第三是弄清所有特征（孔、销、槽、健和其它不规则形状等）的功能；第四是记录所有特征、连接、配合、密封的详细尺寸；

第五是鉴别所有零部件和连接材料的种类和规格。产品的整体和部件性能则须在拆解前

通过实验获取。

六、几何尺寸和公差GD&T设计在进入本世纪以来的主要变化是什么？

答：以前的公差设计基本上是设计部门的事，设计基准基本上不考虑制造和检测基准，公差大小是从机械设计手册上查出来的。这样的公差设计往往不易满足性能方面的要求，制造成本也很高，由于性能、制造和测量方面的问题而必需修改的案例比比皆是。将设计基准、制造基准和测量基准统一考虑的公差标注要求在上世纪五十年代就由英美等国提出来了，但正式国际标准在1969年才得以提出，并在八十年代得到完善。中国对此类标准的引进是在上世纪九十年代完成的，但直到十几年前才开始应用到设计中，且仍有相当一部分设计人员并没有认识到这种新的公差设计的意义和重要性，也没有认识到公差设计工作将与以前大不相同。新的公差设计方法要求设计人员不仅需要具备公差设计方面的基本知识，还应该具备产品性能要求、制造工艺、工装设备和尺寸测量等方面的经验。老的设计人员往往没有新的公差设计标准的基本知识，新的设计人员又没有经验，结果导致公差设计达不到现代工业环境下的设计制造和检测要求。此外独立原则和实体要求的设立也是公差设计方面很大的一个变化。

七、几何尺寸和公差GD&T设计是如何开展的？

答：公差设计的主要要素是定位基准的建立和公差大小的确定，保证满足产品的性能要求和制造检测要求。在产品的慨念设计阶段，就要考虑基于产品性能要求的尺寸技术要求DTS；在几何形状设计阶段，开始考虑零部件相互之间的匹配要求；为了设计产品能够顺利地制造装配出来，还应考虑制造和装配的定位基准，这是非常重要的一环，后期的修改将带来巨大的整改费用；公差的设计必须可以在产品制造装配出来后进行检测评估，看是否达到设计要求，检测也必须有定位基准。设计标注基准、制造装配基准和检测基准必须一致，否则就会带来附加误差，使用不同于设计标注基准的检测所得到的检测结果即使偏差数值在公差范围内，也不能说明所测零部件达到了公差设计要求，不能保证可以正常装配。公差大小是根据零部件之间的匹配要求确定的，零部件通过装配所积累的误差也是必须考虑的。对形状复杂的零部件和尺寸链很长的部件来说，这种分析并不轻松，需要借助专门的公差分析软件才能进行，称为公差虚拟装配验证。由于许多假设条件和软件本身固有的局限性，所得结果并不是很准确的，只有有经验的工程师才能有效利用其中的分析结果对设计和工艺进行有成效的改进，包括装配顺序、装配方法、定位基准、公差大小和产品尺寸技术要求等。公差设计、虚拟验证、改进公差设计、再虚拟验证，可能需要经过几轮才能最终确定。由此确定的尺寸技术要求DTS和几何尺寸与公差GD&T，在后续的产品验证、工艺验证和批生产当中，可能还需要调整。

八、为什么要制定测量计划（Measurement Plan）

答：要确定零部件是否满足公差设计要求，总是要经过测量得到测量结果才能评估，这就需要制定测量计划。广义的测量计划可以包括测量位置、测量方法、测量设备和测量的时间安排（测量频率、在线测量或离线测量），此处专指在给定的测量基准下的测量位置和测量方向。一个零件或部件的特征一般只有一个公差，或分段有不同的公差，在同一特征和同一公差段，即使是同一个零部件，由于测量基准和测量位置不同，所得到的几何尺寸或偏差是不同的，为了进行比较和统计分析，必须确定测量基准、准确的测量位置和测量方向，所以需要制定测量计划。

九、什么是公差虚拟装配？

答：公差虚拟装配简化了说就是使用计算机模拟方法：

1、通过数学模拟随机产生一定数量的满足给定公差要求但偏差不同（满足正态分布）

的零件；

2、按给定的装配关系和装配公差将上述产生的零件组装成产品；

3、按给定的测量计划测量虚拟装配的部件和最终产品的尺寸偏差；

4、运用统计的方法，计算所有测量点的波动和平均偏差（除非输入公差中有平均偏差，

否则测量点的平均偏差为零）；

5、计算零件给定公差和每个装配环节给定装配公差对测量结果的影响，修改公差设计

就是基于这样的模拟计算结果进行的。

上面是只考虑几何装配的情况，当需要考虑零部件在装配过程中的变形时，还要输入零件的材料性能参数，使用有限元方法进行模拟计算。

十、检具是干什么用的？

答：任何零部件和产品制造完成后，都需要判断它们是否合格，有时还需要知道偏离制造名义尺寸的零部件具体的偏离数据，这就需要测量。有些零部件用通用的量具即可完成检测，但复杂的零部件却不能。简单点说，检具就是检测复杂零部件的特殊量具（或者检测简单零部件是否合格的快速量具），并且是一个零部件对应一个检具，能够同时检测几个零部件的检具往往是这些零部件形状相同或是一种组合关系。有些检具只需要自身及其附件就可完成检测，有些还需要借助其它量具或三座标测量机才能完成测量。

只需判断零部件是否合格的定性检测和需要得到详细检测数据的定量检测也不一样，前者或许只需依靠检具自身即可完成检测，而后者则一般要依赖其它量具或三座标测量机的帮助。

还有一种检测支架，自身并不能完成检测，只用于在三座标测量机上支撑和定位零部件，也可算作检具的一类。能够改变定位基准的检测支架称为柔性检测支架，同一支架可供许多不同零部件检测时使用。柔性检测支架加上三座标测量机，又常常被称为柔性检具。

这种三座标测量机上的检测头也可由接触式探头换成激光扫描系统或三维照相系统，这样的合成系统既可用作柔性检具，又可用于逆向建模时扫描样件，做到一物多用。采用这种非接触式的点云式的检测方法，将可对零部件进行更全面的检测，更有利于零部件的质量评估和整改。

十一、为什么要进行检具的宏观策划与微观控制？

答：检具的设计、制造和使用都增加了产品的成本，有些零部件（特别是中间组装部件）可能并不需要检具，所以需要对所有零部件进行统一分析，制定需要制作检具的零部件清单；需要用检具检测的零部件，也不是该零部件的所有特征和几何形状都要检测，所以要对零部件的几何形状和功能加以分析，确定检测部位；纵向分析一个部件的装配过程，确定其中间哪个阶段和哪些部位的尺寸需要检测和控制，也是既满足功能需求又节省费用所必须做的工作，这些统称为检具功能设计（或方案设计）。此外欧美进行检具设计依据的文件是几何尺寸和公差GD&T，而日韩则多采用品质标准书，前者对检测部位、局部基准等都有明确的标注，后者则没有，因而要求检具设计人员要对产品有更加深入的分析和了解，搞清楚具体的检测部位、边界和需要采用局部检测模块的地方。在采用GD&T作为检具设计依据的情况下，检具制造公司也应该认真分析和审核客户提供的GD&T是否正确、是否能够满足零部件的功能需求，因为如果后期因GD&T的错误检具需要整改，即使整改费用由客户负责，也不是检具制造公司所乐见的，更何况在中国，这些费用大都由检具制造公司承担。确定需要制作检具的零部件清单和单个零部件的检测部位、边界和检测模块，可以认为是检具的宏观策划，需要较早进行。

检具是用于检测零部件是否合格的依据，依据错了，其它质量控制和尺寸控制工作即使做得最好也无法评判。所以检具的设计和制造是一项十分重要、且需要非常仔细的精密制造工作。除了前面提到的检具功能设计（方案设计，包括检测部位、边界和检测模块的设置），零部件在检具上的放置方向和定位基准、定位销种类的选择、检具制造公差的确定、检测人员的工作方便性、三坐标检测机的可及性、检具的重复性和再现性试验、

检测附件的存储和检具的搬运考虑等，都是需要给与重视的细节工作，不可有丝毫的懈怠，否则就会给后续检具的使用带来难以预见的麻烦。

十二、什么是过程控制？

答：为了说明过程控制，首先要定义过程。过程的种类形式太多了，大到星球演变过程，小到物质分子结构的化学演变过程，抽象的有人类的思维过程，具体的有某个加工的操作过程。一个工业产品的生命周期内有产品的立项过程、设计过程、开发制造过程、生产过程、检测过程、销售过程、使用维护过程等。虽然上述各个过程对工业产品的整个生命周期都是非常重要的，都需要进行控制，但人们常说的过程控制是指工艺制造过程，即对根据设计进行的产品开发制造过程和生产过程的控制，因为生产制造过程延续的时间更长、涉及的人员和范围更广、影响也更深远。不过需要指出，没有其它过程的有效控制和顺利完成，单纯生产制造过程的控制并不能取得预想的效果。

十三、怎样进行生产制造过程控制？

答：为了进行生产制造的过程控制，必须对所控过程有全面而深刻的了解，许多时候需要进行试验以确定过程控制窗口。以冲压过程控制为例，板材特性、毛料形状、模具、冲床、润滑、压边力、冲床和模具的维护周期等，都是需要控制的，对于实际的板金零件，需要控制的项目又各不相同，往往要经过试验确定，有经验的工程技术人员可以减少需要试验的项目和单个项目的试验工作量，从而降低成本。在确定过程窗口后，在冲压过程中将过程参数设置在过程窗口的中间位置附近即可（称为实际过程控制）。比较大的过程窗口允许过程参数有比较大的变化范围，有利于降低过程控制的难度，确保稳定的产品质量和较少的浪费。但是创建更大的过程窗口（可以称为过程优化）往往意味着较高的初始费用（例如模具）和消耗费用（例如使用更好的材料），所以在质量控制、初始费用和长期维护费用的比较中要权衡利弊与得失，做出适当的选择。除了过程参数的控制，制定标准操作指导书是十分必要的，可以防止人员变更带来的对产品质量不可预知的影响。

十四、怎样进行一般过程控制？

答：如上所述，除了产品的生产制造过程外，设计（包括产品设计和工艺设计）、采购、检测、验收、销售、售后服务等环节，都需要进行过程控制，否则仍然无法生产出优质产品和赢得客户的长久青睐，从而为企业带来长期的利润和发展。任何过程控制都需要策划人员对过程本身有很透彻的了解，制定过程的流程；并且列出：过程中各个阶段延续的时间和需要完成的具体工作，过程中需要的人员和设备，需要使用的标准、规范、模板和操作指导书，过程中各个阶段需要的输入和输出的交付物；同时要特别指出关键的控制节点、控制内容和控制标准，有时还要规定特定的控制人员，以免控制流于形式。

项目管理人员一定要跟踪各个阶段的工作进展，做到心中有数，决不可平时不闻不问，到了控制节点匆忙检查验收，那样往往在工作完成不达标的情况下降低标准，造成很大的后患，后期补救十分困难，降低过程最终交付物的质量，影响企业效益。

十五、产品数据管理平台PDM是什么？

答：是通过计算机网络和数据库技术把产品信息及其相关过程集中存储和管理的技术和系统。产品信息包括三维数模、性能及实验要求、二维图纸（GD&T和其它技术要求等）、测量结果记录、产品变更记录等；过程信息包括工艺文件、工装开发数模和图纸、过程跟踪、工程变更记录、过程节点审批管理等；此外还包括支持产品设计和制造过程的其它资料（例如产品设计标准、工艺标准、流程、操作手册、规范和模板等）。如果把人力、采购、物流、销售、会计和售后服务等内容也融合到PDM系统里，则组成一个ERM 企业资源管理系统。也可以把PDM的内容融合到ERM系统里，扩充ERM系统的内容，结果是类似的。以何者为先，或者两者同时推进，需要企业根据自身情况策划决定。

十六、如何建立产品数据管理平台？

答：虽然不同的数字化平台的结构是类似的，但是平台大小和其中的内容可以大不相同。

平台就像一个舞台，在上面表演的剧目可千差万别。在一个产品平台的开发过程中，需要进行广泛的调查，根据企业实际情况（包括产品种类、人员水平、设备规格、工艺能力、配套厂家、资金和技术等），经过确立目标、寻找资源、广泛交流、获得支持、了解现状、明确要求、选定标准、权衡得失、提出方案、获得批准和组织实施等诸多阶段。

在具体项目的实施和产品开发过程中，通常会遇到设计、制造、检测、验证、评估、平台化、标准化、模块化、新老产品的区别、借用、更新改进等方面的许多问题，需要依赖有经验的工程技术人员的参加和专家的指导，才能建立起一个切实可行的产品数据管理平台。建立企业产品数据管理平台工作量大，涉及的人员多，处理好各项工作的关系十分重要。应该记住，产品数据管理平台只是一个工具，一切应该以提高企业产品质量、降低成本、促进企业产品销售和效益为目标。

十七、高投入是否一定会带来高回报？

答：由于外国公司对产品研发的投入相对于中国公司都很高，有些公司就投入巨资研发新产品，期望以此获得高回报。这些公司对雇员实行高工资、设计由外国人主导、研制高端产品，由外国公司打包设计、零部件供应商大部分是外国公司、机床设备大部分从外国公司购买，一切采用外国的流程、标准和规范，由外国人对整个过程进行监控。结果是研制出来了与外国公司质量没有太大差异的产品，可是整体成本比外国公司还高，为了不亏本，产品定价只能参照外国公司产品。由于没有外国产品的品牌效应，产品卖不出去，结果不但没有赚到钱，还产生巨额亏损。观致汽车是采取这种做法的典型案例。

新成立的企业、财力不强的企业、技术势力不强的企业，一定要找到行业专家对企业发展战略进行深入的分析探讨，高瞻远瞩，制定符合本企业的产品战略、人才战略、采购战略、销售战略；同时脚踏实地，解决企业产品研发、生产制造、采购销售、物流运输、售后服务等工作当中遇到的各种实际问题，才能够在激烈的市场竞争中谋得发展，立于不败之地。