机器的设计过程

郭 东

(北京中电科电子装备有限公司，北京 101601)

设计过程是产品开发过程中人员和信息的有效组织与管理，设计的最终可交付成果是一个有使用价值的产品。大部分产品的生命周期始于用户需求的建立，结束于从市场的引退，设计中不仅要考虑提高机器的稳定性和可靠性，还要考虑降低成本、缩短研制周期。设计过程中必须清楚一个重要的问题，那就是使用者真正需要什么，收集使用者需求，在诸多不确定因素以及缺乏技术参数的情况下，快捷高效地在设计中解决这一问题。本文从机器设计的定义、参数定义 (SD)、概念设计(CD)、产品设计(PD)、产品支持(PS)等对设计过程做了简单阐述。

1 机器设计的定义

对于从事机器设计的每一个人员，必须清楚地知道对于机器设计的定义，这是设计的先决条件，是机器设计的目标导向。机器设计的定义主要包括设计的目的、范围、目标及管理计划。

1.1 机器设计的目的

机器设计的目的主要包括以下几个方面：

(1)满足用户产品生产的工艺需求；

(2)满足用户对于产品的价格需求，使其获得更高的性价比；

(3)提高国内同行业的技术水平，填补国内技术空白，替代进口设备。

1.2 机器设计的范围

明确机器设计的范围，就是要完全确定设计完成后，所生产的设备具有哪些特性和功能，确定机器设计的可交付成果，主要包括以下几方面的内容：

(1)制定机器设计目标；

(2)制定机器设计进度里程碑；

(3)制定机器设计的可交付成果 (如设备整机成本、整机性能、生产效能、必备的基本功能、专利点与论文等)；

(4)制定机器设计成果的验收标准 (如一般标准、CE标准及防静电措施等)；

(5)制定机器设计的费用估算。

1.3 机器设计的目标

确定完成后，机器的总目标，包括机器的技术指标和所生产的产品目标。

1.4 机器设计的管理计划

(1)时间管理。机器设计开始之前，做好时间计划，确保设计能够按时完成。主要包括定义设计过程中的工作任务、排列这些任务的工作顺序、估计设计过程中所需的材料、设备和用品的种类和数量、估算完成这些任务所需的时间、按照任务、顺序、持续时间、资源需求和进度约束制定进度计划、进度控制等。

(2)费用管理。包括设计成本、设计可交付成果的成本。费用管理的过程就是估算成本、制定预算、控制成本的过程。

(3)质量管理。质量管理包括执行上层组织的质量政策、目标与职责，从而使机器的设计能够满足预定的需求，主要包括规划质量、实施质量保证、实施质量控制。机器的设计过程中，可用到诸多的质量控制与保证的方法，如全面质量管理(TOM)、六西格玛、失效模式与影响分析(FMEA)、设计审查、质量成本(COQ)和持续改进等。

(4)人员管理。确定机器设计过程中专业技术人员及辅助人员需求，组建一个高水准的团队。在团队中指定各成员的职责、角色。

(5)沟通管理。沟通包括内部沟通(设计团队内部)、外部沟通(客户等)、正式沟通(报告、备忘录)、非正式沟通(电子邮件、讨论)、垂直沟通(上下级)、水平沟通(同级)等。

(6)风险管理。风险管理包括风险管理规划、风险识别、风险定性分析、风险定量分析、风险应对规划和风险监控等各个过程。机器设计的整个过程中，风险管理的目标在于提高成功的概率与影响，降低失败或不完美等事件出现的概率。

(7)采购管理。这里所说的采购只是局限于外购件、外包业务等的管理，包括采购计划、采购成本、采购供货商的选择、采购谈判等环节。

2 机器设计准备

机器设计准备阶段程序框图见图1。

图1 机器设计准备

2.1 用户需求分析

2.1.1 收集用户需求

用户对于需求的表述往往是片面的、单一的、非正式的，比如，对于机器要求速度快、稳定可靠、准确度高、易操作等。尽管如此，我们还是要尽最大可能地去收集。同时，用户对于正在使用的类似设备有着相当的发言权，对于现有设备的各项性能指标的评判，我们依然要丝毫不落地收集。对于用户需求的整理分析，主要包括以下两个方面：

(1)产品方面

产品方面是指用户要用此设备做什么产品，以及产品用途，生产工艺要求等。

(2)设备方面

设备方面是指用户对于设备性能指标等方面的要求。

·设备的稳定性与可靠性

用户对于设备运行稳定性的要求是第一位的，在生产线上，由于技术工程师、维修工程师比较缺乏，而更注重设备的稳定性与可靠性。同时，不刻意追求与效率无关的指标。

·适应品种多

设备能够适应于生产相类似的多种型号产品的生产。

·效率高

随着产量需求的增加，对于设备的效率更是有苛刻的要求。

·准确度高

对于高品质的生产设备，更要求准确度要高，生产的产品一致性好。

·操作方便，易上手

生产线上一般操作员工学历较低，接收能力相对较差，因此，不能有如下状况：

(a)设备人机界面交互性差，词汇不统一，界面语言难以理解；

(b)设备操作复杂、容易引起误操作，造成设备故障、甚至导致操作人员受伤。

·可维护性好

设备要便于维护和保养。经常拆卸的零部件要易拆装，零部件的设计装配不能太密集，便于维护。

2.1.2 整理用户需求

(1)对收集到的信息处理

结合用户需求的简单表述，将其量化处理，转化为设备的基本技术指标，见表1。

表1 用户需求处理

(2)功能扩展

参考以下几点，对用户需求进行扩展补充：

·现有设备的技术特性及指标以及现有设备的缺陷、用户抱怨等；

·目前市场上较为先进的设备的相关指标；

·未来机器的发展趋势。

2.2 质量功能展开(QFD)

QFD，即质量功能展开，是将用户需求转化为机器的可测量的设计要求、产品要求、工艺要求。按照已经处理的用户需求逐级细化到每一个执行零部件，形成质量屋，找出诸多关键点。

2.3 目标成本分析

包括时间成本、资金成本、质量成本，并形成相应的目标成本分析报告。

2.4 可靠性分析

平均无故障时间等，形成相应的可靠性分析报告。

2.5 风险分析

总结需要突破的关键单元技术，提炼创新点。形成相应的风险分析与评估报告。

机器设计准备阶段主要的可交付成果有：

《用户需求报告》、《目标成本分析报告》、《可靠性分析报告》、《风险分析与评估报告》、《机器设计里程碑》。

3 参数定义

3.1 整机的技术指标

产品方面

描述机器所能生产的产品范围、工艺要求等技术指标。

设备方面

描述机器的技术指标，比如精度、UPH值、运动部件的行程，机器配置等。

产生核心部件与核心系统名称

确定实现这些技术指标的机械、电气、软件、视觉等核心部件或系统的名称，这对于设计团队统一认识是有帮助的。主要包括：

核心部件1

核心部件2

核心部件3

……

视觉系统

运动控制系统

软件操作系统

……

3.2 精度指标分解

将整机指标逐级分解到每一个执行元件(见图2)。

图2 精度指标分解

3.3 运动时序规划

合理规划机器运行过程中每一个动作时序，以保证运行平稳、高效。

3.4 机器的设计规范

该规范是由用户需求产生的一般性技术规范，是设计机器的核心指导，确定了设计各个功能模块的详细技术规范。主要由以下几方面组成：

(1)整机布局：描述整机的核心组成部件名称；

(2)机器功能描述及整机技术指标：描述机器能够生产的产品及其范围、工艺、生产效能等；

(3)机器模块及相关技术指标：各个模块在整机中所能实现的功能描述、指标参数(如行程、精度)、预期设计成本等，包括机械、电气、软件、视觉等；

(4)机器的运行时序；

(5)成本说明：材料成本、加工成本、预期售价、利润率等；

(6)安全标准：一般性安全标准、防静电、机器放置环境、真空、压缩空气等；

(7)可靠性分析：包括平均故障时间、平均维护时间等性能说明。

3.5 工作任务分解结构(WBS)

工作分解结构主要分为组织分解结构(OBS)、风险分解结构(RBS)和资源分解结构(RBS)。

详细定义每一项可交付成果，并把可交付成果分解为工作包。图3是按阶段制定的工作任务分解结构示意图(举例)。

图3 工作任务结构分解图

参数定义阶段完成的可交付成果主要有：

整机技术指标、精度指标分解说明、《机械设计规范说明书》、《电气设计规范说明书》、《软件概要设计说明书》、《工作任务结构分解》等。

4 概念性设计

4.1 概念产生

概念设计非常重要，因为在这一阶段做出的决定会涵盖整个设计过程。设计的过程是一个不断解决问题的过程，是将不明了的问题转化到一个最终产品的过程(见图4)。

(1)在这一阶段由于很多的不确定因素以及设计者知识积累的局限性，因此，在设计上有很大的自由度和任意性。

(2)比较危险的是设计者往往采取第一观点，并且从这一观点出发设计想要的产品，这是不可取的方法，因为很可能这一想法不是优化的或最好的一个。

(3)对于关键零部件的设计必须要有两种或两种以上的方案供选择，然后从这几种方案中权衡提炼出最佳方案，并优化完善。

(4)最佳方案首先要保证质量，同时要考虑时间、成本和其它资源的消耗。

(5)技术概念的产生和方案的确定往往是随着观点的不断积累而交互出现的，这种反复所获得的技术性资料对于后续设计阶段是大有帮助的。

(6)要尽可能考虑全面，客观理性地对待问题、多方位解决问题。

(7)设计过程文档化，做好记录。

(8)将计算机辅助设计软件合理地用于数据分析、模拟分析并解决问题。

(9)尽可能用到一些工具，如计算机分析软件、电气测试软件、仪器等。

(10)概念设计中要产生一系列的实验及实验报告、相关的分析报告，为后续的机器设计提供充实的依据。

(11)设计过程中要遵循所内相关设计、质量等文件。

图4 概念设计

在概念设计阶段，存在着很多的不确定因素，需要设计者在大脑中形成模糊概念，并逐渐明确、细化、形成方案。

4.2 搭建测试平台

建立良好的测试平台，验证核心零部件的功能，测试软件程序的合理性。通过实验，解决关键技术，为样机的研发制造，提供可靠的实验依据。完成测试平台的过程就是核心关键技术从提出到突破的过程，同时也是工程技术人员技术水平也会得到很大的提升。

4.3 概念评估

设计概念评估主要包括以下内容：

(1)关键技术方案评估(机械、电控、软件、视觉)

(2)安全性能评估(操作安全性、防静电设计)

(3)环保性能评估

4.4 成本预算

提出大概的成本预算报告。

概念设计阶段完成的可交付成果为：

《实施方案论证报告》、《关键单元技术实验报告》、《机器及其子系统成本预算报告》、《可靠性保证大纲》、《标准化设计大纲》、《产品质量保证大纲》等。

5 产品设计

产品设计的过程就是将概念设计阶段的一系列方案细化至图纸资料、各种明细表、作业指导书。

产品设计阶段完成的可交付成果：

《设计总结报告》、设计图纸资料 [整机装配图，零部件表，外购件表，标准紧固件汇总表，关键件/重要件汇总表，明细表，各相关专业原理图；各部件装配及零件图；整机电控框图，电气控制原理图(含PCB制版图)，布线图，电气材料明细表及汇总表；整机光学设计原理图，零部件及装配图，光学零件明细表等]、《软件设计概要说明书(更新版)》、各种实验报告及测试报告、部件和整机的验收检验规范、部件和整机的装配作业指导书、成本估算等。

6 产品支持

产品支持主要指机器零部件的加工、装配、调试、销售及售后服务。同时做好装配、调试记录，建立设备档案，为产品的升级换代做出指导。

产品支持阶段完成的可交付成果：

样机、装配调试报告、销售及售后服务报告、成本核算报告等。

7 总结

要研发一种新型的专用设备，而且是在短期内开发的一种完全拥有自主知识产权的、具有一定市场定位的设备，就必须要有一个严谨的、切实可行的设计过程与管理过程。制定详尽周密的计划，建立良好的测试平台，做好严谨科学的实验验证，缩短样机的研发周期并通过用户生产线的工艺考核，从而缩短预系列机型、成熟机型的推出周期，实现产业化。

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