非标准设备设计及其工艺的三维模块化

顾啸

摘 要：非标准设备设计作为机械设计的重要组成部分，在引入三维建模技术以后，通过应用先进的三维模块软件，可以快速有效地完成设计任务。如今，随着三位模块技术的创新应用，非标准设备的工艺已经发展到新的高度。

关键词：非标准设备；设计；工艺；三维模块

非标准设备是指不能按照国家统一行业标准和规格制造的设备。非标准设备在加工过程中不能批量生产，一般都采用一次订货的方式，根据客户的用途需要进行设计制造，并且设计成品不包含在国家设备产品目录内。市场上我们也可以将非标准设备形象地定义为“因批量小为满足特殊需求而专门设计和制造的设备”。近年来，我国非标准设备设计水平不断提升，已成为市场出售的重要工业商品。

1 非标准设备的特点

1.1 批量小

非标准设备是根据用户的特殊需求而专门设计制造的，非标准设备不是固定型号的产品，用户不能直接在市场上进行选型和购买，需要选择和联系专门的生产厂家进行设计和制造，所以，这也就决定了非标准设备不能批量生产，只能单件预购或者小批量生产。但是，非标准设备会随着市场发展而变化，一旦非标准设备的市场需要量提高以及专业化程度达到国家标准，就可以转化成标准设备，进行大批量生产。

1.2 设计难度大

非标准设备与标准设备相比，最大的区别就是没有足够的设计经验和完整的制造工艺，由于生产量小，成本投入不能太多，相应的试制和测验环节缺乏，多数情况下还没有同类产品进行参考，计算方法也不同，不能生搬硬套已有的计算公式，需要结合实际，制约因素较大，故而非标准设备设计难度也比较大。此外，非标准设备一般需要做到一次性设计和制造成功，并且能够通过长时间的实践考验，为此，非标准设备设计的重要性尤为突出，如果设计方面出现问题就可能在投入使用后出现各种故障，比如动力不足、机体变形、磨损严重、精度下降、不正常振动或噪音等问题，满足不了用户需求。

2 非标准设备设计的计算

标准设备在进行设计计算时大都是按照既定的规范的计算公式进行计算的，这些公式都是经过了反复论证检验的。而关于非标准设备的设计计算，多数时候都不能直接套用已有的计算公式。非标准设备设计计算很难找到已有的经过检验的数据，通过是通过设计者的理论分析，并且条件比较苛刻，设计计算的时间非常紧迫，但客户提出要求时必须在最短的时间内完成。在非标准设备设计计算过程中，有些计算公式非常繁琐，需要选择的变量参数较多，所以，计算结果的准确性难以保证，有时会采用模糊计算方式，往往失去了精确计算的意义。非标准设备设计计算一般需要结合产品的实际生产能力要求、性能和质量要求、所需要的功率、主要机件的荷载、能量的转换、速度、压力等参数，然后建立设计计算的三维模型，确定设计思路和方案。在非标准设备设计计算过程中，对于任何非标准设备传动所需要的功率，都可以用输入能量等于消耗能量的守恒原理来进行计算。设计者在进行设计计算时，需要考虑传达以及其他损耗，应注重机设备的安全系数。虽然能力输入及损耗的方式和过程具有多样性，但是在已有的设计计算方式中，许多非标准设备设计都可以直接用输入功率等于消耗功率进行计算，并且这种方式不影响计算的准确性。此外，非标准设备设计的强度计算，需要结合实际要求，由于安全系数和许用应力范围很大，强度计算结果同样具有很大弹性。所以，对于非标准设备的强度计算还是应该重视基本概念的运用，不断提升非标准设备设计计算的质量。

3 非标准设备设计及其工艺的三维模块流程

非标准设备设计及其工艺的实质还是利用已有的资源和机械制造技术进行产品创新的过程。随着三维建模技术的推广和应用，非标准设备的设计水平和制造工艺也在不断改进。非標准设备发展之初，设计者主要采用传统的平面设计软件进行建模，这样不能全面考虑和模拟计算产品的规格、质量以及主要机体的制作路线，而当非标准设备生产引入三维模块技术以后，有效地解决了产品品种、规格、质量、成本等各种问题，使得设计计算呈现立体化、生动化、精确化，能够克服设计难题，使用三维模块也有助于提高生产线效率。如今，在非标准设备设计及其工艺过程中常使用的三维模块软件主要有UG、CAD、Solidworks、CATIA等几种，这些软件应用方便灵活，能够很好地对产品的个性化需求进行综合分析，对产品的尺寸信息、特征信息进行自动拾取，并且替换卡片和数据库中的数据。采用三维模块技术的最大优势就是当工艺模型和流程驱动完成后，每道流程的信息信息必定发生变化，再从三维模型中提取新的参数和流程更新到对应的卡片和数据库中，以实现数据的统一性和二维卡片的同步更新。

非标准设备设计及其工艺三维模块化的流程：用户需求或行业标准→技术指标（用途、形状、尺寸、参数）→根据要求拟定设计方案→用户确认→确定设计方案→确认选型并外购标准件→选择、设计、绘制三维模型→功能模拟、优化设计→修改、确认总装→出BOM表及2D图纸→外协机加工非标准件或和外购标准件→装配总成→调试设备→总检→交付用户使用→售后服务。

由于用户需求不同，非标准设备设计及工艺流程上也没有严格统一的标准，设计者在实际设计中可以根据具体情况加以变动，既能够将几个步骤结合在一起进行，又可以省略或增加某些步骤，以此来提高设计和工艺的质量与效率。

4 非标准设备设计及其工艺三位模块化的建议

4.1 非标准设备设计结构方案的拟定

在整个非标准设备设计和工艺制作流程中，最为关键的环节就是拟定设计方案，可以说设计方案的质量决定了整个非标准设备设计的成败。只用好的设计结构方案，才能够满足用户的需求，平衡成本与质量的关系，力求在制作工艺上更加简便，成本更加低廉，产品操作更加方便、使用寿命长、故障率低以及保养简便等。在设计结构方案中，设计者一定要做好和客户的沟通，在尽量满足客户要求的基础上，把握行业标准，为客户设计出最优化的设计结构方案。

4.2 非标准设备设计结构模块确定的方法

非标准设备在选择、设计和绘制三维模型时，需要把握好两点。一是要认真落实非标准设备的功能和参数。设计者在确定产品结构模块时需要详细了解用户对非标准设备的具体要求，在基础上对设备的主要功能和参数进行一一确定，这也是建立设备三维模型的前提条件；二是依据产品工艺流程找到设备的工作原理。在确定了非标准设备的主要功能和参数以后，设备的工作原理就成为结构建模的主要依据，设计者需要根据非标准设备的工作原理快速的设计出产品结构的三维模块，可以结合已有的设计经验，灵活套用相似的装配图形，适当的调整和修改，确定最优化的结构模块。

4.3 非标准设备设计过程的控制

一个优秀的非标准设备设计者，不仅仅需要精通机械原理以及设计方法，能够积极地对客户需求做出响应，拟定最优化的设计方案，建立最优化的结构模型，选用最合适的标准件，还需要做好整个设计及工艺流程的控制，将非标准设备进行“标准化”、“规范化”生产，能够从工艺制作中总结出相似的地方，不断提高非标准设备设计的效率和可靠性，降低整个产品制造的成本投入，改进加工工艺和装配工艺，在零配件的材料选择要尽量合理，对于加工工艺、后处理方法以及尺寸公差配合等工艺原理要有深刻的理解。此外，在设计非标准设备时需要考虑以下因素：一是设计的产品需要具备良好的加工工艺性和装配工艺性，设计者必须掌握加工和装配的基础知识以及丰富的设计实践经验，能够科学、合理、灵活地选择、设计和绘制三维模型，掌握整个设计工作的重要环节；二是合理控制加工精度和加工表面质量。对于设备的加工精度，包括尺寸精度、集合京都以及相对位置精度，都必须在三维模块上进行准确定量，然后严格安装确定的三维模块进行加工制造，同时在加工过程中要考虑到加工设备以及工厂技术水平，尽可能选择最佳的加工方法，避免出现加工精度超过工厂加工方法控制的精度范围；三是做好对设备的热处理或表面处理。非标准设备设计的三维模块并不能将每一个细节都标识出来，對于舍必的热处理或表面处理需要选择合适的办法，热处理是提高设备使用寿命和性能的关键，通过热处理或表面处理能够提高非标准设备的表层硬度，延长设备的使用寿命。

5 结语

非标准设备设计及其工艺的三维模块化是一个复杂的、技术沉淀的过程，模块化的研究和应用，很大程度上节省了设计者的工作量，通过先进的三维模块软件，能够形象生动地完成设计结构以及实时拾取新的参数，方便设计者拟定最佳化的设计结构方案，并且也方便后期的修改。因此，非标准设备设计及其工艺的三位模块化实现了从重复编制工艺发展为工艺批处理模式，极大地提升了设计和工艺效率，节约了制造成本。

参考文献

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[2]赵建.非标自动化设备设计中材料的选择与应用[J].科技致富向导，2013，（3）：179.

[3]季平.浅谈非标准设备设计方案的拟定及零件的合理设计[J].科技创新与应用，2015，（18）：131.

（作者单位：天津市扬帆科技开发有限公司）