機器的設計過程

郭 東

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 101601)

設計過程是產品開發過程中人員和信息的有效組織與管理，設計的最終可交付成果是一個有使用價值的產品。大部分產品的生命周期始于用戶需求的建立，結束于從市場的引退，設計中不僅要考慮提高機器的穩定性和可靠性，還要考慮降低成本、縮短研制周期。設計過程中必須清楚一個重要的問題，那就是使用者真正需要什么，收集使用者需求，在諸多不確定因素以及缺乏技術參數的情況下，快捷高效地在設計中解決這一問題。本文從機器設計的定義、參數定義 (SD)、概念設計(CD)、產品設計(PD)、產品支持(PS)等對設計過程做了簡單闡述。

1 機器設計的定義

對于從事機器設計的每一個人員，必須清楚地知道對于機器設計的定義，這是設計的先決條件，是機器設計的目標導向。機器設計的定義主要包括設計的目的、范圍、目標及管理計劃。

1.1 機器設計的目的

機器設計的目的主要包括以下幾個方面：

(1)滿足用戶產品生產的工藝需求；

(2)滿足用戶對于產品的價格需求，使其獲得更高的性價比；

(3)提高國內同行業的技術水平，填補國內技術空白，替代進口設備。

1.2 機器設計的范圍

明確機器設計的范圍，就是要完全確定設計完成后，所生產的設備具有哪些特性和功能，確定機器設計的可交付成果，主要包括以下幾方面的內容：

(1)制定機器設計目標；

(2)制定機器設計進度里程碑；

(3)制定機器設計的可交付成果 (如設備整機成本、整機性能、生產效能、必備的基本功能、專利點與論文等)；

(4)制定機器設計成果的驗收標準 (如一般標準、CE標準及防靜電措施等)；

(5)制定機器設計的費用估算。

1.3 機器設計的目標

確定完成后，機器的總目標，包括機器的技術指標和所生產的產品目標。

1.4 機器設計的管理計劃

(1)時間管理。機器設計開始之前，做好時間計劃，確保設計能夠按時完成。主要包括定義設計過程中的工作任務、排列這些任務的工作順序、估計設計過程中所需的材料、設備和用品的種類和數量、估算完成這些任務所需的時間、按照任務、順序、持續時間、資源需求和進度約束制定進度計劃、進度控制等。

(2)費用管理。包括設計成本、設計可交付成果的成本。費用管理的過程就是估算成本、制定預算、控制成本的過程。

(3)質量管理。質量管理包括執行上層組織的質量政策、目標與職責，從而使機器的設計能夠滿足預定的需求，主要包括規劃質量、實施質量保證、實施質量控制。機器的設計過程中，可用到諸多的質量控制與保證的方法，如全面質量管理(TOM)、六西格瑪、失效模式與影響分析(FMEA)、設計審查、質量成本(COQ)和持續改進等。

(4)人員管理。確定機器設計過程中專業技術人員及輔助人員需求，組建一個高水準的團隊。在團隊中指定各成員的職責、角色。

(5)溝通管理。溝通包括內部溝通(設計團隊內部)、外部溝通(客戶等)、正式溝通(報告、備忘錄)、非正式溝通(電子郵件、討論)、垂直溝通(上下級)、水平溝通(同級)等。

(6)風險管理。風險管理包括風險管理規劃、風險識別、風險定性分析、風險定量分析、風險應對規劃和風險監控等各個過程。機器設計的整個過程中，風險管理的目標在于提高成功的概率與影響，降低失敗或不完美等事件出現的概率。

(7)采購管理。這里所說的采購只是局限于外購件、外包業務等的管理，包括采購計劃、采購成本、采購供貨商的選擇、采購談判等環節。

2 機器設計準備

機器設計準備階段程序框圖見圖1。

圖1 機器設計準備

2.1 用戶需求分析

2.1.1 收集用戶需求

用戶對于需求的表述往往是片面的、單一的、非正式的，比如，對于機器要求速度快、穩定可靠、準確度高、易操作等。盡管如此，我們還是要盡最大可能地去收集。同時，用戶對于正在使用的類似設備有著相當的發言權，對于現有設備的各項性能指標的評判，我們依然要絲毫不落地收集。對于用戶需求的整理分析，主要包括以下兩個方面：

(1)產品方面

產品方面是指用戶要用此設備做什么產品，以及產品用途，生產工藝要求等。

(2)設備方面

設備方面是指用戶對于設備性能指標等方面的要求。

·設備的穩定性與可靠性

用戶對于設備運行穩定性的要求是第一位的，在生產線上，由于技術工程師、維修工程師比較缺乏，而更注重設備的穩定性與可靠性。同時，不刻意追求與效率無關的指標。

·適應品種多

設備能夠適應于生產相類似的多種型號產品的生產。

·效率高

隨著產量需求的增加，對于設備的效率更是有苛刻的要求。

·準確度高

對于高品質的生產設備，更要求準確度要高，生產的產品一致性好。

·操作方便，易上手

生產線上一般操作員工學歷較低，接收能力相對較差，因此，不能有如下狀況：

(a)設備人機界面交互性差，詞匯不統一，界面語言難以理解；

(b)設備操作復雜、容易引起誤操作，造成設備故障、甚至導致操作人員受傷。

·可維護性好

設備要便于維護和保養。經常拆卸的零部件要易拆裝，零部件的設計裝配不能太密集，便于維護。

2.1.2 整理用戶需求

(1)對收集到的信息處理

結合用戶需求的簡單表述，將其量化處理，轉化為設備的基本技術指標，見表1。

表1 用戶需求處理

(2)功能擴展

參考以下幾點，對用戶需求進行擴展補充：

·現有設備的技術特性及指標以及現有設備的缺陷、用戶抱怨等；

·目前市場上較為先進的設備的相關指標；

·未來機器的發展趨勢。

2.2 質量功能展開(QFD)

QFD，即質量功能展開，是將用戶需求轉化為機器的可測量的設計要求、產品要求、工藝要求。按照已經處理的用戶需求逐級細化到每一個執行零部件，形成質量屋，找出諸多關鍵點。

2.3 目標成本分析

包括時間成本、資金成本、質量成本，并形成相應的目標成本分析報告。

2.4 可靠性分析

平均無故障時間等，形成相應的可靠性分析報告。

2.5 風險分析

總結需要突破的關鍵單元技術，提煉創新點。形成相應的風險分析與評估報告。

機器設計準備階段主要的可交付成果有：

《用戶需求報告》、《目標成本分析報告》、《可靠性分析報告》、《風險分析與評估報告》、《機器設計里程碑》。

3 參數定義

3.1 整機的技術指標

產品方面

描述機器所能生產的產品范圍、工藝要求等技術指標。

設備方面

描述機器的技術指標，比如精度、UPH值、運動部件的行程，機器配置等。

產生核心部件與核心系統名稱

確定實現這些技術指標的機械、電氣、軟件、視覺等核心部件或系統的名稱，這對于設計團隊統一認識是有幫助的。主要包括：

核心部件1

核心部件2

核心部件3

……

視覺系統

運動控制系統

軟件操作系統

……

3.2 精度指標分解

將整機指標逐級分解到每一個執行元件(見圖2)。

圖2 精度指標分解

3.3 運動時序規劃

合理規劃機器運行過程中每一個動作時序，以保證運行平穩、高效。

3.4 機器的設計規范

該規范是由用戶需求產生的一般性技術規范，是設計機器的核心指導，確定了設計各個功能模塊的詳細技術規范。主要由以下幾方面組成：

(1)整機布局：描述整機的核心組成部件名稱；

(2)機器功能描述及整機技術指標：描述機器能夠生產的產品及其范圍、工藝、生產效能等；

(3)機器模塊及相關技術指標：各個模塊在整機中所能實現的功能描述、指標參數(如行程、精度)、預期設計成本等，包括機械、電氣、軟件、視覺等；

(4)機器的運行時序；

(5)成本說明：材料成本、加工成本、預期售價、利潤率等；

(6)安全標準：一般性安全標準、防靜電、機器放置環境、真空、壓縮空氣等；

(7)可靠性分析：包括平均故障時間、平均維護時間等性能說明。

3.5 工作任務分解結構(WBS)

工作分解結構主要分為組織分解結構(OBS)、風險分解結構(RBS)和資源分解結構(RBS)。

詳細定義每一項可交付成果，并把可交付成果分解為工作包。圖3是按階段制定的工作任務分解結構示意圖(舉例)。

圖3 工作任務結構分解圖

參數定義階段完成的可交付成果主要有：

整機技術指標、精度指標分解說明、《機械設計規范說明書》、《電氣設計規范說明書》、《軟件概要設計說明書》、《工作任務結構分解》等。

4 概念性設計

4.1 概念產生

概念設計非常重要，因為在這一階段做出的決定會涵蓋整個設計過程。設計的過程是一個不斷解決問題的過程，是將不明了的問題轉化到一個最終產品的過程(見圖4)。

(1)在這一階段由于很多的不確定因素以及設計者知識積累的局限性，因此，在設計上有很大的自由度和任意性。

(2)比較危險的是設計者往往采取第一觀點，并且從這一觀點出發設計想要的產品，這是不可取的方法，因為很可能這一想法不是優化的或最好的一個。

(3)對于關鍵零部件的設計必須要有兩種或兩種以上的方案供選擇，然后從這幾種方案中權衡提煉出最佳方案，并優化完善。

(4)最佳方案首先要保證質量，同時要考慮時間、成本和其它資源的消耗。

(5)技術概念的產生和方案的確定往往是隨著觀點的不斷積累而交互出現的，這種反復所獲得的技術性資料對于后續設計階段是大有幫助的。

(6)要盡可能考慮全面，客觀理性地對待問題、多方位解決問題。

(7)設計過程文檔化，做好記錄。

(8)將計算機輔助設計軟件合理地用于數據分析、模擬分析并解決問題。

(9)盡可能用到一些工具，如計算機分析軟件、電氣測試軟件、儀器等。

(10)概念設計中要產生一系列的實驗及實驗報告、相關的分析報告，為后續的機器設計提供充實的依據。

(11)設計過程中要遵循所內相關設計、質量等文件。

圖4 概念設計

在概念設計階段，存在著很多的不確定因素，需要設計者在大腦中形成模糊概念，并逐漸明確、細化、形成方案。

4.2 搭建測試平臺

建立良好的測試平臺，驗證核心零部件的功能，測試軟件程序的合理性。通過實驗，解決關鍵技術，為樣機的研發制造，提供可靠的實驗依據。完成測試平臺的過程就是核心關鍵技術從提出到突破的過程，同時也是工程技術人員技術水平也會得到很大的提升。

4.3 概念評估

設計概念評估主要包括以下內容：

(1)關鍵技術方案評估(機械、電控、軟件、視覺)

(2)安全性能評估(操作安全性、防靜電設計)

(3)環保性能評估

4.4 成本預算

提出大概的成本預算報告。

概念設計階段完成的可交付成果為：

《實施方案論證報告》、《關鍵單元技術實驗報告》、《機器及其子系統成本預算報告》、《可靠性保證大綱》、《標準化設計大綱》、《產品質量保證大綱》等。

5 產品設計

產品設計的過程就是將概念設計階段的一系列方案細化至圖紙資料、各種明細表、作業指導書。

產品設計階段完成的可交付成果：

《設計總結報告》、設計圖紙資料 [整機裝配圖，零部件表，外購件表，標準緊固件匯總表，關鍵件/重要件匯總表，明細表，各相關專業原理圖；各部件裝配及零件圖；整機電控框圖，電氣控制原理圖(含PCB制版圖)，布線圖，電氣材料明細表及匯總表；整機光學設計原理圖，零部件及裝配圖，光學零件明細表等]、《軟件設計概要說明書(更新版)》、各種實驗報告及測試報告、部件和整機的驗收檢驗規范、部件和整機的裝配作業指導書、成本估算等。

6 產品支持

產品支持主要指機器零部件的加工、裝配、調試、銷售及售后服務。同時做好裝配、調試記錄，建立設備檔案，為產品的升級換代做出指導。

產品支持階段完成的可交付成果：

樣機、裝配調試報告、銷售及售后服務報告、成本核算報告等。

7 總結

要研發一種新型的專用設備，而且是在短期內開發的一種完全擁有自主知識產權的、具有一定市場定位的設備，就必須要有一個嚴謹的、切實可行的設計過程與管理過程。制定詳盡周密的計劃，建立良好的測試平臺，做好嚴謹科學的實驗驗證，縮短樣機的研發周期并通過用戶生產線的工藝考核，從而縮短預系列機型、成熟機型的推出周期，實現產業化。

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