單件小批量機械產品的質量設計

杭州娃哈哈集團有限公司□劉守謙

隨著 “個性化化服務”的盛行，在食品飲料行業中，客戶的個性化要求也越來越加凸顯。而機械產品的形成，又往往是經過 “試制—改進—小批量生產—批量制造”的周期才能達到理想的質量。 “單臺套制造”的機械產品，幾乎不可能達到最初設想的質量要求。制造方又以 “首臺套”為由，堂而皇之地回避 “質量不達標”的問題；用戶也被迫 “諒解”這一理由。

然而，用戶是用 “機械設備”生產自己的產品， “機械設備”的質量問題會給自己的 “產品生產”帶來無法回避的 “質量”和 “效率”的問題。所以，如何提高 “單臺套制造”的機械產品的質量，是當前亟待研究和解決的普遍性課題。本文重點從創新設計的角度加以分析、闡述 “單件小批量機械產品的質量設計”方法。

1 機械產品的方案設計

（1）創新思維與創新設計

創新思維是創新設計的靈魂。建筑設計、藝術設計需要創新思維，工業設計、機械設計同樣也需要創新思維。機械設計中的創新思維，是指 “有意識的努力思考”與 “潛意識的思維反應”的碰撞與結合，而產生的靈感上的頓悟。創新設計，必須以雄厚的的專業知識、豐富的設計經驗、海量的行業資訊為支撐；以敏銳的思維、科學的方法、簡約的理念為引導；加以匯集、融合，而形成的巧妙的、富有創造性的設計構思。

“雄厚的的專業知識”、 “豐富的設計經驗”，不是人人都有；但 “海量的行業資訊”，每位設計人員都可以通過資料查詢而獲得；“敏銳的思維”不見得人人都具備，但 “科學的方法”可以通過按部就班的學習去掌握； “簡約的理念”也是每位設計人員應該遵循、不斷追求的設計理念。

TRIZ理論是目前設計領域比較推崇的創新設計方法之一。在TRIZ理論中，以系統的觀點為新產品的發展指出了方向。TRIZ理論認為：任何一個產品或者客觀事物，都可以看作是一個系統；而任何一個系統都是按照一定的客觀規律進化的，這并不取決于某一個人。新產品的產生是一種看似偶然的必然。因此，這個客觀規律就是可以被發現、認知和利用的。

TRIZ理論將創新思想進行了科學化的整理與提煉，是產品創新設計的有效開發工具。利用TRIZ理論可以大大縮短新產品設計開發的時間，全面地解決矛盾和問題。但并不意味著有了TRIZ理論就有了一把萬能的鑰匙。應用TRIZ理論時，應根據具體的問題進行具體研究和分析，在TRIZ理論給出的一般理解的基礎上，利用特定的知識和經驗去發掘需要的解決方案。

（2）新工藝的設計思維

針對食品、飲料行業，特別需要注重新知識、新工藝的學習。因為，食品、飲料的生產與包裝，所涉及的技術包羅萬象、廣泛跨界；大至整個工廠、整個物流運輸網絡；細至毫厘之差，甚至飛塵、細菌的控制；外表固定、內部如“翻江倒海”的配料、混料系統，外部飛速旋轉、內部卻穩流如絲的灌裝設備；有紙袋、塑料袋、紙盒、塑料瓶、玻璃瓶、鐵罐等小包裝，有紙箱、大膜包、鐵桶、編織袋、噸袋的大包裝；有生產線上精準輸送，有倉儲、物流的大噸位運輸。就設備的組成而言，有傳統的齒輪、鏈輪、皮帶傳動，也有氣缸、電缸、伺服電機等現代傳動技術；有連桿機構、凸輪機構的經典機構，也有 “機器人工作站”的現代化技術；有接觸式、光電感應傳感器、也有熱敏、壓敏、超聲波、激光測量等先進的傳感技術；有PLC控制技術，也有總線智能控制系統，凡此種種，需要設計人員有廣泛的知識積累，和跨界的思維能力。

各個領域的新技術、新元件的不斷涌出，設計人員要及時跟蹤、了解，并努力學習、熟練掌握與自己的設計工作密切相關的新工藝、新技術，特別是市場上已經出現、并有成功應用案例的新模塊、新元件的功能指標與使用技術要求，以便及時、合理地應用到自己的設計之中，使自己所設計的機器既先進、有可靠。

“工藝設計”是機械設計的前提。正確的原理、合理的工藝，是一臺機器、一條生產線成功的前提條件。如：灌裝機的常壓灌裝、負壓灌裝、壓力灌裝等工藝；旋蓋機的機械式旋蓋、伺服旋蓋；包裝機的立式包裝、臥式包裝；裝箱機的推入式裝箱、抓取式裝箱、裹包式裝箱；碼垛機的紙箱排列 （排箱）等工藝；設計機器，必須首先確定 “原理、工藝”，然后再分模塊實施具體的結構設計。

（3）模塊化設計思維

工藝確定后，各個功能塊的選型與模塊化設計的應用，是至關重要的設計環節；如前所述，了解市場上已經出現，并有成功應用案例的新模塊、新元件的功能指標與使用技術要求，往往能啟發新的設計思路。工藝設計決定后續的 “模塊設計”，反過來 “模塊的選型設計”也可以進一步優化先期的 “工藝設計”；如氣動模塊、電動模塊、伺服模塊、智能化模塊組合等，都可以對前面的工藝設計有新的啟發。

“大道至簡”，機械設計也是一樣，機器的方案設計要盡量簡單。設計機器、制造機器的最終目的是替代人工勞動，在保證勞動質量的前提下，提高生產效率。所以，首先要參透所設計的機器想要達到的功能，利用所掌握的元器件功能、技術模塊的性能，用最簡單的構思、加以巧妙的組合，可以得到多種實施方案。再根據 “所設計的機器”的產能要求，用動態的想象，排除那些不適用的方案；然后，結合 “所設計的機器”的使用環境、操作需要，進一步加以篩選、優化，形成切實、可靠的設計方案。

2 技術設計

對 “所設計的機器”有了整體的方案構思以后，核心部件的關鍵結構設計，成為主要矛盾，如灌裝機的灌裝閥、擰蓋機的旋蓋頭、瓶子裝箱機的抓瓶器，以及各種機器人工作站的抓具 （吸具）等，都是關鍵的零部件，需要精心設計。

根據關鍵零部件的結構原理，結合預先的“工藝設計”、綜合產能要求等 “設計輸入條件”，規劃機器的主傳動方案，以及主機架的結構，并對輔助機構提出 “動作要求”。

（1）關鍵結構的精細化設計

每臺設備都有關鍵的零部件，如前面所說的灌裝閥、旋蓋頭、抓瓶器、抓具 （吸具）等，是該種設備的主要零部件；這些零部件是設備的核心部件，其中的每個零件都需要精細化設計。

（2）輔助功能的部件配套設計

為了保證設備主機構功能的可靠性，或者說根據工藝要求，往往還有一些輔助的執行機構。這些輔助機構需要與主機構同步運行，或按規定的時序運行。通常，需要繪制整臺中各個執行部件的動作時序圖；根據 “時序圖”設計整臺設備的傳動鏈及其控制程序。

（3）各部分技術要求的提出

無論是關鍵零部件，還是輔助機構，設計圖中都需要有相應的技術要求，用于指導零部件的制作與裝配；零件圖的技術要求包括：材料及材料的處理要求、加工精度要求、表面處理、特種零件的配套參數、焊接件的焊接要求等；裝配圖的技術要求，主要包括：各零件裝配前的要求、特殊裝配的指導方法，以及裝配后的功效要求等。

（4）設計方法及設計軟件

目前，電腦輔助設計已普及應用，無紙化設計、制造也已逐漸興起。常用的設計軟件很多，如：平面圖設計軟件有：AutoCAD、CAXA；三維設計軟件有：SOLIDWORKS、Pro/e、UG、mastercam等；仿真設計軟件有：CATIA、 ADAMS、 ansys、 abaqus、 fluent等。 其中：AutoCAD、CAXA是目前主流的平面圖設計軟件；Pro/e、UG多用于造型復雜的結構件設計；SOLIDWORKS廣泛應用于機械設計的三維模型設計；mastercam提供了設計零件外形所需的理想環境，其強大穩定的造型功能可設計出復雜的曲線、曲面零件；CATIA、ADAMS、ansys、abaqus、fluent等，是目前國際上比較流行的模擬、分析軟件包，可以實現靜力學、動力學、磁力場、流體力學、熱傳遞和化學反應等有關的工業模擬和分析。

當然，任何的設計軟件都是輔助工具，真正的設計水平、設計質量，還是取決于設計者的思維和意識。從另一方面講，高級的設計軟件，使用成本也較高；對于普通的機械產品的設計，目前用AutoCAD、CAXA，及SOLIDWORKS、Pro/e、UG等輔助設計軟件就可以了。

對于特別關鍵的零部件，在條件允許的情況下，可以做一下模擬分析。若沒有模擬分析的條件，則可以采用實驗室制造、原理模擬的方法，獲取有效的實驗數據或模擬姿態，為下一步的零件設計提供參考依據。

3 零件結構設計

根據試驗、模擬的結果，設計關鍵的零件，不同類型的零件，有不同的設計注意事項。以試驗、模擬的結果進行設計，零件的使用功能已經有了基本保證。需要注意的是零件加工的可行性、以及加工的成本問題。

首先，必須以本單位的加工工藝、通用的加工工藝為基礎，這就要求機械設計人員對常用的機加工工藝非常了解，食品飲料設備中，對于“細長管”、 “小徑深孔”、 “特殊形狀的光潔表面”等零件結構要素的獲得方法，也要胸有成竹；其次，對本專業的原材料的供貨規格要有所了解，以便統籌考慮，選用最接近零件使用要求的原材料，以節約加工成本。

（1）關鍵零件的設計

對于關鍵零件的設計，選材是第一位的。比如食品飲料行業的設備，與物料接觸的零件必須用316L不銹鋼或無毒無味、材質細膩的超高分子材料；要耐酸、耐堿、耐腐蝕；零件外形要易于清洗，能 “在線沖洗”干凈；同時，又能實現設計的功能要求。

（2）軸系零件的設計

軸系零件，大多數是承受交變載荷。零件的材料要有韌性、表面要耐磨，公差配合要適中，還要根據環境要求選用適當的潤滑方式及密封結構，亦或選用免潤滑材料，軸肩倒角與清根的幅度也要謹慎考慮。

主傳動軸是影響設備運行性能的關鍵所在，軸承的選用與組合尤其重要。食品飲料設備中，豎直設置的傳動軸很多，懸臂較長的主軸經常使用。所以在選用軸承時，不僅要經過靜態的受力分析計算，必要時應進一步做動力學分析與計算。

（3）鈑金類零件的設計

在食品飲料設備中，鈑金類零件應用比較語遍，常用不銹鋼 （鏡面、拉絲面、霧面），根據零件的作用不同，選用316L或304材料，主要考慮是否與食品物料有接觸；對于純粹外觀的鈑金零件，也要根據設備在車間的安裝位置是 “濕區”還是 “干區”，來決定用不銹鋼，還是普通鋼板噴漆，一般需從其用途、成本、及設備外觀的統一性來考慮。

（4）機架類零件的設計

在食品飲料行業，單臺套、小批量制造的情況下，通常用焊接結構的機架。一般的灌裝設備，采用碳鋼焊接機架、不銹鋼外包；無菌灌裝設備采用不銹鋼焊接機架；特殊的包裝機，也采用不銹鋼焊接與鋁板組合的機架；干區的包裝設備采用碳鋼焊接、表面噴涂的機架，或鋁型材拼接的機架。

總之，機架設計以堅固、穩定為主要要求；同時要考慮材料的成本。對于重量較輕的機架，安裝時可輔以預埋的地腳螺栓。考慮到生產線的靈活性，預埋的地腳螺栓要慎用。

（5）鑄造類零件

食品飲料設備中，鑄造件應用較少；偶有使用，多半是通用的外購零部件。如閥體、傳動轉向器、地腳、輸送鏈道上的通用連接件等。

（6）外購的零件設計要求

食品飲料行業的設備，雖然都是單臺套、小批量制造，但其中的通用零部件很多，系列化的更換件也很多；每一個有積累的設備制造廠，其系列化的產品都已基本形成；即便是新興的設備制造企業，也可以從系列化的產品規劃起步。在新產品設計時，就有系列化的理念，以適應市場的需求，也有效降低制作成本。

零件系列化的同時，也要著重考慮專業備件供應商的備件類型，以及特型零件、專業加工的配套服務，如：鏈輪、齒輪、皮帶輪、星輪、護板、進瓶螺桿等及真空吸具、裝箱機抓頭等。本行業的備件供應市場已配套形成。這些外購零配件的合理選用，會有效地降低設備的制造成本。

4 公差與粗糙度標注

對于必須自已加工的零件，在零件設計時要注意以下幾點：

（1）通用的公差與粗糙度標注

《機械設計手冊》中推薦的公差配合應用舉例，是通用的配合公差與粗糙度的選用標準和標注參考值，通常是批量生產的條件下優先選用。批量生產的零件在裝配時，可以通過實際檢驗與測量，配對組裝。既保證使用要求，又相對地節約成本。

（2）單件、小批量零件的公差與粗糙度選用

對于單件、單套的配合零件，其公差精度的選用可以略高，表面粗糙度也隨之略高。這樣，雖然零件加工成本略高了一點，但保證了 “配合處”、 “傳動副”真正的精度要求；表面粗糙度要求，也會有效地提高接觸面的磨合效率；從而有效地提高設備的整體 “運行質量”。

（3）輔助零件的公差配合要求

對于單件、小批量的輔助性零件，仍可參照《機械設計手冊》中推薦的公差與配合的選用標準；表面粗糙度，則可以據食品飲料設備的通用技術條件標注，以保證整體的 “外觀質量”。

5 裝配與調試

機架焊好后，需要經過時效處理，所以機架要先期制作。時效不足的情況下，也可以采用“加厚安裝面”的方法來保證主體機架的裝配需求；也可以根據需要對輔助的 “執行機構部件”采用 “安裝孔配做”或 “安裝位置可調”的結構來保證最終的裝配質量。這些方法要 “因地制宜”，在裝配圖的技術要求中需標注清楚。

不論是自制的零件，還是外購的零件，都要經過清潔、檢驗后再拿來裝配。單臺制造，裝配過程一定要認真，絕不能 “只裝、不配”。在裝配的過程中，一旦發現與設計要求不相符的情況，一定要與設計人員溝通，及時返修零件，達到裝配技術要求。

裝配過程中，每完成一步，都要 “手動盤車”或 “點動運轉”，以檢驗各個部件的裝配質量；一步一調試，直至整機裝配完成。按 “點動、慢運行、提速運行、設計速度空運行”，“慢速模擬工況運行、提速模擬工況運行、設計速度模擬工況運行”的步驟進行反復調試。條件允許的情況下，可做真實物料、實際工況的模擬調試后，再驗收出廠，確保整機設備的出廠質量。