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[产品设计] 产品设计中机构的应用及创新设计

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发表于 2019-3-14 19:45:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、机构在产品设计中的作用

  产品设计是将创新构思转化为有竞争力的产品的一个创新过程。因此,设计是产品的生命,也是产品制造的前提和基础。

现代产品设计是一个多学科相交融的综合性学科。所谓设计,是指根据使用要求确定产品应具备的功能,构思产品的工作原理、总体布局、运动方式、力和能量的传递、结构形式、产品形状,以及色彩、材质、工艺、人机工程等事项,并转化为工程描述(图纸、设计文件等),以此作为制造的依据。

一般情况下,一个产品的设计要经历如下环节:

(1) 需求分析和可行性研究。通过市场调研分析用户的需求,进行产品开发的可行性研究与分析。

(2) 概念设计。在需求分析和可行性研究的基础上,确定产品应具备的功能,进行方案的构思、分析和论证,确定一组可行的原理性方案。概念设计主要包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和人机工程设计等。

(3) 初步设计。从原理性方案中选择优化方案,进行初步的总体设计,确定各部件的基本结构、形状以及协调尺寸,建立相应的数学模型,进行主要设计参数的分析计算与优化。

(4) 详细设计。确定设计对象的细节结构,进行详细的总体设计和零、部件设计,完成产品的工程描述。

(5) 试制与测试。完成产品的样机生产及有关测试项目,并进行设计反馈与修改。

(6) 设计定型。完成产品设计定型的各种技术文件,投入批量生产。

(7) 设计完善。根据产品投入市场后的用户意见和批量生产中的问题反馈,对产品不断进行设计完善和修改。


现代产品设计强调全生命周期设计

即产品设计是一个“设计-评价-再设计”的反复迭代过程。在产品的整个生命周期中,设计定型并不意味着设计工作的结束,只要产品还在生产和销售,就必将反馈大量的用户信息和生产制造信息,并要求对产品不断进行修改。因此,设计贯穿于产品的整个生命周期。现代产品应采用现代设计方法进行设计,并应是面向产品的开发和创新。

以现代工业产品为例,产品已由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品发展,技术含量大为增加;产品的功能已不再是消费者决定是否购买该产品的惟一因素,产品的创新性、宜人性、环保性(绿色设计)以及外观造型等因素越来越受到重视,并逐渐在竞争中占据重要地位。

但长期以来,我国的制造业主要是面向加工,产品的开发和应变能力较差,从而造成了产品品种单一,市场竞争能力较弱的局面。

随着中国经济与世界经济的全面接轨,尤其在中国加入WTO以后,国内企业面临巨大的挑战,产品研发能力的高低有可能决定企业能否继续生存下去。因此,现代产品应采用现代设计方法进行产品设计,以提高设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代,并增强产品的市场竞争力,产品设计是一个创造性思维和反复迭代的寻优过程。

作为现代产品设计方法及手段的综合体现,计算机辅助设计技术在产品设计中发挥了重要的作用。

最近几年,世界市场发生了重大的变化,已经从传统的相对稳定型市场演变成动态多变型市场。同行业之间、跨行业之间的竞争非常激烈,主要表现有以下几个方面:

1) 产品生命周期缩短 现代科技以日新月异的速度发展,新产品层出不穷。产品的市场寿命(一个产品从投放市场到被市场淘汰所经历的时间)大大缩短。例如50%电子产品的市场寿命为四年,而家用电器的市场寿命已缩短到一年左右。顺应客户需求的变化,迅速作出反应,已经成为压倒一切的竞争因素。

2) 用户需求多样化  用户需求的多样化和个性化已经逐渐成为世界的潮流,而这一潮流又对企业造成了新的压力。可以预见,制造业的竞争将是围绕着以知识为基础的新产品的竞争。为此,企业必须大力发展新产品开发能力,才能在竞争中得以生存和发展。

3) 大市场和大竞争  世界市场变得越来越开放。随着计算机技术的迅速发展和信息高速公路的建立,使得全球性的集成制造有了实现的可能。全球性的集成制造可以使各种资源得到更充分的利用,并显著缩短原料和产品的运输距离以及产品的交货期。新世纪的经济是无国界经济,跨国经济将成为新世纪的主导经济。

4) 交货期成为主要的竞争因素  当今企业间竞争的主要推动力是时间。产品成本和质量当然仍是竞争的重要因素,但是以时间为基准的竞争将是一个突出的特点,与此相适应的企业制造战略主要是在最短的时间内开发和生产出市场需要的新产品,交货期成了企业最关心的事情。能否更快、更好、以更低的成本制造出新的产品投放市场,将是制造企业生存和发展的关键。时间已经成为决定竞争胜负的最关键因素,市场占有率的很大比例属于产品首先上市的企业。

5) 多品种小批量生产比例增大  越来越多的企业发现单靠一、两种产品立足于市场竞争风险很大。所以较多采用了多品种小批量的生产方式,以便当一种产品在市场上没有销路时,另外产品可以使企业继续生存和发展。目前,多品种小批量生产的制造企业的比重已达80%以上,并在继续增加。

企业开发新产品的积极性是有多方面的因素共同推动的,分为外部环境因素和内部环境因素两个方面。企业外部因素主要有:技术推动、市场牵引、同行竞争和政府激励。科学技术的重大发明和发现,促使一列新产品的出现,例如:尼龙的发明使我们生活用品更加丰富多彩了;电子技术、光学产品、合成材料、通讯产品和生物产品都是以基础科学的发展和发明为基础的。随着收入的提高,市场需求也不断发生变化,企业通过市场调查,开发市场需要的产品。市场需求引发的新产品投资风险小,收益高,给企业开发新产品带来更大的创新动力。在市场竞争中,竞争压力迫使企业能够更好、更快的进行新产品的开发,更好更快的适应市场需求和创造市场需求。政府激励政策对企业开发新产品起着重要的作用。

机构在产品设计中占有很重要的位置,是整个产品构成中一个不可缺少的部分。它与产品设计有着不可分割的内在联系,与构成产品的各种要素有着千丝万缕的联系,直接影响到产品设计中的功能、形态等最基本的要素,机构除了直接为满足和达到产品的基本功能外,还对改善和扩展产品功能起到显著的作用。

许多生活用品都用到了机构,如椅子增加了升降机构以后,可根据需要随意调整高度,增加使用的舒适度。家具或其它一些物品采用了折叠机构后,就可增加使用的弹性,扩大使用的范围,使原来的产品功能获得了扩展和延伸。公共汽车上的机械开门装置和窗户的开启装置采用了曲柄滑块机构,使结构简单、动作更可靠。台灯应用了平行四边形机构,能屈能伸,即使高度改变了,反光罩与工作面仍能始终保持水平状态,这种结构的运动特点是其两曲柄可以相同的角速度同向转动,而连杆做平移运动,在日常的产品设计中有许多产品也采用了这种机构,如折叠椅应用了这个机构实现折叠的功能。

机器人中也用到了机构,机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人在汽车、摩托车、电子、家电、医院、家庭、石化等行业取得了良好的社会效益和经济效益。如在轿车厂使用的点焊机器人焊接轿车前、后风窗洞,左、右侧围门洞,三角窗洞,提高了轿车焊装技术水平及焊接质量。

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由于机构是由各种构件组成的,而构件的组合形式必然会影响到产品的基本结构,从而最终影响到产品的外部形态。即使是使用了同一种机构,产品的形态也会有许多变化,因而衍生出结构和形态各异的新产品,并给新产品设计带来了设计灵感。如:

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二、产品创新设计

机械设计的学科体系如图1-8所示。

机械设计学科的设计理论和知识主要有: 弹塑性力学理论、摩擦学理论、机械运动学和动力学理论、基础零部件设计理论与方法(如传动设计;轴承设计;联接设计等)、汽车设计理论、机床设计理论、飞机设计理论等。

随着计算机辅助设计技术的发展,现代理论和方法有了很大的变化,涉及的范围很广,如: 试验与测试技术;机构设计的理论和方法; 结构设计的理论和方法; 工业设计的理论和方法; 优化设计的理论和方法; 智能设计的理论和方法; 并行设计的理论和方法; 虚拟设计的理论和方法;仿生设计的理论和方法; 可靠性设计的理论和方法; 组合化/系列化模块化设计的理论和方法; 反求设计的理论和方法等。

在机械设计中,总有新的事物被创造出来,所谓“新”,可以是过去从末出现过的东西,也可以是已知事物的不同组合,但这种组合的结果不是简单的已知事物的重复,而是总有某种新的成分出现,如不用洗衣粉的洗衣机(超声波洗衣机、活性氧去污垢洗衣机、电磁去污洗衣机、一种能在几秒钟内将洗衣机桶内的空气抽成真空状态,使水呈沸腾状、衣服在泡沫旋涡中反复搅动,2分钟就洗净的洗衣机,该洗衣机内没有旋转部件,不会损伤衣服,且无振动、噪声,也不需要洗涤剂)。在机械设计中必须突出创新的原则,通过直觉、推理、组合等途径,探求创新的原理方案和结构,做到有所发明,有所创造,有所前进。如双动力洗涤方式,波轮和内桶均受强力驱动,同时相向运转,产生“沸腾”水流。大波轮,对水的带动力量更强,凹进的盆形设计,减少了衣物和波轮直接接触,降低了磨损率。比普通波轮洗衣机节水约50%。比普通波轮洗衣机节时约50%,把5.0公斤衣物洗好只需15分钟;

在双动力技术优势的基础上发展的"仿生双动力"洗衣机,创新采用仿生学的震动原理,在洗涤衣物时,可以使衣物始终处于蓬松状态,上下舞动,不仅很好地避免了衣物的缠绕,而且磨损率仅为普通洗衣机的1/3,洗净比比普通洗衣机还高50%。同时还将烘干、变频、不用洗衣粉几大领先技术融于一身,实现了洗涤、脱水、烘干一次性完成,衣干即停,不损伤衣物,运行噪音比普通洗衣机降低了10分贝。

如果只是测绘仿制一台机器,虽然结构复杂,零件成千上万,但不能算是创新;有人根据集装箱联接的需求,开发了一种防松木螺钉,它集中了木螺钉和螺丝钉的优点,既能方便地钉入,又能自锁防松,成功地用于集装箱等厚木结构的联接。此钉虽小,但可称之为创新设计。产品设计的创新的方向,一是能满足大范围当前需求的产品创新,例如插秧机的设计和生产。虽然这种设计不一定含有很多高新的技术,但只要产品在技术上有进步,给企业带来了效益,它就具有创新的意义;另一个是研究开发具有重要技术进步、且为独有、高新技术含量高、在国内、外具有竞争力的新产品。我国自行研究开发的程控交换机和磁悬浮支承等,就是这类创新设计的一个很好的例子。

1.产品技术创新

新产品技术创新根据研制主体的不同可以分为:

自行开发:是指企业独立进行新产品的研制工作,其特征是需要企业具备较强的开发设计能力,且有利于培育和增强企业自身的技术创新体系,引进开发:是指从企业外部引进成熟的产品和制造工艺,其特征是开发周期短、风险小、能过迅速提高企业的生产技术水平。但过渡依赖引进技术,不利于培育企业自身的技术创新能力。根据开发投资主体分为自主开发和联合开发自主开发特征:开发投资大风险大,但知识产权和收益全归企业。

联合开发特征:投资少风险小,开发周期短,收益个方享受,但知识产权分散。根据开发的规模和企业技术开发能力的大小,一般小型的开发项目适宜自主开发,大型项目的开发适宜采用联合开发的形式

2.制造业产品的技术创新有以下几类:

  第一种是无重要新技术,但在形式上有翻新,因而能获得相应竞争能力。例如带小刀和MP3的圆珠笔,在形式上有翻新,再如按用户定单生产不同颜色的自行车,虽然在生产管理上有所创新,也形成了新的竞争能力,但自行车的性能并无重要变化,其中也没有融入多少新的技术。

  第二种是含有重要的高新技术,使产品竞争力有重要提高,或形成新竞争力的制高点;例如程控交换机,原来用的是5μm线宽的芯片,现在做出了3μm线宽的芯片,结果功能增加,体积减小,这种设计和制造更小线宽芯片的技术,就是新竞争力的制高点。又如膨胀机,原来用滚动轴承或滑动轴承,后来开发出和应用了磁悬浮技术,不仅具有自平衡和自诊断的功能,而且没有润滑剂的污染,这也是一种新竞争力的制高点。还可以举电动汽车,如果谁能设计和制造出远远超出现在的长寿命电池,那么这种创新将不仅具有世界意义,而且是具有历史意义的。
  第三种是有完全创新的功能。例如用臭氧发生器将臭氧泵入洗衣机内的水中的洗衣机,利用臭氧分子分解衣服上的尘埃和污垢中的有机物分子,并将其溶入水中,将衣服洗净。这种污水经过过滤后,还可以多次循环使用,因此是一种既节能又不会造成污染的洗衣机;电子宠物,原来没有这种产品,企业发明并把它变成了产品,从而获得了很大的利润。从历史上看,第一盏电灯,第一部电话,第一枚原子弹等,都是具有完全创新功能的产品。
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