從事非標機械設計多年的點滴感悟分享【轉發】

2017-02-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

多年來,我在機械非標設計一線跌跌拌拌,主持設計了幾十種產品的設計;在這些項目中與帝都知名設計研究院,著名高校及兄弟單位進行過多次合作。深深體會到機械設計人才良莠不齊,渾水摸魚沽名釣譽之徒太多;大多數設計人員畢業后很少再學習,甚至平均下來每月還不看一本專業書籍,所以其水平也不敢恭維。

國人學習做事喜歡捷徑找方法,總結起來有四種方法:模仿別人,學習別人的經驗消化理解,這是最聰明的方法;經過自己深思熟慮實踐,這是最寶貴的方法;總結自己失敗的經驗和教訓,這是最痛苦的方法。國外的工業帝國有企業出書和工程師出書,讀幾本也受益匪淺。但是機械行業鑒于當今知識產權做的不到位,機械行業大都互相堤防,不像電子等新興行業,好多工程師把自己的經驗發到論壇上分享。機械行業大家相互遮遮掩掩,唯恐被別人看破看懂;在此我想記錄下自己設計過程中的點滴,拋磚引玉,互相交流。

古代有三教九流之類的說法“一官、二吏、三僧、四道、五醫、六工、七匠、八娼、九儒、十丐”,一目了然,咱們做匠人的值得慶幸的是排到了娼前面。按照當下國內的說法人才分四類:首先是搞藝術,因為中華藝術是神圣的所以咱們常人無法達到;然后一流人才做銷售,在中國各種政府采購及規則,能把銷售做好不亞于搞藝術。二流的人才做管理,神舟飛天好幾年了貪污腐敗到現在還沒好辦法,可見管理這譚水不是一般的深啊;當你放棄了夢想,失去了斗志,沒有了勇氣,不要過于悲傷,還可以做三流人才,做技術吧。

七月又一屆畢業的人才投入到祖國建設中;這時候可以驗證一下前面所說的三流人才。首先搞藝術的用就業就太俗了,所以就不談就業了。然后清華,北大,北理等名校的一流人才,大都會選擇出國或者外企,幫助洋人在中國推廣銷售優秀產品,開盤穩固國內市場。二流人才就是各部屬重點院校的二流人才,大都能進央企國企國家行政部門,企業或行政部門依靠背景資質等承擔國家重任,有黨有錢的地方,當然管理是首要任務。然后三流人才就不值一提了,勉強填飽肚子就知足了。

說句驕傲的話:機械的發明和精巧的設計僅僅是極少數天才人物憑知識和才能所掌握的一種技巧,而且在設計時除了設計者的直觀能力外,還要對設計過程的一系列關鍵過程加以分析,并根據相應的規律有計劃地予以實現。過去的幾位天才的工程師,如阿基米德、達·芬奇、尼古拉斯特拉、他們把設計思想留給了后人近代的富朗克、漢森、凱塞林、羅登納克、沃格包爾、等天才從事機械設計研究。但這些搞機械設計的人才們結局都不很樂觀,看過電影“太極”身為鐵道部總工程師的方子敬和機械設計工程師陳栽秧的悲催遭遇,還有發明家“灰太狼”身為機械設計的優秀人才,卻為每天吃飽肚子發愁,我不明白為什么鄙視機械的片都這么流行;就好像央視那軍事評論員說美國的航母不環保一樣,自己做不好的東西就要鄙視。

深深地感覺到機械設計師——中國三流人才里最悲催的職業。之所以稱之為悲催就是經過痛苦的掙扎和不懈的努力終于從繭里爬了出來卻發現自己不是蝴蝶。機械設計有這么難嗎,簡單地說:設計就是綜合。綜合是創造一套完成某項給定目標的計劃或辦法的過程。規定機器的尺寸、形狀、材料和零件的組合以便使機器順利完成它的預定工作的過程。說深奧一些:設計過程的總體卻有一種非常象科學一樣的藝術特性,科學在設計中的作用僅是為設計者提供用以實踐他們藝術的工具。想成為一個優秀的設計師,要經歷一下幾個階段:

1. 嬰兒級

這個級別就是能掌握設計所需的工具;熟練操作CAD,ProE,SW,ANSYS、Mathcad等軟件,深刻理解材料力學,工程力學,機械設計理論,機加工工藝,金屬工藝學等基礎理論;熟練掌握公差配合,工程材料等基礎知識。當然什么叫做熟練操作,經常見那些自稱用某種軟件很熟練的小伙子們實際操作軟件的時候是那么生疏,熟練程度不好界定,如果必須量化那么只能給個近視量,如果用某個軟件繪制工程圖不到500張,如果三維模型畫夠上千個就別說自己是熟練。深刻理解力學理論也一樣,不說對那些要點如數家珍,最起碼說對一個學科能系統地從頭到尾穿起來。熟練掌握是更進一步的要求,舉個例子,對于公差配合熟練掌握就是對基準基準體系、形狀公差、位置度公差、延伸公差帶、等知識熟記于心,對這些公差的應用,公差的檢測,以及加工過程中保證這些公差的工藝等有初步了解。達到了這些要求,具備了機械設計的基礎知識。

2. 幼兒級

圖紙是工程師的語言,作為幼兒就應該學會說話了;國標就是語法,常用的三五十個制圖國標應該倒背如流,如果有企業標準和規范會稍多一點,這些倒沒這么難繪制兩三千張工程圖這些標準就會形成一種習慣;關于制圖之前也曾說過“現在好多工作多年的機械設計人員連張像樣的圖紙都畫不出來”學會工程師的普通話。三維圖也是有語法的,并不是按照尺寸畫出三維圖就行了:是采用自上而下、還是自下而上,如果自下而上從零件時候就必須為下一步裝配,方針,修改做準備;基準面怎么選,用什么特征都不是隨便選的;零件圖繪制順序還要結合零件的加工工藝順序一致,是先拉伸切除還是先旋轉切除都要結合零件的加工工藝;三維圖裝配也一樣,根據裝配規范的總成逐級裝配。

3. 兒童級

兒童級是最為漫長的一個階段,這個階段可以在師傅的指導下完成簡單的零件設計。既然是設計肯定要對這個零件的功能要求力學性能了如指掌,然后進行適當的力學計算;不要依靠分析軟件,因為當沒搞明白本質之前,靠軟件就是盲目的;在這里需要強調的就是在機械設計中任何軟件都是工具,真正寶貴的是設計者的思想和創意,而并非軟件。分析的目的在于獲得符合要求的工作性能的同時,做到重量輕巧,加工簡單,降低成本,其實歸根結底就是錢的問題;那么設計就可以理解為在某事某地某工況下為某以技術任務給出一個盡可能好的解決辦法所必須的一切綜合和分析的活動,在兒童級別可以狹義地理解設計即:確定一個零件部件機器的尺寸結構及材料特性等。

這個階段應該很清楚設計的每一個零件是怎么加工出來的,用到什么機床,采用什么樣的表面處理工藝,每個公差存在的意義,只有這樣才能保證你設計的零件在當今的加工條件下能制造出來。然后就是裝配問題,心中應該比較明確自己設計的部件,機器,是怎么安裝的,采用什么工具安裝,需不需要吊裝孔,要不要定位。然后維修,使用,易損件更換是否方便。這個階段應該深刻認識到對加工工藝了解遠比理論更有意義,這個階段你會慢慢感覺到那些每天炫耀三維軟件制作三維動畫和生成紅黃綠網格的最多只能算是個制圖員。

當終于把這個階段走完的時候,發現作為設計師終于可以自己設計一些簡單的結構了。這時候也慢慢發現有人在罵你,或者說有機會挨罵了。因為生產、采購、使用、維修、運輸、所有的錯誤都可以歸結為設計的錯誤,的確如此,因為設計的時候都可以避免的。

首先車間的工人會罵你,理由如下。你設計的一個零件某個工序會讓他們更換20把刀具;因為你設計的零件某個公差要求導致加工合格率只有50%;因為你設計的零件加工時候需要翻來覆去折騰好幾次,甚至不得不為了加工一個零件而做了一堆工裝,因為你設計的一個零件質檢人員檢測時必須用三坐標才能檢驗。當然也會有一些科研單位不在乎,實現同樣的功能難度越大越能證明研究所的技術水平高,甚至成為炫耀的資本,可以吹牛我這個零件必須用電火花,必須采用激光,必須采用特種復合材料噴涂。簡單就是科學是設計的通用思想,據說國外設計師完成一個零件設計后都要問自己兩句話公差精度可不可以再低一些,結構可不可以再簡單一些;但是在國內一切皆有可能,以后我把某研設計院特聘專家們讓人作嘔的設計跟同行們作為反面教材分享一下,因為這是我迄今為止見過犯錯誤犯的最全面的設計。

其次就是產品使用者會罵,理由更多。設計出的設備難以操作,或者你寫的使用說明書密密麻麻50頁,讓操作者難以掌握,操作者是反應問題最多的,所以你的設計必須把使用產品的人想的足夠笨。然后就是誤操作,不要懷疑,誤操作也是設計者的設計失誤造成的,如果你把兩個按鈕設計的一樣,操作者肯定會不小心按錯啊。然后就是舒適度,如果你了解操作者手操作的最佳高度是1~1.2米,一般人手操作50N左右的時候最舒適,低于20N的操作件要考慮誤操作的可能性,大于130N的操作件人會感覺費力。嚴謹的統計計算可以解決這個問題:一個操作手柄在多高的位置需要多大的力量可以扳動這個是可以計算的,一個普通工人在指定工況下所能輕松扳動的力量也是可以統計的,人在什么高度下操作最舒適也是可以統計的,手握手柄的時候當手柄做成什么形狀什么尺寸最舒服,所有的這些問題都要想到。

如果這些都滿足了,也許客戶依然會感覺你的設計不太舒服,或許操作者自己也說不出是哪設計的不合理;這些設計者依然可以避免,《機械設計心理學》和《設計美學》這是設計者的必修課。例如你在一個儀表盤上的數據顯示了8位數字,但是一般人的記憶的最佳長度是不大于7位;例如你某個結果設計的足夠堅固,可以別人看起來總感覺你這結構弱不禁風;例如本來一個具有親和力的產品,經過你設計后卻讓人感覺不敢觸摸,等等這些問題,你都可以在心理和美中找出答案解決。

接下來就說說包裝運輸及維修,這些因素也應該是設計者需要考慮的。產品采用什么樣的包裝方式,怎么運輸,采用公路運輸時候長寬高的限制,如果需要出口產品還要考慮集裝箱因素,等等一系列問題。維修更是一門學問,還是那句話“簡單就是科學”;同樣的產品別的設計師設計的需要取得麻省理工學士學位的才能維修,你設計的只需要一個農民工便可維修,這就是設計的境界;同樣別家的產品維修售后人員帶兩把扳手兩種配件就搞定了,而你設計的產品需要帶一套呆扳手一套套筒扳手一套內六角扳手,外加20種規格配件,這肯定是你設計的失敗。

所以要做一個少挨罵的設計師,還要樹立終身學習的決心。設計是一份充滿挑戰的工作,所以不要抱怨有多少人罵你,也不要想原來我的設計水平是這么爛。

4. 少年級

最漫長的兒童級終于熬過去了,接下來就是少年級。所謂年少輕狂,這時候感覺自己水平面面俱到,設計也比較輕浮、狂妄,不會深思熟慮,感覺自己經驗豐富,總是想當然。

到了這個階段可以用愛去形容,深深地愛著自己的每一個產品,深深地愛著自己的行業。每一個產品都是設計師的孩子;引用一句名言“付出才會愛”,那么付出太多才會愛的癡狂。因為為機械設計付出過那么多辛勤的汗水;為了設計某個產品而徹夜難眠,甚至為設計中的一個失誤而在夢中驚醒;注重每個細節甚至為了某個螺栓的取舍而費盡心思;為了攻讀某個學科而熬過的無數個夜晚;為了未知領域自己一個人與枯燥的專業書為伴;最好的年華獻給了機械,所以輕狂一些可以理解因為你已經具備了一些可以輕狂的基礎。

工藝方面。這個階段不但清楚地知道每一個零件是怎么加工出來的,而且知道這個零件有多少種加工方法,每道工序在機床上裝卡幾次,需要什么樣的機床附件,需要用到什么規格的刀具等;拿螺紋為例:車削內外螺紋各需要什么的車刀,常見螺紋刀有多少種,螺紋刀進刀方式有多少種,梯形螺紋鋸齒形螺紋矩形螺紋各怎么加工。

總之,一切錯誤都是設計者的錯,機械設計者是可憐的。設計出好的產品并非是件容易的事情。廠商希望盡量降低成本,銷售商希望產品能吸引客戶。客戶在采購時候領導會注重產品的價格、外觀和品牌;一線使用人員更在乎產品的功能和操作。售后維修人員所關心的則是產品拆裝、檢查和維修的難易度。與產品相關的各方面有不同的需求,而且這需求還經常相互沖突。即便如此,一個優秀的設計師依然能夠設計出讓各方面都能接受或都能滿意的產品

自己一番牢騷寫了這么多字,毛爺爺說過“牢騷太盛防腸斷,風物長宜放眼量”。看來我的廢話是有點多了,言歸正傳。錢學森臨死之前給教育部長寫信說:”為什么我們的學校就培養不出杰出人才呢“,著名的錢學森之問。民國時期培養的知名科學家:鄧稼先、侯德榜、梁思成、吳有訓、陳建功等,建國后就再也沒出過國際公認的什么家了。

機械領域也是一樣,1949年建國,經過9年義務教育8年高等教育,1949+9+8=1966年新人才開始寫書,事實也正是如此,1966年以后出版的機械書籍中很難找到一本好書,大都是為了職稱積分等拼湊的專業書。1985年教育改革開始,隨著電腦的推廣,掃描及復制粘貼水平迅速提高,專業書籍的數量與日俱增,這時候就會想,同樣是復制粘貼為什么還會有錯的呢,難道是蓋茨的程序錯咯。

如果不湊書,不拼對教材,其實復制黏貼的水平高低對于機械設計來說并不重要。機械設計的重點在于以下幾個方面:

1、繪圖是一個設計師的臉面,面子工程。

由一張圖紙可以看出一個工程師的基本素質,一張圖紙可以看出設計師的嚴謹程度和對國標的掌握情況,一張圖紙也可以看出設計師對加工工藝的熟悉程度。繪圖的境界就是嚴謹與藝術的結合,所有的標準、知識、分析都是為了一個字“美”,這是對繪圖的較高層次的要求。作為設計師的基本功,所謂功到自然成,“繪制過18K張圖紙,才會看到超越機械的美”。

2、螺紋的設計應用可以看出設計師的基礎。

是硬工夫裝不出來的。螺紋就像是數學中的“0”,最簡單卻又最復雜,隨處可見但又千變萬化。從日不落帝國發明了英制螺紋,然后山姆大叔推行聯盟標準并衍伸到公制(米制)螺紋,公制螺紋在嚴謹的日耳曼民族推廣至歐洲大陸然后漂洋過海來到了中國,螺紋在漫長的演變中應用到各種各樣的工況。常見的米制普通螺紋,美制統一螺紋,英制惠氏螺紋,小螺紋,航空航天螺紋。用于傳動的米制梯形螺紋,愛克母螺紋,米制鋸齒螺紋,美制鋸齒形螺紋,英制鋸齒形螺紋。用于密封的英制密封管螺紋,英制非密封管螺紋,日韓舊英制管螺紋,美制密封管螺紋,美制干密封管螺紋,美制非密封管螺紋米制管螺紋。另外還有行業專用螺紋等。螺紋作為復制的空間曲面力學分析更為復雜。

3、公差是一門哲學,是一種思想

公差配合是機械的精髓所在。公差之所以稱為精髓,因為公差是影響產品性能,成本的重要因素;公差可以解決降低成本和保證性能的矛盾;對公差的理解也可以看出設計師空間想象能力,抽象事物理解能力,邏輯思維能力。在我所接觸過的機械設計行業中,能搞明白公差的人少之又少,說白了就是沒有;在我看過有關公差的書籍里,能寫明白公差的人寥寥無幾,大都一知半解就粘貼上去了。我曾去圖書館查閱關于公差的書籍,這類的書籍在書架上應該有上百本,但是從深度上沒有找到一本滿意的,不禁想國圖、首圖這些人們采購書的時候....

4、數學、力學決定著機械設計的高度

設計就是規定機器的尺寸、形狀、材料、零件組合特征及組合方式。在設計者要有科學的支撐,要運用大量的數學,力學及相關學科工具;數學、靜力學、運動力學、動態力學所得到的信息會比設計師憑直覺和估計要精確可靠。再者,機械原理,機構學等本質也都是數學物理的組合。

5、英語水平高低決定著設計師的發展空間。

6、如果說前面這些是一個人的肉體,那么思維方式、設計思想、設計風格就是一個設計師的靈魂。

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