郭 東

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 101601)

設(shè)計(jì)過(guò)程是產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中人員和信息的有效組織與管理，設(shè)計(jì)的最終可交付成果是一個(gè)有使用價(jià)值的產(chǎn)品。大部分產(chǎn)品的生命周期始于用戶需求的建立，結(jié)束于從市場(chǎng)的引退，設(shè)計(jì)中不僅要考慮提高機(jī)器的穩(wěn)定性和可靠性，還要考慮降低成本、縮短研制周期。設(shè)計(jì)過(guò)程中必須清楚一個(gè)重要的問(wèn)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(shù)參數(shù)的情況下，快捷高效地在設(shè)計(jì)中解決這一問(wèn)題。本文從機(jī)器設(shè)計(jì)的定義、參數(shù)定義 (SD)、概念設(shè)計(jì)(CD)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)(PD)、產(chǎn)品支持(PS)等對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程做了簡(jiǎn)單闡述。

1 機(jī)器設(shè)計(jì)的定義

對(duì)于從事機(jī)器設(shè)計(jì)的每一個(gè)人員，必須清楚地知道對(duì)于機(jī)器設(shè)計(jì)的定義，這是設(shè)計(jì)的先決條件，是機(jī)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)導(dǎo)向。機(jī)器設(shè)計(jì)的定義主要包括設(shè)計(jì)的目的、范圍、目標(biāo)及管理計(jì)劃。

1.1 機(jī)器設(shè)計(jì)的目的

機(jī)器設(shè)計(jì)的目的主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)滿足用戶產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝需求；

(2)滿足用戶對(duì)于產(chǎn)品的價(jià)格需求，使其獲得更高的性價(jià)比；

(3)提高國(guó)內(nèi)同行業(yè)的技術(shù)水平，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，替代進(jìn)口設(shè)備。

1.2 機(jī)器設(shè)計(jì)的范圍

明確機(jī)器設(shè)計(jì)的范圍，就是要完全確定設(shè)計(jì)完成后，所生產(chǎn)的設(shè)備具有哪些特性和功能，確定機(jī)器設(shè)計(jì)的可交付成果，主要包括以下幾方面的內(nèi)容：

(1)制定機(jī)器設(shè)計(jì)目標(biāo)；

(2)制定機(jī)器設(shè)計(jì)進(jìn)度里程碑；

(3)制定機(jī)器設(shè)計(jì)的可交付成果 (如設(shè)備整機(jī)成本、整機(jī)性能、生產(chǎn)效能、必備的基本功能、專利點(diǎn)與論文等)；

(4)制定機(jī)器設(shè)計(jì)成果的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) (如一般標(biāo)準(zhǔn)、CE標(biāo)準(zhǔn)及防靜電措施等)；

(5)制定機(jī)器設(shè)計(jì)的費(fèi)用估算。

1.3 機(jī)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)

確定完成后，機(jī)器的總目標(biāo)，包括機(jī)器的技術(shù)指標(biāo)和所生產(chǎn)的產(chǎn)品目標(biāo)。

1.4 機(jī)器設(shè)計(jì)的管理計(jì)劃

(1)時(shí)間管理。機(jī)器設(shè)計(jì)開始之前，做好時(shí)間計(jì)劃，確保設(shè)計(jì)能夠按時(shí)完成。主要包括定義設(shè)計(jì)過(guò)程中的工作任務(wù)、排列這些任務(wù)的工作順序、估計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的材料、設(shè)備和用品的種類和數(shù)量、估算完成這些任務(wù)所需的時(shí)間、按照任務(wù)、順序、持續(xù)時(shí)間、資源需求和進(jìn)度約束制定進(jìn)度計(jì)劃、進(jìn)度控制等。

(2)費(fèi)用管理。包括設(shè)計(jì)成本、設(shè)計(jì)可交付成果的成本。費(fèi)用管理的過(guò)程就是估算成本、制定預(yù)算、控制成本的過(guò)程。

(3)質(zhì)量管理。質(zhì)量管理包括執(zhí)行上層組織的質(zhì)量政策、目標(biāo)與職責(zé)，從而使機(jī)器的設(shè)計(jì)能夠滿足預(yù)定的需求，主要包括規(guī)劃質(zhì)量、實(shí)施質(zhì)量保證、實(shí)施質(zhì)量控制。機(jī)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可用到諸多的質(zhì)量控制與保證的方法，如全面質(zhì)量管理(TOM)、六西格瑪、失效模式與影響分析(FMEA)、設(shè)計(jì)審查、質(zhì)量成本(COQ)和持續(xù)改進(jìn)等。

(4)人員管理。確定機(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程中專業(yè)技術(shù)人員及輔助人員需求，組建一個(gè)高水準(zhǔn)的團(tuán)隊(duì)。在團(tuán)隊(duì)中指定各成員的職責(zé)、角色。

(5)溝通管理。溝通包括內(nèi)部溝通(設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部)、外部溝通(客戶等)、正式溝通(報(bào)告、備忘錄)、非正式溝通(電子郵件、討論)、垂直溝通(上下級(jí))、水平溝通(同級(jí))等。

(6)風(fēng)險(xiǎn)管理。風(fēng)險(xiǎn)管理包括風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)定性分析、風(fēng)險(xiǎn)定量分析、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)規(guī)劃和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控等各個(gè)過(guò)程。機(jī)器設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，風(fēng)險(xiǎn)管理的目標(biāo)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(xiàn)的概率。

(7)采購(gòu)管理。這里所說(shuō)的采購(gòu)只是局限于外購(gòu)件、外包業(yè)務(wù)等的管理，包括采購(gòu)計(jì)劃、采購(gòu)成本、采購(gòu)供貨商的選擇、采購(gòu)談判等環(huán)節(jié)。

2 機(jī)器設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

機(jī)器設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段程序框圖見圖1。

圖1 機(jī)器設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

2.1 用戶需求分析

2.1.1 收集用戶需求

用戶對(duì)于需求的表述往往是片面的、單一的、非正式的，比如，對(duì)于機(jī)器要求速度快、穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)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(shí)，用戶對(duì)于正在使用的類似設(shè)備有著相當(dāng)?shù)陌l(fā)言權(quán)，對(duì)于現(xiàn)有設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)的評(píng)判，我們依然要絲毫不落地收集。對(duì)于用戶需求的整理分析，主要包括以下兩個(gè)方面：

(1)產(chǎn)品方面

產(chǎn)品方面是指用戶要用此設(shè)備做什么產(chǎn)品，以及產(chǎn)品用途，生產(chǎn)工藝要求等。

(2)設(shè)備方面

設(shè)備方面是指用戶對(duì)于設(shè)備性能指標(biāo)等方面的要求。

·設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性

用戶對(duì)于設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的要求是第一位的，在生產(chǎn)線上，由于技術(shù)工程師、維修工程師比較缺乏，而更注重設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。同時(shí)，不刻意追求與效率無(wú)關(guān)的指標(biāo)。

·適應(yīng)品種多

設(shè)備能夠適應(yīng)于生產(chǎn)相類似的多種型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

·效率高

隨著產(chǎn)量需求的增加，對(duì)于設(shè)備的效率更是有苛刻的要求。

·準(zhǔn)確度高

對(duì)于高品質(zhì)的生產(chǎn)設(shè)備，更要求準(zhǔn)確度要高，生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性好。

·操作方便，易上手

生產(chǎn)線上一般操作員工學(xué)歷較低，接收能力相對(duì)較差，因此，不能有如下狀況：

(a)設(shè)備人機(jī)界面交互性差，詞匯不統(tǒng)一，界面語(yǔ)言難以理解；

(b)設(shè)備操作復(fù)雜、容易引起誤操作，造成設(shè)備故障、甚至導(dǎo)致操作人員受傷。

·可維護(hù)性好

設(shè)備要便于維護(hù)和保養(yǎng)。經(jīng)常拆卸的零部件要易拆裝，零部件的設(shè)計(jì)裝配不能太密集，便于維護(hù)。

2.1.2 整理用戶需求

(1)對(duì)收集到的信息處理

結(jié)合用戶需求的簡(jiǎn)單表述，將其量化處理，轉(zhuǎn)化為設(shè)備的基本技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 用戶需求處理

(2)功能擴(kuò)展

參考以下幾點(diǎn)，對(duì)用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展補(bǔ)充：

·現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)特性及指標(biāo)以及現(xiàn)有設(shè)備的缺陷、用戶抱怨等；

·目前市場(chǎng)上較為先進(jìn)的設(shè)備的相關(guān)指標(biāo)；

·未來(lái)機(jī)器的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 質(zhì)量功能展開(QFD)

QFD，即質(zhì)量功能展開，是將用戶需求轉(zhuǎn)化為機(jī)器的可測(cè)量的設(shè)計(jì)要求、產(chǎn)品要求、工藝要求。按照已經(jīng)處理的用戶需求逐級(jí)細(xì)化到每一個(gè)執(zhí)行零部件，形成質(zhì)量屋，找出諸多關(guān)鍵點(diǎn)。

2.3 目標(biāo)成本分析

包括時(shí)間成本、資金成本、質(zhì)量成本，并形成相應(yīng)的目標(biāo)成本分析報(bào)告。

2.4 可靠性分析

平均無(wú)故障時(shí)間等，形成相應(yīng)的可靠性分析報(bào)告。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)分析

總結(jié)需要突破的關(guān)鍵單元技術(shù)，提煉創(chuàng)新點(diǎn)。形成相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估報(bào)告。

機(jī)器設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段主要的可交付成果有：

《用戶需求報(bào)告》、《目標(biāo)成本分析報(bào)告》、《可靠性分析報(bào)告》、《風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估報(bào)告》、《機(jī)器設(shè)計(jì)里程碑》。

3 參數(shù)定義

3.1 整機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品方面

描述機(jī)器所能生產(chǎn)的產(chǎn)品范圍、工藝要求等技術(shù)指標(biāo)。

設(shè)備方面

描述機(jī)器的技術(shù)指標(biāo)，比如精度、UPH值、運(yùn)動(dòng)部件的行程，機(jī)器配置等。

產(chǎn)生核心部件與核心系統(tǒng)名稱

確定實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)指標(biāo)的機(jī)械、電氣、軟件、視覺等核心部件或系統(tǒng)的名稱，這對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)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(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

軟件操作系統(tǒng)

……

3.2 精度指標(biāo)分解

將整機(jī)指標(biāo)逐級(jí)分解到每一個(gè)執(zhí)行元件(見圖2)。

圖2 精度指標(biāo)分解

3.3 運(yùn)動(dòng)時(shí)序規(guī)劃

合理規(guī)劃?rùn)C(jī)器運(yùn)行過(guò)程中每一個(gè)動(dòng)作時(shí)序，以保證運(yùn)行平穩(wěn)、高效。

3.4 機(jī)器的設(shè)計(jì)規(guī)范

該規(guī)范是由用戶需求產(chǎn)生的一般性技術(shù)規(guī)范，是設(shè)計(jì)機(jī)器的核心指導(dǎo)，確定了設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范。主要由以下幾方面組成：

(1)整機(jī)布局：描述整機(jī)的核心組成部件名稱；

(2)機(jī)器功能描述及整機(jī)技術(shù)指標(biāo)：描述機(jī)器能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品及其范圍、工藝、生產(chǎn)效能等；

(3)機(jī)器模塊及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)：各個(gè)模塊在整機(jī)中所能實(shí)現(xiàn)的功能描述、指標(biāo)參數(shù)(如行程、精度)、預(yù)期設(shè)計(jì)成本等，包括機(jī)械、電氣、軟件、視覺等；

(4)機(jī)器的運(yùn)行時(shí)序；

(5)成本說(shuō)明：材料成本、加工成本、預(yù)期售價(jià)、利潤(rùn)率等；

(6)安全標(biāo)準(zhǔn)：一般性安全標(biāo)準(zhǔn)、防靜電、機(jī)器放置環(huán)境、真空、壓縮空氣等；

(7)可靠性分析：包括平均故障時(shí)間、平均維護(hù)時(shí)間等性能說(shuō)明。

3.5 工作任務(wù)分解結(jié)構(gòu)(WBS)

工作分解結(jié)構(gòu)主要分為組織分解結(jié)構(gòu)(OBS)、風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)(RBS)和資源分解結(jié)構(gòu)(RBS)。

詳細(xì)定義每一項(xiàng)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(wù)分解結(jié)構(gòu)示意圖(舉例)。

圖3 工作任務(wù)結(jié)構(gòu)分解圖

參數(shù)定義階段完成的可交付成果主要有：

整機(jī)技術(shù)指標(biāo)、精度指標(biāo)分解說(shuō)明、《機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范說(shuō)明書》、《電氣設(shè)計(jì)規(guī)范說(shuō)明書》、《軟件概要設(shè)計(jì)說(shuō)明書》、《工作任務(wù)結(jié)構(gòu)分解》等。

4 概念性設(shè)計(jì)

4.1 概念產(chǎn)生

概念設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)樵谶@一階段做出的決定會(huì)涵蓋整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)的過(guò)程是一個(gè)不斷解決問(wèn)題的過(guò)程，是將不明了的問(wèn)題轉(zhuǎn)化到一個(gè)最終產(chǎn)品的過(guò)程(見圖4)。

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

(2)比較危險(xiǎn)的是設(shè)計(jì)者往往采取第一觀點(diǎn)，并且從這一觀點(diǎn)出發(fā)設(shè)計(jì)想要的產(chǎn)品，這是不可取的方法，因?yàn)楹芸赡苓@一想法不是優(yōu)化的或最好的一個(gè)。

(3)對(duì)于關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)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(quán)衡提煉出最佳方案，并優(yōu)化完善。

(4)最佳方案首先要保證質(zhì)量，同時(shí)要考慮時(shí)間、成本和其它資源的消耗。

(5)技術(shù)概念的產(chǎn)生和方案的確定往往是隨著觀點(diǎn)的不斷積累而交互出現(xiàn)的，這種反復(fù)所獲得的技術(shù)性資料對(duì)于后續(xù)設(shè)計(jì)階段是大有幫助的。

(6)要盡可能考慮全面，客觀理性地對(duì)待問(wèn)題、多方位解決問(wèn)題。

(7)設(shè)計(jì)過(guò)程文檔化，做好記錄。

(8)將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件合理地用于數(shù)據(jù)分析、模擬分析并解決問(wèn)題。

(9)盡可能用到一些工具，如計(jì)算機(jī)分析軟件、電氣測(cè)試軟件、儀器等。

(10)概念設(shè)計(jì)中要產(chǎn)生一系列的實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告、相關(guān)的分析報(bào)告，為后續(xù)的機(jī)器設(shè)計(jì)提供充實(shí)的依據(jù)。

(11)設(shè)計(jì)過(guò)程中要遵循所內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)、質(zhì)量等文件。

圖4 概念設(shè)計(jì)

在概念設(shè)計(jì)階段，存在著很多的不確定因素，需要設(shè)計(jì)者在大腦中形成模糊概念，并逐漸明確、細(xì)化、形成方案。

4.2 搭建測(cè)試平臺(tái)

建立良好的測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證核心零部件的功能，測(cè)試軟件程序的合理性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，解決關(guān)鍵技術(shù)，為樣機(jī)的研發(fā)制造，提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。完成測(cè)試平臺(tái)的過(guò)程就是核心關(guān)鍵技術(shù)從提出到突破的過(guò)程，同時(shí)也是工程技術(shù)人員技術(shù)水平也會(huì)得到很大的提升。

4.3 概念評(píng)估

設(shè)計(jì)概念評(píng)估主要包括以下內(nèi)容：

(1)關(guān)鍵技術(shù)方案評(píng)估(機(jī)械、電控、軟件、視覺)

(2)安全性能評(píng)估(操作安全性、防靜電設(shè)計(jì))

(3)環(huán)保性能評(píng)估

4.4 成本預(yù)算

提出大概的成本預(yù)算報(bào)告。

概念設(shè)計(jì)階段完成的可交付成果為：

《實(shí)施方案論證報(bào)告》、《關(guān)鍵單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告》、《機(jī)器及其子系統(tǒng)成本預(yù)算報(bào)告》、《可靠性保證大綱》、《標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)大綱》、《產(chǎn)品質(zhì)量保證大綱》等。

5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程就是將概念設(shè)計(jì)階段的一系列方案細(xì)化至圖紙資料、各種明細(xì)表、作業(yè)指導(dǎo)書。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段完成的可交付成果：

《設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告》、設(shè)計(jì)圖紙資料 [整機(jī)裝配圖，零部件表，外購(gòu)件表，標(biāo)準(zhǔn)緊固件匯總表，關(guān)鍵件/重要件匯總表，明細(xì)表，各相關(guān)專業(yè)原理圖；各部件裝配及零件圖；整機(jī)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(xì)表及匯總表；整機(jī)光學(xué)設(shè)計(jì)原理圖，零部件及裝配圖，光學(xué)零件明細(xì)表等]、《軟件設(shè)計(jì)概要說(shuō)明書(更新版)》、各種實(shí)驗(yàn)報(bào)告及測(cè)試報(bào)告、部件和整機(jī)的驗(yàn)收檢驗(yàn)規(guī)范、部件和整機(jī)的裝配作業(yè)指導(dǎo)書、成本估算等。

6 產(chǎn)品支持

產(chǎn)品支持主要指機(jī)器零部件的加工、裝配、調(diào)試、銷售及售后服務(wù)。同時(shí)做好裝配、調(diào)試記錄，建立設(shè)備檔案，為產(chǎn)品的升級(jí)換代做出指導(dǎo)。

產(chǎn)品支持階段完成的可交付成果：

樣機(jī)、裝配調(diào)試報(bào)告、銷售及售后服務(wù)報(bào)告、成本核算報(bào)告等。

7 總結(jié)

要研發(fā)一種新型的專用設(shè)備，而且是在短期內(nèi)開發(fā)的一種完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、具有一定市場(chǎng)定位的設(shè)備，就必須要有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⑶袑?shí)可行的設(shè)計(jì)過(guò)程與管理過(guò)程。制定詳盡周密的計(jì)劃，建立良好的測(cè)試平臺(tái)，做好嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，縮短樣機(jī)的研發(fā)周期并通過(guò)用戶生產(chǎn)線的工藝考核，從而縮短預(yù)系列機(jī)型、成熟機(jī)型的推出周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

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