探究面向制造和裝配的食品機械設計

牛犇

摘 要：食品機械涉及到食品資源的加工、保鮮以及貯藏各個環節，對我國食品資源的利用以及食品的質量具有重要影響。近年來，我國食品機械行業獲得了快速發展，但食品機械在設計過程中，仍偏重于基于原理的設計，從而使食品機械僅能滿足相應功能，而未兼顧到設計的全過程，從而導致我國食品機械零部件的可裝配性與可制造性較差，造成了大量的浪費。因此，加強對面向制作與裝配的食品機械設計研究已是勢在必行。本文在以我國食品機械制造現狀為切入點，立足于基本實例，分析了面向制造與裝配的食品機械設計的方法思路。

關鍵詞：機械設計 食品機械行業 制造 裝配

中圖分類號：TS203 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0078-02

1 我國食品機械設計現狀簡析

在市場競爭激烈的環境下，好的食品機械產品要求在滿足外觀以及功能需求的前提下，還需有效減少產品制造與裝配的時間以及成本。據相關調查顯示，在食品機械的開發設計階段，設計費用占有80%左右的比重。優秀的設計，能夠有效減少零件成本、裝配成本以及設計變更成本等，這就要求在食品機械的設計過程中，必須將設計、制造以及裝配等活動有機聯系起來。同時，隨著產品需求個性化的發展，要求食品機械設計制造，要在追求質優價廉的基礎上，最大限度地縮短產品的制造周期，并能提供優質的售后服務，從而使食品機械產品能夠迅速投產，并方便快速維修，降低因產品故障引起的損失。但就我國目前的食品機械設計現狀而言，還不能完全滿足食品機械上述的要求。這是由于我國在食品機械設計過程中，過分重視基于原理的設計，追求食品機械產品功能的實現，而未對制造過程、裝配調式、加工工藝以及維修檢驗等后續設計環節引起足夠的重視，從而導致我國食品機械產品可維護性相對較差，且零部件的制造以及裝配性較差，不得不對其進行反復的改進，從而延長了食品機械產品的開發周期，質量也得不到有效保障，從而造成了大量的浪費。針對這一現狀，加強對面向制造與裝配的食品機械設計的研究，從設計思路與方法上加強對我國食品機械的改造，對于我國食品機械行業的發展具有重要意義。

2 面向制造和裝配的食品機械設計

2.1 設計思路方法分析

DFMA，即面向制造與裝配的設計，它是機械設計制造領域中并行工程設計思想的具體體現，要求在機械產品開發的全過程之中，體現并行工程思想。基于此，在面向制造與裝配的食品機械設計中，就要求在食品機械產品設計之初，就要綜合考慮產品后續工程中將面臨的情況（如食品機械產品零部件的可制造性，以及提高裝配效率等問題），從而有效提高產品開發效率，降低設計成本。通常而言，DFMA主要分為兩方面內容：面向制造的設計（DFM）以及面向裝配的設計（DFA）。在食品機械設計的初始階段或者概念設計階段，主要考慮食品機械產品的可制造性，也即是運用面向制造的設計促進食品機械產品的功能得以實現；而在食品機械產品零部件的具體設計階段，產品零部件結構的可裝配性則是主要考慮的問題，也即是運用面向裝配的設計，進行食品機械各零部件的優化，使其便于裝配，從而提高零部件的裝配效率，并確保在滿足食品機械產品基本功能的基礎上，確保裝配所用的零部件的數量與種類最少，避免在零部件裝配過程中加工等，從而降低食品機械產品的設計成本。

相較于傳統的經驗設計而言，采用面向制造與面向對象的食品機械設計，能夠極大地減少零部件使用的數量（僅需原來的30%～70%），而且能夠有效地縮減裝配時間（最大可縮減至原來裝配時間的一半），從而全面降低食品機械產品的開發周期，使其能夠迅速地投產使用，全面提高了設計綜合效率，降低了開發成本與勞動強度。在面向制造與裝配的食品機械設計中，要求在設計過程中遵循以下原則：

（1）采用模塊化設計。

（2）盡量采用簡單的、標準的且易于裝配的零部件。

（3）盡量減少零件的種類以及零件的數量。

（4）便于產品的工作狀態的檢驗以及故障的快速修復。

（5）在考慮實際加工成本的基礎上，對各零部件精度分配適合采用的工藝。

（6）在考慮普通裝配人員的裝配技能的前提下，注重裝配過程的簡化，盡量運用經常運用的結構。

（7）將設計過程中可有可無的附加設計取消，實施產品的可靠性設計，使產品無故障工作的平均時間得以延長。

2.2 實例分析

（1）傳統設計實例分析。通常而言，普通的小型食品機械在其設計過程中，所包含的電子元器件以及機械零部件至少都有上百個，若按照傳統的食品機械設計方法進行設計，就可能造成產品的設計中非標件的大量使用、零件過渡設計，裝配時間過長、維修不便以及設計成本過高等不足。就如該案例中運用傳統食品機械設計方法設計的一小型的液體自動包裝機，在其設計過程中，主要運用活塞運動控制機構（如圖1所示）實現對該裝置進行定量間歇中的精確供料。圖1中，1～17則分別為該活塞運動控制機構的各零部件：撥叉、軸套、支承座、軸、螺母（5、6、12）、偏心滑塊、平墊圈（8、9、13）、螺栓、擋板、銷軸、開口銷、連桿以及偏心倒槽等。

2.3 應用DFMA的分析與改造

根據面向制造與裝配設計原則，對圖1中的活塞運動控制機構進行分析與改進如下：

（1）根據該液體自動包裝機撥叉件的功能，在裝置中僅需在一個維度上開口，因此，在本設計中，右側視圖中的開口設計屬于冗余結構，應將其取消。同時，在活塞運動控制機構中，撥叉件需要通過連桿的帶動而實現在軸上進行擺動，因此，該裝置中的撥叉與軸在裝配中，具有精度要求。而該設計中，將裝配面設計得過大，導致撥叉的孔內表面與軸的外表面都具有相當高的加工精度成本，鑒于此，可適當縮短該裝置中的軸向配合長度。

（2）裝置中，支承座的結構屬于不規則的結構，加工較為困難，因此，可使兩側與中間的固定部分與支撐部分稍微向內縮進一些，使其在同一平面內，從而減少螺孔端面的磨削加工量。

（3）該設計在對軸的尺寸與結構確定之后，未結合面向制造與裝配設計原則，選用標準件，因此，在進行改進中，在初步設計中的尺寸與結構之后，優選符合要求的軸套標準件，并對此處軸的具體尺寸與結構進行確定。

3 分析與討論

結合面向制造與裝配的食品機械設計原則對該案例中的傳統設計進行改進，可發現，消除冗余結構利于生產進度的加快，對裝配過程中的連接設計進行改進，利于縮短裝配時間，提高裝配效率。同時，在設計過程中，運用標準件，可實現產品開發成本的降低，并降低產品制造與裝配時的勞動強度。在食品機械設計過程中，運用面向制造與裝配的設計思路與方法進行設計，考慮了食品機械產品的全生命周期中所需考慮的注意事項，尤其是產品后續工程中制造、裝配以及維修階段中產品的可制造性，可裝配性以及可維護性，利于提高設計的綜合效率。

綜上所述，在食品機械設計過程中，面向制造與裝配的設計思想與方法的運用，須在各設計階段，綜合考慮零部件、材料、工藝選擇，以及產品整個生命周期內須考慮的問題，從而提高設計效率，降低食品機械產品開發周期，縮短故障修復時間，增強食品機械產品的可靠性以及性能。

參考文獻

[1] 張興華，張向萍.面向制造和裝配的設計在產品開發中的應用[J].甘肅科技，2011（6）：11-13.

[2] 王芳，丁濤.面向食品機械產品生命周期的網絡化制造研究[J].輕工機械，2011（3）：113-116.

[3] 白曉麗，伍毅.面向制造和裝配的食品機械設計[J].食品與機械，2012（1）：146-147.

[4] 王波.虛擬制造技術及其在食品機械設計制造中的應用[J].食品科技，2009（11）：108-111.

[5] 遲家成.論食品機械設計中的并行式綠色設計技術[J].科技風，2010（5）：220-228.endprint