非標準設備設計及其工藝的三維模塊化

顧嘯

摘 要：非標準設備設計作為機械設計的重要組成部分，在引入三維建模技術以后，通過應用先進的三維模塊軟件，可以快速有效地完成設計任務。如今，隨著三位模塊技術的創新應用，非標準設備的工藝已經發展到新的高度。

關鍵詞：非標準設備；設計；工藝；三維模塊

非標準設備是指不能按照國家統一行業標準和規格制造的設備。非標準設備在加工過程中不能批量生產，一般都采用一次訂貨的方式，根據客戶的用途需要進行設計制造，并且設計成品不包含在國家設備產品目錄內。市場上我們也可以將非標準設備形象地定義為“因批量小為滿足特殊需求而專門設計和制造的設備”。近年來，我國非標準設備設計水平不斷提升，已成為市場出售的重要工業商品。

1 非標準設備的特點

1.1 批量小

非標準設備是根據用戶的特殊需求而專門設計制造的，非標準設備不是固定型號的產品，用戶不能直接在市場上進行選型和購買，需要選擇和聯系專門的生產廠家進行設計和制造，所以，這也就決定了非標準設備不能批量生產，只能單件預購或者小批量生產。但是，非標準設備會隨著市場發展而變化，一旦非標準設備的市場需要量提高以及專業化程度達到國家標準，就可以轉化成標準設備，進行大批量生產。

1.2 設計難度大

非標準設備與標準設備相比，最大的區別就是沒有足夠的設計經驗和完整的制造工藝，由于生產量小，成本投入不能太多，相應的試制和測驗環節缺乏，多數情況下還沒有同類產品進行參考，計算方法也不同，不能生搬硬套已有的計算公式，需要結合實際，制約因素較大，故而非標準設備設計難度也比較大。此外，非標準設備一般需要做到一次性設計和制造成功，并且能夠通過長時間的實踐考驗，為此，非標準設備設計的重要性尤為突出，如果設計方面出現問題就可能在投入使用后出現各種故障，比如動力不足、機體變形、磨損嚴重、精度下降、不正常振動或噪音等問題，滿足不了用戶需求。

2 非標準設備設計的計算

標準設備在進行設計計算時大都是按照既定的規范的計算公式進行計算的，這些公式都是經過了反復論證檢驗的。而關于非標準設備的設計計算，多數時候都不能直接套用已有的計算公式。非標準設備設計計算很難找到已有的經過檢驗的數據，通過是通過設計者的理論分析，并且條件比較苛刻，設計計算的時間非常緊迫，但客戶提出要求時必須在最短的時間內完成。在非標準設備設計計算過程中，有些計算公式非常繁瑣，需要選擇的變量參數較多，所以，計算結果的準確性難以保證，有時會采用模糊計算方式，往往失去了精確計算的意義。非標準設備設計計算一般需要結合產品的實際生產能力要求、性能和質量要求、所需要的功率、主要機件的荷載、能量的轉換、速度、壓力等參數，然后建立設計計算的三維模型，確定設計思路和方案。在非標準設備設計計算過程中，對于任何非標準設備傳動所需要的功率，都可以用輸入能量等于消耗能量的守恒原理來進行計算。設計者在進行設計計算時，需要考慮傳達以及其他損耗，應注重機設備的安全系數。雖然能力輸入及損耗的方式和過程具有多樣性，但是在已有的設計計算方式中，許多非標準設備設計都可以直接用輸入功率等于消耗功率進行計算，并且這種方式不影響計算的準確性。此外，非標準設備設計的強度計算，需要結合實際要求，由于安全系數和許用應力范圍很大，強度計算結果同樣具有很大彈性。所以，對于非標準設備的強度計算還是應該重視基本概念的運用，不斷提升非標準設備設計計算的質量。

3 非標準設備設計及其工藝的三維模塊流程

非標準設備設計及其工藝的實質還是利用已有的資源和機械制造技術進行產品創新的過程。隨著三維建模技術的推廣和應用，非標準設備的設計水平和制造工藝也在不斷改進。非標準設備發展之初，設計者主要采用傳統的平面設計軟件進行建模，這樣不能全面考慮和模擬計算產品的規格、質量以及主要機體的制作路線，而當非標準設備生產引入三維模塊技術以后，有效地解決了產品品種、規格、質量、成本等各種問題，使得設計計算呈現立體化、生動化、精確化，能夠克服設計難題，使用三維模塊也有助于提高生產線效率。如今，在非標準設備設計及其工藝過程中常使用的三維模塊軟件主要有UG、CAD、Solidworks、CATIA等幾種，這些軟件應用方便靈活，能夠很好地對產品的個性化需求進行綜合分析，對產品的尺寸信息、特征信息進行自動拾取，并且替換卡片和數據庫中的數據。采用三維模塊技術的最大優勢就是當工藝模型和流程驅動完成后，每道流程的信息信息必定發生變化，再從三維模型中提取新的參數和流程更新到對應的卡片和數據庫中，以實現數據的統一性和二維卡片的同步更新。

非標準設備設計及其工藝三維模塊化的流程：用戶需求或行業標準→技術指標（用途、形狀、尺寸、參數）→根據要求擬定設計方案→用戶確認→確定設計方案→確認選型并外購標準件→選擇、設計、繪制三維模型→功能模擬、優化設計→修改、確認總裝→出BOM表及2D圖紙→外協機加工非標準件或和外購標準件→裝配總成→調試設備→總檢→交付用戶使用→售后服務。

由于用戶需求不同，非標準設備設計及工藝流程上也沒有嚴格統一的標準，設計者在實際設計中可以根據具體情況加以變動，既能夠將幾個步驟結合在一起進行，又可以省略或增加某些步驟，以此來提高設計和工藝的質量與效率。

4 非標準設備設計及其工藝三位模塊化的建議

4.1 非標準設備設計結構方案的擬定

在整個非標準設備設計和工藝制作流程中，最為關鍵的環節就是擬定設計方案，可以說設計方案的質量決定了整個非標準設備設計的成敗。只用好的設計結構方案，才能夠滿足用戶的需求，平衡成本與質量的關系，力求在制作工藝上更加簡便，成本更加低廉，產品操作更加方便、使用壽命長、故障率低以及保養簡便等。在設計結構方案中，設計者一定要做好和客戶的溝通，在盡量滿足客戶要求的基礎上，把握行業標準，為客戶設計出最優化的設計結構方案。

4.2 非標準設備設計結構模塊確定的方法

非標準設備在選擇、設計和繪制三維模型時，需要把握好兩點。一是要認真落實非標準設備的功能和參數。設計者在確定產品結構模塊時需要詳細了解用戶對非標準設備的具體要求，在基礎上對設備的主要功能和參數進行一一確定，這也是建立設備三維模型的前提條件；二是依據產品工藝流程找到設備的工作原理。在確定了非標準設備的主要功能和參數以后，設備的工作原理就成為結構建模的主要依據，設計者需要根據非標準設備的工作原理快速的設計出產品結構的三維模塊，可以結合已有的設計經驗，靈活套用相似的裝配圖形，適當的調整和修改，確定最優化的結構模塊。

4.3 非標準設備設計過程的控制

一個優秀的非標準設備設計者，不僅僅需要精通機械原理以及設計方法，能夠積極地對客戶需求做出響應，擬定最優化的設計方案，建立最優化的結構模型，選用最合適的標準件，還需要做好整個設計及工藝流程的控制，將非標準設備進行“標準化”、“規范化”生產，能夠從工藝制作中總結出相似的地方，不斷提高非標準設備設計的效率和可靠性，降低整個產品制造的成本投入，改進加工工藝和裝配工藝，在零配件的材料選擇要盡量合理，對于加工工藝、后處理方法以及尺寸公差配合等工藝原理要有深刻的理解。此外，在設計非標準設備時需要考慮以下因素：一是設計的產品需要具備良好的加工工藝性和裝配工藝性，設計者必須掌握加工和裝配的基礎知識以及豐富的設計實踐經驗，能夠科學、合理、靈活地選擇、設計和繪制三維模型，掌握整個設計工作的重要環節；二是合理控制加工精度和加工表面質量。對于設備的加工精度，包括尺寸精度、集合京都以及相對位置精度，都必須在三維模塊上進行準確定量，然后嚴格安裝確定的三維模塊進行加工制造，同時在加工過程中要考慮到加工設備以及工廠技術水平，盡可能選擇最佳的加工方法，避免出現加工精度超過工廠加工方法控制的精度范圍；三是做好對設備的熱處理或表面處理。非標準設備設計的三維模塊并不能將每一個細節都標識出來，對于舍必的熱處理或表面處理需要選擇合適的辦法，熱處理是提高設備使用壽命和性能的關鍵，通過熱處理或表面處理能夠提高非標準設備的表層硬度，延長設備的使用壽命。

5 結語

非標準設備設計及其工藝的三維模塊化是一個復雜的、技術沉淀的過程，模塊化的研究和應用，很大程度上節省了設計者的工作量，通過先進的三維模塊軟件，能夠形象生動地完成設計結構以及實時拾取新的參數，方便設計者擬定最佳化的設計結構方案，并且也方便后期的修改。因此，非標準設備設計及其工藝的三位模塊化實現了從重復編制工藝發展為工藝批處理模式，極大地提升了設計和工藝效率，節約了制造成本。

參考文獻

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（作者單位：天津市揚帆科技開發有限公司）