机械设备设计流程和设计方法

机器设计贯穿于产品的设计、制造、使用、维修全过程，是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定产品力学性能的最主要的因素。下面小编带大家了解一下机械设备设计流程和现代设计方法，希望能帮助到你。

通常，机械设计可分为新型设计、继承设计和变型设计3类。新型设计：应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型机械。继承设计：根据使用经验和技术发展对已有的机械进行设计更新，以提高其性能、降低其制造成本或减少其运用费用。变型设计：为适应新的需要对已有的机械作部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品。而为了满足机械产品性能的高要求，在机械产品设计中大量采用计算机技术进行辅助设计和系统分析，这就是通用的现代设计方法。常见的方法包括优化、有限元、可靠性、仿真、专家系统、CAD等。这些方法并不只是针对机械产品去研究，还有其自身的科学理论和方法。

一、机械设计基本流程

1、 确认设计产品的功能

简单的讲，就是你设计这个产品需要达到一个什么样的目的，需要实现那些功能，如何将这些功能有机的整合在一个产品上，因为只有确认了产品的功能，才能进一步确认产品的基本结构，我们“举个栗子”，你要做一台铣床，那你首先要确认的就是这个产品具有铣削功能，如何去实现这个铣削功能，那就一定要有一个动力主轴——用于实现刀具的旋转加工，另还需要三个方向的进给功能，分别是X、Y、Z等，这是一个最基本的功能分类，然后就这些功能进行结构布局，至于采用什么样的结构布局方式，可以针对加工零件的类型来确定，特别是一些专用机床的设计，很多时候都是根据待加工零件的加工要求来做，这样做的目的是，加工效率更高，加工精度更好，设备成本更低，操作方式更简单，所以在设计一个产品的前期需要对整个产品的功能进行详细而周密的思考和定位，这样才能形成一个完善的产品，其实确认一个产品的功能就是确认“你是否将会是在做一件正确的事”，如果这个步骤有问题，那后面的事情基本上就是南辕北辙了，越努力离你的目标越远，座椅在产品功能的确认环节，任何细节的处理都需要有完善的思考和预案，不要让自己输在了起跑线上。

产品功能的描述一定要形成文字化，而不是简单的讨论就马上开工，一定要形成一个完备的方案文字，并将功能逐条的列举出来，做详细的说明和备注，再开方案会进行讨论，设计过程就是一个交流的过程，只有集思广益才能让产品臻于完善，这个环节是偷不得懒的，否则全盘皆输。

2、 确认产品的技术参数

对产品的各种技术参数进行确认，其实这就牵涉到很多计算和校核，也牵涉到对功能的预期是否达标的问题，我们还是来“举个栗子”，就拿设计一台铣床来说，这中间牵涉到的技术参数有：三向进给行程，最大进给速度，最大进给推力，主轴最大切削力，主轴最高转速，三向电机型号，主轴电机型号，主轴锥度大小，丝杆和导轨的型号和品牌，工作台尺寸等一系列的参数，也只有确认了这些参数，你才能真正的进入下一个阶段，否则你依然是无从下手，而清楚的知道要确认产品的哪些技术参数就是一个机械工程师的设计能力的体现，这不单是一个产品方案的布局问题，也是对一个产品的功能把控问题。

下面来列一个技术参数的“栗子”给大家打个样：

立式加工中心的技术参数：

A、三向行程：X=750mm；Y=450mm；Z=500mm；

B、三向最大进给速度：X=30m/min；Y=30m/min；Z=20m/min；

C、最大进给推力：略（这个计算太麻烦，省略）；

D、主轴最大切削力：略（理由同上）；

E、主轴最高转速：S=8000r/min；

F、主轴电机功率：7.5Kw；

G、三向进给电机：X、Y=12Nm；Z=22Nm;（我们选择电机主要是看额定扭矩和转速）；

H、主轴规格：BT40-150;

I、丝杆规格：32X12-C3；

J、线轨规格：X=30mm；Y、Z=35mm；

L、工作台尺寸：800mmX450mm。

以上参数仅供参考，当然以上参数也是很靠谱的，要确认这些参数就是考验一个人的设计能力，如果你能很轻松的确认以上的参数，那你就基本上具备了方案设计的能力，你可以出师了，不再是一个单纯的拆图员了，而是一个独立的产品设计工程师。

3、 确认产品外购件和标准件

为什么接下来的步骤是确认外购件和标准件呢？因为这是你做方案图的基础，如果没有这些东西，你是没有依据去确认你的方案图的，我们还是以上述的立式加工中心为例，它的外购件包括：三向伺服电机，主轴电机，三向丝杆和线轨，主轴，打刀缸，刀库，润滑泵，排屑器，联轴器，冷却泵，冷却竹节管以及电气元件等，在这里我们只列举一些主要的东西，所谓的外购件，就是你能在市面上找到供应商的功能部件，把这些东西找出来，然后与对应的供应商确认你需要的产品型号和技术要求，并确认采购价格和发货周期，这些东西都是需要做的，也是一个产品设计必须的定型环节，同时作为设计工程师，你还需要拿到这些外购件的具体外形尺寸图纸，以便在自己设计的时候做相应的接口与之对接装配；所谓的标准件是指：丝杆支撑轴承，螺钉螺母等，是那些能够从设计手册上查询得到的，具有国家统一标准的零件，有人问，标准件也是需要外购的，为什么要单独从外购件里面剔出来呢？问得好，那是因为这些标准件，无论哪个供应商来做都是统一标准的，无论是外形尺寸还是零件质量都是统一的，所以不存在单独要和某个供应商确认外形尺寸的问题，而上面那些外购件则不一样，那些产品的外形尺寸和质量会根据供应商的不同具有很大的差别，所以在选择外购件的时候，特别要注意对供应商的甄别，因为这很大程度上决定你这个产品的质量和定位，一旦选定供应商，那就意味着设计上的定型，如果想以后再进行供应商的跟换，那动作可能就大了，也许在一些结构的设计上，根本就不允许你或者不支持你这样去做，如果非要这么做，那 就只有推到重来的份了。所以选择外购件的供应商要慎之又慎。至于我对上面这个立式加工中心的供应商选择，在这里我就不作详细的介绍了，否则有广告之嫌，如果有个人需要知道的，可以值乎或者私信我，我会尽量分享给大家。

4、 设计产品方案图

接着进入的步骤就是做产品的方案图，我所说的方案图不是那种示意性质的图纸，而是指产品方案的装配图纸，如果做这个方案图，这是所有设计新人甚至很多老人都很为难的地方，到底从哪个位置开始画起？这就是所谓的万事开头难吧，如何开始画呢？在这里分享给大家一个秘诀，从已经确认了的外购件和标准件开始画，例如我们上面确认的那些电机，丝杆，线轨，轴承等，这就是我们入手的突破口，因为这些东西选定了后就不会变改的，是已经确认好的东西，把这些东西的外形图纸和装配尺寸都画好，接着在这些零件的基础去设计相应的自制零件，例如有了轴承轴后，你得需要一个轴承座，有了电机后，你得配置一个电机座，有了电机座你得有个安装电机座的底座等等，就这样一步一步的把方案图完成，这个过程就不是简单的画图了，而是一个需要借助设计经验才能完成的设计过程，例如你如何确认一个轴承座的壁厚？你凭什么认为你给的壁厚是可以保证这个轴承座的强度和刚性的，其它零件也存在同样的设计需求，这些能力就是所谓的设计能力，就是你从长期的设计过程积累起来的一种经验和能力。如果你能形成自己的一种设计原则，那将来对你的设计生涯，特别是培训设计团队是非常有用的，这也是为什么机械设计越老越值钱的原因，就因为见多识广而已，积累丰富而已。别人设计的零件随便看一眼就知道合不合理，刚性够不够，强度好不好，而且还不需要进行任何的校核与计算。

方案图设计到什么程度，设计到任何工程师拿到你的方案图就可以轻松的把零件图拆出来，并任何工艺工程师拿到你的方案图能够对你各个零件的加工工艺一目了然，任何装配工程师拿到你的方案图，可以完成整个产品的零件装配。根据以上三个要求去做好你的方案图（通常我们叫装配图），这需要具有一定的专业设计能力。

5、 分拆产品零件图

拆分零件图，这是设计岗位新人入职后经常做的工作，也是一些初级工程师经常干的活，其实对于一个新人来说，要想快速的进行零件图的拆画也是一个非常不容易的工作，因为你们看懂装配图的能力有限，所以在这之前，你需要明确那些装配图上的各种线型和符号到底代表了什么意思，用个笔记本把他们记下来，然后再对照着来理解装配图，不懂的就需要问，但是不要重复的问，重复的问一个很没有技术含量的问题，会显得你很无能，就算是粗心大意也是一种无能的表现。其实零件图的设计也是需要相对的设计能力才能完成，这就是你们培养设计能力的过程，一个好的机械设计工程师，必须熟知零件的加工工艺要求，装配工艺要求，成本控制等，只有将这些细节设计能力充分的注入你的零件设计图中，你才能真正设计出一个好的零件，如果只是毫无思想的画几条线段或圆圈，那不叫设计，那叫瞎掰，所以千万不要以为自己画了一个图就是学会设计了，这还差很远？你设计的图纸必须是经过自己的工艺分析和装配要去分析的，也是衡量过制造成本的，所以每个环节你都得去经历和学习，设计的功夫不在电脑前面，而是在车间和现场，那里才是提升设计能力和创造设计思维的地方，办公室电脑前只是表达你设计能力的地方，不是产生设计能力的地方。

6、 审核产品零件图

零件图的审核，这个过程有两道审核关卡，第一道是方案设计工程师的审核，如果零件图是方案设计工程师自己做的，那就需要另找一个功力相当或者更牛逼的人来对零件图进行审核，因为无论是多么牛逼的设计工程师都存在一个“灯下黑”的设计缺陷，也就是自己看不出自己错在哪里？特别是在电脑上的图纸，因为设计思维方式已经固化，自己很难突破自己的局限，所以就算一个很明显的错误放在你面前，你也不一定能够及时的发现，反而是一个路人不经意的一句话，你才豁然顿悟的看到自己的不足，所以一定要请人来审核图纸，对于职场新人那就更是如此了，在这里分享给大家一个非常好的方法，也是我经常用的，如果找不到帮你审图的人（例如牛逼的人在外面兼职就很难找到帮审核图纸的人，而且还不能出错），那就用纸张把图纸打印出来，然后随便点着图纸的任何地方问自己如何加工？是否标准完了所有加工的信息，自己给自己找茬，这样可以很大程度的提高图纸的完整性，但这也只能是提高图纸在你的能力范围之类的完整性，超出你能力范围的那些不合理是不可能发现的了，因为你的设计能力就是你的天花板，所以最好的途径还是请人帮你审核，尤其比你牛逼的人，如果他再毫不吝啬的为你提点几句，那你进步的空间就大了，速度也就快了。第二道图纸审核是需要一个工艺工程师来对图纸进行审核，因为大家的关注点是不一样的，设计的关注的面较广泛，但是工艺工程师关注的却很专注，任何工艺上不能实现或者需要高成本才能实现的地方，他们都会建议做图纸甚至结构上的修改，这是完善一个产品的必要过程和安全保障，如果你身处的是一个小公司，没有配备相应的工艺工程师，那就请机械加工的老手帮你看看吧，他们很多人身上具有工艺工程师的素质和判断能力。当然对于规范的大公司，还有标准化的审核，这是审核图纸完整性和规范性的，至于重不重要各有各的说法，我个人认为是很重要的，但是成本太高。

7、 进入生产环节

图纸完成后就正式进入生产环节，这包括相应的采购，外协，装配，调试和销售，在这里只是提一下就算了，另写一篇文章来介绍这些环节的注意点，但在这里要交代一句，作为一个产品设计工程师，你应该是全程参与一个产品的所有环节的，而不是去做一个甩手掌柜，以后后面就没有你的事了，如果你有这样的想法，你注定是在这条路上走不远的，也是走不深入的。

二、机械设计方法

1、 理论设计
理论设计是一种创造性设计，也称作开放性设计。设计者按机械零件的结构及其工作情况，将它简化成一定的力学模型，运用理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、流体力学、热学、摩擦学理论等或利用这些理论推导出来的设计公式和实验数据进行设计称为理论设计。

2、 优化设计
机械产品优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论，方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。它是机械设计理论与优化数学、电子计算机相互结合而形成的一种现代设计方法。

3、 经验设计
经验设计也称作继承性设计，根据某些零件长期以来的设计与使用经验归纳出经验公式，或者设计者根据经验用类比的方法，确定一些尺寸进行设计，称为经验设计。这对于某些典型零件是很有益的设计方法。例如减速箱体、传动件、机床手柄等的某些结构尺寸。

4、 仿真与虚拟设计
计算机仿真技术是以计算机为工具“建立实际或联想的系统模型”并在不同条件下对模型进行动态运行实验的一门综合性技术。而虚拟技术的本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。这种方法不但缩短产品开发周期，也实现了缩短产品开发与用户之间的距离。

5、 有限元设计
这种方法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。

6、 模糊设计
它是将模糊数学知识应用到机械设计中的一种设计方法。机械设计中就存在大量的模糊信息。如机械零部件设计中，零件的安全系数往往从保守观点出发，取较大值而不经济，但在其允许的范围内存在很大的模糊区间。机械产品的开发在各阶段常会遇到各种模糊问题，虽然这些问题的特点、性质及对计策的要求不尽相同，但所采取的模糊分析方法是相似的。它的最大特点是，可以将各因素对设计结果的影响进行全面定量地分析，得出综合的数量化指标，作为选择决断的依据。

三、机械可靠性设计方法

1、预防故障设计

机械产品一般属于串联系统.要提高整机可靠性,首先应从零部件的严格选择和控制做起。例如，优先选用标准件和通用件；选用经过使用分析验证的可靠的零部件；严格按标准的选择及对外购件的控制；充分运用故障分析的成果，采用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。

2、简化设计

在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。否则，简化设计将达不到提高可靠性的目的。

3、降额设计和安全裕度设计

降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。工程经验证明，大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高。为了找到最佳降额值，需做大量的试验研究。

当机械零部件的载荷应力以及承受这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不确定分布时，可以采用提高平均强度(如通过大加安全系数实现)、降低平均应力，减少应力变化(如通过对使用条件的限制实现)和减少强度变化(如合理选择工艺方法，严格控制整个加工过程，或通过检验或试验剔除不合格的零件)等方法来提高可靠性。对于涉及安全的重要零部件，还可以采用极限设计方法，以保证其在最恶劣的极限状态下也不会发生故障。

4、余度设计

余度设计是对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以备局部发生失效时，整机或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。当某部分可靠性要求很高，但目前的技术水平很难满足。

比如采用降额设计、简化设计等可靠性设计方沙土，还不能达到可靠性要求，或者提高零部件可靠性的改进费用比重复配置还高时，余度技术可能成为较好的一种设计方法，例如采用双泵或双发动机配置的机械系统，但应该注意，余度设计往往使整机的体积、重量、费用均相应增加。余度设计提高了机械系统的任务可靠度，但基本可靠性相应降低了，因此采用余度设计时要慎重。

5、耐环境设计

耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响，例如装配、运输时的冲击，振动影响，贮存时的温度、湿度、霉菌等影响，使用时的气候、沙尘振动等影响。

因此，必须慎重选择设计方案，采取必要的保护措施，减少或消除有害环境的影响。具体地讲，可以从认识环境、控制环境和适应环境三方面加以考虑。认识环境指的是：不应只注意产品的工作环境和维修环境，还应了解产品的安装、贮存、运输的环境。

在设计和试验过程中必须同时考虑单一环境和组合环境两种环境条件；不应只关心产品所处的自然环境，还要考虑使用过程所诱发出的环境。控制环境指的是：在条件允许时，应在小范围内为所设计的零部件创造一个良好的工作环境条件，或人为地改变对产品可靠性不利的环境因素。适应环境指的是：在无法对所有环境条件进行人为控制时，在设计方案、材料选择、表面处理、涂层防护等方面采取措施，以提高机械零部件本身耐环境的能力。

6、人机工程设计

人机工程设计的目的是为减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点以提高机械产品的可靠性。当然，人为差错除了人自身的原因外，操纵台、控制及操纵环境等也与人的误操作有密切的关系。因此，人机工程设计是要保证系统向人传达的住处的可靠性。

例如，指示系统不仅显示器靠，而且显示的方式、显示器的配置等都使人易于无误地接受；二是控制、操纵系统可靠，不仅仪器及机械有满意的精度，而且适于人的使用习惯，便于识别操作，不易出错，与安全有关的，更应有防误操作设计；三是设计的操作环境尽量适合于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，如温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、空间等。

7、健壮性设计

健壮性设计最有代表性的方法是日本田口玄一博士创立的田口方法，即所谓的一个产品的设计应由系统设计、参数设计和容差设计的三次设计来完成，这是一种在设计过程中充分考虚影响其可靠性的内外干扰而进行的一种优化设计。这种方法已被美国空军制定的RM2000年中作为一种抗变异设计以及提高可靠性的有效方法。

8、概率设计法

概率设计法是以应力一强度干涉理论著基础的，应力一强度干涉理论将应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理。

9、权衡设计

权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本等之间进行综合权衡，以求得最佳的结果。

10、模拟方法设计

随着计算机技术的发展，模拟方法日趋完善，它不但可用于机械零件的可靠性定量设计，也可用于系统级的可靠性定量设计。当然，机械可靠性设计的方法绝不能离开传统的机械设计和其它的一些优化设计方法，如机械计算机辅助设计、有限元分析等。

四、机械设计技能

1、学会查手册、查相关论文，先自己了解个大概，别动不动就随便问别人。

2、试着了解常用的外购件品牌，尽可能多的了解外购件和标准件的种类，拓宽知识面。

3、掌握标准的制图技能，保证图面美观，标注合理，需要扎实掌握制图标准和标注原则以及工艺知识。

4、掌握各种科学计算的方法和公式，从总体上要对产品的传递路线有把握。

5、了解常用材料的性能和选用原则。

6、学会借鉴现有产品的结构和设计思路（认真研究透后可以少走很多弯路）。

7、不要只局限于结构设计，液压和电气知识都要了解。

8、常见的受力分析计算要知道方法和公式。

9、一些常用数据要熟记于心。

10、一定要有成本意识，没有这个意识做机械设计你不合格。

11、制作文件以相关方案介绍要让别人能看懂。

12、关于计算学会做些计算表格（Excel公式），能节省很多时间。

五、机械设计原则

1、自己的计算和图样自己仔细检查下，首先自己看着要顺眼和和检查没有什么问题，别把问题都一堆交给别人。

2、做结构设计一定要考虑最经济的方案，成本要在设计阶段控制。

3、注重外观设计。

4、你设计的东西一定要有依据可循，或者通过理论计算，或者通过类比确定，如果没有依据，说明你凭在设计，这样没有可靠性。

5、多动脑子，机械设计需要较强的逻辑思维，脑子不转，思路也就停滞不前。

6、注重基础知识的学习。不要干了几年，都还不知道EQS、焊接符号、理论真确尺寸，粗牙，细牙，8.8级，齿轮变位，屈服强度，强度，刚度，抗弯截面系数，排量，流量，调质处理等常识。

7、其他的设计原则网上去查资料学习，会有帮助。

建议：机械设计知识体系很庞大，需要花时间去慢慢学习，要有意识的培养自己的管理能力，学会做一个leader，不要过度依赖三维软件，注重培养二维基础知识。

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