从事机械设计多年的经验分享

多年来,我在机械非标设计一线跌跌拌拌,主持设计了几十种产品的设计;在这些项目中与帝都知名设计研究院,著名高校及兄弟单位进行过多次合作。深深体会到机械设计人才良莠不齐,浑水摸鱼沽名钓誉之徒太多;大多数设计人员毕业后很少再学习,甚至平均下来每月还不看一本专业书籍,所以其水平也不敢恭维。

国人学习做事喜欢捷径找方法,总结起来有四种方法:模仿别人,学习别人的经验消化理解,这是最聪明的方法;经过自己深思熟虑实践,这是最宝贵的方法;总结自己失败的经验和教训,这是最痛苦的方法。国外的工业帝国有企业出书和工程师出书,读几本也受益匪浅。但是机械行业鉴于当今知识产权做的不到位,机械行业大都互相堤防,不像电子等新兴行业,好多工程师把自己的经验发到论坛上分享。机械行业大家相互遮遮掩掩,唯恐被别人看破看懂;在此我想记录下自己设计过程中的点滴,抛砖引玉,互相交流。

  
古代有三教九流之类的说法“一官、二吏、三僧、四道、五医、六工、七匠、八娼、九儒、十丐”,一目了然,咱们做匠人的值得庆幸的是排到了娼前面。按照当下国内的说法人才分四类:首先是搞艺术,因为中华艺术是神圣的所以咱们常人无法达到;然后一流人才做销售,在中国各种政府采购及规则,能把销售做好不亚于搞艺术。二流的人才做管理,神舟飞天好几年了贪污腐败到现在还没好办法,可见管理这谭水不是一般的深啊;当放弃了梦想,失去了斗志,没有了勇气,不要过于悲伤,还可以做三流人才,做技术吧。

七月又一届毕业的人才投入到祖国建设中;这时候可以验证一下前面所说的三流人才。首先搞艺术的用就业就太俗了,所以就不谈就业了。然后清华,北大,北理等名校的一流人才,大都会选择出国或者外企,帮助洋人在中国推广销售优秀产品,开盘稳固国内市场。二流人才就是各部属重点院校的二流人才,大都能进央企国企国家行政部门,企业或行政部门依靠背景资质等承担国家重任,有党有钱的地方,当然管理是首要任务。然后三流人才就不值一提了,勉强填饱肚子就知足了。

说句骄傲的话:机械的发明和精巧的设计仅仅是极少数天才人物凭知识和才能所掌握的一种技巧,而且在设计时除了设计者的直观能力外,还要对设计过程的一系列关键过程加以分析,并根据相应的规律有计划地予以实现。过去的几位天才的工程师,如阿基米德、达·芬奇、尼古拉斯特拉、他们把设计思想留给了后人近代的富朗克、汉森、凯塞林、罗登纳克、沃格包尔、等天才从事机械设计研究。但这些搞机械设计的人才们结局都不很乐观,看过电影“太极”身为铁道部总工程师的方子敬和机械设计工程师陈栽秧的悲催遭遇,还有发明家“灰太狼”身为机械设计的优秀人才,却为每天吃饱肚子发愁,我不明白为什么鄙视机械的片都这么流行;就好像央视那军事评论员说美国的航母不环保一样,自己做不好的东西就要鄙视。

深深地感觉到机械设计师——中国三流人才里最悲催的职业。之所以称之为悲催就是经过痛苦的挣扎和不懈的努力终于从茧里爬了出来却发现自己不是蝴蝶。机械设计有这么难吗,简单地说:设计就是综合。综合是创造一套完成某项给定目标的计划或办法的过程。规定机器的尺寸、形状、材料和零件的组合以便使机器顺利完成它的预定工作的过程。说深奥一些:设计过程的总体却有一种非常象科学一样的艺术特性,科学在设计中的作用仅是为设计者提供用以实践他们艺术的工具。想成为一个优秀的设计师,要经历一下几个阶段:
 

A、婴儿级。

这个级别就是能掌握设计所需的工具;熟练操作CAD,ProE,SW,ANSYS、Mathcad等软件,深刻理解材料力学,工程力学,机械设计理论,机加工工艺,金属工艺学等基础理论;熟练掌握公差配合,工程材料等基础知识。当然什么叫做熟练操作,经常见那些自称用某种软件很熟练的小伙子们实际操作软件的时候是那么生疏,熟练程度不好界定,如果必须量化那么只能给个近视量,如果用某个软件绘制工程图不到500张,如果三维模型画够上千个就别说自己是熟练。深刻理解力学理论也一样,不说对那些要点如数家珍,最起码说对一个学科能系统地从头到尾穿起来。熟练掌握是更进一步的要求,举个例子,对于公差配合熟练掌握就是对基准基准体系、形状公差、位置度公差、延伸公差带、等知识熟记于心,对这些公差的应用,公差的检测,以及加工过程中保证这些公差的工艺等有初步了解。达到了这些要求,具备了机械设计的基础知识。

B、幼儿级。

图纸是工程师的语言,作为幼儿就应该学会说话了;国标就是语法,常用的三五十个制图国标应该倒背如流,如果有企业标准和规范会稍多一点,这些倒没这么难绘制两三千张工程图这些标准就会形成一种习惯;关于制图之前也曾说过“现在好多工作多年的机械设计人员连张像样的图纸都画不出来”学会工程师的普通话。三维图也是有语法的,并不是按照尺寸画出三维图就行了:是采用自上而下、还是自下而上,如果自下而上从零件时候就必须为下一步装配,方针,修改做准备;基准面怎么选,用什么特征都不是随便选的;零件图绘制顺序还要结合零件的加工工艺顺序一致,是先拉伸切除还是先旋转切除都要结合零件的加工工艺;三维图装配也一样,根据装配规范的总成逐级装配。

  

C、儿童级。

儿童级是最为漫长的一个阶段,这个阶段可以在师傅的指导下完成简单的零件设计。既然是设计肯定要对这个零件的功能要求力学性能了如指掌,然后进行适当的力学计算;不要依靠分析软件,因为当没搞明白本质之前,靠软件就是盲目的;在这里需要强调的就是在机械设计中任何软件都是工具,真正宝贵的是设计者的思想和创意,而并非软件。分析的目的在于获得符合要求的工作性能的同时,做到重量轻巧,加工简单,降低成本,其实归根结底就是钱的问题;那么设计就可以理解为在某事某地某工况下为某以技术任务给出一个尽可能好的解决办法所必须的一切综合和分析的活动,在儿童级别可以狭义地理解设计即:确定一个零件部件机器的尺寸结构及材料特性等。

这个阶段应该很清楚设计的每一个零件是怎么加工出来的,用到什么机床,采用什么样的表面处理工艺,每个公差存在的意义,只有这样才能保证你设计的零件在当今的加工条件下能制造出来。然后就是装配问题,心中应该比较明确自己设计的部件,机器,是怎么安装的,采用什么工具安装,需不需要吊装孔,要不要定位。然后维修,使用,易损件更换是否方便。这个阶段应该深刻认识到对加工工艺了解远比理论更有意义,这个阶段你会慢慢感觉到那些每天炫耀三维软件制作三维动画和生成红黄绿网格的最多只能算是个制图员。

当终于把这个阶段走完的时候,发现作为设计师终于可以自己设计一些简单的结构了。这时候也慢慢发现有人在骂你,或者说有机会挨骂了。因为生产、采购、使用、维修、运输、所有的错误都可以归结为设计的错误,的确如此,因为设计的时候都可以避免的。

首先车间的工人会骂你,理由如下。你设计的一个零件某个工序会让他们更换20把刀具;因为你设计的零件某个公差要求导致加工合格率只有50%;因为你设计的零件加工时候需要翻来覆去折腾好几次,甚至不得不为了加工一个零件而做了一堆工装,因为你设计的一个零件质检人员检测时必须用三坐标才能检验。当然也会有一些科研单位不在乎,实现同样的功能难度越大越能证明研究所的技术水平高,甚至成为炫耀的资本,可以吹牛我这个零件必须用电火花,必须采用激光,必须采用特种复合材料喷涂。简单就是科学是设计的通用思想,据说国外设计师完成一个零件设计后都要问自己两句话公差精度可不可以再低一些,结构可不可以再简单一些;但是在国内一切皆有可能,以后我把某研设计院特聘专家们让人作呕的设计跟同行们作为反面教材分享一下,因为这是我迄今为止见过犯错误犯的最全面的设计。

其次就是产品使用者会骂,理由更多。设计出的设备难以操作,或者你写的使用说明书密密麻麻50页,让操作者难以掌握,操作者是反应问题最多的,所以你的设计必须把使用产品的人想的足够笨。然后就是误操作,不要怀疑,误操作也是设计者的设计失误造成的,如果你把两个按钮设计的一样,操作者肯定会不小心按错啊。然后就是舒适度,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左右的时候最舒适,低于20N的操作件要考虑误操作的可能性,大于130N的操作件人会感觉费力。严谨的统计计算可以解决这个问题:一个操作手柄在多高的位置需要多大的力量可以扳动这个是可以计算的,一个普通工人在指定工况下所能轻松扳动的力量也是可以统计的,人在什么高度下操作最舒适也是可以统计的,手握手柄的时候当手柄做成什么形状什么尺寸最舒服,所有的这些问题都要想到。

如果这些都满足了,也许客户依然会感觉你的设计不太舒服,或许操作者自己也说不出是哪设计的不合理;这些设计者依然可以避免,《机械设计心理学》和《设计美学》这是设计者的必修课。例如你在一个仪表盘上的数据显示了8位数字,但是一般人的记忆的最佳长度是不大于7位;例如你某个结果设计的足够坚固,可以别人看起来总感觉你这结构弱不禁风;例如本来一个具有亲和力的产品,经过你设计后却让人感觉不敢触摸,等等这些问题,你都可以在心理和美中找出答案解决。
 
接下来就说说包装运输及维修,这些因素也应该是设计者需要考虑的。产品采用什么样的包装方式,怎么运输,采用公路运输时候长宽高的限制,如果需要出口产品还要考虑集装箱因素,等等一系列问题。维修更是一门学问,还是那句话“简单就是科学”;同样的产品别的设计师设计的需要取得麻省理工学士学位的才能维修,你设计的只需要一个农民工便可维修,这就是设计的境界;同样别家的产品维修售后人员带两把扳手两种配件就搞定了,而你设计的产品需要带一套呆扳手一套套筒扳手一套内六角扳手,外加20种规格配件,这肯定是你设计的失败。
 
所以要做一个少挨骂的设计师,还要树立终身学习的决心。设计是一份充满挑战的工作,所以不要抱怨有多少人骂你,也不要想原来我的设计水平是这么烂。
 

D、少年级。

最漫长的儿童级终于熬过去了接下来就是少年级。所谓年少轻狂,这时候感觉自己水平面面俱到,设计也比较轻浮、狂妄,不会深思熟虑,感觉自己经验丰富,总是想当然。

到了这个阶段可以用爱去形容,深深地爱着自己的每一个产品,深深地爱着自己的行业。每一个产品都是设计师的孩子;引用一句名言“付出才会爱”,那么付出太多才会爱的痴狂。因为为机械设计付出过那么多辛勤的汗水;为了设计某个产品而彻夜难眠,甚至为设计中的一个失误而在梦中惊醒;注重每个细节甚至为了某个螺栓的取舍而费尽心思;为了攻读某个学科而熬过的无数个夜晚;为了未知领域自己一个人与枯燥的专业书为伴;最好的年华献给了机械,所以轻狂一些可以理解因为你已经具备了一些可以轻狂的基础。

工艺方面。这个阶段不但清楚地知道每一个零件是怎么加工出来的,而且知道这个零件有多少种加工方法,每道工序在机床上装卡几次,需要什么样的机床附件,需要用到什么规格的刀具等;拿螺纹为例:车削内外螺纹各需要什么的车刀,常见螺纹刀有多少种,螺纹刀进刀方式有多少种,梯形螺纹锯齿形螺纹矩形螺纹各怎么加工。

总之,一切错误都是设计者的错,机械设计者是可怜的。设计出好的产品并非是件容易的事情。厂商希望尽量降低成本,销售商希望产品能吸引客户。客户在采购时候领导会注重产品的价格、外观和品牌;一线使用人员更在乎产品的功能和操作。售后维修人员所关心的则是产品拆装、检查和维修的难易度。与产品相关的各方面有不同的需求,而且这需求还经常相互冲突。即便如此,一个优秀的设计师依然能够设计出让各方面都能接受或都能满意的产品

自己一番牢骚写了这么多字,毛爷爷说过“牢骚太盛防肠断,风物长宜放眼量”。看来我的废话是有点多了,言归正传。钱学森临死之前给教育部长写信说:”为什么我们的学校就培养不出杰出人才呢“,著名的钱学森之问。民国时期培养的知名科学家:邓稼先、侯德榜、梁思成、吴有训、陈建功等,建国后就再也没出过国际公认的什么家了。

机械领域也是一样,1949年建国,经过9年义务教育8年高等教育,1949+9+8=1966年新人才开始写书,事实也正是如此,1966年以后出版的机械书籍中很难找到一本好书,大都是为了职称积分等拼凑的专业书。1985年教育改革开始,随着电脑的推广,扫描及复制粘贴水平迅速提高,专业书籍的数量与日俱增,这时候就会想,同样是复制黏贴为什么还会有错的呢,难道是盖茨的程序错咯。

如果不凑书,不拼对教材;其实复制黏贴的水平高低对于机械设计来说并不重要 。机械设计的重点在于以下几个方面:
 

1、绘图是一个设计师的脸面,面子工程。

由一张图纸可以看出一个工程师的基本素质,一张图纸可以看出设计师的严谨程度和对国标的掌握情况,一张图纸也可以看出设计师对加工工艺的熟悉程度。绘图的境界就是严谨与艺术的结合,所有的标准、知识、分析都是为了一个字“美”,这是对绘图的较高层次的要求。作为设计师的基本功,所谓功到自然成,“绘制过18K张图纸,才会看到超越机械的美”。

2、螺纹的设计应用可以看出设计师的基础。

看一个设计师水平高低就要看他设计的螺纹,基础是硬工夫装不出来的。螺纹就像是数学中的“0”,最简单却又最复杂,随处可见但又千变万化。从日不落帝国发明了英制螺纹,然后山姆大叔推行联盟标准并衍伸到公制(米制)螺纹,公制螺纹在严谨的日耳曼民族推广至欧洲大陆然后漂洋过海来到了中国,螺纹在漫长的演变中应用到各种各样的工况。常见的米制普通螺纹,美制统一螺纹,英制惠氏螺纹,小螺纹,航空航天螺纹。用于传动的米制梯形螺纹,爱克母螺纹,米制锯齿螺纹,美制锯齿形螺纹,英制锯齿形螺纹。用于密封的英制密封管螺纹,英制非密封管螺纹,日韩旧英制管螺纹,美制密封管螺纹,美制干密封管螺纹,美制非密封管螺纹米制管螺纹。另外还有行业专用螺纹等。螺纹作为复制的空间曲面力学分析更为复杂。

3、公差是一门哲学,是一种思想。

公差配合是机械的精髓所在。公差之所以称为精髓,因为公差是影响产品性能,成本的重要因素;公差可以解决降低成本和保证性能的矛盾;对公差的理解也可以看出设计师空间想象能力,抽象事物理解能力,逻辑思维能力。在我所接触过的机械设计行业中,能搞明白公差的人少之又少,说白了就是没有;在我看过有关公差的书籍里,能写明白公差的人寥寥无几,大都一知半解就粘贴上去了。我曾去图书馆查阅关于公差的书籍,这类的书籍在书架上应该有上百本,但是从深度上没有找到一本满意的,不禁想国图首图这些人们采购书的时候。。。。。