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黑龍江首屆工程訓練綜合能力大賽總結報告 ——論產品的設計及生產流程（以本次大賽“無碳小車”為例進行說明） 隨著社會的發(fā)展，各式新產品層出不窮。為了滿足社會某種特定的需求，一件件新產品應運而生。而任何一種新產品的誕生都是一個系統(tǒng)而復雜的過程。在這里我將以“黑龍江首屆工程訓練綜合能力大賽”為契機，結合自身設計制作“無碳小車”的感悟，談談一件新產品誕生所需要經歷的一些必要過程。 一、 進行市場調研 一件新產品的產生必然是為了滿足市場的某種特定需求，不然所設計的產品就是廢品，就沒有使用價值。 以“無碳小車”為例，我們需要仔細研究的便是大賽命題，明確規(guī)則要求。大賽命題是“以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車”，從命題中我們可以明確驅動小車的能量來源，即“重力勢能驅動”。還明確小車有一特殊的功能要求，即“具有方向控制功能”。研究了命題之后，我們頭腦里就有了疑問：怎樣實現重力勢能的的轉化呢？小車到底有怎樣的方向功能要求呢？如果看過命題后你的大腦里充滿了疑問，那么恭喜你，你審題的目的已經達到了。接下來要做的就是帶著疑問去研究規(guī)則的細節(jié)。待到你審題時的疑問一個個被解決時，相信小車在你的腦海里就已經有一個大致的框架了。 二、 產品的理論設計 要想設計一個產品，我們首先需要明確產品的用途，即產品要被用來做什么，我們希望用它來實現什么功能。一旦明確了產品的用途之后，我們的設計就有了方向。以本次大賽“無碳小車”為例，通過我們第一步對命題和詳細規(guī)則的研究后我們知道我們需要設計一小車，小車需采用三輪結構（1個轉向輪，2個驅動輪），以重力勢能轉化的能量來驅動小車；小車行進的軌跡要求為S型且能順利繞過一米一個的障礙物，這就要求轉向輪能成周期性的擺動。 1 產品原理概念設計 明確了產品的功能特性后，我們接下來要考慮的就是產品的原理，即用什么方式去實現產品所要求達到的功能特性。產品原理概念設計旨在于此，而不必考慮現實條件的種種制約。以本次“無碳小車”為例，我們需要考慮兩個問題。首先，怎樣實現重力勢能的轉化。其次，怎樣實現轉向輪周期性的擺動。針對重力勢能的轉化形式，比較唯一，即采用線傳動。再說轉向輪周期性擺動的實現，可供選擇的有曲柄連桿、細繩拉動、齒輪齒條配合、凸輪連桿等幾種實現形式。 受現實條件以及設計者自身知識結構的制約，并不是每一種方案都是可行的。這時，設計者需要針對自身的知識結構以及機構實現的難易程度等具體情況，選擇適當的方式以實現產品的功能要求。以“無碳小車”轉向方案為例，可實現轉向輪周期性擺動的幾種結構中，細線拉動極不穩(wěn)定，難以達到精度要求；齒輪齒條現場加工受限；凸輪連桿中凸輪的設計對我們而言是個難點；剩下的曲柄連桿結構相對簡單、容易實現。于是最終的結果即選擇曲柄連桿結構來實現小車的轉向功能。 2 產品原理優(yōu)化設計 通過第一步對產品原理的概念設計之后，我們找到了實現產品功能特性的途徑。但那只是一個大體的框架，要落實到具體實現上還是有困難的。怎樣將各機構合理有效的組合？如何更好的實現產品的功能要求？這便是產品原理優(yōu)化設計中需要考慮的問題。不得不提的是，產品原理的優(yōu)化設計要求設計者更多的注意到細節(jié)性的東西，并且有精確的理論計算作為基礎。以“無碳小車”為例，通過產品原理的概念設計我們明確了采用線傳動實現重力勢能的轉化，采用曲柄連桿結構實現小車轉向的功能要求。但怎樣把這兩種機構組合起來呢？我們實現了讓小車按預定軌道前行，但為了讓小車跑得更遠、繞障更順，我們不得不考慮增加變速機構。這一切就要求我們更多地注意細節(jié)，并且有精確的計算作為理論基礎。 3 精確的理論計算 本著理論指導實踐的原則，準備設計產品前，通過調研我們會得到一些參數，這些參數在產品的設計過程中起著指導性的意義。以“無碳小車”為例，小車行進軌跡的計算便是小車設計過程中非常關鍵的一環(huán)。它所得到的數據將指導整個設計加工過程。例如小車各部件的尺寸要求、轉向周期的控制、加工精度的要求、發(fā)車角度的調節(jié)等無不受到小車行進軌跡計算的影響。無疑，對小車行進軌跡計算的精確與否直接決定了小車的成敗。本次比賽我們將小車的行進軌跡近視看做為一段段的圓弧，進而順利解決了軌跡長度、轉向周期、發(fā)車角度等問題。不得不承認這種近視方法不是很精確。相比較而言，正余弦曲線近視法更為精確，但計算的難度大大增加。所以，精確的理論計算受到設計者自身知識結構的影響。 4 產品尺寸設計及材料選取 有了精確的計算作為理論指導，又有了產品原理的優(yōu)化設計方案。接下來要做的就是精確確定產品各個部件的尺寸及使用的材料。這就要求我們明確各種工程材料的力學特性和市場價格，以便使材料符合產品要求的情況下盡量節(jié)約成本，減少支出。不得不說這是一個處處充滿著矛盾決策的環(huán)節(jié)。以“無碳小車”車身尺寸的設計為例，一方面我們需要較寬的車身以便保證小車行進過程中的穩(wěn)定性?？奢^寬的車身不利于小車的繞障，而且較寬的車身也增加了材料的成本。那么車身尺寸到底為多少合適呢？這就要求我們一方面通過精確計算確定車身尺寸的區(qū)間要求，另一方面通過仿真軟件模擬以及向相應專家咨詢等方式去嘗試。類似的“矛”多一點，還是“盾”多一點的問題可以說出現在產品研發(fā)每一個細節(jié)的考慮上。例如軸承類型的選取，支撐架支撐方式的選取，輪子材料、尺寸的確定，螺栓大小的要求等等。 三、 產品的可行性分析 設計者自行設計完成一件產品的理論設計工作后，由于受到個人知識結構的影響，設計者所設計的產品或許會存在一定的技術上的不合理性。要將產品投入實際的生產中難免會有困難，這時產品將受到來自各方面專家的質疑。各方面專家站在自己的專業(yè)領域以自己的專業(yè)知識來考察產品的可行性即產品的可行性分析。以“無碳小車”為例。專家們一般從如下幾個方面考慮小車的可行性： 1 原理的可取性； 2 結構的合理性； 3 材料選取的合理性； 4 加工的可行性。 有一點不得不說的就是，整個設計過程中設計者都應該多征求各方面專家的意見，多查閱相關文獻資料。而不是僅在產品的可行性分析環(huán)節(jié)才和相關技術人員有交流和溝通。設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，它受許多因素的影響，絕不是單單某一個人就能完成的。 四 、產品的現場加工、裝配、調試 對于經過設計者理論設計和專家們可行性分析的產品設計方案可謂萬事具備，只差一步就可以出成品了。這一步就是產品的加工和裝配。理論指導實踐，但無論理論多么完善，計算多么精準，如果加工工藝滿足不了要求，那么一切就都只是霧中看花、水中撈月。所以保證加工工藝要求和裝配工藝要求是致關重要的。產品出成品過后，應該對產品的功能特性進行驗證，對比實際和理論的差距，并找到導致實際與理論不合的原因，然后進行修正。以“無碳小車”為例，軸承和軸的配合、軸承和軸承座的配合都是有公差要求的。一旦加工不合要求那么必然對結果造成影響。任何加工裝配時的不合要求都會在小車的行進過程中表現出來。 建議各個環(huán)節(jié)時間分配 市場調研占20％，理論設計占40%，可行性分析占30%，剩下的10%的時間用在產品的現場加工以及裝配、調試上。 以上便是這次參加“黑龍江首屆工程訓練綜合能力大賽”依據“無碳小車”的設計思路整理出的關于“產品的設計及生產流程”的論述。