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黑龍江首屆工程訓(xùn)練綜合能力大賽總結(jié)報(bào)告 ——論產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)流程（以本次大賽“無碳小車”為例進(jìn)行說明） 隨著社會(huì)的發(fā)展，各式新產(chǎn)品層出不窮。為了滿足社會(huì)某種特定的需求，一件件新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。而任何一種新產(chǎn)品的誕生都是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的過程。在這里我將以“黑龍江首屆工程訓(xùn)練綜合能力大賽”為契機(jī)，結(jié)合自身設(shè)計(jì)制作“無碳小車”的感悟，談?wù)勔患庐a(chǎn)品誕生所需要經(jīng)歷的一些必要過程。 一、 進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研 一件新產(chǎn)品的產(chǎn)生必然是為了滿足市場(chǎng)的某種特定需求，不然所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品就是廢品，就沒有使用價(jià)值。 以“無碳小車”為例，我們需要仔細(xì)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(shì)能驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)小車的能量來源，即“重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)”。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(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能的的轉(zhuǎn)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(jīng)達(dá)到了。接下來要做的就是帶著疑問去研究規(guī)則的細(xì)節(jié)。待到你審題時(shí)的疑問一個(gè)個(gè)被解決時(shí)，相信小車在你的腦海里就已經(jīng)有一個(gè)大致的框架了。 二、 產(chǎn)品的理論設(shè)計(jì) 要想設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，我們首先需要明確產(chǎn)品的用途，即產(chǎn)品要被用來做什么，我們希望用它來實(shí)現(xiàn)什么功能。一旦明確了產(chǎn)品的用途之后，我們的設(shè)計(jì)就有了方向。以本次大賽“無碳小車”為例，通過我們第一步對(duì)命題和詳細(xì)規(guī)則的研究后我們知道我們需要設(shè)計(jì)一小車，小車需采用三輪結(jié)構(gòu)（1個(gè)轉(zhuǎn)向輪，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪），以重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化的能量來驅(qū)動(dòng)小車；小車行進(jìn)的軌跡要求為S型且能順利繞過一米一個(gè)的障礙物，這就要求轉(zhuǎn)向輪能成周期性的擺動(dòng)。 1 產(chǎn)品原理概念設(shè)計(jì) 明確了產(chǎn)品的功能特性后，我們接下來要考慮的就是產(chǎn)品的原理，即用什么方式去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所要求達(dá)到的功能特性。產(chǎn)品原理概念設(shè)計(jì)旨在于此，而不必考慮現(xiàn)實(shí)條件的種種制約。以本次“無碳小車”為例，我們需要考慮兩個(gè)問題。首先，怎樣實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。其次，怎樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪周期性的擺動(dòng)。針對(duì)重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化形式，比較唯一，即采用線傳動(dòng)。再說轉(zhuǎn)向輪周期性擺動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，可供選擇的有曲柄連桿、細(xì)繩拉動(dòng)、齒輪齒條配合、凸輪連桿等幾種實(shí)現(xiàn)形式。 受現(xiàn)實(shí)條件以及設(shè)計(jì)者自身知識(shí)結(jié)構(gòu)的制約，并不是每一種方案都是可行的。這時(shí)，設(shè)計(jì)者需要針對(duì)自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難易程度等具體情況，選擇適當(dāng)?shù)姆绞揭詫?shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能要求。以“無碳小車”轉(zhuǎn)向方案為例，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪周期性擺動(dòng)的幾種結(jié)構(gòu)中，細(xì)線拉動(dòng)極不穩(wěn)定，難以達(dá)到精度要求；齒輪齒條現(xiàn)場(chǎng)加工受限；凸輪連桿中凸輪的設(shè)計(jì)對(duì)我們而言是個(gè)難點(diǎn)；剩下的曲柄連桿結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、容易實(shí)現(xiàn)。于是最終的結(jié)果即選擇曲柄連桿結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向功能。 2 產(chǎn)品原理優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過第一步對(duì)產(chǎn)品原理的概念設(shè)計(jì)之后，我們找到了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能特性的途徑。但那只是一個(gè)大體的框架，要落實(shí)到具體實(shí)現(xiàn)上還是有困難的。怎樣將各機(jī)構(gòu)合理有效的組合？如何更好的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能要求？這便是產(chǎn)品原理優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。不得不提的是，產(chǎn)品原理的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者更多的注意到細(xì)節(jié)性的東西，并且有精確的理論計(jì)算作為基礎(chǔ)。以“無碳小車”為例，通過產(chǎn)品原理的概念設(shè)計(jì)我們明確了采用線傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，采用曲柄連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向的功能要求。但怎樣把這兩種機(jī)構(gòu)組合起來呢？我們實(shí)現(xiàn)了讓小車按預(yù)定軌道前行，但為了讓小車跑得更遠(yuǎn)、繞障更順，我們不得不考慮增加變速機(jī)構(gòu)。這一切就要求我們更多地注意細(xì)節(jié)，并且有精確的計(jì)算作為理論基礎(chǔ)。 3 精確的理論計(jì)算 本著理論指導(dǎo)實(shí)踐的原則，準(zhǔn)備設(shè)計(jì)產(chǎn)品前，通過調(diào)研我們會(huì)得到一些參數(shù)，這些參數(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中起著指導(dǎo)性的意義。以“無碳小車”為例，小車行進(jìn)軌跡的計(jì)算便是小車設(shè)計(jì)過程中非常關(guān)鍵的一環(huán)。它所得到的數(shù)據(jù)將指導(dǎo)整個(gè)設(shè)計(jì)加工過程。例如小車各部件的尺寸要求、轉(zhuǎn)向周期的控制、加工精度的要求、發(fā)車角度的調(diào)節(jié)等無不受到小車行進(jìn)軌跡計(jì)算的影響。無疑，對(duì)小車行進(jìn)軌跡計(jì)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(jìn)軌跡近視看做為一段段的圓弧，進(jìn)而順利解決了軌跡長度、轉(zhuǎn)向周期、發(fā)車角度等問題。不得不承認(rèn)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(jì)算的難度大大增加。所以，精確的理論計(jì)算受到設(shè)計(jì)者自身知識(shí)結(jié)構(gòu)的影響。 4 產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)及材料選取 有了精確的計(jì)算作為理論指導(dǎo)，又有了產(chǎn)品原理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。接下來要做的就是精確確定產(chǎn)品各個(gè)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(xué)特性和市場(chǎng)價(jià)格，以便使材料符合產(chǎn)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(gè)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(shè)計(jì)為例，一方面我們需要較寬的車身以便保證小車行進(jìn)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(jì)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(yīng)專家咨詢等方式去嘗試。類似的“矛”多一點(diǎn)，還是“盾”多一點(diǎn)的問題可以說出現(xiàn)在產(chǎn)品研發(fā)每一個(gè)細(xì)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(chǎn)品的可行性分析 設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)完成一件產(chǎn)品的理論設(shè)計(jì)工作后，由于受到個(gè)人知識(shí)結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或許會(huì)存在一定的技術(shù)上的不合理性。要將產(chǎn)品投入實(shí)際的生產(chǎn)中難免會(huì)有困難，這時(shí)產(chǎn)品將受到來自各方面專家的質(zhì)疑。各方面專家站在自己的專業(yè)領(lǐng)域以自己的專業(yè)知識(shí)來考察產(chǎn)品的可行性即產(chǎn)品的可行性分析。以“無碳小車”為例。專家們一般從如下幾個(gè)方面考慮小車的可行性： 1 原理的可取性； 2 結(jié)構(gòu)的合理性； 3 材料選取的合理性； 4 加工的可行性。 有一點(diǎn)不得不說的就是，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)者都應(yīng)該多征求各方面專家的意見，多查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。而不是僅在產(chǎn)品的可行性分析環(huán)節(jié)才和相關(guān)技術(shù)人員有交流和溝通。設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它受許多因素的影響，絕不是單單某一個(gè)人就能完成的。 四 、產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)加工、裝配、調(diào)試 對(duì)于經(jīng)過設(shè)計(jì)者理論設(shè)計(jì)和專家們可行性分析的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(chǎn)品的加工和裝配。理論指導(dǎo)實(shí)踐，但無論理論多么完善，計(jì)算多么精準(zhǔn)，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(guān)重要的。產(chǎn)品出成品過后，應(yīng)該對(duì)產(chǎn)品的功能特性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比實(shí)際和理論的差距，并找到導(dǎo)致實(shí)際與理論不合的原因，然后進(jìn)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(duì)結(jié)果造成影響。任何加工裝配時(shí)的不合要求都會(huì)在小車的行進(jìn)過程中表現(xiàn)出來。 建議各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間分配 市場(chǎng)調(diào)研占20％，理論設(shè)計(jì)占40%，可行性分析占30%，剩下的10%的時(shí)間用在產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)加工以及裝配、調(diào)試上。 以上便是這次參加“黑龍江首屆工程訓(xùn)練綜合能力大賽”依據(jù)“無碳小車”的設(shè)計(jì)思路整理出的關(guān)于“產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)流程”的論述。