怎樣設計一個機械零件產品？設計的思路是什麼？
這是一個非常好的問題，我們邀請到了過程與驅動業務集團產品經理來與各位知友交流，原文如下：
零件往往是單獨的，不如產品更具體，產品是由多個零件組成的，作為西門子的機械設計工程師，我主要與各位知友分享 如何設計一個機械產品，以及探討機械產品中應用到的數字化技術 。
一、「機械設計」的基本概念、流程和「數字化、智慧化」設計技術
「 機械設計 」，簡單來說就是通過先進的技術手段將物質資源轉化為實用產品，基本上分為以下幾個流程：
a. 根據市場需求，明確產品目的；
b. 根據實際情況總結設計要求；
c. 初步規劃設計方案，並進行精細設計；
d. 根據設計方案進行樣品製造；
e. 進行樣品檢測；
f. 針對檢測問題進行整改；
g. 對整改樣品進行復查；
h. 合格後，統一安排生產。
以上是正常機械設計的主要流程，每個程式之間都具有一定的關聯性，都不可獨立存在，也不可打亂順序。由此可見，機械設計不是簡簡單單的獨立工程。另外，不管在設計階段多麼完善的機械產品，隨著市場檢驗和使用者要求的不斷提高，都會出現缺陷，需要不斷地進行更新、調整、改進，甚至淘汰。所以，機械設計是一個不斷迴圈、不斷優化的過程。
設計機械產品，流程固然重要，技術也是關鍵因素。 近年來數字化、智慧化技術的發展和引進，不僅提升了機械設計的整體質量和效率，也對產品的美觀性、智慧性和實用性提出了很高的要求。以下產品均採用了數字化的設計手段， 實現了大型、複雜產品設計的高效率、高質量和短週期。
數字化技術大大簡化了機械產品的設計流程，使得客戶定製化產品更容易實現。 例如，西門子的 3D 實體建模軟體 NX，可以輕鬆實現對產品的每個零件進行建模，然後根據約束條件裝備為一個整體，在虛擬環境內，充分檢測部件或零件之間的配合關係和尺寸公差，以及實際執行的動力學和運動學特徵，在生產前就能確保產品質量和效能，簡化樣品製造，減少設計更改。
二、 一個例子，具體說明產品設計的流程
上面的回答簡單、理論了些，我再 舉一個實際的例子——稱重給料機的設計 。總體來說，稱重給料機作為一種配置型產品，在設計時一般會根據客戶的要求，事先在 NX 軟體的虛擬環境中，完成完整的數字化產品建模，並綜合運用三維建模技術、模擬分析技術和資訊化資料管理技術規範機械產品的設計流程、產品標準，同時提高機械產品的設計質量和設計成功率，減少設計錯誤。此外，還可以在設計過程中，結合其應用環境，評估設計方案是否合理，直接在虛擬環境內對數字化產品模型進行改進和修正。
稱重給料機根據流量和行業，分為 WW100 和 WW200 兩個系列。本文以 WW200 為例詳細說明設計過程。
2.1明確設計目的，進行引數確定和實體建模
WW200 是一款配置型產品，根據客戶的生產要求、場地的大小、配料的流量、現場衛生條件，以及控制系統等要求，根據設計公式計算配置引數，步驟如下：
1) 計算出物料層在皮帶的厚度：
f1：物料內摩擦係數
f2：物料與側擋板之間的摩擦係數
μ：物料與輸送帶之間的摩擦係數
λ：側壓係數
b：排料口處側擋板間寬度
2) 計算皮帶速度
Q：輸送量
v：輸送帶速度
q：物料線密度
3) 計算物料對倉壁的壓強δx和對皮帶的壓強 δy
δx：物料對倉壁的壓強
δy：物料對皮帶的壓強
F：存倉橫截面面積
Q：存倉橫截面周長
f0：物料與倉壁摩擦係數
g：重力加速度
y：物料在倉內高度
λ：側壓係數
其他更詳細的技術引數計算過程和公式，此處就不多涉及了。除通過上述公式對結構尺寸和引數計算之外，還要根據其他公式對電機功率，減速箱的選擇、稱重感測器、速度編碼器，以及其他零部件的尺寸和型號的確定進行計算，根據計算結果獲得相關引數，利用西門子的三維設計軟體 NX 設計出給料機的實際結構和外形，設計者可以從不同的視角觀察產品的實體結構。而且，NX 軟體還提供了常用零部件和標準件資料庫，方便選擇標準件和常用件，使得產品的裝配非常方便。在裝配體介面下，軟體還能反饋出部件間的配合質量，檢查零部件之間的干涉和間隙。在產品設計完成後，對不同的零件載入不同的材料屬性資訊，在機械產品設計圖中增添配件、零件的屬性資訊，促進數字化設計技術在機械產品全生命週期中的應用。
2.2 虛擬模擬技術
虛擬模擬技術根據機械產品的設計原型，模擬實際生產過程中的狀態。根據實際工況，對關鍵零部件進行受力分析，驗證零件引數的合理性。在本設計案例中，對兩端的驅動滾筒和從動滾筒進行受力分析，結果如下：
通過以上兩步，產品的精細設計已經完成，利用三維數字化模型，設計者可以直觀地感受產品的外觀造型、結構功能和實際效能，及時對產品做出修改，避免反覆的樣機制造。在最終確定產品規格之後，既可以開始製作最終的交付產品。
2.3 引數化設計
引數化設計技術與三維設計軟體 NX 相結合，為機械產品的數字化設計提供了複合建模的技術功能。產品 WW200 系列的外形尺寸是根據客戶要求和現場工況決定的，所以對產品的頭尾輪間距以及皮頻寬度等變數採用引數化設計，在建模過程中，長度和寬度均採用變數代替具體數值，根據具體的要求，只要調整變數，產品的設計模型會自動更新，非常方便、高效。
2.4 產品控制系統的設計
以上主要介紹了產品結構的設計過程。一個產品除了由骨肉組成的軀體之外，還需要控制系統作為「大腦」來指揮其運動，完成目標任務。產品的控制部分，主要有兩種實現方式：
1) 傳統儀表方式
為滿足一般客戶的使用，我們採用 BW500 積分儀表，除自動感測器配平、多量程設定等功能之外，獨有的雙 PID 控制模式可以輕鬆實現流量控制功能。方案如下：
2) 智慧控制方式
智慧控制方式採用了西門子的智慧高精度稱重模組 WP241 或 FTC。全中文的觸控式螢幕操作方式，和個性化定製介面足可以滿足不同使用者的需求。此外，西門子的稱重模組可以與 TIA 控制系統直接整合，進行資料交換，增加了系統的靈活性。CPU、模組和觸控式螢幕都可以根據客戶的要求完全個性化定製，既節省成本，還可以實現網路訊號傳輸等智慧控制，實現企業的物料管理以及數字化方案。控制系統框圖和個性化的控制介面如下。
三、現代機械設計的常見型別、特點
說完具體的設計案例，我們再回到機械設計的本身。其實，機械設計也分不同的型別，每種型別也各有其特點，在此與各位知友分享。
1) 智慧化機械設計
機械設計在設計過程中，每個細節都要進行精確的計算，不管是前期的初始設計方案，三維立體建模，細節標準測算，還是樣品檢測，都包含大量的資料計算工作。這期間的工作量巨大，如果單憑人工計算，是很難在規定的時間內完成設計的，因此，在設計工作中，每個環節都離不開智慧手段的輔助。而計算機等智慧手段的實際應用不僅能夠幫助我們快速完成設計工作，還能在設計分析時提供更多的可能性。因此，數字化機械設計的第一個特點就是——智慧化的設計。
2) 整合性機械設計
複雜產品的機械設計所涉及的工作內容較為複雜、繁瑣，但相互間關聯性又比較強、在實際設計工作中，每個環節是不能獨立存在的，每個步驟都要相互協調，保證機械設計的精準性、一致性，確保達成設計目標。因此，在機械設計工作中要做好各個環節的相互關聯、協同，始終保持設計方向和設計資料的一致性，不同環節的多位工程師要共同完成整體設計。
3) 創新性機械設計
機械設計主要服務於社會大眾，隨著社會的不斷髮展，大眾對於產品的要求也越來越高。作為機械設計師，要具備敏銳的嗅覺，時刻關注市場動態，不斷地對設計進行創新、改進，緊抓行業發展的動向，將使用者需求不斷融入到設計中，保證機械設計的市場親和力。
4) 經濟性機械設計
經濟性設計，簡單的說，就是在機械設計過程中確保設計的經濟效益，在產品的不斷更新換代過程中，始終堅持：保證實際質量的基礎上儘可能提高機械設計的經濟效益，保證設計企業的利益。在設計過程中還要注意對環境的保護，減少垃圾、廢物、廢水及有害氣體的排放，對優化社會環境作出貢獻。
綜上所述，在現代機械產品設計過程中，提倡利用數字化、智慧化設計技術優化機械產品生產製造過程，提高設計效率，同時，提高企業的技術創新能力，改善產品質量，為機械產品的生產製造、市場銷售、客戶服務、回收處理等全生命週期提供良好的技術支援。
特別鳴謝本文作者：
西門子（中國）有限公司 過程與驅動業務集團
產品經理 覃彥龍@dymaxion
看到這裡就點個贊吧