《怎样当好工程师》之--工程师和产品设计

工程技术人员的一个重要使命就是进行产品设计，我们的目标是根据客户提出的任务和约束条件，综合运用所学知识和丰富的实践经验展开由此及彼的联想，依靠见多识广的积累，运用择优汰劣的比较，从多种方案中筛选出一套优秀的设计方案来。尽管设计的对象千差万别，设计方法也应有其各自的特点，但在构思和解决问题的大致思路和方法，形成有关器具、装置、材料、工艺等对象的功能和结构系统的模型方面，存在着一般通用的设计方法

一、我们生活在五光十色的世界里

我们生活在五光十色的世界里。环顾四周，除了自然赐予我们的一切之外，到处都是产品、商品，如自行车、汽车、手表、电话等，衣食住行，种类齐全，万货不能概括其多，三百六十行不能形容其全。其中绝大部分产品是机械或机械的产物。可以说几乎一切产品都离不开机械。有人说：水、空气、粮食、水果总不是机械了吧？我们说：不！试想，水处理、排水、空气净化、粮食收割、加工、水果喷药……哪样离得开机械？就是电子产品，其外壳和结构也离不开机械。

机械是人的四肢和躯干的加强和延长，人凭借机械，可上九天揽月，可下五洋捉鳖，可盖摩天高楼，可看微观世界。由此可见，现代**离不开机械，作为和机械、产品打交道的工程技术人员，更不能不认真研究机械。

人和动物最大的区别在于人能将机械、产品在头脑里进行构建。蜜蜂是著名的建筑师，用蜂蜡一昼夜能建造几千间住宅，而且每间住宅底边三个平面的锐角都是70°32′，体积几乎都是0?25cm3。

马克思说过：“蜜蜂建筑蜂房的本领使人间许多建筑师感到惭愧。但是最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方是他在用蜂蜡建筑蜂房以前已经在自己的头脑中把它建成了。”这是对动物和人类区别的透彻阐述。

本部分讲的就是在产品未出世前，怎样在头脑中对其进行构建的思路和诀窍。

二、工程师和产品设计

将设计手册和书本知识变活，通过一系列的计算、设想、比较、鉴别，一字一句的斟酌，一点一画的推敲、试验，设计出整套图样。然后根据具体条件提出先进合理的制造、组装、调试等工艺，直至编出质量控制方法，技术文件，使用说明书。

在设计的过程中，我们所需掌握的知识不仅包括机械原理、金工零件、金属工艺学、电工学，还应懂得人机工程、动作分析、工业造型、美学、材料学、质量控制、可靠性设计、仿生学、有限元分析等，越多越好。

机械设计的类型有：开发性设计，这要求产品全部或局部有创新性；适应性设计，这是对已有产品进行局部改良以适应用户要求；变参数设计，对产品的尺寸、规格、技术参数的设计，以便产品系列化。本节主要阐述开发性设计。

在设计手段上，首先要求徒手基本功要过硬，因为计算机不能完全代替手绘。要求徒手绘制机械图，能做到横平竖直，规矩方圆不离谱，粗线细线分明，字体工整。进一步，应达到在轴侧图基础上绘制透视图。不但能对物测绘，而且能默写默绘。再进一步做到过目能绘，能随手将方案、意见，能将心中所思、眼中所见三两下绘制出来。

眼要快，手要准。目测精度要高：0?5毫米、4厘米、120毫米是多少？20米、30米是多长？误差不能超过10%吧？一个工程技术人员，向领导和其他人介绍产品和项目时如只会比比画画，能够格吗？如果在谈判项目时，还是只会用手来介绍项目，人家能相信你吗？这种水平和大老粗有什么两样?

另外，计算机设计、CAD技能应该再接再厉，越练越精，由零件到组装，再到总装，由简单到复杂，由低效率到高效率。计算机绘图要达到什么程度？大连机车车辆公司演示设计一台新型机车只要15分钟，就我们目前的水平和条件，一周设计一台，不算苛求吧？一天设计一个简单变速箱、两天出一张组装图应该可以吧？

需强调一点，电脑绘图软件CAD、CAXA等是先进的辅助设计手段，它能大大提高绘图质量和效率，尤其是便于修改、组合、分解、旋转、阵列……它有较丰富的图库，这些都是徒手绘图所不能比拟的，但毕竟也有不少缺点，有时反而不如手绘快。能不能快而好地绘图，除了正确的操作外，关键在于有无正确的思路和丰富的经验。如果缺乏经验，心中无数，腹中空空，照样无法高效。有一个笑话说，一个秀才写文章，唉声叹气写不出来，妻子笑着说：“瞧你这难劲，简直和我生孩子一样费劲。”秀才说：“你生孩子是肚子里有货，我难的是肚子里没货！”所以，人机结合时，核心是人脑，要靠人脑指挥电脑。

三、工程设计的特点和原则

工程设计一般是根据已经提出的技术设想，制定出具体明确并可以付诸实施的方案和说明。它与研究和开发相比有更明确的目标、更多的约束条件和方案选择余地等。

1?明确目标

对要求设计的对象，需分清影响目标的主次因素，明确主要目标，就便于选择有效的设计方法，设计出好的方案。

2?多学科

由于产品向着自动化、系统化、集成化、柔性化和智能化发展，设计学科也由单一向多学科发展，由静态向动态发展。那种企图用一两种学科解决问题的想法已经过时了。

3?多方案

一个产品或一个要求可以有多种方案，工程师的责任就是对同一目标构思出多种形态的方案，然后通过优化的方法确定一个最佳方案，并将其运用于实践。

4?有约束

方案的选择是受多方面条件限制的，较典型的有：物理、化学和数学方面的基本规律的限制；资金、人力、物力等经济条件的限制；**和法律因素等限制；生产设施和资料来源的限制；发展演化的限制；随机条件（如市场变化）的限制等。

5?讲效益

成功的产品或工程不但在技术上是先进的，在经济上也是成本最低、效益最好的，尤其是要满足用户利益最大化的要求。

6?综合平衡

面对诸多复杂的因素，实施系统的综合平衡，才能最大限度地满足**目标和企业的利益。

在设计时必须遵循以下原则：

（1）设计的先进性和生产现实性相结合；

（2）设计的可靠性和经济合理性相结合；

（3）设计的创造性和科学继承性相结合；

（4）设计的理论性和实践性相结合。

四、工程设计的八种方法

设计的一般方法有以下几种。

1?常规设计法

设计者从已有的设计中，从已知的结构元件组合中，从技术发展的历史中，从新的技术资料及工程试验中寻求设计课题的新方案。此外，各项工程技术专业的设计手册、设计规范、零配件目录、专利说明书等，都是常规设计的重要工具。

2?功能设计法

功能设计法是从满足功能要求出发，考虑用廉价功能机构代替昂贵机构，以达到降低成本、提高价值目的的方法。它是从价值工程中引申出来的一种方案设计法。

【案例】某跨国大型日化企业引进了一条香皂包装生产线，结果发现这条生产线有个缺陷：常常会有盒子里没装肥皂。总不能将空盒子卖给顾客，于是他们只得请了一位学自动化的博士后设计一个方案来分拣空的香皂盒。博士后带领了一个十多人的科研攻关小组，综合采取了机械、微电子、自动化、X射线探测等技术，花了几十万元，成功地解决了问题。每当有空盒通过，两旁的探测器会检测到，并驱动一只机械手将空盒推走。

中国南方有家乡镇企业也买了同样的生产线，老板发现了这个问题后大为光火，找了个小工来说：“你快给我把这个问题搞定，不然你给我走人。”

小工很快想出了办法：他花了90元钱在生产线旁放了一台大功率电风扇猛吹，于是空盒都被吹走了。这个故事告诉我们：

（1）知识并不一定都是生产力。

（2）能吹是多么重要！

（3）实现同样的功能，可以有截然不同的成本。

3?移植设计法

移植设计法是根据在一个领域成功的技术，经过类比或推测，设计出适用另一种领域的技术设计方法。常有这样的情况：在这个领域的系统内是老大难的问题，在另一个领域的系统内却是早已解决了的问题。植物可以嫁接、杂交，技术也同样可移植和嫁接。

运用香水喷雾器的液体雾化原理，朝着涂装、注油、喷药、燃油供给等方面移植，就发明了涂装喷枪、喷注式油壶、喷射式灭蚊筒、汽油汽化器等基本原理相同而使用功能各异的新东西。

4?组合设计法

组合设计法是经过设计把不同领域的技术组合出新技术的方法，或是将同类产品的优点组合成竞争力更强的产品。

有一家商店手帕卖不出去，店主人灵机一动，将本市的导游图印了上去，结果，既可当导游地图，又可作纪念品，手帕供不应求。

又如，将自行车和蓄电池组合，就成了电动车。

又如，手机也是一种多功能组合的设计。

5?系统设计法

系统设计法是按既定目的，运用最优化的方法建立一个最佳系统的过程。因为系统由非常多的部分组成，且往往具有复杂的结构，其影响面也大，因此采用了外部设计和内部设计相结合的思考方法，将内部系统和外部系统分解后再整合在一起，就一定会设计出最佳系统。系统方法具有整体性、相关性、有序性和动态性。

6?优化设计

优化是在给定环境条件下获取最好结果的行为，优选法亦称为数学规划方法，是运筹学的一部分。例如为提高机构性能的参数优化等。为减轻重量或降低成本的结构优化、各种传动系统的参数优化等。从广义来说，优化可用来解决任何工程问题，渗透到产品制造的全过程，使完成某一任务所需做的努力最小，或使其效益最大。

7?可靠性设计

可靠性在工程设计中占有很重要的位置，它不仅直接反映系统各组成部分的质量，还关系到整个系统运行过程的成败。所谓可靠性就是系统（或产品）在规定的时间，按给定的条件，是否能处于“完满的状态”。一般用无故障率、可靠度、失效率等来表示可靠性的度量指标。可靠性设计是事前考虑系统可靠性的一种设计方法，其核心是可靠度的分配，就是为了改进某系统、设备的可靠度或重新设定设计指标时，如何将已知系统的可靠度分配给其组成部分的过程。

8?计算机辅助设计

计算机辅助设计就是利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计。二维的有CAD、CAXA?EB等软件，三维的有solidworks、PROE等。计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法，如前文所述，是人脑指挥电脑，通过人的创造性思维、设计构思，变成计算机能够处理的信息，从而操作计算机实行图样形成、输出、评价、优化、仿真模拟、分析等任务。我们的任务之一就是找到人和计算机的最佳结合点。