这是一个非常好的问题，我们邀请到了过程与驱动业务集团产品经理来与各位知友交流，原文如下：
零件往往是单独的，不如产品更具体，产品是由多个零件组成的，作为西门子的机械设计工程师，我主要与各位知友分享如何设计一个机械产品，以及探讨机械产品中应用到的数字化技术。
一、「机械设计」的基本概念、流程和「数字化、智能化」设计技术
「机械设计」，简单来说就是通过先进的技术手段将物质资源转化为实用产品，基本上分为以下几个流程：
a. 根据市场需求，明确产品目的；
b. 根据实际情况总结设计要求；
c. 初步规划设计方案，并进行精细设计；
d. 根据设计方案进行样品制造；
e. 进行样品检测；
f. 针对检测问题进行整改；
g. 对整改样品进行复查；
h. 合格后，统一安排生产。
以上是正常机械设计的主要流程，每个程序之间都具有一定的关联性，都不可独立存在，也不可打乱顺序。由此可见，机械设计不是简简单单的独立工程。另外，不管在设计阶段多么完善的机械产品，随着市场检验和用户要求的不断提高，都会出现缺陷，需要不断地进行更新、调整、改进，甚至淘汰。所以，机械设计是一个不断循环、不断优化的过程。
设计机械产品，流程固然重要，技术也是关键因素。近年来数字化、智能化技术的发展和引进，不仅提升了机械设计的整体质量和效率，也对产品的美观性、智能性和实用性提出了很高的要求。以下产品均采用了数字化的设计手段， 实现了大型、复杂产品设计的高效率、高质量和短周期。
数字化技术大大简化了机械产品的设计流程，使得客户定制化产品更容易实现。例如，西门子的 3D 实体建模软件 NX，可以轻松实现对产品的每个零件进行建模，然后根据约束条件装备为一个整体，在虚拟环境内，充分检测部件或零件之间的配合关系和尺寸公差，以及实际运行的动力学和运动学特征，在生产前就能确保产品质量和性能，简化样品制造，减少设计更改。
二、一个例子，具体说明产品设计的流程
上面的回答简单、理论了些，我再举一个实际的例子——称重给料机的设计。总体来说，称重给料机作为一种配置型产品，在设计时一般会根据客户的要求，事先在 NX 软件的虚拟环境中，完成完整的数字化产品建模，并综合运用三维建模技术、仿真分析技术和信息化数据管理技术规范机械产品的设计流程、产品标准，同时提高机械产品的设计质量和设计成功率，减少设计错误。此外，还可以在设计过程中，结合其应用环境，评估设计方案是否合理，直接在虚拟环境内对数字化产品模型进行改进和修正。
称重给料机根据流量和行业，分为 WW100 和 WW200 两个系列。本文以 WW200 为例详细说明设计过程。
2.1明确设计目的，进行参数确定和实体建模
WW200 是一款配置型产品，根据客户的生产要求、场地的大小、配料的流量、现场卫生条件，以及控制系统等要求，根据设计公式计算配置参数，步骤如下：
1) 计算出物料层在皮带的厚度：
f1：物料内摩擦系数
f2：物料与侧挡板之间的摩擦系数
μ：物料与输送带之间的摩擦系数
λ：侧压系数
b：排料口处侧挡板间宽度
2) 计算皮带速度
Q：输送量
v：输送带速度
q：物料线密度
3) 计算物料对仓壁的压强δx和对皮带的压强 δy
δx：物料对仓壁的压强
δy：物料对皮带的压强
F：存仓横截面面积
Q：存仓横截面周长
f0：物料与仓壁摩擦系数
g：重力加速度
y：物料在仓内高度
λ：侧压系数
其他更详细的技术参数计算过程和公式，此处就不多涉及了。除通过上述公式对结构尺寸和参数计算之外，还要根据其他公式对电机功率，减速箱的选择、称重传感器、速度编码器，以及其他零部件的尺寸和型号的确定进行计算，根据计算结果获得相关参数，利用西门子的三维设计软件 NX 设计出给料机的实际结构和外形，设计者可以从不同的视角观察产品的实体结构。而且，NX 软件还提供了常用零部件和标准件数据库，方便选择标准件和常用件，使得产品的装配非常方便。在装配体界面下，软件还能反馈出部件间的配合质量，检查零部件之间的干涉和间隙。在产品设计完成后，对不同的零件加载不同的材料属性信息，在机械产品设计图中增添配件、零件的属性信息，促进数字化设计技术在机械产品全生命周期中的应用。
2.2 虚拟仿真技术
虚拟仿真技术根据机械产品的设计原型，模拟实际生产过程中的状态。根据实际工况，对关键零部件进行受力分析，验证零件参数的合理性。在本设计案例中，对两端的驱动滚筒和从动滚筒进行受力分析，结果如下：
通过以上两步，产品的精细设计已经完成，利用三维数字化模型，设计者可以直观地感受产品的外观造型、结构功能和实际性能，及时对产品做出修改，避免反复的样机制造。在最终确定产品规格之后，既可以开始制作最终的交付产品。
2.3 参数化设计
参数化设计技术与三维设计软件 NX 相结合，为机械产品的数字化设计提供了复合建模的技术功能。产品 WW200 系列的外形尺寸是根据客户要求和现场工况决定的，所以对产品的头尾轮间距以及皮带宽度等变量采用参数化设计，在建模过程中，长度和宽度均采用变量代替具体数值，根据具体的要求，只要调整变量，产品的设计模型会自动更新，非常方便、高效。
2.4 产品控制系统的设计
以上主要介绍了产品结构的设计过程。一个产品除了由骨肉组成的躯体之外，还需要控制系统作为「大脑」来指挥其运动，完成目标任务。产品的控制部分，主要有两种实现方式：
1) 传统仪表方式
为满足一般客户的使用，我们采用 BW500 积分仪表，除自动传感器配平、多量程设定等功能之外，独有的双 PID 控制模式可以轻松实现流量控制功能。方案如下：
2) 智能控制方式
智能控制方式采用了西门子的智能高精度称重模块 WP241 或 FTC。全中文的触摸屏操作方式，和个性化定制界面足可以满足不同用户的需求。此外，西门子的称重模块可以与 TIA 控制系统直接集成，进行数据交换，增加了系统的灵活性。CPU、模块和触摸屏都可以根据客户的要求完全个性化定制，既节省成本，还可以实现网络信号传输等智能控制，实现企业的物料管理以及数字化方案。控制系统框图和个性化的控制界面如下。
三、现代机械设计的常见类型、特点
说完具体的设计案例，我们再回到机械设计的本身。其实，机械设计也分不同的类型，每种类型也各有其特点，在此与各位知友分享。
1) 智能化机械设计
机械设计在设计过程中，每个细节都要进行精确的计算，不管是前期的初始设计方案，三维立体建模，细节标准测算，还是样品检测，都包含大量的数据计算工作。这期间的工作量巨大，如果单凭人工计算，是很难在规定的时间内完成设计的，因此，在设计工作中，每个环节都离不开智能手段的辅助。而计算机等智能手段的实际应用不仅能够帮助我们快速完成设计工作，还能在设计分析时提供更多的可能性。因此，数字化机械设计的第一个特点就是——智能化的设计。
2) 整合性机械设计
复杂产品的机械设计所涉及的工作内容较为复杂、繁琐，但相互间关联性又比较强、在实际设计工作中，每个环节是不能独立存在的，每个步骤都要相互协调，保证机械设计的精准性、一致性，确保达成设计目标。因此，在机械设计工作中要做好各个环节的相互关联、协同，始终保持设计方向和设计数据的一致性，不同环节的多位工程师要共同完成整体设计。
3) 创新性机械设计
机械设计主要服务于社会大众，随着社会的不断发展，大众对于产品的要求也越来越高。作为机械设计师，要具备敏锐的嗅觉，时刻关注市场动态，不断地对设计进行创新、改进，紧抓行业发展的动向，将用户需求不断融入到设计中，保证机械设计的市场亲和力。
4) 经济性机械设计
经济性设计，简单的说，就是在机械设计过程中确保设计的经济效益，在产品的不断更新换代过程中，始终坚持：保证实际质量的基础上尽可能提高机械设计的经济效益，保证设计企业的利益。在设计过程中还要注意对环境的保护，减少垃圾、废物、废水及有害气体的排放，对优化社会环境作出贡献。
综上所述，在现代机械产品设计过程中，提倡利用数字化、智能化设计技术优化机械产品生产制造过程，提高设计效率，同时，提高企业的技术创新能力，改善产品质量，为机械产品的生产制造、市场销售、客户服务、回收处理等全生命周期提供良好的技术支持。
特别鸣谢本文作者：
西门子（中国）有限公司 过程与驱动业务集团
产品经理 覃彦龙 @dymaxion
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：西门子中国
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