机械设计程序.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流机械设计程序.精品文档.機械設計程序最近更新：徐業良(2004-08-18)推薦：徐業良(2003-09-10)。附註：本文為元智大學機械系大三機械設計課程教材。第一章 機械設計程序1. “設計”是什麼？“設計”是什麼？每一個人，每一種不同的行業，對設計一詞可能都有自己的定義。Shigley1983 認為 設 計 是 為 滿足人 類 需求的 一 種具有 創 造性的 決 策過程 (decision-making process)，設計的最終目的是產品，此產品能夠行使某些功能，以達成某些特定的要 求。Spotts1985則認為機械設計是為規劃、創

2、新或改良機械產品，以達到特定 用途的一門藝術，他強調從事機械設計的工程師不但要有充分的技術訓練，還須具 備正確的判斷和廣泛的經驗，這些能力須仰賴長期從事專業性設計工作中獲得。另外 設計也常被視為解決問題的過程(“Design is a problem solving process.”)，或是一 個搜尋問題解答的過程。非常廣義來說，設計是一種程序，我們經由設計的程序來創造世界和世界上許許 多多的東西，包括各種產品、包裝、服飾、建築物、景觀、通訊、交通、甚至整個城 市。設計在回應人們不斷改變的需求、不斷創新的科技、以及我們週遭的環境。那麼設計這個程序經過了哪些步驟呢？這裡可以用一個我們所熟悉的產

3、品電話，來說明設計的程序。1946 年時，美 國的貝爾電話實驗室(Bell Telephone Lab, AT&T)要求著名的工業設計師亨利堆法斯(Henry Dreyfuss)，想辦法改進數以百萬計的美國家庭、辦公室所使用的電話。亨利堆 法斯和他的設計小組採用了以下的程序來面對這項挑戰。1http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序 設計的起始是一個待解決的問題(Design starts with a problem to be solved) 設計小組所面臨的問題是，電話有哪些需要改進的地方？步驟一 思考問題設計小組第一個工作，是要去定義他們的問題。他們研究

4、電話有哪些不同的 外型？電話是如何製作的？人們平常又是如何使用電話？當時所使用的電話最主要的兩種機型是所謂“蠟燭台式(candlestick)”電 話，和“300 系列(Series 300)”電話，經過這些研究之後，圖 1 是設計小組指出 的 1946 年的電話需要重新設計、改進的許多問題。難看的大 小及外觀聽筒易從 掛鉤脫落易傾倒太重無法持話筒於 耳朵及肩膀間話筒須更 適合拿取撥號時無 法看數字需用雙手材質易破碎圖 1. “蠟燭台式”電話和“300 系列”電話瞭解設計問題之後，設計小組開始腦力激盪，發揮他們的想像力，對於新型 電話的設計提出所有可能性：是不是可能改變電話的形狀？是不是可以把

5、電話生 硬的線條都改成平滑的圓角？電話是不是可以不是單調的黑色，而是鮮豔的彩 色？步驟二 畫出想法這些新型電話設計的想法，現在看起來似乎是稀鬆平常，然而在半個多世紀 之前，卻都是非常創新的想法。接下來設計者便用如圖 2 所示手繪的草圖，加上 一些簡單的註解，甚至製作一些粗略的模型，來快速表達他們創新的想法，進一 步釐清這些想法，或者發展出新的點子。2http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序圖 2. 設計者以手繪的草圖來快速表達他們在設計上的想法步驟三 製作模型在思考新型電話設計時，可能有非常多創新的想法，而許多想法在草圖繪製 的階段可能就已經被否定掉了，被保留

6、下來的設計概念逐漸發展完整後，設計師 們便進一步以木頭、油土、或石膏，將這些設計概念製作成實體的模型，包括電 話的聽筒、基座、撥號轉盤（如圖 3）。這些實體模型能讓設計師更具體感受到 其設計，同時也被用來展示給他們的顧客 AT&T 公司看，討論是否能滿足他們 顧客的要求。圖 3. 電話設計的實體模型3http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序步驟四 評估設計根據這些電話的實體模型，設計師和他們的顧客可以仔細評估新型設計是否 順手好用？是否能配合使用者的臉型和耳朵？他們規劃了一系列的設計原型的 分析測試，來評估新型電話設計的各種性能，並且不斷作細部修改，終於他們敲

7、 定了最後的設計。步驟五 製造產品設計師們建議使用一種新型的塑膠來製造最終的電話產品，因為這種塑膠可 以用模具射出成形，製造上比較有效率，成本也較低，同時這種塑膠質地輕、壽 命長、而且可以有許多種不同的顏色。最後 AT&T 同意了整個新型電話設計， 而且大量生產，型號叫作“500 系列(Series 500)”（圖 4），單是這一型電話當時 就生產了兩千五百萬台之多。圖 4. 500 系列電話設計的結束是一個解答(Design ends with a solution.)實作計劃 1未來電話的設計比較一下“500 系列”電話和你現在所使用的電話。哪些功能是相同的？哪 些功能不同了？為什麼電話的

8、設計有這些改變？評估一下我們今天所使用的電 話還有什麼問題？你可以如何改進這些問題？未來的電話可以作些什麼事兒？設計一個未來的電話。 你所設計的未來電話使用的對象是誰？在哪裡使用？工作的原理是什麼？ 外型如何？有沒有什麼特殊的功能？它所使用的能源是什麼？是用什麼材料作成的？這個電話叫什麼名字？4http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序2. 機械設計的形態與所需的知識前一節中提到 設計的開始是一個問題，而設計的結束是一個解答，整個設 計程序便是一個不斷搜尋問題的解答的過程。設計過程從問題到解答可能有許多 不同的路徑，沿著不同路徑所進行的設計工作可能會產生不同的設

9、計解答。不同 的設計者之所以會選擇不同的設計路徑，和設計者所具備的知識有關。設計所需要 的知識類型包括領域知識(domain knowledge)，像是機械領域的結構、機構、機 電整合、原型製作、和各種電腦輔助設計工具等專業知識，以及所設計產品應用之領 域中設計者必須瞭解專業知識。設計所需要的第二種知識類型稱作 程序知識(process knowledge)，也就是如何有效地組合領域知識，選擇一條最佳的設計程序 路徑，產生可滿足需求的產品。設計工作性質的不同，設計計畫規模的大小，其所 需要的設計知識都有所不同。從事不同形態的設計，設計者所需要“新”知識的程度也有所不同，例如當 設計者反覆從事重

10、複性很高的設計工作，其所被需求與被使用的設計知識，可能 僅止於現有領域內所既有的知識與經驗；相對的，要產生一個前所未有的創新產品 或機械，設計者必須追求更新的知識。Culverhouse1993便根據進行設計所需新知識 的多寡，將設計工作分為四種不同的形態：重複設計(repeat order)重複設計只是反覆執行先前的設計工作，工作重點常在設法減少製造成本或 提升品質，例如修改設計以減少零件數目、方便組裝、增加設計產品的可靠度等 等。重複設計過程中往往可以深入學習並發掘現有設計和製造上的缺失，找出最 佳的產品製造程序。變異設計(variant design)變異設計是對現有設計作細部改進，需要

11、部分設計新知識或製造技術的引 入，是一般最常見的設計類型。變異設計工作重點通常包括擴展現有產品以增加 其創新性、改進現有使用之技術、或應用改良的製程技術取代傳統加工方式等。5http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序創新設計(innovative design)創新設計是對現有設計作概念性的變革，需要大量的設計新知或製造技術， 其特點為將現有產品特色作一新的組合，開發出具有創新性之產品，或者將最新 的技術應用在既有的設計方案中，或應用最新的製造技術等。策略設計(strategic design)策略設計往往是基於新理論或新技術而產生的，設計之產品具有真正新穎性

12、與創造性，將新技術商品化，創造其應用方式、提高其附加價值。這類設計在現 今科技快速發展、新科技不斷產生的時代尤其重要，許多畫時代產品成功的故 事，都是屬於策略設計上的成功。3. 機械設計程序前一節中提到，設計所需要的知識除了領域知識外，還包括設計程序的知識，簡 單的說，就是設計者必須了解如何來進行設計。許多設計程序和設計方法(design process and methodologies)的研究者，都希望將設計程序視為一個系統化、有規 則可尋、且可管理的模組架構，將整個設計程序分成不同階段的工作，並賦予階段 性的任務，各階段間的工作具有特定的順序關係，彼此環環相扣，並可迭代回饋設計 訊息再進

13、行必要的修正改良。設計程序模型通常分為描述型模型(descriptive models)、規範型模型(prescriptive models)、和認知型模型(cognitive models)三類Finger and Dixon,1989; Cross, 1994。描述型設計程序模型描述設計過程中設計活動的順序，這類模型通常強調設計程 序早期產生一個解決方案的重要性。Cross1994提出了一個很簡單的描述型設計程 序模型，將設計程序分為四項主要工作：(1)問題探討(Exploration)(2)概念產生(Concept generation)(3)評估(Evaluation)(4)溝通(Co

14、mmunication)，其中第二 與第三項工作是一個回饋迭代改良的循環。在設計之初設計者經常必須面對定義不良的問題，設計的需求或目標並不清楚， 因此在“問題探討”的這個工作當中，設計者所面臨的第一個挑戰即是了解設計問 題，甚至深入發掘、進而能清楚定義這個設計問題。其次設計者針對設計問題產生不 同的設計概念後，接下來則是根據設計的目標、需求、限制，以各種工具評估所產生6http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序 的設計概念，同時確認設計概念的可行性，作必要的設計資訊回饋和修改。設計概念 確認之後，設計者接下來的工作便是建立各種設計圖、設計文件，與顧客或製造部門

15、作溝通。這個簡單的描述型設計程序模型提供了設計個人對單一設計問題很典型的思 考模式。規範型設計程序模型則嘗試規範一個適當的設計活動模式，這類模型通常提供一 個有系統的設計活動程序讓設計者遵從，且通常強調在產生解決概念前，必須先做許 多分析性工作。Ullman1992把產品的生命週期分成六個階段：(1)規範發展規劃(Specification development/planning)(2)概念設計(Conceptual design)(3)產品 設計(Product design)(4)生產(Production)(5)產品提供服務(Service)(6)產 品的淘汰(Product reti

16、rement)。產品生命週期中前三個階段是發展產品設計程序的 主要過程，這三個階段和 Cross 的設計程序模型的問題探討、概念產生與評估、溝 通等工作非常相近，然而 Ullman 又把每一個階段細部的工作流程更清楚規劃出來， 如圖 5 所示，是一個規範型設計程序模型，。階段一：規範建立/規劃階段二：概念設計了解設計市場問題產生設計 記錄新科技成立設計 小組計畫安排產生設計 記錄設計回顧概念產生概念評估更新計畫子問題劃分子系統中斷計畫子問題建立子系統階段三：產品設計設計回顧中斷計畫產生產品雛形評估產品子問題產生設計 記錄建立子裝配設計回顧中斷計畫階段四：製造階段五：服務階段六：淘汰圖 5. U

17、llman 的產品設計程序模型如圖 5，設計需求的產生可能來自市場的需求、新科技的產生、或者只是 一個更大型設計計劃中的子計劃。得到設計需求之後，選擇適當專長的人員組成7http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序 設計小組，便開始進行設計問題了解以建立具體的設計規範，同時並對這個設計計劃 做人員、時程、成本上的規劃。每個階段工作完畢之後，都應該作一次設計回顧(design review)，設計者可以和顧客及管理部門作討論，看設計計劃進行方向是否 正確，是否必須要中斷計劃。設計規範建立之後，便進入概念設計的階段，這個階段中設計概念產生和概念評 估兩項主要工作，仍然

18、是一個不斷迭代、修正的循環，甚至可以進一步回溯到規範建 立階段，更深入了解問題。在概念設計階段的設計回顧中確立了產品的設計概念之 後，在產品設計階段主要工作則是將設計概念具體化，建立產品的雛形、評估產品、 產生相關設計文件等。整個設計程序應該是一個不斷迭代、修正的過程，在產品細部 設計階段中如有必要，當然也可以回溯至前兩個階段作重新修正。如圖 5 的規範型設計程序模型，很適合多人組成的設計團隊進行大型設計 計畫，彼此之間需要嚴密的配合、溝通、時程控制時採用，或者以設計為主要業 務的公司或組織，訂定標準化之設計作業程序（如 ISO9001 等）時採用。以下便要開始討論設計規範研擬與設計計劃規劃的

19、方法，概念設計和產品細部設 計則分別將在其他單元中深入討論。4. 顧客需求分析與規格研擬設計者在接到一個設計問題時，往往會忍不住直接構思這個設計的外型、功能， 也就是構思“如何解決這個設計問題(how)”。然而許多的產品設計經驗和設計程 序相關研究指出，在設計計劃的初期，設計者最重要的工作應該是要了解“到底要 設計什麼(what)”，在充分了解設計問題之後，才能夠對如何解決這個設計問題有 更好的構思。在機械設計程序中，探索問題、了解問題的方法，不外是訪問使用者、 問卷調查、調查使用者的行為、文獻探討、專利搜集、數據分析等等。Ullman1992用了一個簡單的圖來表達“設計程序的矛盾(the d

20、esign process paradox)”，如圖 6 所示，在設計一開始，設計者有很大的設計自由度，然而設計者 對設計問題的知識卻相當少，不見得能夠作出最正確的設計決策；而在設計進行的過 程中，設計者對設計問題越來越了解，然而許多的設計方向、設計決策已經決定了， 設計者的自由度因而越來越小。也就是說，在設計後期，設計者因為經驗、知識的累 積，發現到有更好的設計方案，而希望修改設計時，可能已經無法作大幅度的設計修 改，或者是必須付出很高的成本。8http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序10080對設計問題的 了解6020設計自由度0用在設計上的時間圖 6.

21、設計程序的矛盾 要避免這種矛盾最好的方式，就是在設計開始時投注更多的時間、成本在了解設 計問題上。這個設計初始階段工作的目標，是了解顧客對此產品的需求，並且 將這些抽象、不明確的顧客需求轉換成設計規範(design specification)，也就 是此設計要達成功能具體、明確的敘述。這個過程通常可以分成以下六個步驟：(1)確認顧客一項產品設計成功與否，經常在於其是否能滿足顧客的需求。這裡首先要強 調的是，所謂“顧客(customer)”並不專指購買產品的消費者(consumer)、 使用者(user)，而是一個更廣義的定義，在產品生命週期中，會受到產品特性 影響、因而會對產品有某些需求的人

22、，都應視為這項產品的“顧客”。因 此一項產品的顧客，除了最終的使用者之外，還應包括製造部門、銷售部門、維 修人員等等，像是一輛腳踏車的設計，使用者可能只在意腳踏車本身是否好騎、 價格是否便宜，但製造部門則關切是否容易製造、組裝，銷售部門可能會希望腳 踏車容易運送，維修人員則希望零件容易拆解、更換，所有顧客的需求在產品設 計時也應該同時考慮到。(2)了解顧客需求了解顧客需求有許多方法，設計者確認顧客群之後，最直接的方法是對顧客 作訪問或問卷調查、市場調查等，另外也可以觀察整個產品生產、銷售、使用的9http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序過程，從觀察之中得到顧客

23、需求。另外要瞭解顧客需求，也可以從領導顧客(lead customer)著手，例如要設計健身器材，健身房教練提出的設計需求，自 然比一般民眾的想法更深入、專業。所搜集得到的顧客需求往往是相當混亂、沒有組織、或彼此重複的，因此設 計者必須加以進一步分類、整理。其實顧客需求類型往往相當固定，例如使用者 希望所設計的產品價格便宜、造型美觀、使用方便安全等，製造部門則希望產品 製造、組裝的成本低，銷售部門、經理部門則會要求產品的時效性、容易包裝運 輸、維修方便等等。Ullman1992建議用以下項目來整理、組織顧客需求，這些 項目也可以作為搜集顧客需求時的依據：z產品性能需求，包括功能上的表現及空間上

24、的限制；z產品外觀；z設計時間；z成本，包括資本投資和單位售價；z製造、組裝上的需求，包括預計生產的數量，以及公司製造能力的考慮；z必須符合的標準；z安全及環保上的考慮。(3)決定顧客需求之間相對重要性比重不同的顧客需求之間經常會有衝突，可能無法同時達到，所以將顧客需求分 類、整理完畢之後，設計者必須決定各個需求間重要性比重，在顧客需求間有衝 突時，可以作正確的取捨判斷。各項顧客需求當中，有些可能是“必須達到(must)”的顧客需求，有些則只是“想要達到(want)”的顧客需求，對於必 須達到的設計需求應該清楚標示出來，對於想要達到的設計需求，則可以作如 1 分到 5 分的重要性等級評分。重要

25、性評分的依據當然還是可以從顧客調查而來， 設計者也可以依據自己過去的經驗和相關領域知識，來對顧客需求相對重要性作 判斷。(4)競爭對手的評估決定產品設計的目標之前，應該先評估產品的競爭對手在各項顧客需求上的 表現，以了解所設計的產品是否有競爭力。這裡所謂“競爭對手”也是比較 廣義的定義，除了市場上同類型的產品之外，還包括產品使用者要達到同 樣功能時，所可以採取的方法。例如設計棒球投球機時，棒球隊投球的教練便10http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序 是產品的“競爭對手”，棒球投球機對顧客需求的滿足自然必須超過投球的教 練，棒球隊才可能考慮購買。這裡對競爭對手

26、的評估，也可以用簡單的 1 分到 5 分的分級方式來作評分。(5)建立設計規格項目顧客需求往往是用顧客自己的語言來表達，例如這個設計要“重量輕”，或 者“很容易裝配”等等，要對設計所要達成的目標，有更具體、明確的描述，這 些設計需求必須轉換成工程語言的敘述，也就是所謂規格(specification)，例 如這個設計“重量要小於 500 公克”，或者“裝配平均時間不超過 1 分鐘”等等。規格包括了“測量方式(metric)”和”測量值(value)”兩部份，例如在“裝配平均時間不超過 1 分鐘”這項敘述中，“裝配平均時間”便是測量方式， 而“不超過 1 分鐘”則是測量值，因此“裝配平均時間不超

27、過 1 分鐘”是一個合 理的設計規格。如何把類似“很容易裝配”的顧客需求，轉換成“裝配平均時間 不超過 1 分鐘”的設計規格敘述，是一件很有挑戰性的工作。設計者必須就一項 一項顧客需求檢查，思考是否有什麼可測量的方式，能夠反應產品對這項顧客需 求的滿意程度，也就是說，產品性能達成某項測量標準之後，顧客需求就會自然 被滿足。在作這項轉換的時候，設計者可能會發現，一個顧客需求必須用好幾項測量 方式來表現，相對的，也可能有一項測量方式可以反映好幾項顧客需求。許多 產品如電腦、汽車、音響，往往有一些公認的標準測試項目，在建立設計 規格的測量方式時，應該優先考慮這些項目。另外有些顧客需求是完全主觀 的（

28、例如“造型美觀”），很難用任何測量方式來表現，這種顧客需求必須特別 被標註出來，提醒設計者這項設計需求沒有列在設計規格中，但仍然必須列入設 計考慮。(6)設定設計目標最後一個步驟，是要設定設計目標，也就是訂定每一項設計規格中“測量 值”的部分。這個測量值的訂定，必須考慮該項規格相對應之顧客需求的相對重 要性、競爭對手在相對應顧客需求項目上的表現，以使所設計的產品有競爭力， 同時也要考慮設計者或設計組織本身設計、製造上的資源與能力，以免所訂定的 目標不切實際、無法達成。設計規格的訂定影響後來的設計決策、成本非常大，11http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序 必

29、須十分慎重，當在設計過程中發現設計規格訂定有問題或不可行，當然也可以 回過頭來修改設計規格。設計規格中測量值訂定的方式，不見得要是一個確切的數值，像在前面的例 子中，測量值可以有“不大於 X”、“不小於 X”、或者“在 X 與 Y 之間” 等不同的形式。這裡所敘述的六個步驟，也正是設計規範發展時常用的 品質功能展開法(Quality Function Deployment, QFD)的進行步驟，圖 7 是 QFD 表的一部份，也正 好總結了這六個步驟。在確認顧客後，搜集顧客需求，分類整理後列於 QFD 表左方（步驟二），並對每一項顧客需求評定相對重要性比重（步驟三，注意有些顧客需求 是“必須達

30、到”的顧客需求，以“*”號表示），並就競爭對手在每一項顧客需求的表 現作評估，列於 QFD 表右方（步驟四）。接下來則將顧客需求逐一轉換成設計規格中“測量方式”的部分，列於 QFD 表上方，同時表中並以粗黑點表示顧客需求與設計 規格項目的關聯性（步驟五）。最後將設計要達到的目標，也就是設計規格中“測量 值”的部分，標於 QFD 表下方，注意測量值必定有單位，這裡也可以把競爭對手在 每一個設計規格項目的測量值列出，作為比較參考。 實作計劃 2機車設計規格研擬練習這個實作計劃的目的是在作設計規格的研擬練習，你可以選擇機車，或者其 他你非常熟悉的機械產品，如自行車、削鉛筆機、訂書機等等，作為練習的對

31、象。(1) 假設你要設計一部新款的機車，機車設計的“顧客”有哪些？(2) 這些顧客的需求分別為何？搜集了顧客需求之後，依本節介紹的整理出 來。(3) 這些顧客需求當中，有沒有“必須達到”的需求？先行標示出來。其他 顧客需求之間，相對重要性如何？請以 1 分至 5 分的方式評比，分別代 表這項顧客需求“不太重要”、“有些重要”、“重要”、“很重要”、“非常重要”。(4) 你所要設計的機車，有哪些競爭對手？這些競爭對手在你所擬訂的顧客 需求中表現如何？請以一分至五分的方式評比。(5) 開始依照圖 7 建構 QFD 表，將前面得到的結果填入。逐一檢查你的顧 客需求，是否可以轉換設計規格中的“測量方式

32、”？在 QFD 表中以粗 黑點標明顧客需求與設計規格項目的關聯性。12http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序(6) 大略估計競爭對手在你所訂定設計規格項目中的“測量值”，並訂定你 的設計所要達成的目標。最後完成一份如圖 7 的 QFD 表。(7) 檢視你所完成的 QFD 表，你覺得你對機車設計要達成的功能(what)有更 深入的了解嗎？你覺得這個過程對了解設計問題有什麼幫助或妨礙？二、了解顧客需求五、建立設計規格項目三設 計、名 稱決尺比裝寸重配 時 間重壽量命輕規規競 競格格爭 爭者 者12性定重量*1 4能需求 A 21 2需顧需求 B 44 2四客求需

33、求 C 21 2、外需美觀13 4競求觀需求 D 213爭製易裝配4 3 2造之需求 E *3 1對組間需求 F 11 4手相裝需求 G 331的.對.評重安全*4 4估要成本3 13單位m seckg年 # #性目標6 6 760 45632比競爭者 15 8 7 10076352六、設定設計目標圖 7. QFD 表參考資料Cross, N., Engineering Design Methods, 2nd ed., John Wiley & Sons, 1994.Finger, S., and Dixon, J.R., “A Review of Research in Mechanical

34、 EngineeringDesign,” Research in Engineering Design, Vol.1, No.1, pp.51-67, 1989.13http:/designer.mech.yzu.edu.tw/機械設計程序Shigley, J.E. and Mischke, C.R., Mechanical Engineering Design, McGraw-Hill,1995.Spotts, M. F., Design of Machine Elements, 6th ed., Prentice-Hall, 1985.Ullman, D.G., The Mechanical Design Process, McGraw-Hill, 1992.14http:/designer.mech.yzu.edu.tw/