首次揭秘機械工程師的工作內幕，內含絕密項目，千萬別外傳

羅羅日記 · 發表于 2019-11-3 10:47:15

本帖最后由羅羅日記于 2019-11-3 10:55 編輯

羅羅，機械設計到底設計的什么？

你這個問題太大了，我回答不了。

不過，我覺得，如果你了解設計流程，多半會知道設計內容。

那你先給我說說，設計流程是怎么樣的？

沒問題。

機械設計

項目剛開始的時候，最需要弄清楚的，是工藝。

因為了解工藝后，才能對設備的運作方式有整體的認識。

需要注意的是，這里所說的工藝，不是零件的生產工藝，而是機器或者生產線，需要實現的工藝。

比如，是實現自動切菜，還是自動上菜？

是實現物料的搬運，存儲？還是實現自動分揀打標？

是實現自動印刷？還是自動校準固膠等？

客戶要完成的工藝是什么？

為什么這么說呢？

因為這是客戶最直接的需求。

弄清楚工藝，也就是弄清楚客戶的需求，需求決定解決方案。

無論做什么，賣產品也好，賣服務也好，第一件事情，是了解客戶需求，甚至以客戶的身份，深度體驗購買過程，剖析并深挖客戶需求。

比如，你在朋友圈賣石榴，在電商平臺賣手機，在本地服務平臺做清潔服務等，其實都是在滿足客戶的需求。

賣石榴滿足客戶的營養，健康，口感，送禮等需求。賣手機滿足客戶的拍照，溝通，獲取信息，娛樂，甚至創作等需求。做清潔服務，滿足客戶的衛生，健康，節省時間等需求。

當然，在廣告語上，往往只強調一個點，以突出賣點，鎖定特定的客戶，定位也更為清晰。例如，現在很多品牌手機，只強調拍照功能。

好了，我們回到正題。

了解和分析工藝這一步，需要多跟客戶溝通。

往往，客戶會隨著溝通的深入，不斷增加新的需求，或者更新需求。

比如，2年前，給英特爾做項目時，前期溝通了好幾個月，他們陸陸續續地提出新的要求。

而且，更嚴苛的是，他們還參與全程開發過程，以最大限度地掌控進度和質量。

例如，從方案到概念再到具體設計，從生產到裝配再到測試，整個項目開發過程中，項目進行到哪里了，遇到什么問題，問題的解決方案是什么，每一周都要更新狀態，直到項目交付。

強悍吧。

不過想來也理解，人家是客戶，有啥要求，我們就要滿足，畢竟客戶第一。

說遠了，繼續回到工藝。

一臺設備，或者一個工作站，往往核心工藝只有一兩個，其他的大部分是輔助功能，像物料傳送，定位，夾緊，圖像識別等。

比如，最近做的等離子清洗機。

核心工藝，就是對車載相機的鏡頭和傳感器沾合前，做對應粘合面清洗。

因為數據表明，經過清洗后，水滴角（水在平面上的張角）可明顯減小，從原來的78度較小到24度，粘合力顯著提高，有助于密封和粘合的可靠性。

正是因為有這個工藝要求，所以才開發設備，而此機的核心工藝就是等離子清洗，其他的，就是物料的傳輸，定位，物料識別等功能。

比如，前段時間的連桿推動機構《如何用連桿機構，把水平運動轉為垂直運動？含案例剖析》，就屬于物料傳送模組。

再比如，上次在文中提到的，150毫米氣缸推動軸（參見《Rc1/8，G3/4，NPT1/4的含義是什么？BSPT，NPT，Rc，G等螺紋又有什區別？》），屬于尾氣處理系統的一部分。

這個處理系統，包括推動軸和真空抽氣裝置，臭氧分解器及50毫米大管徑先導閥控制氣路等，都屬于輔助功能模組。

抽氣裝置大管徑先導閥控制氣路

當然，設備的工藝，往往涉及多個動作和復雜的時序。

這個時候，需要用PPT，或者時序表，把每一步動作表示出來，特別是時間上的分配，和動作銜接，這有利于后續方案選擇，電機計算等。

關于動作的表示，我有一個簡單的例子，其實也是之前在文中提到過，叫《測頭更換流程》，在我公眾號后臺回復“測頭”，即可下載PPT。

當然，實際的動作，還會加入運動時間，以及停留時間，并以此為依據，計算出各個電機的均方根扭矩和最大扭矩。

且知道整個流程消耗的時間后，便可計算出整機的生產效率，如果不滿足要求，那么就需要調整每個動作的時間分配，直到滿足要求。

到這里，我們明白了工藝為先的重要性。

了解并分析工藝后，那么下一步呢？

下一步，滿足工藝要求的方案有哪些？

滿足工藝要求的方案有哪些？

其實就是做方案對比和選擇了。

這里所說的方案，包含兩部分，一部分是整體的方案，可以說是整體概念設計，另一部分是功能模塊的方案設計。

其實，在做整機布局的時候，就已經開始思考，整機需要哪些功能，實現哪些動作，用什么模組來分解動作，動作的先后順序等問題。

等離子清洗機部分模塊

比如，在等離子清洗機上。

需要Z升降平臺，把鏡頭物料盤輸送到中間傳送帶（由連桿機構踢出物料盤），然后中間傳送帶整體移動，把鏡頭輸送到工作平臺上，工作平臺上有定位和夾緊機構，平臺可以做直線運動，把物料傳送到拾取頭下方，拾取頭拾取并翻轉180度，把鏡頭送到等離子清洗頭下方，等待做清洗。

清洗完成，需要把鏡頭放回物料盤，每一次取放之前，需要相機拍照定位，并且判斷物料盤中對應的凹槽里是否有鏡頭，等等功能，在整體方案階段，這些功能就確定了。

做方案的時候，可以先不忙畫三維模型，更多的是用草圖，簡單的塊視圖，和表格等表示，以避免產生過多的無用功。

視圖表達運動軸和重要的結構，以及大概的布局等。

例如，我之前在《如何用連桿機構，把水平運動轉為垂直運動？含案例剖析》中分析方案時，都是用塊視圖表達概念。

還記得多年前，曾經的老板用PPT塊視圖，畫了一臺機。

而表格，則列出重要的參數，比如行程，速度，動作時間，推力等信息，這些信息大部分都是從工藝分析得來的，到后期，會構成模組和設備的設計參數。

當然，整體布局可能只是一個大體方向，在具體三維布局時，可能會做一些調整，因為還涉及到模組之間的交接，空間細節分配等問題。

同時，方案可能會討論很多次，更新很多次，最后挑選最好最合適的。

這樣，整體概念就有了。

整體概念有了，那接下來呢？

整體方案差不多了，就開始分配具體的子模組了。

這個時候，需要把動作分配到不同的模組，通過相互配合，來實現需要的功能。

從剛剛說的工藝分析和整體概念設計，就得到了子模組的設計需求，比如行程，載荷，速度，位置檢測等。

每一個功能模塊，一般會做幾個方案，結合重點考慮因素，比如精度，行程，載荷，空間，可靠性，剛性，成本等因素綜合選擇。

不同的因素，在不同的應用里重要程度不同，可以自己給這些因素打分，做加權評估來選擇。

用加權法評估方案

如果在行業內，已經有競爭對手在做這件事（一般都會有，因為現在的市場都非常細分），那么，方案階段，也會分析競爭對手的做法。

看看他們是如何設計的，有哪些好處，值得學習的地方，可以借鑒。

比如，我在《記三坐標測量機設計經歷》，和《機器人末端的快換裝置，有哪些設計要點？》中，有考察對手的做法。

可以說，向對手（有時是供應商）學習，是非常好的一個學習思路，可以迅速找到重點。

其實，我發現，不只是在設計上會考察對手，在其他很多領域里，都會有類似的思維模式。

比如，在產品定位，在營銷獲客，在客戶后端價值開發等方面，都有拆解對手這一思想。

例如，你想通過朋友圈賣橘子，首先你要對自己做一個定位，你是單純賣橘子，還是賣健康，還是賣個人品牌等，不同的定位做法不一樣，因為這決定了你客戶群體，也間接對客戶做了一個定位。

期間，需要收集一批競爭對手，比如收集10個，看看他們如何定位的，如何對外傳播的，你如何區別于他們，優勢是什么，這就要充分考察對手，并做自我剖析。

扯遠了，我們回到子模組的設計上。

子模組的設計，往往就會探討得更為具體了。比如，動作的實現方式，驅動方式，傳動方式，動作或者位置的檢測，定位方式，布局的維護方便性等。

模塊設計

更為具體的，就是電機，氣缸，導軌，傳感器等標準件的計算，選擇，空間布局等。

選擇并布局好了標準件，接下來就是零件設計。

零件設計主要是結構設計，涉及選材，剛性，散熱，可加工性，安裝便捷性等問題。

比如，對于剛性的考慮，需要在確定負載，精度，分辨率等控制參數后，得到運動軸的最小設計頻率。

或者用經驗公式2πf＝√(Acceleration/Error)，來估算系統需要的頻率。

系統頻率估算公式

例如，系統能夠達到的加速度是10m/s^2，系統要求的誤差是0.1mm=0.1*10^-3m，那么系統需要做到的最小頻率為f＝［√10/（0.1*10^-3）］/（2*3.14）＝50.4Hz。

以得到的頻率為依據，做滿足剛性的結構，通常就需要做模態分析，看頻率分布如何，如果關心的方向自然頻率太低，那么就要加強剛性。

同時，對于高精度，一般也需要做誤差分析，特別是有懸臂結構的時候，更需要結合結構剛性，分析誤差。

我舉一個例子，之前做過一個抓子，這個抓子安裝在機器人UR5末端關節上，抓取的物料是矩形塑料盤。

因為物料盤可能堆疊，所以只能從上方抓取，而真空抓取可用的面積非常小，且不太可靠，所以決定用機械方式抓取，而底部只有四個角落處有開口，所以只能從這里入手。

設計概念如下圖，通過電機驅動中間的粉紅色軸，進而驅動偏心輪，偏心輪上的滾輪推動抓子做直線運動，實現抓放功能。

抓子設計概念圖

抓子誤差分析

誤差分析如上圖。

因為盤子可能堆疊15片，所以盤子本身可能是傾斜的，抓取的位置只能是盤子兩側的開口，開口寬度25.4毫米，高度非常有限，只有2.54毫米，這就意味著，抓子要伸進這2.54毫米里面去抓取。

因為抓子相對于機器人末端關節，是懸臂結構，所以抓子結構剛性，機器人定位誤差，視覺定位，加工裝配等，都會引入誤差，這些誤差加上抓子的厚度，必須要落入這2.54毫米里面，要求還是挺高的。

所以當時有一個誤差分配。

物料誤差：0.6mm，因為物料盤是行業標準，所以無法改變。

機器人重復定位誤差:0.1mm。因協作機器人是采購的，定位精度和重復性誤差已確定(關于二者的區別，可以參考《分辨率，定位精度，重復定位精度三者之間有什么關系？》)，所以無法改變。

視覺定位誤差：0.1mm，可以通過算法優化實現。

剛度誤差：0.2mm，可以結構優化實現。

加工裝配誤差：0.2mm，提要求，可以做到。

這些誤差總和最大可能達到1.2mm，這就意味著抓子在進入物料時，上下間隙只有（2.54-1.2-T）/2mm，其中T表示抓子厚度。

如果要保證上下至少0.5毫米的間隙，那么抓子厚度，最大只能做到0.34毫米。

要想再厚的話，就只有壓縮剛度誤差，視覺定位誤差，或者加工裝配誤差，不然，抓子卡住的風險就很高了。

所以，后來通過剛性加強，算法優化，公差控制，裝配指引等控制好誤差，才通過試驗測試。

好開心，OK。

等模組主體結構做得差不多了，還需要考慮模組的電線如何布置。

通常會在電元件附近用中間接頭斷開一次，然后對接接頭再接到控制器，電源等接口處。

例如，通常的電機，傳感器，電磁閥等，中間插頭放置在對應元件附近，方便元件損壞時，快速更換。

另外，對于編碼器等重要信號，還有抗電磁干擾等考慮，所以一般用屏蔽接頭，屏蔽電纜。

同時，對于氣動方面，氣路設計是怎么樣？是否加減壓閥？是否加真空傳感器？這些元件放置在哪里？等等問題，都需要弄清楚。

等子模組都設計得差不多了，會重點考慮兩個事情。

第一，需要定義模組之間，模組和機器安裝板之間的裝配關系，以及校調方式。

對于高速高精度運動，往往模組和整機，或者機架，還需要做CAE分析，看模態分布，低頻出現在哪一階，以此為依據，來加強某個方向的剛性。

第二，模組設計得差不多了，就需要考慮整機的電配置了，有多少電機，多少傳感器，多少編碼器，多少電磁閥，電子原件編號是多少等。

把這些信息匯總到一個表格里，方便管理，也方便部門之間的溝通協作，特別是和做控制，做電路的同事溝通。并以這個列表，來決定系統上用多少控制器，多少功率的電配置等。

同時，需要考慮機器的電箱和PC如何布置，電線如何走到電箱，插頭容易插拔嗎，空間是否足夠等問題。

這些都影響到機器的機架設計，很多時候，都會因為電箱的布局，調整機架設計。

到這里，基本就是細節設計快完成的時候了。

這個時候，還有很重要但是常常被忽略的一件事，就是分析各個模組可能的失效形式。

以及失效后有什么影響，如何從設計上減小失效的概率等，也就是大家常說的DFMEA。

這就要結合模組原理和采購件的失效形式來判斷。

比如，使用同步帶驅動時，那么，有可能的失效形式是同步帶斷掉，需要加位移傳感器，來檢測驅動是否到位。如果斷掉，設計上要做到方便快速地更換，以免耽誤生產。

再比如，使用線性馬達驅動時，如果太靠近高溫熱源，那么，磁鐵有可能會退磁，導致馬達壞掉，驅動不了。這個時候，需要考慮做冷卻，或者隔熱處理等。

還有一些重要的電部件的電纜，比如相機數據傳送線，傳感器等的信號線，有最小彎曲半徑要求，一般至少是電線半徑的10倍，例如電線直接6毫米，彎曲半徑最小30毫米，如果設計得太小，內應力會使得使用壽命大打折扣，特別是當它被設計成運動線，循環應力會導致疲勞，很快線芯就斷了，應當避免，可以設計成比較大的彎曲半徑，比如15倍線半徑。

如果設計時滿足最小彎曲半徑要求，但是用久了，還是有可能會斷掉，那么就需要更換電線或者部件，就要考慮更換的方便性，空間可操作性等。

最后，等結構設計完成，電路設計完成，氣路設計完成，各種電和氣元件擺放好，還需要做一些電和氣元件的支撐件和安裝件等。

同時，在各個模塊設計好后，還需要做機器蓋子，門板，還有機器外觀設計等。

其中，動門設計需要有安全鎖，比如門一打開，里面的運動模塊就停下，以保證操作人員的安全。

等等，等等，還有很多內容。

但是我發現，我已經嚴重超出篇幅了。

所以，先說到這里，更多的內容，以后再細說。

最后總結一下，有一個問題列表，基本上就是按照流程，去解決這些問題。

1.客戶要完成的工藝是什么？

2.滿足工藝要求的方案有哪些？包括整體方案和模塊方案。

3.競爭對手是怎么做的？

4.我們用哪種方案，為什么？從精度，載荷，行程，可靠性，可加工性，成本，剛性，強度，復雜程度，占用空間，重量，等方面綜合比較。

5.整機整體上有哪些動作？被分成哪些子模組？需要光學定位，成像分析等模塊否？

6.各個模組有哪些動作？動作的先后順序是什么？動作和停留時間是多久？

7.各個模組用什么原理實現？用滾珠絲桿等標準設計，還是凸輪，楔形塊，連桿等自由設計？

8.驅動用電機還是氣缸？多大電機或者氣缸？電機的扭矩余量是多少？氣缸的推力或者扭矩余量是多少？

9.傳動用什么？齒輪齒條，滾珠絲杠，同步帶，減速器等的選擇，滿足精度要求嗎？滿足受力，扭矩或者壽命要求嗎？余量是多少？

10.導向用什么？直線導軌，交叉滾柱，襯套，滑板，還是自己設計的低摩擦導軌？精度和受力，作用力矩夠嗎？余量是多少？壽命是多久？

11.結構件的設計剛性足夠嗎？怎么加工？成本可接受嗎？如何改進可以使得成本更低？

12.關鍵結構的頻率是多少？滿足控制頻率要求嗎？如何加強剛性？

13.模組上的電線電流夠用嗎？需要電磁屏蔽嗎？如何布局線纜，彎曲半徑夠嗎？方便更換電元件嗎？

14.各個模組，可能有哪些失效形式？失效后有什么影響？原因是什么？設計上如何改進？

15.模組怎么裝配，裝配指引是怎么樣的？怎么拆卸？

16.模組之間怎么校調，怎么連接的？連接后的剛性夠嗎？前幾階模態頻率是多少？

17.整機的電纜如何布局？插拔方便嗎？

18.從模組和整機來看，如何做易損件的更換？空間足夠嗎？操作方便嗎？

19.對于關鍵交互模組，系統誤差分配是怎么樣的？

20.哪些設計需要做測試驗證？如何簡單驗證，驗證的關鍵結果是什么？

21.在裝機之前，模組需要做哪些測試？有準備好測試項目列表嗎？測試的內容和數據，滿足哪些要求才算通過？

等等。

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