復雜機械系統的三個設計建議

y0221120

復雜機械系統的三個設計建議

       本人根據自己的設計經驗，總結了復雜機械裝備，尤其是非標自動化設備的三個設計建 議，分享給行業內的朋友們，尤其是年輕的設計工程師。這三個建議分別是：1 穩定化設計； 2 直驅化設計；3 試驗設計。

       1 穩定化設計

       穩定化設計就是在制定設計方案的時候，考慮方案在原理上的穩定性（有些行業叫做魯 棒性 Robustness）。 我記得有個紀錄片曾經是講張衡設計地震儀的時候，剛開始設計的機構 總是出現誤報，后來他總結了誤報的原因，改進了設計，就大大提高了地震儀的預報精度。那是一個典型的將不穩定系統改進成穩定系統的案例，喜歡的朋友可以去找一下那個視頻。

       我舉兩個例子說明穩定化設計。第一個例子是，如果在設計杠桿驅動機構的時候，盡量 將驅動放到省力杠桿的一端（既離支點遠的一端），用費力的一端（離支點近的一端）作為執行機構。這樣的好處是，驅動端的運動誤差被杠桿按比例縮小了。如果反過來用，則是被 杠桿按比例放大了。

       第二個例子是，我曾看到一個設備，其簡化結構如下圖所示。設備是要把一根鋼絲推出 一定長度，使推出的鋼絲端部進入工作臺上的指定位置，然后工作臺上的其他部件對鋼絲的端部進行加工。工作時：①送絲機構夾住鋼絲向前推，鋼絲從導向機構伸出；②鋼絲端部進入工作臺以后，送絲機構松開；③送四機構返回到初始狀態。

這個機器在使用過程中最大的問題是不穩定，因為鋼絲常常推不到指定位置。其實這就 是一個典型的不穩定設計，因為推出機構只能保證鋼絲在離開導向機構時的位置是準的，但是如果鋼絲本身存在彎曲，伸出去的部分肯定會偏離預設位置。而原材料本身的差異是設備 無法控制的，這樣的不穩定因素在這個設計中就無法控制。

       以下是對該機構的改進方案。在改進方案中，取消了送絲機構，把工作臺改成可移動式。 工作時，①首先，使切斷的鋼絲在導向機構處伸出很短的一段，由于伸出的長度不長，因此位置比較準確；②工作臺移動到導向機構附近，夾住鋼絲的末端；③工作臺拉動鋼絲到指定位置，松開鋼絲。這當然不是唯一解決方案，比如也可以使導向機構夾住鋼絲送到工作臺， 然后再返回。這樣的設計都是偏向于穩定的，鋼絲的質量問題不會影響設備的運行。

       2 直驅化設計

       直驅就是直接驅動（Direct Drive），常見的直線馬達，直驅旋轉馬達都是直驅理念的典 型應用。就像直線馬達和直驅旋轉馬達一樣，它們都是直接驅動負載，中間沒有任何傳動部件，因此不但剛性好，動態響應高，且系統可靠性好。

       直驅化設計的理念是，在驅動部件（如馬達，氣缸，液壓缸）和執行部件之間盡量減少 傳動機構。這樣的好處機械系統趨向于簡單，穩定。

我曾經設計過一個 PCB 板的傳板機，當時為了節約空間，我把硬限位塊設計成很細很長，為了保證限位塊運行順暢，我還增加了一個mini 直線導軌為硬限位導向，在很遠的地 方用氣缸驅動細長限位塊的運動。這個設計節約空間的目的肯定是達到了，但是由于 mini 直線導軌很小，安裝螺絲更小，使用時螺絲經常松動，穩定性很差。后來痛定思痛，釋放了 一點空間出來，將氣缸直接安裝在傳送軌道上，用氣缸的伸出桿直接當做硬限位塊用，從此再也沒有出現過任何問題。

       我們在學校里面學過很多種傳動機構，比如連桿機構，凸輪機構，棘輪機構。從技術上 來說這當然都是很好的東西，技術含量也很高，設計這樣的機構很能體現設計者的能力。但是，很多從事自動化設備研發和設計，尤其是非標自動化設備設計的朋友都知道，在現實應 用中，設備的穩定性是首要的，不穩定的機構沒有用戶愿意買單。直驅化設計能大大提高設 備的穩定性。

       當然我們也必須清楚，在復雜運動場合，直驅化設計意味著要采用復雜運動控制技術， 這當然會造成設計成本的大幅增加，如何在穩定型和成本之間找到一個平衡點也是設計者需要培養的能力。

       3 試驗設計

       作為一個設計者，很多時候我們都會面臨兩個難題：一是設計任務中有沒有遇到過的部 分；二是設計任務有明確的時間要求，有時甚至是緊迫的時間要求。時間的緊迫性只允許我們進行一輪設計驗證。這種情況下，我們必須在一次進行實驗設計（DOE Design of Experiment） 中找到最佳方案，或者退而求其次，找到可接受的方案。

       如果一次試驗設計沒有得到可接受的方案，后果是可想而知的。如何才能確保一次試驗 設計就能找出可接受的方案呢？方法就是增加試驗因子和水平，其實就是增加測試的數量。說白了就是花錢買時間。

       記得有一次我接到一個處理超黏流體的設計任務，而且時間比較緊迫。現實問題是我對 超黏流體沒有任何概念，匆匆了解樣品之后，我就開始設計。所有需要接觸流體的零件我都至少設計了一種備用方案。關鍵部分全部從設計了不同結構，不同粗糙度，不同直徑，不同 材料甚至不同倒角的各種零件。樣機零件的數量是實際設備零件數量的好幾倍。雖然這樣做 材料成本很高，但是我的確是在沒有任何經驗的情況下，一次設計中就得到了一個非常理想的結果。

       實際工作中，我們的設計任務未必那么極端，但是對不確定的部分進行試驗設計往往能 有效縮短設計時間。

       以上是我在以往的設計工作中的經驗小結，希望對你有所啟發。

余余余lin

很好謝謝

liushaobo1989

   樓主用過怎樣靠仿真來提高成功率可靠性嗎？

y0221120

我感覺，仿假的多，仿真的少。對單個零件或者結構相對簡單的裝配提，拿來仿仿還行。對于大型設備，邊界條件太多了，結果太不可信。對于研究機構可以那么搞，企業不行。

受不了了

3個，你這總結得太簡單了吧，我隨便跟你列幾個，零配件采購周期，貨源，價格，材料，加工，裝配，調試，運輸，安裝，使用，安全，維修，售后，兼容，通用，可靠，耐用，升級.....嗯，關鍵是這設備可能最終試驗下來還不成功

薄路章Luke

很好謝謝

游隼zbp

學習了，太厲害了，牛牛牛

原本初

漲經驗了

游隼zbp

值得學習

kun_sleepy

學習了