首次揭秘機械工程師的工作內(nèi)幕,，內(nèi)含絕密項目，千萬別外傳

羅羅日記 · 發(fā)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(nèi)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(chǎn)工藝，而是機器或者生產(chǎn)線,，需要實現(xiàn)的工藝。

比如,，是實現(xiàn)自動切菜,，還是自動上菜？

是實現(xiàn)物料的搬運,，存儲,？還是實現(xiàn)自動分揀打標？

是實現(xiàn)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(chǎn)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(yǎng),，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(chuàng)作等需求。做清潔服務,，滿足客戶的衛(wèi)生,，健康，節(jié)省時間等需求,。

當然,，在廣告語上，往往只強調(diào)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(xiàn)在很多品牌手機,，只強調(diào)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(xù)續(xù)地提出新的要求,。

而且,，更嚴苛的是，他們還參與全程開發(fā)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(chǎn)到裝配再到測試,，整個項目開發(fā)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(tài),，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(xù)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(shù)據(jù)表明，經(jīng)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(fā)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(qū)別,？》），屬于尾氣處理系統(tǒng)的一部分。

這個處理系統(tǒng),，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(xù)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(jù),，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(chǎn)效率,，如果不滿足要求，那么就需要調(diào)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(jīng)開始思考,，整機需要哪些功能,，實現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)的老板用PPT塊視圖，畫了一臺機,。

而表格,，則列出重要的參數(shù)，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(shù),。

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(diào)整,，因為還涉及到模組之間的交接，空間細節(jié)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(xiàn)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(yè)內(nèi)，已經(jīng)有競爭對手在做這件事（一般都會有,，因為現(xiàn)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(jīng)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(fā)現(xiàn),，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(chǎn)品定位,，在營銷獲客,，在客戶后端價值開發(fā)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?nèi)绾味ㄎ坏�,，如何對外傳播的，你如何區(qū)別于他們,，優(yōu)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(xiàn)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(shù)后,，得到運動軸的最小設計頻率。

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

系統(tǒng)頻率估算公式

例如，系統(tǒng)能夠達到的加速度是10m/s^2,，系統(tǒng)要求的誤差是0.1mm=0.1*10^-3m,，那么系統(tǒng)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(jù),，做滿足剛性的結構,，通常就需要做模態(tài)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(jié)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(xiàn)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(jié),，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(yè)標準，所以無法改變,。

機器人重復定位誤差:0.1mm,。因協(xié)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(qū)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(yōu)化實現(xiàn),。

剛度誤差：0.2mm，可以結構優(yōu)化實現(xiàn),。

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(yōu)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(diào)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(tài)分布,，低頻出現(xiàn)在哪一階,，以此為依據(jù)，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(xié)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(tǒng)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(diào)整機架設計,。

到這里,，基本就是細節(jié)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(chǎn),。

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(shù)據(jù)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(nèi)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(huán)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(nèi)容,。

但是我發(fā)現(xiàn)，我已經(jīng)嚴重超出篇幅了,。

所以,，先說到這里，更多的內(nèi)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(xiàn),？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(diào),，怎么連接的,？連接后的剛性夠嗎？前幾階模態(tài)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(tǒng)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(nèi)容和數(shù)據(jù),，滿足哪些要求才算通過,？

等等。

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