首次揭秘機(jī)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

羅羅，機(jī)械設(shè)計到底設(shè)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(shè)計流程，多半會知道設(shè)計內(nèi)容。

那你先給我說說，設(shè)計流程是怎么樣的？

沒問題。

機(jī)械設(shè)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(shè)備的運作方式有整體的認(rèn)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(jī)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(biāo)？

是實現(xiàn)自動印刷？還是自動校準(zhǔn)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(wù)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(jī)，在本地服務(wù)平臺做清潔服務(wù)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(jī)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(wù)，滿足客戶的衛(wèi)生，健康，節(jié)省時間等需求。

當(dāng)然，在廣告語上，往往只強(qiáng)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(jī)，只強(qiáng)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(yán)苛的是，他們還參與全程開發(fā)過程，以最大限度地掌控進(jìn)度和質(zhì)量。

例如，從方案到概念再到具體設(shè)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(jìn)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(qiáng)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(yuǎn)了，繼續(xù)回到工藝。

一臺設(shè)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(jī)。

核心工藝，就是對車載相機(jī)的鏡頭和傳感器沾合前，做對應(yīng)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(shè)備，而此機(jī)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(jī)構(gòu)《如何用連桿機(jī)構(gòu)，把水平運動轉(zhuǎn)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(dǎo)閥控制氣路等，都屬于輔助功能模組。

抽氣裝置大管徑先導(dǎo)閥控制氣路

當(dāng)然，設(shè)備的工藝，往往涉及多個動作和復(fù)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(jī)計算等。

關(guān)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(fù)“測頭”，即可下載PPT。

當(dāng)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(jī)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(jī)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(shè)計，另一部分是功能模塊的方案設(shè)計。

其實，在做整機(jī)布局的時候，就已經(jīng)開始思考，整機(jī)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(jī)部分模塊

比如，在等離子清洗機(jī)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)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(jī)拍照定位，并且判斷物料盤中對應(yīng)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(dá)運動軸和重要的結(jié)構(gòu)，以及大概的布局等。

例如，我之前在《如何用連桿機(jī)構(gòu)，把水平運動轉(zhuǎn)為垂直運動？含案例剖析》中分析方案時，都是用塊視圖表達(dá)概念。

還記得多年前，曾經(jīng)的老板用PPT塊視圖，畫了一臺機(jī)。

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(gòu)成模組和設(shè)備的設(shè)計參數(shù)。

當(dāng)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(xì)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(shè)計，就得到了子模組的設(shè)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(jié)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(yīng)用里重要程度不同，可以自己給這些因素打分，做加權(quán)評估來選擇。

用加權(quán)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(xì)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(shè)計的，有哪些好處，值得學(xué)習(xí)的地方，可以借鑒。

比如，我在《記三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)計經(jīng)歷》，和《機(jī)器人末端的快換裝置，有哪些設(shè)計要點？》中，有考察對手的做法。

可以說，向?qū)κ郑ㄓ袝r是供應(yīng)商）學(xué)習(xí)，是非常好的一個學(xué)習(xí)思路，可以迅速找到重點。

其實，我發(fā)現(xiàn)，不只是在設(shè)計上會考察對手，在其他很多領(lǐng)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(yuǎn)了，我們回到子模組的設(shè)計上。

子模組的設(shè)計，往往就會探討得更為具體了。比如，動作的實現(xiàn)方式，驅(qū)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(hù)方便性等。

模塊設(shè)計

更為具體的，就是電機(jī)，氣缸，導(dǎo)軌，傳感器等標(biāo)準(zhǔn)件的計算，選擇，空間布局等。

選擇并布局好了標(biāo)準(zhǔn)件，接下來就是零件設(shè)計。

零件設(shè)計主要是結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)載，精度，分辨率等控制參數(shù)后，得到運動軸的最小設(shè)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(dá)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(jié)構(gòu)，通常就需要做模態(tài)分析，看頻率分布如何，如果關(guān)心的方向自然頻率太低，那么就要加強(qiáng)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(jié)構(gòu)的時候，更需要結(jié)合結(jié)構(gòu)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(jī)器人UR5末端關(guān)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(jī)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(shè)計概念如下圖，通過電機(jī)驅(qū)動中間的粉紅色軸，進(jìn)而驅(qū)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(shè)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(cè)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(jìn)這2.54毫米里面去抓取。

因為抓子相對于機(jī)器人末端關(guān)節(jié)，是懸臂結(jié)構(gòu)，所以抓子結(jié)構(gòu)剛性，機(jī)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(dāng)時有一個誤差分配。

物料誤差：0.6mm，因為物料盤是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以無法改變。

機(jī)器人重復(fù)定位誤差:0.1mm。因協(xié)作機(jī)器人是采購的，定位精度和重復(fù)性誤差已確定(關(guān)于二者的區(qū)別，可以參考《分辨率，定位精度，重復(fù)定位精度三者之間有什么關(guān)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(jié)構(gòu)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(dá)到1.2mm，這就意味著抓子在進(jìn)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(fēng)險就很高了。

所以，后來通過剛性加強(qiáng)，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(jié)構(gòu)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(jī)，傳感器，電磁閥等，中間插頭放置在對應(yīng)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(shè)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(shè)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(jī)器安裝板之間的裝配關(guān)系，以及校調(diào)方式。

對于高速高精度運動，往往模組和整機(jī)，或者機(jī)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(qiáng)某個方向的剛性。

第二，模組設(shè)計得差不多了，就需要考慮整機(jī)的電配置了，有多少電機(jī)，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(jī)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(jī)器的機(jī)架設(shè)計，很多時候，都會因為電箱的布局，調(diào)整機(jī)架設(shè)計。

到這里，基本就是細(xì)節(jié)設(shè)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(shè)計上減小失效的概率等，也就是大家常說的DFMEA。

這就要結(jié)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(qū)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(qū)動是否到位。如果斷掉，設(shè)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(dá)驅(qū)動時，如果太靠近高溫?zé)嵩?，那么，磁鐵有可能會退磁，導(dǎo)致馬達(dá)壞掉，驅(qū)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(jī)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(shè)計得太小，內(nèi)應(yīng)力會使得使用壽命大打折扣，特別是當(dāng)它被設(shè)計成運動線，循環(huán)應(yīng)力會導(dǎo)致疲勞，很快線芯就斷了，應(yīng)當(dāng)避免，可以設(shè)計成比較大的彎曲半徑，比如15倍線半徑。

如果設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計完成，電路設(shè)計完成，氣路設(shè)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(shè)計好后，還需要做機(jī)器蓋子，門板，還有機(jī)器外觀設(shè)計等。

其中，動門設(shè)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(yán)重超出篇幅了。

所以，先說到這里，更多的內(nèi)容，以后再細(xì)說。

最后總結(jié)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(qiáng)度，復(fù)雜程度，占用空間，重量，等方面綜合比較。

5.整機(jī)整體上有哪些動作？被分成哪些子模組？需要光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，還是凸輪，楔形塊，連桿等自由設(shè)計？

8.驅(qū)動用電機(jī)還是氣缸？多大電機(jī)或者氣缸？電機(jī)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(dǎo)向用什么？直線導(dǎo)軌，交叉滾柱，襯套，滑板，還是自己設(shè)計的低摩擦導(dǎo)軌？精度和受力，作用力矩夠嗎？余量是多少？壽命是多久？

11.結(jié)構(gòu)件的設(shè)計剛性足夠嗎？怎么加工？成本可接受嗎？如何改進(jìn)可以使得成本更低？

12.關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的頻率是多少？滿足控制頻率要求嗎？如何加強(qiáng)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(shè)計上如何改進(jìn)？

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(jī)的電纜如何布局？插拔方便嗎？

18.從模組和整機(jī)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(guān)鍵交互模組，系統(tǒng)誤差分配是怎么樣的？

20.哪些設(shè)計需要做測試驗證？如何簡單驗證，驗證的關(guān)鍵結(jié)果是什么？

21.在裝機(jī)之前，模組需要做哪些測試？有準(zhǔn)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。

相關(guān)閱讀：

1.《如何用連桿機(jī)構(gòu)，把水平運動轉(zhuǎn)為垂直運動？含案例剖析》

http://www.xa-space.com/thread-994066-1-1.html

2.《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？》

http://www.xa-space.com/thread-1005201-1-1.html

3.《記三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)計經(jīng)歷》

http://www.xa-space.com/thread-993787-1-1.html

4.《機(jī)器人末端的快換裝置，有哪些設(shè)計要點？》

http://www.xa-space.com/thread-1004402-1-1.html

5.《分辨率，定位精度，重復(fù)定位精度三者之間有什么關(guān)系？》

http://www.xa-space.com/thread-986466-1-1.html

start_00000000

哥，我想知道這些是你的原創(chuàng)嗎？ 還是轉(zhuǎn)貼？

羅羅日記

|start_00000000發(fā)表于 11-03 11:10哥，我想知道這些是你的原創(chuàng)嗎？ 還是轉(zhuǎn)貼？

歷時一個月，絕對只出原創(chuàng)，可關(guān)注我公號:羅羅日記，我在公號首發(fā)

sull

真心佩服！

羅羅日記

|sull發(fā)表于 11-03 11:28真心佩服！

需要老鐵們的支持，我一個人寫文精力有限。

如果你有好的，有趣的故事或者項目，或者技術(shù)討論，甚至畫圖經(jīng)驗，歡迎提供素材，我們也可以聊聊，我太缺創(chuàng)作伙伴了，你來嗎？

new_comer

哈哈，樓主起的標(biāo)題絕對博眼球，爆款文章即將出爐

確實干貨，贊

羅羅日記

|new_comer發(fā)表于 11-03 12:05哈哈，樓主起的標(biāo)題絕對博眼球，爆款文章即將出爐<img class="emotion" src="http://www.xa-space.com/static/image/smiley/default/lol.gif" smilieid="12 border=" 0"="" alt=""><br>
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確實干貨，贊

其實我還有一個標(biāo)題，加兩個字“賺錢”：

《首次揭秘機(jī)械工程師的工作內(nèi)幕，內(nèi)含絕密賺錢項目，千萬別外傳》


我感覺這個更好，但是怕你罵我俗氣，所以把賺錢去掉了

liuzheng8

能寫這樣資料的   應(yīng)該拿年薪的有好幾年了吧  厲害

yinzengguang

樓主屬我同類

羅羅日記

|yinzengguang發(fā)表于 11-03 16:12樓主屬我同類

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