復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的三個(gè)設(shè)計(jì)建議

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復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的三個(gè)設(shè)計(jì)建議

       本人根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了復(fù)雜機(jī)械裝備，尤其是非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的三個(gè)設(shè)計(jì)建 議，分享給行業(yè)內(nèi)的朋友們，尤其是年輕的設(shè)計(jì)工程師。這三個(gè)建議分別是：1 穩(wěn)定化設(shè)計(jì)； 2 直驅(qū)化設(shè)計(jì)；3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

       1 穩(wěn)定化設(shè)計(jì)

       穩(wěn)定化設(shè)計(jì)就是在制定設(shè)計(jì)方案的時(shí)候，考慮方案在原理上的穩(wěn)定性（有些行業(yè)叫做魯 棒性 Robustness）。 我記得有個(gè)紀(jì)錄片曾經(jīng)是講張衡設(shè)計(jì)地震儀的時(shí)候，剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu) 總是出現(xiàn)誤報(bào)，后來(lái)他總結(jié)了誤報(bào)的原因，改進(jìn)了設(shè)計(jì)，就大大提高了地震儀的預(yù)報(bào)精度。那是一個(gè)典型的將不穩(wěn)定系統(tǒng)改進(jìn)成穩(wěn)定系統(tǒng)的案例，喜歡的朋友可以去找一下那個(gè)視頻。

       我舉兩個(gè)例子說(shuō)明穩(wěn)定化設(shè)計(jì)。第一個(gè)例子是，如果在設(shè)計(jì)杠桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)候，盡量 將驅(qū)動(dòng)放到省力杠桿的一端（既離支點(diǎn)遠(yuǎn)的一端），用費(fèi)力的一端（離支點(diǎn)近的一端）作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這樣的好處是，驅(qū)動(dòng)端的運(yùn)動(dòng)誤差被杠桿按比例縮小了。如果反過(guò)來(lái)用，則是被 杠桿按比例放大了。

       第二個(gè)例子是，我曾看到一個(gè)設(shè)備，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如下圖所示。設(shè)備是要把一根鋼絲推出 一定長(zhǎng)度，使推出的鋼絲端部進(jìn)入工作臺(tái)上的指定位置，然后工作臺(tái)上的其他部件對(duì)鋼絲的端部進(jìn)行加工。工作時(shí)：①送絲機(jī)構(gòu)夾住鋼絲向前推，鋼絲從導(dǎo)向機(jī)構(gòu)伸出；②鋼絲端部進(jìn)入工作臺(tái)以后，送絲機(jī)構(gòu)松開(kāi)；③送四機(jī)構(gòu)返回到初始狀態(tài)。

這個(gè)機(jī)器在使用過(guò)程中最大的問(wèn)題是不穩(wěn)定，因?yàn)殇摻z常常推不到指定位置。其實(shí)這就 是一個(gè)典型的不穩(wěn)定設(shè)計(jì)，因?yàn)橥瞥鰴C(jī)構(gòu)只能保證鋼絲在離開(kāi)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)的位置是準(zhǔn)的，但是如果鋼絲本身存在彎曲，伸出去的部分肯定會(huì)偏離預(yù)設(shè)位置。而原材料本身的差異是設(shè)備 無(wú)法控制的，這樣的不穩(wěn)定因素在這個(gè)設(shè)計(jì)中就無(wú)法控制。

       以下是對(duì)該機(jī)構(gòu)的改進(jìn)方案。在改進(jìn)方案中，取消了送絲機(jī)構(gòu)，把工作臺(tái)改成可移動(dòng)式。 工作時(shí)，①首先，使切斷的鋼絲在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)處伸出很短的一段，由于伸出的長(zhǎng)度不長(zhǎng)，因此位置比較準(zhǔn)確；②工作臺(tái)移動(dòng)到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)附近，夾住鋼絲的末端；③工作臺(tái)拉動(dòng)鋼絲到指定位置，松開(kāi)鋼絲。這當(dāng)然不是唯一解決方案，比如也可以使導(dǎo)向機(jī)構(gòu)夾住鋼絲送到工作臺(tái)， 然后再返回。這樣的設(shè)計(jì)都是偏向于穩(wěn)定的，鋼絲的質(zhì)量問(wèn)題不會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行。

       2 直驅(qū)化設(shè)計(jì)

       直驅(qū)就是直接驅(qū)動(dòng)（Direct Drive），常見(jiàn)的直線(xiàn)馬達(dá)，直驅(qū)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)都是直驅(qū)理念的典 型應(yīng)用。就像直線(xiàn)馬達(dá)和直驅(qū)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)一樣，它們都是直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，中間沒(méi)有任何傳動(dòng)部件，因此不但剛性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)高，且系統(tǒng)可靠性好。

       直驅(qū)化設(shè)計(jì)的理念是，在驅(qū)動(dòng)部件（如馬達(dá)，氣缸，液壓缸）和執(zhí)行部件之間盡量減少 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣的好處機(jī)械系統(tǒng)趨向于簡(jiǎn)單，穩(wěn)定。

我曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè) PCB 板的傳板機(jī)，當(dāng)時(shí)為了節(jié)約空間，我把硬限位塊設(shè)計(jì)成很細(xì)很長(zhǎng)，為了保證限位塊運(yùn)行順暢，我還增加了一個(gè)mini 直線(xiàn)導(dǎo)軌為硬限位導(dǎo)向，在很遠(yuǎn)的地 方用氣缸驅(qū)動(dòng)細(xì)長(zhǎng)限位塊的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)約空間的目的肯定是達(dá)到了，但是由于 mini 直線(xiàn)導(dǎo)軌很小，安裝螺絲更小，使用時(shí)螺絲經(jīng)常松動(dòng)，穩(wěn)定性很差。后來(lái)痛定思痛，釋放了 一點(diǎn)空間出來(lái)，將氣缸直接安裝在傳送軌道上，用氣缸的伸出桿直接當(dāng)做硬限位塊用，從此再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)任何問(wèn)題。

       我們?cè)趯W(xué)校里面學(xué)過(guò)很多種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，比如連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)。從技術(shù)上 來(lái)說(shuō)這當(dāng)然都是很好的東西，技術(shù)含量也很高，設(shè)計(jì)這樣的機(jī)構(gòu)很能體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的能力。但是，很多從事自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)和設(shè)計(jì)，尤其是非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)的朋友都知道，在現(xiàn)實(shí)應(yīng) 用中，設(shè)備的穩(wěn)定性是首要的，不穩(wěn)定的機(jī)構(gòu)沒(méi)有用戶(hù)愿意買(mǎi)單。直驅(qū)化設(shè)計(jì)能大大提高設(shè) 備的穩(wěn)定性。

       當(dāng)然我們也必須清楚，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，直驅(qū)化設(shè)計(jì)意味著要采用復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)， 這當(dāng)然會(huì)造成設(shè)計(jì)成本的大幅增加，如何在穩(wěn)定型和成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)也是設(shè)計(jì)者需要培養(yǎng)的能力。

       3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

       作為一個(gè)設(shè)計(jì)者，很多時(shí)候我們都會(huì)面臨兩個(gè)難題：一是設(shè)計(jì)任務(wù)中有沒(méi)有遇到過(guò)的部 分；二是設(shè)計(jì)任務(wù)有明確的時(shí)間要求，有時(shí)甚至是緊迫的時(shí)間要求。時(shí)間的緊迫性只允許我們進(jìn)行一輪設(shè)計(jì)驗(yàn)證。這種情況下，我們必須在一次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（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(yàn)設(shè)計(jì)沒(méi)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(yàn) 設(shè)計(jì)就能找出可接受的方案呢？方法就是增加試驗(yàn)因子和水平，其實(shí)就是增加測(cè)試的數(shù)量。說(shuō)白了就是花錢(qián)買(mǎi)時(shí)間。

       記得有一次我接到一個(gè)處理超黏流體的設(shè)計(jì)任務(wù)，而且時(shí)間比較緊迫?，F(xiàn)實(shí)問(wèn)題是我對(duì) 超黏流體沒(méi)有任何概念，匆匆了解樣品之后，我就開(kāi)始設(shè)計(jì)。所有需要接觸流體的零件我都至少設(shè)計(jì)了一種備用方案。關(guān)鍵部分全部從設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)，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(jī)零件的數(shù)量是實(shí)際設(shè)備零件數(shù)量的好幾倍。雖然這樣做 材料成本很高，但是我的確是在沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)的情況下，一次設(shè)計(jì)中就得到了一個(gè)非常理想的結(jié)果。

       實(shí)際工作中，我們的設(shè)計(jì)任務(wù)未必那么極端，但是對(duì)不確定的部分進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)往往能 有效縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

       以上是我在以往的設(shè)計(jì)工作中的經(jīng)驗(yàn)小結(jié)，希望對(duì)你有所啟發(fā)。

余余余l(xiāng)in

很好謝謝

liushaobo1989

   樓主用過(guò)怎樣靠仿真來(lái)提高成功率可靠性嗎？

y0221120

我感覺(jué)，仿假的多，仿真的少。對(duì)單個(gè)零件或者結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的裝配提，拿來(lái)仿仿還行。對(duì)于大型設(shè)備，邊界條件太多了，結(jié)果太不可信。對(duì)于研究機(jī)構(gòu)可以那么搞，企業(yè)不行。

受不了了

3個(gè)，你這總結(jié)得太簡(jiǎn)單了吧，我隨便跟你列幾個(gè)，零配件采購(gòu)周期，貨源，價(jià)格，材料，加工，裝配，調(diào)試，運(yùn)輸，安裝，使用，安全，維修，售后，兼容，通用，可靠，耐用，升級(jí).....嗯，關(guān)鍵是這設(shè)備可能最終試驗(yàn)下來(lái)還不成功

薄路章Luke

很好謝謝

游隼zbp

學(xué)習(xí)了，太厲害了，牛牛牛

原本初

漲經(jīng)驗(yàn)了

游隼zbp

值得學(xué)習(xí)

kun_sleepy

學(xué)習(xí)了