自动化机构设计：选型标准件的实践与介绍

本书前三章给广大读者介绍了行业新人应知必会的一些设计知识，由于篇幅关系，无法面面俱到，希望大家能够以之为线索，自行拓展加强学习，只要功夫下到了，进步会很快的。接下来，再为大家分享一些从业经验，主要是设计方法和技巧。

企业应用级别的非标设备很特殊，如图4-1所示，由于是量身定制性质，所以设计时的考虑要点很多，不是仅有机械设计基础就可以了。例如，在进行分割器选型时，少不了要拟定一些工况和设计要求，就是所谓的已知条件，然后再按部就班地进行选型计算和分析。从设计的本质看，给出已知条件的那个过程就是设计内容，到了能用公式解决的部分（虽然也很重要），反而不算真正意义上的设计了（如果非要叫设计，对实战的意义而言，顶多就是学生的毕业设计）。

图4-1 非标设备的特殊性

或者可以这么来理解，若思维局限于设备或机构本身，则往往会以失败告终（我在“入门篇”对机构之外的内容着墨很多便是这个原因）；如果能牢牢抓住非标设备的定制特性，全面评估，运筹帷幄，结合设备或机构方面的基础和能力，则能大大提高项目开展和运作的顺畅度和成功率。

一个非标设备项目能否成功，取决于很多因素，基于大量案例的总结结果如图4-2所示。例如前期的项目调研工作（项目基本信息、行业既有资源、解决什么问题等）是否做充分；例如实施过程中自己的九大“应知必会”和“铁人五项”是否足够扎实；例如对于项目的约束和条件（产品、工艺、品质、现场、指标等）的把握是否足够准确合理；例如对客户状况、需求和关注点的评估是否真实客观；例如对技术可行性的评估是否到位……都或多或少会影响到项目，这也是为什么非标机构设计看起来容易，但真正去做的时候会感觉困难、障碍很多的原因。

图4-2 非标设备能否制作成功的影响因素

机构设计，就是有预见性地赋予设备新的功能和数据。预见性何来呢？主要依赖于个人经验、相关资料、他人指导。作为初学者而言，显然经验是欠缺的，也未必有机会得到他人指导，所以很关键的一点就是要善于查询和收集相关资料。换言之，接到一个具体的设计项目，第一反应不是风风火火开始做方案，而是调查和处理相关的信息，包括项目具体信息，行业既有资源，项目问题点、难点等。换言之，从实战的角度看，非标机构设计的实战流程如图4-3所示。

图4-3 非标机构设计的实战流程

（1）信息处理 在做非标机构设计之前，这是一个不可或缺的环节，必须做好充分的评估和确认工作。信息处理的要点如图4-4所示。

（2）物料流向 从物料到产品的过程，应该采用什么类型的流向，是设备方案制作的重中之重。典型的非标设备物料流向如图4-5所示。

图4-4 信息处理的要点

图4-5 典型的非标设备物料流向

（3）工艺布局 对生产线而言，是设备的布局，对设备而言，是机构的布局，要能符合现场和制造流程以及工艺的要求，呈现的是一个大局方案或总体规划。至于表达的方式，没有特别要求，但最好能做到具象化，某产品的组装生产或布局如图4-6所示，某组装生产或某台设备的工艺布局如图4-7所示，尽量避免用简单的文字或流程图来表达，因为一方面会影响和客户的沟通（客户看不懂也听不懂），另一方面不便于下一个环节——机构细化工作的开展。

（4）机构细化 在具体绘制机构时，一般先整体方案后做零件，有时因为零件问题会反过来修正整体方案，反复多次。对于工艺复杂的场合，考虑要全面细致，同时注意揉入细节描述，这样更能获得客户的技术加分和正面评价。

例如，在描述插端子工艺时，制程成熟，大同小异，都是三字诀：夹、切、插。但是，如果有个客户的端子比较细长，或者装配工艺不是很好实现时，简单三字诀就可能受质疑。如图4-8所示，大家看看下述三个方式，如果在报告中展示，客户会觉得哪个比较靠谱（除非有现成设备证明不需要导向功能，否则右边两种方案相对较容易接受，因为考虑到细长端子容易变形影响插针装配）？

图4-6 某产品的组装生产线布局

图4-7 某组装生产线某台设备的工艺布局

图4-8 考虑端子变形的“夹、切、插”机构方案

每个行业都有大量的资源积淀，需要从0开始绘制的机构几乎没有，大都是在原有基础上进行拓展和改进。初学者进入某个行业时，首先要多了解该行业常用的工艺和机构，然后到了自己设计的时候，才会有方向和素材。图4-9所示是一台连接器插针设备的机构，当有些基本认识之后，遇到类似的项目，就大概知道要怎么来着手进行设计了。

图4-9 某台连接器插针设备的机构

可能读者朋友们就有问题了，这不是让我来抄袭吗，那设计师的价值体现在哪里呢？其实答案很简单：从来都不看别人文章就能下笔如有神的天才作家有几个？才刚入行，凭着一腔创新和发明的热血和骨气，就能够做出颠覆行业的设计吗……先踏踏实实把已经有的东西学会搞懂、化为己有，等自己成为技术担当或行业专家时，再来谈研究和创新并不晚。

事实上，如果各行业的机构真的能够做到拿来就用，那就太完美了，问题是现实情况恰恰相反，每个新项目，无论是有成功的案例借鉴，还是找到了多类似的参考资源，总要费不少精力去做设计工作，去解决各种非标的问题和困难，有时甚至无从下手，并不像想象的那么容易，这是非标设计工作的特质。例如，做过一个某产品的组装设备，生产周期2s，现在有另一家客户需要同样的设备，但要求生产周期缩短到1s（哪怕不合理），我们就不能随便套用成功案例。我们也许可以据理力争，最后争取到客户的让步，例如把生产周期定到1.5s、1.6s，却很少能够让客户完全妥协，因为市场还有很多竞争对手，你做不到或不愿意做，自然有人会做。

构思，就是根据项目已知约束和条件，想着能够怎么来实现，主要发生在方案（包括3D制作）拟定阶段。从学习的角度看，是有一些方法和技巧的，如图4-10所示。例如以产品为核心，从工艺入手，做动作模拟，把握好细节……详情参考上册《自动化机构设计工程师宝典入门篇》第96～99页介绍。

以“动作模拟”的构思方法为例，顾名思义，就是模拟人工作业，进行机构/设备的设计，适用很多散件组装的情况，有一定原则和技巧，如图4-11所示。

图4-12所示是某款内存条连接器的卡扣装配细节，构思过程如下。

（1）动作分析 首先需要将卡扣摆一个角度（假设10°）插入塑胶，在卡扣的圆凸台进入到塑胶卡槽内后，需要将卡扣摆回原来直线状态继续插入塑胶，直到卡扣的圆凸台和塑胶的圆孔重叠。

（2）动作提炼 主要有两个动作同步进行，一个是往前插的直线动作，一个是摆动动作，两个动作之间必须有明确的位置关系（往前插的过程，什么位置该摆动要确定），因为在产品组装过程中，卡扣摆动得过早或过晚都装不进塑胶。此外，由于卡扣在往前直线运动的过程中，卡扣需要摆动两次，说明这个直线运动采用普通气缸驱动是难以实现的。

图4-10 典型的非标设备物料流向

图4-11 机构设计构思方法之动作模拟

图4-12 卡扣装入内存条连接器（塑胶）的工艺

（3）动作优化 所谓的直线动作当然好实现，但摆动呢，是不是要有确定的轨迹或是曲线？这就需要试验或判断，找到最简单的动作方式，例如不需要走复杂轨迹，那么就可以进一步简化为小角度的圆周运动。

在上述基础上，就可以把产品（塑胶和卡扣）展开，设计塑胶怎么走料，卡扣又怎么供料和上料，然后在工艺位置，通过装配机构来实现上述动作，完成产品装配，细节如图4-13～图4-15所示。

到了这里，读者朋友们可能会觉得机构看上去挺简单的，设计并不困难。这是一个认识误区，机构的简单或复杂，并不是衡量设计难度或价值的标准，就像很多文学作品，难道那些词句、文字我们都看不懂吗，但也许就那么简单地组合一下，就是一部优秀的文学作品。

图4-13 塑胶和卡扣的物料流向和机构布局

图4-14 装配动作的机构实现

事实上，该行业的自动化的确较为普及，但某产品的工艺却没有人做过（笔者在做信息处理时，费很大劲也没有查找到能够借鉴的资料，最后只能研发），这说明什么呢？非标机构设计的难度，往往不会直接体现在设备有多少个零部件，或者采用什么高精尖的技术。同样的产品工艺，可能有的设计人员会想，用两台工业机器人来实现不是更容易？那当然也是一个思路，但问题是，老板会同意花几十万元来实现这个仅耗1个人装配的生产工艺吗，或者反过来，有些设计人员可能尝试想用简单的方式，但一时半会儿没有找到有把握的设计思路……

要在设计工作上有一些创新和成就，是需要一些努力和能力的，这不是一日炼成的，提高设计能力的建议如图4-16所示（“三部曲”指的是信息处理、物料流向、机构布局）。

图4-15 非标设计的夹爪（夹紧+摆动）

图4-16 提高设计能力（不是绘图能力）的建议

以“工艺入手”的构思方法为例，图4-17所示是一个变压器骨架产品（物料如图4-18所示），要求设计一台小型的设备，将两根散料端子插入到（塑胶）骨架，并完成折弯工艺。设计要求为①本工装属于桌面型，体积不要太大；②人工放塑胶骨架，自动推动骨架移动；③针脚采用振动盘方式，一次出两根针；④插针进去的位置可调节，可前后移动；⑤压痕的位置可调节，可前后移动；⑥压痕的深度可调整；⑦打弯与塑胶面平行；⑧塑胶不能断裂。从机构上来说，这个案例是一个非常简单的插针机，但是其设计意义比类似的插针机要更大一些，体现在产品工艺的改进上。

构思流程中，首先是“三部曲”，如图4-19所示。

图4-17 小型插针设备的设计要求

图4-18 变压器骨架的塑胶和端子

a）塑胶 b）端子

图4-19 非标机构设计构思“三部曲”

例如信息处理，通过网络找到了该插针和折弯工艺的类似案例（不完全一样），如图4-20和图4-21所示，但在充分了解客户的特定要求后做出判断：插针工艺和机构可以借鉴，直接修改成如图4-22所示的机构，而针脚折弯工艺和机构（旋转式）则不适合当前客户产品（因为空间限制），必须另行设计，最后决定把针脚折弯工艺设计成模具式，如图4-23所示，细节如图4-24所示（预折-终折-终压……）。

例如物料流向，根据“简单要求”“工艺单一”，设计成工站型（桌面型），把产品展开成物料，并评估好怎么供应和输送塑胶和端子，如图4-25所示。

例如机构布局，需要设计和绘制的机构包括插针机构、摆塑胶机构、折弯机构、机架、振盘、直振等机构和装置，如图4-26所示，最终该小型设备方案（3D）如图4-27所示。

由上述内容可见，本案例的设计和构思，一方面受客户特定要求的制约，另一方面也是靠对工艺实现的理解深度和广度来驱动的。如针的折弯工艺，手头上只有旋转式折弯的技术储备，我们能判断它不适合该产品工艺，说明对该工艺比较了解，但如果没能找到其他解决方案，就很难再进行下去，说明从事非标机构设计，眼界也是非

图4-20 某产品的散（方）针插针机

图4-21 某产品的（方）针脚折弯设备

图4-22 经过二次设计的插针机构

图4-23 针脚的折弯工艺（模具式）

图4-24 折弯工艺动作的拆解

图4-25 该小型设备的物料流向

图4-26 该小型设备要细化的机构

常重要的，知道得越多，思路就越开阔，而什么场合用什么机构，就是很重要的构思能力了。

图4-27 该小型设备的最终方案

设计细节，就是工艺的具体实现方式，同样的方案，细节处理不同，结果可能就有差异。所谓细节决定成败，自动化机构设计也是这样，有很多细节需要讲究。无论方案做到什么程度，最后都要落到细节实处，因此认识和经验不足很容易导致捉襟见肘。初学者在设计细节这方面的掌控是比较薄弱的，所以很容易产生各种工作困扰。如很多细节不确定合不合理，心里有点忐忑；如机构明明很简单，但产品、工艺、要求或现场条件等变更了，就感觉难以下手；如有一些经验了，但遇到复杂或困难的场合，思路不开阔，“不知道怎么做”；如借鉴了成功案例，但在实施后，却遇到各种各样的问题和“放枪”（疏漏）……

人家说，这个人挺有经验的，除了指他什么都会做，其实更重要的一层意思是，这个人在做某个机构时，能够非常全面地考虑和充分做好细节。细节一定要经过“大脑消化”，并且经常梳理，例如这些：机架用铝材，比较美观轻化，但要注意，一般适合测试或没有大动作的场合；如果机台本身有冲裁或剧烈运动的机构，则容易晃动，最好采用方通（如果需要更稳点，内部还可以灌砂）。收料架或端子盘需美观、轻便，如非必要，不要从设备单独出来，应该和机台做到一起。如非必要，不要把机构坐在底板下面（例如切废料部分很多人做在大板下）。细薄产品，物料的一点飞边瑕疵都会造成流道卡料。电控箱内部需做隔离，以防端子掉进去……

总之，大家务必多多见识，多多思考，多多总结，积少成多，积多成精！

从设计的需要出发，设计细节大概有四类，如图4-28所示。

（1）观念细节 两个从业经验接近的人，如果做出来的机器水准有距离，往往是观念使然（做技术的人，要改变观念比较困难）。观念细节包含三个重点：安全性、维护性、人性化。

图4-28 机构设计细节的类别

（2）功能细节 设备有评价指标或参数，要比拼谁的效率高，谁的品质好，谁的价格低……这些都要靠设计细节来支撑。

（3）外观细节 除了功用，大家都想把机器做美观点，自然也离不开细节的呈现。

（4）其他细节 或者干脆叫做法，同样方案下，A这样做，B那样做……

为了加强读者对于细节重要性的认识，下面掠影式介绍一些案例。

（1）观念细节 安全性方面如图4-29和图4-30所示，维护性方面如图4-31所示，人性化（人机工程学）方面如图4-32和图4-33所示。

图4-29 观念细节——安全性（一）

图4-30 观念细节——安全性（二）

（2）功能细节 如果说观念细节做不到位，还不至于让设备扣太多分，可以混过去，那功能细节的疏忽或不足，则几乎决定了设计的成败，没有最好，只有更好。举个例子，如图4-34所示，两个铜片要铆合到一起（将其中一片的凸台外翻并压紧到另一片），冲针的设计就很重要，设计成不同的形状和尺寸，就会有不同的铆合效果。图4-35所示的几种形式，最早做成左边形式，铆出来的外观

图4-31 观念细节——维护性

图4-32 观念细节——人性化（一）

图4-33 观念细节——人性化（二）

较好，但保持力不够（一拉就分开，凸台翻边不足），根据持续改善的经验，右边的形状铆合得最紧。如果有这样的细节储备，一旦遇到类似的项目，就可以一步到位，减少设计的摸索。

图4-34 铜片的铆压工艺

图4-35 冲针的头部设计（改进）

一般来说，初学者可以在以下几个方面，加强设计的功能细节修炼。

1）深入了解产品特点和工艺特性，如图4-36所示，插完端子后需要将料带折断或摇断，但是预断位置偏离塑胶一个距离的话，则在实施工艺时要考虑对端子的保护，否则可能会导致端子变形；如果预断位置跟塑胶面平齐或伸出长度很短，则可以直接折断或摇断。

2）掌控机构的动作，避免及消除模棱两可的情形，图4-37所示是一个插针机构的送料（连料端子）部分，要考虑一些问题，例如物料用完了，需要停机换料，例如物料重叠（两段物料的接口，由于是人工拼凑一起，厚度和尺寸均不一致）时，需要报警由人工来清理（否则会在流道卡住）……如果这些功能细节没做或做不好，故障就会频发。

图4-36 折断或摇断料带应考虑预断位置偏离塑胶的长度

图4-37 插针机构的检测机构

3）博闻广识，多记录多总结，听到的，看到的，现在未必用上，但以后可能有用。如图4-38所示，左图是一个插针机构，加了隔音罩和LED灯，右图是包装机上的废屑抽吸装置，类似这样的细节，如果在必要的时候用上，将会大大提高设计的合理性，因此平时应该多看多积累。

（3）外观细节 设备的外观，本质上是设计合理性和讲究的一个结果，所以也可以认为外观细节是属于观念细节的范畴，这里分开来说明，是因为外观设计越来越重要，所谓“佛要金装，人要衣装”，设备缺乏“看点”，扣分也挺严重，具体将在本章4.3 节再单独论述。

图4-38 冲针的头部设计（改进）

（4）其他细节 非标自动化设备非常庞杂，所以细节要素也多如牛毛，难以在有限篇幅罗列完，下面再补充一些，如图4-39～图4-48所示。

图4-39 考虑两相对运动零件磨损情况的设计细节

图4-40 考虑零件拆卸的设计细节

总之，细节，细节，还是细节……

细节是实实在在的东西，平时要多学习和积累，从现在起，请大家努力建立一个强大的细节应用仓库吧！所谓应用仓库，就是保存一些有设计细节的机构或案例，等设计需要的时候，就可以便捷地调用。仓库中的素材来源是很多的，例如各种技术资料，例如来自客户的回馈，例如部门同事的头脑风暴，例如行业展会、论坛等，如图4-49所示。

以“改善回馈”为例，只要经常关注客户或生产部门的设备检讨或改善记录（不要轻视，那些往往是多数设计人员容易忽略和不足的地方），引以为戒，加以规避，无形中就等于设计水平的提高。很多所谓做自动化的，都瞧不起其他部门做报告的人，但是有没有花点心思去阅读下他们的报告或反馈呢？也许不是每份都值得去看，但只有多去看了，才会挑出一些有用的细节素材，见表4-1～表4-4。

表4-1 生产部门改善案例（一）

表4-2 生产部门改善案例（二）

表4-3 生产部门改善案例（三）

表4-4 生产部门改善案例（四）

图4-41 考虑零件加工的设计细节

图4-42 考虑后期维护的设计细节

图4-43 考虑人工摆放产品舒适性的设计细节

图4-44 考虑大板与机架可靠安装的设计细节

图4-45 考虑物料输送碰触变形的设计细节（右图较优）

图4-46 考虑零件装配基准与定位的设计细节（右图较优）

图4-47 考虑产品导向和零件紧固的设计细节

a）产品导向 b）螺钉紧固

需要特别强调的是，机构的应用仓库是设计人员的技术储备库，是需要用心经营的，个人的建议如图4-50所示。(www.zuozong.com)

图4-48 考虑零件加工经济性的设计细节

图4-49 应用仓库的素材来源

图4-50 机构应用仓库的经营要点

外观设计，不是给设备雕龙画凤或镶金戴银，是一种合理化的考究和锤炼，呈现出来更多体现为技术美感。方案合理、机构优化做到位了，美观自然而然就会有所呈现，要是觉得自己的设备很丑，多半是合理性或优化功夫不足。也就是说，判断设备的美丑，理性成分占大头，如图4-51所示，一看整体风格（适合所有人），二看局部细节（适合技术群体）。如果认为自动化设备的外观设计可有可无，那就一定是没有认识到外观设计带来的潜在好处（见图4-52）。

图4-51 自动化设备的美观更多来自理性的判断

不妨设想下：您是某用人单位的技术主管，来了三个面试人员，均提交了作品案例（姑且不论作品实际做得怎样，只看它的照片或截图），那么对于各自的身价，您难道不会有如图4-53所示的评估趋向？

很多设计大师都说，工程师要有工匠精神，要把设备当作艺术品来雕刻，那为什么我们往往做不到呢？原因就在于大多数从业人员没有把设备当作一个产品来看待，更没有研发的概念和合理的产品设计流程，如图4-54所示。

图4-52 设备美观带来的潜在好处

有些人可能会觉得，美观这个概念是见仁见智的，很难扯清楚。所谓萝卜青菜，各有所好，对于美好的事物，人们的观感确实是千差万别的。但是，技术上的美观不一样，如上所说，更多体现为理性美，包含整体风格和局部细节。对于整体风格，一般容易打印象分，图4-55和图4-56所示的两组设备，显然后者更具观赏性；对局部细节，则需要具备一定的鉴赏能力（技术水平），如果我们暂时发现不了，只是说明功力不足，但随着自己技术经验的提升，这种能力也会慢慢得到提升。

图4-53 外观设计能提高作品印象分

图4-54 产品的制造从工业设计开始

图4-55 自动化设备（一）

如果进行一个总结，要想把设备外观设计得高大上（美观形式之一），有两个重点。

1）正视图、侧视图看上去饱满充实（≠花哨），如图4-57和图4-58所示，右图相对要美观些。

图4-56 自动化设备（二）

2）俯视图上，模组化布局明显，各个机构一组一组地协调布局于机器大板上，如图4-59所示，下图设备虽然更加复杂，但模组化布局明显。

图4-57 右图设备相对饱满充实（一）

不同行业设备外观可能有差异，但基本原则差不多，一看大局，二看细节。设备整体格调要想大气、壮观，首要一点肯定是看上去有料，其次是注意合理充分的展示细节（如防护罩的折角处设计成圆弧形），如图4-60所示。

有些人把设备外观设计简单理解为“机座/机架+机罩”的颜色和线条设计，这有一定道理，但还不够完整。所谓设备美观，是要考虑很多受众的，如图4-61和图4-62所示，更多来自于技术同行的观感，因此不是披个“马甲”就够了，还需要有大量的细节来打动这个特殊的群体。

那么，具体要如何来加强学习，才能把设备的外观做好呢？如图4-62所示，首先整体方案要以客户为导向，其次是机构的布局要协调、可靠，再者是零件的“长法”要合理，同时留意下高端设备颜色与外形的搭配特点，此外要有良好的绘图习惯等。

（1）整体方案 方案必须要和特定客户的喜好、标准、要求相吻合，如图4-63所示。要着力于提高外在印象分（包含风格、色调、人性、布局等），如图4-64所示。有些标准的设备，如图4-65，是很好的学习素材，可多揣摩和总结其外观设计讲究的地方。

图4-58 右图设备相对饱满充实（二）

图4-59 下图设备模组化布局明显

（2）机构布局 大概有三方面的内容需要讲究，例如标准件优先，理论依据为主、感觉为辅，以人为本，如图4-66所示。例如以人为本，意思是设备要针对不同群体考虑到一些设计细节，如图4-67所示。例如头重脚轻、逗积木、悬臂之类的结构，不符合力学规律，看上去也有问题，应尽量避免，如图4-68所示。例如标准件优先，一方面是因为多数场合标准件有成本优势，另一方面是专业厂商制作的，外观和性能一般占优。总之，只要有心，可以发现机构布局是有很多要讲究的，如图4-69～图4-73所示。

图4-60 外观讲究的非标设备

图4-61 外观设计要打动的受众

（3）零件的“长法” 机构都是由零件构成的，除了机构的布局要协调外，零件本身的“长法”也要有所讲究，主要体现在三个方面，结构合理，有过渡和导引，适当补强与掏料，如图4-74所示。经验丰富的设计者在绘制零件时，几乎都会有这些方面的考虑和处理，反过来说，有时候根据零件长法几乎可推测出设计者的大致经验。如图4-75所示，相关的零件通过箭头所指的方式去设计，视觉效果自然而然就出来了。如图4-76所示，零件非常薄弱的时候，过渡是非常重要的，应逐渐过渡，不能随便“长”。

（4）感官协调度 如图4-77所示，主要指的是外形尺寸（落差大）、色调（不统一）方面的讲究，要考虑人的观感和审美趋势。

（5）绘图习惯 机器图档是静态的，但最终的实体机是要动起来的，必然牵涉到方方面面的细节元素，例如电线、气管、物料，包括一些调整维护上的假设空间（假

图4-62 内功是怎样炼成的

图4-63 整体方案包含客户关注的重点

图4-64 提高外观设计印象分的重点

图4-65 标准设备是很好的学习素材

图4-66 机构布局的三大准则

图4-67 机构设计以人为本的考虑重点

图4-68 不符合基本准则的三大设计（尽量避免）

图4-69 机构布局要考虑协调（避免随意性）

图4-70 机构要考虑电线、气管的布置

图4-71 平滑过渡设备的转角、折角

图4-72 防护罩起安全和美观作用

图4-73 其他各种体现设计思维的细节

图4-74 工件“长法”三大技巧

图4-75 考虑零件的受力、过渡

图4-76 细薄零件的“长法”

a）差 b）好 c）最好

图4-77 提高感官协调度的形与色

设空间不是幻想或无意义的，例如拧一个螺钉需要多大空间，就要先了解扳手大小及拧的方式）……这些都需要设计者提前规划，也是经验丰富与否的重要体现之一，如果考虑不周，到时就会有这补一块那挖一个洞，把本来良好的外观预期整得面目全非。因此，3D图样的表达效果很重要，如图4-78所示，应尽量逼真，适当渲染，最好能动态化，具体处理方式也很多。

图4-78 3D图样的表达效果

机构布局和标准件完整度越高，机台越好看，如图4-79所示。工程图样不是抽象画，所以需要完整清晰表达，虽然详细未必就一定美观，但美观的一定是详细的，零部件应该完整到位，包括一个接头，一根光纤，一个开关，甚至一个仿形作业员。

图4-79 机构布局和标准件完整度越高，机台越好看

增强图样可读性有一些基本的方法，例如让静态机构动起来（点灯、动作模拟曲线、辅助件点缀……），如图4-80所示。还例如相似功能或相同工件尽量用相同颜色、同种色彩，可以分重轻去标示，但不要五颜六色，整体色彩要淡化，尽量用实物颜色（如模具弹簧、端子、三色灯、料盘、机架、铝合金、产品本身……）。

（6）其他提示 与其说外观设计是一种设计技巧，不如说它是设计人员的自我追求。图4-81所示的机构，有的人会觉得乱糟糟，有的人可能不以为然。觉得乱的人，在设计时一定会想着，如何把气管、电线藏（起来）、束（捆扎）、理（清楚）、（标）识（好）、（保护）护……美观，自然而然就出来了；反之，觉得还好的人，就顺其自然了。

最后从学习的角度做个总结，要把设备做得美观一些，初学者需要在整体方案、机构设计、审美能力、图样表达方面努力，建议如图4-82所示。具体的学习途径也很多，如图4-83所示。

图4-80 让静态图样动起来

图4-81 气管、电线布置考虑不足的情形

图4-82 外观设计可以努力的四个方面

图4-83 设备外观设计的学习途径

从事非标机构设计的人员都有一个感慨：干这行的，没有哪个项目不出纰漏的。但是，这话只说对了一半，从业多年，的确没有发现有非标项目能按规划标准化运作的，但是，有很多的问题，设计人员只要稍微用点心、动点脑、费点劲是可以避免或减缓的，最起码能避免重复发生，例如以下这些情形。

（1）缺乏解决问题的能力或意识（个人原因） 例如设计直线型机构布局设备的X-Y移料机构（拨爪）时，经常遇到整组拨爪机构长度偏大的情形（如1m以上），这时很多设计人员会考虑到受力均衡的问题，给机构的两端（有线性导轨）各加一个（气缸）动力，如图4-84所示。这个考虑本来无可厚非，但是会带来另一个问题，两个气缸的动作做不到同步，会导致两边受力不均衡，如果导引件选得不够强劲（或气缸选得太强劲），则很容易受到破坏（如果气缸偏小或导引件足够强劲，则一般问题不大，所以这也是一个解决问题的办法）。

图4-84 X-Y移料拨爪机构

遇到这样的问题，不同经验或思维的设计人员就会有不同的解决方法。有的说，让一个电磁阀控制两个气缸，有的说，改用凸轮控制转轴的方式，有的说干脆用一个气缸……事实上都没有解决问题，或者解决得不够巧妙。

换个思路，如图4-85所示，同样用两个气缸，既然不同步，就把两边一分为二，改为柔性连接（一个U形工件，一个凸轮随动器）。这样两边在Y方向相互影响不大，X方向能维持原有的精度，动作也没有什么变化。而且，这种做法的好处在于，即便这组机构再长也适用，只要拆解成若干个单元再连接起来即可。

图4-85 解决两气缸不同步的简单方法

那么这种解决问题的方式是从哪里来的呢？一定要经验丰富的老工程师才想得到？不是的。一个注意是要在平时多留意和积累一些别人的巧妙机构，另一个要注意解决问题的基本能力（如果对气动有深刻认识，就不会认为一个电磁阀可以实现两个气缸的同步动作）。

（2）设计过程不够严谨（个人原因） 设计新人完成作品后，一般需要提交给上司或老板审查，挨骂是常有的事。而最直接的导火索，往往是他认为该设计缺乏严谨的态度，用个俗语叫“瞎搞”。

所谓严谨，未必一定要有缜密的计算分析，而是说不要经验至上或者稀里糊涂（这种坏习惯也容易发生在一些基层成长起来的资深工程师身上）。图4-86所示的线性移动机构，左图的明显是过定位，安装和固定时很容易因为搭配问题卡死、憋死，所以应该设计成右图的模式。

图4-86 线性移动机构

a）过定位 b）常用

老板或上司看图样，一般着眼于大局方面，即：①大致转几下视图，看机器布局协调度；②核对组装流程是否符合预期；③检查装配工艺实现方式的可行性和稳定性；④跟人相关的部分，如作业空间是否留够；⑤检讨和质疑他没见过的机构——你要有足够的理据佐证，否则他心里也是悬的。因此，本书零零碎碎提到的那些知识点，设计新人可不要一眼扫过，最好能融合到自己的设计中去。

此外，要让设计严谨一些，就不得不提提计算分析这个方法。类似物理规律和数学分析计算，是很多基层成长起来的初学者比较头疼的事，例如看公式很简单，但总是算不出来或算出来的结果不正确。这个一方面跟基础薄弱有关系，另一方面是没把握到方法，例如计算比较容易出错的原因是混淆量纲，可以总结一下，见表4-5。实际需要计算的时候，要么把所有量统一为国际单位制，然后对比公式按部就班来进行，要么就按常用的工程单位制和现成的推导公式来直接计算，一般不会出错。

举个例子，已知转矩T=9.8N·m，转速n=60r/min，不考虑效率，试计算电动机的功率P（单位是kW），则可以这样进行：

1）国际单位制方式（已知参数量纲和公式的不一致，先进行转化）

ω=2πn/60=2×3.14×60/60rad/s=6.28rad/s

P=Tω=9.8×6.28W=61.54W=0.06kW

2）工程单位制方式（已知参数量纲和公式一致，直接代入）

P=Tn/9554=9.8×60/9554kW=0.06kW

那么，公式中的9554又是怎么来的呢？事实上它是一个系数，因为原始的公式是P=Tω，如果量纲和已知量的不一致，会导致计算过程需要换算，如果提前把换算的关系推导出来，即P=Tω/1000=T2πn/（60×1000）=Tn/[（60×1000）/2π]=Tn/9554，这样就可直接代入，大大简化计算。

表4-5 常用单位的量纲

要特别提醒的是，非标机构设计所涉及的技术参数，能够精确量化的情形不多（不然就不叫非标机构了），大多数情况都要根据项目要求和案例经验来确定，实际数据可能会有些调整或变化，有时甚至大跌眼镜。例如设计的时候，机构的动作周期是1s，但实际运作起来，发现只有调整到1.5s才能稳定作业……类似情况比比皆是。所以很多初学者会觉得非标机构设计无章可循，这是正常的，原理性设备跟生产型设备差别很大，后者有太多的不可控因素，尤其牵涉到产品工艺方面，是很难算出来的。也就是说，要用计算这个工具，首先得保证已知条件可以量化或有确定的数值（如涉及电的部分机构），否则即便算出的结果再漂亮也没有任何实践意义。

尽管如此，提升机构成功率和可靠性，还是不能忽视机构本身的原理、规律、方法，离开了这些有理有据的分析计算，有些设计也是无从下手的，经验也不是万能的，做任何判断总得有所依据（哪怕是粗略的）吧？说经验更重要，问题是每个人都有第一次，鉴于经验的缺乏，你还是得有一个严谨的分析和确认过程，否则会“挂”得稀里糊涂（××都说可以这样做，为什么我就不行呢）。

（3）从业态度有待改进（个人原因） 笔者曾经到一家民营企业短暂待过，在评估部门一个工程师画的图样（见图4-87）时，跟他说，你的气缸不小，固定块要补两个加强肋，他说，以前都这么做的，为啥要浪费成本呢？一时无语。如图4-88所示，我又说，你这个机构头重脚轻，有点像逗积木，不太符合机构设计的原则，看看能否修改下，他说，空间就那样，改不了啊，这里又没受什么力，肯定没问题。结果，前一个机构一动作摇来摇去，后一个机构每次拆下来装回去总是对不到位置。后来，我特别关心这位工程师，终于了解到，他是从基层成长起来的，跳槽非常频繁，而且几乎每次都是被公司开除的，后来我也把这尊“神”请走了。

图4-87 不考虑机构刚性的设计

图4-88 头重脚轻的逗积木结构

类似上面这种设计，我们可以认为模棱两可、见仁见智，因为很难用数据来量化，但是不代表可以脱离机构设计的基本原则，可以天马行空到无所谓。机构设计，跟工业设计类似但不太一样，后者只要造型，前者还要功能。如果说设计人员有一些起码的意识，能够听取别人的意见，我想就能少干很多滑稽的事。不能奢望每个老板或上司都精通于技术，但是大多数的批评、意见对新人来说，还是有助于成长的（即便随着个人能力的提升，你会发现当初的老板或上司也有很多错误的地方），在没有把握和依据的前提下，不要轻易跟老板或上司对着干。

（4）沟通工作没做到位（综合原因） 因为这种原因造成的纰漏还是挺多的，例如连料产品的输送，看错图样或者理解错误，结果把左右进料颠倒了，导致最后必须去改机构，既浪费时间又浪费成本……在“入门篇”谈了很多，这里不再赘述。

（5）项目管理推进失控（公司层面） 所谓心急吃不得热豆腐，客户或老板天天催进度，或者遇到项目要求不断临时变更的情形，整个项目进展混乱，难免增添各种问题……这种工作状态下，要么因为构思不充分而容易出现些设计纰漏，要么因为绘图太匆忙而出现些绘图或数据上的偏差，从而造成大量成本浪费。企业应该检讨和反省，员工的能力和精力毕竟是有限度的，做事又快又好的，毕竟不多，出了问题就责怪员工不负责、不勤快，这不是很公平。

细心的读者可能会有疑问，本书没有提到凸轮、连杆之类的机构，甚至连轴的设计都没涉及，难道这些都不需要学习掌握？当然不是，原因在于设计新人基本上没机会接到这类机构的设计任务轴系机构相对比较繁琐，将在《凸轮机构设计七日通》展开论述，反之，到了那个阶段，事实上已经不是本书的阅读对象了。

非标自动化机构设计是一项涉及方方面面的庞杂的工作，并不是仅仅精通机械原理或机构设计就能轻松驾驭的，在本书的姊妹篇（“入门篇”）也给大家以漫谈的形式进行了介绍，希望广大读者对两册书都能够认真阅读。

此外，本套书名曰“速成宝典”，定位于让自动化行业技术新兵系统性了解非标自动化机构设计的基本特性和尝试，并快速上手进入工作状态，但并不能让读者朋友们迅速成为高手或专家，您还需要在工作实践中不断努力和提升！

要成为作家，不是光看看别人的作品就可以的，要写出情真意切的文章，还少不了生活的体验和感悟，当然更少不了大量的写作练习。同样道理，非标机构设计工作也一样，还有大量经验、知识是需要通过实战才能获取和验证的。

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