機(jī)械設(shè)計(jì)全過(guò)程

　　機(jī)械設(shè)計(jì)全過(guò)程
　　1.形成設(shè)計(jì)構(gòu)想和完善整體策略
　　機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程往往是從整體到局部細(xì)化的過(guò)程。所謂整體，就是指一個(gè)總的全局觀。比如拿到某個(gè)課題（設(shè)計(jì)某樣功能的機(jī)器），首先要在頭腦里形成一個(gè)總體的模糊性的設(shè)計(jì)概念（這時(shí)要考慮的是一些全局性因素）。比如要考慮客戶要加工的料的材質(zhì)（各項(xiàng)物理性能、硬度、強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、耐磨性、韌性、比熱、密度等），形狀（板材還是型材還是鑄件鍛件），再比如要考慮你所將設(shè)計(jì)的機(jī)床的大體尺寸，總高，總長(zhǎng)，總寬（考慮到實(shí)際車輛和道路運(yùn)輸情況再?zèng)Q定該機(jī)是散裝運(yùn)輸還是整機(jī)運(yùn)輸）。
　　在考慮這些大致方向性的基礎(chǔ)要素的同時(shí)也要同時(shí)考慮初步的機(jī)床功能實(shí)現(xiàn)方式。也就是采取何種工藝或方法來(lái)成型，就目前的成型方式來(lái)說(shuō)可分不去除材料的方式和去除材料的方式以及增加材料的方式。
　　不去除材料的方式有：鑄造、鍛造、擠壓、冷軋、折彎、滾壓、卷圓、彎管、旋壓。
　　去除材料的方式有：車削、銑削、鉆削、刨削、磨削、拉削、鋸削、插削、沖壓、裁剪、激光切割、水切割、火焰切割、等離子切割、火花電蝕。
　　增加材料的方式有：焊接、分層輪廓加工（3D打印機(jī)）
　　在如此多的成型方式里借鑒和確定某一種最合適的成型方式作為所要設(shè)計(jì)的機(jī)床的最基礎(chǔ)理論架構(gòu)。
　　2.確定機(jī)床初步結(jié)構(gòu)方式
　　基于上述內(nèi)容確定一個(gè)初步的機(jī)床結(jié)構(gòu)布置性方案。比如客戶提供的要由你所設(shè)計(jì)的機(jī)器加工的料是類似工字鋼一類的較長(zhǎng)型材，此時(shí)要綜合考慮在機(jī)床加工時(shí)客戶上料以及下料的便捷性、安全性等因素，同時(shí)考慮客戶是單條加工還是成捆多條同時(shí)加工。在此狀況下我們可能就會(huì)傾向于確定大概設(shè)計(jì)思路是在加工時(shí)候采取被加工件固定（靜止）而采取刀具以及刀具總成移動(dòng)的初步策略（類如激光切割機(jī)）。
　　當(dāng)然，結(jié)合實(shí)際情況也可以采取工作臺(tái)（物料）移動(dòng)形式（類如龍門(mén)銑床）。有了個(gè)大致性的初步策略后，再接著就要考慮機(jī)床的生產(chǎn)效率和精度要求。
　　對(duì)于此兩項(xiàng)要求肯定是要結(jié)合設(shè)備造價(jià)來(lái)確定。例如是否采用多工位結(jié)構(gòu)，是否采用多機(jī)頭結(jié)構(gòu)，是否需要加快各部位工進(jìn)或快進(jìn)的速度，速度高了對(duì)于驅(qū)動(dòng)的功率要求就大了，又要考慮速度高了機(jī)構(gòu)慣性大了，定位精度下降了，若采用大功率大慣量的電機(jī)就直接意味著成本的上升。此時(shí)也要兼顧機(jī)床整體的剛性以及重心問(wèn)題或考慮必要的結(jié)構(gòu)共振頻率問(wèn)題。同時(shí)還要兼顧人體工程學(xué)要求，對(duì)于操作位或某些需要經(jīng)常調(diào)整和操作的位置要考慮正常人操作時(shí)的便利性。
　　3.確定各部件或總成的結(jié)構(gòu)形式和功能
　　在確定了機(jī)床成型方式和整體初步結(jié)構(gòu)后就要對(duì)各部位進(jìn)行初步規(guī)劃，這時(shí)要比較清晰和明了各部位的功能以及確定采用何種機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些部位的功能。做這些規(guī)劃的前提的前提就是要先考慮這個(gè)組件或部件的安裝和拆卸問(wèn)題。比如對(duì)于易損件或耗材或?qū)τ谝恍┬枰?jīng)常調(diào)校的裝置和機(jī)構(gòu)就要求考慮合理的拆裝和維修時(shí)的便利性。比如要更換一條三角皮帶，則要對(duì)該機(jī)進(jìn)行殺牛剝皮式的拆卸和更換那就不能算是一個(gè)好的設(shè)計(jì)。
　　例如當(dāng)我們確定采用常用的直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí)所要考慮的問(wèn)題有如下方面：結(jié)合實(shí)際的效率和精度需求明確某種實(shí)現(xiàn)形式，常用的當(dāng)然有導(dǎo)軌加絲杠這種形式，至于是采用滑動(dòng)摩擦絲杠還是滾動(dòng)摩擦的絲杠則要根據(jù)實(shí)際情況確定。傳動(dòng)效率、定位精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性、負(fù)載情況、速度特性、螺紋升角、絲杠所能承受的軸向載荷、導(dǎo)程、造價(jià)成本等因素都要綜合考慮。再比如間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在電機(jī)控制技術(shù)還沒(méi)完善前，要實(shí)現(xiàn)此類機(jī)構(gòu)那真是花樣繁多（槽輪形式，不完全齒輪形式）。
　　個(gè)人認(rèn)為做機(jī)械設(shè)計(jì)難的是如何把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，對(duì)于那些挖空心思搞些精妙復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，例如圓柱、圓盤(pán)凸輪機(jī)構(gòu)、詭異莫測(cè)的空間機(jī)構(gòu)、變化無(wú)窮的四桿機(jī)構(gòu)、以及一些考驗(yàn)加工制造人員的不完全齒輪機(jī)構(gòu)和異形齒輪機(jī)構(gòu)等等。
　　對(duì)于刻意要弄些讓一般人玩不轉(zhuǎn)的，弄不清狀況的設(shè)計(jì)，我不表示贊成。當(dāng)然前提條件是我們完全可以采用一維線性運(yùn)動(dòng)或二維平面插補(bǔ)或三軸聯(lián)動(dòng)來(lái)解決的情況。采用伺服電機(jī)和直線滾動(dòng)摩擦性質(zhì)驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向裝置能完美解決那些需要間歇的，加速的，行程放大的，特殊運(yùn)動(dòng)曲線的功能要求下為何還要去弄那些復(fù)雜的，且制造困難的，不通用的，讓維修和裝配人員眼花繚亂，莫名其妙的且還大都是些滑動(dòng)摩擦關(guān)系的機(jī)構(gòu)呢？也許有人會(huì)說(shuō)，一組二維平面直線插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)抹殺了多少前人留下的那些可以真正稱謂為機(jī)械設(shè)計(jì)精華的機(jī)構(gòu)。
　　對(duì)于此，類舉個(gè)很有諷刺意味的笑話：某新兵進(jìn)行野外生存訓(xùn)練，餓著肚子搓了好幾個(gè)小時(shí)的木頭，還是沒(méi)能像祖先一樣實(shí)現(xiàn)鉆木取火，筋疲力竭之余摸出打火機(jī)和香煙，先坐石頭上抽根煙，緩口氣，繼續(xù)琢磨這鉆木取火的技巧......當(dāng)然，對(duì)于一些必須的和必要的機(jī)構(gòu)還是無(wú)法完全采用現(xiàn)代快餐式的設(shè)計(jì)文化來(lái)填補(bǔ)和實(shí)現(xiàn)。比如應(yīng)用偏心裝置得到振動(dòng)特性或夾具上的快速鎖緊裝置，或者是要利用超越離合器得到反轉(zhuǎn)失效等工況。
　　4.零件設(shè)計(jì)
　　第一，考慮該零件的制造批量。若是大批量制造某個(gè)零件時(shí)要充分考慮機(jī)床夾具所用的定位基準(zhǔn)，工藝孔等“多余”的因素。
　　第二，考慮該零件的成型方式的特點(diǎn)。比如某高速旋轉(zhuǎn)的盤(pán)類零件，當(dāng)采用鑄造成型時(shí)，因不可避免地會(huì)存在組織疏松或氣孔等缺陷，而這類工藝特征不進(jìn)行后期動(dòng)平衡處理必然會(huì)導(dǎo)致在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生過(guò)大的離心力，間接地會(huì)出現(xiàn)軸承發(fā)熱，異響，壽命短等現(xiàn)象。再比如對(duì)于中碳鋼或高碳鋼原材料進(jìn)行氣割下料來(lái)獲取零件毛坯時(shí)很容易出現(xiàn)切割處“被”淬火現(xiàn)象。
　　第三，考慮該零件的原材特性。比如一片狀薄板類零件，我們首先想到采用鐵板取料，當(dāng)然取料的方式可以是激光切割、水切割、火焰切割、甚至線切割、或是沖壓。這就要結(jié)合該零件的最佳經(jīng)濟(jì)效益來(lái)決定。當(dāng)然不管是針對(duì)板材還是線材，不管是采用鋸切下料還是火焰或激光或水切，都要注意排料問(wèn)題。（追求材料最大利用率）
　　第四，考慮該零件的加工夾具。對(duì)于單件小批量制造應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免一些在通用機(jī)床上無(wú)法加工，必須得用專用夾具來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)加工的情況。
　　第五，考慮制造該零件的刀具。在設(shè)計(jì)零件時(shí)要充分考慮在市場(chǎng)上可購(gòu)買到的且適合自身機(jī)床裝夾和使用的刀具。盡量避免定制非標(biāo)刀具。這個(gè)部分就要求略知一些刀具的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。比如你在零件上設(shè)計(jì)了一個(gè)孔，且這個(gè)孔是有比較高的圓柱度和光潔度要求。一般我們對(duì)于孔的工藝是鉆孔或車孔—鉸孔或鏜孔—或內(nèi)圓磨。但你這個(gè)孔的直徑值若是選得不接近刀具第一系列或第二系列時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)刀具市場(chǎng)買不到對(duì)應(yīng)的鉆頭鉸刀一類刀具情況下就會(huì)變得非常麻煩。
　　第六，考慮加工這個(gè)零件的機(jī)床的加工范圍。機(jī)床都有固定的加工能力范圍參數(shù)。比如C6132表示臥式車床可以實(shí)現(xiàn)最大零件回轉(zhuǎn)直徑是320。M7130*1000代表臥軸矩臺(tái)平面磨床可一次裝夾磨削寬度是300,長(zhǎng)度是1000的平面。所以，在設(shè)計(jì)零件時(shí)就要結(jié)合這些機(jī)床參數(shù)考慮加工母機(jī)的可夾持或可加工性。
　　第七，考慮量具。零件制造完成了要求能應(yīng)用通用的檢具，量具來(lái)進(jìn)行測(cè)量。比如設(shè)計(jì)一組圓錐配合，你不選標(biāo)準(zhǔn)莫氏系列或常用的類似7：24錐度或1：50等這些錐度，而非要弄個(gè)7：23或1：47等錐度的話，那就在標(biāo)準(zhǔn)量具市場(chǎng)買不到通用的標(biāo)準(zhǔn)錐棒和錐套。當(dāng)然若是采用二次元投影檢測(cè)或三坐標(biāo)檢測(cè)的零件則不在此情況約束范疇內(nèi)。
　　第八，考慮熱處理要求。對(duì)于一些剛?cè)胄械呐笥褋?lái)說(shuō)，在處理一些需要高耐磨性或需要良好的綜合力學(xué)性能的零件時(shí)候，其圖紙上往往會(huì)出現(xiàn)這樣的技術(shù)要求，材料Q235—淬火后硬度達(dá)到HRC60，且要保證淬透性和硬度均勻。材料45#鋼—調(diào)質(zhì)后達(dá)58HRC。對(duì)于此類現(xiàn)象，只能建議您再去多翻翻金屬材料與熱處理的知識(shí)。
　　5.工程圖紙的相關(guān)問(wèn)題
　　結(jié)合國(guó)內(nèi)眾多的“山寨”小作坊式的工廠的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)圖紙的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化是個(gè)比較矛盾的問(wèn)題。按正常的，規(guī)范的，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模茖W(xué)的方法和方式來(lái)說(shuō)，一個(gè)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備工廠的技術(shù)部門(mén)，本應(yīng)當(dāng)具備專職的繪圖人員，圖紙審核人員，工藝規(guī)劃人員，工裝夾具制作人員，以及專職的電氣工程師，液壓氣動(dòng)工程師或程序員。而在“小農(nóng)意識(shí)”的領(lǐng)導(dǎo)下經(jīng)過(guò)濃縮再壓縮處理后往往會(huì)精簡(jiǎn)到一兩個(gè)人的狀況。且此一兩個(gè)人要在完成上述各職位工作的同時(shí)可能還要出具設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)，產(chǎn)品樣本的更新編排，投標(biāo)文件的編制等等一些技術(shù)人員的“活”。
　　在此，只討論基于上述一人多能的狀況下的圖紙實(shí)用性的相關(guān)問(wèn)題。（所述可能不適用在具備明確分工，各司其責(zé)的規(guī)范化公司做事的朋友。）
　　第一，做為設(shè)計(jì)人員，在保持謙虛好學(xué)的同時(shí)更要具備自我主見(jiàn)和獨(dú)立判斷能力。這情況相信很多朋友都有深刻體會(huì)，老板是這么說(shuō)，車間主任那樣說(shuō)，生產(chǎn)經(jīng)理又有個(gè)另外的想法，客戶還會(huì)提個(gè)“合理”的要求。處理不好這些紛至沓來(lái)的意見(jiàn)或建議時(shí)，圖紙文件包名字將會(huì)從設(shè)計(jì)1版逐漸變到設(shè)計(jì)11版......對(duì)于此，咱們?cè)O(shè)計(jì)人員若是處理不好，往往會(huì)形成思維慣性和依賴性。久而久之我們就會(huì)進(jìn)入一個(gè)永遠(yuǎn)掙扎不出的死循環(huán)里。老板，車間主任，生產(chǎn)經(jīng)理總覺(jué)得你這人純粹就是腰上別只死耗子—冒充打獵的。而你更覺(jué)得沒(méi)了設(shè)計(jì)自由，覺(jué)得和這些泥腿子扯淡完全是夏蟲(chóng)不可語(yǔ)冰，被約束，被束縛太多，完全被禁錮在指指戳戳和無(wú)數(shù)的馬后炮中。
　　第二，對(duì)于圖紙要素要做到知其然亦知其所以然。很多新手出具的圖紙往往都“干干凈凈”異常“整潔”，沒(méi)有粗糙度標(biāo)記，沒(méi)有形狀和位置公差要求，沒(méi)有備注的技術(shù)要求，所有的線條粗細(xì)都是一致，尺寸缺失，尺寸多余，尺寸鏈封閉，圖紙上體現(xiàn)不出加工和測(cè)量的基準(zhǔn)，N多虛線圖素等等狀況。入行一段時(shí)間后，略有體會(huì)了，結(jié)果可能又出現(xiàn)圖紙所標(biāo)注的尺寸公差以及形狀和位置公差要求讓人一看就半身不遂，再一看直接癱瘓的狀況。
　　舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)你設(shè)計(jì)一條軸時(shí)（軸承中間布置的情況），我們要明白這條軸在最后磨削處理時(shí)的加工基準(zhǔn)是兩軸端的中心孔，而我們裝配后用百分表檢測(cè)其某段軸段的跳動(dòng)情況時(shí)的測(cè)量基準(zhǔn)卻是基于中間的軸承位A和軸承位B之間的中心軸線，所以，你覺(jué)得在圖紙上標(biāo)注其任意軸段跳動(dòng)公差時(shí)的測(cè)量基準(zhǔn)是能任意標(biāo)注么？再例如當(dāng)你設(shè)計(jì)的類似法蘭連接的兩個(gè)零件不能實(shí)現(xiàn)理想的對(duì)接時(shí)，請(qǐng)不要第一時(shí)間去質(zhì)問(wèn)加工或工藝安排人員的過(guò)失。你應(yīng)該拿起你出具的圖紙仔細(xì)看一看，是不是沒(méi)有了裝配止口了？是不是缺失了“配作”這樣的技術(shù)要求了？是不是缺失了螺孔位置度要求了？
　　6.設(shè)計(jì)的靈魂—計(jì)算、校核
　　我認(rèn)為咱機(jī)械設(shè)計(jì)所包含的計(jì)算可以大致分為如下幾類：
　?。?）支持PLC或數(shù)控系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)控制卡等這一類東西所需要的程序邏輯算法。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是比如解決一只N軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械手的算法問(wèn)題。需要考慮當(dāng)臂關(guān)節(jié)平面移動(dòng)，臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)平面移動(dòng)，肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，指關(guān)節(jié)擺動(dòng)。等一切運(yùn)動(dòng)所遵循的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。（這類計(jì)算可歸類是純數(shù)學(xué)計(jì)算的性質(zhì)，物理性東西不牽涉。）
　?。?）緊密聯(lián)系物理現(xiàn)象的計(jì)算。比如靜力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)。
　　當(dāng)設(shè)計(jì)某個(gè)零件時(shí)，首先要考慮這個(gè)零件所要承擔(dān)或完成什么任務(wù)，再結(jié)合這些任務(wù)去確定這個(gè)零件的形狀，確定形狀和所需要滿足的運(yùn)動(dòng)關(guān)系尺寸后再去針對(duì)這個(gè)零件的受力狀態(tài)和受力性質(zhì)以及材質(zhì)同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速/熱變形/以及設(shè)計(jì)壽命等等諸多因素后到最后才能下手去確定各個(gè)部位的形狀和位置尺寸。
　?。?）對(duì)于零件或部件加工或組裝時(shí)候的工時(shí)以及各項(xiàng)工藝參數(shù)的計(jì)算。就比如制造某款設(shè)備，鐵板下料部分需要進(jìn)行鐵板排料的計(jì)算。金加工部分對(duì)于不同的加工性質(zhì)有不同的加工參數(shù)的計(jì)算以及不同的加工方法排列的計(jì)算，以及在這樣的工藝參數(shù)下各個(gè)步驟所需要的加工時(shí)間的計(jì)算。
　　我最近在弄的一款設(shè)備（數(shù)控全自動(dòng)鋸片磨齒機(jī)）的計(jì)算書(shū)，光是解決鋸片的轉(zhuǎn)角/轉(zhuǎn)速和砂輪的位移量及變化率的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)部分就有十幾頁(yè)A4紙內(nèi)容（這個(gè)就屬于第一類的計(jì)算性質(zhì)）。之前弄過(guò)的像某型設(shè)備工作臺(tái)不同載荷性質(zhì)下的承載能力的計(jì)算和某彈性體共振頻率的確定等都屬第二類性質(zhì)的計(jì)算。當(dāng)然第三類性質(zhì)計(jì)算嚴(yán)格說(shuō)可以歸納為工藝范疇。
　　好比是練武一般，如果沒(méi)有內(nèi)功的修習(xí)，就算是外家招式練得再剛猛，也永遠(yuǎn)達(dá)不到宗師級(jí)的境界。所以一個(gè)所謂的真正的機(jī)械設(shè)計(jì)師肯定是內(nèi)外兼修的。那咱們那些缺少邏輯思維的機(jī)械設(shè)計(jì)同行怎么辦呢？對(duì)，逆向！就是從后往前看?，F(xiàn)在的軟件技術(shù)以及傳感技術(shù)這么發(fā)達(dá)，很多時(shí)候我們可以避開(kāi)那類繁雜的計(jì)算和驗(yàn)算的步驟。舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，比如想知道不同轉(zhuǎn)速下某條輸出軸的輸出扭距情況。直接拿個(gè)測(cè)扭儀連接在該輸出軸上針對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)速讀取就行。那什么電機(jī)的功率因素，傳動(dòng)部件間的摩擦，不同傳動(dòng)部件間由于不同的質(zhì)量和速度引起的加速度啥的咱都給考慮完整了，這樣讀取的數(shù)值將會(huì)比從前往后看模式下進(jìn)行計(jì)算而得到的數(shù)據(jù)更為精確，有效。
　　當(dāng)然，前提條件是那些基本的物性概念咱是要知道和明了的。關(guān)于CAE分析問(wèn)題，我也曾有嘗試和接觸。因?yàn)榭偢杏X(jué)CAE分析對(duì)于材料物性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及網(wǎng)格劃分和建模的規(guī)范性甚是敏感，更主要的是約束和載荷布置的合理性等等影響最終計(jì)算結(jié)果的不確定性因素太多，且又無(wú)法去進(jìn)行理論和實(shí)踐的有效驗(yàn)證，又限于工作節(jié)奏和自身領(lǐng)悟能力等原因一直未能對(duì)此深究，故不做論述。