非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程研究

肖仁強(qiáng)

（深圳天瓏無(wú)線科技有限公司，廣東 深圳 518053）

非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程研究

肖仁強(qiáng)

（深圳天瓏無(wú)線科技有限公司，廣東 深圳 518053）

非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備在目前的制造業(yè)中，越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用，設(shè)備的質(zhì)量好壞，關(guān)鍵取決于設(shè)備設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段的科學(xué)性和合理性。自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)需要整合材料、電氣、工藝、通信、計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)，并合理科學(xué)運(yùn)用多種技術(shù)進(jìn)行整體工程設(shè)計(jì)的過(guò)程。本文就非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中的一般方法、步驟、經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行探討研究。

非標(biāo)自動(dòng)化；方案設(shè)計(jì)；零件設(shè)計(jì)；工程材料；PLC電氣控制

非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備是根據(jù)客戶的專門用途需要，專門開發(fā)設(shè)計(jì)制造的一種集成設(shè)備。在制造業(yè)高速發(fā)展的今天，由于勞動(dòng)力資源越來(lái)越緊缺，越來(lái)越多的涉及各行各業(yè)的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備被開發(fā)出來(lái)，用來(lái)提高效率，減少對(duì)昂貴人力的需求。作為非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)的設(shè)計(jì)開發(fā)者和從業(yè)者，如何運(yùn)用科學(xué)的設(shè)計(jì)理念,結(jié)合豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā)出性價(jià)比高、可靠度高的自動(dòng)化設(shè)備，值得探討研究的課題。

1 非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)一般步驟

一臺(tái)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的最后使用質(zhì)量，基本上取決于前期設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而制造過(guò)程對(duì)設(shè)備的影響，本質(zhì)上就在于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)階段決定設(shè)備是否優(yōu)良的關(guān)鍵階段。

（1）非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的組成。一臺(tái)非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備概括起來(lái)主要由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)構(gòu)成。其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1

（2）非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)步驟。生產(chǎn)部門根據(jù)生產(chǎn)要求，為了提高生產(chǎn)效率，減少人力，向設(shè)計(jì)開發(fā)部門提出自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)需求，開發(fā)部門根據(jù)需求，編寫設(shè)計(jì)任務(wù)書，再進(jìn)行機(jī)械設(shè)備方案設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)等一系列的開發(fā)過(guò)程。一般的開發(fā)過(guò)程可總結(jié)步驟如圖2。

圖2

2 編寫設(shè)計(jì)任務(wù)書

設(shè)計(jì)任務(wù)書規(guī)定了項(xiàng)目設(shè)備開發(fā)的目的和任務(wù)，大體上應(yīng)包括：設(shè)備應(yīng)達(dá)到的功能要求；生產(chǎn)節(jié)拍或效率；開發(fā)成本控制的經(jīng)濟(jì)性要求；使用方便性要求；安全性要求；開發(fā)期限要求等。設(shè)計(jì)任務(wù)書是設(shè)計(jì)工作的指令性文件，要求預(yù)期的設(shè)備要達(dá)到各種目的和參數(shù)要求，設(shè)計(jì)者必須以任務(wù)書要求為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

3 方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)就是針對(duì)設(shè)備的功能要求，進(jìn)行全局性的機(jī)構(gòu)布置規(guī)劃，以達(dá)到預(yù)期功能為目標(biāo)，方案設(shè)計(jì)是設(shè)備開發(fā)成敗的關(guān)鍵。首先要根據(jù)功能參數(shù)要求，提出可能的解決辦法，就是所謂的方案。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)械設(shè)計(jì)工作，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件工具進(jìn)行3D建模的方案設(shè)計(jì)，既節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，也保證了設(shè)計(jì)圖紙的準(zhǔn)確性。非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備方案設(shè)計(jì)，一般經(jīng)驗(yàn)從設(shè)備的執(zhí)行部分開始，也就是從要完成的功能動(dòng)作開始設(shè)計(jì)，這也是設(shè)備設(shè)計(jì)的核心工作。根據(jù)產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，選用合理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再進(jìn)行創(chuàng)新性構(gòu)思設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)備執(zhí)行部分機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)。再根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)確定合理的動(dòng)力源。隨著伺服控制技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，都可以通過(guò)多軸的伺服驅(qū)動(dòng)單元來(lái)解決。在執(zhí)行部分、動(dòng)力部分設(shè)計(jì)之后，再設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)等。其中螺旋傳動(dòng)適應(yīng)于精確傳動(dòng)場(chǎng)合；齒輪傳動(dòng)由于具有傳動(dòng)效率高且可高速傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，使用的場(chǎng)合比較廣泛。非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備傳動(dòng)方式中，滾珠絲杠螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶、鏈條傳動(dòng)等是比較常用的傳動(dòng)方式。非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備方案設(shè)計(jì)通常是指設(shè)備的機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，當(dāng)所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，方案設(shè)計(jì)基本完成。

4 方案評(píng)審

方案設(shè)計(jì)完成還要進(jìn)行方案的優(yōu)化評(píng)審，評(píng)估過(guò)程需要設(shè)計(jì)部門、需求部門等共同參與，對(duì)設(shè)計(jì)方案提出疑問(wèn)和建議，只有經(jīng)過(guò)科學(xué)深入的討論評(píng)估，認(rèn)為方案可行后才可以進(jìn)行后續(xù)的開發(fā)步驟。方案評(píng)審是決定設(shè)備開發(fā)成敗的重要一環(huán)，在實(shí)際的開發(fā)過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)者看來(lái)非常完美的方案，而在方案評(píng)審中才發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問(wèn)題和技術(shù)瓶頸的問(wèn)題，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆桨缚尚行栽u(píng)審能夠大大降低設(shè)備開發(fā)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

5 機(jī)械零件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可以方便的進(jìn)行零件建模設(shè)計(jì)。零件設(shè)計(jì)在滿足功能性要求的前提下，還要進(jìn)行材料選用和力學(xué)計(jì)算，電機(jī)、氣缸等標(biāo)準(zhǔn)元件的選型工作。機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下基本要求：（1）避免在壽命內(nèi)失效的要求，使用合理的材料和尺寸來(lái)保證零件的強(qiáng)度要求；設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，保證零件的剛度要求；通過(guò)計(jì)算應(yīng)力和表面處理來(lái)保證壽命要求。（2）結(jié)構(gòu)工藝性要求，有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，是指在滿足功能的前提下，能夠方便經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)出來(lái)，并便于裝配成機(jī)器。（3）經(jīng)濟(jì)性要求，設(shè)計(jì)零件時(shí)，應(yīng)力求設(shè)計(jì)出耗費(fèi)最少的結(jié)構(gòu)，優(yōu)先采用輕型的結(jié)構(gòu)，減少加工余量和加工工時(shí)，盡量采用廉價(jià)的工程材料。（4）質(zhì)量小的要求，對(duì)于絕大多數(shù)零件來(lái)說(shuō)，體積質(zhì)量越小越好，一方面節(jié)約材料成本，另一方面減小運(yùn)動(dòng)件的慣性，改善機(jī)器的動(dòng)力性能，減小作用于構(gòu)件上的慣性載荷。（5）可靠性要求，在規(guī)定使用壽命內(nèi)和預(yù)定的環(huán)境條件下，零件能夠正常的完成其功能的概率，即為可靠性。為了提高可靠性，就應(yīng)當(dāng)在工作條件和零件性能兩個(gè)方面考慮，盡量使其隨機(jī)變化的可能性為最小。非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的零件往往是非標(biāo)準(zhǔn)的，單件生產(chǎn)成本比較高，設(shè)計(jì)者應(yīng)該在整個(gè)零件設(shè)計(jì)的過(guò)程，充分考慮以上基本原則，加上經(jīng)驗(yàn)的參考，設(shè)計(jì)出高性價(jià)比的零部件。

6 材料選用

非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)過(guò)程中，從各種各樣的工程材料中，選用合適的材料做為不同加工零件的材料，是一項(xiàng)重要的工作，既要遵循一定理論計(jì)算的原則，也要依靠經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。機(jī)械加工零件常用材料包括：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料。其中金屬材料由于具有較好的力學(xué)性能且價(jià)格相對(duì)便宜，所以在自動(dòng)化設(shè)備中占90%以上。接下來(lái)就設(shè)備開發(fā)中使用較多的幾種金屬材料進(jìn)行介紹。（1） Q235，最常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有高的塑性、韌性和焊接性能、冷沖壓性能，以及一定的強(qiáng)度、好的冷彎性能。廣泛應(yīng)用于一般要求的零件和焊接結(jié)構(gòu)。（2）45鋼，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，最常用中碳調(diào)質(zhì)鋼，綜合力學(xué)性能良好，淬透性低，水淬時(shí)易生裂紋。主要用于制造強(qiáng)度高的運(yùn)動(dòng)件，軸、齒輪、齒條、蝸桿等。（3）A6061（鋁合金），是高品質(zhì)的鋁合金產(chǎn)品，具有加工性能極佳、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形等優(yōu)良特點(diǎn)。由于易于加工且密度比鋼小，越來(lái)越多的被應(yīng)用于非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備中。（4）其它常用材料，有色金屬：A7075、黃銅、青銅等；高分子材料包括PVC（聚氯乙烯）、PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）等。

7 電氣控制設(shè)計(jì)

非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備方案設(shè)計(jì)完成之后，電氣控制設(shè)計(jì)也要同步開始進(jìn)行。目前行業(yè)內(nèi)的電氣控制系統(tǒng)大多由工控機(jī)、PLC、人機(jī)界面、傳感器和電氣執(zhí)行元件來(lái)組成的，并編寫控制程序來(lái)運(yùn)行動(dòng)作指令。電氣控制設(shè)計(jì)過(guò)程要充分考慮設(shè)備動(dòng)作功能性要求安全性要求、易操作性要求的問(wèn)題。

8 組裝調(diào)試

自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)制造的最后階段，在零部件加工完畢，標(biāo)準(zhǔn)件采購(gòu)到位之后，接下來(lái)的工作是設(shè)備組裝調(diào)試工序，包括機(jī)構(gòu)組裝和電控安裝調(diào)試。設(shè)計(jì)者可根據(jù)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性地改進(jìn)完善，直到達(dá)到交付生產(chǎn)使用的目標(biāo)，并且要持續(xù)跟蹤設(shè)備使用的狀況，加以進(jìn)一步的后期總結(jié)優(yōu)化。

9 結(jié)語(yǔ)

非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)的過(guò)程，既是技術(shù)集中，又是經(jīng)驗(yàn)集中的過(guò)程，是沒(méi)有樣機(jī)參照創(chuàng)新的過(guò)程，有眾多的不確定性，需要我們?cè)O(shè)計(jì)者具有一絲不茍嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)思路，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，并通過(guò)不斷的實(shí)踐、驗(yàn)證、總結(jié)，才能在非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)工作中做到融會(huì)貫通，胸有成竹。

[1]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì).第四版.北京：高等教育出版社，1997.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

F426.6

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