非標自動化設備設計開發過程研究

肖仁強

（深圳天瓏無線科技有限公司，廣東 深圳 518053）

非標自動化設備設計開發過程研究

肖仁強

（深圳天瓏無線科技有限公司，廣東 深圳 518053）

非標自動化設備在目前的制造業中，越來越得到廣泛應用，設備的質量好壞，關鍵取決于設備設計者在設計階段的科學性和合理性。自動化設備的設計開發需要整合材料、電氣、工藝、通信、計算機等多種技術，并合理科學運用多種技術進行整體工程設計的過程。本文就非標自動化設備設計開發過程中的一般方法、步驟、經驗等進行探討研究。

非標自動化；方案設計；零件設計；工程材料；PLC電氣控制

非標自動化設備是根據客戶的專門用途需要，專門開發設計制造的一種集成設備。在制造業高速發展的今天，由于勞動力資源越來越緊缺，越來越多的涉及各行各業的非標自動化設備被開發出來，用來提高效率，減少對昂貴人力的需求。作為非標自動化設備行業的設計開發者和從業者，如何運用科學的設計理念,結合豐富的設計經驗，來設計開發出性價比高、可靠度高的自動化設備，值得探討研究的課題。

1 非標自動化設備設計開發一般步驟

一臺自動化機械設備的最后使用質量，基本上取決于前期設計者的設計質量，而制造過程對設備的影響，本質上就在于實現設計時規定的質量。因此，設計階段決定設備是否優良的關鍵階段。

（1）非標自動化設備的組成。一臺非標自動化設備概括起來主要由動力部分、傳動部分、執行部分、控制系統和輔助系統構成。其相互關系如圖1所示。

圖1

（2）非標自動化設備開發步驟。生產部門根據生產要求，為了提高生產效率，減少人力，向設計開發部門提出自動化設備開發需求，開發部門根據需求，編寫設計任務書，再進行機械設備方案設計、零件設計等一系列的開發過程。一般的開發過程可總結步驟如圖2。

圖2

2 編寫設計任務書

設計任務書規定了項目設備開發的目的和任務，大體上應包括：設備應達到的功能要求；生產節拍或效率；開發成本控制的經濟性要求；使用方便性要求；安全性要求；開發期限要求等。設計任務書是設計工作的指令性文件，要求預期的設備要達到各種目的和參數要求，設計者必須以任務書要求為依據進行相關設計。

3 方案設計

方案設計就是針對設備的功能要求，進行全局性的機構布置規劃，以達到預期功能為目標，方案設計是設備開發成敗的關鍵。首先要根據功能參數要求，提出可能的解決辦法，就是所謂的方案。隨著計算機輔助設計技術的快速發展，越來越多的機械設計工作，通過設計軟件工具進行3D建模的方案設計，既節省了設計時間，也保證了設計圖紙的準確性。非標自動化設備方案設計，一般經驗從設備的執行部分開始，也就是從要完成的功能動作開始設計，這也是設備設計的核心工作。根據產品外形結構和工藝特點，確定執行機構的運動參數，根據執行機構的運動特點，選用合理的執行機構。確定了執行機構，再進行創新性構思設計，進行設備執行部分機構的結構細化設計。再根據執行機構的特點來確定合理的動力源。隨著伺服控制技術的發展，越來越多的復雜運動機構，都可以通過多軸的伺服驅動單元來解決。在執行部分、動力部分設計之后，再設計傳動機構，常用的傳動機構包括螺旋傳動、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、摩擦傳動等。其中螺旋傳動適應于精確傳動場合；齒輪傳動由于具有傳動效率高且可高速傳動的優點，使用的場合比較廣泛。非標自動化設備傳動方式中，滾珠絲杠螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶、鏈條傳動等是比較常用的傳動方式。非標自動化設備方案設計通常是指設備的機械機構的設計，當所有的執行機構、傳動機構、動力機構設計完成后，方案設計基本完成。

4 方案評審

方案設計完成還要進行方案的優化評審，評估過程需要設計部門、需求部門等共同參與，對設計方案提出疑問和建議，只有經過科學深入的討論評估，認為方案可行后才可以進行后續的開發步驟。方案評審是決定設備開發成敗的重要一環，在實際的開發過程中，往往會出現在設計者看來非常完美的方案，而在方案評審中才發現一些被忽視的問題和技術瓶頸的問題，嚴謹的方案可行性評審能夠大大降低設備開發失敗的風險。

5 機械零件設計

計算機輔助設計軟件可以方便的進行零件建模設計。零件設計在滿足功能性要求的前提下，還要進行材料選用和力學計算，電機、氣缸等標準元件的選型工作。機械零件的結構設計應滿足以下基本要求：（1）避免在壽命內失效的要求，使用合理的材料和尺寸來保證零件的強度要求；設計合理的結構，保證零件的剛度要求；通過計算應力和表面處理來保證壽命要求。（2）結構工藝性要求，有良好的結構工藝性，是指在滿足功能的前提下，能夠方便經濟的生產出來，并便于裝配成機器。（3）經濟性要求，設計零件時，應力求設計出耗費最少的結構，優先采用輕型的結構，減少加工余量和加工工時，盡量采用廉價的工程材料。（4）質量小的要求，對于絕大多數零件來說，體積質量越小越好，一方面節約材料成本，另一方面減小運動件的慣性，改善機器的動力性能，減小作用于構件上的慣性載荷。（5）可靠性要求，在規定使用壽命內和預定的環境條件下，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，就應當在工作條件和零件性能兩個方面考慮，盡量使其隨機變化的可能性為最小。非標自動化設備的零件往往是非標準的，單件生產成本比較高，設計者應該在整個零件設計的過程，充分考慮以上基本原則，加上經驗的參考，設計出高性價比的零部件。

6 材料選用

非標自動化設備開發過程中，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，是一項重要的工作，既要遵循一定理論計算的原則，也要依靠經驗總結。機械加工零件常用材料包括：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復合材料。其中金屬材料由于具有較好的力學性能且價格相對便宜，所以在自動化設備中占90%以上。接下來就設備開發中使用較多的幾種金屬材料進行介紹。（1） Q235，最常用的碳素結構鋼，具有高的塑性、韌性和焊接性能、冷沖壓性能，以及一定的強度、好的冷彎性能。廣泛應用于一般要求的零件和焊接結構。（2）45鋼，優質碳素結構鋼，最常用中碳調質鋼，綜合力學性能良好，淬透性低，水淬時易生裂紋。主要用于制造強度高的運動件，軸、齒輪、齒條、蝸桿等。（3）A6061（鋁合金），是高品質的鋁合金產品，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良特點。由于易于加工且密度比鋼小，越來越多的被應用于非標自動化設備中。（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 電氣控制設計

非標自動化設備方案設計完成之后，電氣控制設計也要同步開始進行。目前行業內的電氣控制系統大多由工控機、PLC、人機界面、傳感器和電氣執行元件來組成的，并編寫控制程序來運行動作指令。電氣控制設計過程要充分考慮設備動作功能性要求安全性要求、易操作性要求的問題。

8 組裝調試

自動化設備開發制造的最后階段，在零部件加工完畢，標準件采購到位之后，接下來的工作是設備組裝調試工序，包括機構組裝和電控安裝調試。設計者可根據調試中發現的問題進行針對性地改進完善，直到達到交付生產使用的目標，并且要持續跟蹤設備使用的狀況，加以進一步的后期總結優化。

9 結語

非標自動化設備開發的過程，既是技術集中，又是經驗集中的過程，是沒有樣機參照創新的過程，有眾多的不確定性，需要我們設計者具有一絲不茍嚴謹的設計思路，需要豐富的經驗積累，并通過不斷的實踐、驗證、總結，才能在非標自動化設備設計工作中做到融會貫通，胸有成竹。

[1]邱宣懷.機械設計.第四版.北京：高等教育出版社，1997.

[2]成大先.機械設計手冊.北京：化學工業出版社，2008.

F426.6

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0203-02