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首次揭秘機械工程師的工作內幕,內含絕密項目,千萬別外傳

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發表于 2019-11-3 10:47:15 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
本帖最后由 羅羅日記 于 2019-11-3 10:55 編輯

羅羅,機械設計到底設計的什么?


你這個問題太大了,我回答不了。


不過,我覺得,如果你了解設計流程,多半會知道設計內容。


那你先給我說說,設計流程是怎么樣的?


沒問題。

機械設計

項目剛開始的時候,最需要弄清楚的,是工藝。


因為了解工藝后,才能對設備的運作方式有整體的認識。


需要注意的是,這里所說的工藝,不是零件的生產工藝,而是機器或者生產線,需要實現的工藝。


比如,是實現自動切菜,還是自動上菜?


是實現物料的搬運,存儲?還是實現自動分揀打標?


是實現自動印刷?還是自動校準固膠等?


客戶要完成的工藝是什么?
為什么這么說呢?


因為這是客戶最直接的需求。


弄清楚工藝,也就是弄清楚客戶的需求,需求決定解決方案。


無論做什么,賣產品也好,賣服務也好,第一件事情,是了解客戶需求,甚至以客戶的身份,深度體驗購買過程,剖析并深挖客戶需求。


比如,你在朋友圈賣石榴,在電商平臺賣手機,在本地服務平臺做清潔服務等,其實都是在滿足客戶的需求。


賣石榴滿足客戶的營養,健康,口感,送禮等需求。賣手機滿足客戶的拍照,溝通,獲取信息,娛樂,甚至創作等需求。做清潔服務,滿足客戶的衛生,健康,節省時間等需求。


當然,在廣告語上,往往只強調一個點,以突出賣點,鎖定特定的客戶,定位也更為清晰。例如,現在很多品牌手機,只強調拍照功能。

好了,我們回到正題。


了解和分析工藝這一步,需要多跟客戶溝通。


往往,客戶會隨著溝通的深入,不斷增加新的需求,或者更新需求。


比如,2年前,給英特爾做項目時,前期溝通了好幾個月,他們陸陸續續地提出新的要求。


而且,更嚴苛的是,他們還參與全程開發過程,以最大限度地掌控進度和質量。


例如,從方案到概念再到具體設計,從生產到裝配再到測試,整個項目開發過程中,項目進行到哪里了,遇到什么問題,問題的解決方案是什么,每一周都要更新狀態,直到項目交付。


強悍吧。


不過想來也理解,人家是客戶,有啥要求,我們就要滿足,畢竟客戶第一。


說遠了,繼續回到工藝。


一臺設備,或者一個工作站,往往核心工藝只有一兩個,其他的大部分是輔助功能,像物料傳送,定位,夾緊,圖像識別等。


比如,最近做的等離子清洗機。


核心工藝,就是對車載相機的鏡頭和傳感器沾合前,做對應粘合面清洗。


因為數據表明,經過清洗后,水滴角(水在平面上的張角)可明顯減小,從原來的78度較小到24度,粘合力顯著提高,有助于密封和粘合的可靠性。


正是因為有這個工藝要求,所以才開發設備,而此機的核心工藝就是等離子清洗,其他的,就是物料的傳輸,定位,物料識別等功能。


比如,前段時間的連桿推動機構《如何用連桿機構,把水平運動轉為垂直運動?含案例剖析》,就屬于物料傳送模組。


再比如,上次在文中提到的,150毫米氣缸推動軸(參見《Rc1/8,G3/4,NPT1/4的含義是什么?BSPT,NPT,Rc,G等螺紋又有什區別?》),屬于尾氣處理系統的一部分。


這個處理系統,包括推動軸和真空抽氣裝置,臭氧分解器及50毫米大管徑先導閥控制氣路等,都屬于輔助功能模組。

抽氣裝置大管徑先導閥控制氣路

當然,設備的工藝,往往涉及多個動作和復雜的時序。


這個時候,需要用PPT,或者時序表,把每一步動作表示出來,特別是時間上的分配,和動作銜接,這有利于后續方案選擇,電機計算等。


關于動作的表示,我有一個簡單的例子,其實也是之前在文中提到過,叫《測頭更換流程》,在我公眾號后臺回復“測頭”,即可下載PPT。


當然,實際的動作,還會加入運動時間,以及停留時間,并以此為依據,計算出各個電機的均方根扭矩和最大扭矩。


且知道整個流程消耗的時間后,便可計算出整機的生產效率,如果不滿足要求,那么就需要調整每個動作的時間分配,直到滿足要求。


到這里,我們明白了工藝為先的重要性。


了解并分析工藝后,那么下一步呢?


下一步,滿足工藝要求的方案有哪些?

滿足工藝要求的方案有哪些?


其實就是做方案對比和選擇了。


這里所說的方案,包含兩部分,一部分是整體的方案,可以說是整體概念設計,另一部分是功能模塊的方案設計。


其實,在做整機布局的時候,就已經開始思考,整機需要哪些功能,實現哪些動作,用什么模組來分解動作,動作的先后順序等問題。


等離子清洗機部分模塊

比如,在等離子清洗機上。


需要Z升降平臺,把鏡頭物料盤輸送到中間傳送帶(由連桿機構踢出物料盤),然后中間傳送帶整體移動,把鏡頭輸送到工作平臺上,工作平臺上有定位和夾緊機構,平臺可以做直線運動,把物料傳送到拾取頭下方,拾取頭拾取并翻轉180度,把鏡頭送到等離子清洗頭下方,等待做清洗。


清洗完成,需要把鏡頭放回物料盤,每一次取放之前,需要相機拍照定位,并且判斷物料盤中對應的凹槽里是否有鏡頭,等等功能,在整體方案階段,這些功能就確定了。


做方案的時候,可以先不忙畫三維模型,更多的是用草圖,簡單的塊視圖,和表格等表示,以避免產生過多的無用功。


視圖表達運動軸和重要的結構,以及大概的布局等。


例如,我之前在《如何用連桿機構,把水平運動轉為垂直運動?含案例剖析》中分析方案時,都是用塊視圖表達概念。


還記得多年前,曾經的老板用PPT塊視圖,畫了一臺機。


而表格,則列出重要的參數,比如行程,速度,動作時間,推力等信息,這些信息大部分都是從工藝分析得來的,到后期,會構成模組和設備的設計參數。


當然,整體布局可能只是一個大體方向,在具體三維布局時,可能會做一些調整,因為還涉及到模組之間的交接,空間細節分配等問題。


同時,方案可能會討論很多次,更新很多次,最后挑選最好最合適的。


這樣,整體概念就有了。


整體概念有了,那接下來呢?


整體方案差不多了,就開始分配具體的子模組了。


這個時候,需要把動作分配到不同的模組,通過相互配合,來實現需要的功能。


從剛剛說的工藝分析和整體概念設計,就得到了子模組的設計需求,比如行程,載荷,速度,位置檢測等。


每一個功能模塊,一般會做幾個方案,結合重點考慮因素,比如精度,行程,載荷,空間,可靠性,剛性,成本等因素綜合選擇。


不同的因素,在不同的應用里重要程度不同,可以自己給這些因素打分,做加權評估來選擇。


用加權法評估方案
如果在行業內,已經有競爭對手在做這件事(一般都會有,因為現在的市場都非常細分),那么,方案階段,也會分析競爭對手的做法。


看看他們是如何設計的,有哪些好處,值得學習的地方,可以借鑒。


比如,我在《記三坐標測量機設計經歷》,和《機器人末端的快換裝置,有哪些設計要點?》中,有考察對手的做法。


可以說,向對手(有時是供應商)學習,是非常好的一個學習思路,可以迅速找到重點。


其實,我發現,不只是在設計上會考察對手,在其他很多領域里,都會有類似的思維模式。


比如,在產品定位,在營銷獲客,在客戶后端價值開發等方面,都有拆解對手這一思想。


例如,你想通過朋友圈賣橘子,首先你要對自己做一個定位,你是單純賣橘子,還是賣健康,還是賣個人品牌等,不同的定位做法不一樣,因為這決定了你客戶群體,也間接對客戶做了一個定位。


期間,需要收集一批競爭對手,比如收集10個,看看他們如何定位的,如何對外傳播的,你如何區別于他們,優勢是什么,這就要充分考察對手,并做自我剖析。


扯遠了,我們回到子模組的設計上。


子模組的設計,往往就會探討得更為具體了。比如,動作的實現方式,驅動方式,傳動方式,動作或者位置的檢測,定位方式,布局的維護方便性等。

模塊設計


更為具體的,就是電機,氣缸,導軌,傳感器等標準件的計算,選擇,空間布局等。


選擇并布局好了標準件,接下來就是零件設計。


零件設計主要是結構設計,涉及選材,剛性,散熱,可加工性,安裝便捷性等問題。


比如,對于剛性的考慮,需要在確定負載,精度,分辨率等控制參數后,得到運動軸的最小設計頻率。


或者用經驗公式2πf=√(Acceleration/Error),來估算系統需要的頻率。

系統頻率估算公式

例如,系統能夠達到的加速度是10m/s^2,系統要求的誤差是0.1mm=0.1*10^-3m,那么系統需要做到的最小頻率為f=[√10/(0.1*10^-3)]/(2*3.14)=50.4Hz。


以得到的頻率為依據,做滿足剛性的結構,通常就需要做模態分析,看頻率分布如何,如果關心的方向自然頻率太低,那么就要加強剛性。


同時,對于高精度,一般也需要做誤差分析,特別是有懸臂結構的時候,更需要結合結構剛性,分析誤差。


我舉一個例子,之前做過一個抓子,這個抓子安裝在機器人UR5末端關節上,抓取的物料是矩形塑料盤。


因為物料盤可能堆疊,所以只能從上方抓取,而真空抓取可用的面積非常小,且不太可靠,所以決定用機械方式抓取,而底部只有四個角落處有開口,所以只能從這里入手。


設計概念如下圖,通過電機驅動中間的粉紅色軸,進而驅動偏心輪,偏心輪上的滾輪推動抓子做直線運動,實現抓放功能。


抓子設計概念圖


抓子誤差分析
誤差分析如上圖。


因為盤子可能堆疊15片,所以盤子本身可能是傾斜的,抓取的位置只能是盤子兩側的開口,開口寬度25.4毫米,高度非常有限,只有2.54毫米,這就意味著,抓子要伸進這2.54毫米里面去抓取。


因為抓子相對于機器人末端關節,是懸臂結構,所以抓子結構剛性,機器人定位誤差,視覺定位,加工裝配等,都會引入誤差,這些誤差加上抓子的厚度,必須要落入這2.54毫米里面,要求還是挺高的。


所以當時有一個誤差分配。


物料誤差:0.6mm,因為物料盤是行業標準,所以無法改變。


機器人重復定位誤差:0.1mm。因協作機器人是采購的,定位精度和重復性誤差已確定(關于二者的區別,可以參考《分辨率,定位精度,重復定位精度三者之間有什么關系?》),所以無法改變。


視覺定位誤差:0.1mm,可以通過算法優化實現。


剛度誤差:0.2mm,可以結構優化實現。


加工裝配誤差:0.2mm,提要求,可以做到。


這些誤差總和最大可能達到1.2mm,這就意味著抓子在進入物料時,上下間隙只有(2.54-1.2-T)/2mm,其中T表示抓子厚度。


如果要保證上下至少0.5毫米的間隙,那么抓子厚度,最大只能做到0.34毫米。


要想再厚的話,就只有壓縮剛度誤差,視覺定位誤差,或者加工裝配誤差,不然,抓子卡住的風險就很高了。


所以,后來通過剛性加強,算法優化,公差控制,裝配指引等控制好誤差,才通過試驗測試。


好開心,OK。

等模組主體結構做得差不多了,還需要考慮模組的電線如何布置。


通常會在電元件附近用中間接頭斷開一次,然后對接接頭再接到控制器,電源等接口處。


例如,通常的電機,傳感器,電磁閥等,中間插頭放置在對應元件附近,方便元件損壞時,快速更換。


另外,對于編碼器等重要信號,還有抗電磁干擾等考慮,所以一般用屏蔽接頭,屏蔽電纜。


同時,對于氣動方面,氣路設計是怎么樣?是否加減壓閥?是否加真空傳感器?這些元件放置在哪里?等等問題,都需要弄清楚。


等子模組都設計得差不多了,會重點考慮兩個事情。


第一,需要定義模組之間,模組和機器安裝板之間的裝配關系,以及校調方式。


對于高速高精度運動,往往模組和整機,或者機架,還需要做CAE分析,看模態分布,低頻出現在哪一階,以此為依據,來加強某個方向的剛性。


第二,模組設計得差不多了,就需要考慮整機的電配置了,有多少電機,多少傳感器,多少編碼器,多少電磁閥,電子原件編號是多少等。


把這些信息匯總到一個表格里,方便管理,也方便部門之間的溝通協作,特別是和做控制,做電路的同事溝通。并以這個列表,來決定系統上用多少控制器,多少功率的電配置等。


同時,需要考慮機器的電箱和PC如何布置,電線如何走到電箱,插頭容易插拔嗎,空間是否足夠等問題。


這些都影響到機器的機架設計,很多時候,都會因為電箱的布局,調整機架設計。


到這里,基本就是細節設計快完成的時候了。


這個時候,還有很重要但是常常被忽略的一件事,就是分析各個模組可能的失效形式。


以及失效后有什么影響,如何從設計上減小失效的概率等,也就是大家常說的DFMEA。


這就要結合模組原理和采購件的失效形式來判斷。


比如,使用同步帶驅動時,那么,有可能的失效形式是同步帶斷掉,需要加位移傳感器,來檢測驅動是否到位。如果斷掉,設計上要做到方便快速地更換,以免耽誤生產。


再比如,使用線性馬達驅動時,如果太靠近高溫熱源,那么,磁鐵有可能會退磁,導致馬達壞掉,驅動不了。這個時候,需要考慮做冷卻,或者隔熱處理等。


還有一些重要的電部件的電纜,比如相機數據傳送線,傳感器等的信號線,有最小彎曲半徑要求,一般至少是電線半徑的10倍,例如電線直接6毫米,彎曲半徑最小30毫米,如果設計得太小,內應力會使得使用壽命大打折扣,特別是當它被設計成運動線,循環應力會導致疲勞,很快線芯就斷了,應當避免,可以設計成比較大的彎曲半徑,比如15倍線半徑。


如果設計時滿足最小彎曲半徑要求,但是用久了,還是有可能會斷掉,那么就需要更換電線或者部件,就要考慮更換的方便性,空間可操作性等。


最后,等結構設計完成,電路設計完成,氣路設計完成,各種電和氣元件擺放好,還需要做一些電和氣元件的支撐件和安裝件等。


同時,在各個模塊設計好后,還需要做機器蓋子,門板,還有機器外觀設計等。


其中,動門設計需要有安全鎖,比如門一打開,里面的運動模塊就停下,以保證操作人員的安全。


等等,等等,還有很多內容。


但是我發現,我已經嚴重超出篇幅了。


所以,先說到這里,更多的內容,以后再細說。


最后總結一下,有一個問題列表,基本上就是按照流程,去解決這些問題。


1.客戶要完成的工藝是什么?


2.滿足工藝要求的方案有哪些?包括整體方案和模塊方案。


3.競爭對手是怎么做的?


4.我們用哪種方案,為什么?從精度,載荷,行程,可靠性,可加工性,成本,剛性,強度,復雜程度,占用空間,重量,等方面綜合比較。


5.整機整體上有哪些動作?被分成哪些子模組?需要光學定位,成像分析等模塊否?


6.各個模組有哪些動作?動作的先后順序是什么?動作和停留時間是多久?


7.各個模組用什么原理實現?用滾珠絲桿等標準設計,還是凸輪,楔形塊,連桿等自由設計?


8.驅動用電機還是氣缸?多大電機或者氣缸?電機的扭矩余量是多少?氣缸的推力或者扭矩余量是多少?


9.傳動用什么?齒輪齒條,滾珠絲杠,同步帶,減速器等的選擇,滿足精度要求嗎?滿足受力,扭矩或者壽命要求嗎?余量是多少?


10.導向用什么?直線導軌,交叉滾柱,襯套,滑板,還是自己設計的低摩擦導軌?精度和受力,作用力矩夠嗎?余量是多少?壽命是多久?


11.結構件的設計剛性足夠嗎?怎么加工?成本可接受嗎?如何改進可以使得成本更低?


12.關鍵結構的頻率是多少?滿足控制頻率要求嗎?如何加強剛性?


13.模組上的電線電流夠用嗎?需要電磁屏蔽嗎?如何布局線纜,彎曲半徑夠嗎?方便更換電元件嗎?


14.各個模組,可能有哪些失效形式?失效后有什么影響?原因是什么?設計上如何改進?


15.模組怎么裝配,裝配指引是怎么樣的?怎么拆卸?


16.模組之間怎么校調,怎么連接的?連接后的剛性夠嗎?前幾階模態頻率是多少?


17.整機的電纜如何布局?插拔方便嗎?


18.從模組和整機來看,如何做易損件的更換?空間足夠嗎?操作方便嗎?


19.對于關鍵交互模組,系統誤差分配是怎么樣的?


20.哪些設計需要做測試驗證?如何簡單驗證,驗證的關鍵結果是什么?


21.在裝機之前,模組需要做哪些測試?有準備好測試項目列表嗎?測試的內容和數據,滿足哪些要求才算通過?


等等。


相關閱讀:

1.《如何用連桿機構,把水平運動轉為垂直運動?含案例剖析》

2.《Rc1/8,G3/4,NPT1/4的含義是什么?BSPT,NPT,Rc,G等螺紋又有什區別?》

3.《記三坐標測量機設計經歷》

4.《機器人末端的快換裝置,有哪些設計要點?》

5.《分辨率,定位精度,重復定位精度三者之間有什么關系?》



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ngn + 1 問題描述清楚,顯得很專業!
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yinzengguang + 1 問題描述清楚,顯得很專業!

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2#
發表于 2019-11-3 11:10:36 | 只看該作者
哥,我想知道這些是你的原創嗎? 還是轉貼?
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3#
 樓主| 發表于 2019-11-3 11:24:24 | 只看該作者
|start_00000000發表于 11-03 11:10哥,我想知道這些是你的原創嗎? 還是轉貼?
歷時一個月,絕對只出原創,可關注我公號:羅羅日記,我在公號首發

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真心佩服!敬仰!  發表于 2019-11-5 08:59
回復 支持 2 反對 0

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4#
發表于 2019-11-3 11:28:40 | 只看該作者
真心佩服!
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5#
 樓主| 發表于 2019-11-3 11:40:27 | 只看該作者
需要老鐵們的支持,我一個人寫文精力有限。

如果你有好的,有趣的故事或者項目,或者技術討論,甚至畫圖經驗,歡迎提供素材,我們也可以聊聊,我太缺創作伙伴了,你來嗎?
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6#
發表于 2019-11-3 12:05:43 | 只看該作者
哈哈,樓主起的標題絕對博眼球,爆款文章即將出爐

確實干貨,贊
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7#
 樓主| 發表于 2019-11-3 12:24:14 | 只看該作者
|new_comer發表于 11-03 12:05哈哈,樓主起的標題絕對博眼球,爆款文章即將出爐<img class="emotion" src="http://www.rrflkr.live/static/image/smiley/default/lol.gif" smilieid="12 border=" 0"="" alt=""><br>
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其實我還有一個標題,加兩個字“賺錢”:

《首次揭秘機械工程師的工作內幕,內含絕密賺錢項目,千萬別外傳》


我感覺這個更好,但是怕你罵我俗氣,所以把賺錢去掉了
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8#
發表于 2019-11-3 15:52:43 | 只看該作者
能寫這樣資料的   應該拿年薪的有好幾年了吧  厲害
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9#
發表于 2019-11-3 16:12:59 | 只看該作者
樓主屬我同類
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10#
 樓主| 發表于 2019-11-3 16:38:00 | 只看該作者
[握手]
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