非标自动化设备设计开发过程研究

肖仁强

（深圳天珑无线科技有限公司，广东 深圳 518053）

非标自动化设备设计开发过程研究

肖仁强

（深圳天珑无线科技有限公司，广东 深圳 518053）

非标自动化设备在目前的制造业中，越来越得到广泛应用，设备的质量好坏，关键取决于设备设计者在设计阶段的科学性和合理性。自动化设备的设计开发需要整合材料、电气、工艺、通信、计算机等多种技术，并合理科学运用多种技术进行整体工程设计的过程。本文就非标自动化设备设计开发过程中的一般方法、步骤、经验等进行探讨研究。

非标自动化；方案设计；零件设计；工程材料；PLC电气控制

非标自动化设备是根据客户的专门用途需要，专门开发设计制造的一种集成设备。在制造业高速发展的今天，由于劳动力资源越来越紧缺，越来越多的涉及各行各业的非标自动化设备被开发出来，用来提高效率，减少对昂贵人力的需求。作为非标自动化设备行业的设计开发者和从业者，如何运用科学的设计理念,结合丰富的设计经验，来设计开发出性价比高、可靠度高的自动化设备，值得探讨研究的课题。

1 非标自动化设备设计开发一般步骤

一台自动化机械设备的最后使用质量，基本上取决于前期设计者的设计质量，而制造过程对设备的影响，本质上就在于实现设计时规定的质量。因此，设计阶段决定设备是否优良的关键阶段。

（1）非标自动化设备的组成。一台非标自动化设备概括起来主要由动力部分、传动部分、执行部分、控制系统和辅助系统构成。其相互关系如图1所示。

图1

（2）非标自动化设备开发步骤。生产部门根据生产要求，为了提高生产效率，减少人力，向设计开发部门提出自动化设备开发需求，开发部门根据需求，编写设计任务书，再进行机械设备方案设计、零件设计等一系列的开发过程。一般的开发过程可总结步骤如图2。

图2

2 编写设计任务书

设计任务书规定了项目设备开发的目的和任务，大体上应包括：设备应达到的功能要求；生产节拍或效率；开发成本控制的经济性要求；使用方便性要求；安全性要求；开发期限要求等。设计任务书是设计工作的指令性文件，要求预期的设备要达到各种目的和参数要求，设计者必须以任务书要求为依据进行相关设计。

3 方案设计

方案设计就是针对设备的功能要求，进行全局性的机构布置规划，以达到预期功能为目标，方案设计是设备开发成败的关键。首先要根据功能参数要求，提出可能的解决办法，就是所谓的方案。随着计算机辅助设计技术的快速发展，越来越多的机械设计工作，通过设计软件工具进行3D建模的方案设计，既节省了设计时间，也保证了设计图纸的准确性。非标自动化设备方案设计，一般经验从设备的执行部分开始，也就是从要完成的功能动作开始设计，这也是设备设计的核心工作。根据产品外形结构和工艺特点，确定执行机构的运动参数，根据执行机构的运动特点，选用合理的执行机构。确定了执行机构，再进行创新性构思设计，进行设备执行部分机构的结构细化设计。再根据执行机构的特点来确定合理的动力源。随着伺服控制技术的发展，越来越多的复杂运动机构，都可以通过多轴的伺服驱动单元来解决。在执行部分、动力部分设计之后，再设计传动机构，常用的传动机构包括螺旋传动、带传动、链传动、齿轮传动、摩擦传动等。其中螺旋传动适应于精确传动场合；齿轮传动由于具有传动效率高且可高速传动的优点，使用的场合比较广泛。非标自动化设备传动方式中，滚珠丝杠螺旋传动、齿轮传动、同步带、链条传动等是比较常用的传动方式。非标自动化设备方案设计通常是指设备的机械机构的设计，当所有的执行机构、传动机构、动力机构设计完成后，方案设计基本完成。

4 方案评审

方案设计完成还要进行方案的优化评审，评估过程需要设计部门、需求部门等共同参与，对设计方案提出疑问和建议，只有经过科学深入的讨论评估，认为方案可行后才可以进行后续的开发步骤。方案评审是决定设备开发成败的重要一环，在实际的开发过程中，往往会出现在设计者看来非常完美的方案，而在方案评审中才发现一些被忽视的问题和技术瓶颈的问题，严谨的方案可行性评审能够大大降低设备开发失败的风险。

5 机械零件设计

计算机辅助设计软件可以方便的进行零件建模设计。零件设计在满足功能性要求的前提下，还要进行材料选用和力学计算，电机、气缸等标准元件的选型工作。机械零件的结构设计应满足以下基本要求：（1）避免在寿命内失效的要求，使用合理的材料和尺寸来保证零件的强度要求；设计合理的结构，保证零件的刚度要求；通过计算应力和表面处理来保证寿命要求。（2）结构工艺性要求，有良好的结构工艺性，是指在满足功能的前提下，能够方便经济的生产出来，并便于装配成机器。（3）经济性要求，设计零件时，应力求设计出耗费最少的结构，优先采用轻型的结构，减少加工余量和加工工时，尽量采用廉价的工程材料。（4）质量小的要求，对于绝大多数零件来说，体积质量越小越好，一方面节约材料成本，另一方面减小运动件的惯性，改善机器的动力性能，减小作用于构件上的惯性载荷。（5）可靠性要求，在规定使用寿命内和预定的环境条件下，零件能够正常的完成其功能的概率，即为可靠性。为了提高可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面考虑，尽量使其随机变化的可能性为最小。非标自动化设备的零件往往是非标准的，单件生产成本比较高，设计者应该在整个零件设计的过程，充分考虑以上基本原则，加上经验的参考，设计出高性价比的零部件。

6 材料选用

非标自动化设备开发过程中，从各种各样的工程材料中，选用合适的材料做为不同加工零件的材料，是一项重要的工作，既要遵循一定理论计算的原则，也要依靠经验总结。机械加工零件常用材料包括：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。其中金属材料由于具有较好的力学性能且价格相对便宜，所以在自动化设备中占90%以上。接下来就设备开发中使用较多的几种金属材料进行介绍。（1） Q235，最常用的碳素结构钢，具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。广泛应用于一般要求的零件和焊接结构。（2）45钢，优质碳素结构钢，最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。主要用于制造强度高的运动件，轴、齿轮、齿条、蜗杆等。（3）A6061（铝合金），是高品质的铝合金产品，具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形等优良特点。由于易于加工且密度比钢小，越来越多的被应用于非标自动化设备中。（4）其它常用材料，有色金属：A7075、黄铜、青铜等；高分子材料包括PVC（聚氯乙烯）、PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）等。

7 电气控制设计

非标自动化设备方案设计完成之后，电气控制设计也要同步开始进行。目前行业内的电气控制系统大多由工控机、PLC、人机界面、传感器和电气执行元件来组成的，并编写控制程序来运行动作指令。电气控制设计过程要充分考虑设备动作功能性要求安全性要求、易操作性要求的问题。

8 组装调试

自动化设备开发制造的最后阶段，在零部件加工完毕，标准件采购到位之后，接下来的工作是设备组装调试工序，包括机构组装和电控安装调试。设计者可根据调试中发现的问题进行针对性地改进完善，直到达到交付生产使用的目标，并且要持续跟踪设备使用的状况，加以进一步的后期总结优化。

9 结语

非标自动化设备开发的过程，既是技术集中，又是经验集中的过程，是没有样机参照创新的过程，有众多的不确定性，需要我们设计者具有一丝不苟严谨的设计思路，需要丰富的经验积累，并通过不断的实践、验证、总结，才能在非标自动化设备设计工作中做到融会贯通，胸有成竹。

[1]邱宣怀.机械设计.第四版.北京：高等教育出版社，1997.

[2]成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2008.

F426.6

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0203-02