非标自动化机械设计标准化路径

陈 挺

（伟本智能机电（上海）股份有限公司，上海 200000）

机械设计的标准化是非标自动化企业核心竞争力的重要一环，标准化成果有助于企业充分利用和继承已有的技术成果，提高产品质量，缩短供货周期，降低成本，进而节省客户维护保养费用，提高产品的互换性，达到甲乙双方共同受益、正向循环的效果。非标机械设计的用户要求和成果千差万别，基于非标自动化企业标准化建设难以有效落地的现状，应当从“基础数据库”“参考、许用、优选库”“模块、产品库”3方面着手建立，如图1所示。

图1 非标自动化机械设计标准化路径

1 基础数据库

企业的基础数据库是在企业运营中自然形成的，通过交付不同的项目逐步累积而来。

项目资料库是以国家标准和行业标准为依据，结合项目标准（客户需求），通过对国标零部件、品牌标准零部件的选型，再以无数个0到1的机械设计结构为纽带，连接形成的非标机械设计成果。

知识库是从项目资料库中提炼而来，包括设计规范、项目经验教训、复盘总结等，如机械设计规范、安全规范、人机工程规范、材料选择及热处理规范、色彩规范、机械设计常见错误总结、项目机械设计问题复盘总结等。

国标件库和品牌标准件库分别源于设计过程中选用的国标零件系列和市售品牌标准件。此时企业还未有自己的标准，此两类物料的选用也无特别规章可循，物料的种类和数量处于野蛮增长的状态。

2 参考、许用、优选库

企业明确规范自身标准，从基础数据库中提炼出国标件许用库、品牌件优选库及设计参考库。

（1）国标件许用库是从国标件库中提炼并完善而来，包括常用螺钉、螺栓、螺母、垫圈、销和键、轴承等零部件，确定常用紧固件的强度等级、精度等级、表面处理方式等技术事项，并建立3D 数模图纸库，赋予其完整的物料属性信息。设计人员可直接调用此类文件，但不允许随意使用许用库之外的相关物料。许用库之外的物料需经审批通过后方可使用，并随之更新许用库内容。

（2）品牌件优选库是从品牌标准件库中提炼并完善而来。优选物料的选择要基于功能性、成本、交期、工况、历史项目使用频率等多因素综合考虑。此类文件设计人员可直接调用，优选库之外的需经审批后方可使用，并有专人做好记录，后期将综合上述多种因素适时更新品牌标准件优选库。品牌件优选库须从较常用的大而全的头部品牌开始，例如普通传感器可先做某知名品牌，整理好优选清单、数模及属性信息，后续再做其他同类型品牌标准件时，可以将该知名品牌优选清单给到对应厂家，由厂家推荐平替产品，可起到事半功倍的效果。

（3）设计参考库来源于项目资料库，是对已完结的历史项目资料通过“贴标签”的形式进行分类、整理、筛选、归纳后提炼而来的。在实际应用过程中，需借助企业的产品数据及全生命周期管理系统（Product Lifecycle Management，简称PLM），可先由企业标准化人员定义各种部套级别以上的物料进行分类，并针对不同物料定义不同属性，定义各种标准术语和标准名称，最终向企业所有相关人员发布标签库（数据字典）。

考虑到非标机械设计人员专业水平不一，且为了快速完成设计任务，不愿花费大量的时间和精力对设计图纸做贴标签等标准化操作，并且设计图纸未经过现场验证，必然存在很多问题。故建议由专业的标准化技术人员统一对已结束（已整改完成）的历史项目进行梳理，并在3D 装配体的自定义属性中“贴标签”后更新PLM 图纸库和设计参考库路书（目录），后期可通过PLM 查询工具精准查询所需图纸。针对新老项目的方案如下。

（1）新项目图纸。设计定稿→上传PLM →变更（整改）→项目稳定运作，整改结束，终验收→图纸归档→标准化小组或指定人员对装配图进贴标签→更新PLM 图纸库→更新设计参考库路书→结束。

（2）老项目图纸。由标准化小组或指定人员梳理→贴标签→上传PLM 图纸库→更新设计参考库路书→结束。

标签可根据各企业情况划分，具体如下。

（1）标准化类型标签。如参考、优选、模块、产品等。

（2）图纸类型标签。如产线、工位、设备、部套等。

（3）工件类型标签。如发动机总成、变速箱总成、发动机缸体、缸盖、曲轴、气门、油封、锁夹等。

（4）设备类型标签。如机器人、机器人地轨、AGV、RGV、堆垛机、悬臂吊、振动料仓、输送线等，此类设备在行业内的标准化程度较高，且市场上有很多企业以此作为标准产品供货，不少企业已在业内具有较高的知名度，如博世力士乐、大连美德乐的输送线，以及Gudel、KUKA 的机器人地轨等。

（5）工艺类型标签。如装配类的压装、拧紧、涂胶、试漏、加油、倒油、称重；打标打码类的激光打标、针式打标、气动冲刻、喷码机、贴标等；加工类的加工中心、打磨、抛光、砂光、冲压、剪板、去毛刺、激光切割、等离子切割、铸造、焊接、注塑、3D 打印、折弯、校平、校直等；清洗类的气清、水清、等离子清洗、超声波清洗等；部分自动化工艺（如NG、返修、抽检、工装等）。

（6）功能类型标签。如气动举升定位、普通电机翻转、伺服电动平移、手动快换、自动快换、有无检测、到位检测、分料/分张、连接、定位、支承、限位、润滑、标定、防护等。

贴标签规则：采用多标签组合的形式对装配图贴标（更新3D 装配体中的自定义属性），且不同类型标签的表述内容尽量不相交，如工艺标签中有“涂油”“砂光”“折弯”，则设备标签中无需再有“涂油机”“砂光机”“折弯机”等字眼。

3 模块、产品库

3.1 模块库

模块库主要包括设计工具和设计内容的标准化模块化。

（1）设计工具的标准化模块化是根据企业自身特点制订设计工具模版，目的是避免千人千面、各自为政而引起的不必要的资源浪费和低效率。如3D 设计图纸模版、气路图模版（模块图）、布局图模版、机电对接模版、会签图模版等。

（2）设计内容的标准化模块化是最高级别的标准化成果，做起来较难。虽然非标设备或生产线是定制性的，可复制性比较低，但非标设备及生产线也是由各种标准零部件（如电机、气缸、传感器、输送线、各类型机器人等应用与功能）组合而成的，而且就其功能而言，脱离不了加工、装配、检测、包装与运输的范畴。

在非标自动化模块设计过程中，对模块进行划分应遵循单一模块可以独立完成一个功能的原则，这样在组装过程中可以保证各个功能模块相互独立，便于调试和搭配。在模块的划分过程中，应注意每个模块的结构，每个组立模块的结构应相互独立，这样在需要更换组立模块时无需更换其他组立模块。与此同时，对于较为复杂的结构，可以先对其进行分解，将结构中的组件也进行模块化，通过添加或删除部分组件，可以使结构具有不同的多元化功能。在对基础设备进行模块化设计时，可利用其结构简单的特点，将其作为单独的模块进行处理，以用作改变设备的工作空间，使设备的规格在保证完成生产的前提下具有广泛性。在模块的划分过程中，还应考虑对后续工作的技术更新的可能性，在每个模块中应留出一定数量的空闲接口，以便在后续工作中能够增加相应的模块实现更高的要求，达到更佳的扩充性和兼容性。

模块化设计规划时要按照自上而下的顺序，落地时要按照自下而上的顺序，做模块化设计就像建大楼一样，先根据目的和用途来规划大楼的外形轮廓、框架结构、功能配置等，实施时要先挖基础、打地基，准备好水泥、石子、沙子、钢筋、砖头等基础材料，按照施工方案和计划一点点堆彻而成。模块化的建立参考路径如下。

（1）通过专家判断初步找出模块化目标。判断原则：已多次重复出现且未来还会频繁再现的设计或者事务。

（2）立项，明确模块化设计责任人。

（3）搜集资料，资料来源以内部资料为主，外部资料为辅，包括供应商、同行、网络等；格式不限，如图纸、文档、照片、视频等。

（4）整理罗列找规律、剪裁、取舍。

（5）方案明确后由专家判断审核，进一步明确设计方向。

（6）系列化设计，国标标准件和品牌标准件必须分别取自于国标件许用库和品牌标准件优选库，若不能满足则扩充国标件许用库和品牌标准件优选库。

（7）设计图纸审核，包括审图工程师、采购、生产及工艺人员。

（8）发布试行，并根据使用情况优化设计后发布更新。

以典型的气动直线运动机构为例，此机构是非标自动化行业较常见的机械结构，由气缸及气缸安装支架、气缸浮动接头、直线导轨、拖链、挡块、撞块、油压缓冲器、非标定制的固定主体和移动主体、内六角螺钉、螺母、磁开或接近开关、传感器支架组成。设计思路如下。

（1）此机构重复使用频率高，故大目标是气动直线运动机构的标准化模块化。

（2）对此机构进行WBS 分解，需标准化的内容分为国标零部件、品牌零部件、自制零部件3大版块。

（3）国标件许用库是模块化设计的第一基础。此机构会用到GB/T 70.1发黑8.8级的内六角螺钉；品牌件优选库是模块化设计的第二基础。与此结构相关的有FESTO 气缸、磁开，BALLUFF 接近开关或光电开关，HIWIN 直线导轨，MISUMI 经济型油压缓冲器和调整螺钉、IGUS 拖链。

（4）在第一和第二基础已基本完备的情况下，开发出气缸浮动接头和设备阻挡两大系列化设计模块。后续设计时只需花精力设计固定主体、移动主体，以及部分简单支架等连接固定件，进而快速完成整套机构的设计选型工作，且通用化零部件的占比极高。

3.2 产品库

产品库是由使用频率较高、使用量较大的模块化物料升级或组合而来的，具有通用性高、供货周期短、综合性价比优于品牌标准件的优点。产品库中的物料一般要做厂内备库、备料或厂外备库、备料或具备批量生产制作的条件，相比模块化物料可以达到快速交货、价格低廉的效果。在设计阶段通过管理手段，加强宣贯和监督，提高此物料的复用率。

图2为M30×2自制地脚模块，此模块使用频率极高，几乎每台非标设备都要使用，通过工艺优化、批量生产制造、厂内备库备等措施，大幅降低了采购成本，降本幅度高达70%以上。在设计阶段，通过管理手段加强宣贯和监督，提高此物料的复用率，从而起到减少设计时间、设计犯错、管理成本，提高设计效率、准确率、物料流转率的效果。

图2 M30×2自制地脚模块

4 结束语

非标自动化企业的机械设计标准化可参照路径：以基础数据库为基础，采用科学的标准化方法从中提取出设计参考库、国标件许用库、品牌件优选库，结合历史使用数据分析进一步萃取出自己的模块库和产品库。目前，部分非标自动化企业对标准化未形成统一的正确认知，此路径对非标设计标准化实施有指导作用。只有统一正确认知，全员参与，坚定不移地遵循“策划→实施→检查→处置”的循环管理办法（PDCA 戴明管理模式），才能取得明显的标准化成果，进而取得明显的降本增效的效果，才能更好地为企业赋能，让企业在激烈的市场竞争中占据优势。