复杂机械系统的三个设计建议

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本人根据自己的设计经验，总结了复杂机械装备，尤其是非标自动化设备的三个设计建议，分享给行业内的朋友们，尤其是年轻的设计工程师。这三个建议分别是：1稳定化设计；2 直驱化设计；3试验设计。

1 稳定化设计

稳定化设计就是在制定设计方案的时候，考虑方案在原理上的稳定性（有些行业叫做鲁棒性Robustness）。我记得有个纪录片曾经是讲张衡设计地震仪的时候，刚开始设计的机构总是出现误报，后来他总结了误报的原因，改进了设计，就大大提高了地震仪的预报精度。那是一个典型的将不稳定系统改进成稳定系统的案例，喜欢的朋友可以去找一下那个视频。

我举两个例子说明稳定化设计。第一个例子是，如果在设计杠杆驱动机构的时候，尽量将驱动放到省力杠杆的一端（既离支点远的一端），用费力的一端（离支点近的一端）作为执行机构。这样的好处是，驱动端的运动误差被杠杆按比例缩小了。如果反过来用，则是被杠杆按比例放大了。

第二个例子是，我曾看到一个设备，其简化结构如下图所示。设备是要把一根钢丝推出一定长度，使推出的钢丝端部进入工作台上的指定位置，然后工作台上的其他部件对钢丝的端部进行加工。工作时：①送丝机构夹住钢丝向前推，钢丝从导向机构伸出；②钢丝端部进入工作台以后，送丝机构松开；③送四机构返回到初始状态。

这个机器在使用过程中最大的问题是不稳定，因为钢丝常常推不到指定位置。其实这就是一个典型的不稳定设计，因为推出机构只能保证钢丝在离开导向机构时的位置是准的，但是如果钢丝本身存在弯曲，伸出去的部分肯定会偏离预设位置。而原材料本身的差异是设备无法控制的，这样的不稳定因素在这个设计中就无法控制。

以下是对该机构的改进方案。在改进方案中，取消了送丝机构，把工作台改成可移动式。工作时，①首先，使切断的钢丝在导向机构处伸出很短的一段，由于伸出的长度不长，因此位置比较准确；②工作台移动到导向机构附近，夹住钢丝的末端；③工作台拉动钢丝到指定位置，松开钢丝。这当然不是唯一解决方案，比如也可以使导向机构夹住钢丝送到工作台，然后再返回。这样的设计都是偏向于稳定的，钢丝的质量问题不会影响设备的运行。

2 直驱化设计

直驱就是直接驱动（Direct Drive），常见的直线马达，直驱旋转马达都是直驱理念的典型应用。就像直线马达和直驱旋转马达一样，它们都是直接驱动负载，中间没有任何传动部件，因此不但刚性好，动态响应高，且系统可靠性好。

直驱化设计的理念是，在驱动部件（如马达，气缸，液压缸）和执行部件之间尽量减少传动机构。这样的好处机械系统趋向于简单，稳定。

我曾经设计过一个PCB板的传板机，当时为了节约空间，我把硬限位块设计成很细很长，为了保证限位块运行顺畅，我还增加了一个mini直线导轨为硬限位导向，在很远的地方用气缸驱动细长限位块的运动。这个设计节约空间的目的肯定是达到了，但是由于mini直线导轨很小，安装螺丝更小，使用时螺丝经常松动，稳定性很差。后来痛定思痛，释放了一点空间出来，将气缸直接安装在传送轨道上，用气缸的伸出杆直接当做硬限位块用，从此再也没有出现过任何问题。

我们在学校里面学过很多种传动机构，比如连杆机构，凸轮机构，棘轮机构。从技术上来说这当然都是很好的东西，技术含量也很高，设计这样的机构很能体现设计者的能力。但是，很多从事自动化设备研发和设计，尤其是非标自动化设备设计的朋友都知道，在现实应用中，设备的稳定性是首要的，不稳定的机构没有用户愿意买单。直驱化设计能大大提高设备的稳定性。

当然我们也必须清楚，在复杂运动场合，直驱化设计意味着要采用复杂运动控制技术，这当然会造成设计成本的大幅增加，如何在稳定型和成本之间找到一个平衡点也是设计者需要培养的能力。

3试验设计

作为一个设计者，很多时候我们都会面临两个难题：一是设计任务中有没有遇到过的部分；二是设计任务有明确的时间要求，有时甚至是紧迫的时间要求。时间的紧迫性只允许我们进行一轮设计验证。这种情况下，我们必须在一次进行实验设计（DOE Design of Experiment）中找到最佳方案，或者退而求其次，找到可接受的方案。

如果一次试验设计没有得到可接受的方案，后果是可想而知的。如何才能确保一次试验设计就能找出可接受的方案呢？方法就是增加试验因子和水平，其实就是增加测试的数量。说白了就是花钱买时间。

记得有一次我接到一个处理超黏流体的设计任务，而且时间比较紧迫。现实问题是我对超黏流体没有任何概念，匆匆了解样品之后，我就开始设计。所有需要接触流体的零件我都至少设计了一种备用方案。关键部分全部从设计了不同结构，不同粗糙度，不同直径，不同材料甚至不同倒角的各种零件。样机零件的数量是实际设备零件数量的好几倍。虽然这样做材料成本很高，但是我的确是在没有任何经验的情况下，一次设计中就得到了一个非常理想的结果。

实际工作中，我们的设计任务未必那么极端，但是对不确定的部分进行试验设计往往能有效缩短设计时间。

以上是我在以往的设计工作中的经验小结，希望对你有所启发.

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