非标自动化设备的结构选择与安全

张远景

摘 要：在科技飞速发展的时代，随着国家推行自动化技术研发的脚步，非标设备类的研发人员日益增多，同时也对非标设备的性能要求逐渐严谨，特别是设备自动化程度的提高及结构复杂性的增加，以及产品更新换代速度的加快也使设备的使用寿命期缩短。工程师们的设计水平也需进一步拓展，既要为精简设计加快生产步伐，也要考虑到设备的可升级与改造性。所以在机械制作的产品要求越来越高的时代里，非标订制设备，只要兼容性和改造性强，才能更受一、二线技术人员和生产部门使用者的青睐。文章就此阐述非标设备在达到使用要求的设计结构选择和安全保护的重要性。

关键词：非标自动化；机械设计；简易结构；安全保护；设计结构选择

中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0068-02

Abstract： In the era of rapid development of science and technology， with the national implementation of automation technology research and development （R & D）， R & D personnel of non-standard equipment are increasing， and meanwhile， the requirement for non-standard equipment performance also becomes more stringent than ever before， in particular， the improvement of equipment automation and the increase of structural complexity， as well as the acceleration of product renewal speed which shortens the service life of the equipment. Engineers who need to further expand the level of design have to speed up the pace of production for streamline of the design， and consider the upgradation and transformation of equipment. Therefore， in the era of increasing requirements for machine-made products， non-standard custom equipment， given the strong compatibility and transformation， can be favored more by the first- and second-line technical personnel and users of the production sector. In this paper， the importance of design structure selection and safety protection of non-standard equipment is expounded.

Keywords： non-standard automation； mechanical design； simple structure； safety protection； selection of design structure

引言

非标设备机械的设计主要是按照使用部门（客户需求），将客户所需的要求、希望达成的目的，进行使用自动化结构设计。在保证人身安全的首要条件下，实现产品的加工速度提升、节约劳动力、提高产品良率应运而生[1-2]。在设备总体设计过程中，需要基于机械应用要求下而实现，期间工作原理、运行方式和机械结构，以及材料使用、加工工艺流程和电、气配件的配合等方面总体构思计算设计[3-4]。在满足使用要求的前提下，使用简易且互换性强的常用配件来辅助运用，优选间接传动越少的结构，利用三维设计方案将零件按照设计的思想转化成模拟运作，同时作为零件生产加工、组装调试的依据。

1 现阶段非标自动化设备的设计

目前非标自动化设备的设计使用方法多是利用标准配件及专用设计的零件配合拼装，以达到来料半成品或单独元器件逐一自动组合，形成成品或者拆分筛选[5]。标准配件的选择多种多样，如：影像系统；六轴、四轴关节机器人；各种形式的电缸；驱动部件多用为伺服电机、步进电机、调速电机；传动用的同步带、丝杠滑轨；气动配件等等[6]。最常用的是气动配件的组合；非标的结构多种多样，但万变不离其中，都须遵循机械基础原理进行力学的评估、工艺路线的考虑、组装调试的方便性和维修的简易，但无论性能设计多好的自动化设备，保证操作人员的人身安全防护都是首要。

在工艺精益求精的情况下，能达成同一结果的方案有多种，因此应选择性价比高的结构进行优先。以本人负责项目设计的高效拔钉机为举例：产品为铝合金件，它的三个方向：无规律的左、下、右分别有8+4+8共20个牙孔未攻牙，客户将来料半成品尺寸已加工到位，需进行阳极表面处理，但处理的同时化学原料会将牙孔一同处理，尺寸就无法保障。这种状态下，客户工艺流程增加胶钉插于孔内，表面处理过后再将三个方向的胶钉拔出，原生产线员工将其拔出的工作量较大，产能不高，且拔出时不注意则胶钉断于孔内造成返工，每个产品20粒胶钉， 每秒1粒拔出的时间共20秒， 7名产线员工专门进行拔钉。接客户提出加大产量，提高速度的要求时，初步分析，因产品异形客户允许一人操作取放，结构制作三种形式：（1）做一工装，将产品固定，仿人工动作使用七台标准六轴机器人，在第六轴处安装一夹子，编辑程序，分别从产品三个方向抽出20粒胶钉放于胶钉盒内，速度约1秒/粒，可达到相同人工速度；（2）使用三组X、Y、Z电缸进行三方向叠加，每组Z轴安装一夹子，编辑程序，分别同时从产品三个方向抽出20粒胶钉，因同步进行，时间缩短至8秒，三台设备可达到相同人工速度；（3）利用简易的结构传动知识，设计每粒胶钉位一组夹子，每组夹子为独立夹紧机构（内部为杠杆力臂），四组夹子的杠杆力臂由一个气缸传动，三个方向则：左边8粒，8个夹子加两个动力气缸，下边4粒空间窄，4个夹子加两个动力气缸，右边8粒，8个夹子加两个动力气缸完成夹持动作，加之三个方向一组合理力度的主推气缸分别推出，就顺利完成20粒胶钉/3秒时间同步一次拔出工作，以吹气将胶钉吹至导向管下滑至存料箱，一台设备大于7人工作速度，且只需更换夹子固定座，即可兼容相接近型號的产品。以下图1为第3种方案的图示：

以上述三种方式设计非标结构方式，均可以达到使用效果，第1种（机器人），第2种 （机械臂），然而第3种则采用单片机式PLC控制几个小气缸就完成所需任务。且运动幅度小，只需保护板即完成安全防护，由效率、成本、安全考虑，第3种结构，性价比较高，且效果理想。在竞争激烈的环境下，结构简易、效率高的非标设备将成为市场主流。

2 自动化设备的安全性

在注塑、电子、组装等行业，设计的非标设备工作原理和产品各有不同，但生产使用过程中若出现工伤，将会给企业带来一定的损失[7]。若设备性能优异，但无安全保护的情况下，人员误触造成伤害，势必停机整顿。所以在非标设备完成设计后，均需考虑增加安全防护，如安全门、光幕、双手安全开关、急停应急按钮等，让操作人员哪怕误触，设备将无法启动或紧急停止，第一时间保护人员安全。

3 自动化设备的管控

机械设计是一项精密性和专业性很强的工作，工作人员必须具有强烈的责任心，充分考虑到多方面的影响因素，不断优化和改进机械设计和结构和加工工艺，才能更好地保障机械设计加工零件的质量[8]。设备设计完成后进行细微改良是必不可少的，但设计时考虑周到全面，结构传动越少，出现返修的几率也会相对降低。以第一点例子所述，能达到相同结果的设备，结构相差甚远，若在激烈社会经济市场下，未选择好性价比优的结构，会使企业的综合竞争力在同行业中偏低，不仅影响了机械设计产品的效率，而且给企业造成一定的资源浪费。

适应更多不同方面的客户需求且能设计非标设备兼容多种产品的，将在市场上更加有竞争力[9]。面对国家扶持的方向，以保证质量的前提下，逐步将简易结构利用多组拼装，将形成全自动化设备，以节约的理念为基础，选择最适合的结构达成高能效的新式产品。节约了机构用料就等于节能，比如：一台机器人所用的电功耗远远大于一个小小电磁阀的功耗，所以在环保意识深入人心的社会，对于非标设备设计来说，在满足使用条件、保证质量提前下，运用节能和绿色设计为基础理念，利用简易结构设计技术，更少的后期维护，实现资源利用的最大化和设备的更简洁明了。

非标设备设计是结合了力学、材料、加工工艺、电气、美学等多门学科，在非标设备行业的不断发展，分类较多，均是以特定物件、材料进行加工、组装、排列、拆分等为主[10]。传统的机械设计都是针对标准化机械工业产品去设计生产，根据反复验试测试得出符合人们所预想目标的产品。由于经济的发展和时代步变化越来越快，而且产品生产的周期较短，传统的机械产品设计模式已经不能满足人们的需求，非标订制的机械设计理念也随之提出。主要是可以任意向客户所需要求制定具体的方案，在设计中不断更新改善新结构，更容易适应新时代自动化高薪项目的发展。

此外，使用简易且互换性强的常用配件来辅助运用，实现非标设备内的配件互换循环利用，优选传动转接件越少的结构，则是更加突出机械设计的理念。

4 结束语

现代设计的特点是面向用户提高所需工序的加工、组装效率和安全保护而设计，不仅要实现产品的基本功能，更应体现人性化和安全保护的设计理念。通过高效拔钉机的设计制造，可以充份体现设计者水平及设计方案能直接影响非标设备的后期维护，设计中的防护设置也直接影响使用人员的安全。所以企业想要在激烈环境中寻求可持续发展道路及提升国内非标设备设计在市场上的竞争力，应紧跟潮流的步伐，提升设计人员的设计水平，从研发技术、结构选择、工艺管理、保护安全系数等多方面因素为提前，将以简洁的结构，设计更高效、安全的非标设备。

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