非標自動化機械設計標準化路徑

陳 挺

（偉本智能機電（上海）股份有限公司，上海 200000）

機械設計的標準化是非標自動化企業核心競爭力的重要一環，標準化成果有助于企業充分利用和繼承已有的技術成果，提高產品質量，縮短供貨周期，降低成本，進而節省客戶維護保養費用，提高產品的互換性，達到甲乙雙方共同受益、正向循環的效果。非標機械設計的用戶要求和成果千差萬別，基于非標自動化企業標準化建設難以有效落地的現狀，應當從“基礎數據庫”“參考、許用、優選庫”“模塊、產品庫”3方面著手建立，如圖1所示。

圖1 非標自動化機械設計標準化路徑

1 基礎數據庫

企業的基礎數據庫是在企業運營中自然形成的，通過交付不同的項目逐步累積而來。

項目資料庫是以國家標準和行業標準為依據，結合項目標準（客戶需求），通過對國標零部件、品牌標準零部件的選型，再以無數個0到1的機械設計結構為紐帶，連接形成的非標機械設計成果。

知識庫是從項目資料庫中提煉而來，包括設計規范、項目經驗教訓、復盤總結等，如機械設計規范、安全規范、人機工程規范、材料選擇及熱處理規范、色彩規范、機械設計常見錯誤總結、項目機械設計問題復盤總結等。

國標件庫和品牌標準件庫分別源于設計過程中選用的國標零件系列和市售品牌標準件。此時企業還未有自己的標準，此兩類物料的選用也無特別規章可循，物料的種類和數量處于野蠻增長的狀態。

2 參考、許用、優選庫

企業明確規范自身標準，從基礎數據庫中提煉出國標件許用庫、品牌件優選庫及設計參考庫。

（1）國標件許用庫是從國標件庫中提煉并完善而來，包括常用螺釘、螺栓、螺母、墊圈、銷和鍵、軸承等零部件，確定常用緊固件的強度等級、精度等級、表面處理方式等技術事項，并建立3D 數模圖紙庫，賦予其完整的物料屬性信息。設計人員可直接調用此類文件，但不允許隨意使用許用庫之外的相關物料。許用庫之外的物料需經審批通過后方可使用，并隨之更新許用庫內容。

（2）品牌件優選庫是從品牌標準件庫中提煉并完善而來。優選物料的選擇要基于功能性、成本、交期、工況、歷史項目使用頻率等多因素綜合考慮。此類文件設計人員可直接調用，優選庫之外的需經審批后方可使用，并有專人做好記錄，后期將綜合上述多種因素適時更新品牌標準件優選庫。品牌件優選庫須從較常用的大而全的頭部品牌開始，例如普通傳感器可先做某知名品牌，整理好優選清單、數模及屬性信息，后續再做其他同類型品牌標準件時，可以將該知名品牌優選清單給到對應廠家，由廠家推薦平替產品，可起到事半功倍的效果。

（3）設計參考庫來源于項目資料庫，是對已完結的歷史項目資料通過“貼標簽”的形式進行分類、整理、篩選、歸納后提煉而來的。在實際應用過程中，需借助企業的產品數據及全生命周期管理系統（Product Lifecycle Management，簡稱PLM），可先由企業標準化人員定義各種部套級別以上的物料進行分類，并針對不同物料定義不同屬性，定義各種標準術語和標準名稱，最終向企業所有相關人員發布標簽庫（數據字典）。

考慮到非標機械設計人員專業水平不一，且為了快速完成設計任務，不愿花費大量的時間和精力對設計圖紙做貼標簽等標準化操作，并且設計圖紙未經過現場驗證，必然存在很多問題。故建議由專業的標準化技術人員統一對已結束（已整改完成）的歷史項目進行梳理，并在3D 裝配體的自定義屬性中“貼標簽”后更新PLM 圖紙庫和設計參考庫路書（目錄），后期可通過PLM 查詢工具精準查詢所需圖紙。針對新老項目的方案如下。

（1）新項目圖紙。設計定稿→上傳PLM →變更（整改）→項目穩定運作，整改結束，終驗收→圖紙歸檔→標準化小組或指定人員對裝配圖進貼標簽→更新PLM 圖紙庫→更新設計參考庫路書→結束。

（2）老項目圖紙。由標準化小組或指定人員梳理→貼標簽→上傳PLM 圖紙庫→更新設計參考庫路書→結束。

標簽可根據各企業情況劃分，具體如下。

（1）標準化類型標簽。如參考、優選、模塊、產品等。

（2）圖紙類型標簽。如產線、工位、設備、部套等。

（3）工件類型標簽。如發動機總成、變速箱總成、發動機缸體、缸蓋、曲軸、氣門、油封、鎖夾等。

（4）設備類型標簽。如機器人、機器人地軌、AGV、RGV、堆垛機、懸臂吊、振動料倉、輸送線等，此類設備在行業內的標準化程度較高，且市場上有很多企業以此作為標準產品供貨，不少企業已在業內具有較高的知名度，如博世力士樂、大連美德樂的輸送線，以及Gudel、KUKA 的機器人地軌等。

（5）工藝類型標簽。如裝配類的壓裝、擰緊、涂膠、試漏、加油、倒油、稱重；打標打碼類的激光打標、針式打標、氣動沖刻、噴碼機、貼標等；加工類的加工中心、打磨、拋光、砂光、沖壓、剪板、去毛刺、激光切割、等離子切割、鑄造、焊接、注塑、3D 打印、折彎、校平、校直等；清洗類的氣清、水清、等離子清洗、超聲波清洗等；部分自動化工藝（如NG、返修、抽檢、工裝等）。

（6）功能類型標簽。如氣動舉升定位、普通電機翻轉、伺服電動平移、手動快換、自動快換、有無檢測、到位檢測、分料/分張、連接、定位、支承、限位、潤滑、標定、防護等。

貼標簽規則：采用多標簽組合的形式對裝配圖貼標（更新3D 裝配體中的自定義屬性），且不同類型標簽的表述內容盡量不相交，如工藝標簽中有“涂油”“砂光”“折彎”，則設備標簽中無需再有“涂油機”“砂光機”“折彎機”等字眼。

3 模塊、產品庫

3.1 模塊庫

模塊庫主要包括設計工具和設計內容的標準化模塊化。

（1）設計工具的標準化模塊化是根據企業自身特點制訂設計工具模版，目的是避免千人千面、各自為政而引起的不必要的資源浪費和低效率。如3D 設計圖紙模版、氣路圖模版（模塊圖）、布局圖模版、機電對接模版、會簽圖模版等。

（2）設計內容的標準化模塊化是最高級別的標準化成果，做起來較難。雖然非標設備或生產線是定制性的，可復制性比較低，但非標設備及生產線也是由各種標準零部件（如電機、氣缸、傳感器、輸送線、各類型機器人等應用與功能）組合而成的，而且就其功能而言，脫離不了加工、裝配、檢測、包裝與運輸的范疇。

在非標自動化模塊設計過程中，對模塊進行劃分應遵循單一模塊可以獨立完成一個功能的原則，這樣在組裝過程中可以保證各個功能模塊相互獨立，便于調試和搭配。在模塊的劃分過程中，應注意每個模塊的結構，每個組立模塊的結構應相互獨立，這樣在需要更換組立模塊時無需更換其他組立模塊。與此同時，對于較為復雜的結構，可以先對其進行分解，將結構中的組件也進行模塊化，通過添加或刪除部分組件，可以使結構具有不同的多元化功能。在對基礎設備進行模塊化設計時，可利用其結構簡單的特點，將其作為單獨的模塊進行處理，以用作改變設備的工作空間，使設備的規格在保證完成生產的前提下具有廣泛性。在模塊的劃分過程中，還應考慮對后續工作的技術更新的可能性，在每個模塊中應留出一定數量的空閑接口，以便在后續工作中能夠增加相應的模塊實現更高的要求，達到更佳的擴充性和兼容性。

模塊化設計規劃時要按照自上而下的順序，落地時要按照自下而上的順序，做模塊化設計就像建大樓一樣，先根據目的和用途來規劃大樓的外形輪廓、框架結構、功能配置等，實施時要先挖基礎、打地基，準備好水泥、石子、沙子、鋼筋、磚頭等基礎材料，按照施工方案和計劃一點點堆徹而成。模塊化的建立參考路徑如下。

（1）通過專家判斷初步找出模塊化目標。判斷原則：已多次重復出現且未來還會頻繁再現的設計或者事務。

（2）立項，明確模塊化設計責任人。

（3）搜集資料，資料來源以內部資料為主，外部資料為輔，包括供應商、同行、網絡等；格式不限，如圖紙、文檔、照片、視頻等。

（4）整理羅列找規律、剪裁、取舍。

（5）方案明確后由專家判斷審核，進一步明確設計方向。

（6）系列化設計，國標標準件和品牌標準件必須分別取自于國標件許用庫和品牌標準件優選庫，若不能滿足則擴充國標件許用庫和品牌標準件優選庫。

（7）設計圖紙審核，包括審圖工程師、采購、生產及工藝人員。

（8）發布試行，并根據使用情況優化設計后發布更新。

以典型的氣動直線運動機構為例，此機構是非標自動化行業較常見的機械結構，由氣缸及氣缸安裝支架、氣缸浮動接頭、直線導軌、拖鏈、擋塊、撞塊、油壓緩沖器、非標定制的固定主體和移動主體、內六角螺釘、螺母、磁開或接近開關、傳感器支架組成。設計思路如下。

（1）此機構重復使用頻率高，故大目標是氣動直線運動機構的標準化模塊化。

（2）對此機構進行WBS 分解，需標準化的內容分為國標零部件、品牌零部件、自制零部件3大版塊。

（3）國標件許用庫是模塊化設計的第一基礎。此機構會用到GB/T 70.1發黑8.8級的內六角螺釘；品牌件優選庫是模塊化設計的第二基礎。與此結構相關的有FESTO 氣缸、磁開，BALLUFF 接近開關或光電開關，HIWIN 直線導軌，MISUMI 經濟型油壓緩沖器和調整螺釘、IGUS 拖鏈。

（4）在第一和第二基礎已基本完備的情況下，開發出氣缸浮動接頭和設備阻擋兩大系列化設計模塊。后續設計時只需花精力設計固定主體、移動主體，以及部分簡單支架等連接固定件，進而快速完成整套機構的設計選型工作，且通用化零部件的占比極高。

3.2 產品庫

產品庫是由使用頻率較高、使用量較大的模塊化物料升級或組合而來的，具有通用性高、供貨周期短、綜合性價比優于品牌標準件的優點。產品庫中的物料一般要做廠內備庫、備料或廠外備庫、備料或具備批量生產制作的條件，相比模塊化物料可以達到快速交貨、價格低廉的效果。在設計階段通過管理手段，加強宣貫和監督，提高此物料的復用率。

圖2為M30×2自制地腳模塊，此模塊使用頻率極高，幾乎每臺非標設備都要使用，通過工藝優化、批量生產制造、廠內備庫備等措施，大幅降低了采購成本，降本幅度高達70%以上。在設計階段，通過管理手段加強宣貫和監督，提高此物料的復用率，從而起到減少設計時間、設計犯錯、管理成本，提高設計效率、準確率、物料流轉率的效果。

圖2 M30×2自制地腳模塊

4 結束語

非標自動化企業的機械設計標準化可參照路徑：以基礎數據庫為基礎，采用科學的標準化方法從中提取出設計參考庫、國標件許用庫、品牌件優選庫，結合歷史使用數據分析進一步萃取出自己的模塊庫和產品庫。目前，部分非標自動化企業對標準化未形成統一的正確認知，此路徑對非標設計標準化實施有指導作用。只有統一正確認知，全員參與，堅定不移地遵循“策劃→實施→檢查→處置”的循環管理辦法（PDCA 戴明管理模式），才能取得明顯的標準化成果，進而取得明顯的降本增效的效果，才能更好地為企業賦能，讓企業在激烈的市場競爭中占據優勢。