机械设计经验总结

前言

这篇文章转载自知乎博主“岁昔”的文章，链接为"机械设计经验总结"，这里转载和加上了自己的思考，以下为他的自述：

LZ从大三开始，到上一份工作离职，一直在机械设计行业，设计的非标件也算是五花八门，总金额大概在数百万，整机十套左右，有预研产品，也有已经批量化的产品。辞职读博的时候曾经根据自己这些年的经验和踩坑点写过一份机械设计经验笔记，在电脑里吃灰好久，这次清电脑时发现了，目前已经在做具身智能，估计是没有机会继续扩展笔记内容了，现在贴出来和大家共享hhhh

叠甲一：这个笔记面向入门/初学者，都来源于一线（当时……）的设计经验，可能与机原、机设等课本内容有出入。如果你已经学过三维设计和工图，看完后去找机械设计，设计些简单的非标件应该不成问题，机械设计工程师是一个实践岗位，能尽早实习还是建议去实习一下的。

叠甲二：由于作者本人水平有限，且机械设计覆盖面太广，肯定难以覆盖各个行业（例如土木的机械设计和精密设备的机械设计肯定不一样），因此权做抛砖引玉，各位读者还请批判性看哈。

以下为他的文章和加上自己的思考，后续也会发一些机械相关的文章，把这些东西都拾起来。

一、综述篇

1. 机械设计思想

机械设计涉及的学科较多、领域较广，需要设计者除了具备专业基础知识外，对交叉学科包括但不限于计算机、电路、伺服、通信、材料等都有一定的了解。同时，还应该多关注生活中常见的连接、传动、紧固、限位装置，明白其原理，总结其经验，在设计时才能够更得心应手。

机械设计的目标是得到满足设计要求的产品，工作内容包括对产品的结构部分进行设计、标准件外购件选型、非标件三维建模、关重件强度仿真、出工程图、编写BOM表、编写工艺文件、与加工厂沟通协调加工、装配与调试等。

自顶向下与自下而上

机械根据零件数量可以分为零件与装配体，其中装配体可以根据能否有装配体内的相对运动及能否独立完成某一功能可分为部件、组件及整机。在设计时一般遵循自顶向下再自下而上的思想。总体设计要求即整机的设计要求，将整机设计要求拆分为各组件的设计要求，再将组件细化为若干部件及零件，待所有组件设计好后再组装成整机，并进行迭代修改。

容许误差与干涉检查

由于机床加工精度的限制，实际得到的零件与理论设计总会存在一定的误差，这是不可避免的，而如果误差不加控制，会对产品性能造成严重的影响，甚至使得产品报废。因此对于机械设计人员来说，一件非常重要的工作是通过合理的尺寸公差与形位公差将零件限制在误差容许范围内。

存在干涉的零件/组件同样是不合格的。造成干涉的原因一般有设计零件时未考虑装配体的状态导致该零件和其他零件有干涉、误差、贴合面内壁圆角大于外壁圆角等，因此一般在设计完成后投图前还会进行干涉检查，确保没有干涉的情况。

成本核算

前两项是设计产品时必须考虑的问题，而成本核算虽然不是必须的，但也一般会考虑。例如，一个“L”形铝零件，两个板用螺钉固定成本可能为一百元，钣金件的成本更低，而整体加工成本可能数百元甚至上千元，而有些零件甚至是理论能做而实际做不出来的，因此，考虑成本对产品成本影响巨大。这就需要设计人员熟知常见的加工方式，常见的原材料形状及材料性能，设计出零件以后，考虑如何去加工能够减少加工时间及用料，长期考虑下来，效益显著。

考虑成本的另一重要部分为标准件的使用。能够使用标准件的地方应尽量使用标准件。标准件既包括如螺钉、螺母、垫柱等国标件，如淘宝、京东也有很多厂家做了很多货架产品，如轴承座、轴套、监控安装支架等，相较于非标产品有价格优势、节省了时间和设计，同时也可保证可靠性。

2. 机械设计过程

完整的设计过程为：要求论证——总体方案设计——子方案设计——标准件选型——三维建模——关重件仿真——出图——加工——装调——编写BOM表——编写工艺文件。

标准件选型：国标规定的零件可以通过查表完成选型。

三维建模：需要三维建模软件，注意模型树的简洁，方便维护与迭代。

关重件仿真：1.用ANSYS可以强度仿真、热仿真；2.轴校核和螺栓校核也可根据经验公式；

出图：根据三维模型出工程图。先标注重要特征的形位尺寸，然后标注形状公差，再标注位置公差和粗糙度，最后填写技术要求，完成表格。

编写BOM表：装配图需要编写BoM表，包括零件、数量、型号或编号等信息，方便准备物料，以及编写工艺文件。

编写工艺文件：工艺文件包括工艺说明和工艺过程卡。工艺说明一般记录组件的装配过程，装配时起指导作用。工艺过程卡为表格形式，每一栏都有对应的装配要求，为装配过程的工作日志。

3. 本文综述

本文的撰写初衷是本人在设计过程中学习的笔记，以供设计时进行参考。不同于机械设计课程，更关注实际设计过程中的设计经验，因此对于本领域经常使用的零件、连接、传动会更为突出的列举。同时，对于零件上的某些特征也会记录一些经验。

由于个人水平所限，行文难免有主观臆断，片面，甚至错误之处，恳请各位提供宝贵建议。

二、重要局部设计

本章节主要列举设计零件时一些常用的设计思路。

1.特征

（1）.凸台

凸台是很常用的特征，安装面、配合面一般会起凸台，可以减少精加工的面积，降低成本。

（2）.法兰

法兰是另一种常见特征。某些旋转体零件的壁厚较薄，又或者是比较长，不适宜直接布置安装孔，常常将其底部或腰部单起一个平面用于布置安装孔，即法兰。

（3）.抱紧

抱紧是一种比较简单的用于固定的特征，常用于零件在轴上的固定，以及有O形圈、密封条、胶垫等弹性件的场合。在设计时留出一点缝隙，通过螺钉将金属或弹性件预紧，对于前者可起到固定的作用，对于后者则保证了密封性能。

（4）.台阶、阶梯

台阶类似于凸台，不过一般是侧面提精度要求，也有顶面、侧面两面均提精度要求，用于限制配合零件两个方向的平移。止口就可看做是旋转体的台阶。

阶梯是连续的台阶，最常用于阶梯轴上，在连续定位时也有广泛的使用。

（5）.孔

孔是常用的定位、固定特征。孔根据是否打通可分为通孔、盲孔；根据孔的内壁可分为光孔、螺纹孔；根据孔的端部可分为平孔、阶梯孔、沉头孔、锥孔等。

需注意，用于螺纹连接时，过孔的直径稍大于螺钉直径，而底孔应稍小于螺钉直径。

（6）.倒圆角

倒圆角的作用有：1.消除边棱尖锐部分，防止划伤；2.内壁倒圆角，使机器能够加工；3.使零件拐角更平滑，消除应力集中；4.配合面特别是轴孔配合面倒角，利于装配。

需注意，两个配合的零件内壁倒的圆角应小于外壁倒的圆角，否则会出现干涉现象。

（7）.沟槽

沟槽有多种形式。一字槽、扇形槽（弧形槽）可用于螺钉安装时调整位置；键槽可用于安装键、销；密封沟槽用于安装O形圈、密封条等密封件；减重槽用于挖掉冗余部分，进行减重；退刀槽用于清根，保证装配；消应力槽用于安装时减少应力，保证安装面型。还有其他沟槽设计用于定位、独立加工、消除干涉等。

2.配合

（1）. 非轴类配合面

非轴类配合面多为凸台的形式（减少精加工的面积，降低成本），采用铣床加工成型，多为平面，粗糙度比一般平面高一个精度以上（多为3.2或1.6），平面度要求0.005。如果配合面为离散的，一般还应有平行度要求，平行度参考0.02。

（2）. 轴孔配合

轴孔配合应限制轴的径向与轴向运动。常见的配合方式有止口配合、法兰、D型轴、轴承配合、顶丝、轴用卡扣、键传动、联轴器、抱紧环等。

3.减重

有些零件存在大量的冗余结构，需要进行轻量化设计。

可以通过挖沟槽、消除不必要部分、减小壁厚等方式进行减重。

4.微调

部分重要零部件在装调时需要一定的微动量用以调节位姿，尤其是反射镜等光学部件、光电开关等传感器部件、探测器等。

（1）.扩孔

扩孔是最简单的方式，即开螺纹过孔时将孔开大一点，然后配上平垫。可以提供平面内微小的x、y方向上的平移以及绕z轴的旋转。

（2）.一字孔

字如其义，开一字孔可以获得在这个方向（x或y）上更大的平移量，同样需要平垫。

（3）.调整底板

调整底板通常为一系列的形式，例如，厚度为3的底板需要+-0.5mm的调整量，那么可以设计2.5mm厚的底板和从0.1到1mm、步进0.1mm的调整底板，在实际装配时使用对应的调整底板获得合适的距离。该方法可以提供z方向上的平移。

（4）.调整垫片

调整垫片通常为聚四氟乙烯、铜皮等材料，如果为聚四氟乙烯，可通过加工的方式削去部分材料，可调整z方向上的平移和x、y轴旋转；如果为铜皮材料，可通过在四个角垫不同的高度调整x、y轴旋转。

（5）.四顶四拉

基座和被调整件之间用八个螺钉连接，其中四个螺钉的螺纹在被调整件上，四个螺钉的螺纹在基座上并旋出去顶到被调整件，这样通过调整这八个螺钉就可以调整x、y轴旋转。

3D打印机平台调平用的是四顶四拉的原理（以DreamMaker为例），它是三顶三拉的形式，用弹簧代替螺纹在基座上的螺钉实现顶的功能。

（6）.调焦机构

调焦机构是一种动态调整机构。有多种实现形式，例如齿轮+凸轮、丝杠等等。

三、典型零件设计

1. 轴

轴是一种常用的零件，分为光轴、阶梯轴和心轴，其中光轴和阶梯轴的使用率较高。

阶梯轴的中间最粗，依次向两端递减。每一段阶梯直径相差2——4mm，为了保证无干涉根部一般有0.5—1mm宽，1mm深的退刀槽，或者清根。

轴的重要部位应进行强度校核，校核教程网上有。

2. 框架

框架是一个产品的骨架，用于与各组件连接。

画框架时，可先将组件位置在装配图里布置好，然后画出骨架形状，根据安装孔位置打孔，挖减重槽、倒圆角，最后检查干涉。

3. 外壳

三维建模软件均支持抽壳操作，仅需给定外壳形状和壁厚即可快速抽壳，省去绘画详细特征的步骤。

外壳建模时需考虑安装孔的位置，并且，尽量避免出现壳中部薄而底部厚的情况，不利于加工。

4. 钣金件

对于壁厚相同、需要折弯的薄壁类零件，可考虑钣金加工。

钣金件的材料一般为6061、3003、3A21等。

5.铸造件

铸造件壁厚最低4mm

四、连接设计

1.螺钉连接

螺钉、螺栓是最常用的连接方式。螺钉与螺栓的区别是螺栓与螺母配套使用，用于精度要求不高的场合；螺钉直接在紧固件上攻螺纹孔，精度较高。螺纹的基本参数有直径、螺距，可选参数有公英美制、粗细牙、牙型，其中普通公制三角螺纹应用最广（粗牙），常用直径与公制粗牙默认螺距如下表所示（参考GB/T196-2003 普通螺纹基本尺寸）。

常用螺钉和螺栓有内六角、一字圆柱头、十字半圆头（十字盘头）、一字沉头螺钉等。内六角方便拆装，是常用的螺钉，一字圆柱头的头部厚度较低，十字半圆头的头部径向尺寸较低，适合尺寸较紧张的地方，一字沉头可以完全沉入安装表面，增加整体美观性。

螺钉和螺栓强度等级有三套标准:

普通钢螺钉采用XX.X的形式（GB/T 3098.1）,前一数字代表抗拉强度，单位百兆帕；后一数字代表屈强比值。例如，12.9级螺栓代表公称抗拉强度达1200MPa级，屈强比值0.9，屈服强度1080MPa级。

不锈钢螺钉采用XX-XX的形式（GB/T 3098.6）前一字母加数字代表不锈钢组织，后一数字代表抗拉强度。例如，A2-70代表304奥氏体不锈钢，抗拉强度700MPa；A4-50代表316不锈钢，抗拉强度500MPa。

有色金属螺钉执行GB/T 3098.10标准。

重要部位的螺钉需要进行强度校核，网上有详细教程及程序。

内六角、圆柱头一般会加弹平垫，弹垫的作用是防止振动松动，平垫的作用是增大受力面积，防止螺钉损伤零件表面，螺纹连接是非密闭连接，如果有密封要求则需要在拧螺丝时点螺纹胶。

螺钉布置数量一般至少为2，如单颗螺钉则应考虑加限位特征，否则不能起到紧固作用。轴类零件螺钉一般采用轴心以固定距离均布（EQS）形式，外壳类零件一般绕其密封条外侧或边缘部分按照一定距离均匀布置，其他零件则优先采取矩形、三角形、直线等规则图形进行布置。

选好螺纹及螺钉（螺栓）类型后，下一步需要考虑打孔，一般来说，螺纹过孔为光孔，需要保证安装的顺畅，因此应略大于螺纹直径；螺纹底孔需要攻螺纹，应小于螺纹直径。螺栓的两个孔均为过孔。同时，如需保证安装平面的平整，还需打沉孔。不同直径推荐的过孔孔径、底孔孔径、沉孔径及沉孔深度如下表所示（参考GB 5277-85 紧固件 螺栓和螺钉通孔、GB/T152.3-1988内六角圆柱头螺钉用沉孔尺寸、GB/T152.2-2014 沉头螺钉用沉孔）。

计算底孔深度时，应保证螺纹长度为5——10倍螺距，同时，还应考虑钻头长度。

外壳、需要装调的件的安装底孔常常需要反复拆装，容易拧花螺纹，因此可加钢丝螺套，钢丝螺套的参数有直径×螺距×XD，X为直径的倍数的长度（例如M4×0.7×2D即长度为8）

2.螺纹连接

对于某些不适于使用螺钉连接的零件，如镜头压圈、前端连接后端定位的定位轴等，可以采用直接在零件上攻丝的方式。

三维软件里修饰螺纹线功能添加螺纹，还应在工程图中标注螺纹直径×螺距，螺距参考值0.75、0.5.

标注时标注尺寸较大的直径（螺纹外径）。

3.轴连接

轴连接有多种形式，轴连接设计时应先考虑有无相对运动，是否传递力矩，精度要求等。轴上的零件应有轴向定位和径向定位，有些零件还应限制零件与轴间的转动。轴向定位一般一端依靠阶梯的靠面，另一端可以使用轴套、轴用卡扣、端盖等固定。径向定位一般依靠公差配合。需要转动的情况，一般使用深沟球、角接触轴承，对于体积较小或要求不高的场合，也可使用聚四氟乙烯、黄铜石墨等自润滑轴承。不需要转动的场合，一般使用顶丝、抱紧环固定，对于不需要转动且需要传动力矩的场合，可以使用D字轴（电机）、联轴器（与电机轴相连的主轴）、键（齿轮）等方式。

（1）.轴承

当轴和被连接零件有相对运动时，轴承是最常见的连接形式。常用轴承有深沟球轴承、角接触轴承、止推轴承、直线轴承、自润滑轴承等。

轴承选型时的型号参见机械设计手册。重要部位的轴承应进行强度校核。

轴承设计时应保证阶梯高度小于内圈外径。

深沟球轴承是应用最广泛的轴承，主要承受径向载荷，轴向载荷过大时会导致结构破坏。

角接触轴承常常成对使用，可以承受径向和轴向载荷。

止推轴承用于承受轴向载荷。

直线轴承类似于导轨-滑块机构，主要用于被连接零件和轴做直线运动的情况。

自润滑轴承材料一般为聚四氟乙烯、黄铜石墨等，有一定的润滑性，可以直接垫在轴与被连接零件之间，起轴承的作用，适用于精度要求低、载荷不大、运动速度较低的场合。

（2）.顶丝

轴与零件无相对运动时，可以采用顶丝固定。顶丝的过孔为螺纹孔，底孔为光孔。

（3）.抱紧环

轴和零件的连接还可使用抱紧设计，即一侧开口，通过螺钉抱紧。

（4）.D轴

D字轴用作电机输出轴，可以传递力矩。

（5）.联轴器

联轴器可以将两轴连接，分为刚性联轴器和弹性联轴器，可以用作电机输出轴与机械主轴的连接。

（6）.键

键可以单独使用，也经常用作齿轮的定位零件，用以精度较高、传递较大力矩的场合。

4.封胶连接

无需反复拆装、结构紧凑、有密封要求、连接的另一个零件不方便打孔（如镜片）、防松脱等场合，可考虑封胶连接。

703硅橡胶：用于密封、绝缘等场合，使用时封涂一圈，静置24H。

螺纹胶：厌氧胶（即在无氧气的场合凝固），可以防止连接件振动松脱。

五、传动设计

1.电机

电机是机械的动力源，是非常重要的一部分。

在日常设计领域，常用的有直流无刷电机、步进电机、舵机等。

直流无刷电机是最简单的电机，通直流电后即可按照一定速率转动。控制电流大小可以控制电机速度，控制电流方向可以使电机反转。

步进电机可以控制转动速度和角度，常常与驱动板配合使用。常用的有42步进电机、28步进电机、60步进电机等。

舵机是可以看做带有位置和力矩反馈的步进电机，步进电机增加反馈功能为伺服电机，伺服电机增加减速齿轮组即舵机。舵机适用于需要精确调节位置、需要反馈控制的场合，常用于机器人、航模、船模等领域。

电机选型最重要的是输出力矩应足够，其次还应考虑供电问题。

2.齿轮

齿轮是重要的传动机构，且精度较高。

齿轮设计应考虑传动比，如果传动比过大可考虑多级传动。

六、特殊要求

1.减振

振动可能带来探测器的晃动、螺钉松动、损伤元器件寿命等问题。

对于螺钉松动问题，可以加弹垫、点螺纹胶。

其他振动可以考虑垫胶垫、阻尼减振器。

2.密封

盐雾环境、多灰尘环境可能造成内部电路的腐蚀，同时，内外环境温差较大时容易起雾，因此部分设备要求内部提供一个干燥、密闭的环境，即密封性要求。

需要针对所有的与外界接触的空隙进行密封。圆形的空隙可以考虑O形圈密封，不规则的空隙考虑密封条密封，螺钉缝隙考虑螺纹胶密封，无螺钉紧固的配合部分可以考虑使用硅橡胶填充密封。

3.轻量化

轻量化首要考虑单个零件的减重。框架、支撑板等零件，在满足强度要求的情况下可以通过去除冗余部分减少大量重量。

还可以更改零件材料。钢铁的密度7.85g/cm3，铝的密度2.7g/cm3，碳纤板密度1.4g/cm3，树脂、ABS密度1.1 g/cm3左右。3D打印的填充率一般不为100%，因此用树脂等材料打印出的零件密度会进一步降低。外壳、装饰壳等零件可以通过3D打印来减少重量。

4.散热

某些元器件使用过程中会产生大量热量，如不进行散热处理，会损伤元器件寿命，甚至导致系统宕机。

导热系数金属>硅胶垫>空气。散热设计的核心思路是尽可能多的拓展发热元件的接触面积。一般情况下通过硅胶垫或硅脂将鳞状、针柱状散热片贴合到元件表面。可以再在旁边安装辅助散热。