机械设计入门与进阶：成为优秀机械设计师必备知识与素质

机械设计是机械工程的重要组成部分。它是机械生产的起始步骤，也是决定机械性能的最为主要的因素。机械设计的努力目标在于：在诸如材料、加工能力、理论知识和计算手段等各种限定条件之下，设计出最为优良的机械，也就是要做出优化设计。优化设计需综合考虑诸多要求，通常包含：拥有最佳工作性能、达到最低制造成本、实现最小尺寸与重量、在使用中具备最高可靠性、保持最低消耗以及减少最少环境污染。那么，怎样才能成为一名优秀的机械设计师呢？应当储备哪些知识呢？又需要具备怎样的素质呢？小编特意为您呈上一位资深机械设计师难得的经验与感悟。

一、机械设计所要了解的周边知识以及所要具备的观察视角

熟练翻阅机械设计手册。要对标准件以及常用件的一些技术特征了熟于心，例如要清楚各类轴承、带传动、链传动、齿轮传动、丝杠传动、蜗轮蜗杆等的使用场合、使用方式以及相关的技术特征。对于具体应用时的选型计算，可对照设计手册的图表和公式进行具体确定。

了解 N 家常用件的供应商，并且能够熟练地翻阅他们的产品样本。现在机械设计呈现出模块化的趋势，对于机械设备制造工厂的整体技术要求，更多地侧重于对一些配件和部件的组装应用，例如像台岛的 HIWIN、日本的 THK、德国的 FAG 和 FESTO 等。对于此，当你在设计某个零件或部件，或者要完成某个动作或功能时，必须要知道目前是否有专业的厂商在生产或提供能够实现某个部位的功能要求的成熟的零配件。

熟悉原材料情况。要知晓目前市场上有卖的冷轧或热轧铁板以及各类型材的规格尺寸。有经验的工程师通常会明白，安排给采购的单子到最后往往会变得面目全非。因为在钢材市场，普遍存在变薄、变窄、变短的情况，采购买回来的东西与在办公室根据设计手册选出来的相关数据往往存在较大折扣。

深度知晓各类常用机床的结构原理以及性能特点。（可以说无论怎样变化都离不开根本，机床也是这样。设计一台机器的过程就如同小孩堆积木一样，一个部件接着一个组件进行堆砌，接着把这些具有不同功能的部件或组件按照某种规律相互关联起来。在这个过程当中就要求你对一些常用机构或装置的功能和特性熟练掌握。）我们常见的车、铣、钻、刨、磨、镗等机床应用的结构或原理，都历经了数十上百年的考验。对于其稳定性和可应用性，我们无需过度怀疑。例如，车床的刀架结构，卡盘结构，尾座的锁紧机构，主轴轴承布置；磨床的主轴密封结构；刨床的连杆机构等。

其实想说的主要是两字。对于这些稳定且常用的结构，在设计新机床时，我们要学会去“借鉴”或者“参照”。从另一个角度来看，了解各类常用机床的结构原理和性能特点，是画出一张零件图纸的前提基础。比如，当你完成一张图纸时，最起码你自己要清楚这张图纸上的这个零件的大致加工过程。这个所谓的大体了解，楼主个人认为，就如同要加工一条常见的轴类零件。当你了解了车床、铣床、磨床的一些特性后，就不会在图纸上出现没有螺纹退刀槽、砂轮越程槽等情况。同时，也不会随意在轴类零件的长度方向尺寸上标注 IT6、IT7 这样的公差要求。

掌握一定的机床装配能力。很多人会提出疑问，认为这完全是装配工的工作，而作为一名设计人员，过多地了解这方面的知识有什么用呢？当然，会有这样疑问的通常都是一些刚进入这个行业的新手。当你从不了解这方面的知识，就无法理解在针对一条长轴进行过渡或过盈装配时的情况。因为你的图纸上左轴承位和右轴承位相距很大，而轴承只能从左到右或从右到左装配，所以会感受到那两轴承位之间那么长一段装配距离所带来的痛苦。当然，当这条轴要进行轴端螺纹锁紧时，你肯定不会想起。因为你图纸上缺少限制这条轴锁紧时转动用的夹持平面，所以无法顺利锁紧。当然，你更想不到也理解不了哪些位置的哪些孔或哪些销位是需要在装配时定配的。

具备电气方面的知识，具备液压方面的知识，具备气动方面的知识。社会分工日益细化，个人工作方向愈发专精。当然，这里强调这些“旁系”学科，并非要求作为机械设计人员必须具备根据机床功能进行液压或气动的集成块油路布置的能力，也并非要求必须能够进行强电线路的规划，更非要求必须能够编写弱电程序。但我们至少要能够看懂人家所提供的液压系统原理图，或者看懂电气原理图、接线图等。能够读懂或者编写通用的 PLC 程序，以及一些运动控制器的 C 程序则更为妥当。了解这些交叉科目知识，主要目的是能够与负责液压、气动或电气控制的专业工程师进行技术沟通和协调。宽泛地说，当你对这台机床的液压和电气了解透彻后，就能够进行合理的“预留”。在设计初期，你就在头脑中对液压和电气所要连接的线路以及管道进行了交叉排布。这样在设计时，就能充分考虑到这些管道和线路的空间位置问题。

养成在生活中进行捕捉的能力，养成在生活中进行发现的能力，养成在生活中进行简化的能力，养成在生活中进行总结的能力，养成在生活中进行借鉴的能力。对于一个搞机械设计的人员来说，在日常生活中应当更善于去发现那些“动”的事物和现象。我们举些简单的例子。比如冰箱，即便你不了解它的制冷原理，然而我们可以去观察和学习冰箱门的密封结构。又如榨汁机，它是通过刀盘的旋转来进行物料的切削，并且也是借助刀盘旋转所产生的离心力来进行过滤和分离。再比如汽车后轮差速器，去思考当汽车转弯时左右轮为何会出现速度差。这些都可以在设计中进行借鉴。

机床展会上是最好的学习和领悟的机会，很多有经验的设计工程师对此深有体会。机械设备会展是销售人员的良好拓展舞台和机会，也是机械设计人员学习优秀设计经验和认知机械设备发展概况的良好机会。所以，楼主希望广大同行多多参加相关展会，不辞劳苦在展会上多走、多看、多拍照。

对钣金知识有一定了解。一个好的设计作品，外行人观看时，他们在头脑中第一印象会做出“美观”“先进”“牢固”“稳定”等判断。很多机械设计工程师常常侧重于关注机床功能、效率、精度等技术性层面的东西，而对于机床钣金设计、液压管道和电气线路布局，往往采取忽略或忽视的态度。举个简单的例子，若将奥拓车的外围钣金套用到奥迪车上，我认为大部分客户难以认同和接受。苹果手机之所以能做到差不多人手一机，一方面是因为它具备完善的功能以及优异的运算速度，另一方面其产品外观设计具有“美感”也是很重要的原因。

说了这么多，就是要突出在机械设计中要注重机床的外围钣金设计，还要注重线路管道布局以及油漆色彩的协调。当你对各类钣金加工设备情况不熟悉、不了解时，往往会出现这样的情况：在能进行折弯的地方采用铁板焊接处理，在能进行弯管的部位采取直线管道拼接，在能进行裁剪的地方出现弯弯扭扭的气割痕迹。略知机械设计的宗旨，其一在于怎样以简单的设计去实现复杂的问题；其二在于怎样让外行之人看到此设计作品时持肯定与褒奖的态度。

对于金属材料与热处理知识，我们可将对事物或技能的掌握程度分为认知、略知、掌握、熟练等阶段。我们作为机械设计工程师，由于我们从事的这个行业交叉性学科较多，所以略知金属材料与热处理知识。所谓业精于专，我们的前提是做好自己设计范畴内的事情。这里所要求知晓的金属材料与热处理知识，并非要求你能熟记铁碳合金相图以及各类金属在不同温度和不同热处理工艺下的金相组织形态。不过，一些基础性的知识还是需要了解或掌握的。低碳钢、中碳钢、高碳钢以及一些常见合金钢具有的常见特性，通用性材料的屈服点、抗拉强度以及热处理前后的硬度特性。

车间师傅让你帮他找一条用于车床的深孔镗杆，要求刚性好些。你得知是要找一条又粗又壮且高刚性的东西，于是在图纸的材料栏里写了 40Gr。采购回来后进行加工和热处理，一焊接，发现 YG6 的刀粒铜焊怎么都焊不到那条又粗又壮的刀杆上。

设计软件仅仅是一种工具，不能将使用它当作目的。楼主曾经面试过许多刚从学校毕业的热血小伙，在他们的简历上，有很多都拥有这样或那样的等级证书，其中特别常见的有 AUTOCAD、PRO/E 等。还有一类是中级制图员、高级制图员等头衔。楼主也加入了很多像 SOLIDWORKS 应用群这样的 QQ 群。发现一个现象，很多人常常沉浸其中并陶醉于讨论采用何种建模方法的问题，也常常沉浸其中并陶醉于研究采用怎样的渲染或动画技巧的问题。

当然，说你去研究和深挖某个软件的各项功能是错误的这种说法不对。只是认为一个人的学习能力和学习方向应该被正确把握。我们做机械设计的要明白，软件只是替代了传统图板和丁字尺的一个工具。应当把主要的精力和时间放在纯粹的设计构想当中，而不是被这些功能庞大的软件所捆绑。

二、机械设计过程概述

1、形成设计构想和完善整体策略。

机械设计的过程通常是从整体向局部逐步细化的过程。整体意味着拥有一个总的全局观念。例如，当拿到某个课题（设计具有某种功能的机器）时，首先需要在脑海中形成一个总体的、较为模糊的设计概念，此时金属加工编辑会提醒您要考虑一些全局性的因素。要考虑客户加工的料的材质，包括各项物理性能，如硬度、强度、屈服点、耐磨性、韧性、比热、密度等；还要考虑料的形状，是板材、型材还是铸件锻件等。同时，要考虑所设计机床的大体尺寸，如总高、总长、总宽等，并且要考虑实际车辆和道路运输情况，以此来决定该机是散装运输还是整机运输。在考虑这些大致具有方向性的基本要素时，也要考虑初步的机床功能实现方式。也就是要考虑采取何种工艺或方法来进行成型。就目前的成型方式而言，可分为不去除材料的方式、去除材料的方式以及增加材料的方式。

有以下几种不去除材料的方式：进行铸造；进行锻造；进行挤压；进行冷轧；进行折弯；进行滚压；进行卷圆；进行弯管；进行旋压。

去除材料的方式有：车削这种方式；铣削这种方式；钻削这种方式；刨削这种方式；磨削这种方式；拉削这种方式；锯削这种方式；插削这种方式；冲压这种方式；裁剪这种方式；激光切割这种方式；水切割这种方式；火焰切割这种方式；等离子切割这种方式；火花电蚀这种方式。

增加材料的方式有：焊接/分层轮廓加工（3D打印机）

在众多成型方式中，借鉴并确定一种最为合适的成型方式，将其作为所要设计的机床的最基础理论架构。

2、确定机床初步结构方式。

确定一个初步的机床结构布置性方案。例如客户提供需由所设计机器加工的料为类似工字钢的较长型材，此时需综合考虑机床加工时客户上料和下料的便捷性、安全性等因素，还要考虑客户是单条加工还是成捆多条同时加工。在此状况下，我们可能倾向于确定大概的设计思路，即在加工时采取被加工件固定（静止）的方式，同时采取刀具以及刀具总成移动的初步策略，就像激光切割机那样。

当然，可以结合实际情况采取工作台（物料）移动的形式，比如龙门铣床这种形式。在有了大致性的初步策略之后，接下来就要考虑机床的生产效率和精度要求。对于这两项要求，肯定是要结合设备造价来确定的。是否采用多工位结构，是否采用多机头结构，是否需要加快各部位工进或快进的速度。速度高了，对驱动的功率要求就大。同时要考虑速度高了，机构惯性会变大，定位精度会下降。若采用大功率大惯量的电机，就直接意味着成本的上升。此时还要兼顾机床整体的刚性以及重心问题，也要考虑必要的结构共振频率问题。对于操作位或某些需要经常调整和操作的位置，要考虑正常人操作时的便利性，同时还要兼顾人体工程学要求。

3、确定各部件或总成的结构形式和功能。

确定机床成型方式和整体初步结构后，就要对各部位进行初步规划。此时要清楚各部位的功能，还要确定采用何种机构来实现这些部位的功能。做这些规划的前提是先考虑这个组件或部件的安装和拆卸问题。例如，对于易损件、耗材以及一些需要经常调校的装置和机构，要考虑合理的拆装以及维修时的便利性。如果要更换一条三角皮带，就需要对该机器进行非常彻底的拆卸和更换，这种方式就不能算是一个好的设计。

当确定采用常用的直线进给机构时，需要考虑以下方面：要结合实际的效率和精度需求来明确某种实现形式，常用的有导轨加丝杠这种形式，至于采用滑动摩擦丝杠还是滚动摩擦丝杠，则要根据实际情况来确定。传动效率、定位精度、动态响应性、负载情况、速度特性、螺纹升角、丝杠所能承受的轴向载荷、导程以及造价成本等因素都需要被综合考量。另外，比如间歇运动机构，在电机控制技术尚未完善之前，要实现此类机构存在着多种方式，像槽轮形式和不完全齿轮形式。楼主认为做机械设计难在将复杂问题简单化。对于那些费尽心思设计出精妙复杂的机构，像圆柱/圆盘凸轮机构，神秘莫测的空间机构，变幻多样的四杆机构，还有那些考验加工制造人员的不完全齿轮机构和异形齿轮机构等。

对于刻意设计出一些让一般人难以玩转、弄不清状况的东西，楼主不持赞成态度。当然，前提是在我们完全能够采用一维线性运动、二维平面插补或者三轴联动来解决相关问题的情况下。采用伺服电机和直线滚动摩擦性质的驱动和导向装置，能够完美解决那些有间歇、加速、行程放大以及特殊运动曲线等功能要求的情况。那么，在这种情况下，为什么还要去采用那些复杂的、制造困难的、不通用的、让维修和装配人员眼花缭乱且莫名其妙的、大多是滑动摩擦关系的机构呢？也许有人会说，一组二维平面直线插补的运动平台，将前人留下的那些可以真正被称为机械设计精华的机构给抹杀了。 也许有人会说，二维平面直线插补的运动平台抹杀了前人留下的某些机构，这些机构是机械设计的精华。 也许有人会说，那组二维平面直线插补的运动平台抹杀了前人留下的可以被称作机械设计精华的机构。 也许有人会说，二维平面直线插补的运动平台抹杀了前人留下的那些真正属于机械设计精华的机构。 也许有人会说，那组二维平面直线插补的运动平台把前人留下的可称为机械设计精华的机构给抹杀了。

对此，举一个很具讽刺意味的笑话。某新兵在进行野外生存训练时，肚子饿了，不停地搓了好几个小时的木头，却依然没能像祖先那样成功地实现钻木取火。在筋疲力尽之后，他摸出打火机和香烟，先坐在石头上抽了根烟，舒缓了一下气息，然后继续思考钻木取火的技巧。当然，对于一些不可或缺的和必不可少的机构，是不能完全依靠现代快餐式的设计文化来进行填补和实现的。应用偏心装置，从而得到振动特性；利用夹具上的快速锁紧装置；或者利用超越离合器，以得到反转失效等工况。

4、零件设计。

首先要考虑该零件的制造批量。当大批量制造某个零件时，需要充分考虑机床夹具所使用的定位基准以及工艺孔等这些“多余”的因素。

第二，要考虑该零件成型方式的特点。例如某高速旋转的盘类零件，若采用铸造成型，由于不可避免会存在组织疏松或气孔等缺陷。这类工艺特征如果不进行后期动平衡处理，在高速运转状态下就必然会产生过大的离心力，进而会出现轴承发热、异响、寿命短等现象。比如在对中碳钢或高碳钢原材料进行气割下料以获取零件毛坯时，很容易在切割处出现“被”淬火的现象。

第三，要考虑该零件的原材特性。例如对于一片状薄板类零件，我们首先会想到采用铁板取料，而取料的方式可以是激光切割，也可以是水切割，还可以是火焰切割，甚至可以是线切割，或者是冲压。金属加工编辑提醒大家，这需要结合该零件的最佳经济效益来决定。不管是针对板材还是线材，不管是采用锯切下料还是火焰切割、激光切割或水切，都要注意排料问题。（追求材料最大利用率）

第四，要考虑该零件的加工夹具。对于单件小批量制造，在设计时应尽量避免出现一些情况，即某些零件在通用机床上无法加工，必须得用专用夹具来进行生产加工。

第五，需考虑制造该零件的刀具。在设计零件时，要充分考虑市场上可购买到的、适合自身机床装夹和使用的刀具，尽量避免定制非标刀具。这部分要求略知一些刀具的国家标准。例如，若在零件上设计了一个孔，且该孔有较高的圆柱度和光洁度要求，一般对于孔的工艺是先钻孔或车孔，再进行铰孔或镗孔，或者进行内圆磨。但你的这个孔的直径值若选择得与刀具的第一系列或第二系列不接近，在标准刀具市场无法买到与之对应的钻头、铰刀等一类刀具时，就会变得很麻烦。

第六，要考虑加工这个零件的机床的加工范围。因为机床都有固定的加工能力范围参数，例如 C6132 表示卧式车床能够实现的最大零件回转直径是 320，M7130*1000 代表卧轴矩台平面磨床可一次装夹磨削宽度为 300、长度为 1000 的平面。所以，在设计零件时，必须结合这些机床参数来考虑加工母机的可夹持性或可加工性。

第七，要考虑量具。零件制造完成后，需要能够应用通用的检具和量具进行测量。例如，在设计一组圆锥配合时，如果不选择标准莫氏系列或常用的 7:24 锥度、1:50 等锥度，而是选择 7:23 或 1:47 等锥度，那么在标准量具市场上就无法买到通用的标准锥棒和锥套。当然，对于采用三坐标检测的零件，不在此情况约束范畴内。

第八，需考虑热处理要求。对于刚入行的朋友，在处理某些需要高耐磨性或良好综合力学性能的零件时，其图纸上常出现此类技术要求，如材料为 Q235 时，淬火后硬度需达到 HRC60，同时要保证淬透性和硬度均匀；材料为 45#钢时，调质后要达到 58HRC。对于这类现象，金属加工编辑建议您多去翻翻关于金属材料与热处理的知识。

5、工程图纸的相关问题。

国内有众多“山寨”小作坊式的工厂，结合其实际情况来看，设计图纸的规范化和标准化是个较为矛盾的问题。从正常、规范、严谨且科学的角度来说，一个生产机械设备的工厂，其技术部门本应具备专职的绘图人员、图纸审核人员、工艺规划人员、工装夹具制作人员，以及专职的电气工程师、液压气动工程师或程序员。在“小农意识”的领导下，经过浓缩再压缩处理后，往往会精简到只有一两个人的情况。并且这一两个人，在完成上述各个职位工作的同时，还可能要出具设备使用说明书，对产品样本进行更新编排，编制投标文件等一些技术人员的工作。

在此，仅讨论基于上述一人多能这种状况时的图纸实用性方面的相关问题。（此所述或许并不适用于那些在具备明确分工、各司其责的规范化公司做事的朋友。）

第一，作为设计人员，在保持谦虚好学的同时，要具备自我主见和独立判断能力。很多朋友对此都有深刻体会，老板这么说，车间主任那样说，生产经理又有不同的想法，客户还会提出“合理”的要求。当处理不好这些接踵而来的意见或建议时，图纸文件包的名字将会从设计 1 版逐渐变为设计 11 版。对此，若我们设计人员处理不当，常常会形成思维上的惯性和依赖性。时间一长，我们就会陷入一个难以挣脱的死循环之中。老板、车间主任和生产经理总是觉得你这个人就像是腰上别着一只死耗子，在冒充打猎的。而你则觉得没有了设计自由，觉得与这些从事基层工作的人交流完全是夏虫不可语冰。被约束，被束缚太多，完全被禁锢在指指戳戳和无数的马后炮中。

第二，要对图纸要素既知其然又知其所以然。很多新手出具的图纸常常非常“整洁”且“干干净净”，没有粗糙度标记，没有形状和位置公差要求，没有备注的技术要求，所有线条粗细都一样，存在尺寸缺失、尺寸多余、尺寸链封闭的情况，图纸无法体现加工和测量的基准，还有很多虚线图素等状况。金属加工在线编辑提醒您，入行一段时间后有了些体会。然而，可能又会出现这样的状况，即图纸所标注的尺寸公差以及形状和位置公差要求，让人一看就感觉仿佛半身不遂，再一看则直接瘫痪。

举个简单例子，设计一条轴（轴承中间布置）时，需明白这条轴在最后磨削处理时，加工基准是两轴端的中心孔。装配后用百分表检测某段轴段跳动情况时，测量基准是基于中间的轴承位 A 和轴承位 B 之间的中心轴线。那么，在图纸上标注其任意轴段跳动公差时，测量基准能任意标注吗？例如，当设计的类似法兰连接的两个零件无法实现理想对接时，不要立刻去指责加工或工艺安排人员的过错。你应拿起自己出具的图纸仔细查看，看是否没有了装配止口，是否缺失了“配作”这样的技术要求，是否缺失了螺孔位置度要求。

6、设计的灵魂—计算，校核。

楼主认为咱机械设计所包含的计算可以大致分为如下几类：

支持 PLC 或数控系统或运动控制卡等所需的程序逻辑算法。例如，要解决一只 N 轴联动机械手的算法问题。需考虑臂关节平面移动的情况，需考虑臂关节转动的情况，需考虑肘关节平面移动的情况，需考虑肘关节转动的情况，需考虑腕关节转动的情况，需考虑指关节摆动的情况等，这些运动都需遵循相应的运动轨迹方程。（这类计算可归类是纯数学计算的性质，物理性东西不牵涉。）

紧密联系物理现象的计算，例如静力学方面的计算，材料力学方面的计算，弹性力学方面的计算，以及流体力学方面的计算。

设计某个零件时，需先考虑该零件要承担或完成的任务。接着结合这些任务来确定零件的形状。确定形状以及所需满足的运动关系尺寸后，要针对零件的受力状态、受力性质、材质，同时考虑转速、热变形以及设计寿命等诸多因素。最后才能着手确定各个部位的形状和位置尺寸。

C、在零件或部件加工或组装时，需要计算工时以及各项工艺参数。例如制造某款设备，铁板下料部分要进行铁板排料的计算。金加工部分，针对不同的加工性质，要计算不同的加工参数，还要计算不同加工方法的排列。并且要计算在这些工艺参数下各个步骤所需的加工时间。

最近在弄的一款设备（数控全自动锯片磨齿机）的计算书，仅解决锯片的转角、转速与砂轮的位移量及变化率的函数关系推导这部分，就有十几页 A4 纸的内容。（此部分属于第一类计算性质）之前弄过的，像某型设备工作台在不同载荷性质下的承载能力计算，以及某弹性体共振频率的确定等，都属于第二类性质的计算。当然第三类性质计算严格说可以归纳为工艺范畴。

就像练武一样，倘若没有内功的修习，即便外家招式练得极为刚猛，也始终无法达到宗师级的境界。因此，一个所谓的真正的机械设计师必然是内外兼修的。那么，我们那些缺乏逻辑思维的机械设计同行该怎么办呢？没错，就是逆向！也就是从后往前去看。如今的软件技术以及传感技术十分发达。很多时候，我们能够避开那些繁杂的计算和验算的步骤。举个简单例子，例如想要知晓在不同转速下某条输出轴的输出扭距的情形。只需将一个测扭仪连接在该输出轴上，然后针对各个转速进行读取就可以了。金属加工在线把电机的功率因素、传动部件间的摩擦以及不同传动部件间因质量和速度不同而引起的加速度等都考虑周全了。这样一来，读取的数值会比从前往后看模式下计算得出的数据更加精确且有效。

当然前提条件是我们要知道和明了那些基本的物性概念。对于 CAE 分析问题，楼主 曾经进行过尝试并且有过接触。总觉得 CAE 分析对材料物性数据的准确性很敏感，对网格划分和建模的规范性也很敏感。主要是影响最终计算结果的不确定性因素太多，比如约束和载荷布置的合理性等。而且无法进行理论和实践的有效验证。又因为工作节奏和自身领悟能力等原因，一直没有深入研究这个问题，所以不做论述。