机械 in 工业设计(7)：
刘肖健
浙江工业大学
相关文章：
机械 in 工业设计(3)：机械机构简图：观察、认知和表达中的问题
======== 目录 ========
1. 原理错误
2. 松松垮垮
3. 装配和Z向定位问题
4. 有设计感
5. 像个作品了
6. 心碎的设计
7. 一体构件做成了两个构件
8. 干涉
9. 空间运动
10. 舒适
11. 装配失败
12. 滑块没做好
13. 力学平衡
14. 误差大得令人发指
15. 最像玩具的作品
16. 力学问题
17. 两个机构背对背
18. 兔子耳朵
19. 缺少底座
20. 平行四边形机构
21. 胶
22. 复杂但正确
23. 记得撕膜
24. 可以做些装饰设计
25. 滑块的等价高副
26. 实体版简图
27. 装配误差控制
28. 升降机，或伸缩门
29. 滑块轨道配合误差
30. 缺驱动杆
31. 样例抄的太多
总结
======================
对这个第一次模型，要求其实是比较宽松的：做什么自己定，别太复杂，以免打击了自己；不要有原理错误；材料推荐木板，亚克力也行，激光切割即可；不要用胶粘，也不要用外购零件；做出来的东西要像个完整的作品，不要太大（主要是板材尺寸过大会有力学上的麻烦）。
第一个模型主要是热身，靠直觉和常识探索一些结构上的做法，因为课堂时间有限讲不了这么多琐碎的知识点，所以通过模型制作把可能会出现的问题全部暴露出来，统统体验一遍，然后一个个解决掉。
提供了两个参考文档，一个是去年我做的一个机械模型的全过程：《机械运动机构设计（2）：从简图到实物》；另一个是去年第二次模型的评析：《机械运动机构模型制作：常见问题汇总》。两个文档基本涵盖了所需的做法和各种问题。
我把第一个文档里的3D模型和全套图纸都提供了。不过这可能不是个好主意，因为很多人直接就从图纸上复制构件了，有的干脆直接用我的图纸去加工了一个模型组装好拿给我。
以下就是这第一个模型的情况，我边收模型边记录，没做仔细分类。
1.原理错误
尽管强调过不要出原理错误，不要太贪心去做很复杂的东西。这个问题还是没能幸免。
▲升降机没有严格按机构简图做模型，或者说，没有认真研究实物或照片。
底部右侧应该是滑块，而不是固定在机架上的固定铰链。所以第一个交叉点的铰链没法安装了，装上机构就死定了。但不装这个铰链，升降机就没法垂直升降，翻倒是必然的。上层横杆的滑槽和高副是正确的，最好做成有配合的状态，如杆上套一个直径与槽等宽的圆柱轴（可以切出多个小圆片叠加起来串在杆上）。
▲在样例上加了一根杆……这就不算抄了。
但是这根杆加错了，现在有两个自由度了。这也不是Robert连杆，Robert连杆是四杆机构，这已经是五杆机构了。
▲这也是五杆机构。
虽然看起来对称，但运动状态不可能对称，自由度2，运动状态不确定。
▲也是五杆机构。
固定铰链支座在机架上的装配误差大得不像话，有两个毫米了。
▲貌似一个秋千。
自由度太多，这是一个自己设计的结构，应该把简图画出来好好分析无误了再动手做模型。用于固定铰链支座的那种装配结构用在活动构件的内部连接不合适，需要设计另外的结构。运动起来构件之间有干涉，Z向（垂直于简图平面的方向）尺寸需要详细规划。
▲想象力可以。
挺有趣，就是自由度太多了，力学上也有点问题。估计没画过简图也没做过仿真，有些问题是可以在简图或仿真模型上发现的。
▲槽轮还没讲，只看过动图案例。
只能说观察的还不够仔细。
2.松松垮垮
大部分模型松松垮垮，有的一碰就零件洒一地。固然跟板厚误差有关，但板厚也就比标定的尺寸差个0.2~0.3毫米而已，很多模型中的间隙远远超过这个数字了。
▲以这个模型为例，导致模型松垮的原因大致有这么几个：
1）模型尺寸太大，跟铰链尺寸、板厚不相称，导致整体刚度被削弱；
2）很多结构是从样例图纸中直接抄过来的，样例是按3mm板厚设计的，如果制作用的板厚有误差（通常偏薄），累加起来就会导致松垮；
3）过分担心零件“装不进去”，有意留出很大的装配间隙，结果装配时不得不到处填坑。
样例模型从一开始设计就是针对亚克力材料的，如果换成木板材料，装配间隙应该设计得略紧一些。而木板比亚克力弹性好，间隙小一点装配时撑开就行了（特别是那些C形开口挡圈），而亚克力弹性比较差，硬掰易碎。所以材料对设计是有影响的。
▲尺寸太大，刚度减弱。
尺寸过大带来的刚度问题的原因是：假如有间隙，一个微小的晃动角度就会被尺寸放大，在构件远端造成很大的偏移。此外，如果尺寸过大，晃动角度里还包含了构件变形造成的那部分。
这个模型还有些别的问题：结构可以抄样例，但要根据自己的设计修改，铰链座的底板支撑如果只用一个，就不要做这么长，底板上也不要开两对孔；底板（机架）不要做这么大，完全没有设计感，我们可是工业设计的学生，不是纯机械生。
▲松垮得有点过分，可能压根就没想到Z向定位的问题。
固定铰链支座在机架（底板）上没定位，不用使劲就能拔出来。
还以为做了个五杆机构，仔细看发现不是。还真是一个四杆机构，那两个排成一条直线的杆中间的轴是十字轴，不是一个铰链。杆上的孔也是十字孔，两杆不是硬粘在一起的，有点思想。
▲一样的问题：松垮，固定铰链支座在机架上没定位。
▲一样的问题：松垮。
本来跟机架有干涉的地方都不干涉了，扭两下就挤过去了。
▲汽车前轮转向机构，能把两个轮子做出来就好了。
用垫片解决松垮的问题，可以，至少有个解决问题的意识。
3.装配和Z向定位问题
装配是指轴和孔之间、榫头和插孔之间的间隙应该保持在肉眼看不见的程度。两个装配尺寸应该是一样的，误差在零点几毫米。
定位是指Z向——垂直于简图平面的方向——或铰链轴的轴向。机构简图上没有Z向，但是做模型时要把Z向的布置详细搞明白，注意两个问题：
1）留足Z向空间，避免构件（特别是铰链轴的出头部分）之间在运动过程中干涉；
2）所有构件在Z向的位置必须是固定的，不能在铰链轴上滑来滑去，更不能从铰链轴端脱开。
▲装配、定位、机架问题。
没有“装配”：十字轴的两个插片的槽宽应该与板厚是等尺寸的，而这个槽足有板厚的三倍了。没有“定位”：铰链轴两端没有台阶，也没有挡圈，构件会脱落。
机架应该只有一个，这里有两个了，哪怕粘在一起也行啊……最好有个驱动手柄。
▲跟前一个差不多的问题。
铰链上构件的轴向定位好歹做了点考虑，不过挡圈做的不好，没法靠结构发挥功能，所以只能粘了。也没做驱动手柄。
4.有设计感
终于有一个像设计师做的东西了。
▲美化的挺好，设计师本该如此。
六角形很有特色。模型在借鉴样例之余还些自己的改进。主要问题是右侧的六角驱动轮跟后面的摇杆没有固定在一起，导致驱动轮无法驱动摇杆，原因是摇杆上的孔做成了圆孔，应该做成十字孔才能跟轴以及驱动轮同步转动。
5.像个作品了
交代过模型要完整，最好像个作品，能放进求职作品集的那种。这个做的不错。
▲挺好看。
机架上的空地可以做个笔筒（那里粘了两个小零件）或笔架，或一个装杂物的小盒子，就变成一个有实用功能的桌头工艺品了。装配还是挺松，想想改进方案。
6.心碎的设计
▲平行四边形机构用的不错，像是户外健身器改的。
原理OK，心碎掉，又合起来。这是两个机构，左右各动各的，不是一个自由度为2的机构。能用一个构件连起来，让碎成两半的心联动就好了。
Z向空间的布置没安规划好，导致心形开合时顶部会被铰链端头卡住。心、铰链端部、杆，应该布置在不同的平面“层”内，以防止干涉。
从样例中借鉴来的结构没能好好理解：样例中的十字轴宽宽的翼片是为曲轴360度旋转而设计的，是为了避免撞上铰链端部的出头；而这个设计不需要360转动，不会有这种铰链端部碰撞的情况，所以翼片Z向不用做这么长。机构Z向过长又缺乏支撑的话，会导致悬臂效应，使机构变形、不稳、不紧凑。
固定铰链支座在机架上没固定好，导致两侧杆一动就被连根拔起。
7.一体构件做成了两个构件
▲这是个汽车雨刷模型。
两个雨刷是由同一个驱动构件带着同步摆动，它们应该分别跟两边铰链处的短杆做成一体，这样才能通过操纵下面的杆让两个雨刷同步转动。这里做成分体了。现场用双面胶补救了一下，好了。
没好好画机构简图，驱动机构有原理错误，变成五杆机构了。
机架做这么大、这么空旷，板子像不要钱似的，太败家了。
8.干涉
▲连杆和机架干涉了。
模型似乎考虑了力学平衡问题，但是连杆跟铰链支座显然有冲突，这个机构没法转360度（可能原本也没做这种打算）。驱动手柄放在了摇杆而不是曲柄上，如果机构就这么设计的，OK。
▲也是连杆和机架干涉，没计算好尺寸。
……丑陋的卫生纸。
▲更多的干涉
除了连杆跟机架干涉外，铰链轴端部跟杆之间也干涉。没仔细计算两根杆之间需要留多大间隙。带十字翼的铰链轴的十字翼需要多长没计算，直接抄样例图纸。这个模型跟样例图纸不太一样，因为两根杆长度相等，所以两个铰链轴的端部会碰到一起，因此杆之间的距离要加长，以避免它们碰撞；如果两杆一长一短就没事了，空间上会错开。具体问题具体分析是马克思主义活的灵魂，谨记。
没考虑固定铰链支座在机架上的定位，靠过盈配合撑紧不是个好办法，容易松脱。
▲也有干涉，但构件和运动副的结构有些特色。
如果铰链轴端部那个大大的圆饼是为了减少装配误差，表扬。
▲基座长宽应该调换方向。
板有点薄，后果是掩盖了机构Z向尺寸安排上的缺陷——其实是有干涉的，但是通过薄板构件的变形避开了干涉，这种解决方案不好。
9.空间运动
没要求做空间运动。这个模型把动图效果成功地做了出来，赞。
▲这个万向节运动的挺灵活。
不错的制作，动图里的机构完美复现，但是不建议第一个模型就做这么复杂，能力强又自信的除外。下一步，把胶和橡皮筋去掉，用结构设计实现所有功能，包括连接、定位、固定。橡皮筋那个地方的结构，要装配好之后才能连在一起，这是个糟糕的主意，千万不要让零件在装配好只后再去加工一道。因为对很对DIY产品，装配是由用户来做的。
10.舒适
▲看着就很舒适的机械。
稳定性很好，紧凑。Z向空间布置的很好，摆动误差小。但这些优点是得益于两端的胶粘。下次做模型两端定位不要用胶，用挡圈或结构设计来实现，这就要求轴向卡槽的精确设计了。如果摆动误差增大，可以考虑专用垫片。
固定支座铰链采用了两侧支撑（加了一个虚约束），力学性能稳定，很好。做机械设计要好好利用自己的直觉和常识。
11.装配失败
▲概念很好，就是装配彻底失败。
第一个模型主要是熟悉基本套路，所以不用太贪心，路要一步一步走，饭要一口一口吃。模型要求里说，第一个模型不要太复杂，以免自己被打击。希望这位同学没被打击到。
12.滑块没做好
▲机构原理是对的，滑块没做好。
滑块的模型略复杂，因为需要一个轨道给滑块限位铰链支座当滑块了。这个模型只是在机架上开了个槽，就直接用。整个机构站不起来：平面机构做成实物时，要考虑第三维上（即Z向）的布置，而且这个第三维的设计对模型特别重要，很多问题结构和制造上的缺陷都发生在第三维上。前面那个有原理错误的升降机，这点上做的倒是不错。
大量的卫生纸让人发怵，配合与定位件做得好一些就不会有这么多卫生纸出现了。
13.力学平衡
▲虽然大部分结构抄样例，但力学平衡做的还不错。
轴向空间的分层布置做的可以，固定铰链支撑分布在机构两侧，没出现悬臂效应。
14.误差大得令人发指
▲已经不是误差问题了，是没有装配的概念。
机架上孔比插在里面的榫头大了好几个毫米，两者本应无缝拼接的。滑块为什么要粘牢在轨道上？轨道在底板上没有侧向支撑筋板，那机架上开的十字孔是干嘛用的？左边的滑块是个摆设吗？
15.最像玩具的作品
▲挺好玩。
运动灵活，体验感很好，四杆机构用的不错。悬臂效应导致稳定性略差，驱动杆Z向乱晃，不过倒是不影响玩具操作。连接结构做的不好，过盈配合加胶粘，蹩脚。
底板不稳。实际上没有底板，机架是两个侧板用圆轴连在一起。做个底板会好一些，起码能立得住，要么就把两个侧板之间的距离加宽，不过这样里面的机构细节就藏不住了，还得解决Z向定位问题。
好好美化一下，很有前途。
16.力学问题
▲力学性能太差。
还没开始动就被玩坏了。本来用纸做就挺脆弱了，还做得这么大。这么细的圆杆端部粘在纸上能粘得牢么？
17.两个机构背对背
▲强调：这是两个机构，不是一个2自由度机构。
两个一模一样的平行四边形机构背对背。这算两个机构，因为从任何一个运动构件出发，无法顺着活动构件到达所有其他活动构件。这是评判机构数量的一个方法。
十字翼铰链轴用的不错，考虑了构件的间距。
尺寸太大，不稳定。两个机架之间应该连起来，可以增加刚度。
18.兔子耳朵
……开心和关心？
▲不像心，倒像兔子耳朵。
机构运动灵活，好玩。滑块太宽，轨道的宽度是“滑块-轨道”接触长度的两倍了，间隙太大就会导致卡死，轨道改窄一点会好些。尺寸太大，刚度小，机架支撑结构应增加支撑点、增加支撑距离和支撑长度。
19.缺少底座
▲机构可以，缺少一个底座。
构件尺寸太大，容易忽略Z向布置上的问题。实际上，这个机构里有几根杆在Z向距离有干涉，只是间隙过大加上构件变形掩盖掉了，如果做成小尺寸，很容易发现这类问题。
▲这个机构的底座不该缺的。
没做机架，所以只能找人两手抓着两个固定铰链当人肉机架。视频证明机构可以运行。铰链轴端的挡圈有点古怪。
20.平行四边形机构
▲杆和机架支撑板之间有干涉。
▲相对精致一些。
由于固定铰链支座比较高，比曲柄长，所以避开了干涉。必须用左手操作驱动轮，略感不便。
▲杆打架了，只好三组改一组。
这个模型本来要做三组平行四边形机构的（两组是虚约束），但是三组杆打架，只能做一组了。动图看着挺简单，做成实物就问题一堆。转动还挺灵活。
▲带有虚约束、防止反转的平行四边形机构。
松垮，拍照摆个pose很不容易。
21.胶
▲胶用得太多
用胶是因为结构设计不过关。机架用纸板太弱。构件上不用十字轴就不要开十字孔。
▲切纸机模型。
关键部件没用胶，可以。
22.复杂但正确
▲貌似做的是柜门开合机构。
功能全部实现，就算照着实物或简图做的也很不错了。两组机构之间最好加一些连接轴，增加稳固性。
23.记得撕膜
▲驱动轮驱不动，打滑。
曲轴上的十字孔做成了圆孔。其他OK。用两个固定铰链当滑块导轨，做法可以，两个固定铰链的距离要大一些，否则滑块（那个长长的中空杆）运动方向不稳。
用亚克力板材料记得装配之前把覆膜撕掉。
24.可以做些装饰设计
▲包龙图铡刀。
可以把龙头、虎头、狗头做上去。
又一个用垫片解决间隙过大问题的，可以。有解决问题的意识是好事情，不要无视问题。
25.滑块的等价高副
▲滑梯
两个小人跟最长的杆是一体的，是通过十字孔装在铰链轴上，是杆的一部分，而不是滑块的一部分。这里面没有滑块，是等价高副。大部分人把曲柄滑块做成了等价高副机构，算下意识吧。这个也是在样例基础上改的，改的还不错，机械设计抄改是可以的。
26.实体版简图
▲雨刮器。
稍微带点设计感吧，别就搞一个实体版的简图，多一点都不肯设计。如果机构太占地方的话，可以做成立式的，不过这样就要花点解决稳定性问题了。雨刮器应该做成一对，联动，像个完整的作品。尺寸太大了。
铰链轴做的不好，做成圆头增加了长度但没有意义。定位挡片也做的不好，都是用过盈配合靠摩擦力固定，不可靠，容易松动。靠摩擦力定位的优点是想定哪就定哪，不像开卡槽只能事先计算准确，加工出来有误差就没办法了。但是摩擦力是不可靠的，木制构件的摩擦力更不可靠。
27.装配误差控制
▲小区健身器模型。
这个模型的装配误差控制的不错。设计木制构件时，装配间隙可以留得少一些，甚至不留间隙。装配时可以撑开令其变形以适应，或者用砂纸、小电动工具等打磨出间隙。但是间隙过大就比较麻烦。
机架稳定性良好，用了多点支撑。后部支撑点略高，导致脚踏部位不是水平的了。
28.升降机，或伸缩门
▲说是升降机，横放当伸缩门不错。
作为升降机的话，有稳定性问题，两侧的杆之间需要若干连接，以确保两侧同步升降，否则上面的平板无法保持水平。
▲也是升降机。
这个升降机，中间有连接轴了（铰链轴），可以立起来。交叉连杆在连接轴上没定位，会来回滑动，导致支撑不稳定，使上面的平台倾斜。
两个升降机的滑块用的都是等价高副。
29.滑块轨道配合误差
▲终于有一个真正的滑块了。
滑块和轨道只是贴在一起，没定位。水平放置的话，靠重力让它们贴合也不可靠，因为构件变形已经让滑块没法紧贴轨道了。滑块和轨道之间的误差太大，有三四个毫米了。
固定的轨道不要超出底座范围。
30.缺驱动杆
▲可爱的机构。
如果本来的功能就是这，可以暂时忽略这个机构有点多的自由度。应该增加一个驱动杆，驱动机构伸缩变形。
31.样例抄的太多
有些直接拿样例图纸就去加工了，总得自己做点啥吧。
1）按简图制作
这第一个模型没提设计任务，所以做模型是个按图纸（机构简图）加工的制作过程。既然按图纸加工，就得严格参照图纸来做，出原理性错误肯定不是图纸的问题，而是制作者的理解问题。所以，制作模型之前的准备工作要做足，充分理解了简图再动手。有不少人玩得开心，忘记了这些严谨的程序。
2）做实物模型，不是做实物版简图
有些人会不自觉地把机构做得尽可能像个机构简图，典型特征就是杆很细、铰链很小。这种做法很容易导致刚度不足（杆细）和运动误差（铰链小，接触面积小）。所以铰链、滑块这些运动副可以做得大一些——不是把模型整体放大，而是与构件尺寸相比可以做得比例稍大一些、“壮实”一些，只要不影响功能就行了。市场上销售的一些木板拼装玩具，它们的铰链轴要么是牙签（如UGEARS），要么是细金属棒。这么细的轴要想保证运动质量就只能靠提高制作精度了。我们要学会用设计手段来解决精度不足的问题。杆也可以做粗一些，做成有面积、有形状，完全不像简图中一条细线那样的杆——不是说把构件整体尺寸做大，比如一根杆，在保持两个铰链间距离的前提下可以做得宽一些，形状有些变化（如果你愿意做成蛇形也可以）。运动副和构件尺寸大了可以增加接触面积，降低运动误差，提高机构稳定性。但是这么做的前提是不能影响功能、不能带来新的问题，比如跟别的构件干涉了。其实机械机构给设计师留出的发挥空间还是挺大的。
3）Z向空间布局设计
Z向是指垂直于机构简图平面的方向。简图只要弄清原理，所以Z向尺寸被压缩为零，但实物模型制作时，Z向上的问题最多，因为我们必须把机构简图重新实体化，原来简图中不存在的东西一样样都得补齐，而且要解决其中的各种冲突。Z向布局设计虽然重要，却又不是一个需要专业化机械知识的工作，有点耐心、尊重常识、正视直觉和潜意识即可。
4）要有装配的概念
一些模型中，两个装配尺寸之间的误差大得离谱，有的甚至大到了三四个毫米。这已经不是误差了，而是压根就没有“装配”的概念。机械制图都是学过的，装配图上标注的装配尺寸在两个零件上应该都是一样的，间隙都是微米级的，模型就算有加工误差（材料板厚误差除外）也不应该肉眼就能看得出来。
5）正视问题，寻求解决方案
模型做成什么样，我相信制作者心里都有数，不可能对那些显而易见的问题视而不见。就算没学过机械，从常识的角度也能分析出几条原因来。有些人是对模型做了些补救的，比如加垫片甚至加卫生纸。希望其他的人能把问题记在心里，下次给出解决方案，哪怕是不成熟的解决方案。
6）整体布局和尺寸要有点设计感
木构件（特别是底座）不要有尖角，会划伤人。构件的底座上的整体布局要像个作品，像个准备卖给谁的产品。这些细微之处应该贯串设计师的各种设计行为，哪怕是机械设计。这些考虑又不需要花费多少成本，随手一做而已。比如：底座尺寸协调，机构布局合理；构件形态适当有点设计感（像钟表的表针一样可以很古典也可以很可现代）。
由于使用的是板材，除了受力部件（如支架）和需要刚度的构件（如细长杆），其实很多都可以做成镂空的，激光雕刻机可以切出任何花纹。镂空部件可以增加机构的通透性，有助于观察内部结构，增加机械机构的观赏性。下一个模型做齿轮可以加点花样在齿轮的轮辐上了。
7）间隙过大的问题
大半模型有间隙过大的问题。这个问题首先要从设计上解决，要有装配尺寸的概念。对于板厚误差来的间隙，可以设计得紧一些，后期用手工打磨来增加间隙。实在是间隙设计大了，可以用热熔胶给构件增材，凝固后再打磨，不要直接用胶粘，不要用卫生纸填充，要学会通过结构设计来解决问题。也可以用纸板制作垫片（做得好看一点），或网购买专门的垫片，washer，塑料金属的都行（注意选择合适的孔径和厚度），后面的模型允许使用外购件了。
8）适当的功能性
后面的模型，可以考虑适当增加点功能（不强求）。最简单的功能就是桌面上的那些东西：牙签筒、笔筒/笔架、杂物盒、名片盒，手机架、标签板/标签架等等。给作品设置了功能，可以让你下意识地把它当成一个可销售的产品，而不是一个交差的作业，所考虑的事情自然就充分起来了。
由于事先提供了一个制作样例，导致有些人的思维被锁住，带走了节奏。其实机械结构的做法有很多，样例也不是完美的。
这篇文章主要是分析问题，避免再犯。表扬的废话就不提了，整体做的都很认真，有几个模型还超出了预期。其实这第一个模型，已经做得比上届的第一个好了不少，每个人都有些亮点，第一次做成这样我已经很满意了。可能是因为有样例又见过上届的实物作品，所以学习得比较充分。大家回去吃点东西奖励自己。
正视所有大小问题，持续改进，必出精品。
共勉。
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