非标自动化设备设计，一项系统性且高度实践的工程。它不仅考验工程师的理论功底，更需要丰富的“血的教训”来沉淀出严谨的设计思维。以下是我作为一名资深非标工程师，在多年的摸爬滚打中总结出的核心设计CheckList，并选取其中最重要的14点进行详尽剖析。这不仅是设计指南，更是确保设备可靠性、可维护性和成本效益的基石。

非标自动化设计核心CheckList

机械部分

  • 气缸行程余量
  • 电机选型与扭矩安全系数
  • 线缆拖链、管路空间与弯曲半径
  • 维修窗口、调整空间与易损件更换
  • 干涉检查与运动仿真
  • 材料选用与表面处理匹配性
  • 公差配合、形位公差与装配工艺
  • 设备刚性、振动分析与噪音控制
  • 清洁度、防尘与环境适应性

电气与控制部分

  • 传感器选型、安装与可调裕量
  • 安全防护、人机工程与紧急停止
  • 电气布线、气路水路走向与标识

系统级与效率部分

  • 整体布局、工艺动线与节拍优化
  • BOM准确性与文档完整性

重点条目详解 (14 Points)

1. 气缸行程余量 (Cylinder Stroke Margin)

经验注解： 这是最基础却最容易被忽视的细节。理论行程 ≠ 实际有效行程。

  • 考量因素： 机械加工误差、安装误差、夹具磨损、气缸缓冲行程、气压波动、环境温度变化引起的机械膨胀/收缩等。
  • 标准做法： 通常在计算出最小所需行程后，双向各预留 10-20mm (或总行程的10%-20%) 的安全余量。例如，如果理论需要 100mm 行程，应选用 120mm 或 150mm 行程的气缸。对于定位精度要求高的场合，例如抓取与放置，需要确保气缸完全到位且有足够的缓冲，避免冲击。
  • 常见品牌： SMC、Festo、CKD 等品牌的气缸性能可靠，选择时应考虑其内置缓冲器性能及是否需要外部吸震器。

2. 电机选型与扭矩安全系数 (Motor Selection & Torque Safety Factor)

经验注解： 电机选型远不止“够用”那么简单，要考虑动态过程中的加减速扭矩，而非仅仅稳态负载。

  • 扭矩计算： 细致计算负载（惯量、摩擦力、重力）在加速、匀速、减速过程中的峰值扭矩和有效扭矩。别忘了考虑减速机的效率损失。
  • 安全系数： 通常情况下，伺服电机在峰值扭矩（加速段）应至少有 1.5 - 2 倍的裕量，在额定扭矩（匀速段）则建议 2 - 3 倍裕量。步进电机因其失步特性，裕量可能需要更高。
  • 惯量匹配： 伺服电机驱动的系统，电机转子惯量与负载惯量之比建议在 1:1 到 1:10 之间，以保证良好的响应和控制精度。过大的惯量失配会导致振动、发热或难以调优。
  • 品牌选择： Fanuc αi 系列、Mitsubishi J5 系列、Siemens Sinamics 系列等都是业界高性能伺服的代表。

3. 线缆拖链、管路空间与弯曲半径 (Cable Drag Chain, Tubing Space & Bending Radius)

经验注解： 预留空间不足是后期改造和维护的噩梦。

  • 空间裕量： 拖链选型时，内部空间至少预留 25%-30% 的富余量，以应对未来可能的增加线缆需求，并保证线缆有足够的松弛度，减少相互摩擦和挤压。
  • 弯曲半径： 严格遵守线缆和气管的最小弯曲半径要求（通常电缆会标注，例如运动电缆最小弯曲半径为 7.5D，即线缆直径的 7.5 倍），防止过度弯曲导致内部导体疲劳断裂或气管折损。
  • 布线规范： 强电与弱电、信号线与动力线应分开布置，避免电磁干扰。所有线缆和管路应清晰标识，方便故障排查。
  • 品牌参考： Igus (易格斯)、Tsubaki Kabelschlepp (椿本链条) 是拖链领域的优秀品牌。

4. 维修窗口、调整空间与易损件更换 (Maintenance Access, Adjustment Space & Wear Part Replacement)

经验注解： 设备的设计生命周期不仅是运行，更是维护。一个无法快速维护的设备，其“停机成本”远高于设计成本。

  • 人机工程： 确保操作人员和维修人员能方便地接触到所有调整点、传感器、阀门、气缸等部件。预留足够的空间进行工具操作（扳手、螺丝刀的旋转空间）。
  • 易损件： 对夹爪、吸盘、皮带、轴承、限位块等易损件，设计时应考虑模块化、快换式结构，无需大量拆卸即可更换。明确更换周期，并告知客户常备备件。
  • 观察窗与照明： 在关键运动区域或产品流经区域设置透明观察窗（例如PC板），并预留内部照明接口，便于观察运行状态。
  • 案例： 螺钉固定方式应避免深孔或难以触及的位置；尽量采用标准件，减少定制化备件风险。

5. 干涉检查与运动仿真 (Interference Check & Motion Simulation)

经验注解： 静态干涉检查只是第一步，动态运动干涉才是真正挑战，尤其在多轴联动或复杂机构中。

  • 3D CAD工具： 充分利用 SolidWorks、Inventor、NX、CATIA 等 CAD 软件的干涉检查功能。不仅检查零件与零件之间的干涉，还要检查运动件在整个行程内的扫掠体（Swept Volume）是否与周围零件干涉。
  • 运动仿真： 对于复杂机构，如多连杆、凸轮机构、机器人取放路径，必须进行运动仿真。检查极限位置、中间过程是否存在干涉，并验证运动轨迹是否符合设计要求，有无异常抖动。
  • 机器人离线编程： 对于工业机器人应用，需使用机器人离线编程软件（如 RoboGuide、RobotStudio、KUKA.Sim）进行仿真，验证可达性、干涉、节拍，并优化路径。

6. 材料选用与表面处理匹配性 (Material Selection & Surface Treatment Compatibility)

经验注解： “一刀切”的材料选择是设计大忌。根据应用场景、成本、强度、耐腐蚀性、耐磨性、美观度来综合考量。

  • 结构件：
    • 铝合金 (Al 6061-T6)： 强度重量比高，易加工，常用于轻量化结构件。表面可阳极氧化（硬质阳极氧化可提高耐磨性），美观且防腐蚀。
    • 不锈钢 (SUS 304/316)： 耐腐蚀性好，316L更适合高腐蚀环境。常用于食品、医疗、洁净室设备。加工较难，成本较高。
    • 碳钢 (S45C / 45#钢)： 成本低，强度高，可热处理提高硬度。常用于重载、高刚性部件。需表面处理（发黑、镀镍、镀铬）防锈。
  • 运动件/耐磨件：
    • POM (聚甲醛)： 良好的自润滑性，耐磨，用于导向、滑块。
    • PEEK (聚醚醚酮)： 高温、高强度、耐磨，常用于严苛环境下的耐磨件。
    • 陶瓷/DLC涂层： 对于极高硬度、耐磨性要求，可选用陶瓷材料或对钢件进行DLC（类金刚石）涂层处理。
  • 表面处理： 阳极氧化（本色、黑色、蓝色等）、化学镀镍（均匀性好，耐腐蚀）、发黑（成本低，防锈一般）、喷塑（颜色多样，防腐蚀）。根据具体环境要求选择。

7. 公差配合、形位公差与装配工艺 (Tolerance Fit, GD&T & Assembly Process)

经验注解： 精度和成本之间的平衡点，直接影响设备性能和制造难度。

  • 公差分析： 关键尺寸链需进行公差叠加分析（Stack-up Analysis），确保最终尺寸和精度符合设计要求。
  • 配合选择：
    • 间隙配合 (H7/g6, H7/h6)： 轴承安装、导向滑动等，确保自由运动。
    • 过渡配合 (H7/k6)： 销钉、键连接等，保证定位精度和适当连接强度。
    • 过盈配合 (H7/p6)： 轴承外圈与座孔，实现牢固固定。
  • 形位公差 (GD&T)： 对定位精度、运动精度有要求的部件（如导轨安装面、基准孔），必须严格标注平面度、垂直度、同轴度、跳动等形位公差。
  • 装配工艺： 设计时考虑装配顺序，避免倒装、反装。设计防呆措施（Poka-yoke），确保一次装配正确。例如，不对称的安装孔、带有方向的销钉。

8. 设备刚性、振动分析与噪音控制 (Equipment Rigidity, Vibration Analysis & Noise Control)

经验注解： 刚性不足会导致设备精度下降、寿命缩短甚至安全问题。

  • 结构刚性： 关键受力部件应进行有限元分析（FEA），验证其在最大负载下的变形量是否满足精度要求。避免悬臂过长、薄板结构。
  • 抗振设计：
    • 源头控制： 平衡旋转部件，减少激振力。
    • 隔离： 使用减振垫、隔振器（如Nord-Lock垫圈、空气弹簧）将振动源与敏感部件隔离。
    • 吸收： 结构中增加阻尼材料，或采用箱型、桁架结构提高固有频率，远离工作频率。
  • 噪音控制： 气动元件排气口加装消音器，传动机构（齿轮、皮带）选择低噪音类型，对高噪音源（如真空泵、空压机）进行隔音罩处理。目标通常是低于 80 dB(A) 或客户指定标准。

9. 清洁度、防尘与环境适应性 (Cleanliness, Dust Prevention & Environmental Adaptability)

经验注解： 非标设备往往工作在特定环境中，环境因素决定了设备的寿命和稳定性。

  • 洁净度要求： 对于半导体、医疗、食品等行业，需考虑材料的洁净度（不掉屑、无颗粒物），采用无油气缸、洁净度等级的电机，设计正压防护，HEPA过滤。
  • 防尘防水： 根据环境选择合适的防护等级 (IP Rating)。例如，IP54用于一般工业环境防尘防溅，IP67用于可浸水环境。轴承、导轨等运动部件需有可靠的防尘密封。
  • 耐腐蚀： 潮湿或腐蚀性气体环境，应选用不锈钢、特殊涂层或塑料部件。电气柜应密封良好，并可能需要内置加热器或除湿装置。
  • 温度控制： 高温或低温环境，需考虑材料的性能变化，并可能需要冷却或加热系统。例如，伺服电机在高温下额定扭矩会下降。

10. 传感器选型、安装与可调裕量 (Sensor Selection, Mounting & Adjustment Margin)

经验注解： 传感器是设备的“眼睛”，选型不当或安装不佳，将直接导致设备误动作和停机。

  • 选型考量：
    • 检测对象： 金属/非金属、透明/不透明、颜色、距离。
    • 环境因素： 粉尘、水汽、油污、强光、电磁干扰。
    • 精度与响应速度： 高速检测需要快速响应的传感器。
    • 安装空间： 传感器尺寸。
    • 品牌： Keyence、Omron、Sick、Baumer、IFM等，其产品线丰富且性能稳定。
  • 安装设计：
    • 固定牢固： 避免振动引起的松动和误触发。
    • 防护： 防止误触、撞击，或被工件、冷却液污染。
    • 可调裕量： 传感器支架应设计成可多方向微调，且有足够的可调范围，以便在现场调试时精确设置检测点。例如，槽型光电开关应允许其左右、前后、上下微调。
  • 冗余设计： 关键安全检测或重要工位，考虑使用两个传感器互锁或相互校核。

11. 安全防护、人机工程与紧急停止 (Safety Guarding, Ergonomics & E-stop)

经验注解： 安全是底线，人机工程则提升操作效率和舒适度。

  • 安全标准： 遵守 ISO 13849 (机械安全)、IEC 62061 (功能安全) 等国际标准或当地法规。
  • 防护罩： 运动区域应设置安全防护罩，可采用型材+PC板结构，确保人员无法触及危险区域。门禁应配备安全门锁（Safety Door Switch）。
  • 安全光栅/光幕： 对于频繁进出的操作区域，应设置安全光栅或光幕，一旦被阻挡，设备立即停机。
  • 急停按钮： 急停按钮必须醒目、易于触及、数量足够，且布局在所有操作者可能到达的位置。按下后，设备应以安全方式停机，且不能被轻易复位。
  • 人机工程： 操作面板、物料投放口、取件口高度应符合人机工程学原理，减少操作疲劳。操作按钮和指示灯布局合理，符合操作逻辑。

12. 电气布线、气路水路走向与标识 (Electrical Wiring, Pneumatic/Hydraulic Routing & Labeling)

经验注解： 清晰、规范的布线是设备调试、维护和故障排查效率的决定性因素。

  • 电气布线：
    • 走线槽/线管： 所有线缆必须走线槽或线管，整齐束线，避免裸露和杂乱。
    • 强弱电分离： 严格按照规范将动力线、控制线、信号线分离布线，减少电磁干扰。
    • 接线端子： 所有线缆连接到接线端子应牢固可靠，并预留一定的弧度，避免拉扯。
    • 接地： 严格执行接地规范，确保设备和人员安全。
  • 气路/水路： 管路走向应合理，避免交叉，减少弯头，方便维护。对于气缸、电磁阀等，气管长度应尽量一致，确保响应同步性。
  • 标识： 所有线缆、气管、阀门、端子、PLC端口、输入输出点都必须有清晰、永久的标识，且与电气图纸（Eplan、AutoCAD Electrical）一一对应。这是故障排查的生命线。

13. 整体布局、工艺动线与节拍优化 (Overall Layout, Process Flow & Cycle Time Optimization)

经验注解： 高效的设备不仅仅是功能实现，更是生产效率的提升。

  • 工艺流线： 从产品流入到流出，设备内部的物料动线应简洁、流畅，避免迂回、倒流。减少不必要的搬运和等待。
  • 空间利用： 在满足维护和操作的前提下，尽可能紧凑布局，节省占地面积。
  • 节拍计算与平衡： 精确计算每个工位的动作时间，并进行节拍平衡。识别瓶颈工位，并通过并行处理、多头设计、优化运动路径等方式进行优化，确保整体节拍达到要求。我的经验是，使用甘特图或流程图工具可以直观地分析节拍瓶颈。
  • 扩展性： 预留未来增加功能模块或产能提升的空间和接口。

14. BOM准确性与文档完整性 (BOM Accuracy & Documentation Completeness)

经验注解： 设计的最终交付物不仅仅是设备本身，更是伴随设备的完整文档。BOM的准确性是采购、生产、维护的基石。

  • BOM准确性： 确保BOM（物料清单）与CAD图纸、电气原理图完全一致，包括零件名称、型号、数量、制造商、供应商等信息。错误或不完整的BOM会导致采购延误、生产错误或备件无法替换。
  • 文档清单：
    • 3D模型与2D工程图： 完整、规范。
    • 电气原理图、气路图： 清晰、准确，与实际布线一致。
    • PLC程序、HMI画面： 附带详细注释，方便理解和修改。
    • 操作手册、维护手册： 包含设备操作流程、保养周期、故障排查指南、易损件清单等。
    • 部件清单与采购明细： 详细的供应商信息和部件参数。
  • 数字化工具赋能： 我通常会利用Python脚本结合n8n自动化工作流，对CAD导出的BOM与ERP/PLM系统数据进行交叉核对，标记差异，这能将BOM核对时间减少50%以上，大幅提升准确性和效率。此外，所有文档应进行版本管理，确保信息的唯一性和追溯性。

这份CheckList是多年实战经验的凝结。在非标自动化设计领域，没有一劳永逸的方案，只有持续的严谨和对细节的追求。希望它能帮助各位同行在设计之路上走得更稳、更远。