一个台湾老工程师的结构设计心得
这是一个台湾老工程师一辈子的结构设计心得，很有意思。
1.万有不准定律
万有不准定律原来好像是用在物理现象，现在借用来解释结构设计的原则却是特别的适当。
也就是说每一件东西的制造加工都是不精准的，当您设计东西来组装前，要能掌握这个不准的原则，您的设计就踏出成功的第一步了。例如说您要赶一场电影，晚上七点准时开演，您要如何确保在七点之前赶到戏院，并且进场坐下来，不能超过七点，整个过程不要等待太久。也许您说我没关系，我不在乎晚到，也不在乎太早到或是整个过程中间等久一点，这毕竟是生活嘛! 不用太认真。说得也是，生活不必太认真，然而如果您有这个控制时间的习惯，也就有将每件事情控制得准确的习惯，道理是相同的。当您想要在七点之前在戏院的座位坐下来，这一件事是您的目标，首先您必定在脑中盘算用什么交通工具，加上前后走路的时间，然后订定出发的时间，第一次您可能抓不准时间，因为您可能不清楚戏院在那里，但是第二次您应该能掌握得很准确了。如果您在第三次还是抓不准时间，那么您就没有将每件事情控制得准确的习惯，也就是说，您来做结构设计，比起有将每件事情控制得准确的习惯的人，是会辛苦一点的，这一点是纯粹以性向来论。在结构设计上，例如说欲将一支轴套入一个孔中，就有很多不同的状况，先请问您的目的是什么?(A) 如果您设计的是玩具，要将一个30mmPE泡绵的柱子套入PE泡绵的底座，这实在是再简单不过了，考虑其加工方式为刀模冲制，柱子30mm+0.5/-0.5，底座孔也是30mm+0.5/-0.5即可。因为最松的状况孔30.5mm，配柱子29.5mm可接受。最紧的状况孔29.5mm，配柱子30.5mm 也可接受。以上的例子虽然简单，但您还是 (1)需要考虑加工方式以及 (2)制造公差是否可以接受。换成看电影的例子，(1)考虑加工方式等于考虑搭什么车子 (2)应该考虑该车的最长时间，再来决定出发时间。又例如您要设计一个治具中的一支轴，装在底座上是可以转动的，再请问它的用途是什么?(B) 如果治具中的这支轴转速不高，也不需产生精准的提供转动，那么只要定孔为30mm+0.2/+0.1 轴为30mm-0.1/-0.2 即可，使用上加点油就没问题。(C) 如果治具中的这支轴，转速很高，而且载重，那么可能需要加一个轴承在孔与轴中间， 变成两层孔轴配合，而且是[1]孔与轴承紧配合，例如20 R7 [2]轴承与轴稍松配合，例如15 e6.不考虑加工方式? 不是，因为像孔为30mm+0.2/+0.1，轴为30mm-0.1/-0.2 这种精度在治具等级太低了，不需特别考虑如何加工，一般铣床车床都能达到。就比如说您每天上班的交通时间需要30分钟，而今天您有40分钟，您当然不担心。一般结构设计，最常碰到的精度需求像(B)例子，然而(B)例子是治具，我们并不常设计治具，我们最常碰到的是像钣金或塑料，其制造方式不像治具般用工作母机加工那么精准又简单，而且结构设计的目的也不像孔轴配合那么单纯。结构设计最常见的错误是重复定位。 上一项讨论万有不准定律，好像有点文不对题。所谓万有不准定律，若是搭配重复定位一起讨论，就会发觉其巧妙。重复定位的情形很普遍，几乎每一个人都有可能犯，因为机械加工普遍不准，所以某一件东西在X方向只能有一个面与它接触，同样在Y方向，Z方向也是一样。如果你，例如说在Z方向，这东西有两个面与它距离为零，这就犯了重复定位的禁忌了。结构设计的目的若是外观的需求，通常都是比较复杂难解的，对于客户方(提出需求的人)别答应得太早。例如对于 CDROM BEZEL 与 FRONT BEZEL 的间隙，一般客户都会要求小一点，大约0.5mm至1.0mm，客户并没有考虑那么多。这时候，能不能答应? 能不能做到? 这就是结构设计的事了，因为 CDROM 大都固定于内层的铁板上，而 FRONT BEZEL 又往往固定于外观的铁板上，内层与外观件是间接关系，由于制造公差与组装公差，最后装起来往往偏得很厉害，为了要达到客户的SPEC，往往一再修模，不如一开始就与客户商谈放宽比较省事。因为万有不准，所以你设计的东西一定是不精准的。你的图发出去开模，成品回来装起来一定会有些许不准，这些不准处可能没关系，也可能组装后造成困扰。当然，在图上订定公差会改善，可是公差往往是治标，或者是增加成本，那么，在设计上有没有方法，可以让你东西做出来装起来比较准? 当然有。例如对于 CDROM BEZEL 与 FRONT BEZEL 的间隙，假设CDROM BEZEL的右侧为A面， FRONT BEZEL 的左侧为B面。从A面到B面需要经过多少路径?这中间每一个装配点，装配面都是我们该考虑的，所谓装配面是指甲件与乙件有某一面是接触的，这个面是它的装配面，装配点一般最典型的是螺丝，从A面到B面之间经过多少装配面装配点? 越少越好，每一段路径之间若含有公差大的加工(例如折弯)，则结果越不准。假如你设计一个抽屉，你是不是要把它设计成松松的可以推动？而当它推到定位时可以固定住，这就是抽屉原则。你可能要设计一个HDD盒子，它也需要能推入一个框架内，在推的过程中你当然不能让它很紧，要松一点才好推动，推到底时必需是紧一点，定位才准确。或者，有的客户要求无螺丝设计，你也必须要紧一点。对于形状相同部分的设计，有必要采用'重复'的设计方式。最典型的例子，像卡勾与卡槽，通常需要一定的间隙或干涉量。当你设计完一对卡勾与卡槽，应该把这一对的设计复 制到其它地方。这是绝对必要的事，因为(1)比较省时间， (2) 便于查问题。您千万不要说我重画一对比较快，或者是我还没学会如何复 制，就干脆重新画一对比较快。 再次强调。千万不要重新画一次，一定要用复 制的方法。您所设计的东西不一定一次就很完美，往往需要在制作样品的阶段验证后再调整，如果您是采用重复的设计，在样品阶段便很容易查出间隙够不够。因为如果您一个一个画，非常可能每一对画成不一样，那么您想要根据样品制作的结果来修正设计就很困难了 (事倍功半)。防呆的需求存在于每一个角落。对于需要组装的零件，对于有对称性的零件更比比皆是，连不对称的零件都可能需要。有时候对称也是一种防呆，如果有一件东西组装时可以正面装也可以背面装(转90度)。那么您一定要把它设计成两面对称，才不会组装后的成品，有的向东，有的向西，那么无疑给生产线添加麻烦。最好是把防呆的原则牢记，每一零件设计完成之时，将"防呆原则"搬出来检查一下。是否生产线组装时有可能装错 ?如果你要设计一组活动件，可能是一个按钮的动作，打开一个设备。 你不能把按钮设计成非常沉重，让用户按得很吃力。很可能你是无心的，最后按钮还是很沉重，究其原因，在于摩擦力没有消除。在整个运动的过程中，如有面与面的摩擦，改成线与面的摩擦，或点与面的摩擦。还有，如有两个相邻的运动面，可能的话，增加面与面的距离，可以减少因为形状变形而相碰，增加摩擦力。 有人说 "这不是我的idea，这是copy别人的设计"， 好像是认为别人的设计，已经在生产的就没有问题，如果是这样的话，结构设计的产品就没有好坏之分了。结构设计应该走自己的路，如果抄袭别人的设计，因为你不知道他的思路，碰到问题时你无法解决。这句话用于结构设计，如果你想一件东西想到太复杂，没办法了。不要拘泥于过去的做法，如果你只是一直记得以前曾经做过什么产品，就不会有创新，没有创新就做不出好产品。过去的经验只是帮你思路更广，而不是叫你照过去的方法去做，因为现在的情形不会一样。*每次开始设计一件新东西，你应该告诉自己，不一定要设计成跟上次一样的。*
