结构设计是在设备方案规划好以后的机构和部件的细化设计工作范围。显 然，在这个环节，设计师需要根据设备所加工的产品对所有功能模块和零部件的 使用工况有清晰的概念和深刻的理解，并根据这些理解来确定每个零部件的材 料、形状、尺寸、精度等内容。随着机械设计理论发展的越来越成熟、自动化设 备对效益的要求越来越高，模块化设计和生产已经成为现代工厂自动化设备设计 制造的一种趋势。因为模块化设计的接口一致、通用性好、互换性强，作为一个 较为独立的功能组件，特别是在系列化设备中，通常都作为标准配件在使用。所 以，模块化设计制造已经在设备制造领域得到了广泛的运用。这也是现代设计师 必须掌握的一种设计方法。在本章的内容中，我们将讲述一些在工厂自动化设备 中常用的工艺性结构设计（实际上也可以理解为广义上的模块化设计）和自动化 模块设计基础和分析方法。由于四轴SCARA 机械手以及六轴机械手已经做为标 准件在国内外有很多专业的公司设计制造，我们将其排除在本章内容之外。让诸 位能清晰的明白模块化设计的概念和理念并能应用于工程实践中。
第一节 零件的典型工艺性结构设计
应届毕业生或者助理设计师由于缺乏实际经验，通常容易在很多书本上没有 提及的地方犯下工艺性设计错误，造成成本增加甚至难以加工、装配的状况，所 以，在下面我们将为大家介绍几个教材上没有被提及的、最容易被忽略且具有代 表性的工艺性结构设计知识。
1、定位销的应用
图3.1-1
如图3.1-1 所示：当两个工件需要使用定位销连接定位时，其中一件全部为 圆销孔，另一件则一个为圆销孔，另一个为腰槽孔。这样做的目的是降低两个定 位销孔的孔间距加工精度要求，降低加工成本。通常，定位销与销孔的配合采用 过渡配合。在定位精度相对要求不高的情况下，也可以对配合精度要求进行圆整，
做成非标精度尺寸。
2、三面正交处的工艺性要求
图3.1-2
图3.1-3
图3.1-4
从图3.1-2 中看到三面正交的角是 3 个直角，我们普通的加工方法是加工不 出来的，因为我们的铣刀和砂轮都是圆的。而要加工这样的特征，我们只能采用 电火花加工，电火花加工需要做专门的铜模，所以显然成本上升；并且，电火花 要求材料必须是导电性的，如果是非导电性材料则这种设计的工件就做不出来 了。所以，我们通常将这个地方设计成图3.1-3 或者 3.1-4 的样子。同样的道理，
在设计时，除非有特别的需求，尽量不要将内孔设计成方形。
3、方便拆卸的工艺螺孔
图3.1-5-1
图3.1-5-2
图3.1-5-3
当轴承端盖的台阶与轴承座的内孔紧配的时候，我们需要增加适当的拆卸工 艺螺孔以方便后续的维护。上图中的3 个工艺螺孔就是出于这方面的考虑。所以，
由此可以看出：在做机械零件设计时，我们需要从各个方面的工艺——成型工艺、
热处理工艺、装配工艺、人机工程学等——去考虑我们的工件结构和形状。
4、方便调整位置和方向的工艺槽
图3.1-6
图3.1-7-1
图3.1-7-2
图3.1-7-3
在很多时候，由于加工方法难以达到实际使用过程中要求的精度，或者装配 尺寸链环节过多难以通过加工满足装配精度，我们通常需要在装配的时候通过适 当的修配或调整来达到工程实际中的精度要求。如图3.1-6 所示组件，为了方便 调节零件1 相对于零件 2 的位置，在零件 1 上设计了腰形槽。对于这种小型工件 普通调节则这样的设计已经能满足装配需求，若果是重型工件（人力不能移动位 置或者难以移动其位置）或者精密调节则需要在零件2 上设计响应的调节装置来 调节零件1 的位置，通常使用最为广泛的方法是在零件 2 上设计调节螺钉来配合 装配需要，如图3.1-8 所示。图 3.1-7-1 所示的组件是需要调节图 3.1-7-2 所示的 零件相对于图 3.1-7-3 所示的零件的方向，所以在其上设计了圆弧形的腰槽。通 常对于这样的调节为了保持其中心位置不偏移，需要在其中心装配定位销或者在 其零件本身设计定位凸台，如图3.1-7-2、3.1-7-3 所示。
图3.1-8
以上五个示例分别是在装配、加工、拆卸工艺方面考虑设计的典型工艺结构 设计，希望诸位能用心体会其作用。通常，在零件的工艺性方面要求最多的是成 型工艺。因为不同的成型技术有自己独特的技术特点和工艺要求，诸位可以多参 阅成型技术类典籍。注意：我们这里所说到的成型技术包括但不限于铸造成型、
轧制成型、冲压成型、锻造成型、焊接成型、切削成型等。以上提到的成型技术 对零件的结构都有典型的工艺性要求。一般来说，合适的零件工艺性结构能防止 应力集中（特别是需要热处理的工件更加需要注意这个问题）、提高零件性能、
寿命，降低成本；反之亦然。
第二节 常用的气动机构模块设计
气缸，作为主要的气动执行元件在现代工厂自动化设备中应用非常成熟、广 泛。所以，初级设计师非常有必要对其常用的结构设计进行深入、透彻的了解，
以做到在工作实践中得心应手的运用，并且有必要将其常用的结构做成标准模块 以节约设计时间、降低制造成本。
气缸配直线轴承 1、使用缓冲器、浮动接头的结构
图3.2-1-1
图3.2-1-2（剖面图）
图 3.2-1-1 所示的是普通直线气动的经典结构。可以看出，在气缸执行机构 中主要的配件：气缸、磁性开关、浮动接头、直线轴承、缓冲器等。在本机构中 有以下几点需要注意：
1：浮动接头的运用：由于本机构在往复运动方向属于过约束状态，如果直 接将气缸的活塞杆连接在运动件上则会导致运动件运动不顺滑、平稳，甚至卡死。
所以，选择将气缸活塞杆通过浮动接头连接在运动件上。当然，在对于运动件的 位置要求不高的情况下，出于成本的考虑，也可以不使用浮动接头，而自制浮动 构件连接。
2：缓冲器的运用：由于压缩空气的速度控制不能向电机一样可以做到软着 陆（即通过控制电机的加速度达到缓慢、无冲击的停下），所以，通过缓冲器来 控制气缸活塞停止的速度，吸收冲击。当然，另外一种方式就是可以通过选择带 气缓冲的气缸来解决这个问题，但通常这种气缸成本较高，所以，一般情况下，
在结构空间允许的时候，选择配置外置缓冲器。
3：直线轴承与导向杆的配合公差：通常情况下，选择滚珠直线轴承，由于 它们之间需要相对运动，所以，建议导向轴选择g6 的公差带。
4：导向杆的表面硬度：由于运动件的频繁往复运动，所以需要对导向杆的 表面硬度做出要求。通常，建议导向杆表面硬度在HRC52-56。
2、使用缓冲垫、自制浮动构件的结构
图3.2-2-1
图3.2-2-2
图3.2-2-3
图3.2-2-1 所示的结构由图 3.2-1-1 的结构演化而来，看以看出，本例的结构 重点有两项不一样：
1：自制浮动接头：由于对运动件运动要求不高，所以，选择了自制浮动接 头的方式。其要点在于：D1=ΦD+Δ ；l=d+Δ1 。
2：取消缓冲器，使用橡胶缓冲垫：通常这种使用方式是对于运动件的停止 位置要求不高的情况。橡胶缓冲垫的硬度在HS50-75。
气缸配直线导轨
图3.2-3-1
图3.3-3-2
同样，气缸配直线导轨的结构方式也是在自动化设备中常用的结构。这里，
需要说明一下的是：在图 3.2-3-2 中这种直线导轨的安装方式，在这种双导轨的 结构中，在导轨行程不长、对运行精度要求不高的情况下可以通过这种以加工保 证导轨平行度的方法进行装配。关于精密设备中有很高精度要求的直线导轨的装 配方法我们将在后续章节中予以专门介绍。
图3.2-4
如图3.1-9 所示，当运动部件尺寸较小且对于直线导轨的横向扭矩不大的时 候，我们也可以只配置单条直线导轨。单条直线导轨安装就非常简单了，通常的 做法是：在安装底座上直接加工一条直线导轨安装槽即可。
气缸在快速夹具中的应用
在现代工厂自动化设备中，夹具始终是设备的一个重要组成部分，其重要作 用不言而喻。任何产品的加工、装配都离不开装夹、定位。而气缸则由于其本身 的特点和优势——以非常简单的方式实现直线往复运动功能，而且其控制方法非 常简单，这也就成为各设计师通常首选其作为自动夹具驱动器件的理由。当然，
需要指出：自动夹具的驱动也并不仅由气缸驱动，很多场合也使用液压缸和电机 驱动。因此，其在夹具中的使用也就成为其使用领域的重头戏之一。由于其在各 种装夹场合的使用非常广泛，结构形式变化多端，现就其最典型的应用——在快 速夹具中的使用做一介绍。快速夹具是利用机构的死点进行自锁的夹紧装置，在 现代工厂中使用非常广泛。它通常被使用在半自动设备或全自动设备中对被加工 产品或者产品的夹具进行夹紧。
图3.2-5
图3.2-5 所示为工装夹具中经典的快速夹具结构形式，此类夹具依靠机构的 死点自锁。依照这种机构的设计方式，我们可以很轻松的对此略加演化，加上气 缸实现快速夹具的自动夹紧、松开操作。如下图：
图3.2-6-1
图3.2-6-2
如图3.2-6-2 所示结构即依照图 3.2-5 所示的经典快速夹具所演化而来，这也 是气缸在快速夹具中使用的典型范例。本例所揭示出来的结构方式还可以通过改 变夹紧工作头的机构来实现不同方向的快速夹紧。另外，也可以通过槽凸轮的形
如图3.2-6-2 所示结构即依照图 3.2-5 所示的经典快速夹具所演化而来，这也 是气缸在快速夹具中使用的典型范例。本例所揭示出来的结构方式还可以通过改 变夹紧工作头的机构来实现不同方向的快速夹紧。另外，也可以通过槽凸轮的形