非标机械设计从入门到精通工程师（非标机械设计做方案的大致流程是怎样的）

非标设备模型（含3D源文件）领取请见文末图片

要介绍非标机械设计，我们得从什么是非标设备讲起。

非标设备指的是用户定制的、唯一的、非市场流通的自动化系统集成设备，是根据客户的用途需要而开发设计制造的设备。不同类型的客户，其产品工艺要求均不同，需要根据具体的使用场所、行业特征以及用途进行独立设计。

下面介绍一个非常典型、又有点特殊的非标产品，它有标准的产品，但大部分都是非标的，这个产品就叫 transformer，是这样的。

图 1 高压直流输电换流变压器

图 2 Neo 干式配变变压器

没错，就是变压器。变压器（英文：transformer），从名字上看就知道它有多么的非标和千变万化，比如高压直流输电换流变压器（图 1），体型巨大，结构很复杂。而西门子的 Neo 干式配变变压器（图 2），结构则相对简单些。

变压器按照冷却方式来划分，主要分为油浸变压器和干式变压器。前者是以变压器油作为冷却及绝缘介质，后者是以空气或其他气体等作为冷却介质。

一、非标机械设计一般过程：

（1）确定产品开发项目，明确顾客需求，如生产、工艺、产能要求、作业环境等；

（2）对产品进行分析研究，明确其生产工艺、尺寸要求，了解设备的技术参数；

（3）初步制定设备方案，得出设备的整体和局部示意图、各机械机构、电气控制系统、动作流程等；

（4）组建方案审核小组，对设备的可行性、制造成本、产能等进行客观评估；

（5）与客户进行方案会审，根据客户意见，确定最后的设备方案；

（6）组织实施产品的设计开发进行总装配图、部件装配图、零件图的设计，确定自动机械的控制方案等；

（7）零组件质量检验，设备组装、联机调试，并进行产品打样预验收；

（8）包装出货，技术文档归档，进行项目总结。

应用在变压器这个例子上，过程是这样的：

图 4

1. 明确合同要求。

每个产品在设计生产前，都是在收到了客户的合同后才开始进行的。因为变压器是一个定制化的产品，不同客户的需求是不一样的，为这个客户定制生产的变压器，很难使用于其他客户。除了小部分标准电压、容量的变压器，大部分变压器是要现做的。所以客户要采购变压器，大都没有现货，而且采购时基本需要先支付30 %左右的预付款。

查看合同，明确客户的需求。一般来说变压器里最重要的几个参数就是容量、高低压电压、阻抗、空载损耗、负载损耗、温升要求等……

2. 召开设计评审质量会议。

对于一些非常特殊项目需召开设计评审质量会议：

（1）特殊的应用环境产品。例如户外、船舶、近海、严重腐蚀环境等

（2）新产品或附件，用途。材料、结构和工艺不同于已经实验或应用的产品和附件，或需要研发部门全新研发的产品或附件。

（3）技术要求超过 GB1094 或 IEC60076 范围的规定

设计负责人负责召开，邀请项目经理、采购部、研发部、质量部等有关部门，一起参加会议，对风险点进行讨论，控制风险。以及群策群力，制定更好的设计生产方案。

3. 确定设计方案

明确要求后，变压器的设计一般分为电磁计算、机械结构设计和电气控制设计三部分。

3.1 电磁计算

电磁计算部分由西门子专门开发的 Tudes 软件来计算。然后用二维软件 AutoCAD 和三维软件 Creo 设计出变压器的外形图，根据客户的具体要求，增加各种功能和部件。

比如添加避雷器，有载开关、减震器、高压带电传感器、侧出线等。特别是侧出线，由于要和不同品牌的低压柜配合，变压器的低压出线要连接到低压柜，由于不同品牌的设计理念不同，具体项目的的电气要求和环境条件等也不同，导致低压柜的接口位置也不尽相同。所以侧出线设计起来也会比较复杂。

图 5 变压器的侧出线三维设计

设计的过程中一定要充分了解设备使用环境。比如我曾参与的为马来西亚提供变压器的项目，由于马来西亚国内电压是 240V 的，这就要求我们选用的仪器是 240V，而不是中国标准 220V，不然仪器会因为长期运行过电压而损坏。

方案确认之后需要提交图纸给客户进行确认。这时就免不了需要反复修改，图纸修改十几遍也是十分普遍的现象。对于无法实现的修改意见，设计人员还需要用专业的知识，通俗易懂的语言进行沟通，解决问题，最终实现一份客户满意的可行的设计图纸。

3.2 机械结构设计

这之后，就开始着手变压器的机械结构设计部分。前期提交给客户的，只是一个大致的外形图，对变压器的尺寸、重量、高低压的进出线方式进行示意而已。到了这个阶段，就要把外形图进行拆分，画出装配图和一个个零件图。

设计方案有些需要注意的地方：

设计方案尽量简单、高效，满足功能的前提下，设计简单，运行更牢靠，日后维护也简单。

（1）机械制图知识要扎实，常用标准应该要倒背如流。

（2）CAD、CREO、ANSYS 熟练操作是基本要求，设计师的基本功。

（3）熟悉零件的各种加工工艺，不然设计方案就是天马行空，不顾实际。想得出来，造不出来。

（4）熟悉生产制造过程，有时间多去车间看看，和工人们多交流，了解他们的操作习惯，保证方案的易操作和实施，尽量避免标新立异。

所选用的机械零件结构设计应该满足以下基本要求：

（1）保证零件的使用寿命。使用合理的材料和尺寸，保证零件的强度，采用合理的结构和制作工艺，增强零件的刚度。

（2）满足结构工艺性要求。在满足功能前提下，预留适合的公差，满足运行的要求，又能简单的装配起来。

（3）通用性问题。设计的时候，在保证运行的前提下，如同一个零件能在多个地方通用，可以降低设计的复杂度，维修起来也简单。

（4）成本问题。零件设计制造时，尽量通过使用合适的材料、结构、加工工艺，使得零件的成本降低，让设计产品在市场上更有竞争力。

这里用一朵词云来展示设计时需要考虑的各个方面：

图 6

3.3 电气控制设计

机械结构设计完成时，也要同步进行电气控制设计。目前业内的电气控制系统大多由工控机、PLC，人机界面、传感器和电气执行元件来组成的。

变压器标配都会安装温控器，对变压器的温度进行检测，当变压器运行达到一定的温度时，会控制启动风机，对变压器进行降温，使其可以增容运行。温控器还可以输出高温报警、超温跳闸信号到电路系统中。有时客户想增加更多的功能，比如增加高压带电显示器、电磁锁、照明灯、风机开关等，这就需要设计工程师良好地掌握电气控制系统知识。

4. 校对审核图纸

图纸设计完成后，一般来说会交由更资深的两名工程师进行校对、审核，同时也是对图纸方案的评审优化过程。通过审核校对后，图纸将被上传到西门子自己开发的信息管理 eDit 系统，对全公司进行发布。各个部门可以通过 eDit 来查看图纸、物料和生产操作，实现生产管理的无纸化，绿色环保，高效方便。

5. 下单进行采购，采购后进行指导组装。

材料采购之后，车间的工人们将会按图进行生产安装。对于一些比较复杂的项目，设计师们会负责指导关键部件的安装，解决实际生产与设计偏差的情况。同时收集工人们制造过程中的反馈意见，用于改进下次设计。

6. 试验站对变压器进行试验

按照 IEC 或者国标要求，进行各项试验。主要检查变压器的是否有达到客户所要求的各项性能，例如阻抗、空损、负损、连接组别、绝缘水平、局放等。变压器试验分为三类：1. 例行试验；2. 型式试验；3. 特殊试验。例行试验是都需要做的，型式试验和特殊试验需支付费用，一般是根据客户要求选做。需要注意的是，其中有些试验项目（如短路试验）是对变压器有损伤且不可逆的，做过试验后变压器就无法正常投入使用了。

当试验全部通过了，试验站会给每台变压器出具试验合格报告，上面记录了变压器每一项的试验参数，做到数据的可追溯性。

7. 对变压器成品进行包装

根据项目运输的目的地，进行不同的包装。西门子变压器包装主要分为 5 种类型，运输目的地比较短的，将使用简易的包装，目的地比较远出口海外的，将会使用木箱。这样简化包装，也能为客户节约成本。

8. 技术文件归档总结

每做完一个项目，设计师都会把设计图纸放到相对应的位置，方便他人查看。项目过程中遇到什么问题，会出 NCR 或 3A 报告，对项目问题情况进行总结分析，吸取项目经验，不断提高自己的设计水平。

二、如何快速的做出方案？

1. 模块化

非标机械设计方法基本方法为「积木式设计方法」，也就是模块化设计。简单来说就是标准设备当做一个在若干个标准的零部件，组合起来的的框架上，进行的非标准件设计的设备。设计方法非常有效的解决了非标设计的多元化基本要求和设计时间短的主要矛盾。就像房子装修，你只需要购买不同样式的现成的家具，就能搭配成不同的家居风格。

拿变压器举例，客户要求增加不同的功能，我们只需要采购不同的元器件，组装在变压器上就好。希望变压器能够增容运行，我们就给变压器增加风机；希望能够减小雷击造成损坏的几率，我们就给变压器安装避雷器；希望变压器能适应地震多发地带，我们就给变压器增加减震器。

2. 数字化

数字化使得计算机辅助设计在机械电气产品的设计过程中得到普及。不再像以前那用纸、笔、橡皮和直尺画图，而是用计算机软件来画图，用三维软件画图替代二维画图。如今的产品的开发和设计，已经无法和数字化技术分开。

比如建模制图、仿真分析、疲劳测试分析、静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题等，能让你设计出的产品更接近实际中的效果。不需要制造出实物，无需浪费等待制造的时间，省去制造实物来试验的成本。只需要通过 CAE(Computer Aided Engineering) 技术就能快速分析出结果，优化方案，事半功倍。

图 7 Creo 静力分析

3. 3D 打印

在非标机械设计的工程中，非标准的零件很难通过传统方法比如冲压、铸造、车床、铣床、磨床制造加工，因此市场上难以购得。这时可以通过三维绘图软件和 3D 打印机快速生产零件。

3D 建模和打印技术，对非标设计的意义十分重大，弥补了非标的零件加工的不足，给设计师提供一个崭新的设计途径。3D 化缩短了设计制造时间，降低了制造难度和成本。

图 8 3D 打印机

图 9 3D 打印样品

4. 标准化

标准化，就是使得非标设计产品，通过你的设计，不仅仅只能在一个项目上能用，在其他项目也可以使用。成为一个标准或者一个系列，消灭以后其他项目需要调用非标设备非常大的一个弊端。只需要在原有的基础上直接调用，或者进行小的改动，大大缩短设计方案的时间。

部分非标设备模型文件：

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