為什麼工業設計師應該學好機械機構設計？

為什麼工業設計師應該學好機械機構設計？

劉肖健

浙江工業大學 工業設計研究院

機械類課程在工業設計的syllabus里擁有雷打不動的一席之地：材料、結構、模具，以及籠統的「機械設計基礎」、「機械工程基礎」等。貌似有關機械機構的內容從來都不是主角，多數是「基礎」課程里的一個章節。但機械機構對工業設計確實太重要，所以作者覺得有必要出來鼓動一下了。

一、「機構」與「結構」的區別

「機構」（mechanism）經常與「結構」（structure）相提並論，但實際上是兩個不同的概念。

結構設計與機械零件的單體形態有關，如一根軸上各軸徑的尺寸、箱體的壁厚、倒角大小、拔模斜度、筋板支撐位置等，以及確定這些設計要素的剛度、強度等計算內容和材料、熱處理、機加工等工藝規劃內容。

機構設計關注的是兩個零件之間的相對運動關係，如把一個零件的轉動變成另一個零件的移動（門鎖）、把一個零件（電機）的恆定轉速變成三個零件（鐘錶指針）不同的轉速、把一個零件的移動變成一系列零件的複雜運動（摺疊傘），等。

在機械專業里，機構屬於「機械原理」，結構屬於「製造工藝」，這兩門課基本沒有交集。

對工業設計而言，機構與結構在用途上的區別主要有兩方面：

1.不同的交流對象

工業設計師學結構是為了與產業鏈下游交流，主要面向製造環節；學機構則是為了與產業鏈上游交流，面向戰略、規劃、決策等環節。

2.設計過程的不同階段

從公理設計的角度來看，結構屬於四個域的最後一個，即製造域（過程域），與產品實體關係緊密；而機構則介於功能域和物理域之間，與產品概念關係更近，也就是說，更接近設計師的本職工作，而不應算作外來學科的知識體系。個人覺得可以把機械機構的知識當做成體系、規範化的常識來看待。

二、機構為什麼被忽略？

在目前的工業設計本科課程體系中，結構已經得到了應有的重視，但機構被忽略的太久了。為什麼被忽略呢？個人理解，原因大致有如下幾個：

1.認知問題，忽略了本職工作

工業設計師學習結構設計主要是為了與製造環節銜接，與機械工程師有一個共同的話語平台，倒也不一定親自去做工程師的工作。而機構設計牽涉到產品功能的實現方式，可以只做到概念層面即可，這應該屬於工業設計分內的事；但機構設計確實又是很純粹的機械學科的內容，很多設計師包括高校的設計教師實際上並沒有將其作為工業設計的必備技能（如建模、手繪等）來對待，搞不定機構也不會覺得有多慚愧。這就造成了機構設計的尷尬地位，成了工業設計技能體系中的邊緣部門。

2.對上下游交流重視程度的不對等

工業設計的操作技能體系（不是戰略規劃體系）重視與產業鏈下游的交流，而忽視了與上游（包括用戶）的交流。也就是說，對執行環節很重視而對決策等環節重視不夠。這種情況也可能是因為設計師對上游的影響力不夠所致，也可能是因為操作技能本身就是面向下游的。

3.機構在機械學科里也不算熱門

機構以應用為主，做出原理性創新突破很難，導致學術界願意啃這塊硬骨頭的人不多。市面上有關機械機構的專著很少，算是一個側面的證據吧。但是機構在創新實踐中的應用靈活多樣，潛力巨大。工業設計與機械兩個學科有相似之處，但其發展前進的推動力迥異，應用創新與市場聯繫緊密，對工業設計的價值要比機械學科大得多。這也是作者力推工業設計師學好機構的原因，甚至認為機構可以成為機械學科向工業設計學科輸出價值（全面移交型的）的一個典範。

三、設計師應該學好機械機構的原因

基於以下幾個原因，機械機構對設計師既是目前的短板也是潛在的增長點：

1.設計師的機構應用水平普遍偏低

這種感覺來自幾個方面。一是早年參與過五金大賽的協辦，幾個分賽中包含滑板車、健身器、電動工具等機械特色很強的產品；但是從每年超過2000件的投稿作品中，找不到幾件在機構應用上有特色的設計。二是本科生和碩士生開設有智能硬體的課程，到了最後的實施階段，很多學生的創意都卡在機械上，反倒是硬體部分都能搞定。三是某次碩士複試出了一道自行車設計的題目，40多個參加複試的考生有超過三分之一的人設計的自行車前輪無法轉彎；有的兩個腳蹬在同一方向，有的沒有傳動裝置；還有幾個人陳述方案時第一句話就是：看到題目，我的內心是崩潰的！

納尼？學了四年設計，畫一個每天都能看到而且躲都躲不開的產品，居然能崩潰？！

2.機械機構知識是一個穩定的體系

不像材料、工藝、計算機軟硬體等日新月異的工科領域，機械機構的知識體系基本處於停滯發展狀態，十分穩定。基礎原理性的東西早在工業革命時期差不多就都被發明完了，時至今日，舊知識不會過時淘汰，新知識的增長也很緩慢（基本不在設計師的理解範疇內）。因此學習機械機構需要做的只是在了解並不複雜的原理基礎上識別各種變形，並對案例進行移植和組合應用。

3.機械機構沒有專利壁壘

不像造型一樣不能抄不能仿，所有的機械機構知識都是全人類的共有財產，歡迎抄仿。抄得妙還會有人點贊，要是解決了特定產品的具體問題還有可能申請發明專利。這是一個非常有用的資源庫，而目前工業設計領域對它的應用還處於非常初級的階段。這一課應該在智能化時代到來之前補上的，但是很遺憾，沒有。現在只能寄希望於智能化軟硬體自帶的吸引力把機構的興趣提攜一下了。

4. CAD軟體提供了方便的物理引擎

參數化CAD軟體（Pro/E、Solidworks等）基本都帶有物理引擎，簡單進行一下裝配設置就可以得到「所見即所得」的運動機構，讓自己的設計動起來。這個便利條件讓設計師免去了很多複雜的（深惡痛絕的）計算過程，可以用簡單試錯模式完成運動設計。

5.實物模型製作簡單

現在激光切割機和3D印表機都很普及了，製作實物機構模型變得快速而經濟可行，部分設計甚至用切割機製作紙模型也可以。

四、學習機械機構設計的建議

作者在工業設計碩士生中做了一個調研，有關機械機構設計的難度，結果是低於軟體編程而高於智能硬體，跟預想的一樣。軟體編程課也是我上的，智能硬體是另一個老師上的。

機構設計的學習應該說並不難，因為知識性的東西很少，但是應用十分靈活，從實體產品中抽取出機構運動本質需要動動腦子。倒是跟編程有點像，也是基於有限的幾條語法規則構造出幾乎無限的應用案例。這種初期的困難可以通過大量接觸案例來跨過，比編程的進度要快；畢竟機械還是具象的東西，比抽象的邏輯容易想像一些。

以下是作者建議的學習方法：

1.基本的原理學習

連桿、輪系、凸輪、間歇、標準件等的基本原理先弄明白。我給本科生講機械機構時刪除了絕大部分計算內容，但是有兩塊計算是必須掌握的：一是連桿系統的自由度計算；二是齒輪傳動系統的傳動比計算。最有可能讓設計師懵逼的是動軸（差動）輪系的傳動比，但說實話，這個最難的東西在用的時候可以直接套公式。理解不了可以先記口訣，設計師應該學會這種簡單而實用的方法，不是學什麼東西都要靠「深刻理解」和「悟性」，有固然好，沒有也關係不大。

2.案例分析

3.製作數字模型和動畫

軟體工具首推Solidworks，一天上手沒問題。Solidworks的物理引擎可以滿足基本要求。我一直用的是2007版，稍微有點遺憾的就是不能模擬慣性、摩擦力和離心力。新版是不是有改進不太清楚，不過好在這些動力特性在工業設計中用的並不多，實在要用也可以製作實物模型做實驗。

4.製作實物模型

實物模型有兩個用途：一是檢驗機構的運動質量，如靈活性、摩擦阻力影響、對製造誤差的敏感度等；二是給自己增強點信心。相關的結構設計倒是不用通過實物來測試，在數字模型階段就可以了，機構零部件的空間布置和干涉檢查都可以在軟體里實現。

五、一個機械機構設計的Workshop

去年夏天開辦了一個workshop來測試一下短期培訓機械機構設計的效果，結果還算令人滿意。下面就對這個workshop做個簡要介紹。

背景

這是一個省教育廳主辦的暑期社會實踐項目，省內各校具體協辦。我選擇了workshop的形式，具體內容就是面向工業設計的機械機構設計。

總共有7人參加，包括3名北京大學的碩士生和4名浙江工業大學的碩士生。其中6人為工業設計或藝術設計背景，1人為計算機背景。機械技能差不多屬於工業設計學生的平均數，比較有代表性。Workshop的內容是設計木板機械玩具，類似烏克蘭UGEAR那種類型。時間為期一個月，去掉周末，實際工作時間約20天。

工作過程

工作過程大致分為6個階段：

1.基礎理論學習

由於時間有限，這一階段主要是學習機構簡圖的基本原理，以及怎樣把一個活生生的產品抽象表達為幾條線、幾個圓點和幾個方塊。自由度的計算是必須的，因為這決定了一個機構能不能運動，以及能不能正確地運動。

2.數字設計

學習使用Solidworks製作數字模型。這幾位同學都沒有學過Solidworks，現場教。先教基本的建模操作，再教運動機構的裝配和物理引擎的載入，讓大家能看到自己設計的機構動起來什麼樣。軟體很容易學，大家做了幾個簡單的機構後就可以自己上路了。

3.案例拓展

為了對機械機構有些真實的概念，我一開始就挑選了一個比較複雜的案例讓大家做練習。我選的是Theo Jansen的「海灘怪獸」，讓大家繪製它的機構簡圖並分析怪獸的腳是怎樣行走的。然後仿照這個機構進行變形延伸，設計自己的個性化行走機構，並建出數字模型。同學們看起來興趣不低，做出了猩猩、馬、恐龍、蜘蛛、自行車，以及各種抽象的運動機構造型。

4.實物模型

實物模型是從紙板開始的。雖然有工廠可以提供免費打板服務，簡單的測試還是必要的。實物模型很快就暴露了問題，主要是機構上的鉸鏈，對裝配精度有要求，既不能太緊也不能太松，否則不是動不起來就是一動就散架。改進設計後發給工廠打板，又遇到了同樣的問題，這次是高估了激光切割機的精度，以及板材的尺寸精度——兩者的誤差對運動機構的裝配都是致命的。UGEAR用牙籤當轉軸的做法雖然精巧，但損壞率太高，玩具不經玩。估計也只能給大人當個優雅的桌面擺設，小孩子個個都是暴力破壞王，使用的後果是災難性的。

5.自由創意

這個階段要求面向workshop最終的成果。原理、數字模型、實物原型都操練過了，大家有了些底氣，設計方案的思路也都是比較務實和操作性的。方案論證過程中針對裝配精度和鉸鏈的形式問題又做了一些討論，但沒有找到太好的方法，唯有針對板材和激光切割的誤差提前在設計稿上做考慮，這個問題一直到workshop結束也沒有很好地解決。

6.產品實戰

最後7個同學產生了三款產品，因為有幾個人沒有堅持到最後。可以理解，暑假嘛，當然是好好玩更重要了。

工作成果

Workshop的時間是杭州有史以來最熱的時候，幾乎全程40+°C，但是同學們幹勁上來了啥都擋不住，有幾天甚至在辦公室熬通宵（也可能是因為辦公室的空調比較足）。

▼模型裝配學習中

▼課間

▼老劉在介紹workshop工作計劃，桌上擺的是UGEAR的產品，用來拆解學習的。

▼老劉在講解最容易讓設計師們大腦死機的差動輪系原理

▼老劉在講解海灘怪獸的運動原理

▼同學們在做紙模型

▼一個同學的方案設計圖紙

▼打板得到一大堆零部件

▼組裝起來的模型

▼討論數字方案

▼核對製造誤差

▼最終產品1：飛機頭滑雪男

▼最終產品2：鯨魚國度

▼最終產品3：百寶箱

副產品：技術開發

這次的workshop還產生了兩個副產品，是兩個輔助繪製打板圖紙的CorelDraw插件（激光切割機使用CorelDraw格式的圖紙）。

一個是斷口生成插件：在所有的封閉圖形上生成一個很小的斷口，以避免激光切割機把零件完全切下來。因為零件完全切下來就變得散亂難找，還是連在板上讓用戶DIY時再拆下來比較好。

另一個是齒輪生成插件：快速生成成對的嚙合齒輪。木板玩具的齒輪和真實的漸開線齒輪還不太一樣，齒廓做成標準漸開線可能轉動時會被卡住，所以這個插件用來生成正弦波形狀的齒輪，以使嚙合轉動靈活。

這兩個插件是我做的，我給同學們打工。第一個插件送給模型打板的公司了，算是他們免費替我們打板的回贈。

總結

Workshop的情況基本滿意，沒有失望，當然也沒有太多的驚喜。如果時間安排得再緊湊一點可能成果會更出色，不過畢竟是假期，零起步能做到這個程度已是很不錯了。

所謂文科生或藝術生學習工科技術的困難，早已是昨日的舊概念。因為現代工科技術軟體的操作性、便利性與可及性均已非昔日可比，文科生的傳統劣勢已不那麼關鍵。嘗試一下就會發現，這扇大門已經打開。

另一方面，在個人的概念里，已經把機械機構設計從「工科技術」的清單里劃掉了，因為學好它並不需要什麼工科理論或知識基礎，它本身就夠基礎了。「運動」作為一種設計對象，既可以像抽象的數字一樣進行加減乘除乘方開方等計算，也可以像實體一樣進行平移旋轉縮放複製陣列等操作，這些都不是設計師陌生的東西，也不見得比造型建模難多少。

找機會再搞一次workshop。20天長了點（玩的時間都算進去了），一周左右差不多夠了。

感謝關注創意之代碼。

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