模塊化設(shè)計方法在機械設(shè)計中的應(yīng)用探析

呂虹霖

摘 要：模塊化設(shè)計方法是實現(xiàn)機械產(chǎn)品大規(guī)模定制、使產(chǎn)品越加符合當(dāng)前市場需求的有效方法之一，并且有利于提高其在市場同行中的核心競爭力。該文先從概念、特點、目的和方法對模塊化設(shè)計進行簡要介紹，并從實際應(yīng)用上結(jié)合具體案例來對模塊化機械設(shè)計予以分析，希望以此推動該設(shè)計方法在機械行業(yè)中的進一步廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計 切割分排機 機械設(shè)計 機械壓力機

中圖分類號：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0041-02

當(dāng)前，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，用戶群體由原先集中式變?yōu)閭€體戶，在機械產(chǎn)品需求方面用戶呈現(xiàn)出多樣化和個性化特點，從而提出了低成本、高質(zhì)量和個性化方面的更高要求，這就使機械制造商面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。模塊化設(shè)計制造是在機械設(shè)計過程中引入模塊化思想，同時柔性加工技術(shù)、成組技術(shù)、CAD技術(shù)等先進技術(shù)的運用，將同一功能的機械產(chǎn)品單元設(shè)計為性能各異、可以互換的模塊，重點解決是機械設(shè)計制造周期、成本與款式、規(guī)制之間的關(guān)系。設(shè)計機械產(chǎn)品系列化模塊化可帶來精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)勢。模塊化設(shè)計是實現(xiàn)機械產(chǎn)品大規(guī)模定制、使產(chǎn)品越加符合當(dāng)前市場需求的有效方法之一，有利于提高企業(yè)在市場的核心競爭力。

1 模塊化設(shè)計概述

1.1 模塊化設(shè)計定義及目的

模塊化設(shè)計的界定是從產(chǎn)品設(shè)計以及生產(chǎn)的不斷發(fā)展中逐步形成的，它指的是在某一范圍內(nèi)為滿足市場的不同需求，根據(jù)功能分析為基礎(chǔ)，對功能相同或者相同功能而性能、規(guī)格各異的產(chǎn)品進行劃分，并以功能模塊形式進行系列設(shè)計，以期達(dá)到變通對模塊的選擇和組合，即可構(gòu)成顧客定制的個性化產(chǎn)品。其內(nèi)容包括創(chuàng)建和組合，其中模塊是具有一定功能的零件、組件或部件，一般為批量生產(chǎn)。鑒于不同模塊可組合成差異化產(chǎn)品，設(shè)計的重用率因而得以提升，使設(shè)計成本大大降低，實現(xiàn)了機械產(chǎn)品設(shè)計速度的提升及定制設(shè)計規(guī)?；?。

模塊化設(shè)計的宗旨為用設(shè)計上的少變?nèi)M足客戶需求的多變；以設(shè)計時間的最少投入、加工速度的專業(yè)化來提高設(shè)計生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，應(yīng)對市場中交貨期的日益縮短；采用最有效的方式取得最快速的產(chǎn)品創(chuàng)新；設(shè)計方法從組合上求創(chuàng)新、并從功能角度出發(fā)，達(dá)到產(chǎn)品通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，使其可靠性及質(zhì)量得以提升，通過平臺的建立、共享產(chǎn)品通用模塊，滿足產(chǎn)品大量定制下的經(jīng)濟效益規(guī)?；?。模塊化設(shè)計同時具有如下優(yōu)點：產(chǎn)品內(nèi)部繁復(fù)性減少，同時產(chǎn)品外部增加多樣性，客戶需求與企業(yè)目標(biāo)之間的差距得以協(xié)調(diào)；模塊化產(chǎn)品的配置設(shè)計通過規(guī)?；_發(fā)迅速提高，生產(chǎn)成本得到降低；設(shè)計人員得以減輕工作強度，可使其投入更多精力在技術(shù)上創(chuàng)新；在適應(yīng)生產(chǎn)的定制規(guī)模化同時也可適應(yīng)個性化產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)；模塊的高質(zhì)量和可靠性有利于定制產(chǎn)品成功率一次達(dá)標(biāo)；基于模塊的封裝性，拆卸和組裝變得更為便捷，還可以模塊為單元進行拆裝維修，操作空間、測試設(shè)備限制不存在，維修工作極大簡化，加快維修速度與效率。

1.2 模塊化設(shè)計特點

模塊化設(shè)計具有獨立性、通用性、互換性和系列化等特點。每個模塊都是相互獨立的，只具有對外的接口，為提高其性能，可在不調(diào)整外部接口的前提下，開始獨立設(shè)計和優(yōu)化各個模塊。模塊化設(shè)計具有較大范圍的通用化特征，每個模塊的組成結(jié)構(gòu)相對固定，參數(shù)、性能、對外接口形式和尺寸等也基本上固定不變，當(dāng)模塊屬性能滿足產(chǎn)品部分功能需求，不管是在產(chǎn)品橫系列還是縱系列模塊都能通用。模塊本身所具備的屬性使其在整體產(chǎn)品中占據(jù)相當(dāng)重要的地位，無論是在其整體的設(shè)計過程中還是維修期間，都比常規(guī)設(shè)計更加方便，在必要情況下可以只更新模塊，互換性很強。若一批模塊外形相似且名稱相同，但參數(shù)大小各異，那么模塊系列就此形成，模塊的系列化使其不但適用于產(chǎn)品系列，還能單獨適用于個性化產(chǎn)品中，在相應(yīng)范圍內(nèi)構(gòu)成不同功能或功能相同性能各異的多種產(chǎn)品。

1.3 模塊化設(shè)計方法

進行機械設(shè)計時，相較模塊設(shè)計的系列化，合理劃分模塊變得極為重要，不僅需考慮管理與制造的方便、進行模塊組合的時候是否能靈活地組合以及在系統(tǒng)中的可更換性，同時考慮模塊系列的擴展及變型產(chǎn)品的輻射。劃分原則為焊接件簡化、外購件簡化、借用子裝配體簡化的原則，促使更多產(chǎn)品的組成。在模塊化設(shè)計過程中，還要注意模塊中具有接口特征的可調(diào)換性與組合性兩個通重要特征，進一步提高模塊標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化及通用化程度。

模塊化在設(shè)計方式上，主要包括全系列模塊化設(shè)計、縱系列模塊化設(shè)計、橫系列模塊化設(shè)計和跨系列模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計的橫系列指產(chǎn)品主要參數(shù)不改變情況下，以基型產(chǎn)品為基礎(chǔ)，通過模塊發(fā)展變形產(chǎn)品，該設(shè)計方式極易實現(xiàn)，比如更換端面銑床的銑頭可加裝立銑頭形成立式銑床，加裝臥銑頭形成臥式銑床，加裝轉(zhuǎn)塔銑頭形成轉(zhuǎn)塔銑床。縱系列模塊化設(shè)計是在同一類型中對不同規(guī)格的基型產(chǎn)品進行設(shè)計，即通過合理劃分區(qū)段，使與動力參數(shù)相關(guān)的模塊僅通用于同一區(qū)段內(nèi)，而與尺寸或動力無關(guān)的模塊通用于更廣范圍。模塊化設(shè)計全系列包括橫系列及縱系列兩項設(shè)計，例如運用設(shè)計方式橫系列，通過更換端面銑床的銑頭形成立式銑床、臥式銑床、轉(zhuǎn)塔銑床等橫系列產(chǎn)品，還可改變工具銑床身和橫梁的高度和長度，形成縱系列產(chǎn)品。跨系列產(chǎn)品設(shè)計就是改變某些模塊得到其他系列產(chǎn)品的設(shè)計方式，此類設(shè)計方式主要是基于模塊化設(shè)計全系列適用結(jié)構(gòu)比較相似的模塊化設(shè)計跨系列產(chǎn)品上，比如德國某廠生產(chǎn)的模塊化鏜銑床通過橫系列模塊化設(shè)計方式發(fā)展為數(shù)控及各型鏜銑加工中心，在此基礎(chǔ)上，對立柱、滑座、工作臺進行更換，原有模塊化鏜銑床可變?yōu)榭缦盗械穆涞冂M床。

在機械設(shè)計中，模塊化產(chǎn)品的設(shè)計和制作過程是兩個不同層次的過程，而事實上，技術(shù)系統(tǒng)與模塊化設(shè)計遵循基本相似的設(shè)計流程，而較為復(fù)雜的模塊化設(shè)計，成本費用更高，還需確保各個零部件功能的發(fā)揮不是單一的。模塊化設(shè)計流程在機械設(shè)計中運用，見圖1。

2 模塊化設(shè)計方法在機械設(shè)計中的運用

機械設(shè)計是指滿足經(jīng)濟指標(biāo)及相應(yīng)技術(shù)的條件下，求解功能需求并最終鎖定最優(yōu)綜合方案的進程，該進程具有綜合性、多解性、近似性和層次性的特點，成為創(chuàng)新機械產(chǎn)品的核心和基礎(chǔ)，從根本上決定著機械產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量和成本。當(dāng)前，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，用戶群體由原先集中式變?yōu)閭€體戶，對機械產(chǎn)品用戶需求呈現(xiàn)個性化及多樣化特點，在個性化、高質(zhì)量及低成本方面顯示出更高要求。設(shè)計制造模塊化成為制造業(yè)面對上述挑戰(zhàn)的主要方式，基于產(chǎn)品模塊化的合理體系，個性化且滿足客戶需求的產(chǎn)品可快速組合成，同時還能通過批量生產(chǎn)與管理通用模塊降低生產(chǎn)和管理成本。

2.1 模塊化設(shè)計在機械壓力機設(shè)計中的應(yīng)用

模塊化設(shè)計方法非常適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機械產(chǎn)品的設(shè)計。機械壓力機可以拆解為機身、滑塊、傳動、氣動、潤滑、拉伸墊部件等，但分解出的模塊較大，無法將這些模塊組合成新產(chǎn)品，需進一步細(xì)化分解為具有較強通用性的模塊。飛輪制動器是機械壓力機的重要部件，由氣缸、剎車片和底座組成。但由于底座受機床結(jié)構(gòu)和安裝位置的限制，不能全部通用，所以飛輪制動器不能作為1個模塊來采用模塊化設(shè)計，可將其分為3個模塊來進行設(shè)計。不同的壓力機氣缸是可以相同的，在裝配過程中只需適當(dāng)調(diào)整氣壓氣缸便能使用于多種規(guī)格的機械壓力機上。剎車片可直接作為通用件。底座可根據(jù)安裝位置結(jié)構(gòu)來進行設(shè)計。根據(jù)具體需求選擇不同氣缸、底座和剎車片進行組合形成的飛輪制動器可在各種規(guī)格的壓力機上使用。由于機械壓力機的液壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的泵站為外購的，因而其本身就是一個獨立的模塊，但是分配系統(tǒng)具有向不同點輸送的功能，這就需要根據(jù)企業(yè)需求對系統(tǒng)的裝配部件進行設(shè)計，根據(jù)模塊化設(shè)計原則，設(shè)計過程中可將液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的分配元件及管路集中起來，形成集中控制模塊，只需留出對外接口即可適用于多種機械產(chǎn)品。機械壓力機的氣動部件的控制氣路可通過三聯(lián)件、壓力表、減壓閥及其他氣動元件的組合形成一個中央控制模塊，在該模塊中，只需留出對外接口即可適用于噸位相近的不同的壓力機上。

通常來說，在大型的機械壓力機上，都設(shè)置有相應(yīng)的爬梯，爬梯的主要功能是供機械維修人員上下行走。常規(guī)設(shè)計中，一般將爬梯作為一個整體焊接件進行設(shè)計，或是設(shè)計為上下兩部分以便于上梁和立柱的拆解。事實上，若能按照模塊化設(shè)計的理念分解爬梯，其通用性會更強。機床大小于爬梯寬度無關(guān)，設(shè)計中大可按照人體寬度來設(shè)計爬梯跨度，而爬梯的高度則根據(jù)機床高度設(shè)計，為此，可在考慮爬梯總功能的基礎(chǔ)上將爬梯設(shè)計為許多節(jié)，把每個節(jié)都看作是一個模塊，那么在具體設(shè)計中設(shè)計人員只需要根據(jù)機床的高度來選擇節(jié)的種類和數(shù)量，而不是重復(fù)設(shè)計。裝配爬梯時，可利用螺釘將選擇好的節(jié)牢固連接起來。

2.2 模塊化設(shè)計在切割分排機設(shè)計中的應(yīng)用

切割分排機是生產(chǎn)方便面的重要設(shè)備。在經(jīng)過和面、熟化、復(fù)合壓片、連續(xù)壓片、切條成型、蒸面這些步驟之后，需要將蒸熟的面條送至切割分排機完成面條的定長切斷和分派，在切割分排過程中，面條被折為兩層，方便面基本成型，之后進行油炸、冷卻、包裝。

2.2.1 模塊劃分

模塊化設(shè)計過程中，根據(jù)切割分排機的功能和結(jié)構(gòu)，進行模塊劃分，大部分模塊為必選模塊，其中電機包括1.1 kW、1.5 kW兩種。按照產(chǎn)品規(guī)格不同，分為3萬包、5萬包、12萬包、15萬包四類。二次拉伸網(wǎng)、分排架、滴油裝置為可選模塊，主要是按班產(chǎn)量或客戶要求選擇有或無。除此之外，一臺完整的切割分排機，還應(yīng)包括必不可少的標(biāo)準(zhǔn)件、連接件、緊固件等。對于3萬包、5萬包、12萬包、15萬包這4種類型，其主要區(qū)別在于4種系列產(chǎn)品的有效工作寬度不同，但它們所要實現(xiàn)的功能是相同的，因而模塊劃分亦相同。

在模塊劃分下進行切割分排機的模塊化設(shè)計最終衍生出來的并不僅僅是3、5、12、15萬包這4種產(chǎn)品，這只是按照產(chǎn)量不同來劃分的，屬于第一個層次的分類，而在此基礎(chǔ)上，還能根據(jù)客戶的不同需求、不同排架長短、有無二次拉伸網(wǎng)、由于滴油裝置、不同分排裝置衍生出更多種類的產(chǎn)品，通過計算，僅按照3萬包的產(chǎn)量，就可衍生出16種產(chǎn)品。另外一方面，每個模塊都有各自接口，且在接口約束框架內(nèi)，每個模塊都是不斷發(fā)展著的，客戶需求不同，切割分排機生產(chǎn)的方便面的種類也會有所增加，這對于豐富產(chǎn)品線具有重要現(xiàn)實意義。

2.2.2 模塊化參數(shù)化設(shè)計及應(yīng)用效果

模塊劃分完成后，需分析各個模塊之間的關(guān)系，也就是進行各模塊之間的接口分析，以明確兩個模塊之間是否直接相連，這樣以來，在切割分排機設(shè)計過程中，可從源頭上避免模塊之間相互干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)。必要情況下，進行接口分析的時候應(yīng)進一步對每個模塊的外形輪廓尺寸、接口尺寸等加以明確。比如蒸網(wǎng)主傳動軸模塊與二次拉伸網(wǎng)、電機、左箱體、右箱體、主傳動軸模塊存在接口，挑面輥組件模塊與左箱體、右箱體、主傳動軸模塊存在接口，分排架模塊與分排架支腳、后分排輥組件、滴油裝置、淌板、左箱體、右箱體模塊存在接口，左箱體、右箱體模塊都與蒸網(wǎng)主傳動軸、挑面輥組件、折疊機構(gòu)、柵輪、二次拉伸網(wǎng)、切刀托輥組件、小膠輥組件、上壓輥組件、前分排輥組件、分排架、機架、罩殼模塊存在接口。

為便于數(shù)據(jù)管理，需制定針對方便面生產(chǎn)設(shè)備各機組的編碼規(guī)則，見圖2。按照圖中的編碼規(guī)則解讀切割分排機的編碼，比如FM12.07為12萬包切割分排機的編碼，F(xiàn)M12.06.10為12萬包切割分排機某一部件的編碼，F(xiàn)M05.08.03-2為為5萬包油炸機某一零件的編碼。相應(yīng)地，按照編碼規(guī)則對切割分排機各個模塊進行編碼。編碼后，編制切割分排機的合同數(shù)據(jù)列表，當(dāng)客戶選擇了某一具體規(guī)格的切割分排機，根據(jù)客戶具體需求，選用相應(yīng)的模塊，進行模塊配置。

以切割分排機中的切刀托輥組件的模塊化設(shè)計為例，3、5、12、15萬包這四種產(chǎn)品的相應(yīng)模塊中，除切刀、切刀棍、托輥件號不同以及標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量不同外，其他各個零件均相同，四者存在大量共用件。應(yīng)用Pro/E建立切刀托輥組件模型，建模過程中，在族表中列出不同零部件，并選用不同件號，以生成不同模型組合。之后利用Pro/E所具有的強大的參數(shù)化設(shè)計能力實現(xiàn)各個部件和零件的參數(shù)化設(shè)計。

通過采用模塊化+參數(shù)化的設(shè)計方法，在面機產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中，企業(yè)的設(shè)計效率明顯提升，產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短，原來的一個產(chǎn)品從設(shè)計、計算到完成工程圖紙的時間為3個月，現(xiàn)在的4個產(chǎn)品利用同一平臺、每個機組再加上不同選項，其工程設(shè)計時間僅為4個月，且衍生出了64中不同組合的產(chǎn)品。另外，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，零部件使用種類和使用量明顯減少，大大降低了總生產(chǎn)成本。

3 結(jié)語

總之，模塊化設(shè)計方法是實現(xiàn)機械產(chǎn)品大規(guī)模定制、使產(chǎn)品越加符合當(dāng)前市場需求的有效方法之一，在提高效率、降低成本、保證質(zhì)量等方面具有很大優(yōu)勢。但模塊化設(shè)計也有帶來不利影響的可能性，在機械設(shè)計中還需加強分析，對其進行合理應(yīng)用。相信隨著模塊化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、通用化程度的進一步提升，模塊的互換性也會隨之強化，機械設(shè)計與制造水平將會步上一個新臺階。

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