模块化设计在机械压力机设计中的应用探讨

李鹏德，李 彬，闵 鹏，魏 伟

（徐州锻压机床集团有限公司，江苏 徐州 221116）

1 模块化设计简介

1.1 模块化设计的概念

上世纪50年代，欧美一些国家正式提出了模块化设计的概念。今天，模块化设计的理念已经在许多行业被应用，其中应用最为广泛的是电子电器行业和IT行业。

对于模块化设计的概念，各行业不尽相同，但最被广泛接受的是如下定义：对一定范围内不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合，以构成不同的产品，满足不同的需求，这种设计方法即称为模块化设计。

模块是产品的一个组成部分（部件），由一组元素组合起来，实现整个产品的部分功能，可以作为一个局部单元拆解、更换。每个模块是相互独立的，它的组成结构是相对固定的，不会轻易改变。

1.2 模块化设计的目的

模块化设计的目的就是以设计的少变应对用户需求的多变，以最少的设计时间和专业化的加工装配速度应对市场日益缩短的交货期，以最为经济的方法获取产品创新的最大速度。

各种不同的模块通过配置组合可形成多样化的产品，满足用户的不同需求，体现了产品定制生产的特点。同时，模块又具有标准、通用的对外接口，具有标准化和通用性的特点。对于采购、加工、装配等环节，可以实现大批量生产，也可预制生产，这样又体现了大批量生产的特点。通过模块化的设计，在企业中解决了个性定制和大批量生产相互制约的矛盾。

模块化设计可达到以下优点：极其迅速地开发模块化产品；减轻设计人员的工作量，使其有更多的精力专注于技术创新；适应大规模定制生产，也适应小批量个性化的产品；使生产更接近柔性化；产品质量更易于得到保证，便于维修，增强部件、零件的互换性；更低的间接成本；更高的生产效率。

1.3 模块化设计的特点

先把各种元素组合成模块，再按需要将各种模块组合成产品，增加的设计部分只是各种模块之间的连接和外围非模块化的设计，这便是模块化设计的方法。模块化设计具有以下特点：

独立性：各模块是相对独立的，只具有对外的接口，因此它们可以在不改变对外部接口的情况下，独立设计、优化和提高性能，而不会影响到其他功能部件，由于模块的独立性，在生产中可以由不同的专业化企业分别进行加工、装配。

通用性：每一个模块都具有其基本固定不变的参数、性能等特性。也具有基本固定不变的对外接口形式、尺寸和标准参数。因此模块的存在并不是针对某个产品，而是在产品的横系列和纵系列都可通用。只要模块属性能够实现产品的部分功能的需求即可。

互换性：因为模块本身的特性，决定了模块在模块化产品中的突出地位。在模块化产品的设计、维护、维修过程中，模块的选择和更换比常规的设计更方便和快捷。

系列化：模块能够存在的原因之一是为了实现产品的部分功能。产品的系列化，会导致模块的系列化。当产品纵系列跨度较大时，单一模块不能再满足需求，这时就需要相应的模块系列化。

1.4 模块化和标准化、系列化、通用化的关系

模块化和标准化、系列化、通用化并不冲突。模块化是标准化的补充。标准化不可能把所有企业、行业的可以作为模块的部件标准化，所以各企业要制定自己的模块化。但标准化中也包括了许多模块，例如阀门、油泵、电动机等，既是工业产品中的基础模块，又被收录到标准化中，作为了标准的一部分。所以，模块化是各企业或各行业内部的标准化。

一批模块如果名称相同，外形相似，参数大小不同，那么，它们就组成了一个模块系列，它们可以被应用于系列产品，也可以单独应用于个别产品。这就是模块的系列化。

由于模块具有标准化的特性，因此它可以跨品种、跨行业或在更大的范围内适用。模块和其他标准件一样，具有高度的通用性。可以由相应的专业化企业分别进行生产，保证生产质量和效率。

1.5 模块化设计的主要方式

按照自上而下的设计原则，对产品进行分析，从产品的结构和性能入手，先将产品分为几个大的部件，再一级一级往下分。如果产品较复杂，也可以分为几层模块。模块的层次越低，通用化程度越高，越接近于标准化。新产品设计时，从模块库中调用模块，模块库的建立、模块的设计可能是个较长期的过程，是在不断的工作过程中积累起来的，不断设计新模块、扩充模块库和使用模块，设计和生产的效率才会越来越高。

1.6 模块化设计和模块化制造

模块化设计是模块化制造的基础，否则就没有模块化制造。而模块化设计的效果需要由模块化制造来体现和验证，没有模块化制造，模块化设计也会失去意义。

模块化制造的特点：产品按模块为单元组织生产；按模块存储部件；便于领发料工作；

按模块来管理技术文件等；按模块来组装整机或产品。

例如：波音公司生产的飞机由400多万个零件组成，这些零件以模块的形式分散在美国和世界各地的1600家企业生产。而波音公司的主要工作就是整机组装和新产品开发。由于1600家企业的平等作业，大大缩短了产品的交货期和新产品的开发周期，同时能够更好、更方便地控制质量。

1.7 模块化设计的例外

并不是所有的设备或产品都适于进行模块化设计，虽然理论上所有的产品都可以被分解为各种不同的模块，但对于一些重、大型的设备、内部联系复杂的机构或因用户需求多样化而经常需要更改的零部件，则不适于运用模块化设计。重、大型设备的部分部件，例如机身，由于其体积重量巨大，通用率、借用率较低，如果作为一个模块来设计、存档，而其他产品借用又很少，其实是没有必要的。而内部联系复杂的设备机构，不易分解为较小的模块，即使强行分解，模块的对外接口也会很复杂，其他产品在使用时，也要有很复杂的接口才行。标准性和通用性并不太好，事实上也失去了模块化设计的必要性。

2 模块化设计在机械设计中的应用

结构复杂的机械产品，特别适合采用模块化设计，因为模块化设计有利于产品的材料选择和管理，有利于产品的可拆卸性。在模块化设计结构的产品中，由于模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以以模块为单元拆装，不受工具测试设备、操作空间的限制，大大改善了维修条件，简化了维修工作，加快了维修速度。如果损坏的模块一时无法修复，还可以及时更换新的模块，不致影响正常使用，有利于产品生命周期的循环和可持续发展。

根据模块化设计的原则，比如机械压力机可以拆解为一些部件：机身部件，滑块部件，传动部件，气动部件，润滑部件，拉伸垫部件等。

但这种方法分解出的模块太大，无法进行新产品组合，需要进一步进行细化分解。直到分解出通用性较强的模块。

那么机械压力机的哪些部件可以被作为一个模块而采用模块化设计？飞轮制动器（制动器是和飞轮分开的）是可以独立分解出来的一个部件，如图1所示，它由气缸1、刹车片（摩擦块）2和底座3组成。可以看出，底座受不同机床结构、安装位置的限制，不能全部通用，因此飞轮制动器总成本不适宜作为一个模块来设计。但是可以分开作为三个模块来设计：气缸、刹车片（摩擦块）和底座。不同压力机所用气缸可以是相同的，只需在装配时调整气压，便可适用在许多规格的压力机上，刹车片（摩擦块）可以做成通用件，底座可以根据安装位置结构来设计。只要选择不同气缸、底座的和通用件刹车片（摩擦块）组合，便可形成在各规格压力机上使用的飞轮制动器总成。

图1 飞轮制动器模块化设计

气动部件中的控制气路如图2所示，可通过三联件1、压力表2、调压阀3及其他气动元件的组合，集中为一个中央控制模块。只需留出对外接口4，可适用在许多吨位相近的压力机上，其中压力表2可做成通用组件，只要在机身部件留安装孔即可。

图2 控制气路模块化设计

液压和润滑系统的泵站，一般都是外购的，本身就是独立的模块。但向各个点输送的分配系统，却需要各企业自己设计装配部件。按模块化设计原则，可将液压和润滑系统的分配元件和管路集中在一起，设计为一个集中控制模块，留好对外接口，则可用于多种产品。

用户在冲压生产中常会用到拉伸垫。虽然一般机床生产企业不会把拉伸垫作为标准配置，但在用户需要时则必须进行设计、安装。拉伸垫用量较小，如果把它作为一个模块来设计，不但可减少设计工作量，在生产和装配上也可很大程度上提高效率。

在大型机械压力机上都设有爬梯，供维修人员上下行走使用。一般情况下都把它作为一个整体焊接件或是为上梁和立柱拆解方便而设计为上下两部分。但如果用模块化的理念进行分解，可能会更好。不论机床大小，爬梯的宽度都是按人体宽度来设计的，只有高度是按机床高度设计。按照模块化的理念，爬梯可以设计为许多节，每节为一个模块，在产品设计时，设计人员只需按机床高度选择模块种类和块数即可，不需要重新设计新的整体爬梯。在加工过程中，所有的模块都是一样的。在装配时，只需将选择好的模块用螺钉连接起来即可。

由于机械压力机配置有多种，如何拆分模块，则需要设计人员仔细分析，并不是所有的零部件都适合于模块化设计。例如机身部件和传动部件，组成的零件尺寸较大，通用性差，而且机身经常会应用户要求而更改，且因设备吨位不同，尺寸也不相同，很难做到标准和互换，如果再往下级拆分，就只有零件了，不能形成互换性的组件。因此，虽然在理论上可被分解为一个模块，但并不适合模块化设计。

3 结论

模块化设计、制造给现代制造业提供了个性化定制与大批量生产相冲突的解决方法。在提高效率、降低成本、保证质量等方面具有很大优势。

但模块化设计也有带来不利影响的可能性，如不利于性能的及时优化和改进，由于大量的模块存在，新产品的设计可能会变成标准模块的选择和组合，增加了设计人员的依赖性，从而降低了设计的自由度和创新动力；由于模块化设计的便捷与快速，可能出现无法满足所有用户需求的情况；如果模块本身存在问题，可能造成产品的成批量故障。需在实际设计生产中加强分析，合理应用。

[1]贾延林，主编.模块化设计[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]徐 震，徐燕中，等.机械产品模块化设计[J].制造业设计技术，2000，（5）.