制造系统模块化设计方法研究

2015-04-18顾佳超程茗徐恒斌

机械工程师 2015年12期

关键词：变型功能模块模块化

顾佳超，程茗，徐恒斌

（长春汽车工业高等专科学校机械工程学院，长春 130013）

制造系统模块化设计方法研究

顾佳超，程茗，徐恒斌

（长春汽车工业高等专科学校机械工程学院，长春 130013）

对制造系统的模块化设计方法进行论述研究，在分析系统功能的基础上，将系统的总功能分解为若干个具有相同功能不同性能的功能模块单元，通过各个功能模块单元的相互组合，组装成所需要的制造系统，提高制造系统的柔性。

制造系统；功能模块；模块化设计

0 引言

在制造系统的传统设计过程中，其设计步骤遵循由下而上的原则，首先根据系统的功能要求进行各个零部件的设计，而后将设计完成的零部件组装成整机。虽然在设计过程中涉及到方案的总体设计及各个部分之间的协同要求，但其主要侧重于系统的功能设计及系统各组成部分的详细设计。随着科学技术的日益发展，制造系统当中的一些功能单元如变速系统单元，进给系统单元，控制系统单元等已经成为了独立单元，这为模块化设计方法在制造系统设计中的应用提供了条件［1］。与传统的设计程序不同的是，模块化设计方法着重于系统的概要设计而非详细设计。首先对系统的功能进行分析，然后将系统的总功能分解为若干个具有相同功能不同性能的功能模块单元，通过各个功能模块单元的相互组合，组装成所需要的制造系统。

1 制造系统模块化设计形式

制造系统模块化设计形式主要分为两种：一种设计形式是变型设计，另一种设计形式是新设计。变型设计形式的特点是在设计的过程当中优先完成具有功能模块的基本单元的设计，然后将完成设计的功能模块相互组合成需要的制造系统，因此这种形式的设计也被称为有图设计。与变型设计形式不同，新设计形式着重从制造系统的功能分析入手，以制造系统功能分析为基础进行设计，因此，新设计又被称为没有前图设计。

1.1 变型设计

变型设计作为模块化设计的一种形式由新野秀宪提出并应用到了机床的模块化设计当中，他主要将机床分成了两部分：一部分为公用部分，另一部分为展开部分，通过模块流程图表示不同部分模块之间可能的组合形式［2］。公用部分作为机床整体结构的基础部分被列为基础模块，在机床的设计过程中基础模块部分不再变型。展开部分则被列为机床的变型模块部分，在机床的设计过程中这部分模块要根据需要发生变型。变型设计过程中，首先应进行基本模式的设计，在基本模式设计完成之后，确定系统的共用部分和展开部分，进而确定了系统的基础模块和变型模块，然后根据需求分析和确定展开部分的功能，而后进行模块的结构设计并确定模块之间的联接面。

1.2 新设计

新设计着重于对系统的功能进行分析，E.Sale的新设计方法主要分成三个阶段，这三个阶段分别为确定适合的运动形式，选择恰当的导轨形式及对导轨的位置及方向进行正确的布置。而功能模块的结构设计安排在整体的方案设计完成之后进行，这种设计形式由工件与刀具之间的相对运动规律进行系统整体的方案设计，为系统整体布局的各种可能的方案奠定了一定的基础。在Y.Ito采用新设计形式进行机床设计的过程中，机床模块是由层次分级结构所构成的，首先将机床进行逐层分解，将复杂部分逐级分解到简单元素，简单元素便于模块的构成及电脑的处理，级别较低的模块提供级别较高的模块的信息，此种模块被称为分级模块。

2 模块的信息分析

模块的最小构成单元是零件，众多的零件通过相互组合组装成了模块，与此同时制造系统又是由众多的模块所组成，因此模块的信息包含了构成模块的各个零件的信息。模块的信息分析包括零件信息、模块本身信息、模块之间相互关系信息的分析。零件信息的分析主要包括零件的几何参数及精度、零件的材料性能、零件的技术性能要求、零件的管理数据；模块本身信息的分析主要包含模块自身的功能要求、结构形状要求、技术性能要求和管理数据；模块之间相互关系的信息可归纳为模块之间结合要素的信息和本模块相互联接的模块的信息模块之间联接的位置方向及接合特征的信息。

3 模块特征与分类

模块特征是一组有意义的信息集合，它描述了模块本身、构成模块的各个零部件及模块与模块之间关系等诸多方面的信息。模块的特征主要分为两类，分别为模块的内部特征与模块的外部特征。由于模块是由众多的零件组成的，在不考虑零件之间装配关系的前提下，模块的内部特征又被称为零件特征。模块内部特征描述了作为模块的最小构成单元零件的本身的信息。模块外部特征是诸多信息的集合，这些信息主要描述了不同模块之间以及模块本身的相互关系。模块的内部特征主要包括零件形状特征、零件管理特征、零件技术特征、零件材料特征、零件精度特征等［3］。模块外部特征主要分为模块自身特征及模块装配特征两个方面。

4 模块划分与创建

模块化设计主要包括两方面的内容：一方面是根据系统的功能设计出一组符合要求的功能模块；另一方面是将设计出的符合要求的功能模块进行组合形成所需要的制造系统及产品。在系统功能模块的设计过程中，模块创建是其主要任务。模块创建主要包括两个部分：一部分是功能模块的合理划分的过程；另一部分是功能模块具体结构的设计过程。以机床的模块化设计为例，机床模块创建是在分析用户功能要求的基础上，将机床的功能进行分解与综合，设计出一系列功能模块，这组功能模块能同时满足基型设计要求和变型设计要求［4］。机床的整体结构具有较为显著的分级特性，根据这个特性可以将机床的整体结构分解为多个结构部件的有机组合，通过不同部件结构的有机组合便可形成灵活性较好的模块结构。机床模块划分是指以机床整体的功能要求为基础，根据模块化设计的要求及特点，合理划分出符合要求的功能模块。机床模块的合理划分并不是一个简单的设计过程而是一个相对复杂多变的设计过程。在划分的过程中既要考虑机床的功能要求又要考虑结构要求，如果模块划分得太细，虽然模块组合的样式增多，但是给模块的综合过程带来了很大的难度使其变得愈加困难，且过多的模块也不利于实现对模块的管理。模块划分得太粗，虽然有利于模块的综合过程，但是组成的产品的类型较少且综合后的系统的柔性较差，而且模块的结构也变得更加的复杂。但是基于功能分析的机床模块的划分还是有一定的规律可循的，划分原则主要归纳为特性原则、独立原则、基础件原则、部件原则、组件原则、可扩充性原则等几个方面。