模块化设计方法在机械设计中的应用探析

2018-11-20刘双龙

装备制造技术 2018年9期

刘双龙，王兵

（上海振华重工股份有限公司，上海201913）

0 引言

随着经济的快速增长，机械设计朝着个性化的方向发展，并且用户群体对于机械设计制造所提出来的要求会越来越高，同时也更加注重对成本的合理控制。在传统的机械设计技术当中，社会的发展淘汰了一些落后的技术，对于新的机械设计，如果没有办法对模块化进行合理的设计，促进机械设计和生产的效率的提升，降低整体的成本，就没有办法呈现出独特的优势[1]。

伴随着技术的发展，用户群体在各方面的要求有所改变，这种改变最典型的体现就是原来的集中式转变为个体户，在这样的要求下，节省成本成了大势所趋。从设计到技术层面等各角度出发，模块化技术的转变目前已经基本完成，在划分和组合的背景之下，可以对不同类型的机械设计进行包装，最终使得工期得到有效的缩短，在一定程度上实现模块化机械设计和制造[2]。

1 模块化设计

1.1 模块化设计简介

模块化设计主要是针对计算机语句的输入和指令在程序中的编程。首先,用主程序、子程序等框架描述了软件的主要结构和过程,定义并调试了各帧之间的输入输出链接。在逐步求精之后,其结果是一系列算法,它们可以描述[3]作为函数的单位。

根据产品中使用的模块数量，模块化系统可分为纯模块化系统和混合系统-模块化系统，由模块和非模块组成，其中大部分是机械模块化系统。根据模块化组合的可能性，模块化系统可分为封闭系统，在设计中考虑所有可能的方案；开放系统和系统的设计，主要考虑模块组合变化的规则。模块必须实现某些功能，整个产品族功能和相应的模块类型如图1所示。

图1 模块化产品系统中功能和模块类型

基本功能是系统中基本的、经常的、重复的、不可缺少的功能，在系统中基本上是相同的功能。相应的模块称为基本模块。辅助功能主要是指安装和连接所需的功能。相应的模块称为辅助模块[4]。

特殊功能是表征系统中某些或某些产品的特征，使其更适于适应其他系统或可暂时改变的边界条件。相应的模块称为自适应模块。

1.2 模块化设计方法

在模块化的设计方法中，对模块的划分以及互换性等划分决定着整体模块的功能状况和可行性。人们在进行模块划分的时候，不仅需要考虑制作的方便性，同时也是要考虑在具体实施的时候是否能够进行轻易的组合。

因此，在进行模块设计的时候，需要有一个详细的规划，并且在开展模块划分时考虑到系统当中的整体可更换性，要确保模块的功能在各个方面具有一定的独立性，模块之间的既要结合又要实现各个方面的分离。为了能够使得模块之间进行全方位的更换，不同的模块之间要确保可以开展全方位的更换工作，因此在设计模块的时候，需要提升可更换性，在接口处的地方进行规格化和标准化的设置[5-6]。

1.2.1 模块化设计的主要方式

（1）水平串联模块化设计。不改变产品的主要参数，使用模块来开发变形产品。该方法易于实现，具有广泛的应用前景。

（2）纵向串联模块化设计。不同类型的基础产品设计为同一类型。

（3）除了开发水平产品外，改变一些模块还可以得到其他系列产品，属于水平系列和交叉系列模块化设计。

（4）全系列模块化设计。整个系列由纵向系列和水平系列组成。

（5）全系列和交叉系列模块化设计。在整个系列的基础上，它被用于模块化设计[7]，其结构更加相似。

1.2.2 模块化设计步骤

模块化设计分为两个不同的层次，第一个是一系列模块化的产品开发过程，第二个是模块化设计的单一产品，如图2所示。总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但是它比后者更复杂和昂贵，并且每个组件可以实现更多的功能。模块化设计的主要步骤如下：

图2 模块化产品设计过程

（1）市场调查与分析，模块化成功的前提。

（2）产品功能分析，拟定产品系列型谱。

（3）确定参数范围和主参数。

（4）确定模块化设计类型，划分模块。

（5）模块结构设计，形成模块库。

（6）编写技术文件。

1.3 模块化设计的特点

当前模块化设计的方法渐渐成为机械设计当中非常重要的组成部分，同时作为一种新型的设计理念，这样的一种设计方法，有着传统方法不具有的优势和特点[8-9]。

（1）对于模块化的设计来说，它更加便于人们进行设备的检修。在这样的情况之下，生产环节就能够获得有效的维持，同时也能够使得实际的维修和质检工作获得较大的便利。

（2）模块化设计的方法也会使得包装的流程得到有效的简化，因为这种方法会根据包装生产需求进行接线卸和组建，因此能够达到合理调度的状态，最终根据实际的生产要求，进行全方位的设计工作，使得实际生产效率得到提升，并且也使得自身的适用面更加广泛。

（3）模块化设计的方式会使得生产得到全方位的节约，因为这种设计方法的科学性和创造性是比较突出的，在成本方面能够获得节约。

2 模块化设计方法在机械设计中的应用

2.1 模块化设计方法在数控车床中的应用

以模块化设计方法在数控车床中的应用为例，在模块划分中，必须从数控车床的一般功能出发，将总功能分解为一个相对独立的功能。当函数继续分解直到函数不合适时，函数元素由函数元素组成。函数元素是整个函数或函数的最基本单元，通常对应于某一幂函数模块。当总功能被分解时，应该考虑用户的需求和实现总功能所需的功能。由于用户条件的不同，机床的规格和性能会有所不同，而且模块的组成也会有很大的差异[10]。

对于CK系列单柱数控车床，它的总功能是车削，它可以转动内外缸、内外锥体、沟槽、平面、螺纹和各种旋转面。对于CK系列单柱数控车铣加工中心，除了铣削、镗铣功能外，这些功能可以按传动功能。

2.2 对模块进行合理的划分，明确模块分工

通过对总功能进行分解，可以看出，一个或多个函数对应于实现一个或多个功能的模块。有一个模块来实现某一功能，即一对一对应；一个函数由多个模块来实现，即单对多的关系；某些多个功能由一个模块来实现，即多对单的关系[11]。如图3所示。

图3 功能与模块对应关系

根据功能和模块的映射关系，考虑了整个数控车床系列的特点和结构类型，并利用模块划分原理得到数控车床较为通用的模块。数控车床分为传动模块、执行模块、支撑模块、辅助模块、监控模块，并继续细分为功能模块。

通过对同一功能模块的分析，由于使用的不同和结构的不同，可以得到可交换的、具有相同接口的结构模块。根据结构模块的组合，可以得到不同用途和性能的数控车床。

在对数控车床开展有效设计的环节是，人们首先需要进行实际的科学规划和操作工作，该项工作的开展并不能够单独的进行，在大多数情况下要考虑实际的生产工艺，从全方位的角度进行规划工作的开展。模块化设计方式需要建立起一个比较有效的结构，在科学隔离构造和分析的操作条件之下，完成基础性的环节建设，同时需要结合实际的情况，制定合理的科学规划，付诸于实践的过程当中。对生产环节结构进行全方位的有效划分，最终使得整体的生产效率得到提升。

在进行生产模块划分的过程当中，人们要结合具体的需求来确定模块的功能，同时还要开展生产功能的有效分配工作，确保每一个模块都能够承担合理的任务和功能。除此之外，人们还要对模块功能进行全方位的健全，使得模块之间的生产调度获得优化，最终能够使得后期的生产模块获得有效的推动。

2.3 数控车床模块划分原则

根据现有车床的结构和模块化要求，模块划分的原则可以概括如下：

（1）将独立的功能单元用作模块，即分解的功能单元在结构中尽可能独立。这样的模块易于组装和配置，从而易于形成各种变形产品。

（2）以部件作为模块，这样的模块具有完整性，容易保证装配质量。

（3）将该组件用作模块。在对功能分解进行细化之后，可以进一步对组件中的一些组件进行模块化。通过更换或占用零件或部件，这些部件可以有不同的用途和性能。

它比改变整个部件更经济。在模块划分过程中，还应注意机床的大部件和基本部件的模块化，大零件的结合件应规范化，便于连接和分离。同时，应该考虑模块中有发展的空间，这样新技术的引入不会阻碍模块的结构。如图4所示，对数控车床的功能。

图4 数控车床功能模块划分

2.4 模块的组装设计

为了使得设计的机械设计生产得到有效的确保，人们需要对模块化的设计方法进行技术组装的操作，简而言之，就是对模块进行有效的分配，同时在具体的组装过程当中，对整体布局的合理性进行考虑，对各个模块之间的功能进行有效的组合。如果机械设备在使用的过程当中遇到的问题，那么可以及时更换其中有问题的设备，同时要保障在故障模块更换的过程当中，其他模块依然可以正常的运行，不会因此停止工作。

在设计工作完成之后，还要对具体的参数进行科学的调整工作，同时在试运行过程当中检验整体的配合效果。有效的组装式模块化设计，非常关键的一个环节，每个模块只有在有效的组装下，自身的作用才能够得到充分的发挥，因此也需要掌握一些科学的组装方式，提升组装的有效性和科学性[12]。