模块化设计在控制柜机械设计中的应用

高治理

（沈阳东软医疗系统有限公司， 沈阳 110167）

随着市场经济的快速发展，消费者对机械产品要求呈现出多品种、小批量、柔性高等特点，模块化设计作为一种新型设计理论，很好地解决了市场产品研发与制造短周期的问题，通过该方法不仅能够有效增加产品生产数量，而且对规模化生产也有较大帮助[1]。当前，客户定制化需求不断变化，控制柜设计也越来越复杂，产品更新频率加快，有必要对控制柜进行模块化设计，从而适应快速多变的市场环境。

1 模块化设计与优点

模块化设计针对不同或相同功能及规格的产品，可以设计出一系列功能模块，建立结构模块体系，完成产品结构、功能的重新定义与划分，从而实现产品快速设计目标[2]。模块化设计具有以下优点：第一，产品升级与变更快，可根据需求将不同模块快速组合，柔性度高；第二，设计效率高，供货时间有保证，通过替换部分模块就能完成产品设计与更新；第三，产品维护方便，各个模块间可互换通用，若其中一个模块需要更换或维修，可以用其他模块先进行替换，降低更换或维护造成的生产损失。

2 模块化设计思路

2.1 模块划分

模块化设计由若干个模块组合而成，因此对模块稳定性与精度要求很高。从一个产品系统方面分析，每个组成模块是一个相对独立的单元，但在结构组成过程中，要能够与其他单元通用，且具有互换性。

在模块划分时，应首先根据客户需求，确定模块的总功能、子功能，然后划分出功能模块以及与功能模块对接的机械模块。其次，按照产品功能需求，划分出相对独立模块单元，继而对产品进行选型，实现产品功能与工况，并将制定各功能模块装配位置。

2.2 机械结构模块化设计流程

在划分出的产品功能模块基础上，设计相应机械结构，保证两模块间接口吻合，且结构相同的零部件可以实现通用化功能。在整体模块结构下，划分出若干个子模块，明确新产品模块组成，控制柜模块化设计流程如图1所示。

3 控制柜模块化设计应用

本设计控制柜主体框架外形尺寸为800mm×900mm×1400mm，支撑柱规格为50×40×2-7075铝合金型材，抗拉强度570MPa，屈服强度505MPa。根据客户订单的需求，对控制柜模块进行划分，具体划分情况如表1所示。

图1 控制柜功模块设计流程图

表1 控制柜功能模块

机械结构模块设计需在功能分析模块基础上，按照功能结构树进行模块划分，通过参数设计完成功能结构映射,并建立模块与产品、模块与模块之间的相关关系[3]。根据这一方法，划分出控制柜的机械结构模块结构功能树，如表2所示。

上述各功能模块所对应的机械模块均具有互换性，通用性。

表2 控制柜机械结构模块

控制柜电气元件以及设备的安装情况，可以反映出机械结构设计是否合理，而结构设计又取决于各电气元件的摆放位置。因此，电气元件分区域安装，可避免设备布局错乱排布问题。本设计控制柜安装孔采用压铆螺母与十字槽盘头组合螺钉，效率高，紧固可靠，其安装方式如图2所示，各零件型号如表3所示。

本设计控制柜接地方式采用M6×16铜螺栓的接地排固定接地线，机柜框架模块不少于6根线，长度不超过200mm，采用2.5DK（B）（B）2单芯电缆[4]。

图2 紧固件结构示意图

表3 紧固件几何尺寸

4 结论

由于电气控制柜功能的不断变化，造成其机械设计复杂程度不断提升。通过模块化设计方法，可以提升设计效率，并实现其内部各模块化之间通用化，对其他产品模块化设计也具有一定借鉴，为下一步基于计算机软件参数化设计奠定基础。