模塊化設計方法在機械設計中的應用探析

呂虹霖

摘 要：模塊化設計方法是實現機械產品大規模定制、使產品越加符合當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計進行簡要介紹，并從實際應用上結合具體案例來對模塊化機械設計予以分析，希望以此推動該設計方法在機械行業中的進一步廣泛應用。

關鍵詞：模塊化設計 切割分排機 機械設計 機械壓力機

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

當前，隨著社會經濟的發展，用戶群體由原先集中式變為個體戶，在機械產品需求方面用戶呈現出多樣化和個性化特點，從而提出了低成本、高質量和個性化方面的更高要求，這就使機械制造商面臨嚴峻挑戰。模塊化設計制造是在機械設計過程中引入模塊化思想，同時柔性加工技術、成組技術、CAD技術等先進技術的運用，將同一功能的機械產品單元設計為性能各異、可以互換的模塊，重點解決是機械設計制造周期、成本與款式、規制之間的關系。設計機械產品系列化模塊化可帶來精度高，性能穩定，結構簡單，成本低廉的優勢。模塊化設計是實現機械產品大規模定制、使產品越加符合當前市場需求的有效方法之一，有利于提高企業在市場的核心競爭力。

1 模塊化設計概述

1.1 模塊化設計定義及目的

模塊化設計的界定是從產品設計以及生產的不斷發展中逐步形成的，它指的是在某一范圍內為滿足市場的不同需求，根據功能分析為基礎，對功能相同或者相同功能而性能、規格各異的產品進行劃分，并以功能模塊形式進行系列設計，以期達到變通對模塊的選擇和組合，即可構成顧客定制的個性化產品。其內容包括創建和組合，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。鑒于不同模塊可組合成差異化產品，設計的重用率因而得以提升，使設計成本大大降低，實現了機械產品設計速度的提升及定制設計規模化。

模塊化設計的宗旨為用設計上的少變去滿足客戶需求的多變；以設計時間的最少投入、加工速度的專業化來提高設計生產效率、縮短產品生產周期，應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品創新；設計方法從組合上求創新、并從功能角度出發，達到產品通用化和標準化，使其可靠性及質量得以提升，通過平臺的建立、共享產品通用模塊，滿足產品大量定制下的經濟效益規模化。模塊化設計同時具有如下優點：產品內部繁復性減少，同時產品外部增加多樣性，客戶需求與企業目標之間的差距得以協調；模塊化產品的配置設計通過規模化開發迅速提高，生產成本得到降低；設計人員得以減輕工作強度，可使其投入更多精力在技術上創新；在適應生產的定制規模化同時也可適應個性化產品的小批量生產；模塊的高質量和可靠性有利于定制產品成功率一次達標；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 模塊化設計特點

模塊化設計具有獨立性、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，可在不調整外部接口的前提下，開始獨立設計和優化各個模塊。模塊化設計具有較大范圍的通用化特征，每個模塊的組成結構相對固定，參數、性能、對外接口形式和尺寸等也基本上固定不變，當模塊屬性能滿足產品部分功能需求，不管是在產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品中占據相當重要的地位，無論是在其整體的設計過程中還是維修期間，都比常規設計更加方便，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品系列，還能單獨適用于個性化產品中，在相應范圍內構成不同功能或功能相同性能各異的多種產品。

1.3 模塊化設計方法

進行機械設計時，相較模塊設計的系列化，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中的可更換性，同時考慮模塊系列的擴展及變型產品的輻射。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，促使更多產品的組成。在模塊化設計過程中，還要注意模塊中具有接口特征的可調換性與組合性兩個通重要特征，進一步提高模塊標準化、規格化及通用化程度。

模塊化在設計方式上，主要包括全系列模塊化設計、縱系列模塊化設計、橫系列模塊化設計和跨系列模塊化設計。模塊化設計的橫系列指產品主要參數不改變情況下，以基型產品為基礎，通過模塊發展變形產品，該設計方式極易實現，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，加裝轉塔銑頭形成轉塔銑床。縱系列模塊化設計是在同一類型中對不同規格的基型產品進行設計，即通過合理劃分區段，使與動力參數相關的模塊僅通用于同一區段內，而與尺寸或動力無關的模塊通用于更廣范圍。模塊化設計全系列包括橫系列及縱系列兩項設計，例如運用設計方式橫系列，通過更換端面銑床的銑頭形成立式銑床、臥式銑床、轉塔銑床等橫系列產品，還可改變工具銑床身和橫梁的高度和長度，形成縱系列產品?？缦盗挟a品設計就是改變某些模塊得到其他系列產品的設計方式，此類設計方式主要是基于模塊化設計全系列適用結構比較相似的模塊化設計跨系列產品上，比如德國某廠生產的模塊化鏜銑床通過橫系列模塊化設計方式發展為數控及各型鏜銑加工中心，在此基礎上，對立柱、滑座、工作臺進行更換，原有模塊化鏜銑床可變為跨系列的落地鏜床。

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

2 模塊化設計方法在機械設計中的運用

機械設計是指滿足經濟指標及相應技術的條件下，求解功能需求并最終鎖定最優綜合方案的進程，該進程具有綜合性、多解性、近似性和層次性的特點，成為創新機械產品的核心和基礎，從根本上決定著機械產品的功能、性能、質量和成本。當前，隨著社會經濟的發展，用戶群體由原先集中式變為個體戶，對機械產品用戶需求呈現個性化及多樣化特點，在個性化、高質量及低成本方面顯示出更高要求。設計制造模塊化成為制造業面對上述挑戰的主要方式，基于產品模塊化的合理體系，個性化且滿足客戶需求的產品可快速組合成，同時還能通過批量生產與管理通用模塊降低生產和管理成本。

2.1 模塊化設計在機械壓力機設計中的應用

模塊化設計方法非常適用于結構復雜的機械產品的設計。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品，需進一步細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構和安裝位置的限制，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計，可將其分為3個模塊來進行設計。不同的壓力機氣缸是可以相同的，在裝配過程中只需適當調整氣壓氣缸便能使用于多種規格的機械壓力機上。剎車片可直接作為通用件。底座可根據安裝位置結構來進行設計。根據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格的壓力機上使用。由于機械壓力機的液壓系統和潤滑系統的泵站為外購的，因而其本身就是一個獨立的模塊，但是分配系統具有向不同點輸送的功能，這就需要根據企業需求對系統的裝配部件進行設計，根據模塊化設計原則，設計過程中可將液壓系統、潤滑系統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品。機械壓力機的氣動部件的控制氣路可通過三聯件、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，都設置有相應的爬梯，爬梯的主要功能是供機械維修人員上下行走。常規設計中，一般將爬梯作為一個整體焊接件進行設計，或是設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，設計中大可按照人體寬度來設計爬梯跨度，而爬梯的高度則根據機床高度設計，為此，可在考慮爬梯總功能的基礎上將爬梯設計為許多節，把每個節都看作是一個模塊，那么在具體設計中設計人員只需要根據機床的高度來選擇節的種類和數量，而不是重復設計。裝配爬梯時，可利用螺釘將選擇好的節牢固連接起來。

2.2 模塊化設計在切割分排機設計中的應用

切割分排機是生產方便面的重要設備。在經過和面、熟化、復合壓片、連續壓片、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

模塊化設計過程中，根據切割分排機的功能和結構，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。按照產品規格不同，分為3萬包、5萬包、12萬包、15萬包四類。二次拉伸網、分排架、滴油裝置為可選模塊，主要是按班產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，還應包括必不可少的標準件、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，其主要區別在于4種系列產品的有效工作寬度不同，但它們所要實現的功能是相同的，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計最終衍生出來的并不僅僅是3、5、12、15萬包這4種產品，這只是按照產量不同來劃分的，屬于第一個層次的分類，而在此基礎上，還能根據客戶的不同需求、不同排架長短、有無二次拉伸網、由于滴油裝置、不同分排裝置衍生出更多種類的產品，通過計算，僅按照3萬包的產量，就可衍生出16種產品。另外一方面，每個模塊都有各自接口，且在接口約束框架內，每個模塊都是不斷發展著的，客戶需求不同，切割分排機生產的方便面的種類也會有所增加，這對于豐富產品線具有重要現實意義。

2.2.2 模塊化參數化設計及應用效果

模塊劃分完成后，需分析各個模塊之間的關系，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，在切割分排機設計過程中，可從源頭上避免模塊之間相互干涉現象的出現。必要情況下，進行接口分析的時候應進一步對每個模塊的外形輪廓尺寸、接口尺寸等加以明確。比如蒸網主傳動軸模塊與二次拉伸網、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主傳動軸、挑面輥組件、折疊機構、柵輪、二次拉伸網、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。

為便于數據管理，需制定針對方便面生產設備各機組的編碼規則，見圖2。按照圖中的編碼規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，FM12.06.10為12萬包切割分排機某一部件的編碼，FM05.08.03-2為為5萬包油炸機某一零件的編碼。相應地，按照編碼規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據列表，當客戶選擇了某一具體規格的切割分排機，根據客戶具體需求，選用相應的模塊，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計為例，3、5、12、15萬包這四種產品的相應模塊中，除切刀、切刀棍、托輥件號不同以及標準件數量不同外，其他各個零件均相同，四者存在大量共用件。應用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化設計能力實現各個部件和零件的參數化設計。

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

3 結語

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

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