機床模塊化設(shè)計的研究

楊 靜，賈元林

（1.天水師范學(xué)院 機電學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.天水市長城開關(guān)廠有限公司，甘肅 天水 741000)

機床模塊化設(shè)計的研究

楊 靜1，賈元林2

（1.天水師范學(xué)院 機電學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.天水市長城開關(guān)廠有限公司，甘肅 天水 741000)

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，模塊化的設(shè)計成為敏捷性制造的重要途徑，它不僅縮短了制造周期，而且實現(xiàn)了產(chǎn)品的多樣化。本論述介紹了模塊化設(shè)計的概念及分類，提出了模塊化設(shè)計的優(yōu)點及步驟即：首先通過市場調(diào)研，進行功能分析，建立功能結(jié)構(gòu)，然后劃分模塊的系列型譜，最后完成模塊之間的組合；并以組合機床的模塊劃分為例，進一步說明了模塊化設(shè)計方法在機床中的應(yīng)用。

模塊；機床；模塊化設(shè)計

0 引言

隨著制造裝備業(yè)的快速發(fā)展，機床的更新?lián)Q代不斷加速，為了縮短開發(fā)周期，以最快速度響應(yīng)市場變化的需求，模塊化設(shè)計具有重要意義。模塊化設(shè)計是通過模塊之間的重組性及互換性，創(chuàng)建出不同功能的產(chǎn)品，它不僅使企業(yè)在市場競爭者中掌握主動權(quán)，而且為創(chuàng)新設(shè)計和變型設(shè)計提供依據(jù)，為實現(xiàn)敏捷制造奠定基礎(chǔ)，因此，本論述就模塊化設(shè)計的原則進行探討。

1 有關(guān)模塊化設(shè)計的概念

1.1 模塊的概念

模塊作為模塊化設(shè)計的基本要素，是指系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)獨立，彼此之間存在定義好的接口，且具有一定功能的零件、組件或部件。一個部件成為模塊的條件是：部件的功能、空間以及其他接口特征存在于模塊化產(chǎn)品的特定標(biāo)準(zhǔn)接口允許的范圍內(nèi)。

模塊根據(jù)功能可劃分為：基本模塊、輔助模塊、特殊模塊等。

（1）基本模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)中最基本的功能，是不可缺少的模塊。

（2）輔助模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)之間連接的模塊。

（3）特殊模塊：實現(xiàn)特殊功能的模塊。

1.2 模塊化設(shè)計的概念

模塊化設(shè)計應(yīng)用于機械、電子、家具等諸多行業(yè)中，通過模塊之間的相互組合，可設(shè)計出不同的變型產(chǎn)品。基本概念是：為了開發(fā)多種不同功能結(jié)構(gòu)，或相同功能結(jié)構(gòu)而性能不同的產(chǎn)品，不必對每種產(chǎn)品單獨進行設(shè)計，而是精心設(shè)計出一批模塊，將這些模塊經(jīng)過不同的組合，構(gòu)造出具有不同功能結(jié)構(gòu)和性能的多種產(chǎn)品。

模塊化設(shè)計以用戶需求為導(dǎo)向，通過市場調(diào)研和經(jīng)濟技術(shù)評價，確定模塊的系列型譜。模塊的系列型譜分為縱系列型譜、橫系列型譜、跨系列模塊。縱系列型譜為系統(tǒng)中模塊的功能及原理方案相同，結(jié)構(gòu)相似，但尺寸參數(shù)不同。例如，德國SHW廠生產(chǎn)的工具銑床，只需改變床身和橫梁2個基礎(chǔ)件的高度和長度，就可以得到3種縱系列規(guī)格的產(chǎn)品。橫系列型譜是在一定基型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上更換或添加模塊，以得到擴展功能的同類變型產(chǎn)品。跨系列模塊為采用相同的基礎(chǔ)件和通用件的不同類型產(chǎn)品。但機床行業(yè)的模塊化設(shè)計并不是各模塊之間的簡單拼接，模塊的強度、剛度以及接口的標(biāo)準(zhǔn)化都是模塊化設(shè)計過程中的難點，因此，如何系統(tǒng)地協(xié)調(diào)各模塊之間的關(guān)系是機床模塊化設(shè)計研究的一個方向。

2 模塊化設(shè)計的步驟

2.1 明確任務(wù)

以市場需求為導(dǎo)向，明確產(chǎn)品的總功能，在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，以需求最為廣泛的作為主要模塊，擯棄市場需求較少而又制造代價高的模塊。例如，以車床的需求為例，通過一些企業(yè)的調(diào)查，無尾座的切削占60%～82%，因此，無尾座的設(shè)計作為主要模塊，尾座可作為特殊模塊類設(shè)計。

2.2 建立功能結(jié)構(gòu)

此階段的主要任務(wù)是在明確總功能的基礎(chǔ)上，進行功能分析，劃分各個子功能，再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的功能模塊。見圖1所示，模塊分類圖。總功能分解為基本功能、輔助功能、特殊功能，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模塊。以車床為例，首先通過市場調(diào)研，明確任務(wù)，根據(jù)車床的切削原理，劃分為4大基本功能，再具體化為九大功能模塊，以便組合成不同功能的車床，見圖2所示。

圖1 模塊分類

圖2 車床的功能結(jié)構(gòu)

2.3 確定模塊的系列型譜

模塊化設(shè)計在應(yīng)用時也應(yīng)該遵循系列化設(shè)計的原理，即：每類模塊具有多種規(guī)格，而每種規(guī)格參數(shù)按照優(yōu)先數(shù)系的公比劃分。若公比小，則模塊劃分較細(xì)，雖可能組合成較多的變型產(chǎn)品，但系列型譜內(nèi)的許多優(yōu)點得不到充分發(fā)揮。反之，若公比較大，模塊劃分過粗，得到的變型產(chǎn)品規(guī)格種類較少，難以滿足用戶的需求。因此，必須在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過全面的技術(shù)分析，才能確定最佳公比。

2.4 各模塊的組合

按照不同功能劃分的模塊，組合時遵循以下原則：（1）如何以較少的模塊種類組合出盡可能多的產(chǎn)品為目的；（2）各模塊的結(jié)合面要保證具有良好的強度、剛度，以滿足零件抗震性的要求；（3）盡可能遵循“四化原則（標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、典型化），以確保各模塊連接時的通用性及快速更換。

對于機床而言，各模塊的組合并不是模塊之間簡單的拼湊，接口部分是直接影響機床性能的關(guān)鍵部位,據(jù)統(tǒng)計,整機阻尼的70%,剛度的60%決定于接口,所以接口部分的設(shè)計在整個模塊化設(shè)計中占有重要地位。

3 模塊化設(shè)計的優(yōu)點

模塊化設(shè)計在縮短產(chǎn)品的制造周期，快速響應(yīng)市場，加強市場的競爭力等方面有顯著的優(yōu)勢，此外，模塊化設(shè)計還有以下優(yōu)點。

（1）隨著科學(xué)的發(fā)展，用先進的技術(shù)設(shè)計出新模塊，取代舊模塊，提高產(chǎn)品的技術(shù)性能，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

（2）采用模塊化設(shè)計，只需更換部分模塊，或設(shè)計更改個別零件，就可推出滿足用戶要求的產(chǎn)品，不僅縮短了設(shè)計周期，而且提高了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

（3）模塊化設(shè)計中的大部分零件都由模塊組成，如果機器發(fā)生故障，只需更換相關(guān)模塊即可，因此，維修方便，耗時短，對生產(chǎn)的影響較小。

（4）模塊化設(shè)計方法推動了整個企業(yè)技術(shù)、生產(chǎn)、管理和組織體系的改革。由于產(chǎn)品的大多數(shù)零部件由單件小批量生產(chǎn)性質(zhì)變?yōu)榕可a(chǎn)，有利于采用成組加工等先進技術(shù)，有利于組織專業(yè)化生產(chǎn)，即提高質(zhì)量，又降低成本。

4 應(yīng)用舉例

模塊化設(shè)計在專用機床中最典型的應(yīng)用就是組合機床的設(shè)計。所謂組合機床就是根據(jù)工件的加工需要，以大量的通用部件（據(jù)統(tǒng)計：組合機床的通用件與標(biāo)準(zhǔn)部件占零件總量的70%～90%）為基礎(chǔ)，配以少量專用部件和夾具而組成的一種高效專用機床。圖3所示，典型的單工位三面鉆床，其中夾具7、多軸箱8、中間底座2為專用部件，需要根據(jù)加工零件的結(jié)構(gòu)自行設(shè)計外，其余部件都為通用件與標(biāo)準(zhǔn)部件，用戶根據(jù)不同的需要可將通用件模塊與標(biāo)準(zhǔn)件組合成不同形式與功能的機床。組合機床采用采用模塊化設(shè)計原則，不僅縮短了制造周期，維修更換零部件方便，而且由于組合機床采用多刀加工，自動化程度高，提高了經(jīng)濟效率。

圖3 單工位三面復(fù)合式組合機床

5 結(jié)束語

在制造業(yè)高速發(fā)展的今天，模塊化生產(chǎn)本著“以最少模塊組合出盡可能多的產(chǎn)品”為原則，以低成本和快速響應(yīng)市場為切入點，解決了品種、規(guī)格多樣化和成本之間的矛盾，找到了它們的最佳平衡點，為精益-敏捷-柔性化的制造業(yè)發(fā)展趨勢打下了堅實的基礎(chǔ)。

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TG502

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DOI 10.3969/j.issn.1672-6375.2016.12.008

2016-9-1

楊靜（1979-），女，漢族，甘肅天水人，碩士，講師，主要研究方向：機械制造裝備。