機(jī)械設(shè)計(jì)中的模塊化設(shè)計(jì)

李 薇

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川南充 637131）

0 引言

中國(guó)制造2025 國(guó)家戰(zhàn)略的提出，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)化和信息化的深度融合，對(duì)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展提出更高的要求。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本高，維修難度大，更新?lián)Q代慢，適合于大批量、規(guī)格相近的產(chǎn)品加工[1]。采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，能優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)效率，重組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，縮短機(jī)械制造周期，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低成本，同時(shí)滿足用戶個(gè)性化需求[2]。

1 模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

模塊化設(shè)計(jì)是指將產(chǎn)品要素按照性能和規(guī)格進(jìn)行功能劃分，將其規(guī)劃為一個(gè)個(gè)的模塊，通過對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作、選擇、組合構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能、不同性能的系列產(chǎn)品，具有設(shè)計(jì)周期短、制造成本低、維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[3]。①傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)從產(chǎn)品構(gòu)思到模具設(shè)計(jì)再到成品加工，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)線復(fù)雜。模塊化設(shè)計(jì)能進(jìn)行模塊之間的有效組合，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，形成特定產(chǎn)品，設(shè)計(jì)周期短；②模塊化設(shè)計(jì)能通過科學(xué)的組合，用最少的模塊組合實(shí)現(xiàn)所需功能，能用一種設(shè)計(jì)滿足不同產(chǎn)品需要，減少對(duì)機(jī)械的重復(fù)設(shè)計(jì)，有效降低成本；③模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有良好的互換性，當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障后，只需進(jìn)行故障模塊的調(diào)試或更換，避免大規(guī)模檢修，簡(jiǎn)化維修程序，提高維修效率。

2 模塊化設(shè)計(jì)的基本流程

2.1 模塊化可行性分析

在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)之前，要進(jìn)行模塊化需求及可行性分析。根據(jù)顧客使用需求、企業(yè)生產(chǎn)需求、市場(chǎng)發(fā)展需求等方面確立設(shè)計(jì)目標(biāo)，并結(jié)合技術(shù)難點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)預(yù)算、開發(fā)周期、市場(chǎng)環(huán)境等方面進(jìn)行模塊化可行性分析，制定模塊化設(shè)計(jì)方案，評(píng)估模塊化設(shè)計(jì)是否可實(shí)施，設(shè)計(jì)之后的產(chǎn)品能否具有較好的生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 模塊劃分

模塊是具有特定結(jié)構(gòu)和功能，組成系統(tǒng)的獨(dú)立單元。模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，要求滿足機(jī)械產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性和整體功能的完整性，保證其精度及可靠性的同時(shí)控制模塊的數(shù)量。模塊劃分主要包括功能模塊和結(jié)構(gòu)模塊兩大類，功能模塊主要由基本模塊、輔助模塊、特殊模塊等組成，結(jié)構(gòu)模塊以產(chǎn)品零件為基礎(chǔ)劃分標(biāo)準(zhǔn)模塊，要求簡(jiǎn)化零件加工步驟，提高裝配質(zhì)量。

2.3 模塊功能確定

在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品模塊劃分后，要結(jié)合使用需求對(duì)模塊的總功能進(jìn)行確定，并將其分解為獨(dú)立的功能單元，包括單一功能模塊和多種功能模塊。單一功能模塊如數(shù)控機(jī)床的立柱和橫架的支撐功能，傳動(dòng)軸和進(jìn)給箱的傳動(dòng)功能，刀具監(jiān)測(cè)裝置和工件監(jiān)測(cè)裝置分別實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具和工件的監(jiān)測(cè)功能。多種功能模塊如卡爪和工作臺(tái)能實(shí)現(xiàn)工件定位和旋轉(zhuǎn)等功能，刀架能實(shí)現(xiàn)刀具的定位、夾緊、松開等功能。

2.4 模塊組裝

為實(shí)現(xiàn)模塊的合理配置，保證模塊化機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，要對(duì)各模塊進(jìn)行科學(xué)組裝。要合理布局，保證組裝的完整性。對(duì)模塊接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)模塊組裝穩(wěn)定性。調(diào)整具體參數(shù)，使每個(gè)模塊的功能高效發(fā)揮作用。優(yōu)化模塊配置，使模塊具備可更換功能，降低故障模塊對(duì)其他模塊和機(jī)械整體功能的影響。

2.5 模塊調(diào)試

模塊化設(shè)計(jì)完成前要對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢查和驗(yàn)收，包括結(jié)構(gòu)合理性、接口穩(wěn)定性、柔性化程度、生產(chǎn)成本及效率等。經(jīng)檢驗(yàn)產(chǎn)品各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)都要符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，保證其能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)才能投入生產(chǎn)使用，否則需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品達(dá)到運(yùn)行要求。

3 模塊化設(shè)計(jì)與現(xiàn)代制造技術(shù)的融合

3.1 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

利用CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（（computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真、加工。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)能存儲(chǔ)模塊化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化對(duì)產(chǎn)品尺寸和參數(shù)的計(jì)算。利用建模和測(cè)量軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)化，利用數(shù)字文件充當(dāng)制造模具，接受計(jì)算機(jī)傳輸指令，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行虛擬加工，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，能有效縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省原材料。

3.2 柔性制造技術(shù)

柔性制造技術(shù)是在計(jì)算機(jī)軟件的和數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，結(jié)合信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求、性能參數(shù)、生產(chǎn)批量對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的過程進(jìn)行控制，具有高效率、高質(zhì)量和高可靠性。模塊化設(shè)計(jì)對(duì)柔性制造技術(shù)的應(yīng)用主要在利用模塊的組合實(shí)現(xiàn)1 機(jī)多用、1 模多用，用一種設(shè)計(jì)滿足不同產(chǎn)品需要，進(jìn)行柔性制造。

3.3 智能制造技術(shù)

智能制造利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬人腦思維，進(jìn)行制造過程中的分析、判斷和決策，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造的設(shè)計(jì)、加工和控制，是中國(guó)制造2025 國(guó)家戰(zhàn)略五大重點(diǎn)工程之一。模塊化設(shè)計(jì)能解決機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜和功能單一的問題，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)，是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

模塊化設(shè)計(jì)順應(yīng)中國(guó)制造2025 國(guó)家戰(zhàn)略對(duì)機(jī)械制造的要求，具有設(shè)計(jì)周期短、制造成本低、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。模塊化設(shè)計(jì)包括模塊化可行性分析、模塊劃分、模塊功能確定、模塊組裝、模塊調(diào)試等過程，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、柔性制造技術(shù)、智能制造技術(shù)，提高機(jī)械制造水平。