模塊化設計方法及其在機械設計中的應用

摘要 文章主要介紹了模塊的劃分與模塊化設計方式、模塊化設計方式和模塊化系統、模塊化與其它現代技術的結合，并用數控立式車床的模塊劃分來舉例說明了模塊化設計方法在機械設計中的應用。

關鍵詞 模塊化設計；機械設計；車床

模塊化系列機械產品的設計是工業發達國家近二十年來一直采用的一種先進的機械產品設計方法，它將系統根據功能分解為若干模塊，通過模塊的不同組合得到不同品種和不同規格的產品。在實際機械產品的設計與制造時，模塊化系列機械產品的設計還應用了cAD技術，成組技術、柔性加工技術等先進技術，可將產品中同一功能的單元設計成具有不同性能、可以互換的模塊，而選用不同模塊，就可組成不同類型、不同規格的產品。由于采用了模塊化系列機械產品的設計，因此產品的精度高、性能穩定、結構簡單、成本低廉。顯然，為了保證模塊的互換，必須提高其標準化、通用化和規格化的程度。

一，模塊的劃分與模塊化設計方式

模塊劃分、接口標準化與組合性和可互換性模塊劃分的好壞直接影響到模塊系列設計的成功與否。既要照顧制造和管理方便，避免組合時產生混亂，具有較大的靈活性，又要考慮到模塊系列將來的擴展和向專用、變型產品的輻射。因此必須對系統進行仔細的、系統的功能分析和結構分析，模塊劃分時要注意：模塊在整個系統中的作用及其更換的可能性和必要性；保持模塊在功能及結構方面有一定的獨立性和完整性；模塊間的接合要素便于聯接與分離；模塊的劃分不能影響系統的主要功能。模塊劃分原則是：力求以少數模塊組成盡可能多的產品；在滿足要求的基礎上使產品精度高、性能穩定、結構簡單、成本低廉；模塊結構應盡量簡單、規范，模塊間的聯系也應盡可能簡單。

模塊化設計所依賴的是模塊的組合，即結合面，又稱為接口。顯然，為了保證不同功能模塊的組合和相同功能模塊的互換，模塊應具有可組合性和可互換性兩個特征。這兩個特征主要體現在接口上，必須提高模塊標準化、通用化、規格化的程度。

二、模塊化設計方式和模塊化系統

模塊化設計的主要方式。橫向系列模塊化設計。不改變產品主參數，利用模塊發展變形產品。這種方式易實現，應用廣?？v向系列模塊化設計。在同一類型中對不同規格的基型產品進行設計。橫向系列和跨系列綜合模塊化設計。除發展橫系列產品之外，改變某些模塊還能得到其它系列產品者，便屬于橫向系列和跨系列模塊化設計了。全系列模塊化設計。全系列包括縱向系列和橫向系列。全系列和跨系列模塊化設計。在全系列基礎上用于結構比較類似的跨產品的模塊化設計。

模塊化系統的劃分與功能介紹。按產品中模塊使用多少，模塊化系統可分為純模塊化系統和混合系統——由模塊和非模塊組成的模塊化系統，機械模塊化系統多是這種類型。按模塊組合可能性多少，模塊化系統可分為：閉式系統，設計時主要考慮到所有可能的方案；開式系統，設計時主要考慮模塊組合變化規則?；竟δ苁窍到y中基本的、經常的、重復的、不可缺少的功能，在系統中基本不變的功能。相應模塊稱為基本模塊。輔助功能主要指實現安裝和聯接所需的功能。相應模塊稱為輔助模塊。

三，模塊化與其它現代技術的結合

模塊化與成組技術在對事物的處理上的共同特點。模塊化與成組技術都是針對現代生產的多樣化提出的。成組技術主要以零件在形狀、工藝上具有的相似性為其理論依據，研究并利用有關事物的相似性，把相似的問題歸類成組，通過對相似零件的標準化和規范化處理，以達到“使小批量的產品具有流水作業的生產方式”的目的。而模塊化技術也是追求>小批量的系統(產品)，中批量的子系統(模塊)，大批量的元素(零件)的效果，也利用機床部件在功能上的相似性，把那些具有相似功能的部件經過統一、歸并和簡化而形成模塊。兩者在對事物的處理上有以下共同點：集中處理具有相似性和重復性的事務；把具有一定相似性和重復性的事物標準化、規范化-信息的重復使用。成組技術在結合計算機技術的條件下，在工藝設計和制造中取得了很大的進展。模塊化技術也將具有這個特點。

模塊化與柔性制造技術。柔性制造技術以生產多樣化、快節奏為目標，強調系統對生產反應的靈活性和自身的多變性和可變性。模塊化正好為實現柔性技術這一要求提供了現實依據，模塊化技術在利用通用模塊解決機床共性之后，集中精力解決個性問題，并用>以最少的模塊組合成最多的機床>這一指導思想來實現多樣化的要求，當以機床為生產工具時，則利用其模塊的特性，一機多用，一模多用，通過機床模塊的重新組合，達到系統的柔性要求。應用模塊化技術，從硬件上實現系統的柔性是目前國內外制造業的一個重要研究方向。

模塊化與計算機輔助技術。將計算機輔助技術和數據庫技術引入模塊化技術，在一定程度上替代人類完成大量人工無法完成的復雜計算和重復性工作，且在穩定性、一致性、條理性等到方面超過了人類。另一方面，通過模塊化方法，把復雜系統分解成相對簡單的子系統，對各子系統應用計算機技術，可充分發揮計算機的強大功能。

模塊化設計技術的應用。數控立式車床的模塊劃分是指對機床進行功能分析與結構分析，合理劃分具有某一或某些功能的結構單元。因此，模塊劃分合理與否是模塊化設計成敗的關鍵。

數控立式車床模塊劃分原則。根據現有立式車床的結構形式和模塊化要求，模塊劃分原則可總結如下：以獨立的功能單元作為模塊，即對于已分解的功能單元在結構上盡可能做到獨立化，這樣的模塊易于拼組和搭配，便于構成多種變形產品；以部件作為模塊，這樣的模塊具有完整性，容易保證裝配質量；以組件作為模塊，功能分解細化后，還可進一步將部件中的某些組件模塊化，通過更換或取舍組件或一些零件，可以使部件具有不同用途和性能。這比更換整個部件要經濟靈活。在模塊劃分過程中，還要重視機床大件(基礎件)的模塊化，大件的結合要素要規范，便于聯接與分離。同時，要考慮在模塊中留有一定的發展空間，以便引入新技術時不會阻礙模塊的結構。

數控立式車床的功能分解。在進行模塊劃分時，必須從數控立式車床的總功能出發，把總功能分解成相對獨立的分功能，分功能繼續分解至不宜再分時就構成功能元，功能元是組成總功能或分功能的最基本單元，常與一定的功能模塊相對應。在進行總功能分解時，應考慮用戶的要求和實現總功能所必需的分功能，由于用戶條件各不相同，所確定的機床規格及性能也會不同，其模塊的組成也會有很大的差異。對于單柱數控立式車床cK系列來說，其總功能為車削，可以車削內外圓柱、內外圓錐、溝槽、平面、螺紋以及各種旋轉曲面體。而對單柱數控車銑加工中心?I系列來說，除了上述的車削外，還必須具備有銑鏜功能，這些功能可以按傳動功能、執行功能、支承功能、輔助功能和監測等分功能進一步分解。