抓取裝置的模塊化設計

熊艷華 趙 偉 梁 楠

（武漢人天包裝技術有限公司中南包裝機械研究所，湖北 武漢 430205）

模塊化設計是現代機械產品設計的一種新思路，它是在不改變產品整體功能的前提下，通過對產品的結構進行重組，或者是對設計過程進行重新排序，進而改進產品的某些零件來改進產品，從而形成的一種新型設計方法［1，2］。20世紀初，歐美一些國家的開發人員首先提出模塊化設計的概念［3］，通過設計一些不同規格尺寸的架體、底座，用它們組成一組功能相同卻有不同規格的產品系列［4］，為現代的模塊化設計思路作了一個鋪墊。在技術領域的發展過程中，模塊化設計被越來越多的設計開發人員認識理解并應用，就形成了現代的模塊化設計理念。

模塊化產品，顧名思義，就是將產品劃分為一個個模塊［5］，這些模塊相對獨立，具有獨立的功能和獨立的輸入輸出部件，但又能實現產品的整體功能。目前，越來越多的專家關注模塊化設計思想，對于其分類也從不同的角度給予了不同的說法。總的來說可以歸納為兩類：① 按產品的功能來分解模塊的模塊化設計方法［6］。該種方法主要以產品整體的功能為基礎，詳細分析產品功能的階段點，并根據不同的功能點將產品劃分為各個相對獨立的單元模塊，通過這些單元模塊的不同分配組合來構成滿足不同的客戶需求的不同產品。該種分配方法沒有將各個模塊內部的細部結構作為設計重點。② 按產品或零部件的結構來組成分模塊的模塊化設計方法［6］。該種方法主要分析了產品零部件的具體結構，從整體細部結構來確定各個分模塊的結構，通過對分模塊的重組來形成該產品的模塊化設計。但該種方法涉及的面比較窄，只適用于結構相對比較簡單，僅某個零部件形狀比較復雜的產品。

模塊化設計的主要目的是適應不同的產品模式，以低成本生產出盡可能多的適應市場發展的產品，確保產品的實用性、適應性和經濟性在市場上立于不敗之地。同時由于組成產品的這些分模塊在不改變產品整體性能的基礎上，可以有不同的組合和分配，這樣根據組合原理，各個分模塊的不同配置又能形成多樣化的產品，這樣也使企業開發出了系列產品，利于滿足不同客戶的各種需求。

目前機器人抓手的應用比較廣泛，但是就成本而言，抓取裝置的設計成本明顯更適應大多數企業的發展。本試驗中研究的抓取裝置是取代機器人抓手的一種新型設計，主要用于生產線上的輸送線成品物料的抓取［7］。本試驗以抓取裝置為例，分析了抓取裝置的細部結構和主要功能，從結構的設計上主要考慮了各個分部件的銜接和分部件內部的設計，從功能的重組上主要考慮了整體裝置的功能，其中重點對按功能劃分的模塊化設計方法作了一定的詮釋，對各個分模塊作了細節上的描述和分析。

1 抓取裝置的模塊組成

抓取裝置主要包括以下幾個模塊：附件安裝模塊、抓取模塊、吸取模塊以及相應的氣缸模塊。如圖1所示。

圖1 抓取裝置模塊Figure 1 Modular of snatch equipment

1.1 附件安裝模塊

附件模塊中主要包括的模塊有：與相應機器人配套的法蘭模塊，支撐抓取裝置的框架模塊，以及與機器人配套的氣動元件模塊（真空發生器、調壓閥、電磁閥、消聲器、氣管等）［8］。如圖2所示。

圖2 附件安裝模塊Figure 2 Modular of accessory equipment

在功能分配上，本模塊主要是完成氣路和真空系統的通暢。在結構上，本模塊主要是完成抓取系統和機器人的連接。本模塊的獨立性在于，可以針對不同的機器人及客戶的其他需求進行法蘭和框架的結構及功能上的設計和修改。

1.2 抓取模塊

抓取模塊中主要包括的模塊有：夾取模塊及相應的氣缸模塊，滑塊模塊，支撐結構模塊［8］。如圖3所示。

圖3 抓取模塊Figure 3 Modular of snatch

在功能分配上，本模塊主要是完成輸送線成品物料的抓取［9］。在結構上，本模塊主要是完成抓取系統和附件安裝模塊的連接。本模塊的獨立性在于，可以適應于不同的成品物料結構和類型及客戶的其他需求，并能根據這些進行結構及功能上的設計和修改。成品物料的結構變化可以通過夾取模塊的結構變化、滑塊模塊中滑塊的行程更換、氣缸模塊中的氣缸行程及安裝結構的變化來適應。本模塊還可通過設計和更改支撐模塊中的零部件來適應不同成品物料的體積和重量。

1.3 吸取模塊

吸取模塊中主要包括的模塊有：吸盤模塊及相應的氣缸模塊，支撐結構模塊。如圖4所示。

圖4 吸取模塊Figure 4 Modular of imbibition

在功能分配上，本模塊主要是配合抓取模塊完成輸送線成品物料的吸取［9］。在結構上，本模塊主要是完成與抓取系統的連接。本模塊的獨立性在于，對不同的成品物料結構和類型，均能根據此模塊的改進來設計出相適應的類型，且對于客戶的其他需求也能進行結構及功能上的設計和修改。成品物料的結構變化可以通過支撐模塊的結構變化、氣缸模塊中的氣缸行程及安裝結構的變化來適應。本模塊還可通過設計和更改吸盤模塊中的零部件來適應不同類型的成品物料及相應的體積和重量。

2 抓取裝置的模塊化設計研究

模塊是模塊化設計和制造的功能單元的基礎［10］，有以下幾個特點：

（1）相對獨立性，這就意味著對各個模塊可以單獨進行設計、制造、裝配和調試，也便于由不同的專業化企業分別進行生產。本抓取裝置的各模塊在設計過程中遵循了獨立性原則，在裝配和調試上均可單獨進行，確保設計的完整和可實現性。

（2）互換性［11］，通過對模塊接口處的參數進行標準化，使各模塊之間具有互換性，從而使模塊滿足不同產品的需求。本抓取裝置設計的各個模塊在接口部分的結構設計大多采用市場可購買的成品件，如型材、角鋼等，使得整個產品的可互換性更合理，能滿足客戶的不同產品的規格需求。

（3）通用性，使各個模塊在該領域內具有通用功能，有利于實現產品間的模塊的通用。本抓取裝置的研究在模塊的通用性上針對了各生產線上的所有機器人系列的物料抓取。

模塊是模塊化設計的起點和基礎［10，12］，設計開發人員對模塊的關注度也反映了模塊化設計的推廣程度，也是一種新的設計理念的實施。本試驗利用已有的經過生產和市場驗證的模塊，如結構上的型材角鋼、功能上的氣缸傳動設計等，不僅降低了設計風險，也在一定程度上提高了產品的可靠性。本試驗以不改變產品的整體性能為開發原則，在抓取裝置中通過升級其中的單個模塊的性能或改變其中的結構來提高產品的整體性能和可靠性，且不對產品的其它模塊產生影響。各個分模塊在功能上的獨立性和一致性，使各個分模塊可以相對獨立地開發設計、改進和驗證，從而形成一種新的產品模式。針對客戶的多樣性需求可以對各個模塊進行不同組合，不同配置，確保這些組合能在最大程度上反映產品功能要求并能適應市場需求。

3 總結

抓取裝置的模塊化設計的研究目的主要表現在3個方面：以低成本實現產品多樣化、提高產品的利用率、促進制造技術的發展。

模塊化的意圖和最終目的就是為了滿足人們對多樣化的需求和適應激烈的市場競爭，實現最佳的效益和質量。企業應該把模塊化設計擴展到產品生產和服務的設計上，提高自身的創新速度，增加市場競爭力。

1 肖衡.挑戰中的我國包裝機械企業發展對策［J］.包裝與食品機械，2009，27（4）：50～52.

2 歐陽中和.淺論機械產品模塊化設計技術［J］.裝備制造技術，2007（11）：103～105.

3 張耀全.中國包裝工業的現狀及發展趨勢［J］.包裝世界，2009（4）：6～8.

4 Umut Asan.An integrated method for design modular prod ucts［J］.Journal of Manufacturing Technology Management，2004，15（1）：29～49.

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6 韓新民.機械產品模塊化集成設計方法研究［J］.成組技術與生產現代化，2006，23（4）：25～29.

7 尹章偉，毛中彥.包裝機械［M］.北京：化學工業出版社，2005：157～171.

8 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2000：11～13.

9 陸祥生，楊秀蓮.機械手理論及應用［M］.北京：中國鐵道出版社，1985：35～51.

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11 候亮，唐任仲.產品模塊化設計理論、技術與應用研究進展［J］.機械工程學報，2004，40（1）：56～61.

12 王志，張邊生.基于模塊化的機械產品快速設計［J］.機械設計，2004，21（8）：1～3.