制造系統模塊化設計方法研究

顧佳超， 程茗， 徐恒斌

（長春汽車工業高等專科學校機械工程學院，長春 130013）

制造系統模塊化設計方法研究

顧佳超， 程茗， 徐恒斌

（長春汽車工業高等專科學校機械工程學院，長春 130013）

對制造系統的模塊化設計方法進行論述研究，在分析系統功能的基礎上，將系統的總功能分解為若干個具有相同功能不同性能的功能模塊單元，通過各個功能模塊單元的相互組合，組裝成所需要的制造系統，提高制造系統的柔性。

制造系統；功能模塊；模塊化設計

0 引言

在制造系統的傳統設計過程中，其設計步驟遵循由下而上的原則，首先根據系統的功能要求進行各個零部件的設計，而后將設計完成的零部件組裝成整機。雖然在設計過程中涉及到方案的總體設計及各個部分之間的協同要求，但其主要側重于系統的功能設計及系統各組成部分的詳細設計。隨著科學技術的日益發展，制造系統當中的一些功能單元如變速系統單元，進給系統單元，控制系統單元等已經成為了獨立單元，這為模塊化設計方法在制造系統設計中的應用提供了條件［1］。與傳統的設計程序不同的是，模塊化設計方法著重于系統的概要設計而非詳細設計。首先對系統的功能進行分析，然后將系統的總功能分解為若干個具有相同功能不同性能的功能模塊單元，通過各個功能模塊單元的相互組合，組裝成所需要的制造系統。

1 制造系統模塊化設計形式

制造系統模塊化設計形式主要分為兩種：一種設計形式是變型設計，另一種設計形式是新設計。變型設計形式的特點是在設計的過程當中優先完成具有功能模塊的基本單元的設計，然后將完成設計的功能模塊相互組合成需要的制造系統，因此這種形式的設計也被稱為有圖設計。與變型設計形式不同，新設計形式著重從制造系統的功能分析入手，以制造系統功能分析為基礎進行設計，因此，新設計又被稱為沒有前圖設計。

1.1 變型設計

變型設計作為模塊化設計的一種形式由新野秀憲提出并應用到了機床的模塊化設計當中，他主要將機床分成了兩部分：一部分為公用部分，另一部分為展開部分，通過模塊流程圖表示不同部分模塊之間可能的組合形式［2］。公用部分作為機床整體結構的基礎部分被列為基礎模塊，在機床的設計過程中基礎模塊部分不再變型。展開部分則被列為機床的變型模塊部分，在機床的設計過程中這部分模塊要根據需要發生變型。變型設計過程中，首先應進行基本模式的設計，在基本模式設計完成之后，確定系統的共用部分和展開部分，進而確定了系統的基礎模塊和變型模塊，然后根據需求分析和確定展開部分的功能，而后進行模塊的結構設計并確定模塊之間的聯接面。

1.2 新設計

新設計著重于對系統的功能進行分析，E.Sale的新設計方法主要分成三個階段，這三個階段分別為確定適合的運動形式，選擇恰當的導軌形式及對導軌的位置及方向進行正確的布置。而功能模塊的結構設計安排在整體的方案設計完成之后進行，這種設計形式由工件與刀具之間的相對運動規律進行系統整體的方案設計，為系統整體布局的各種可能的方案奠定了一定的基礎。在Y.Ito采用新設計形式進行機床設計的過程中，機床模塊是由層次分級結構所構成的，首先將機床進行逐層分解，將復雜部分逐級分解到簡單元素，簡單元素便于模塊的構成及電腦的處理，級別較低的模塊提供級別較高的模塊的信息，此種模塊被稱為分級模塊。

2 模塊的信息分析

模塊的最小構成單元是零件，眾多的零件通過相互組合組裝成了模塊，與此同時制造系統又是由眾多的模塊所組成，因此模塊的信息包含了構成模塊的各個零件的信息。模塊的信息分析包括零件信息、模塊本身信息、模塊之間相互關系信息的分析。零件信息的分析主要包括零件的幾何參數及精度、零件的材料性能、零件的技術性能要求、零件的管理數據；模塊本身信息的分析主要包含模塊自身的功能要求、結構形狀要求、技術性能要求和管理數據；模塊之間相互關系的信息可歸納為模塊之間結合要素的信息和本模塊相互聯接的模塊的信息模塊之間聯接的位置方向及接合特征的信息。

3 模塊特征與分類

模塊特征是一組有意義的信息集合，它描述了模塊本身、構成模塊的各個零部件及模塊與模塊之間關系等諸多方面的信息。模塊的特征主要分為兩類，分別為模塊的內部特征與模塊的外部特征。由于模塊是由眾多的零件組成的，在不考慮零件之間裝配關系的前提下，模塊的內部特征又被稱為零件特征。模塊內部特征描述了作為模塊的最小構成單元零件的本身的信息。模塊外部特征是諸多信息的集合，這些信息主要描述了不同模塊之間以及模塊本身的相互關系。模塊的內部特征主要包括零件形狀特征、零件管理特征、零件技術特征、零件材料特征、零件精度特征等［3］。模塊外部特征主要分為模塊自身特征及模塊裝配特征兩個方面。

4 模塊劃分與創建

模塊化設計主要包括兩方面的內容：一方面是根據系統的功能設計出一組符合要求的功能模塊；另一方面是將設計出的符合要求的功能模塊進行組合形成所需要的制造系統及產品。在系統功能模塊的設計過程中，模塊創建是其主要任務。模塊創建主要包括兩個部分：一部分是功能模塊的合理劃分的過程；另一部分是功能模塊具體結構的設計過程。以機床的模塊化設計為例，機床模塊創建是在分析用戶功能要求的基礎上，將機床的功能進行分解與綜合，設計出一系列功能模塊，這組功能模塊能同時滿足基型設計要求和變型設計要求［4］。機床的整體結構具有較為顯著的分級特性，根據這個特性可以將機床的整體結構分解為多個結構部件的有機組合，通過不同部件結構的有機組合便可形成靈活性較好的模塊結構。機床模塊劃分是指以機床整體的功能要求為基礎，根據模塊化設計的要求及特點，合理劃分出符合要求的功能模塊。機床模塊的合理劃分并不是一個簡單的設計過程而是一個相對復雜多變的設計過程。在劃分的過程中既要考慮機床的功能要求又要考慮結構要求，如果模塊劃分得太細，雖然模塊組合的樣式增多，但是給模塊的綜合過程帶來了很大的難度使其變得愈加困難，且過多的模塊也不利于實現對模塊的管理。模塊劃分得太粗，雖然有利于模塊的綜合過程，但是組成的產品的類型較少且綜合后的系統的柔性較差，而且模塊的結構也變得更加的復雜。但是基于功能分析的機床模塊的劃分還是有一定的規律可循的，劃分原則主要歸納為特性原則、獨立原則、基礎件原則、部件原則、組件原則、可擴充性原則等幾個方面。

5 模塊的接口

模塊的接口是具有一系列特征的接合表面，這些特征包括外形尺寸、幾何形狀及表面精度等。模塊的接口主要用于不同模塊之間以及模塊與外界基體之間的聯接［5］。不同模塊之間的裝配關系也主要是借助模塊的接口完成的。目前，模塊接口的研究工作主要集中在模塊接口的加工技術以及模塊接口的數字化管理兩個方面。

6 結語

本文對制造系統的模塊化設計方法進行了研究，著重從模塊化設計方法的形式、模塊的信息分析、模塊的特征及分類以及模塊的劃分與創建等方面對模塊化設計方法進行論述。

［1］高衛國，徐燕申，陳永亮，等.廣義模塊化設計原理及方法［J］.機械工程學報，2007（6）：48-54.

［2］呂家平.虛擬軸機床模塊創建于管理設計［D］.南京：南京理工大學，2000.

［3］王玉明，劉康，楊彬.基于本體的零件信息表達［J］.機械工程與自動化，2008（3）：77-79.

［4］劉小鵬，張衛國，鐘毅芳.機床模塊化設計中的模塊創建及應用［J］.華中理工大學學報，2000（5）：16-17.

［5］范永開，林君，孫天澤.基于模塊關系匹配推理的程序生成機制［J］.吉林大學學報（工學版），2006（6）：939-944.

（編輯 昊 天）

TG 65

A

1002-2333（2015）12-0160-02

顧佳超（1988—），男，助教，碩士，主要從事機械設計制造與自動化方面的教學科研工作。

2015-10-14