復雜機電產品模塊化設計探析

曹家昌

（中國礦業大學，江蘇 徐州 221000）

0 引言

基于科學產品模塊體系這一基礎，確保個性化產品的快速組合，從而滿足客戶的實際需求。所以，本文主要是針對復雜機電產品模塊設計關鍵技術進行分析，再配合上具體的設計方法，希望可以對今后的實際工作有一定的借鑒作用。

1 復雜機電產品模塊化設計關鍵技術

1.1 預備工作

（1）零部件的分離及規范。針對零部件，開發設計人員可以通過合理的設計檢索從而開展分類的處理，面向所有零件進行零部件的分類處理，這是實現產品模塊化的前提條件，其中包含了非層次和層次兩個類別。并且還需要針對零部件進行科學合理的分類，確保與企業的實際需求相互的吻合溫和，能夠對這一部分零部件進行管理與優化，通過分類規范的制定、分類屬性的定義以及建立分類結構，就可以滿足上述的工作[1]。

（2）設計與模塊設計相一致的編碼體系。在進行產品模塊化設計的時候，需要針對功能、規格以及品種等針對模塊進行編碼，這樣方便后續的管理，是否擁有有效的模塊編碼，對于模塊的組合以及選擇都具有極大的幫助作用。

1.2 設計模塊結構

經過長時間的生產實踐，企業在零部件的設計與生產之中就需要做好這一部分零件的驗證，但是這一個過程一般是產品應用過程完成之中才能使用，其功能結構等技術都處于成熟階段。在模塊化設計的時候，基于這一種零件的前提，就需要將設計完成；另外，按照相關的規定，做好這一部分模塊的規范處理，就需要構造出結構特殊的參數化模型。在模塊的擴展以及系列化設計中，這一種模塊能夠將基礎作用發揮出來。通過別的模塊有效的設計識別，也可以將其看成為基礎型模塊或者是主模塊[2]。

1.3 設計模塊接口

首先，劃分產品模塊，也就是按照模塊劃分原則以及具體的劃分方法，確定產品模塊。之后，確定模塊之間的相互聯系，從而確定模塊之間進行交換的信息、能量以及物質數量，并且也可以直接的確定模塊接口的物力屬性、功能屬性以及環境光屬性。

其次，接口設計方案的合理選擇。基于模塊接口的集成性、標準化以及冗余性的特點，再配合上模塊接口合理方案的修改與選擇，就可以滿足定制式的大批量生產需求。

再次，模塊設計方案的具體化與實例化，也就是模塊結構設計，需要通過有效的模塊接口來加以獲取。其中的選擇設計范圍、設計參數、選擇確定功能原理以及映射設計參數都是核心內容。

最后，接口設計的校正和檢驗。基于產品具體的設計規定，就可以校驗模塊化接口的完成性能以及功能，對其進行檢驗，也就是要求能夠與設定相互匹配。并且在具體的情況下，對于設計參數的有效調整，就能夠滿足設計要求[3]。

2 復雜機電產品模塊化設計方法

2.1 復雜機電產品模塊化設計過程

針對復雜機電產品模塊設計過程，見圖1所示。

圖1 復雜機電產品模塊化設計過程Fig.1 Modular design process of complex electromechanical products

2.2 復雜機電產品模塊設計方法

在模塊化的設計與制造中，模塊是基本的功能單元，能夠滿足需求多樣化，并且還方便管理和制造。模塊-設計主要包含了模塊結構設計與接口設計兩個方面。模塊接口也就是各個模塊之間能夠實現功能傳遞的共享界面，其主要包含了聯接部位的尺寸、形狀以及連接件之間的相互配合等。針對復雜機電產品的模塊設計，就是基于劃分產品模塊的具體結果，按照實際的設計需求，從而對模塊結構以及接口進行創建的過程。

模塊本身的特點在于：第一，模塊具有相對獨立性，其中主要包含了相對獨立的結構與功能。模塊功能屬于產品總功能的一部分，其功能相對獨立的模塊組合產品的時候，靈活性較大，并且適應能力強，功能冗余，并且在產品品種發展之中不會存在太大的變動，可以在不同的產品之中使用。第二，模塊應該具有通用性，這樣才能適應市場變化的需求。所以，在條件允許的前提下，應該做好性能參數上限值的設置，以便滿足多種產品的需求，進一步擴大通用化的范圍。第三，模塊需要具有互換性。模塊結構的尺寸和結構形狀需要實現標準化控制，也就是更加容易的組合成為多種變型的產品[4]。

2.3 復雜機電產品模塊庫設計

2.3.1 模塊模型庫建模

模塊模型庫的建模，主要是為了模塊主模型的建立，在模塊模型庫建立之前，就需要針對模塊的零部件做好參數和幾何形狀的具體分析，之后才能夠建立出模塊的主模型以及多學科文檔。

（1）零件幾何形狀分析。零件幾何形狀分析主要是為了控制零部件的種類，基于這一基礎，就可以建立零部件模塊的主要模型以及主文檔，建立模塊化的產品主結構，這樣才可以減少模塊組成產品，通過較少的工藝裝備，盡量使用標準的工藝過程來進行零部件的加工和裝配，最終達到提升產品質量和優化成本的目的。通過分析零部件的集合形狀，找到相似的零部件族，在功能與約束分析的基礎上，就可以提出具有一定代表性的零部件模塊，進而確保這一個模塊能夠滿足功能和約束兩個方面的要求，這樣就可以提出圖形設計的基礎。如圖2中所展示的裝載機聯軸器，就代表的對零件幾何形狀相似性的分析，從而減少產品內部多樣化的一個案例。

（2）基于生命周期成本的零件參數分析。通過圖2之中直接使用1種不同形狀的聯軸器來制作成為標準模塊，通過減少夾具和工具的種類，實現加工過程的簡化，

圖2 零部件幾何形狀分析Fig.2 Geometric shape analysis of parts

這樣就可以降低整個生命周期之中零部件的成本，基于這一基礎，實現參數的優化和分析，就可以將變化的參數減少。圖3為經過參數分析之后，聯軸器只需要進行三個參數的調整，其余的尺寸都可以按照A、B、C三個尺寸來加以計算，要么就是固定不會改變的。如，當半徑l1對于所有尺寸聯軸器都是4mm，那么就是直接將減少加工的刀具，因為加工工藝是一致的，這樣就能夠減少工具以及夾具的種類。同樣，因為操作人員對于這一部分操作已經非常熟悉，那么就可以降低時間的花費，保證更好的質量。并且在產品的維護與裝配過程中，因為零件庫存種類減少了，所以維修成本和管理成本都會有所降低。

圖3 零部件幾何參數分析Fig.3 Geometric parameter analysis of parts

（3）模塊主模型及多學科文檔。模塊的主要模型主要包含了模塊幾何模型以及對應的事物人特征表。模塊主模型主要是利用關鍵性的參數，從而對零部件的外型以及尺寸之間的聯系進行描述。只需要將一組數值輸入到主模型之中，就可以有零部件模塊變型的自動派生。通過幾何形狀以及幾何參數的合理分析，就能夠建立出三維模型。圖4為輪式裝載機鏟斗模型以及對應的零部件三維模型。經過不同的處理方式，就可以讓模塊主模型形成多個學科的文檔，如在零部件模型的基礎上，直接派生出主圖、主工藝過程的規劃以及主程序等[5]。而圖5就屬于基于聯軸器為主的模塊零部件多學科文檔的建立。

圖4 鏟斗模塊三維圖Fig.4 3D drawing of bucket module

圖5 模塊組成零部件的多學科文檔Fig.5 Multidisciplinary documentation of modules components

2.3.2 模塊數據庫建模

模塊數據庫主要是利用產品的模塊化設計平臺，這樣就可以滿足模塊的升級變更、模塊的增加、替代、刪除以及變型等多個方面的信息基礎操作。模塊數據庫主要包含了模塊的各種信息特征，如在進行模塊唯一性的判斷以及相似性計算的時候，就需要模塊裝配關聯矩陣數據庫的支持，并且還包含了技術參數、形狀結構、數量、類別以及功能等諸多數據庫。而模塊裝配關聯矩陣又包含了模塊組成零部件之間的裝配關聯、模塊組成零部件以及裝配的具體類型。通過事物特性表的建立，就可以開展模塊變型的模塊化系統，從而開展有效的檢索以及變型方面的設計。圖6為鏟斗模塊事物特性表的數據庫資料。

圖6 鏟斗模塊部分的參數事物特性表Fig.6 Parameters of the bucket module section

基于模塊庫建模的基礎，就可以實現模塊庫資源的有效管理，這樣就可以滿足模塊庫資源的重用以及共享，其中又包含了滿足設計需求模塊資源的準確和快速的檢索，并且還可以在不同的應用平臺上實現模塊資源的信息交互，這樣就能夠在進行產品模塊化設計的時候，讓設計人員重用已有的模塊信息，從而對客戶的多樣化需求進行快速的響應。

3 結不語

總而言之，隨著時代的不斷發展，人們對于機電產品的需求量也在不斷增加，并且產品種類也趨于復雜性，并且越來越多的高要求逐漸落在產品的設計與制造上。所以，現階段就需要把握設計工作之中復雜機電產品模塊化設計的相應原理。在這方面，本文進行了重點的闡述，希望能夠對今后的工作有一定的借鑒意義。

[1]吳保勝，郭宇，王發麟，等.基于CREO的復雜機電產品輔助布線系統設計與開發[J].制造業自動化，2017，3.

[2]李少波，張喜根，楊觀賜.基于Apriori算法的復雜機電產品功能與結構關聯知識獲取方法[J].組合機床與自動化加工技術，2016，12.

[3]馮志君，周德儉.基于全生命周期評價的復雜機電產品設計管理系統[J].機械設計與研究，2016，3.

[4]王浩，唐敦兵，朱仁淼，康與云.需求驅動的復雜機電產品設計方案求解研究[J].中國制造業信息化，2012，13.

[5]劉玉生，袁文強，樊紅日，等.基于SysML的模型驅動復雜產品設計的信息集成框架研究[J].中國機械工程，2012，12.