模塊化設計方法探究與應用

劉徐三

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

1 引言

模塊化是以系統(tǒng)工程原理、方法作為指導，以標準化原理、方法及各種邏輯思維方法作為基礎，以方法論為依據(jù)，將產(chǎn)品或系統(tǒng)歸納和抽象綜合起來的工作方法和思維方法，是時代的需求和市場經(jīng)濟的產(chǎn)物。模塊化設計已經(jīng)在產(chǎn)品設計中得到廣泛應用，簡單表述為：新產(chǎn)品（系統(tǒng)）=通用模塊（不變部分）+專用模塊（變動部分）[1-2]。

模塊化設計是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構成一些具有特定功能的模塊，將這些模塊作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進行多種組合，構成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品的設計方法。與傳統(tǒng)設計方法相比，它不是針對單一產(chǎn)品，而是面向產(chǎn)品的整個系統(tǒng)[3]。其應用理念與方法已不僅限于制造業(yè)、軟件與電子信息等傳統(tǒng)行業(yè)[4]，已經(jīng)推廣到了工程建設[5]、園林[6]、語言研究方法[7]等領域。

2 模塊化設計方法

模塊化設計可以分為兩個維度，即產(chǎn)品設計周期維度和產(chǎn)品的層次（成套裝置層、整機層、部件層和零件層）維度。從產(chǎn)品設計周期維度來講，可分為新產(chǎn)品模塊化設計、有產(chǎn)品模塊化設計和個性定制產(chǎn)品模塊化設計。模塊化主要采取的是自上而下和自下而上相結合的方法，以自上而下為主。其實質(zhì)是對產(chǎn)品功能和結構的分解：成套裝置→整機→部件→零件。下面對產(chǎn)品模塊化建模方法進行說明[8]。

2.1 標準模塊設計和模塊接口定義

產(chǎn)品標準模塊設計的核心環(huán)節(jié)是模塊化設計，是已有產(chǎn)品、新產(chǎn)品模塊化設計過程所共有的功能，包括零件集合形狀分析、參數(shù)分析、建立模塊主模型和各種主文檔等。

2.2 模塊化產(chǎn)品平臺總體構建

該階段主要是模塊化產(chǎn)品平臺總體構建的完成，總體結構信息描述體系的形成，建立了各模塊之間的關系，便于訂單產(chǎn)品模塊化設計選用。其與新產(chǎn)品開發(fā)和個性定制產(chǎn)品的關系如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品開發(fā)和個性定制訂單產(chǎn)品設計的階段關系

建立產(chǎn)品主結構。產(chǎn)品主結構描述了一個可配置的、包括所有模塊在內(nèi)的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)的組成情況，可根據(jù)不同客戶的需求，從產(chǎn)品主結構中派生出客戶定制產(chǎn)品的機構。

產(chǎn)品主結構面向產(chǎn)品族，包括：①組成產(chǎn)品時必須的基本模塊，如工業(yè)汽輪機的轉(zhuǎn)自、氣缸、控制系統(tǒng)等；②必須按照一定規(guī)則從產(chǎn)品主結構中指定的模塊族中選擇組層到產(chǎn)品中的必選模塊，如工業(yè)汽輪機的控制系統(tǒng)可以從多個廠家中選擇最合適的一種；③可以按照一定規(guī)則從產(chǎn)品主結構中選擇具有一定定制功能的可選模塊，如坑道鉆機中的孔口防噴裝置。

建立模塊分類樹。為了提高產(chǎn)品模塊的通用率，模塊不僅按產(chǎn)品的隸屬關系分類，還按照模塊的功能和相似性分類，從而建立模塊分類樹。分類方法主要包括層次式和非層次式分類方法。

建立文檔分類樹。為了提高文檔的通用率和檢索效率，文檔不僅與產(chǎn)品一起分類，還可以按照文檔所屬的產(chǎn)品進行分類，并對不同層次的文檔進行分類。

2.3 產(chǎn)品結構系列化設計

產(chǎn)品結構系列化是經(jīng)過對同一列產(chǎn)品發(fā)展規(guī)律的深入分析研究、技術經(jīng)濟對比，將主要尺寸、基本結構進行合理計劃、安排，形成系列，但并非所有產(chǎn)品都需要進行產(chǎn)品結構系列化設計。

3 應用ZDY4000Nm系列鉆機的模塊化主模型建立

定制鉆機的設計采用模塊化的設計方法，有利于縮短設計、生產(chǎn)周期，提高已有資源利用率和產(chǎn)品標準化程度，降低系列化產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理成本[9]。

3.1 結構模塊劃分與分析

采用模塊化設計思維建立ZDY4000Nm鉆機模塊化主模型。根據(jù)各礦區(qū)施工需求，ZDY4000Nm鉆機有長機身、中機身、短機身三個版本，其中又可配套不同型號的卡瓦以適合不同尺寸的鉆桿。根據(jù)模塊劃分原則和模塊化設計方法，將鉆機主要結構部件劃分為：①一級模塊劃分。基本模塊分為操縱裝置、行走車體、電動機泵組、油箱；必選模塊分為調(diào)角裝置、回轉(zhuǎn)給進裝置；可選模塊分為孔口裝置、座椅。②二級模塊劃分。以必選模塊“回轉(zhuǎn)給進裝置”為例，回轉(zhuǎn)給進裝置根據(jù)軌道長短劃分為“長軌道”“中軌道”“短軌道”三個不同版本。主結構劃分，基本模塊分為變速箱、底座、夾持器底座；必選模塊分為卡盤、夾持器、軌道；可選模塊分為傾角指示盤。③三級模塊劃分。三級模塊不再劃分下一級，有零件和外購不減劃分。以回轉(zhuǎn)給機裝置中卡盤為例，開盤根據(jù)卡瓦型號不同可分為不同版本?？ūP主結構劃分，基本模塊分為卡盤體、傳扭盤、膠筒、彈簧、前蓋、端壓蓋；必選模塊分為卡瓦。

3.2 繪制產(chǎn)品結構圖

根據(jù)模塊劃分表繪制產(chǎn)品主結構圖，如圖2所示。

圖2 ZDY4000Nm鉆機模塊化主結構示意圖

4 結論

模塊化設計能夠解決客戶在低成本、高質(zhì)量和個性化方面的要求，基于合理的產(chǎn)品模塊化體系，可以快速地組合成滿足客戶需求的個性化產(chǎn)品，同時又可以通過通用模塊的批量生產(chǎn)和批量管理降低生產(chǎn)和管理成本，模塊化設計必將成為未來制造業(yè)的核心技術之一；針對國內(nèi)煤礦企業(yè)對個性化定制鉆機的需求，采用模塊化設計方法對ZDY4000Nm鉆機主結構按一級、二級、三級進行模塊劃分，鉆機各組成部分更加系統(tǒng)化、直觀化，能夠有效提高資源利用率和零部件通用率，降低生產(chǎn)和管理成本。