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，將產品或系統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濟的產物。模塊化設計已經在產品設計中得到廣泛應用，簡單表述為：新產品（系統）=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品要素進行多種組合，構成新的系統，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產品的設計方法。與傳統設計方法相比，它不是針對單一產品，而是面向產品的整個系統[3]。其應用理念與方法已不僅限于制造業、軟件與電子信息等傳統行業[4]，已經推廣到了工程建設[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，即產品設計周期維度和產品的層次（成套裝置層、整機層、部件層和零件層）維度。從產品設計周期維度來講，可分為新產品模塊化設計、有產品模塊化設計和個性定制產品模塊化設計。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。其實質是對產品功能和結構的分解：成套裝置→整機→部件→零件。下面對產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

產品標準模塊設計的核心環節是模塊化設計，是已有產品、新產品模塊化設計過程所共有的功能，包括零件集合形狀分析、參數分析、建立模塊主模型和各種主文檔等。

2.2 模塊化產品平臺總體構建

該階段主要是模塊化產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，便于訂單產品模塊化設計選用。其與新產品開發和個性定制產品的關系如圖1所示。

圖1 產品開發和個性定制訂單產品設計的階段關系

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

產品主結構面向產品族，包括：①組成產品時必須的基本模塊，如工業汽輪機的轉自、氣缸、控制系統等；②必須按照一定規則從產品主結構中指定的模塊族中選擇組層到產品中的必選模塊，如工業汽輪機的控制系統可以從多個廠家中選擇最合適的一種；③可以按照一定規則從產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。為了提高產品模塊的通用率，模塊不僅按產品的隸屬關系分類，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，文檔不僅與產品一起分類，還可以按照文檔所屬的產品進行分類，并對不同層次的文檔進行分類。

2.3 產品結構系列化設計

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

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、生產周期，提高已有資源利用率和產品標準化程度，降低系列化產品的生產和管理成本[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。根據各礦區施工需求，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；必選模塊分為調角裝置、回轉給進裝置；可選模塊分為孔口裝置、座椅。②二級模塊劃分。以必選模塊“回轉給進裝置”為例，回轉給進裝置根據軌道長短劃分為“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。以回轉給機裝置中卡盤為例，開盤根據卡瓦型號不同可分為不同版本。卡盤主結構劃分，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 繪制產品結構圖

根據模塊劃分表繪制產品主結構圖，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、高質量和個性化方面的要求，基于合理的產品模塊化體系，可以快速地組合成滿足客戶需求的個性化產品，同時又可以通過通用模塊的批量生產和批量管理降低生產和管理成本，模塊化設計必將成為未來制造業的核心技術之一；針對國內煤礦企業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，降低生產和管理成本。