機械設備結構模塊化設計

黃志海 鄭偉榕

摘? 要：產(chǎn)品生產(chǎn)制造規(guī)格的不斷增加，導致零件品種繁多，帶來了生產(chǎn)和后續(xù)新產(chǎn)品開發(fā)的困難，采用模塊化設計思想，對現(xiàn)有零件進行科學有效地模塊劃分和再設計，可以有效解決這一問題。

關鍵詞：機械設備;模塊化設計

引言

我廠的型號產(chǎn)品在不斷地增加，車載產(chǎn)品的集成度不斷地提高，隨著產(chǎn)品功能的改進與升級，對車載設備內部的機械設備產(chǎn)品模塊化設計的需求不斷地增長，而機械設備模塊化的升級需要結構設計師統(tǒng)籌規(guī)劃。而面對現(xiàn)有車載設備內部設備繁多，導致設計研發(fā)產(chǎn)品零部件、種類和規(guī)格繁雜，如果研發(fā)一款新產(chǎn)品需要從頭到尾設計各個零部件，會使得產(chǎn)品研發(fā)效率降低，導致了一系列生產(chǎn)問題。模塊化設計可以有效地解決上述問題，提高多規(guī)格產(chǎn)品研發(fā)的效率，降低生產(chǎn)成本。

1.模塊描述

1.1模塊化需求

因我廠產(chǎn)品型號逐漸增多導致企業(yè)面對著較大的研發(fā)壓力，同時由于設計人員的流動性很大，從而導致出現(xiàn)設計規(guī)劃性、一致性越來越低的局面，這就需要從產(chǎn)品設計的源頭開始，將圖紙規(guī)范化和標準化。如果初期方案設計采用模塊化設計思路，將會大幅度降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提升設計師的設計效率，從而間接促進公司的整體發(fā)展。模塊化設計體現(xiàn)在產(chǎn)品初期方案設計中，從設計師角度來講，設計師可以將產(chǎn)品中具有相同功能、結構和數(shù)據(jù)表示的部件直接拿來使用或者進行小幅度的修改，再用到新的設計方案中去，從而可以大量減少設計工作量。從制造角度來講，加工件數(shù)量和規(guī)格減少，易形成標準化的工藝文件和工夾件，很好地整合了資源。從產(chǎn)品功能方面，采用模塊化設計思路可以達到產(chǎn)品模塊間自由增減和替換的效果，從而實現(xiàn)新產(chǎn)品最基本的功能和性能。

1.2模塊化設計系統(tǒng)流程

在模塊化設計中最重要的是要科學、準確地進行模塊劃分。從產(chǎn)品本身所具有的功能、結構和屬性出發(fā)，對產(chǎn)品的功能層面、結構層面、數(shù)據(jù)表示層進行合理的模塊分類劃分，定義出兩組件間的特征相似等級評價體系，給產(chǎn)品各層級進行權重分配，建立起各層面的相關性矩陣，并通過一定的評判原則構建了標準模塊的形成方法。模塊化設計方法的主要內容是：從用戶需求出發(fā)，對公司現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎信息進行收集和聚類;將公司現(xiàn)有產(chǎn)品進行產(chǎn)品模塊劃分和功能模塊的選擇;根據(jù)兩零件間3個層面的相關關系構建出0-1矩陣，對產(chǎn)品進行初步模塊劃分;由兩零件間的特征相似等級評價，建立起零件/部件間3個層面的相關性矩陣，并依據(jù)標準模塊的評價原則篩選出相近模塊，由零件/部件間綜合強度關系確定出相近模塊;然后進行相近模塊的內部結構設計，其中包括了模塊內接口設計、模塊內加工件設計及模塊內材料選擇等;最后，判斷此標準模塊的設計是否合理，如果不合理就需要對相近模塊進行再一次的模塊劃分，反之，相近模塊設計合理，形成新的標準模塊。綜上，首先完成整個模塊化設計，形成一系列的標準模塊，接著將全部的標準模塊經(jīng)過模塊編碼后存儲進模塊庫，最后通過查詢及調運模塊的方式，將這些標準模塊運用到新產(chǎn)品開發(fā)中。

2.標準模塊生成

標準模塊的生成減少了產(chǎn)品模塊數(shù)量，使得開發(fā)產(chǎn)品的成本大大減少，在一定程度上提升了裝配效率。相近模塊的設計是形成標準模塊的重中之重，必須遵循一定的修改原則進行產(chǎn)品設計，包括：①最少修改原則;②材料選用最優(yōu)原則;③使用壽命最長原則;④內部連接關系最大化原則;⑤內部零件數(shù)量最小化原則;⑥模塊接口標準化原則。其中，模塊接口標準化最為重要，零件/部件接口能否形成標準化接口直接決定了這個零件/部件的模塊劃分是否成功。如果該零件/部件沒有形成標準接口，就需要對該零件/部件重新進行模塊劃分。模塊接口標準化，需要對標準模塊接口特征進行分類劃分，建立起模塊標準接口的評價體系，方便后期判斷該零件/部件的模塊接口是否為標準化接口，或者該零件/部件的模塊接口能否通過修改，從而達到標準接口的要求。

零件/部件的標準接口都具有一定的機械特征，在機械CAD軟件中，機械特征分為：物理特征和非物理特征兩種。物理特征可以分為基本特征和生成特征，例如：孔、軸、圓形、狹槽、肋、切口、突起、殼和管等屬于基本特征;產(chǎn)品的拉伸、旋轉、掃掠、混合、微調和相交等屬于生成特征。非物理特征包括點、曲線、平面、軸、坐標等。依據(jù)標準模塊接口的基本屬性，將標準模塊接口的類型分為借零件物緊固型接口、運動副型接口、直接固定型接口。（1）借零件緊固型接口。借零件緊固型接口，是指依靠第三方零件來緊固兩個零件/部件的接口，例如通過使用螺栓或螺釘來固定連接兩個零件或部件。（2）運動副型接口。運動副型接口，是指兩個具有相對運動的零件/部件，根據(jù)兩零件/部件間的運動形式進行連接，接口分為這樣的4類：移動連接，例如導軌和滑塊、直線軸承和導軌;繞直線連桿旋轉，例如鉸鏈鏈節(jié)旋轉;旋轉自由度與移動裝置共存，例如螺旋千斤頂、滾珠絲杠和絲杠螺母;圍繞中心連桿旋轉，例如球形鉸鏈。（3）直接固定型接口。直接固定型接口，是指兩零件/部件的接口可以直接固定連接在一起，例如帶有螺紋的零件/部件與另外一組帶有螺紋的零件/部件相連接。

構建好模塊標準接口的評價體系后，對標準模塊接口進行模塊編碼，并將編碼好的標準模塊存儲進零件/模塊數(shù)據(jù)庫，方便對數(shù)據(jù)庫中的標準模塊接口圖形進行檢索、查詢、調用和管理。無論各模塊間的連接是靜態(tài)還是動態(tài)，模塊接口都與形式有關系。對于標準模塊接口，除了要考慮其形式之外，還需要確定標準模塊接口的尺寸和大小，這些都是標準模塊接口特征的重要參數(shù)。因此，標準模塊接口的編碼可以由設備型號代碼、模塊功能代碼、模塊接口類型、接口接合面形式代碼、接口的關鍵尺寸參數(shù)代碼、模塊接口的功能流方向代碼構成，每個代碼用不同的字母表示，代碼之間用分隔符“_”相連接，從而建立了標準模塊接口編碼模型，為標準模塊間的互相匹配度提出判斷依據(jù)。

結語

以上方法完善并優(yōu)化了機械設備模塊化設計方法，使得機械設備模塊化設計方法更加簡潔和清晰，為后續(xù)復雜產(chǎn)品的模塊化提供了新的思路和方法。

參考文獻

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