浅谈模块化在机床设计中的应用

浅谈模块化在机床设计中的应用刘启恒（1110100b19湖北工业大学11机自创新）摘要：现代机床模块化设计概念是根据广大用户提出的功能要求，设计出一系列具有不同结构和用途，而功能相同并可互换的功能模块（包括组件、部件、装置或系统等）和一些专用部件的设计法。然后通过模块的不同组合组装成满足客户要求的机床、专用机床、柔性加工单元等，这种设计方法可提高机床设计工作效率和适应性。模块化是20世纪中期发展起来的一种标准化形式。最早在20世纪初期的建筑行业中，将建筑按功能分成若干单元，进行自由组合，建筑模块强调几何尺寸上可以实现连接和互换。关键词：模块化；机械设计；械制造技术；产品开发；模块划分一、模块化设计1．模块化设计的概念模块被引入机械制造业领域，模块具有了明机确的功能定义，几何连接接口，以及功能输入、输出接口特征。后来，模块的概念义被用到了在软件行业中，大型的软件系统的模块化趋势越来越明显。随着复杂产品日渐增多，模块化也就成了人们用来处理复杂问题的常用方法。标准化的形式有简化、统一化、通用化、系列化、组合化和模块化。简化和统一化是最早的标准化形式，又是标准化的一般形式或基本形式，标准化的其他形式都体现着简化和统一化的思想。简化着眼于精练，统一化则着眼于一致。通用化、系列化、组合化是现代工业化时代社会化大生产的要求。工业化时代，产品或零部件的通用化程度越高，其市场范围越广，生产量越大，制造成本就越低，维修也越经济。系列化是企业优势的延伸策略，即以老产品为基础，开发出能更好满足市场需求的派生，变型产品。组合化是企业“以少变求多变，以组合求创新”的开发策略，是通过可互换的标准单元组合为物体，这些单元又可重新拆装，组成具有新功能的新物体或新结构，而结构单元可多次重复利用。模块化综合了以往标准化形式的特点，是一种解决复杂系统类型多样化、功能多变的一种标准化形式，有利于减少复杂性，具有创造多样性和多变性特点，是标准化的高级形式。2．模块化产品开发的特点（1）制造周期短。可以根据用户需求，快速提供机床模块化方案。（2）体现用户意愿。依照实际需要灵活配置机械零部件和数控系统。（3）系统的快速升级。将构成系统的模块进行标准化，能方便地构成完整的系统。也可以不断地将最新的技术应用于模块的设计中使机床低成本及保持先进性。（4）低成本。机床的各部件按模块化组织设计和生产，可提高劳动生产率和降低成本。用户还可以通过更换相应的模块以较低的成本适应转产的需要。（5）维修性。由于机床由模块组成，采用替换法来诊断故障，缩短机床停机时间2模块化设计的前提条件1．模块化技术是大批量定制生产的基本技术之一对于用户来说，产品是独特的、定制的、唯一的，而对厂商来说，产品是由一些模块构成，而模块是大批量生产的，所以实现了以大批量生产的成本生产出定制产品。同时新产品的开发实质上成为模块的开发。淘汰一个老产品，组成该产品的模块可用于其他产品组合，提高了模块的利用率，形成了产品寿命短而模块寿命长、产品的多品种小批量和模块的多品种大批量的特点。2．模块化结构可实现横系列、纵系列和跨系列模块化组合当今国外一些企业，早已运用这一技术，形成了产品从设计到制造的一整套模块化生产管理体系。如德国沙曼公司生产的锁铣床，它具有横系列和跨系列模块化设计的特点。德国SHW厂生产的工具铣床具有全系列模块化设计的特点。3．模块化设计要求建立标准模块库、专用模块库与相似零部件库标准模块库具有适应许多产品的主参数特征，专用模块库包括有力学参数因规格的不同而改变的特性，这些模块能够完成某项独立的功能。一旦设计人员接到定单，首先查找标准模块库和相似件模块库，对无法直接利用的模块可在其基础上进行配置设计，形成新的模块，以缩短设计周期。4.在模块化设计中，可将机床中的零部件分为三类。由于第一、二类零部件的数量占了一台机床总工作量的90％左右，这样接到订单时90％的设计工作量已经完成或接近完成，这就大大缩短了生产周期、大幅降低了生产成本和库存量所以模块化设计的目标是提高第一、二类零部件的比例，减少第三类即客户特定的零部件的比例.模块的功能和互换性都是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品平台的定义和产品平台的配置需求，模块的存在是没有意义的。当产品只有一种配置时，模块就失去了存在的意义。5.模块既可构成系统，又是系统分解的产物，可以组成新系统(系统创新)乃至复杂的大系统，这是模块与一般零部件的重要区别。模块具有特定的、相对独立的功能，可以以商品的形式单独生产和销售，可以依据一定规则单独设计、运转、测试，这是模块化设计和模块化产品一系列优势的本源。模块的互换性和可兼容性是模块化操作或模块运筹组合的条件，它要求模块具有相互连接并传递信息和功能的接口及相应的结构，具备通用性和多种组合的可能性。3模块化设计对工业生产的重要意义产品制造过程一般由设计、加工、采购、仓储、装配、维修这儿个环节组成。模块化设计可以采用并行的开发和测试，采用成熟的经过验证的模块，能有效缩短设计周期，提高设计的町靠性，降低设计风险；采用成熟的模块，可以大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，可以降低生产制造成本；能够减少零件种类，形成批量生产，降低管理难度，提高加工效率，从而降低成本；采购环节由于批量的增大，价格谈判的筹码增加，能够得到更合理的协议价格，减少采购开支；仓储和财务环节上，可以有效减少库存，加快物流运转效率，提高资金利用率；在装配环节实现模块化，并行生产，缩短产品生产周期，降低员工培训难度。使维修，服务，操作更加简便，难度降低，缩短服务周期。有利于企业研发团队分工协作，规范不同团队间的信息接口，使各团队进行更为深入的专业化研究；抽象平台和模块的建立，可以实现企业组织结构与产品模块结构之间的交互，使并行工程拥有实施的根基；标准规范的模块接口有利于形成产品的供应商规范，有利于产业分工的细化，提高产品品质和竞争力。4模块化设计的具体应用实例以机床行业最常见的单件小批生产接盘拉杆设计为例：给定主轴前端和后端接口形式，要求把任意夹具和2种油缸连接起来。主轴前端面的接口是标准的，但是有些夹具、卡盘的接口不标准，必须制造专用的接盘连接主轴和夹具。夹具和拉杆的配合螺纹也不统一，这样就需要特殊设计从油缸连接到夹具的这一段拉杆。油缸一般变动很少，两种即可满足要求，每种油缸的接盘都不一样。通常的做法：在油缸和夹具之间使用一根拉杆连接，每次设计都随顾客要求变动，临时制作。由于顾客的夹具和要求经常变化，夹具间差异很大，数量往往只要一两个，交货期短，因此无法批量生产，也不能留库存，因为其它顾客不一定有同样的要求。任务一般出现得也很急，设计和生产也仓促，往往容易出现差错。应用模块化设计思想，解决这个一问题。夹具接口：螺纹规格一般从M10-M20，有5种，螺纹伸出夹具定位端面最短和最长的长度差距在100mm以内。夹具端面除了标准接口外，还有很多顾客自由设计的接口，无法法预知，可以先完成接盘和主轴之间的接口部分，和夹具相连接的部分不加工。油缸有两种，油缸A是中空的。接口直径大，必须变径才能接到拉杆上。油缸B不用变径。将原来的拉杆功能分解为两段，一段用来适应央具螺纹变化，长度不变，一段设计成系列件，分成几个长度适应拉杆长度变化，螺纹接口不变。将整个装配体分成：油缸模块(油缸A+油缸转接杆+油缸接盘A)、(油缸B+油缸接盘B)，拉杆模块，夹具模块(夹具接杆+夹具…+夹具接盘)。其中拉杆模块里由6个拉杆均分100mm长范围，间隔20mm一种拉杆。夹具接口取最常用的M12、M16、M18、M20、M225种螺纹，另外一种端头不加工由客户指定。模块化后，可能的组合数是：2(油缸模块)X6(拉杆模块)X6(夹具模块)X=72；零件总数：1(油缸接杆)+6(拉杆)+6(夹具接杆)+6(夹具接盘)=19种，得到72种组合。如果不采用模块化设计，则可能产生72种拉杆和6种夹具接盘，共计78种零件，并且各个都是单件生产。模块化后这19种零件都可以量产，通过组合或简单加修立等可取，大大缩短了制造周期。5模块化设计思想模块化就是通过对某一类产品系统的分析和研究,把其中含有相同或相似的功能单元分离处理，用标准化的原理进行统一，归并，简化，以通用单元的形式独立存在。这就是分解而得到的模块，然后用不同的模块组合来形成多种产品。这种分解和组合的全过程就是模块化。新产品(系统)=通用模块(不变的部分)+专用模块(变动的部分)6结语由此可以得出，产品越复杂，配置变化越多模块化的优势越大。模块化设计可以实现并行设计，批量采购生产，组装，维护便利，从而加快产品上市时间，产品平台中及平台之间存在大量的互换模块，可以提高对市场的响应速度，缩短交货期。参考文献[1]文怀兴，夏田．数控机床系统设计[M]．北京：化学工业出版社，2006[2]童时中.模块化设计原理、方法与应用[M].北京:机械工业出版社,2000[3]谢小平,席俊国。基于GT的模块化产品设计[J].工业工程与管理，2000[4]杜陶钧等，模块化设计中模块划分的分级、层次特性的讨论[J].几点产品开发与创新，2003.