基于模塊化的水刺機(jī)設(shè)計(jì)方法研究

王曉雨 趙艷利 (恒天重工股份有限公司，鄭州，450053)

模塊化設(shè)計(jì)是指在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行客戶需求調(diào)查、結(jié)構(gòu)功能分析以及市場(chǎng)發(fā)展前景預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)功能、規(guī)格或使用環(huán)境的不同，設(shè)計(jì)出相應(yīng)配套的功能模塊。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先是通過(guò)選擇和組合上述的通用模塊，構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)客戶的個(gè)性化需求，添加一些特殊功能模塊，從而構(gòu)成全新的不同功能或不同規(guī)格的個(gè)性化產(chǎn)品［1］。

采用模塊化設(shè)計(jì)的理念，對(duì)于產(chǎn)品的使用客戶和產(chǎn)品制造企業(yè)都十分有利。前者可以按照自己的使用需求及使用習(xí)慣，來(lái)定制自己需要的唯一產(chǎn)品;對(duì)于后者，不同客戶定制的個(gè)性化產(chǎn)品都由大量通用模塊組成，而通用模塊的制造和使用頻率較高，可以大批量組織生產(chǎn)，就能有效地降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

水刺非織造技術(shù)涉及現(xiàn)代物理、化學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科的理論與基礎(chǔ)知識(shí)，成為從紡織工業(yè)中派生出來(lái)的一門(mén)新興邊緣科學(xué)技術(shù)。水刺非織造布是近十幾年國(guó)際上迅速發(fā)展的一種高科技產(chǎn)品，其中水刺機(jī)是生產(chǎn)水刺非織造布的核心設(shè)備。市場(chǎng)定位不同的水刺非織造布生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)于水刺機(jī)及其生產(chǎn)線的技術(shù)要求，具有原理類(lèi)似、工藝流程相近、規(guī)格要求差距較大的特點(diǎn)。

1 水刺機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)的意義

隨著市場(chǎng)對(duì)非織造布的新品種和新功能的開(kāi)發(fā)，不同客戶對(duì)水刺機(jī)的工藝要求各不相同。在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)水刺生產(chǎn)線中，所采用的水刺機(jī)的配置方式、輥筒數(shù)量、走布路線和系統(tǒng)壓力配置都存在較大不同，因而就形成了如下的水刺生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和生產(chǎn)組織工作流程：銷(xiāo)售部門(mén)先與用戶簽訂銷(xiāo)售合同，設(shè)計(jì)部門(mén)再按照客戶的需求開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)水刺機(jī)及其配套生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)周期為2～3個(gè)月，然后再組織生產(chǎn)部門(mén)進(jìn)行生產(chǎn)、裝配試車(chē)、提供給用戶。由于每條生產(chǎn)線的需求不盡相同，造成了所有水刺機(jī)都是單批生產(chǎn)的事實(shí)，涉及大量新產(chǎn)品和新零件的試制，生產(chǎn)組織十分煩雜，重復(fù)工作量大，生產(chǎn)周期和交貨期無(wú)法保證，給制造企業(yè)造成較大困擾，也影響了客戶的總體規(guī)劃。

為了改變這種現(xiàn)狀，縮短設(shè)計(jì)周期，結(jié)合水刺生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程和特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)廣泛的市場(chǎng)調(diào)研和可行性論證后，決定在水刺機(jī)的設(shè)計(jì)中引入大批量定制生產(chǎn)(Mass Customization，MC)的生產(chǎn)組織模式。MC是根據(jù)每個(gè)用戶的特殊需求，提供定制產(chǎn)品，但制造企業(yè)自身則是以一種大批量生產(chǎn)的模式進(jìn)行生產(chǎn)，即以大批量生產(chǎn)的成本和交貨期效益來(lái)進(jìn)行單件定制產(chǎn)品的生產(chǎn)［2］。因此，MC實(shí)現(xiàn)了用戶的個(gè)性化需求和批量低成本(時(shí)間成本和生產(chǎn)成本)生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合。

MC的關(guān)鍵技術(shù)之一是產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊化技術(shù)。在水刺機(jī)設(shè)計(jì)的調(diào)研階段，就需要充分考慮水刺機(jī)的功能特點(diǎn)，充分理解水刺機(jī)使用企業(yè)需求的共性和多樣性，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思路展開(kāi)水刺機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)。MC的基礎(chǔ)思想是將定制產(chǎn)品的制造通過(guò)大量產(chǎn)品重組的方式轉(zhuǎn)化為批量制造，即提供給用戶的是定制的個(gè)性化產(chǎn)品，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程是大批量生產(chǎn)。

產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)是大規(guī)模定制生產(chǎn)方式成功的關(guān)鍵因素，通過(guò)將產(chǎn)品中一系列通用的零部件及子裝配定制為模塊，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)資源的利用效率較高，設(shè)計(jì)人員的工作效率較高;

(2)產(chǎn)品的裝配和管理成本都得到有效控制;

(3)產(chǎn)品在全生命周期中的管理和維修較為容易;

(4)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，促進(jìn)了產(chǎn)品更新。

2 水刺機(jī)模塊的建模原則

水刺機(jī)模塊的建模原則是：首先考慮產(chǎn)品的使用功能和結(jié)構(gòu)功能，其次充分考慮水刺行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、客戶需求的多樣化、運(yùn)行成本、操作習(xí)慣，以及環(huán)保等多種因素。

2.1 按產(chǎn)品功能劃分模塊

按產(chǎn)品的使用功能劃分模塊，這也符合傳統(tǒng)的組件、部件劃分的思想。水刺機(jī)的功能模塊有通用模塊和個(gè)性模塊兩大類(lèi)。

2.1.1 通用模塊

通用模塊是以整個(gè)產(chǎn)品系列為基礎(chǔ)，能夠在整個(gè)產(chǎn)品系列中共享的、可重復(fù)使用用的模塊，是整個(gè)產(chǎn)品系列的的基礎(chǔ)，具有所有產(chǎn)品的共性特征。對(duì)于水刺機(jī)系列產(chǎn)品，常見(jiàn)的通用模塊有水刺頭模塊、抽吸輥筒模塊和抽吸箱模塊等。

2.1.2 個(gè)性模塊

個(gè)性模塊是指對(duì)于不同的具體產(chǎn)品，需要實(shí)現(xiàn)不同功能而特別設(shè)計(jì)生產(chǎn)的專(zhuān)用的模塊。在研究客戶需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可以選擇不同的個(gè)性模塊進(jìn)行不同的拼接，從而組合成不同型號(hào)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)不同的具體功能，以便滿足用戶的個(gè)性需求，如網(wǎng)簾機(jī)架模塊、網(wǎng)簾傳動(dòng)模塊、脫水輥筒模塊和配氣箱模塊等。常見(jiàn)的個(gè)性模塊按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為異構(gòu)模塊和參變模塊兩類(lèi)。

(1)異構(gòu)模塊是為實(shí)現(xiàn)某一類(lèi)特定功能，具有不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但可以實(shí)現(xiàn)一定條件下的互換的模塊的集合。這一類(lèi)集合中的模塊組件結(jié)構(gòu)各不相同，不能用參數(shù)驅(qū)動(dòng)完成設(shè)計(jì)制造和安裝，如配氣箱模塊等。

(2)參變模塊是具有相同的工作原理，可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，具體結(jié)構(gòu)也相似的一系列模塊。對(duì)于這一系列的模塊，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)修改參變模塊的相關(guān)參數(shù)，從而變化產(chǎn)生一個(gè)全新的同系列模塊。這類(lèi)參變模塊通過(guò)三維建模造型，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)，有效地提升設(shè)計(jì)效率，如網(wǎng)簾機(jī)架模塊和網(wǎng)簾傳動(dòng)模塊等。

2.2 建模需考慮的因素

(1)模塊劃分要考慮便于生產(chǎn)制造的組織，其依據(jù)是要充分考慮企業(yè)自身的設(shè)計(jì)加工和裝配能力。如有的模塊可能會(huì)在一個(gè)工作地(或協(xié)作廠)完成制造和組裝，這時(shí)應(yīng)考慮模塊的構(gòu)成是否會(huì)對(duì)生產(chǎn)組織帶來(lái)不利的影響;又如有的件號(hào)生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，需要提前預(yù)投組織生產(chǎn)，則該件號(hào)不宜和普通的機(jī)件構(gòu)成為一個(gè)模塊;再如有的件號(hào)價(jià)值昂貴，需要單獨(dú)包裝，則該件號(hào)不宜和普通的機(jī)件構(gòu)成為一個(gè)模塊，例如水針板和水刺網(wǎng)簾模塊等。

(2)模塊應(yīng)便于組成產(chǎn)品的子裝配體，可能時(shí)應(yīng)考慮該模塊的獨(dú)立裝配、調(diào)試和裝箱，例如配氣箱模塊和脫水輥筒模塊等。

模塊化設(shè)計(jì)所依賴(lài)的是模塊的相互組合，也就是互相之間的結(jié)合面，又稱(chēng)之為接口。顯然，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證不同功能模塊在一定條件下的組合和相同功能模塊的技術(shù)升級(jí)和互換，模塊在設(shè)計(jì)研發(fā)和制造過(guò)程中應(yīng)充分考慮其可組合性和可互換性兩個(gè)特征。這兩個(gè)特征主要通過(guò)接口的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，必須提高模塊(尤其是接口模塊)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和規(guī)格化的程度。對(duì)裝配具有相同功能、不同性能的單元，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中必須考慮相同的安裝基面和相同的安裝尺寸，這樣才能保證模塊的有效組合［3］。例如，水刺機(jī)外機(jī)架和托網(wǎng)機(jī)架的接口尺寸，以及不同規(guī)格的水刺頭連接孔尺寸都必須一致。

(3)模塊應(yīng)方便用戶現(xiàn)場(chǎng)的拆箱和組裝。例如，托網(wǎng)機(jī)架模塊整體裝箱，用戶現(xiàn)場(chǎng)拆箱后即可裝入水刺機(jī)，調(diào)好水平后裝入橡膠輥和網(wǎng)簾等。

(4)應(yīng)分析本行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向，規(guī)劃本機(jī)的機(jī)型配置情況，為將來(lái)可能出現(xiàn)的新模塊預(yù)留空間。例如，將來(lái)可能出現(xiàn)第四輥筒，或輥筒直徑變大，或?qū)挿虣C(jī)等情況，預(yù)留這些模塊的接口位置。

3 水刺機(jī)的模塊化劃分

綜上所述，確定W1573M模塊化水刺機(jī)的框架結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)W1573M-350、W1573M-250、W1573M-180，并區(qū)分左右手車(chē)，共六種結(jié)構(gòu)的模塊，如圖1。每種結(jié)構(gòu)單獨(dú)生成結(jié)構(gòu)樹(shù)。銷(xiāo)售人員與客戶簽訂合同后，根據(jù)幅寬和左右手車(chē)別，在這六種結(jié)構(gòu)中選擇一種進(jìn)行后續(xù)模塊結(jié)構(gòu)配置。

圖1 水刺機(jī)框架結(jié)構(gòu)樹(shù)

例如，選擇其中幅寬3 500 mm、左手車(chē)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一級(jí)的模塊劃分。在征求多方意見(jiàn)和經(jīng)過(guò)多次方案評(píng)審后，最終確定了水刺機(jī)的模塊配置情況，如圖2。

圖2 水刺機(jī)模塊劃分組織結(jié)構(gòu)示意

水刺機(jī)各模塊在機(jī)器上的位置見(jiàn)圖3。圖3中出現(xiàn)的模塊為目前市場(chǎng)上常見(jiàn)機(jī)型常用的模塊，并不是一臺(tái)水刺機(jī)會(huì)用到的所有模塊。常見(jiàn)的模塊可以按照以下組件進(jìn)行劃分、組合和分配：

(1)入網(wǎng)簾組件，可分為壓網(wǎng)簾預(yù)濕、反向預(yù)濕、輥筒預(yù)濕三種結(jié)構(gòu)，可選配其中之一。

(2)壓網(wǎng)簾組件，可選配，為客戶個(gè)性模塊。

(3)平臺(tái)網(wǎng)簾組件與脫水輥筒組件，是為客戶提供的二選一的個(gè)性模塊。

(4)一二輥筒組件，包括第一輥筒、第二輥筒和雙輥筒傳動(dòng)等。

(5)第三輥筒組件，包括第三輥筒和單輥筒傳動(dòng)等。

(6)水刺頭組件，包括水刺頭和水刺頭升降裝置。

(7)配氣箱組件，包括不同機(jī)構(gòu)需要的氣路元件組合的不同箱體，可互換。

(8)水針板、托網(wǎng)、輥筒用網(wǎng)、減速機(jī)等外購(gòu)件模塊，為客戶個(gè)性模塊。

以上模塊劃分結(jié)束之后，就可以開(kāi)始進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。在各個(gè)組件的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，模塊化設(shè)計(jì)理念始終貫穿在設(shè)計(jì)的每個(gè)步驟，具體到每個(gè)結(jié)合件和每個(gè)零件的設(shè)計(jì)，都要考慮到件號(hào)的通用性及互換性，力求能以盡量少的零件生成新的機(jī)型。

圖3 水刺機(jī)模塊結(jié)構(gòu)分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文從模塊化的設(shè)計(jì)方法出發(fā)，在分析水刺機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法弊端的基礎(chǔ)上，提出了符合水刺機(jī)客戶需求和產(chǎn)品市場(chǎng)特點(diǎn)的大規(guī)模定制化的生產(chǎn)方式，并建立了水刺機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的配置模型。該新型的設(shè)計(jì)方法有效地實(shí)現(xiàn)了水刺機(jī)產(chǎn)品系列的模塊信息、接口信息和設(shè)計(jì)技術(shù)知識(shí)的集成管理，使設(shè)計(jì)人員在利用計(jì)算機(jī)輔助模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)水刺機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的信息自由流通和共享成為可能，為提升紡織產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率提供了有效的支持。筆者把PRO/E等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法引入模塊化設(shè)計(jì)理論，通過(guò)與專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助的大型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)深入結(jié)合，在實(shí)際的產(chǎn)品研發(fā)中進(jìn)行示范應(yīng)用，取得了較好效果。這種設(shè)計(jì)方法能幫助設(shè)計(jì)制造企業(yè)降低成本、提升效率和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為我國(guó)整體的紡機(jī)制造業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)能力的提升，市場(chǎng)響應(yīng)能力的提高，給出了一種切實(shí)可行的方法。

［1］賈延林.模塊化設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：1-55.

［2］崔梁萍，項(xiàng)春，張青娥.一種面向大批量定制產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)方法［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(7)：27-28.

［3］蔡業(yè)彬.模塊化設(shè)計(jì)方法及其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(8)：154-155.