模塊化設(shè)計在機械壓力機設(shè)計中的應(yīng)用探討

李鵬德，李 彬，閔 鵬，魏 偉

（徐州鍛壓機床集團有限公司，江蘇 徐州 221116）

1 模塊化設(shè)計簡介

1.1 模塊化設(shè)計的概念

上世紀50年代，歐美一些國家正式提出了模塊化設(shè)計的概念。今天，模塊化設(shè)計的理念已經(jīng)在許多行業(yè)被應(yīng)用，其中應(yīng)用最為廣泛的是電子電器行業(yè)和IT行業(yè)。

對于模塊化設(shè)計的概念，各行業(yè)不盡相同，但最被廣泛接受的是如下定義：對一定范圍內(nèi)不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合，以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，滿足不同的需求，這種設(shè)計方法即稱為模塊化設(shè)計。

模塊是產(chǎn)品的一個組成部分（部件），由一組元素組合起來，實現(xiàn)整個產(chǎn)品的部分功能，可以作為一個局部單元拆解、更換。每個模塊是相互獨立的，它的組成結(jié)構(gòu)是相對固定的，不會輕易改變。

1.2 模塊化設(shè)計的目的

模塊化設(shè)計的目的就是以設(shè)計的少變應(yīng)對用戶需求的多變，以最少的設(shè)計時間和專業(yè)化的加工裝配速度應(yīng)對市場日益縮短的交貨期，以最為經(jīng)濟的方法獲取產(chǎn)品創(chuàng)新的最大速度。

各種不同的模塊通過配置組合可形成多樣化的產(chǎn)品，滿足用戶的不同需求，體現(xiàn)了產(chǎn)品定制生產(chǎn)的特點。同時，模塊又具有標準、通用的對外接口，具有標準化和通用性的特點。對于采購、加工、裝配等環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，也可預(yù)制生產(chǎn)，這樣又體現(xiàn)了大批量生產(chǎn)的特點。通過模塊化的設(shè)計，在企業(yè)中解決了個性定制和大批量生產(chǎn)相互制約的矛盾。

模塊化設(shè)計可達到以下優(yōu)點：極其迅速地開發(fā)模塊化產(chǎn)品；減輕設(shè)計人員的工作量，使其有更多的精力專注于技術(shù)創(chuàng)新；適應(yīng)大規(guī)模定制生產(chǎn)，也適應(yīng)小批量個性化的產(chǎn)品；使生產(chǎn)更接近柔性化；產(chǎn)品質(zhì)量更易于得到保證，便于維修，增強部件、零件的互換性；更低的間接成本；更高的生產(chǎn)效率。

1.3 模塊化設(shè)計的特點

先把各種元素組合成模塊，再按需要將各種模塊組合成產(chǎn)品，增加的設(shè)計部分只是各種模塊之間的連接和外圍非模塊化的設(shè)計，這便是模塊化設(shè)計的方法。模塊化設(shè)計具有以下特點：

獨立性：各模塊是相對獨立的，只具有對外的接口，因此它們可以在不改變對外部接口的情況下，獨立設(shè)計、優(yōu)化和提高性能，而不會影響到其他功能部件，由于模塊的獨立性，在生產(chǎn)中可以由不同的專業(yè)化企業(yè)分別進行加工、裝配。

通用性：每一個模塊都具有其基本固定不變的參數(shù)、性能等特性。也具有基本固定不變的對外接口形式、尺寸和標準參數(shù)。因此模塊的存在并不是針對某個產(chǎn)品，而是在產(chǎn)品的橫系列和縱系列都可通用。只要模塊屬性能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的部分功能的需求即可。

互換性：因為模塊本身的特性，決定了模塊在模塊化產(chǎn)品中的突出地位。在模塊化產(chǎn)品的設(shè)計、維護、維修過程中，模塊的選擇和更換比常規(guī)的設(shè)計更方便和快捷。

系列化：模塊能夠存在的原因之一是為了實現(xiàn)產(chǎn)品的部分功能。產(chǎn)品的系列化，會導(dǎo)致模塊的系列化。當產(chǎn)品縱系列跨度較大時，單一模塊不能再滿足需求，這時就需要相應(yīng)的模塊系列化。

1.4 模塊化和標準化、系列化、通用化的關(guān)系

模塊化和標準化、系列化、通用化并不沖突。模塊化是標準化的補充。標準化不可能把所有企業(yè)、行業(yè)的可以作為模塊的部件標準化，所以各企業(yè)要制定自己的模塊化。但標準化中也包括了許多模塊，例如閥門、油泵、電動機等，既是工業(yè)產(chǎn)品中的基礎(chǔ)模塊，又被收錄到標準化中，作為了標準的一部分。所以，模塊化是各企業(yè)或各行業(yè)內(nèi)部的標準化。

一批模塊如果名稱相同，外形相似，參數(shù)大小不同，那么，它們就組成了一個模塊系列，它們可以被應(yīng)用于系列產(chǎn)品，也可以單獨應(yīng)用于個別產(chǎn)品。這就是模塊的系列化。

由于模塊具有標準化的特性，因此它可以跨品種、跨行業(yè)或在更大的范圍內(nèi)適用。模塊和其他標準件一樣，具有高度的通用性?？梢杂上鄳?yīng)的專業(yè)化企業(yè)分別進行生產(chǎn)，保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

1.5 模塊化設(shè)計的主要方式

按照自上而下的設(shè)計原則，對產(chǎn)品進行分析，從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能入手，先將產(chǎn)品分為幾個大的部件，再一級一級往下分。如果產(chǎn)品較復(fù)雜，也可以分為幾層模塊。模塊的層次越低，通用化程度越高，越接近于標準化。新產(chǎn)品設(shè)計時，從模塊庫中調(diào)用模塊，模塊庫的建立、模塊的設(shè)計可能是個較長期的過程，是在不斷的工作過程中積累起來的，不斷設(shè)計新模塊、擴充模塊庫和使用模塊，設(shè)計和生產(chǎn)的效率才會越來越高。

1.6 模塊化設(shè)計和模塊化制造

模塊化設(shè)計是模塊化制造的基礎(chǔ)，否則就沒有模塊化制造。而模塊化設(shè)計的效果需要由模塊化制造來體現(xiàn)和驗證，沒有模塊化制造，模塊化設(shè)計也會失去意義。

模塊化制造的特點：產(chǎn)品按模塊為單元組織生產(chǎn)；按模塊存儲部件；便于領(lǐng)發(fā)料工作；

按模塊來管理技術(shù)文件等；按模塊來組裝整機或產(chǎn)品。

例如：波音公司生產(chǎn)的飛機由400多萬個零件組成，這些零件以模塊的形式分散在美國和世界各地的1600家企業(yè)生產(chǎn)。而波音公司的主要工作就是整機組裝和新產(chǎn)品開發(fā)。由于1600家企業(yè)的平等作業(yè)，大大縮短了產(chǎn)品的交貨期和新產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時能夠更好、更方便地控制質(zhì)量。

1.7 模塊化設(shè)計的例外

并不是所有的設(shè)備或產(chǎn)品都適于進行模塊化設(shè)計，雖然理論上所有的產(chǎn)品都可以被分解為各種不同的模塊，但對于一些重、大型的設(shè)備、內(nèi)部聯(lián)系復(fù)雜的機構(gòu)或因用戶需求多樣化而經(jīng)常需要更改的零部件，則不適于運用模塊化設(shè)計。重、大型設(shè)備的部分部件，例如機身，由于其體積重量巨大，通用率、借用率較低，如果作為一個模塊來設(shè)計、存檔，而其他產(chǎn)品借用又很少，其實是沒有必要的。而內(nèi)部聯(lián)系復(fù)雜的設(shè)備機構(gòu)，不易分解為較小的模塊，即使強行分解，模塊的對外接口也會很復(fù)雜，其他產(chǎn)品在使用時，也要有很復(fù)雜的接口才行。標準性和通用性并不太好，事實上也失去了模塊化設(shè)計的必要性。

2 模塊化設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機械產(chǎn)品，特別適合采用模塊化設(shè)計，因為模塊化設(shè)計有利于產(chǎn)品的材料選擇和管理，有利于產(chǎn)品的可拆卸性。在模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中，由于模塊易于從整機中拆卸和組裝，維修可以以模塊為單元拆裝，不受工具測試設(shè)備、操作空間的限制，大大改善了維修條件，簡化了維修工作，加快了維修速度。如果損壞的模塊一時無法修復(fù)，還可以及時更換新的模塊，不致影響正常使用，有利于產(chǎn)品生命周期的循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)模塊化設(shè)計的原則，比如機械壓力機可以拆解為一些部件：機身部件，滑塊部件，傳動部件，氣動部件，潤滑部件，拉伸墊部件等。

但這種方法分解出的模塊太大，無法進行新產(chǎn)品組合，需要進一步進行細化分解。直到分解出通用性較強的模塊。

那么機械壓力機的哪些部件可以被作為一個模塊而采用模塊化設(shè)計？飛輪制動器（制動器是和飛輪分開的）是可以獨立分解出來的一個部件，如圖1所示，它由氣缸1、剎車片（摩擦塊）2和底座3組成?？梢钥闯觯鬃懿煌瑱C床結(jié)構(gòu)、安裝位置的限制，不能全部通用，因此飛輪制動器總成本不適宜作為一個模塊來設(shè)計。但是可以分開作為三個模塊來設(shè)計：氣缸、剎車片（摩擦塊）和底座。不同壓力機所用氣缸可以是相同的，只需在裝配時調(diào)整氣壓，便可適用在許多規(guī)格的壓力機上，剎車片（摩擦塊）可以做成通用件，底座可以根據(jù)安裝位置結(jié)構(gòu)來設(shè)計。只要選擇不同氣缸、底座的和通用件剎車片（摩擦塊）組合，便可形成在各規(guī)格壓力機上使用的飛輪制動器總成。

圖1 飛輪制動器模塊化設(shè)計

氣動部件中的控制氣路如圖2所示，可通過三聯(lián)件1、壓力表2、調(diào)壓閥3及其他氣動元件的組合，集中為一個中央控制模塊。只需留出對外接口4，可適用在許多噸位相近的壓力機上，其中壓力表2可做成通用組件，只要在機身部件留安裝孔即可。

圖2 控制氣路模塊化設(shè)計

液壓和潤滑系統(tǒng)的泵站，一般都是外購的，本身就是獨立的模塊。但向各個點輸送的分配系統(tǒng)，卻需要各企業(yè)自己設(shè)計裝配部件。按模塊化設(shè)計原則，可將液壓和潤滑系統(tǒng)的分配元件和管路集中在一起，設(shè)計為一個集中控制模塊，留好對外接口，則可用于多種產(chǎn)品。

用戶在沖壓生產(chǎn)中常會用到拉伸墊。雖然一般機床生產(chǎn)企業(yè)不會把拉伸墊作為標準配置，但在用戶需要時則必須進行設(shè)計、安裝。拉伸墊用量較小，如果把它作為一個模塊來設(shè)計，不但可減少設(shè)計工作量，在生產(chǎn)和裝配上也可很大程度上提高效率。

在大型機械壓力機上都設(shè)有爬梯，供維修人員上下行走使用。一般情況下都把它作為一個整體焊接件或是為上梁和立柱拆解方便而設(shè)計為上下兩部分。但如果用模塊化的理念進行分解，可能會更好。不論機床大小，爬梯的寬度都是按人體寬度來設(shè)計的，只有高度是按機床高度設(shè)計。按照模塊化的理念，爬梯可以設(shè)計為許多節(jié)，每節(jié)為一個模塊，在產(chǎn)品設(shè)計時，設(shè)計人員只需按機床高度選擇模塊種類和塊數(shù)即可，不需要重新設(shè)計新的整體爬梯。在加工過程中，所有的模塊都是一樣的。在裝配時，只需將選擇好的模塊用螺釘連接起來即可。

由于機械壓力機配置有多種，如何拆分模塊，則需要設(shè)計人員仔細分析，并不是所有的零部件都適合于模塊化設(shè)計。例如機身部件和傳動部件，組成的零件尺寸較大，通用性差，而且機身經(jīng)常會應(yīng)用戶要求而更改，且因設(shè)備噸位不同，尺寸也不相同，很難做到標準和互換，如果再往下級拆分，就只有零件了，不能形成互換性的組件。因此，雖然在理論上可被分解為一個模塊，但并不適合模塊化設(shè)計。

3 結(jié)論

模塊化設(shè)計、制造給現(xiàn)代制造業(yè)提供了個性化定制與大批量生產(chǎn)相沖突的解決方法。在提高效率、降低成本、保證質(zhì)量等方面具有很大優(yōu)勢。

但模塊化設(shè)計也有帶來不利影響的可能性，如不利于性能的及時優(yōu)化和改進，由于大量的模塊存在，新產(chǎn)品的設(shè)計可能會變成標準模塊的選擇和組合，增加了設(shè)計人員的依賴性，從而降低了設(shè)計的自由度和創(chuàng)新動力；由于模塊化設(shè)計的便捷與快速，可能出現(xiàn)無法滿足所有用戶需求的情況；如果模塊本身存在問題，可能造成產(chǎn)品的成批量故障。需在實際設(shè)計生產(chǎn)中加強分析，合理應(yīng)用。

[1]賈延林，主編.模塊化設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[2]徐 震，徐燕中，等.機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計[J].制造業(yè)設(shè)計技術(shù)，2000，（5）.