制造系統(tǒng)模塊化設(shè)計方法研究

顧佳超， 程茗， 徐恒斌

（長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校機械工程學(xué)院，長春 130013）

制造系統(tǒng)模塊化設(shè)計方法研究

顧佳超， 程茗， 徐恒斌

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校機械工程學(xué)院，長春 130013）

對制造系統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法進行論述研究，在分析系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)的總功能分解為若干個具有相同功能不同性能的功能模塊單元，通過各個功能模塊單元的相互組合，組裝成所需要的制造系統(tǒng)，提高制造系統(tǒng)的柔性。

制造系統(tǒng)；功能模塊；模塊化設(shè)計

0 引言

在制造系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計過程中，其設(shè)計步驟遵循由下而上的原則，首先根據(jù)系統(tǒng)的功能要求進行各個零部件的設(shè)計，而后將設(shè)計完成的零部件組裝成整機。雖然在設(shè)計過程中涉及到方案的總體設(shè)計及各個部分之間的協(xié)同要求，但其主要側(cè)重于系統(tǒng)的功能設(shè)計及系統(tǒng)各組成部分的詳細設(shè)計。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，制造系統(tǒng)當(dāng)中的一些功能單元如變速系統(tǒng)單元，進給系統(tǒng)單元，控制系統(tǒng)單元等已經(jīng)成為了獨立單元，這為模塊化設(shè)計方法在制造系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用提供了條件［1］。與傳統(tǒng)的設(shè)計程序不同的是，模塊化設(shè)計方法著重于系統(tǒng)的概要設(shè)計而非詳細設(shè)計。首先對系統(tǒng)的功能進行分析，然后將系統(tǒng)的總功能分解為若干個具有相同功能不同性能的功能模塊單元，通過各個功能模塊單元的相互組合，組裝成所需要的制造系統(tǒng)。

1 制造系統(tǒng)模塊化設(shè)計形式

制造系統(tǒng)模塊化設(shè)計形式主要分為兩種：一種設(shè)計形式是變型設(shè)計，另一種設(shè)計形式是新設(shè)計。變型設(shè)計形式的特點是在設(shè)計的過程當(dāng)中優(yōu)先完成具有功能模塊的基本單元的設(shè)計，然后將完成設(shè)計的功能模塊相互組合成需要的制造系統(tǒng)，因此這種形式的設(shè)計也被稱為有圖設(shè)計。與變型設(shè)計形式不同，新設(shè)計形式著重從制造系統(tǒng)的功能分析入手，以制造系統(tǒng)功能分析為基礎(chǔ)進行設(shè)計，因此，新設(shè)計又被稱為沒有前圖設(shè)計。

1.1 變型設(shè)計

變型設(shè)計作為模塊化設(shè)計的一種形式由新野秀憲提出并應(yīng)用到了機床的模塊化設(shè)計當(dāng)中，他主要將機床分成了兩部分：一部分為公用部分，另一部分為展開部分，通過模塊流程圖表示不同部分模塊之間可能的組合形式［2］。公用部分作為機床整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分被列為基礎(chǔ)模塊，在機床的設(shè)計過程中基礎(chǔ)模塊部分不再變型。展開部分則被列為機床的變型模塊部分，在機床的設(shè)計過程中這部分模塊要根據(jù)需要發(fā)生變型。變型設(shè)計過程中，首先應(yīng)進行基本模式的設(shè)計，在基本模式設(shè)計完成之后，確定系統(tǒng)的共用部分和展開部分，進而確定了系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊和變型模塊，然后根據(jù)需求分析和確定展開部分的功能，而后進行模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計并確定模塊之間的聯(lián)接面。

1.2 新設(shè)計

新設(shè)計著重于對系統(tǒng)的功能進行分析，E.Sale的新設(shè)計方法主要分成三個階段，這三個階段分別為確定適合的運動形式，選擇恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)軌形式及對導(dǎo)軌的位置及方向進行正確的布置。而功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計安排在整體的方案設(shè)計完成之后進行，這種設(shè)計形式由工件與刀具之間的相對運動規(guī)律進行系統(tǒng)整體的方案設(shè)計，為系統(tǒng)整體布局的各種可能的方案奠定了一定的基礎(chǔ)。在Y.Ito采用新設(shè)計形式進行機床設(shè)計的過程中，機床模塊是由層次分級結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的，首先將機床進行逐層分解，將復(fù)雜部分逐級分解到簡單元素，簡單元素便于模塊的構(gòu)成及電腦的處理，級別較低的模塊提供級別較高的模塊的信息，此種模塊被稱為分級模塊。

2 模塊的信息分析

模塊的最小構(gòu)成單元是零件，眾多的零件通過相互組合組裝成了模塊，與此同時制造系統(tǒng)又是由眾多的模塊所組成，因此模塊的信息包含了構(gòu)成模塊的各個零件的信息。模塊的信息分析包括零件信息、模塊本身信息、模塊之間相互關(guān)系信息的分析。零件信息的分析主要包括零件的幾何參數(shù)及精度、零件的材料性能、零件的技術(shù)性能要求、零件的管理數(shù)據(jù)；模塊本身信息的分析主要包含模塊自身的功能要求、結(jié)構(gòu)形狀要求、技術(shù)性能要求和管理數(shù)據(jù)；模塊之間相互關(guān)系的信息可歸納為模塊之間結(jié)合要素的信息和本模塊相互聯(lián)接的模塊的信息模塊之間聯(lián)接的位置方向及接合特征的信息。

3 模塊特征與分類

模塊特征是一組有意義的信息集合，它描述了模塊本身、構(gòu)成模塊的各個零部件及模塊與模塊之間關(guān)系等諸多方面的信息。模塊的特征主要分為兩類，分別為模塊的內(nèi)部特征與模塊的外部特征。由于模塊是由眾多的零件組成的，在不考慮零件之間裝配關(guān)系的前提下，模塊的內(nèi)部特征又被稱為零件特征。模塊內(nèi)部特征描述了作為模塊的最小構(gòu)成單元零件的本身的信息。模塊外部特征是諸多信息的集合，這些信息主要描述了不同模塊之間以及模塊本身的相互關(guān)系。模塊的內(nèi)部特征主要包括零件形狀特征、零件管理特征、零件技術(shù)特征、零件材料特征、零件精度特征等［3］。模塊外部特征主要分為模塊自身特征及模塊裝配特征兩個方面。

4 模塊劃分與創(chuàng)建

模塊化設(shè)計主要包括兩方面的內(nèi)容：一方面是根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計出一組符合要求的功能模塊；另一方面是將設(shè)計出的符合要求的功能模塊進行組合形成所需要的制造系統(tǒng)及產(chǎn)品。在系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計過程中，模塊創(chuàng)建是其主要任務(wù)。模塊創(chuàng)建主要包括兩個部分：一部分是功能模塊的合理劃分的過程；另一部分是功能模塊具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程。以機床的模塊化設(shè)計為例，機床模塊創(chuàng)建是在分析用戶功能要求的基礎(chǔ)上，將機床的功能進行分解與綜合，設(shè)計出一系列功能模塊，這組功能模塊能同時滿足基型設(shè)計要求和變型設(shè)計要求［4］。機床的整體結(jié)構(gòu)具有較為顯著的分級特性，根據(jù)這個特性可以將機床的整體結(jié)構(gòu)分解為多個結(jié)構(gòu)部件的有機組合，通過不同部件結(jié)構(gòu)的有機組合便可形成靈活性較好的模塊結(jié)構(gòu)。機床模塊劃分是指以機床整體的功能要求為基礎(chǔ)，根據(jù)模塊化設(shè)計的要求及特點，合理劃分出符合要求的功能模塊。機床模塊的合理劃分并不是一個簡單的設(shè)計過程而是一個相對復(fù)雜多變的設(shè)計過程。在劃分的過程中既要考慮機床的功能要求又要考慮結(jié)構(gòu)要求，如果模塊劃分得太細，雖然模塊組合的樣式增多，但是給模塊的綜合過程帶來了很大的難度使其變得愈加困難，且過多的模塊也不利于實現(xiàn)對模塊的管理。模塊劃分得太粗，雖然有利于模塊的綜合過程，但是組成的產(chǎn)品的類型較少且綜合后的系統(tǒng)的柔性較差，而且模塊的結(jié)構(gòu)也變得更加的復(fù)雜。但是基于功能分析的機床模塊的劃分還是有一定的規(guī)律可循的，劃分原則主要歸納為特性原則、獨立原則、基礎(chǔ)件原則、部件原則、組件原則、可擴充性原則等幾個方面。

5 模塊的接口

模塊的接口是具有一系列特征的接合表面，這些特征包括外形尺寸、幾何形狀及表面精度等。模塊的接口主要用于不同模塊之間以及模塊與外界基體之間的聯(lián)接［5］。不同模塊之間的裝配關(guān)系也主要是借助模塊的接口完成的。目前，模塊接口的研究工作主要集中在模塊接口的加工技術(shù)以及模塊接口的數(shù)字化管理兩個方面。

6 結(jié)語

本文對制造系統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法進行了研究，著重從模塊化設(shè)計方法的形式、模塊的信息分析、模塊的特征及分類以及模塊的劃分與創(chuàng)建等方面對模塊化設(shè)計方法進行論述。

［1］高衛(wèi)國，徐燕申，陳永亮，等.廣義模塊化設(shè)計原理及方法［J］.機械工程學(xué)報，2007（6）：48-54.

［2］呂家平.虛擬軸機床模塊創(chuàng)建于管理設(shè)計［D］.南京：南京理工大學(xué)，2000.

［3］王玉明，劉康，楊彬.基于本體的零件信息表達［J］.機械工程與自動化，2008（3）：77-79.

［4］劉小鵬，張衛(wèi)國，鐘毅芳.機床模塊化設(shè)計中的模塊創(chuàng)建及應(yīng)用［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報，2000（5）：16-17.

［5］范永開，林君，孫天澤.基于模塊關(guān)系匹配推理的程序生成機制［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2006（6）：939-944.

（編輯 昊 天）

TG 65

A

1002-2333（2015）12-0160-02

顧佳超（1988—），男，助教，碩士，主要從事機械設(shè)計制造與自動化方面的教學(xué)科研工作。

2015-10-14