復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)探析

曹家昌

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

0 引言

基于科學(xué)產(chǎn)品模塊體系這一基礎(chǔ)，確保個性化產(chǎn)品的快速組合，從而滿足客戶的實(shí)際需求。所以，本文主要是針對復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，再配合上具體的設(shè)計(jì)方法，希望可以對今后的實(shí)際工作有一定的借鑒作用。

1 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 預(yù)備工作

（1）零部件的分離及規(guī)范。針對零部件，開發(fā)設(shè)計(jì)人員可以通過合理的設(shè)計(jì)檢索從而開展分類的處理，面向所有零件進(jìn)行零部件的分類處理，這是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模塊化的前提條件，其中包含了非層次和層次兩個類別。并且還需要針對零部件進(jìn)行科學(xué)合理的分類，確保與企業(yè)的實(shí)際需求相互的吻合溫和，能夠?qū)@一部分零部件進(jìn)行管理與優(yōu)化，通過分類規(guī)范的制定、分類屬性的定義以及建立分類結(jié)構(gòu)，就可以滿足上述的工作[1]。

（2）設(shè)計(jì)與模塊設(shè)計(jì)相一致的編碼體系。在進(jìn)行產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的時候，需要針對功能、規(guī)格以及品種等針對模塊進(jìn)行編碼，這樣方便后續(xù)的管理，是否擁有有效的模塊編碼，對于模塊的組合以及選擇都具有極大的幫助作用。

1.2 設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)

經(jīng)過長時間的生產(chǎn)實(shí)踐，企業(yè)在零部件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之中就需要做好這一部分零件的驗(yàn)證，但是這一個過程一般是產(chǎn)品應(yīng)用過程完成之中才能使用，其功能結(jié)構(gòu)等技術(shù)都處于成熟階段。在模塊化設(shè)計(jì)的時候，基于這一種零件的前提，就需要將設(shè)計(jì)完成；另外，按照相關(guān)的規(guī)定，做好這一部分模塊的規(guī)范處理，就需要構(gòu)造出結(jié)構(gòu)特殊的參數(shù)化模型。在模塊的擴(kuò)展以及系列化設(shè)計(jì)中，這一種模塊能夠?qū)⒒A(chǔ)作用發(fā)揮出來。通過別的模塊有效的設(shè)計(jì)識別，也可以將其看成為基礎(chǔ)型模塊或者是主模塊[2]。

1.3 設(shè)計(jì)模塊接口

首先，劃分產(chǎn)品模塊，也就是按照模塊劃分原則以及具體的劃分方法，確定產(chǎn)品模塊。之后，確定模塊之間的相互聯(lián)系，從而確定模塊之間進(jìn)行交換的信息、能量以及物質(zhì)數(shù)量，并且也可以直接的確定模塊接口的物力屬性、功能屬性以及環(huán)境光屬性。

其次，接口設(shè)計(jì)方案的合理選擇?；谀K接口的集成性、標(biāo)準(zhǔn)化以及冗余性的特點(diǎn)，再配合上模塊接口合理方案的修改與選擇，就可以滿足定制式的大批量生產(chǎn)需求。

再次，模塊設(shè)計(jì)方案的具體化與實(shí)例化，也就是模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要通過有效的模塊接口來加以獲取。其中的選擇設(shè)計(jì)范圍、設(shè)計(jì)參數(shù)、選擇確定功能原理以及映射設(shè)計(jì)參數(shù)都是核心內(nèi)容。

最后，接口設(shè)計(jì)的校正和檢驗(yàn)?；诋a(chǎn)品具體的設(shè)計(jì)規(guī)定，就可以校驗(yàn)?zāi)K化接口的完成性能以及功能，對其進(jìn)行檢驗(yàn)，也就是要求能夠與設(shè)定相互匹配。并且在具體的情況下，對于設(shè)計(jì)參數(shù)的有效調(diào)整，就能夠滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

2 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法

2.1 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)過程

針對復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)過程，見圖1所示。

圖1 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)過程Fig.1 Modular design process of complex electromechanical products

2.2 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)方法

在模塊化的設(shè)計(jì)與制造中，模塊是基本的功能單元，能夠滿足需求多樣化，并且還方便管理和制造。模塊-設(shè)計(jì)主要包含了模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與接口設(shè)計(jì)兩個方面。模塊接口也就是各個模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)功能傳遞的共享界面，其主要包含了聯(lián)接部位的尺寸、形狀以及連接件之間的相互配合等。針對復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的模塊設(shè)計(jì)，就是基于劃分產(chǎn)品模塊的具體結(jié)果，按照實(shí)際的設(shè)計(jì)需求，從而對模塊結(jié)構(gòu)以及接口進(jìn)行創(chuàng)建的過程。

模塊本身的特點(diǎn)在于：第一，模塊具有相對獨(dú)立性，其中主要包含了相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)與功能。模塊功能屬于產(chǎn)品總功能的一部分，其功能相對獨(dú)立的模塊組合產(chǎn)品的時候，靈活性較大，并且適應(yīng)能力強(qiáng)，功能冗余，并且在產(chǎn)品品種發(fā)展之中不會存在太大的變動，可以在不同的產(chǎn)品之中使用。第二，模塊應(yīng)該具有通用性，這樣才能適應(yīng)市場變化的需求。所以，在條件允許的前提下，應(yīng)該做好性能參數(shù)上限值的設(shè)置，以便滿足多種產(chǎn)品的需求，進(jìn)一步擴(kuò)大通用化的范圍。第三，模塊需要具有互換性。模塊結(jié)構(gòu)的尺寸和結(jié)構(gòu)形狀需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化控制，也就是更加容易的組合成為多種變型的產(chǎn)品[4]。

2.3 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊庫設(shè)計(jì)

2.3.1 模塊模型庫建模

模塊模型庫的建模，主要是為了模塊主模型的建立，在模塊模型庫建立之前，就需要針對模塊的零部件做好參數(shù)和幾何形狀的具體分析，之后才能夠建立出模塊的主模型以及多學(xué)科文檔。

（1）零件幾何形狀分析。零件幾何形狀分析主要是為了控制零部件的種類，基于這一基礎(chǔ)，就可以建立零部件模塊的主要模型以及主文檔，建立模塊化的產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)，這樣才可以減少模塊組成產(chǎn)品，通過較少的工藝裝備，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)的工藝過程來進(jìn)行零部件的加工和裝配，最終達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化成本的目的。通過分析零部件的集合形狀，找到相似的零部件族，在功能與約束分析的基礎(chǔ)上，就可以提出具有一定代表性的零部件模塊，進(jìn)而確保這一個模塊能夠滿足功能和約束兩個方面的要求，這樣就可以提出圖形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。如圖2中所展示的裝載機(jī)聯(lián)軸器，就代表的對零件幾何形狀相似性的分析，從而減少產(chǎn)品內(nèi)部多樣化的一個案例。

（2）基于生命周期成本的零件參數(shù)分析。通過圖2之中直接使用1種不同形狀的聯(lián)軸器來制作成為標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過減少夾具和工具的種類，實(shí)現(xiàn)加工過程的簡化，

圖2 零部件幾何形狀分析Fig.2 Geometric shape analysis of parts

這樣就可以降低整個生命周期之中零部件的成本，基于這一基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化和分析，就可以將變化的參數(shù)減少。圖3為經(jīng)過參數(shù)分析之后，聯(lián)軸器只需要進(jìn)行三個參數(shù)的調(diào)整，其余的尺寸都可以按照A、B、C三個尺寸來加以計(jì)算，要么就是固定不會改變的。如，當(dāng)半徑l1對于所有尺寸聯(lián)軸器都是4mm，那么就是直接將減少加工的刀具，因?yàn)榧庸すに囀且恢碌?，這樣就能夠減少工具以及夾具的種類。同樣，因?yàn)椴僮魅藛T對于這一部分操作已經(jīng)非常熟悉，那么就可以降低時間的花費(fèi)，保證更好的質(zhì)量。并且在產(chǎn)品的維護(hù)與裝配過程中，因?yàn)榱慵齑娣N類減少了，所以維修成本和管理成本都會有所降低。

圖3 零部件幾何參數(shù)分析Fig.3 Geometric parameter analysis of parts

（3）模塊主模型及多學(xué)科文檔。模塊的主要模型主要包含了模塊幾何模型以及對應(yīng)的事物人特征表。模塊主模型主要是利用關(guān)鍵性的參數(shù)，從而對零部件的外型以及尺寸之間的聯(lián)系進(jìn)行描述。只需要將一組數(shù)值輸入到主模型之中，就可以有零部件模塊變型的自動派生。通過幾何形狀以及幾何參數(shù)的合理分析，就能夠建立出三維模型。圖4為輪式裝載機(jī)鏟斗模型以及對應(yīng)的零部件三維模型。經(jīng)過不同的處理方式，就可以讓模塊主模型形成多個學(xué)科的文檔，如在零部件模型的基礎(chǔ)上，直接派生出主圖、主工藝過程的規(guī)劃以及主程序等[5]。而圖5就屬于基于聯(lián)軸器為主的模塊零部件多學(xué)科文檔的建立。

圖4 鏟斗模塊三維圖Fig.4 3D drawing of bucket module

圖5 模塊組成零部件的多學(xué)科文檔Fig.5 Multidisciplinary documentation of modules components

2.3.2 模塊數(shù)據(jù)庫建模

模塊數(shù)據(jù)庫主要是利用產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)平臺，這樣就可以滿足模塊的升級變更、模塊的增加、替代、刪除以及變型等多個方面的信息基礎(chǔ)操作。模塊數(shù)據(jù)庫主要包含了模塊的各種信息特征，如在進(jìn)行模塊唯一性的判斷以及相似性計(jì)算的時候，就需要模塊裝配關(guān)聯(lián)矩陣數(shù)據(jù)庫的支持，并且還包含了技術(shù)參數(shù)、形狀結(jié)構(gòu)、數(shù)量、類別以及功能等諸多數(shù)據(jù)庫。而模塊裝配關(guān)聯(lián)矩陣又包含了模塊組成零部件之間的裝配關(guān)聯(lián)、模塊組成零部件以及裝配的具體類型。通過事物特性表的建立，就可以開展模塊變型的模塊化系統(tǒng)，從而開展有效的檢索以及變型方面的設(shè)計(jì)。圖6為鏟斗模塊事物特性表的數(shù)據(jù)庫資料。

圖6 鏟斗模塊部分的參數(shù)事物特性表Fig.6 Parameters of the bucket module section

基于模塊庫建模的基礎(chǔ)，就可以實(shí)現(xiàn)模塊庫資源的有效管理，這樣就可以滿足模塊庫資源的重用以及共享，其中又包含了滿足設(shè)計(jì)需求模塊資源的準(zhǔn)確和快速的檢索，并且還可以在不同的應(yīng)用平臺上實(shí)現(xiàn)模塊資源的信息交互，這樣就能夠在進(jìn)行產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的時候，讓設(shè)計(jì)人員重用已有的模塊信息，從而對客戶的多樣化需求進(jìn)行快速的響應(yīng)。

3 結(jié)不語

總而言之，隨著時代的不斷發(fā)展，人們對于機(jī)電產(chǎn)品的需求量也在不斷增加，并且產(chǎn)品種類也趨于復(fù)雜性，并且越來越多的高要求逐漸落在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造上。所以，現(xiàn)階段就需要把握設(shè)計(jì)工作之中復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的相應(yīng)原理。在這方面，本文進(jìn)行了重點(diǎn)的闡述，希望能夠?qū)窈蟮墓ぷ饔幸欢ǖ慕梃b意義。

[1]吳保勝，郭宇，王發(fā)麟，等.基于CREO的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品輔助布線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2017，3.

[2]李少波，張喜根，楊觀賜.基于Apriori算法的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)知識獲取方法[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2016，12.

[3]馮志君，周德儉.基于全生命周期評價的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2016，3.

[4]王浩，唐敦兵，朱仁淼，康與云.需求驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案求解研究[J].中國制造業(yè)信息化，2012，13.

[5]劉玉生，袁文強(qiáng)，樊紅日，等.基于SysML的模型驅(qū)動復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的信息集成框架研究[J].中國機(jī)械工程，2012，12.