考慮耦合件的耦合模塊化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究*

陳周娟，陳俊杰

(運(yùn)城學(xué)院 機(jī)電工程系，山西 運(yùn)城 044000)

0 引 言

機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)[1-2]主要利用相似性原理，將機(jī)械系統(tǒng)分解為不同的模塊，進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造與裝配，從而達(dá)到以盡可能少的投入，生產(chǎn)出盡可能滿(mǎn)足不同需求的、令用戶(hù)滿(mǎn)意的個(gè)性化機(jī)械產(chǎn)品。利用模塊化設(shè)計(jì)可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)同設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品生產(chǎn)的復(fù)雜度，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡(jiǎn)單化?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，模塊化設(shè)計(jì)在大規(guī)模的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，如減速器、計(jì)算機(jī)、機(jī)床、家具、玩具等[3]。目前，為滿(mǎn)足用戶(hù)的多樣化、個(gè)性化需求，模塊化設(shè)計(jì)的方法也在多品種、小批量、重用次數(shù)少的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了深入研究和應(yīng)用，如輪轂軸承清洗機(jī)[4]、機(jī)器人[5-6]、各種航空航天的機(jī)械裝置[7]、工程機(jī)械[8]和一些復(fù)雜產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)[9]等。

目前，模塊化設(shè)計(jì)方法有很多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度和深度進(jìn)行了研究。SUH N P[10]認(rèn)為模塊化設(shè)計(jì)是一種從功能需求域到設(shè)計(jì)域的參數(shù)的映射結(jié)果；STONE B R和WOOD L K[11]認(rèn)為模塊化設(shè)計(jì)是客戶(hù)需求域到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一個(gè)映射，提出了用黑箱模型對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行功能分解，并根據(jù)輸入、輸出流之間的關(guān)系，采用了啟發(fā)式模塊設(shè)計(jì)方法，以零件之間的關(guān)系作為產(chǎn)品功能模塊劃分的依據(jù)；ULRICH K和TUNG K[12]強(qiáng)調(diào)了功能模塊劃分時(shí)一定要考慮機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)，而且模塊的結(jié)構(gòu)和功能盡可能相似并對(duì)應(yīng)，從而使得模塊的物理結(jié)構(gòu)之間盡量獨(dú)立，不耦合；PAHL G和BEITZ W等[13]認(rèn)為在模塊化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，功能結(jié)構(gòu)的建立尤為重要，同時(shí)還從模塊技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的角度出發(fā)，將使用很少的變體從模塊中刪除掉了，使得模塊更適應(yīng)大規(guī)模制造；KRENG B V和LEE T[14]提出了一種非線(xiàn)性規(guī)劃方法來(lái)識(shí)別可分離模塊，同時(shí)優(yōu)化模塊的數(shù)目的方法，并將模塊化設(shè)計(jì)分為功能和物理相互作用分析、識(shí)別模塊化驅(qū)動(dòng)器外形的影響、使用非線(xiàn)性規(guī)劃模型以及使用分組遺傳算法優(yōu)化模塊化設(shè)計(jì)等4個(gè)階段；LI Jun和ZHOU Jing-kai等[15]提出了通過(guò)機(jī)械產(chǎn)品的特征來(lái)定義模塊，并根據(jù)模塊特征信息和語(yǔ)義關(guān)系將相似模塊劃分為一個(gè)集合，生成了模塊族，進(jìn)而提出了3種模塊化設(shè)計(jì)方法；HONG E和PARK G[16]提出了用公理化設(shè)計(jì)方法，將概念設(shè)計(jì)階段的功能需求映射到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矩陣，并通過(guò)模糊邏輯、遺傳算法和距離懲罰算法，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了聚類(lèi)和定義模塊；MUTINGI M等[17]認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮環(huán)境的保護(hù)與可持續(xù)性，面對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期，當(dāng)設(shè)計(jì)信息不完全時(shí)，提出了一種多準(zhǔn)則模糊分組遺傳算法，用于評(píng)價(jià)可能的模塊化設(shè)計(jì)；SAKUNDARINI N等[18]通過(guò)優(yōu)化算法，對(duì)模塊庫(kù)中的模塊進(jìn)行了重新排列或更改，以增加產(chǎn)品品種。

賈延林認(rèn)為模塊化劃分是建立在對(duì)系統(tǒng)功能分析和產(chǎn)品規(guī)格的基礎(chǔ)上的；高衛(wèi)國(guó)等[19]在分析具有相同功能的不同模塊及其變形的基礎(chǔ)上，抽象出了一種柔性模塊；章海峰和譚建榮等[20]提出了面向廣義工程更改的產(chǎn)品模塊劃分；侯文彬等[21]則將模塊劃分為無(wú)需更改的核心共享模塊、局部尺寸變化的柔性模塊和尺寸結(jié)構(gòu)需要較大改動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊，然后分別采用了不同算法設(shè)計(jì)模塊。

以上方法都是面向大規(guī)模定制的機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)方法，模塊劃分的結(jié)果是想得到獨(dú)立性較強(qiáng)、耦合性最小的結(jié)構(gòu)模塊，從而有利于模塊的組合與連接，便于模塊大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。這些研究從不同的角度，為模塊的劃分層次提出不同的思想，或側(cè)重于功能模塊的劃分，或側(cè)重于結(jié)構(gòu)模塊的劃分。側(cè)重于功能模塊的劃分，從設(shè)計(jì)便利的角度出發(fā)，沒(méi)有考慮到用戶(hù)對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的簡(jiǎn)單需求；而側(cè)重于結(jié)構(gòu)模塊的劃分，從產(chǎn)品及其零部件的結(jié)構(gòu)考慮，便于產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)，但提高了設(shè)計(jì)者的功能劃分難度。

目前，對(duì)于單批量、多規(guī)格、結(jié)構(gòu)模塊耦合的機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)少有研究，筆者針對(duì)這種機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)，從有利于設(shè)計(jì)者和用戶(hù)的角度出發(fā)，提出一種考慮耦合件的機(jī)械產(chǎn)品耦合模塊設(shè)計(jì)方法，并以艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法分類(lèi)

在模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，一般首先把機(jī)械系統(tǒng)按照功能原理劃分為若干個(gè)功能模塊，然后再以這些模塊為基本單元分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后加工、裝配出結(jié)構(gòu)模塊。

模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程是設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)活動(dòng)到客戶(hù)需求的一個(gè)映射，設(shè)計(jì)域到需求域的映關(guān)系如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)域到需求域的映射關(guān)系

功能模塊是面向設(shè)計(jì)者從有利于設(shè)計(jì)的角度劃分的模塊，結(jié)構(gòu)模塊是面向用戶(hù)從有利于應(yīng)用的角度劃分的模塊。設(shè)計(jì)者希望提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，而用戶(hù)卻希望模塊組合簡(jiǎn)單、滿(mǎn)足需求，二者考慮問(wèn)題的角度不同，因而功能模塊和結(jié)構(gòu)模塊之間可能會(huì)存在多種對(duì)應(yīng)情況。

如果功能模塊能與結(jié)構(gòu)模塊一一對(duì)應(yīng)，那么劃分的功能模塊就是一個(gè)“實(shí)用模塊”，這種設(shè)計(jì)方法稱(chēng)為實(shí)用模塊化設(shè)計(jì)，如圖1(a)所示。實(shí)用模塊的特點(diǎn)是模塊整體性強(qiáng)，模塊之間的邊界清晰，基本沒(méi)有耦合性，接口通用性好，有利于模塊互換。用戶(hù)很容易通過(guò)不同的組合方式，得到不同種類(lèi)和不同規(guī)格的機(jī)械裝置；而且因?yàn)槠淞己玫幕Q性，具有很高的裝配和維修速度。通過(guò)將模塊標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的設(shè)計(jì)，實(shí)用模塊化設(shè)計(jì)非常有利于機(jī)械產(chǎn)品的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。但是刻意強(qiáng)調(diào)模塊之間的顆粒性，則會(huì)導(dǎo)致模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積變大，零件利用率降低。

如果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的功能模塊在結(jié)構(gòu)化以后，結(jié)構(gòu)模塊之間出現(xiàn)交叉，在某一個(gè)要素上發(fā)生強(qiáng)耦合，則稱(chēng)為耦合模塊化設(shè)計(jì)，如圖1(b)所示。圖中結(jié)構(gòu)模塊i和結(jié)構(gòu)模塊i+1之間在某一要素上重疊，這時(shí)稱(chēng)該要素為耦合件。耦合件被兩個(gè)結(jié)構(gòu)模塊公用，不能強(qiáng)行將其拆解。如果被強(qiáng)行拆解并入任一模塊，則另一模塊將會(huì)散掉。這種功能模塊的結(jié)構(gòu)松散，不能稱(chēng)之為真正意義上的模塊，故稱(chēng)之為耦合模塊。

相比實(shí)用模塊化設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免耦合件的出現(xiàn)，考慮耦合件的模塊化設(shè)計(jì)中的耦合件則是有意引入的。耦合件會(huì)使機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變得緊湊，同時(shí)提高了零件利用率，但要注意耦合件是在不影響機(jī)械產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上引入的。耦合模塊化設(shè)計(jì)非常適合于單批量、多規(guī)格的機(jī)械新產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)。

當(dāng)模塊化的機(jī)械產(chǎn)品在不同規(guī)格的產(chǎn)品中互換，且該耦合件正好是置換件時(shí)，耦合件的引入在某種程度上反而提升了模塊裝配的重復(fù)度，導(dǎo)致裝配和維修時(shí)間和難度增加。此時(shí)，解耦就成為耦合模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 考慮耦合件的耦合模塊化設(shè)計(jì)方法

考慮耦合件的耦合模塊化設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 考慮耦合件的耦合模塊化設(shè)計(jì)流程圖

從圖2中可以看出：該方法主要是針對(duì)功能模塊獨(dú)立，結(jié)構(gòu)模塊耦合的模塊化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程主要包含：需求分析與功能模塊的劃分、功能模塊的構(gòu)建、模塊接口設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 需求分析和模塊劃分

考慮耦合件的模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先是將客戶(hù)需求進(jìn)行整理，按所提出的技術(shù)要求作出分析，明確機(jī)械產(chǎn)品的功能需求；然后利用功能原理和相似性原理等，將總功能逐步分解為若干個(gè)獨(dú)立的、功能單一的、有解的、接口良好的功能模塊(稱(chēng)為功能元)，最后選定功能模塊的傳動(dòng)方案。

該過(guò)程可以通過(guò)創(chuàng)建功能樹(shù)實(shí)現(xiàn)。功能樹(shù)的創(chuàng)建方法一種是自頂向下的方法，另一種是自底向上的方式。一般先采用自頂向下的方法進(jìn)行功能模塊的劃分，然后再用自底向上的方法進(jìn)行修正。自頂向下的設(shè)計(jì)方法從機(jī)械系統(tǒng)的總功能出發(fā)，逐步進(jìn)行劃分，直到劃分的功能單元可以求解出具體的傳動(dòng)方案和物理結(jié)構(gòu)，劃分過(guò)程中同時(shí)還要確立各模塊之間的相互關(guān)系。

2.2 功能模塊的構(gòu)建

機(jī)械系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要依靠具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，功能模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程就是功能域向需求域的映射過(guò)程。這一步主要是對(duì)功能模塊的初步結(jié)構(gòu)化進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到各模塊的基本結(jié)構(gòu)和基本尺寸。為了搞清楚各模塊之間的裝配關(guān)系，筆者首先需要繪制功能模塊結(jié)構(gòu)的組合關(guān)系圖，然后選擇組成各模塊的零部件，并對(duì)其進(jìn)行幾何形狀和尺寸參數(shù)的初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮模塊的接口零件是否需要耦合，并對(duì)耦合件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)各模塊的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 功能模塊結(jié)構(gòu)組合關(guān)系圖的繪制

從結(jié)構(gòu)組合的角度描繪出各功能模塊的關(guān)系圖，不僅可從結(jié)構(gòu)上詳細(xì)規(guī)劃各功能模塊之間的功能傳遞關(guān)系，還可從中體現(xiàn)它們之間的約束關(guān)系。

功能模塊的結(jié)構(gòu)組合關(guān)系是一種基于結(jié)構(gòu)組合的功能模塊關(guān)系，具體如圖3所示。

圖3 功能模塊的結(jié)構(gòu)組合關(guān)系

繪制功能模塊的結(jié)構(gòu)組合關(guān)系圖一般應(yīng)從機(jī)架開(kāi)始，按照功能傳遞關(guān)系繪制各個(gè)模塊。圖3中，雙箭頭表示兩功能模塊之間在結(jié)構(gòu)上存在直接連接關(guān)系，功能模塊結(jié)構(gòu)化過(guò)程中可能存在耦合件。

2.2.2 各模塊零部件組成與連接關(guān)系的選定

根據(jù)功能模塊的方案，筆者設(shè)計(jì)選定組成各模塊的零部件的類(lèi)型、特點(diǎn)及性能等，同時(shí)確定各零部件之間的連接關(guān)系及各模塊之間的接口關(guān)系，然后繪制機(jī)械產(chǎn)品的功能模塊零件組成與連接關(guān)系，如圖4所示。

圖4 功能模塊的零件組成與連接關(guān)系

圖4中，雙箭頭實(shí)線(xiàn)代表零部件之間有連接關(guān)系，虛線(xiàn)代表兩模塊之間有接口。

2.2.3 零部件幾何形狀和尺寸的設(shè)計(jì)

根據(jù)選定的零部件，設(shè)計(jì)其具體的幾何形狀，初步選擇尺寸參數(shù)，以便確定模塊接口之間是否耦合。

2.2.4 耦合件的設(shè)計(jì)

耦合件處于兩個(gè)串聯(lián)模塊的接口處，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮：(1)模塊之間的功能輸入、輸出的傳遞關(guān)系，確保功能順利傳遞，如串聯(lián)機(jī)構(gòu)中前一個(gè)機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件輸出的運(yùn)動(dòng)一定要滿(mǎn)足后一個(gè)機(jī)構(gòu)中主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)要求；(2)確保模塊之間不產(chǎn)生空間位置、運(yùn)動(dòng)的干涉；(3)耦合設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)尺寸變得緊湊，但不影響拆裝效率；(4)耦合件是否是置換件。

在設(shè)計(jì)之前，一定要先判斷耦合件是否是一個(gè)置換件，如果不是就按照一般耦合件進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)只需考慮將兩個(gè)模塊的接口零件進(jìn)行合并，并按照一般的零件接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如果耦合件是置換件，在置換時(shí)就會(huì)影響拆裝效率，一種解決辦法是仍然采用原來(lái)的辦法，將兩個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)；另一種辦法是根據(jù)功能要求將耦合件割裂成許多大小不等的塊，然后根據(jù)尺寸、規(guī)格要求在各塊之間設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)接口，將耦合件設(shè)計(jì)成尺寸可調(diào)的零部件。耦合塊之間的接口主要是滿(mǎn)足不同尺寸調(diào)整需要的，所以螺紋連接設(shè)計(jì)居多。需要注意的是：割裂耦合件的時(shí)候，一定要保證模塊之間的連接性能和機(jī)械系統(tǒng)的整體性能不能受到損失。

2.3 模塊接口設(shè)計(jì)

模塊接口是指結(jié)構(gòu)模塊在組合時(shí)，各模塊之間的滿(mǎn)足一定幾何、物理關(guān)系的結(jié)合面，是模塊之間進(jìn)行對(duì)接交互的方式，接口設(shè)計(jì)的好壞直接影響模塊的裝配問(wèn)題和機(jī)械裝置的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和精度等性能。

模塊接口在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于連接和分離；(2)滿(mǎn)足機(jī)械系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度等性能要求；(3)便于機(jī)械產(chǎn)品通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化；(4)便于加工制造。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)各功能模塊之間的技術(shù)要求進(jìn)行分析，選擇適用的接口形式。結(jié)構(gòu)模塊之間的接口有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之分，動(dòng)態(tài)接口主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)副或機(jī)械動(dòng)連接的形式實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)接口主要是通過(guò)機(jī)械靜連接的方式實(shí)現(xiàn)；然后在保證功能需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)接口綜合性能選擇出接口的基本形狀，并給出接口的參數(shù)；最后對(duì)設(shè)計(jì)的接口進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐磨性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析計(jì)算。

2.4 結(jié)構(gòu)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)

完成上述初步設(shè)計(jì)后，筆者根據(jù)各個(gè)模塊的基本結(jié)構(gòu)和基本尺寸，綜合考慮零部件的工作能力、裝配、調(diào)整、潤(rùn)滑和加工工藝等，完成所有零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)及零件圖和工作圖的繪制。

3 艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

筆者研制的艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)用于測(cè)試不同型號(hào)的艙門(mén)運(yùn)動(dòng)性能，適合采用考慮耦合件的耦合模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)要求如下：

(1)一套開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)可完成直徑不同的多個(gè)型號(hào)艙門(mén)的開(kāi)關(guān)試驗(yàn)，艙門(mén)除外形尺寸有所差別外，結(jié)構(gòu)基本相同；

(2)試驗(yàn)時(shí)艙門(mén)豎直安裝在測(cè)試空間內(nèi)，門(mén)軸在上，需要使用開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)操作艙門(mén)上兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄和一個(gè)把手；

(3)操作兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均要求雙向任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出力矩接近；

(4)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)安裝在測(cè)試空間內(nèi)艙門(mén)門(mén)框上；

(5)限制測(cè)試裝置的重量。

3.2 功能模塊的劃分

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求可知，開(kāi)關(guān)艙門(mén)需要先后操作兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄和一個(gè)把手，故艙門(mén)開(kāi)關(guān)需要3個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄和艙門(mén)把手的操作，同時(shí)還要能夠方便地安裝在直徑大小不同的艙門(mén)門(mén)框上。

由于艙門(mén)上的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)要求相似，可以采用同一種機(jī)構(gòu)分別對(duì)這兩個(gè)手柄進(jìn)行操作。筆者根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)功能原理及相似性原理，將整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)分為3個(gè)功能模塊：手柄轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、把手推拉模塊和支撐模塊。

4 艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的耦合模塊化設(shè)計(jì)

4.1 功能模塊的結(jié)構(gòu)組合分析

艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)模塊和把手推拉模塊均需固定在支撐模塊即機(jī)架上，所以這3個(gè)模塊與機(jī)架之間都有可能存在耦合件。

4.2 各模塊零部件組成

艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的各模塊零部件組成如圖5所示。

圖5 艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的各模塊零部件組成1—撥桿；2—撥桿梁；3—傳動(dòng)軸；4—托盤(pán)；5—圈梁；6—減速器1；7—電機(jī)1；8—電機(jī)2；9—減速器2；10—傳感器；11—軸承座；12—轉(zhuǎn)軸；13—上連桿；14—橫梁立柱連接塊；15—下連桿；16—艙門(mén)；17—門(mén)框；18—縱梁；19—橫梁；20—立柱；21—門(mén)框立柱連接塊

從圖5中可以看出：支撐模塊由縱梁、橫梁和立柱組成，縱梁與橫梁之間通過(guò)嵌入方式和螺紋連接在一起，橫梁和立柱、立柱和門(mén)框之間分別通過(guò)橫梁立柱連接塊和門(mén)框立柱連接塊進(jìn)行連接。

把手推拉模塊的動(dòng)力經(jīng)電機(jī)2、減速器2、轉(zhuǎn)軸、上連桿、下連桿傳遞給艙門(mén)把手，力矩傳感器2裝在轉(zhuǎn)軸上，間接測(cè)量開(kāi)(關(guān))門(mén)力。整個(gè)傳動(dòng)裝置安裝在軸承座上，軸承座固定在支撐架橫梁上。軸承座與橫梁的連接即是這兩個(gè)模塊之間的接口，連接簡(jiǎn)單，不存在耦合關(guān)系。

手柄轉(zhuǎn)動(dòng)模塊主要由電機(jī)1、減速器1、傳動(dòng)軸、力矩傳感器1、托盤(pán)、撥桿梁、撥桿等組成，動(dòng)力從伺服電機(jī)1開(kāi)始，經(jīng)過(guò)減速器1、傳動(dòng)軸、撥桿梁傳遞給撥桿，其傳遞關(guān)系如圖5所示。力矩傳感器1安裝在托盤(pán)和傳動(dòng)軸之間，托盤(pán)與減速器通過(guò)一個(gè)圈梁連接在一起，從而使得所有零部件組成一個(gè)完整的獨(dú)立的模塊。圈梁也是手柄轉(zhuǎn)動(dòng)模塊與支撐模塊的接口，通過(guò)軸孔配合的方式保證安裝精度，然后通過(guò)螺紋連接在縱梁上。

4.3 耦合件設(shè)計(jì)

以上3個(gè)模塊獨(dú)立成一體，各自之間有良好的接口，但是該設(shè)計(jì)方法的結(jié)果使支撐模塊上的縱梁寬度占據(jù)艙門(mén)直徑一半以上，導(dǎo)致整個(gè)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)體積龐大，重量增加；同時(shí)，在不同直徑艙門(mén)上使用時(shí)需要替換不同的縱梁，會(huì)導(dǎo)致裝配時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，還可能影響零件之間的配合精度降低。

筆者通過(guò)分析，手柄轉(zhuǎn)動(dòng)模塊上的圈梁和支撐模塊上的縱梁可以合二為一，耦合在縱梁上。但是，為適應(yīng)不同直徑的艙門(mén)上的手柄和把手位置，當(dāng)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)安裝在不同直徑的艙門(mén)上時(shí)，需要更換縱梁，所以縱梁屬于置換件。按照耦合模塊的設(shè)計(jì)方法，筆者將耦合件縱梁割裂成兩大塊——縱梁上段和縱梁下段，二者之間通過(guò)螺紋連接方式進(jìn)行連接與尺寸調(diào)整，實(shí)現(xiàn)耦合件——縱梁的解耦。

縱梁解耦設(shè)計(jì)結(jié)果比較如圖6所示。

圖6 縱梁解耦設(shè)計(jì)結(jié)果比較

通過(guò)圖6可以看出：割裂后的縱梁相比整體縱梁，既滿(mǎn)足了在不同直徑艙門(mén)上測(cè)試時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄不同中心距的要求，又避免了縱梁的置換，同時(shí)還減輕了重量。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種考慮耦合件的耦合模塊化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)引入耦合件使得機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變得緊湊，功能模塊之間尺寸可調(diào)；同時(shí)給出了耦合件尤其是置換件及其接口的設(shè)計(jì)方法。

筆者結(jié)合航天器艙門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用考慮耦合件的模塊化設(shè)計(jì)方法將該機(jī)構(gòu)劃分為3個(gè)模塊進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，將手柄轉(zhuǎn)動(dòng)模塊和支撐模塊的接口進(jìn)行耦合，將耦合件—縱梁設(shè)計(jì)成尺寸可調(diào)的模塊，既不影響縱梁的支撐作用，還有效解決了兩個(gè)手柄中心距的調(diào)節(jié)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)證明：該機(jī)構(gòu)能夠順利完成在熱真空環(huán)境下的艙門(mén)開(kāi)啟測(cè)試問(wèn)題。

該模塊化設(shè)計(jì)方法既有利于并行設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，又提高了零件利用率，還不影響整個(gè)裝置的使用效率。設(shè)計(jì)方法適用于單批量、多規(guī)格的機(jī)械新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。