模塊化設(shè)計(jì)方法探究與應(yīng)用

劉徐三

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

1 引言

模塊化是以系統(tǒng)工程原理、方法作為指導(dǎo)，以標(biāo)準(zhǔn)化原理、方法及各種邏輯思維方法作為基礎(chǔ)，以方法論為依據(jù)，將產(chǎn)品或系統(tǒng)歸納和抽象綜合起來的工作方法和思維方法，是時代的需求和市場經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)物。模塊化設(shè)計(jì)已經(jīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，簡單表述為：新產(chǎn)品（系統(tǒng)）=通用模塊（不變部分）+專用模塊（變動部分）[1-2]。

模塊化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構(gòu)成一些具有特定功能的模塊，將這些模塊作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，它不是針對單一產(chǎn)品，而是面向產(chǎn)品的整個系統(tǒng)[3]。其應(yīng)用理念與方法已不僅限于制造業(yè)、軟件與電子信息等傳統(tǒng)行業(yè)[4]，已經(jīng)推廣到了工程建設(shè)[5]、園林[6]、語言研究方法[7]等領(lǐng)域。

2 模塊化設(shè)計(jì)方法

模塊化設(shè)計(jì)可以分為兩個維度，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期維度和產(chǎn)品的層次（成套裝置層、整機(jī)層、部件層和零件層）維度。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期維度來講，可分為新產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、有產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)和個性定制產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)。模塊化主要采取的是自上而下和自下而上相結(jié)合的方法，以自上而下為主。其實(shí)質(zhì)是對產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的分解：成套裝置→整機(jī)→部件→零件。下面對產(chǎn)品模塊化建模方法進(jìn)行說明[8]。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)和模塊接口定義

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)是模塊化設(shè)計(jì)，是已有產(chǎn)品、新產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)過程所共有的功能，包括零件集合形狀分析、參數(shù)分析、建立模塊主模型和各種主文檔等。

2.2 模塊化產(chǎn)品平臺總體構(gòu)建

該階段主要是模塊化產(chǎn)品平臺總體構(gòu)建的完成，總體結(jié)構(gòu)信息描述體系的形成，建立了各模塊之間的關(guān)系，便于訂單產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)選用。其與新產(chǎn)品開發(fā)和個性定制產(chǎn)品的關(guān)系如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品開發(fā)和個性定制訂單產(chǎn)品設(shè)計(jì)的階段關(guān)系

建立產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)描述了一個可配置的、包括所有模塊在內(nèi)的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)的組成情況，可根據(jù)不同客戶的需求，從產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)中派生出客戶定制產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)。

產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)面向產(chǎn)品族，包括：①組成產(chǎn)品時必須的基本模塊，如工業(yè)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)自、氣缸、控制系統(tǒng)等；②必須按照一定規(guī)則從產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)中指定的模塊族中選擇組層到產(chǎn)品中的必選模塊，如工業(yè)汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)可以從多個廠家中選擇最合適的一種；③可以按照一定規(guī)則從產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)中選擇具有一定定制功能的可選模塊，如坑道鉆機(jī)中的孔口防噴裝置。

建立模塊分類樹。為了提高產(chǎn)品模塊的通用率，模塊不僅按產(chǎn)品的隸屬關(guān)系分類，還按照模塊的功能和相似性分類，從而建立模塊分類樹。分類方法主要包括層次式和非層次式分類方法。

建立文檔分類樹。為了提高文檔的通用率和檢索效率，文檔不僅與產(chǎn)品一起分類，還可以按照文檔所屬的產(chǎn)品進(jìn)行分類，并對不同層次的文檔進(jìn)行分類。

2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)系列化設(shè)計(jì)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)系列化是經(jīng)過對同一列產(chǎn)品發(fā)展規(guī)律的深入分析研究、技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比，將主要尺寸、基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理計(jì)劃、安排，形成系列，但并非所有產(chǎn)品都需要進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)系列化設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用ZDY4000Nm系列鉆機(jī)的模塊化主模型建立

定制鉆機(jī)的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，有利于縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期，提高已有資源利用率和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度，降低系列化產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理成本[9]。

3.1 結(jié)構(gòu)模塊劃分與分析

采用模塊化設(shè)計(jì)思維建立ZDY4000Nm鉆機(jī)模塊化主模型。根據(jù)各礦區(qū)施工需求，ZDY4000Nm鉆機(jī)有長機(jī)身、中機(jī)身、短機(jī)身三個版本，其中又可配套不同型號的卡瓦以適合不同尺寸的鉆桿。根據(jù)模塊劃分原則和模塊化設(shè)計(jì)方法，將鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件劃分為：①一級模塊劃分?；灸K分為操縱裝置、行走車體、電動機(jī)泵組、油箱；必選模塊分為調(diào)角裝置、回轉(zhuǎn)給進(jìn)裝置；可選模塊分為孔口裝置、座椅。②二級模塊劃分。以必選模塊“回轉(zhuǎn)給進(jìn)裝置”為例，回轉(zhuǎn)給進(jìn)裝置根據(jù)軌道長短劃分為“長軌道”“中軌道”“短軌道”三個不同版本。主結(jié)構(gòu)劃分，基本模塊分為變速箱、底座、夾持器底座；必選模塊分為卡盤、夾持器、軌道；可選模塊分為傾角指示盤。③三級模塊劃分。三級模塊不再劃分下一級，有零件和外購不減劃分。以回轉(zhuǎn)給機(jī)裝置中卡盤為例，開盤根據(jù)卡瓦型號不同可分為不同版本?？ūP主結(jié)構(gòu)劃分，基本模塊分為卡盤體、傳扭盤、膠筒、彈簧、前蓋、端壓蓋；必選模塊分為卡瓦。

3.2 繪制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)模塊劃分表繪制產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 ZDY4000Nm鉆機(jī)模塊化主結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

模塊化設(shè)計(jì)能夠解決客戶在低成本、高質(zhì)量和個性化方面的要求，基于合理的產(chǎn)品模塊化體系，可以快速地組合成滿足客戶需求的個性化產(chǎn)品，同時又可以通過通用模塊的批量生產(chǎn)和批量管理降低生產(chǎn)和管理成本，模塊化設(shè)計(jì)必將成為未來制造業(yè)的核心技術(shù)之一；針對國內(nèi)煤礦企業(yè)對個性化定制鉆機(jī)的需求，采用模塊化設(shè)計(jì)方法對ZDY4000Nm鉆機(jī)主結(jié)構(gòu)按一級、二級、三級進(jìn)行模塊劃分，鉆機(jī)各組成部分更加系統(tǒng)化、直觀化，能夠有效提高資源利用率和零部件通用率，降低生產(chǎn)和管理成本。