机床模块化设计的研究

2017-01-05贾元林

甘肃科技纵横 2016年12期

关键词：型谱模块化部件

杨静，贾元林

（1.天水师范学院机电学院，甘肃天水 741000；2.天水市长城开关厂有限公司，甘肃天水 741000)

机床模块化设计的研究

杨静1，贾元林2

（1.天水师范学院机电学院，甘肃天水 741000；2.天水市长城开关厂有限公司，甘肃天水 741000)

随着制造业的快速发展，模块化的设计成为敏捷性制造的重要途径，它不仅缩短了制造周期，而且实现了产品的多样化。本论述介绍了模块化设计的概念及分类，提出了模块化设计的优点及步骤即：首先通过市场调研，进行功能分析，建立功能结构，然后划分模块的系列型谱，最后完成模块之间的组合；并以组合机床的模块划分为例，进一步说明了模块化设计方法在机床中的应用。

模块；机床；模块化设计

0 引言

随着制造装备业的快速发展，机床的更新换代不断加速，为了缩短开发周期，以最快速度响应市场变化的需求，模块化设计具有重要意义。模块化设计是通过模块之间的重组性及互换性，创建出不同功能的产品，它不仅使企业在市场竞争者中掌握主动权，而且为创新设计和变型设计提供依据，为实现敏捷制造奠定基础，因此，本论述就模块化设计的原则进行探讨。

1 有关模块化设计的概念

1.1 模块的概念

模块作为模块化设计的基本要素，是指系统中结构独立，彼此之间存在定义好的接口，且具有一定功能的零件、组件或部件。一个部件成为模块的条件是：部件的功能、空间以及其他接口特征存在于模块化产品的特定标准接口允许的范围内。

模块根据功能可划分为：基本模块、辅助模块、特殊模块等。

（1）基本模块：实现系统中最基本的功能，是不可缺少的模块。

（2）辅助模块：实现系统之间连接的模块。

（3）特殊模块：实现特殊功能的模块。

1.2 模块化设计的概念

模块化设计应用于机械、电子、家具等诸多行业中，通过模块之间的相互组合，可设计出不同的变型产品。基本概念是：为了开发多种不同功能结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合，构造出具有不同功能结构和性能的多种产品。

模块化设计以用户需求为导向，通过市场调研和经济技术评价，确定模块的系列型谱。模块的系列型谱分为纵系列型谱、横系列型谱、跨系列模块。纵系列型谱为系统中模块的功能及原理方案相同，结构相似，但尺寸参数不同。例如，德国SHW厂生产的工具铣床，只需改变床身和横梁2个基础件的高度和长度，就可以得到3种纵系列规格的产品。横系列型谱是在一定基型产品的基础上更换或添加模块，以得到扩展功能的同类变型产品。跨系列模块为采用相同的基础件和通用件的不同类型产品。但机床行业的模块化设计并不是各模块之间的简单拼接，模块的强度、刚度以及接口的标准化都是模块化设计过程中的难点，因此，如何系统地协调各模块之间的关系是机床模块化设计研究的一个方向。

2 模块化设计的步骤

2.1 明确任务

以市场需求为导向，明确产品的总功能，在市场调研的基础上，以需求最为广泛的作为主要模块，摈弃市场需求较少而又制造代价高的模块。例如，以车床的需求为例，通过一些企业的调查，无尾座的切削占60%～82%，因此，无尾座的设计作为主要模块，尾座可作为特殊模块类设计。

2.2 建立功能结构

此阶段的主要任务是在明确总功能的基础上，进行功能分析，划分各个子功能，再转化为相应的功能模块。见图1所示，模块分类图。总功能分解为基本功能、辅助功能、特殊功能，转化为相应的模块。以车床为例，首先通过市场调研，明确任务，根据车床的切削原理，划分为4大基本功能，再具体化为九大功能模块，以便组合成不同功能的车床，见图2所示。

图1 模块分类

图2 车床的功能结构

2.3 确定模块的系列型谱

模块化设计在应用时也应该遵循系列化设计的原理，即：每类模块具有多种规格，而每种规格参数按照优先数系的公比划分。若公比小，则模块划分较细，虽可能组合成较多的变型产品，但系列型谱内的许多优点得不到充分发挥。反之，若公比较大，模块划分过粗，得到的变型产品规格种类较少，难以满足用户的需求。因此，必须在市场调研的基础上，通过全面的技术分析，才能确定最佳公比。

2.4 各模块的组合

按照不同功能划分的模块，组合时遵循以下原则：（1）如何以较少的模块种类组合出尽可能多的产品为目的；（2）各模块的结合面要保证具有良好的强度、刚度，以满足零件抗震性的要求；（3）尽可能遵循“四化原则（标准化、系列化、通用化、典型化），以确保各模块连接时的通用性及快速更换。

对于机床而言，各模块的组合并不是模块之间简单的拼凑，接口部分是直接影响机床性能的关键部位,据统计,整机阻尼的70%,刚度的60%决定于接口,所以接口部分的设计在整个模块化设计中占有重要地位。

3 模块化设计的优点

模块化设计在缩短产品的制造周期，快速响应市场，加强市场的竞争力等方面有显著的优势，此外，模块化设计还有以下优点。

（1）随着科学的发展，用先进的技术设计出新模块，取代旧模块，提高产品的技术性能，加快产品的更新换代。

（2）采用模块化设计，只需更换部分模块，或设计更改个别零件，就可推出满足用户要求的产品，不仅缩短了设计周期，而且提高了产品的更新换代。

（3）模块化设计中的大部分零件都由模块组成，如果机器发生故障，只需更换相关模块即可，因此，维修方便，耗时短，对生产的影响较小。

（4）模块化设计方法推动了整个企业技术、生产、管理和组织体系的改革。由于产品的大多数零部件由单件小批量生产性质变为批量生产，有利于采用成组加工等先进技术，有利于组织专业化生产，即提高质量，又降低成本。

4 应用举例

模块化设计在专用机床中最典型的应用就是组合机床的设计。所谓组合机床就是根据工件的加工需要，以大量的通用部件（据统计：组合机床的通用件与标准部件占零件总量的70%～90%）为基础，配以少量专用部件和夹具而组成的一种高效专用机床。图3所示，典型的单工位三面钻床，其中夹具7、多轴箱8、中间底座2为专用部件，需要根据加工零件的结构自行设计外，其余部件都为通用件与标准部件，用户根据不同的需要可将通用件模块与标准件组合成不同形式与功能的机床。组合机床采用采用模块化设计原则，不仅缩短了制造周期，维修更换零部件方便，而且由于组合机床采用多刀加工，自动化程度高，提高了经济效率。