机械设计中的模块化设计

2019-02-17李薇

设备管理与维修 2019年7期

李薇

（南充职业技术学院机电工程系，四川南充 637131）

0 引言

中国制造2025国家战略的提出，推动我国工业化和信息化的深度融合，对机械制造业的发展提出更高的要求。传统的机械设计生产成本高，维修难度大，更新换代慢，适合于大批量、规格相近的产品加工[1]。采用模块化设计方法进行机械设计，能优化设计过程，提高设计效率，重组产品结构，缩短机械制造周期，在保证生产质量的基础上降低成本，同时满足用户个性化需求[2]。

1 模块化设计的特点

模块化设计是指将产品要素按照性能和规格进行功能划分，将其规划为一个个的模块，通过对模块进行设计、制作、选择、组合构成新的系统，产生多种不同功能、不同性能的系列产品，具有设计周期短、制造成本低、维修简单等特点[3]。① 传统机械设计从产品构思到模具设计再到成品加工，设计周期长，生产线复杂。模块化设计能进行模块之间的有效组合，并根据实际需求进行调整，形成特定产品，设计周期短；②模块化设计能通过科学的组合，用最少的模块组合实现所需功能，能用一种设计满足不同产品需要，减少对机械的重复设计，有效降低成本；③模块化设计结构具有良好的互换性，当机械设备出现故障后，只需进行故障模块的调试或更换，避免大规模检修，简化维修程序，提高维修效率。

2 模块化设计的基本流程

2.1 模块化可行性分析

在进行机械产品模块化设计之前，要进行模块化需求及可行性分析。根据顾客使用需求、企业生产需求、市场发展需求等方面确立设计目标，并结合技术难点、经济预算、开发周期、市场环境等方面进行模块化可行性分析，制定模块化设计方案，评估模块化设计是否可实施，设计之后的产品能否具有较好的生产质量和经济效益。

2.2 模块划分

模块是具有特定结构和功能，组成系统的独立单元。模块划分是模块化设计的重要基础，要求满足机械产品组成结构的独立性和整体功能的完整性，保证其精度及可靠性的同时控制模块的数量。模块划分主要包括功能模块和结构模块两大类，功能模块主要由基本模块、辅助模块、特殊模块等组成，结构模块以产品零件为基础划分标准模块，要求简化零件加工步骤，提高装配质量。

2.3 模块功能确定

在对机械产品模块划分后，要结合使用需求对模块的总功能进行确定，并将其分解为独立的功能单元，包括单一功能模块和多种功能模块。单一功能模块如数控机床的立柱和横架的支撑功能，传动轴和进给箱的传动功能，刀具监测装置和工件监测装置分别实现对刀具和工件的监测功能。多种功能模块如卡爪和工作台能实现工件定位和旋转等功能，刀架能实现刀具的定位、夹紧、松开等功能。

2.4 模块组装

为实现模块的合理配置，保证模块化机械产品的实际应用，要对各模块进行科学组装。要合理布局，保证组装的完整性。对模块接口进行标准化设计，增强模块组装稳定性。调整具体参数，使每个模块的功能高效发挥作用。优化模块配置，使模块具备可更换功能，降低故障模块对其他模块和机械整体功能的影响。

2.5 模块调试

模块化设计完成前要对机械产品质量进行检查和验收，包括结构合理性、接口稳定性、柔性化程度、生产成本及效率等。经检验产品各项参数和指标都要符合相关设计要求，保证其能满足设计目标才能投入生产使用，否则需要进一步优化设计，保证产品达到运行要求。

3 模块化设计与现代制造技术的融合

3.1 计算机辅助技术

利用CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）、CAM（（computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）、CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）等计算机辅助技术对产品进行建模，在虚拟环境中实现对产品的设计、仿真、加工。计算机辅助技术能存储模块化设计标准，简化对产品尺寸和参数的计算。利用建模和测量软件将产品结构数据化，利用数字文件充当制造模具，接受计算机传输指令，对设计的产品进行虚拟加工，检验设计效果，能有效缩短设计周期，节省原材料。

3.2 柔性制造技术

柔性制造技术是在计算机软件的和数据库的支持下，结合信息技术、自动化技术、机械加工技术，根据产品的设计要求、性能参数、生产批量对机械设计和制造的过程进行控制，具有高效率、高质量和高可靠性。模块化设计对柔性制造技术的应用主要在利用模块的组合实现1机多用、1模多用，用一种设计满足不同产品需要，进行柔性制造。