抓取装置的模块化设计

熊艳华 赵 伟 梁 楠

（武汉人天包装技术有限公司中南包装机械研究所，湖北 武汉 430205）

模块化设计是现代机械产品设计的一种新思路，它是在不改变产品整体功能的前提下，通过对产品的结构进行重组，或者是对设计过程进行重新排序，进而改进产品的某些零件来改进产品，从而形成的一种新型设计方法［1，2］。20世纪初，欧美一些国家的开发人员首先提出模块化设计的概念［3］，通过设计一些不同规格尺寸的架体、底座，用它们组成一组功能相同却有不同规格的产品系列［4］，为现代的模块化设计思路作了一个铺垫。在技术领域的发展过程中，模块化设计被越来越多的设计开发人员认识理解并应用，就形成了现代的模块化设计理念。

模块化产品，顾名思义，就是将产品划分为一个个模块［5］，这些模块相对独立，具有独立的功能和独立的输入输出部件，但又能实现产品的整体功能。目前，越来越多的专家关注模块化设计思想，对于其分类也从不同的角度给予了不同的说法。总的来说可以归纳为两类：① 按产品的功能来分解模块的模块化设计方法［6］。该种方法主要以产品整体的功能为基础，详细分析产品功能的阶段点，并根据不同的功能点将产品划分为各个相对独立的单元模块，通过这些单元模块的不同分配组合来构成满足不同的客户需求的不同产品。该种分配方法没有将各个模块内部的细部结构作为设计重点。② 按产品或零部件的结构来组成分模块的模块化设计方法［6］。该种方法主要分析了产品零部件的具体结构，从整体细部结构来确定各个分模块的结构，通过对分模块的重组来形成该产品的模块化设计。但该种方法涉及的面比较窄，只适用于结构相对比较简单，仅某个零部件形状比较复杂的产品。

模块化设计的主要目的是适应不同的产品模式，以低成本生产出尽可能多的适应市场发展的产品，确保产品的实用性、适应性和经济性在市场上立于不败之地。同时由于组成产品的这些分模块在不改变产品整体性能的基础上，可以有不同的组合和分配，这样根据组合原理，各个分模块的不同配置又能形成多样化的产品，这样也使企业开发出了系列产品，利于满足不同客户的各种需求。

目前机器人抓手的应用比较广泛，但是就成本而言，抓取装置的设计成本明显更适应大多数企业的发展。本试验中研究的抓取装置是取代机器人抓手的一种新型设计，主要用于生产线上的输送线成品物料的抓取［7］。本试验以抓取装置为例，分析了抓取装置的细部结构和主要功能，从结构的设计上主要考虑了各个分部件的衔接和分部件内部的设计，从功能的重组上主要考虑了整体装置的功能，其中重点对按功能划分的模块化设计方法作了一定的诠释，对各个分模块作了细节上的描述和分析。

1 抓取装置的模块组成

抓取装置主要包括以下几个模块：附件安装模块、抓取模块、吸取模块以及相应的气缸模块。如图1所示。

图1 抓取装置模块Figure 1 Modular of snatch equipment

1.1 附件安装模块

附件模块中主要包括的模块有：与相应机器人配套的法兰模块，支撑抓取装置的框架模块，以及与机器人配套的气动元件模块（真空发生器、调压阀、电磁阀、消声器、气管等）［8］。如图2所示。

图2 附件安装模块Figure 2 Modular of accessory equipment

在功能分配上，本模块主要是完成气路和真空系统的通畅。在结构上，本模块主要是完成抓取系统和机器人的连接。本模块的独立性在于，可以针对不同的机器人及客户的其他需求进行法兰和框架的结构及功能上的设计和修改。

1.2 抓取模块

抓取模块中主要包括的模块有：夹取模块及相应的气缸模块，滑块模块，支撑结构模块［8］。如图3所示。

图3 抓取模块Figure 3 Modular of snatch

在功能分配上，本模块主要是完成输送线成品物料的抓取［9］。在结构上，本模块主要是完成抓取系统和附件安装模块的连接。本模块的独立性在于，可以适应于不同的成品物料结构和类型及客户的其他需求，并能根据这些进行结构及功能上的设计和修改。成品物料的结构变化可以通过夹取模块的结构变化、滑块模块中滑块的行程更换、气缸模块中的气缸行程及安装结构的变化来适应。本模块还可通过设计和更改支撑模块中的零部件来适应不同成品物料的体积和重量。

1.3 吸取模块

吸取模块中主要包括的模块有：吸盘模块及相应的气缸模块，支撑结构模块。如图4所示。

图4 吸取模块Figure 4 Modular of imbibition

在功能分配上，本模块主要是配合抓取模块完成输送线成品物料的吸取［9］。在结构上，本模块主要是完成与抓取系统的连接。本模块的独立性在于，对不同的成品物料结构和类型，均能根据此模块的改进来设计出相适应的类型，且对于客户的其他需求也能进行结构及功能上的设计和修改。成品物料的结构变化可以通过支撑模块的结构变化、气缸模块中的气缸行程及安装结构的变化来适应。本模块还可通过设计和更改吸盘模块中的零部件来适应不同类型的成品物料及相应的体积和重量。

2 抓取装置的模块化设计研究

模块是模块化设计和制造的功能单元的基础［10］，有以下几个特点：

（1）相对独立性，这就意味着对各个模块可以单独进行设计、制造、装配和调试，也便于由不同的专业化企业分别进行生产。本抓取装置的各模块在设计过程中遵循了独立性原则，在装配和调试上均可单独进行，确保设计的完整和可实现性。

（2）互换性［11］，通过对模块接口处的参数进行标准化，使各模块之间具有互换性，从而使模块满足不同产品的需求。本抓取装置设计的各个模块在接口部分的结构设计大多采用市场可购买的成品件，如型材、角钢等，使得整个产品的可互换性更合理，能满足客户的不同产品的规格需求。

（3）通用性，使各个模块在该领域内具有通用功能，有利于实现产品间的模块的通用。本抓取装置的研究在模块的通用性上针对了各生产线上的所有机器人系列的物料抓取。

模块是模块化设计的起点和基础［10，12］，设计开发人员对模块的关注度也反映了模块化设计的推广程度，也是一种新的设计理念的实施。本试验利用已有的经过生产和市场验证的模块，如结构上的型材角钢、功能上的气缸传动设计等，不仅降低了设计风险，也在一定程度上提高了产品的可靠性。本试验以不改变产品的整体性能为开发原则，在抓取装置中通过升级其中的单个模块的性能或改变其中的结构来提高产品的整体性能和可靠性，且不对产品的其它模块产生影响。各个分模块在功能上的独立性和一致性，使各个分模块可以相对独立地开发设计、改进和验证，从而形成一种新的产品模式。针对客户的多样性需求可以对各个模块进行不同组合，不同配置，确保这些组合能在最大程度上反映产品功能要求并能适应市场需求。

3 总结

抓取装置的模块化设计的研究目的主要表现在3个方面：以低成本实现产品多样化、提高产品的利用率、促进制造技术的发展。

模块化的意图和最终目的就是为了满足人们对多样化的需求和适应激烈的市场竞争，实现最佳的效益和质量。企业应该把模块化设计扩展到产品生产和服务的设计上，提高自身的创新速度，增加市场竞争力。

1 肖衡.挑战中的我国包装机械企业发展对策［J］.包装与食品机械，2009，27（4）：50～52.

2 欧阳中和.浅论机械产品模块化设计技术［J］.装备制造技术，2007（11）：103～105.

3 张耀全.中国包装工业的现状及发展趋势［J］.包装世界，2009（4）：6～8.

4 Umut Asan.An integrated method for design modular prod ucts［J］.Journal of Manufacturing Technology Management，2004，15（1）：29～49.

5 浦玉祥，苏军.机械的模块化设计在包装领域中的应用［J］.包装与食品机械，2002，20（6）：31～32.

6 韩新民.机械产品模块化集成设计方法研究［J］.成组技术与生产现代化，2006，23（4）：25～29.

7 尹章伟，毛中彦.包装机械［M］.北京：化学工业出版社，2005：157～171.

8 濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2000：11～13.

9 陆祥生，杨秀莲.机械手理论及应用［M］.北京：中国铁道出版社，1985：35～51.

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11 候亮，唐任仲.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展［J］.机械工程学报，2004，40（1）：56～61.

12 王志，张边生.基于模块化的机械产品快速设计［J］.机械设计，2004，21（8）：1～3.