复杂机电产品模块化设计探析

曹家昌

（中国矿业大学，江苏 徐州 221000）

0 引言

基于科学产品模块体系这一基础，确保个性化产品的快速组合，从而满足客户的实际需求。所以，本文主要是针对复杂机电产品模块设计关键技术进行分析，再配合上具体的设计方法，希望可以对今后的实际工作有一定的借鉴作用。

1 复杂机电产品模块化设计关键技术

1.1 预备工作

（1）零部件的分离及规范。针对零部件，开发设计人员可以通过合理的设计检索从而开展分类的处理，面向所有零件进行零部件的分类处理，这是实现产品模块化的前提条件，其中包含了非层次和层次两个类别。并且还需要针对零部件进行科学合理的分类，确保与企业的实际需求相互的吻合温和，能够对这一部分零部件进行管理与优化，通过分类规范的制定、分类属性的定义以及建立分类结构，就可以满足上述的工作[1]。

（2）设计与模块设计相一致的编码体系。在进行产品模块化设计的时候，需要针对功能、规格以及品种等针对模块进行编码，这样方便后续的管理，是否拥有有效的模块编码，对于模块的组合以及选择都具有极大的帮助作用。

1.2 设计模块结构

经过长时间的生产实践，企业在零部件的设计与生产之中就需要做好这一部分零件的验证，但是这一个过程一般是产品应用过程完成之中才能使用，其功能结构等技术都处于成熟阶段。在模块化设计的时候，基于这一种零件的前提，就需要将设计完成；另外，按照相关的规定，做好这一部分模块的规范处理，就需要构造出结构特殊的参数化模型。在模块的扩展以及系列化设计中，这一种模块能够将基础作用发挥出来。通过别的模块有效的设计识别，也可以将其看成为基础型模块或者是主模块[2]。

1.3 设计模块接口

首先，划分产品模块，也就是按照模块划分原则以及具体的划分方法，确定产品模块。之后，确定模块之间的相互联系，从而确定模块之间进行交换的信息、能量以及物质数量，并且也可以直接的确定模块接口的物力属性、功能属性以及环境光属性。

其次，接口设计方案的合理选择。基于模块接口的集成性、标准化以及冗余性的特点，再配合上模块接口合理方案的修改与选择，就可以满足定制式的大批量生产需求。

再次，模块设计方案的具体化与实例化，也就是模块结构设计，需要通过有效的模块接口来加以获取。其中的选择设计范围、设计参数、选择确定功能原理以及映射设计参数都是核心内容。

最后，接口设计的校正和检验。基于产品具体的设计规定，就可以校验模块化接口的完成性能以及功能，对其进行检验，也就是要求能够与设定相互匹配。并且在具体的情况下，对于设计参数的有效调整，就能够满足设计要求[3]。

2 复杂机电产品模块化设计方法

2.1 复杂机电产品模块化设计过程

针对复杂机电产品模块设计过程，见图1所示。

图1 复杂机电产品模块化设计过程Fig.1 Modular design process of complex electromechanical products

2.2 复杂机电产品模块设计方法

在模块化的设计与制造中，模块是基本的功能单元，能够满足需求多样化，并且还方便管理和制造。模块-设计主要包含了模块结构设计与接口设计两个方面。模块接口也就是各个模块之间能够实现功能传递的共享界面，其主要包含了联接部位的尺寸、形状以及连接件之间的相互配合等。针对复杂机电产品的模块设计，就是基于划分产品模块的具体结果，按照实际的设计需求，从而对模块结构以及接口进行创建的过程。

模块本身的特点在于：第一，模块具有相对独立性，其中主要包含了相对独立的结构与功能。模块功能属于产品总功能的一部分，其功能相对独立的模块组合产品的时候，灵活性较大，并且适应能力强，功能冗余，并且在产品品种发展之中不会存在太大的变动，可以在不同的产品之中使用。第二，模块应该具有通用性，这样才能适应市场变化的需求。所以，在条件允许的前提下，应该做好性能参数上限值的设置，以便满足多种产品的需求，进一步扩大通用化的范围。第三，模块需要具有互换性。模块结构的尺寸和结构形状需要实现标准化控制，也就是更加容易的组合成为多种变型的产品[4]。

2.3 复杂机电产品模块库设计

2.3.1 模块模型库建模

模块模型库的建模，主要是为了模块主模型的建立，在模块模型库建立之前，就需要针对模块的零部件做好参数和几何形状的具体分析，之后才能够建立出模块的主模型以及多学科文档。

（1）零件几何形状分析。零件几何形状分析主要是为了控制零部件的种类，基于这一基础，就可以建立零部件模块的主要模型以及主文档，建立模块化的产品主结构，这样才可以减少模块组成产品，通过较少的工艺装备，尽量使用标准的工艺过程来进行零部件的加工和装配，最终达到提升产品质量和优化成本的目的。通过分析零部件的集合形状，找到相似的零部件族，在功能与约束分析的基础上，就可以提出具有一定代表性的零部件模块，进而确保这一个模块能够满足功能和约束两个方面的要求，这样就可以提出图形设计的基础。如图2中所展示的装载机联轴器，就代表的对零件几何形状相似性的分析，从而减少产品内部多样化的一个案例。

（2）基于生命周期成本的零件参数分析。通过图2之中直接使用1种不同形状的联轴器来制作成为标准模块，通过减少夹具和工具的种类，实现加工过程的简化，

图2 零部件几何形状分析Fig.2 Geometric shape analysis of parts

这样就可以降低整个生命周期之中零部件的成本，基于这一基础，实现参数的优化和分析，就可以将变化的参数减少。图3为经过参数分析之后，联轴器只需要进行三个参数的调整，其余的尺寸都可以按照A、B、C三个尺寸来加以计算，要么就是固定不会改变的。如，当半径l1对于所有尺寸联轴器都是4mm，那么就是直接将减少加工的刀具，因为加工工艺是一致的，这样就能够减少工具以及夹具的种类。同样，因为操作人员对于这一部分操作已经非常熟悉，那么就可以降低时间的花费，保证更好的质量。并且在产品的维护与装配过程中，因为零件库存种类减少了，所以维修成本和管理成本都会有所降低。

图3 零部件几何参数分析Fig.3 Geometric parameter analysis of parts

（3）模块主模型及多学科文档。模块的主要模型主要包含了模块几何模型以及对应的事物人特征表。模块主模型主要是利用关键性的参数，从而对零部件的外型以及尺寸之间的联系进行描述。只需要将一组数值输入到主模型之中，就可以有零部件模块变型的自动派生。通过几何形状以及几何参数的合理分析，就能够建立出三维模型。图4为轮式装载机铲斗模型以及对应的零部件三维模型。经过不同的处理方式，就可以让模块主模型形成多个学科的文档，如在零部件模型的基础上，直接派生出主图、主工艺过程的规划以及主程序等[5]。而图5就属于基于联轴器为主的模块零部件多学科文档的建立。

图4 铲斗模块三维图Fig.4 3D drawing of bucket module

图5 模块组成零部件的多学科文档Fig.5 Multidisciplinary documentation of modules components

2.3.2 模块数据库建模

模块数据库主要是利用产品的模块化设计平台，这样就可以满足模块的升级变更、模块的增加、替代、删除以及变型等多个方面的信息基础操作。模块数据库主要包含了模块的各种信息特征，如在进行模块唯一性的判断以及相似性计算的时候，就需要模块装配关联矩阵数据库的支持，并且还包含了技术参数、形状结构、数量、类别以及功能等诸多数据库。而模块装配关联矩阵又包含了模块组成零部件之间的装配关联、模块组成零部件以及装配的具体类型。通过事物特性表的建立，就可以开展模块变型的模块化系统，从而开展有效的检索以及变型方面的设计。图6为铲斗模块事物特性表的数据库资料。

图6 铲斗模块部分的参数事物特性表Fig.6 Parameters of the bucket module section

基于模块库建模的基础，就可以实现模块库资源的有效管理，这样就可以满足模块库资源的重用以及共享，其中又包含了满足设计需求模块资源的准确和快速的检索，并且还可以在不同的应用平台上实现模块资源的信息交互，这样就能够在进行产品模块化设计的时候，让设计人员重用已有的模块信息，从而对客户的多样化需求进行快速的响应。

3 结不语

总而言之，随着时代的不断发展，人们对于机电产品的需求量也在不断增加，并且产品种类也趋于复杂性，并且越来越多的高要求逐渐落在产品的设计与制造上。所以，现阶段就需要把握设计工作之中复杂机电产品模块化设计的相应原理。在这方面，本文进行了重点的阐述，希望能够对今后的工作有一定的借鉴意义。

[1]吴保胜，郭宇，王发麟，等.基于CREO的复杂机电产品辅助布线系统设计与开发[J].制造业自动化，2017，3.

[2]李少波，张喜根，杨观赐.基于Apriori算法的复杂机电产品功能与结构关联知识获取方法[J].组合机床与自动化加工技术，2016，12.

[3]冯志君，周德俭.基于全生命周期评价的复杂机电产品设计管理系统[J].机械设计与研究，2016，3.

[4]王浩，唐敦兵，朱仁淼，康与云.需求驱动的复杂机电产品设计方案求解研究[J].中国制造业信息化，2012，13.

[5]刘玉生，袁文强，樊红日，等.基于SysML的模型驱动复杂产品设计的信息集成框架研究[J].中国机械工程，2012，12.