机械设备结构模块化设计

黄志海 郑伟榕

摘  要：产品生产制造规格的不断增加，导致零件品种繁多，带来了生产和后续新产品开发的困难，采用模块化设计思想，对现有零件进行科学有效地模块划分和再设计，可以有效解决这一问题。

关键词：机械设备;模块化设计

引言

我厂的型号产品在不断地增加，车载产品的集成度不断地提高，随着产品功能的改进与升级，对车载设备内部的机械设备产品模块化设计的需求不断地增长，而机械设备模块化的升级需要结构设计师统筹规划。而面对现有车载设备内部设备繁多，導致设计研发产品零部件、种类和规格繁杂，如果研发一款新产品需要从头到尾设计各个零部件，会使得产品研发效率降低，导致了一系列生产问题。模块化设计可以有效地解决上述问题，提高多规格产品研发的效率，降低生产成本。

1.模块描述

1.1模块化需求

因我厂产品型号逐渐增多导致企业面对着较大的研发压力，同时由于设计人员的流动性很大，从而导致出现设计规划性、一致性越来越低的局面，这就需要从产品设计的源头开始，将图纸规范化和标准化。如果初期方案设计采用模块化设计思路，将会大幅度降低产品的生产成本，提升设计师的设计效率，从而间接促进公司的整体发展。模块化设计体现在产品初期方案设计中，从设计师角度来讲，设计师可以将产品中具有相同功能、结构和数据表示的部件直接拿来使用或者进行小幅度的修改，再用到新的设计方案中去，从而可以大量减少设计工作量。从制造角度来讲，加工件数量和规格减少，易形成标准化的工艺文件和工夹件，很好地整合了资源。从产品功能方面，采用模块化设计思路可以达到产品模块间自由增减和替换的效果，从而实现新产品最基本的功能和性能。

1.2模块化设计系统流程

在模块化设计中最重要的是要科学、准确地进行模块划分。从产品本身所具有的功能、结构和属性出发，对产品的功能层面、结构层面、数据表示层进行合理的模块分类划分，定义出两组件间的特征相似等级评价体系，给产品各层级进行权重分配，建立起各层面的相关性矩阵，并通过一定的评判原则构建了标准模块的形成方法。模块化设计方法的主要内容是：从用户需求出发，对公司现有产品的基础信息进行收集和聚类;将公司现有产品进行产品模块划分和功能模块的选择;根据两零件间3个层面的相关关系构建出0-1矩阵，对产品进行初步模块划分;由两零件间的特征相似等级评价，建立起零件/部件间3个层面的相关性矩阵，并依据标准模块的评价原则筛选出相近模块，由零件/部件间综合强度关系确定出相近模块;然后进行相近模块的内部结构设计，其中包括了模块内接口设计、模块内加工件设计及模块内材料选择等;最后，判断此标准模块的设计是否合理，如果不合理就需要对相近模块进行再一次的模块划分，反之，相近模块设计合理，形成新的标准模块。综上，首先完成整个模块化设计，形成一系列的标准模块，接着将全部的标准模块经过模块编码后存储进模块库，最后通过查询及调运模块的方式，将这些标准模块运用到新产品开发中。

2.标准模块生成

标准模块的生成减少了产品模块数量，使得开发产品的成本大大减少，在一定程度上提升了装配效率。相近模块的设计是形成标准模块的重中之重，必须遵循一定的修改原则进行产品设计，包括：①最少修改原则;②材料选用最优原则;③使用寿命最长原则;④内部连接关系最大化原则;⑤内部零件数量最小化原则;⑥模块接口标准化原则。其中，模块接口标准化最为重要，零件/部件接口能否形成标准化接口直接决定了这个零件/部件的模块划分是否成功。如果该零件/部件没有形成标准接口，就需要对该零件/部件重新进行模块划分。模块接口标准化，需要对标准模块接口特征进行分类划分，建立起模块标准接口的评价体系，方便后期判断该零件/部件的模块接口是否为标准化接口，或者该零件/部件的模块接口能否通过修改，从而达到标准接口的要求。

零件/部件的标准接口都具有一定的机械特征，在机械CAD软件中，机械特征分为：物理特征和非物理特征两种。物理特征可以分为基本特征和生成特征，例如：孔、轴、圆形、狭槽、肋、切口、突起、壳和管等属于基本特征;产品的拉伸、旋转、扫掠、混合、微调和相交等属于生成特征。非物理特征包括点、曲线、平面、轴、坐标等。依据标准模块接口的基本属性，将标准模块接口的类型分为借零件物紧固型接口、运动副型接口、直接固定型接口。（1）借零件紧固型接口。借零件紧固型接口，是指依靠第三方零件来紧固两个零件/部件的接口，例如通过使用螺栓或螺钉来固定连接两个零件或部件。（2）运动副型接口。运动副型接口，是指两个具有相对运动的零件/部件，根据两零件/部件间的运动形式进行连接，接口分为这样的4类：移动连接，例如导轨和滑块、直线轴承和导轨;绕直线连杆旋转，例如铰链链节旋转;旋转自由度与移动装置共存，例如螺旋千斤顶、滚珠丝杠和丝杠螺母;围绕中心连杆旋转，例如球形铰链。（3）直接固定型接口。直接固定型接口，是指两零件/部件的接口可以直接固定连接在一起，例如带有螺纹的零件/部件与另外一组带有螺纹的零件/部件相连接。

构建好模块标准接口的评价体系后，对标准模块接口进行模块编码，并将编码好的标准模块存储进零件/模块数据库，方便对数据库中的标准模块接口图形进行检索、查询、调用和管理。无论各模块间的连接是静态还是动态，模块接口都与形式有关系。对于标准模块接口，除了要考虑其形式之外，还需要确定标准模块接口的尺寸和大小，这些都是标准模块接口特征的重要参数。因此，标准模块接口的编码可以由设备型号代码、模块功能代码、模块接口类型、接口接合面形式代码、接口的关键尺寸参数代码、模块接口的功能流方向代码构成，每个代码用不同的字母表示，代码之间用分隔符“_”相连接，从而建立了标准模块接口编码模型，为标准模块间的互相匹配度提出判断依据。

结语

以上方法完善并优化了机械设备模块化设计方法，使得机械设备模块化设计方法更加简洁和清晰，为后续复杂产品的模块化提供了新的思路和方法。

参考文献

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[2]刘涛，刘光复，宋守许，等.面向主动再制造的产品模块化设计方法[J].中国机械工程，2012，23（10）：1180-1187.