基于车床模块化设计中的应用

摘要:本文分析模块化设计和现代技术之间的密切联系，并用数控立式车床的模块划分来举例说明了模块化设计方法在机械设计中的应用。

关键词：模块化设计；功能模块；机械设计；应用

Abstract: This paper analyses the close relationship between the modular design and modern technology, and module dividing vertical CNC lathe to illustrate the application of the modular design method in the mechanical design.

Key words: modular design; function module; mechanical design; application

中图分类号：TG518 文献标识码：A文章编号：

1、 模块的划分与模块化设计方式

1.1模块划分、接口标准化与组合性和可互换性

模块划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否。既要照顾制造和管理方便，避免组合时产生混乱，具有较大的灵活性，又要考虑到模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。因此必须对系统进行仔细的、系统的功能分析和结构分析，模块划分时要注意：（1）模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性；（2）保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性；（3）模块间的接合要素便于联接与分离；（4）模块的划分不能影响系统的主要功能。

模块划分原则是：（1）力求以少数模块组成尽可能多的产品；（2）在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉；（3）模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系也应尽可能简单。

模块化设计所依赖的是模块的组合，即结合面，又称为接口。显然，为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征。这两个特征主要体现在接口上，必须提高模块标准化、通用化、规格化的程度。例如，对装配而言，具有相同功能、不同性能的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保证模块的有效组合；在计算机行业中，由于采用了标准的总线结构，来自不同国家和地区厂家的模块，不断进行精心改进和研究，促使计算机技术达到空前的发展。

1.2模块化设计方式和模块化系统

1.2.1 模块化设计的主要方式

（1）横向系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。这种方式易实现，应用广。

（2）纵向系列模块化设计。在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。

（3）横向系列和跨系列综合模块化设计。除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横向系列和跨系列模块化设计了。

（4）全系列模块化设计。全系列包括纵向系列和横向系列。

（5）全系列和跨系列模块化设计。在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品的模块化设计。

1.2.2模块化系统的划分与功能介绍

按产品中模块使用多少，模块化系统可分为纯模块化系统和混合系统———由模块和非模块组成的模块化系统，机械模块化系统多是这种类型。按模块组合可能性多少，模块化系统可分为：闭式系统，设计时主要考虑到所有可能的方案；开式系统，设计时主要考虑模块组合变化规则。模块要实现一定功能，整个产品系列功能和相应的模块类型如图1 所示。

基本功能是系统中基本的、经常的、重复的、不可缺少的功能，在系统中基本不变的功能。相应模块称为基本模块。

辅助功能主要指实现安装和联接所需的功能。相应模块称为辅助模块。

特殊功能是表征系统中某种或某几种产品特殊的、使之更完善或有所扩展的功能。相应模块称为特殊模块。

图1 模块化产品系统中功能和模块类型

适应功能是为了和其它系统或边界条件相适应所需要的可临时改变的功能。相应模块称为适应模块。

用户专用功能指某些不能预知的、由用户特别指定的功能，该功能由于其不确定性和极少重复，由非模块化单元实现。

2、模块化设计的步骤

模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，如图2所示。第二个层次为单个产品的模块化设计，如图3 所示。总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，花费更高，要每个零部件都能实现更多的部分功能。模块化设计的主要步骤如下：

图2模块化产品设计过程 图3模块化系列产品研制过程

（1）市场调查与分析，模块化设计成功的前提；

（2）进行产品功能分析，拟定产品系列型谱；

（3）确定参数范围和主参数；

（4）确定模块化设计类型，划分模块；

（5）模块结构设计，形成模块库；

（6）编写技术文件。

3 模块化与其它现代技术的结合

3.1 模块化与成组技术在对事物的处理上的共同特点

模块化与成组技术都是针对现代生产的多样化提出的。成组技术主要以零件在形状、工艺上具有的相似性为其理论依据，研究并利用有关事物的相似性，把相似的问题归类成组，通过对相似零件的标准化和规范化处理，以达到“使小批量的产品具有流水作业的生产方式”的目的。而模块化技术也是追求“小批量的系统（产品），中批量的子系统（模块），大批量的元素（零件）”的效果，也利用机床部件在功能上的相似性，把那些具有相似功能的部件经过统一、归并和简化而形成模块。两者在对事物的处理上有以下共同点：集中处理具有相似性和重复性的事务；把具有一定相似性和重复性的事物标准化、规范化；信息的重复使用。成组技术在结合计算机技术的条件下，在工艺设计和制造中取得了很大的进展。模块化技术也将具有这个特点。

3.2 模块化与柔性制造技术

柔性制造技术以生产多样化、快节奏为目标，强调系统对生产反应的灵活性和自身的多变性和可变性。模块化正好为实现柔性技术这一要求提供了现实依据，模块化技术在利用通用模块解决机床共性之后，集中精力解决个性问题，并用“以最少的模块组合成最多的机床”这一指导思想来实现多样化的要求，当以机床为生产工具时，则利用其模块的特性，一机多用，一模多用，通过机床模块的重新组合，达到系统的柔性要求。应用模块化技术，从硬件上实现系统的柔性是目前国内外制造业的一个重要研究方向。

3.3模块化与计算机辅助技术

将计算机辅助技术（CAD、CAPP、CAM）和数据库技术引入模块化技术，在一定程度上替代人类完成大量人工无法完成的复杂计算和重复性工作，且在稳定性、一致性、条理性等到方面超过了人类。另一方面，通过模块化方法，把复杂系统分解成相对简单的子系统，对各子系统应用计算机技术，可充分发挥计算机的强大功能。

4 模块化设计技术的应用

数控立式车床的模块划分是指对机床进行功能分析与结构分析，合理划分具有某一或某些功能的结构单元。因此，模块划分合理与否是模块化设计成败的关键。

4.1 数控立式车床模块划分原则

根据现有立式车床的结构形式和模块化要求，模块划分原则可总结如下：以独立的功能单元作为模块，即对于已分解的功能单元在结构上尽可能做到独立化，这样的模块易于拼组和搭配，便于构成多种变形产品；以部件作为模块，这样的模块具有完整性，容易保证装配质量；以组件作为模块，功能分解细化后，还可进一步将部件中的某些组件模块化，通过更换或取舍组件或一些零件，可以使部件具有不同用途和性能。这比更换整个部件要经济灵活。在模块划分过程中，还要重视机床大件（基础件）的模块化，大件的结合要素要规范，便于联接与分离。同时，要考虑在模块中留有一定的发展空间，以便引入新技术时不会阻碍模块的结构。

4.2 数控立式车床的功能分解

在进行模块划分时，必须从数控立式车床的总功能出发，把总功能分解成相对独立的分功能，分功能继续分解至不宜再分时就构成功能元，功能元是组成总功能或分功能的最基本单元，常与一定的功能模块相对应。在进行总功能分解时，应考虑用户的要求和实现总功能所必需的分功能，由于用户条件各不相同，所确定的机床规格及性能也会不同，其模块的组成也会有很大的差异。对于单柱数控立式车床CK 系列来说，其总功能为车削，可以车削内外圆柱、内外圆锥、沟槽、平面、螺纹以及各种旋转曲面体。而对单柱数控车铣加工中心CX系列来说，除了上述的车削外，还必须具备有铣镗功能，这些功能可以按传动功能、执行功能、支承功能、辅助功能和监测等分功能进一步分解。

4.3 数控立式车床的模块划分

通过对总功能进行分解，可以看出某一或某些功能与实现某一或某些功能的模块存在对应关系。其中有单一模块实现某一功能，即一一对应关系；某一功能由多个模块来实现，即单对多的关系；某些多个功能由一个模块来实现，即多对单的关系。如图4所示。

图4功能与模块映射关系

根据功能与模块的映射关系，考虑整个数控立式车床系列的特点和结构型式，运用模块划分原则，可以得到数控立式车床较为通用的模块划分。数控立式车床分为传动模块、执行模块、支承模块、辅助模块、监测模块，并继续往下细分到各功能模块。通过对同一功能模块的分析，由于用途和结构不同，可以得到能够互换并具有相同接口的结构模块，根据结构模块的组合得到不同用途和性能的数控立式车床产品。