天水師范學院工學院 李琴蘭

機床模塊化設計技術研究

天水師范學院工學院 李琴蘭

產(chǎn)品設計是決定產(chǎn)品性能、質(zhì)量和水平的重要因素，產(chǎn)品的競爭力在很大程度上取決于產(chǎn)品設計。目前，傳統(tǒng)的設計方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代設計的需求，主要存在的問題是：雖然產(chǎn)品也有系列和規(guī)格，但用戶的需求千差萬別、千變?nèi)f化，難以滿足多樣化的用戶需求；設計繁雜，可重用性差，所設計的產(chǎn)品無法實現(xiàn)重組；設計周期長，設計成本高。為了有效解決這些問題，人們不斷探索和研究新的設計理論和方法，模塊化設計就是其中一種新興的現(xiàn)代設計方法。本文，筆者介紹了模塊化設計的概念和特點，探討了機床模塊化設計的類型和方法。

一、模塊化設計的概念和特點

1.模塊化設計的概念。為了開發(fā)多種不同功能結(jié)構或相同功能結(jié)構而性能不同的產(chǎn)品，不必對每種產(chǎn)品單獨進行設計，而是精心設計出一批模塊，將這些模塊經(jīng)過不同的組合可以構成不同功能結(jié)構和性能的多種產(chǎn)品，這種設計方法稱為模塊化設計。

2.模塊化設計的特點。模塊化設計的特點是用功能模塊作為組成產(chǎn)品的基本單元。因此，模塊化設計是建立在對產(chǎn)品功能分析的基礎上，模塊化設計的核心就是要設計一系列的通用模塊。所謂模塊，就是一組具有同一功能和結(jié)合要素（指連接部位的形狀、尺寸和連接件之間的配合或嚙合參數(shù)等），而性能或結(jié)構不同且能互換的各個單元（如部件、組件、零件或系統(tǒng)）。多樣性、互換性和組合性是模塊的特征。

“三化”（系列化、通用化和標準化）設計的目的和意義早已被人們所理解，“三化”程度的高低是衡量產(chǎn)品設計質(zhì)量的指標之一，它孕育了模塊化設計的思想，特別是通用化設計，故有人把模塊化看成是通用化的擴大和發(fā)展。模塊化和通用化的主要區(qū)別是它的某一功能單元不是一種單一的部件，而是若干個可以互換的模塊。因此可以認為，模塊化的機床必然有很高的通用化，而通用化的機床不一定具有模塊化。

組合機床是利用通用部件和一些根據(jù)工藝需要的專用件組合而成的專用機床，是專用機床的模塊化。專用機床大多屬于單件小批量生產(chǎn)，為解決設計、制造周期長和成本高的矛盾，出現(xiàn)了用通用部件組合而成的專用機床，即組合機床，它的通用部件實際上就是可以互換的模塊。

3.機床模塊化設計的特點。

（1）產(chǎn)品更新?lián)Q代快?？筛鶕?jù)當前科學技術的發(fā)展水平，將已試驗過的新技術設計成模塊，加進產(chǎn)品中以取代陳舊的結(jié)構。

（2）設計和試制周期短。由于模塊化設計是在對市場全面調(diào)查和分析的基礎上進行的，因此用戶提出訂貨要求后，機床制造廠只需更新一些模塊，或者設計、制造個別的模塊和專用部件，能夠在較短的時間內(nèi)提供產(chǎn)品。

（3）生產(chǎn)成本低。模塊化設計使機床的大多數(shù)零、部件由單件、小批量生產(chǎn)變?yōu)榕可a(chǎn)，有利于先進工藝和先進技術的應用，促進了專業(yè)化生產(chǎn)，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了制造質(zhì)量。

（4）維修方便。由于機床的大多數(shù)部件是由模塊組成的，模塊化設計簡化了機床的維護和修理。

（5）提高了機床的穩(wěn)定性和可靠性。由于模塊可在事先規(guī)劃下經(jīng)過系統(tǒng)的試驗和研究，確保了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定、可靠。

4.模塊化設計的類型。根據(jù)模塊化設計的產(chǎn)品在該產(chǎn)品系列中所覆蓋的形式和程度，可將模塊化設計分為橫系列模塊化設計、縱系列模塊化設計、跨系列模塊化設計、全系列模塊化設計4種類型。

（1）橫系列模塊化設計。橫系列模塊化設計是指在不改變機床主參數(shù)的條件下（即在同一規(guī)格范圍內(nèi)），通過變更、增減模塊來發(fā)展變型機床。這種模塊化設計較易實現(xiàn)，在覆蓋的產(chǎn)品中，模塊的通用化程度高、種類少，應用最廣泛。表1是上海第四機床廠對500mm工作臺不升降銑床模塊化設計的實例。該設計中，基型產(chǎn)品為端面銑床。有兩組可換的模塊，一組為銑頭（端銑頭、立銑頭、轉(zhuǎn)塔式銑頭和臥銑頭）；另一組為控制系統(tǒng)（程序控制、點位-直線數(shù)字控制、連續(xù)數(shù)字控制、自動換刀數(shù)字控制和仿形控制），可構成19種不同的機床。由于主參數(shù)相同，產(chǎn)品的不同主要反映在性能、結(jié)構、布局、控制方式等方面，故這種模塊化設計容易實現(xiàn)，模塊的通用化程度高、種類少。實例模塊設計見表1。

（2）縱系列模塊化設計?？v系列模塊化設計是指在同一類型中對不同規(guī)格的基型產(chǎn)品進行模塊化設計。由于隨著主參數(shù)的變化，動力參數(shù)也相應變化，把有關部件設計成相同的通用模塊，會對某些規(guī)格的產(chǎn)品出現(xiàn)性能的欠缺或冗余，造成結(jié)構龐大及材料浪費。所以，當系列尺寸范圍較大時應進行分段，即模塊分段通用。

（3）跨系列模塊化設計?？缦盗心K化設計是指在同一類型不同系列的機床產(chǎn)品中的模塊化設計，其應用條件是跨系列產(chǎn)品具有相近的動力參數(shù)。跨系列模塊化設計主要采取兩種方式：一種是在基本相同的基礎件結(jié)構上，選用不同模塊而構成跨系列產(chǎn)品；另一種是在基礎件不同的跨系列產(chǎn)品上，對具有同一功能的單元選用相同的模塊組。

（4）全系列模塊化設計。當跨系列模塊化覆蓋了整個該類產(chǎn)品時，稱為全系列模塊。全系列模塊化設計包括縱、橫系列，即在一類產(chǎn)品的全部橫系列和縱系列范圍內(nèi)進行模塊化設計，其復雜程度和設計難度較大，需要的模塊種類也較多。當產(chǎn)品的規(guī)格尺寸變化不大且又具有相近的動力參數(shù)時，模塊可在全系列通用。例如，德國SHW廠生產(chǎn)的工具銑床，只需改變床身和橫梁2個基礎件的高度和長度，就可以得到3種縱系列規(guī)格的產(chǎn)品。當產(chǎn)品系列規(guī)格范圍較大時，模塊很難在全系列通用，與縱系列模塊化一樣，宜采取分段通用。

二、機床模塊化設計的要點和方法

1.做好設計前的基礎性工作。

（1）市場調(diào)查與分析。市場的需求是產(chǎn)品設計與生產(chǎn)的依據(jù)和導向。只有掌握大量的市場信息，才能保證產(chǎn)品設計的合理性，確保產(chǎn)品的競爭力和生命力。

（2）產(chǎn)品系列型譜的擬定。要從有利于機床模塊化的角度，進行充分的論證和技術經(jīng)濟分析，合理擬定產(chǎn)品系列型譜。要統(tǒng)籌考慮，盡可能使系列產(chǎn)品的功能單元大幅度模塊化。一般情況下，模塊化設計覆蓋的產(chǎn)品種類和規(guī)格較多，適應市場的應變能力強，但設計的難度和工作量較大。反之，則有利于設計，但會降低產(chǎn)品適應市場的應變能力。

2.模塊的劃分。模塊劃分是模塊化設計的基礎和關鍵，它直接影響產(chǎn)品的性能、外觀、成本和應變能力。基于不同的角度，模塊可以有不同的劃分方法。機床模塊化設計是從功能分析的角度來劃分模塊的。

（1）功能分析和功能單元的劃分。功能分析是模塊劃分的基礎和依據(jù)。所謂功能，是指產(chǎn)品或部件的職能和它所起的作用。從功能分析著手，可使思想不受現(xiàn)有部件結(jié)構的局限，從而更好地尋求若干功能相同而性能各異的單元。

功能的單元劃分，可大可小，可粗可細，它取決于用戶對產(chǎn)品的要求以及技術經(jīng)濟分析的結(jié)果。以主軸箱為例，既可以將其作為一個總功能單元設計成具有不同性能的若干模塊，也可以將其劃分為主軸、變速傳動和箱體3個分功能單元，甚至再劃分至主軸和軸承。

劃分的功能單元在結(jié)構上應盡可能獨立，以使模塊易于拼組和搭配，從而形成多種組合品種。與傳遞動力無直接關系的控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、測量裝置易組成獨立單元。傳遞動力的功能單元如主軸箱、變速箱等，進行結(jié)構設計時需考慮因動力引起的強度和剛度問題，一般結(jié)構比較復雜，應盡可能按分功能組成獨立的單元。

（2）模塊劃分的層次和分級模塊化。功能單元劃分的大小、粗細，關系到模塊劃分的層次高低。是從部件劃分，還是從分部件劃分，是設計中需要首先解決的問題。當產(chǎn)品的系列化程度較高時，應盡可能按分部件劃分模塊，以擴大模塊的通用范圍；當產(chǎn)品的系列化程度較低時，宜按部件劃分模塊，或者采用部件和分部件劃分相結(jié)合的混合式。

把機床的部件再分解成分部件、元件和分元件等不同級別的模塊構成的分級模塊化結(jié)構中的某一級，是由低一級的一些特定模塊組成的，最低一級的模塊一般為最基本的幾何形體。如果能夠從部件到分元件全部實現(xiàn)模塊化，則是最徹底的模塊化。