王曉雨 趙艷利 (恒天重工股份有限公司，鄭州，450053)

模塊化設(shè)計是指在對產(chǎn)品進(jìn)行客戶需求調(diào)查、結(jié)構(gòu)功能分析以及市場發(fā)展前景預(yù)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)功能、規(guī)格或使用環(huán)境的不同，設(shè)計出相應(yīng)配套的功能模塊。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，首先是通過選擇和組合上述的通用模塊，構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)客戶的個性化需求，添加一些特殊功能模塊，從而構(gòu)成全新的不同功能或不同規(guī)格的個性化產(chǎn)品［1］。

采用模塊化設(shè)計的理念，對于產(chǎn)品的使用客戶和產(chǎn)品制造企業(yè)都十分有利。前者可以按照自己的使用需求及使用習(xí)慣，來定制自己需要的唯一產(chǎn)品;對于后者，不同客戶定制的個性化產(chǎn)品都由大量通用模塊組成，而通用模塊的制造和使用頻率較高，可以大批量組織生產(chǎn)，就能有效地降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)品競爭力。

水刺非織造技術(shù)涉及現(xiàn)代物理、化學(xué)、空氣動力學(xué)、流體力學(xué)和計算機等學(xué)科的理論與基礎(chǔ)知識，成為從紡織工業(yè)中派生出來的一門新興邊緣科學(xué)技術(shù)。水刺非織造布是近十幾年國際上迅速發(fā)展的一種高科技產(chǎn)品，其中水刺機是生產(chǎn)水刺非織造布的核心設(shè)備。市場定位不同的水刺非織造布生產(chǎn)企業(yè)，對于水刺機及其生產(chǎn)線的技術(shù)要求，具有原理類似、工藝流程相近、規(guī)格要求差距較大的特點。

1 水刺機采用模塊化設(shè)計的意義

隨著市場對非織造布的新品種和新功能的開發(fā)，不同客戶對水刺機的工藝要求各不相同。在國內(nèi)現(xiàn)有的國產(chǎn)水刺生產(chǎn)線中，所采用的水刺機的配置方式、輥筒數(shù)量、走布路線和系統(tǒng)壓力配置都存在較大不同，因而就形成了如下的水刺生產(chǎn)線設(shè)計和生產(chǎn)組織工作流程：銷售部門先與用戶簽訂銷售合同，設(shè)計部門再按照客戶的需求開發(fā)和設(shè)計水刺機及其配套生產(chǎn)線，設(shè)計周期為2～3個月，然后再組織生產(chǎn)部門進(jìn)行生產(chǎn)、裝配試車、提供給用戶。由于每條生產(chǎn)線的需求不盡相同，造成了所有水刺機都是單批生產(chǎn)的事實，涉及大量新產(chǎn)品和新零件的試制，生產(chǎn)組織十分煩雜，重復(fù)工作量大，生產(chǎn)周期和交貨期無法保證，給制造企業(yè)造成較大困擾，也影響了客戶的總體規(guī)劃。

為了改變這種現(xiàn)狀，縮短設(shè)計周期，結(jié)合水刺生產(chǎn)線的設(shè)計生產(chǎn)過程和特點，經(jīng)過廣泛的市場調(diào)研和可行性論證后，決定在水刺機的設(shè)計中引入大批量定制生產(chǎn)(Mass Customization，MC)的生產(chǎn)組織模式。MC是根據(jù)每個用戶的特殊需求，提供定制產(chǎn)品，但制造企業(yè)自身則是以一種大批量生產(chǎn)的模式進(jìn)行生產(chǎn)，即以大批量生產(chǎn)的成本和交貨期效益來進(jìn)行單件定制產(chǎn)品的生產(chǎn)［2］。因此，MC實現(xiàn)了用戶的個性化需求和批量低成本(時間成本和生產(chǎn)成本)生產(chǎn)的有機結(jié)合。

MC的關(guān)鍵技術(shù)之一是產(chǎn)品設(shè)計模塊化技術(shù)。在水刺機設(shè)計的調(diào)研階段，就需要充分考慮水刺機的功能特點，充分理解水刺機使用企業(yè)需求的共性和多樣性，運用模塊化的設(shè)計思路展開水刺機的研發(fā)設(shè)計。MC的基礎(chǔ)思想是將定制產(chǎn)品的制造通過大量產(chǎn)品重組的方式轉(zhuǎn)化為批量制造，即提供給用戶的是定制的個性化產(chǎn)品，而實際生產(chǎn)過程是大批量生產(chǎn)。

產(chǎn)品的模塊化設(shè)計技術(shù)是大規(guī)模定制生產(chǎn)方式成功的關(guān)鍵因素，通過將產(chǎn)品中一系列通用的零部件及子裝配定制為模塊，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，主要有以下優(yōu)點：

(1)設(shè)計資源的利用效率較高，設(shè)計人員的工作效率較高;

(2)產(chǎn)品的裝配和管理成本都得到有效控制;

(3)產(chǎn)品在全生命周期中的管理和維修較為容易;

(4)簡化了設(shè)計過程，促進(jìn)了產(chǎn)品更新。

2 水刺機模塊的建模原則

水刺機模塊的建模原則是：首先考慮產(chǎn)品的使用功能和結(jié)構(gòu)功能，其次充分考慮水刺行業(yè)發(fā)展趨勢、客戶需求的多樣化、運行成本、操作習(xí)慣，以及環(huán)保等多種因素。

2.1 按產(chǎn)品功能劃分模塊

按產(chǎn)品的使用功能劃分模塊，這也符合傳統(tǒng)的組件、部件劃分的思想。水刺機的功能模塊有通用模塊和個性模塊兩大類。

2.1.1 通用模塊

通用模塊是以整個產(chǎn)品系列為基礎(chǔ)，能夠在整個產(chǎn)品系列中共享的、可重復(fù)使用用的模塊，是整個產(chǎn)品系列的的基礎(chǔ)，具有所有產(chǎn)品的共性特征。對于水刺機系列產(chǎn)品，常見的通用模塊有水刺頭模塊、抽吸輥筒模塊和抽吸箱模塊等。

2.1.2 個性模塊

個性模塊是指對于不同的具體產(chǎn)品，需要實現(xiàn)不同功能而特別設(shè)計生產(chǎn)的專用的模塊。在研究客戶需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員可以選擇不同的個性模塊進(jìn)行不同的拼接，從而組合成不同型號的產(chǎn)品，實現(xiàn)不同的具體功能，以便滿足用戶的個性需求，如網(wǎng)簾機架模塊、網(wǎng)簾傳動模塊、脫水輥筒模塊和配氣箱模塊等。常見的個性模塊按其結(jié)構(gòu)特點，分為異構(gòu)模塊和參變模塊兩類。

(1)異構(gòu)模塊是為實現(xiàn)某一類特定功能，具有不同結(jié)構(gòu)特點，但可以實現(xiàn)一定條件下的互換的模塊的集合。這一類集合中的模塊組件結(jié)構(gòu)各不相同，不能用參數(shù)驅(qū)動完成設(shè)計制造和安裝，如配氣箱模塊等。

(2)參變模塊是具有相同的工作原理，可以實現(xiàn)相同的功能，具體結(jié)構(gòu)也相似的一系列模塊。對于這一系列的模塊，設(shè)計人員可以通過修改參變模塊的相關(guān)參數(shù)，從而變化產(chǎn)生一個全新的同系列模塊。這類參變模塊通過三維建模造型，可以實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動，有效地提升設(shè)計效率，如網(wǎng)簾機架模塊和網(wǎng)簾傳動模塊等。

2.2 建模需考慮的因素

(1)模塊劃分要考慮便于生產(chǎn)制造的組織，其依據(jù)是要充分考慮企業(yè)自身的設(shè)計加工和裝配能力。如有的模塊可能會在一個工作地(或協(xié)作廠)完成制造和組裝，這時應(yīng)考慮模塊的構(gòu)成是否會對生產(chǎn)組織帶來不利的影響;又如有的件號生產(chǎn)周期較長，需要提前預(yù)投組織生產(chǎn)，則該件號不宜和普通的機件構(gòu)成為一個模塊;再如有的件號價值昂貴，需要單獨包裝，則該件號不宜和普通的機件構(gòu)成為一個模塊，例如水針板和水刺網(wǎng)簾模塊等。

(2)模塊應(yīng)便于組成產(chǎn)品的子裝配體，可能時應(yīng)考慮該模塊的獨立裝配、調(diào)試和裝箱，例如配氣箱模塊和脫水輥筒模塊等。

模塊化設(shè)計所依賴的是模塊的相互組合，也就是互相之間的結(jié)合面，又稱之為接口。顯然，在實際生產(chǎn)中，為了保證不同功能模塊在一定條件下的組合和相同功能模塊的技術(shù)升級和互換，模塊在設(shè)計研發(fā)和制造過程中應(yīng)充分考慮其可組合性和可互換性兩個特征。這兩個特征主要通過接口的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，必須提高模塊(尤其是接口模塊)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和規(guī)格化的程度。對裝配具有相同功能、不同性能的單元，在設(shè)計制造過程中必須考慮相同的安裝基面和相同的安裝尺寸，這樣才能保證模塊的有效組合［3］。例如，水刺機外機架和托網(wǎng)機架的接口尺寸，以及不同規(guī)格的水刺頭連接孔尺寸都必須一致。

(3)模塊應(yīng)方便用戶現(xiàn)場的拆箱和組裝。例如，托網(wǎng)機架模塊整體裝箱，用戶現(xiàn)場拆箱后即可裝入水刺機，調(diào)好水平后裝入橡膠輥和網(wǎng)簾等。

(4)應(yīng)分析本行業(yè)未來的發(fā)展方向，規(guī)劃本機的機型配置情況，為將來可能出現(xiàn)的新模塊預(yù)留空間。例如，將來可能出現(xiàn)第四輥筒，或輥筒直徑變大，或?qū)挿虣C等情況，預(yù)留這些模塊的接口位置。

3 水刺機的模塊化劃分

綜上所述，確定W1573M模塊化水刺機的框架結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計W1573M-350、W1573M-250、W1573M-180，并區(qū)分左右手車，共六種結(jié)構(gòu)的模塊，如圖1。每種結(jié)構(gòu)單獨生成結(jié)構(gòu)樹。銷售人員與客戶簽訂合同后，根據(jù)幅寬和左右手車別，在這六種結(jié)構(gòu)中選擇一種進(jìn)行后續(xù)模塊結(jié)構(gòu)配置。

圖1 水刺機框架結(jié)構(gòu)樹

例如，選擇其中幅寬3 500 mm、左手車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一級的模塊劃分。在征求多方意見和經(jīng)過多次方案評審后，最終確定了水刺機的模塊配置情況，如圖2。

圖2 水刺機模塊劃分組織結(jié)構(gòu)示意

水刺機各模塊在機器上的位置見圖3。圖3中出現(xiàn)的模塊為目前市場上常見機型常用的模塊，并不是一臺水刺機會用到的所有模塊。常見的模塊可以按照以下組件進(jìn)行劃分、組合和分配：

(1)入網(wǎng)簾組件，可分為壓網(wǎng)簾預(yù)濕、反向預(yù)濕、輥筒預(yù)濕三種結(jié)構(gòu)，可選配其中之一。

(2)壓網(wǎng)簾組件，可選配，為客戶個性模塊。

(3)平臺網(wǎng)簾組件與脫水輥筒組件，是為客戶提供的二選一的個性模塊。

(4)一二輥筒組件，包括第一輥筒、第二輥筒和雙輥筒傳動等。

(5)第三輥筒組件，包括第三輥筒和單輥筒傳動等。

(6)水刺頭組件，包括水刺頭和水刺頭升降裝置。

(7)配氣箱組件，包括不同機構(gòu)需要的氣路元件組合的不同箱體，可互換。

(8)水針板、托網(wǎng)、輥筒用網(wǎng)、減速機等外購件模塊，為客戶個性模塊。

以上模塊劃分結(jié)束之后，就可以開始進(jìn)行圖紙設(shè)計。在各個組件的圖紙設(shè)計階段，模塊化設(shè)計理念始終貫穿在設(shè)計的每個步驟，具體到每個結(jié)合件和每個零件的設(shè)計，都要考慮到件號的通用性及互換性，力求能以盡量少的零件生成新的機型。

圖3 水刺機模塊結(jié)構(gòu)分布

4 結(jié)語

本文從模塊化的設(shè)計方法出發(fā)，在分析水刺機的傳統(tǒng)設(shè)計方法弊端的基礎(chǔ)上，提出了符合水刺機客戶需求和產(chǎn)品市場特點的大規(guī)模定制化的生產(chǎn)方式，并建立了水刺機模塊化設(shè)計的配置模型。該新型的設(shè)計方法有效地實現(xiàn)了水刺機產(chǎn)品系列的模塊信息、接口信息和設(shè)計技術(shù)知識的集成管理，使設(shè)計人員在利用計算機輔助模塊化設(shè)計系統(tǒng)對水刺機產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計時的信息自由流通和共享成為可能，為提升紡織產(chǎn)品的設(shè)計效率提供了有效的支持。筆者把PRO/E等現(xiàn)代設(shè)計方法引入模塊化設(shè)計理論，通過與專業(yè)的計算機輔助的大型設(shè)計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)深入結(jié)合，在實際的產(chǎn)品研發(fā)中進(jìn)行示范應(yīng)用，取得了較好效果。這種設(shè)計方法能幫助設(shè)計制造企業(yè)降低成本、提升效率和提高市場競爭力，同時也為我國整體的紡機制造業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)能力的提升，市場響應(yīng)能力的提高，給出了一種切實可行的方法。

［1］賈延林.模塊化設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993：1-55.

［2］崔梁萍，項春，張青娥.一種面向大批量定制產(chǎn)品的模塊化設(shè)計方法［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(7)：27-28.

［3］蔡業(yè)彬.模塊化設(shè)計方法及其在機械設(shè)計中的應(yīng)用［J］.機械設(shè)計與制造，2005(8)：154-155.