（机械制造及其自动化专业论文）薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究.pdf

硕士论文薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 摘要 舢删i f f l f i i f | l l | | 删川| | l i j 舢 y 2 0 6 0 6 9 7 薄膜流涎机是生产包装薄膜的主要生产设备。随着国民经济的高速发展，人们对 包装薄膜的需求越来越旺盛，要求也越来越高，这就促使薄膜流涎机生产企业必须高 效、高质量地开发、生产符合客户要求的薄膜流涎机。本课题一薄膜流涎机模块化参 数化设计技术研究，就是利用当前最先进的模块化设计技术并结合参数化c a d 设计 技术解决薄膜流涎机快速开发设计的问题，提高企业竞争力。 论文首先对薄膜流涎机模块化参数化设计进行了需求分析，在此基础上，制定了 适合薄膜流涎机模块化参数化设计系统的总体方案，并搭建了薄膜流涎机模块化参数 化设计系统的框架；然后根据模块化设计的基本原则和方法，并结合薄膜流涎机的功 能以及自身结构特点，建立了以固定模块、通用模块和一般模块为基本单元模块，以 功能模块为高级单元模块的层次分明的模块结构体系，建立了基本的三维模块库；根 据薄膜流涎机自身零部件设计的要求和特点，提出了适合其零部件的参数化设计方 法，并以薄膜流涎机收卷机为例，详细介绍了收卷机中各个零部件的参数化设计计算 流程，完成了收卷机的参数化设计计算；最后以s 砌b a s i c 为二次开发工具，利用 s o l i d w b r k s 的二次开发技术并结合a c c e s s 数据库，开发出了薄膜流涎机收卷机参数 化设计系统。经实例运行可知，此系统可以快速实现收卷机的三维建模，提高设计效 率，有较强的实际应用价值。 关键词：薄膜流涎机，模块化设计，参数化设计，v i s u a lb a s i c ，s o l i d w b r k s ，a c c e s s 数据库 a b s t m c t 硕士论文 a b s t r a c t c a s tf i l mm a c h i n ei s l ec h i e fe q u i p m e n tf o rt 1 1 ep r o d u c t i o no ft 1 1 ep a c k i n gf i l m w i t l l l el l i 曲- s p e e dd e v e l o p m e n to fn 蜀【t i o ne c o i l o m y ，t l l ed e m a i l do nt l l ea n l o 咖o ft 1 1 ep a c h n g f i l i i ll m sb e e ni i l c r e a s i n g ，i tp r o m p t st h a tt 1 1 ec a s tf i l mm a c h i n ei si ns h o r ts u p p l y s o ，t h e d e s i 盟p r o d u c t i o ne m c i e n c yo fc a s tf i l mm a c l l i n eh a l sb e c o m e 吐l em o s tc o n c e mm a t t e l t o d e v e l o pl l i 曲- q u a l i 坝l o w - c y c l ec a s tf i l mm a c h i n et om e e tc u s t o m e rr e q u i r e m e n t si sn l e c u r r e n tg o a lo fm ec o m p 锄y t h es u b j e c t - m o d u l a ra n dp a r a m e t r i cd e s i g nf o rt h ec a s tf i l m m a c l l i n e ，i st 0u s et l l em o s ta d v a n c e dd e s i 驴t e c h n o l o g y - m o d u l a rd e s i g nc o m b i n e d 晰t 量l p 雅吼e t r i cc a dd e s i 印t c c h n o l o g yt o s 0 1 v em e s ep r o b l e m si nt n er e s e a r c ha 1 1 d d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ec a s tf i l mm a c l l i n e t h em a i nc o n t e n t sa r ea l sf o l l o w s ：f i r s t l y ，m o d u l a rd e s i 弘t e c h i l o l o g ) ra n dp 戤u 1 1 e t r i c d e s i 趴t e c l l i l o l o g yh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h ed e m 趾do fm o d u l a ra i l dp 钺吼e t r i cd e s i g n f o r 也ec a s t 丘l mm a c h i n eh a sb e e na l l a l y s e d b a s e do nm er e s e a r c ha b o v e ，as u i 讪1 es y s t e m d e s i 弘p l a i l 傩d e v e l o p e d 山1 d s e t s u p a触、v o r kf o r廿l e s y s t e md e s i g n p l a l l s e c o n d l y ，a c c o r d i i l gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e sa i l dm e m o d so ft l l em o d u l a rd e s i 髓，a n d c o m b i i l i n g 晰t l lt t l e 向n c t i o n sa r l d姗t u r a lc 删佻t e r i s t i c so ft 1 1 e c a s tf i l m m a c h i n e ，e s t a b l i s h e st l l el a y e r e ds n m c t u r eo ft h em o d u l e 诵m 吐l ef i x e dm o d l l l e ，t h e c o m m o nm o d u l ea i l dt 1 1 eg e n e r a jm o d u l ea sm eb 2 l s i cu l l i tm o d u l e ，t h e 劬c t i o nm o d u l e 嬲 t l l ea d v a n c e dm o d u l e 山1 do n 也i sb a s i s ，a u c c o r d i n gt 0m ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o n e n t sf o rm ec a s tf i l mm a c l l i n e ，p u t sf o 删t l l e i rc o m p o n e 鹏 p 猢e t r i cd e s i g nm e t h o d a n dt a l ( e t h er e w i n d i n go fm ec a s tf i l mm a c l l i i l ea sa i l e x 锄p l e ，d e t a i l s t h e p a r 锄e t r i cd e s i g n 孤1 d c a l c u l a t i o n p r o c e s s o fa l l p a n s o ft l l e r e 谢n d i n g ，h a sc o m p l e t e dp 撇嘶cd e s i 弘a 1 1 dc a l c u l a t i o n so f t i l er e 讹d i n g l a s t l y ，u s i n g s u a lb a s i c 雒t l l es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l ，a i l du s i n gt l l e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t e c l l i l 0 1 0 9 yo fs o l i d w o r k s 嘶t l lm ea c c e s sd a t a b a s et oe 嘲b l i s hc o m p u t e ra i d e dd e s i 印 s y s t e mo ft h er e 谢n d i l l go ft h ec a s t i n gf i l i l lm a c l l i n e t h ea c t u a l 印p l i c a t i o nr e s u l ts h o w s t 1 1 a t t l l es y s r e me n d b l e sr 印i dt h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g i l ，i m p r o v e sd e s i g ne 街c i e i l c y 趾d r e d u c e st l l ew o r k l o a d s oi th a ss 昀n gp r a u c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：c a s t f i l mm a c h i n e ，m o d u l a rd e s i 弘，p 觚u n e t r i cd e s i 印，s u a lb a s i c ， s o l i d w r o r k s ，a c c e s sd a t a b a s e 硕上论文 薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 1 绪论 1 1 论文研究的背景与意义 目前塑料薄膜常用的生产方法主要包括拉伸法、流涎法以及吹胀法三种【。国际 上主要采用多层共挤流涎成型法生产塑料包装薄膜，相比于其他两种方法，共挤流涎 成型法生产塑料薄膜不仅效率高，而且流涎薄膜的均匀性及其透明度都比较好。我国 的包装行业目前还处在发展的初级阶段，多层共挤流涎技术的应用历史还很短，薄膜 流涎机组的生产规模和生产能力都还不是很强，因此还有很大的发展空间。这主要表 现在以下几个方面：包装行业对包装薄膜的功能化、多样化要求越来越高，这也是 多层共挤流涎薄膜的最大优势；包装薄膜的需求量在逐年递增。进入2 1 世纪以来， 一方面，国内包装业对塑料包装薄膜的需求量在飞速增长；另一方面，多样化、功能 化明显的多层共挤流涎薄膜经常还达不到应用水平要求，许多还依赖于进口；目前 国内尚不具备生产具有国际先进水平的设备生产能力；生产设备长期依靠国外进 口，不利于国家科技与经济的发展，不利于企业参与国际竞争；我国多层共挤流涎 成型工艺生产薄膜有着广阔的市场前景，根据相关统计，发达国家流涎膜已经占领了 软包装行业将近一半的份额，然而我国占领的份额只达到发达国家的七分之一；进 入新世纪后，国际上在流涎成型技术和新材料技术的研究上取得了突破性的进展，这 使流涎薄膜的生产成本大大降低，产品的质量及其品种可以满足更多的需求。据有关 资料介绍，采用多层共挤流涎成型工艺生产的薄膜比其他复合工艺生产相同结构的复 合包装薄膜可节约3 0 左右的成本，由此可见共挤流涎成型法生产塑料薄膜在我国有 很大的发展潜力。目前国内市场急需生产效率高、技术先进并且性价比高的国产化薄 膜流涎机的生产线，以满足国内外包装行业飞速发展的要求。 基于以上需求，需要对薄膜流涎机实现快速设计、生产，以满足不同客户的各种 要求，实现薄膜流涎机模块化参数化设计是目前解决这一问题的最佳途径。多层共挤 薄膜流涎机结构复杂，不同的用户提出的要求都有所不同，尽管结构大同小异，但是 性能要求和尺寸大小都会略有不同。因此需将薄膜流涎机模块化，首先对其进行功能 的分析，在此基础上将薄膜流涎机分解成独立的、层次较低的并且可以互换的基本单 元模块。当客户有不同的需求时，就可以根据具体的情况进行功能模块的选取与组合， 这样就可以设计出符合不同客户要求的产品。为了使其适用范围更广，性能更优，还 需要在模块化的基础上进行参数化设计，将模块结构参数化和变量化，使其随着薄膜 流涎机生产线基本参数的改变和使用环境的变化而自动改正，在确保生产线整体性能 和结构最优化的基础上，达到快速设计生产的目的。 1 绪论 硕士论文 1 2 薄膜流涎机技术发展状况 1 2 1 薄膜流涎机工作原理 薄膜流涎机是生产流涎薄膜的机组，通过挤出机将原料塑化熔融后，经过模头挤 出，在流涎辊上迅速冷却，经过测厚仪测量厚度，再经过电晕机实现电晕处理，在牵 引切边之后，通过收卷机实现薄膜的收科2 一钉。薄膜流涎机生产薄膜的具体工艺流程 如图1 1 所示。 1234 567891 0 卜挤出机头；2 气刀；3 一流延辊；4 一冷却辊；5 一测厚仪；6 - 牵引辊； 7 - 切边装置；8 一电晕处理装置；9 - 弧形辊；1 0 - 收巷铹擅 图1 1 流涎薄膜生产工艺流程 1 2 2 国内外薄膜流涎机发展与现状 我国的流涎薄膜起始于八十年代，当时从国外引进的生产线的产能都很低，经过 十多年的发展进入九十年代以来，我国的流涎薄膜进入了高速发展时期，但是都是从 国外引进的生产线，它们生产流涎薄膜的最大宽幅在2 到2 5 米之间，年生产总产能 能够达到6 0 0 0 吨。比八十年代落后的生产线产能增长了将近四倍。进入二十一世纪 以来，流涎薄膜生产线的发展方向是高速、宽幅、多层共挤，其中多层共挤是薄膜流 涎机主要的发展方向。目前共挤流涎生产线有三层、五层、七层、九层，有些公司生 产的生产线甚至已经达到了十三层。直到最近几年，我国才能够自主生产薄膜流涎机， 但与国外的差距还是很大。这主要体现在薄膜流涎机的生产速度和生产质量上，国外 典型生产p e 膜、p p 膜的薄膜流涎机最快生产速度是国内的三到四倍，国产设备在生 产过程中对流涎薄膜的厚度、缩颈以及收卷控制方面都和国外有很大的差距【5 罐】。 相比于国内的薄膜流涎机制造企业，国外的设计生产技术仍处于领先的地位，不 仅在薄膜流涎机的技术参数上达到了新的发展水平，而且有些公司甚至实现了智能化 操作控制。国外的德国w h 公司、日本三菱重工、意大利d o l c i 公司等为代表的一批 薄膜流涎机制造企业所生产的流涎机的技术参数指标如表1 1 所示。 2 硕上论文 薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 表1 1 国外先进薄膜流涎机技术参数 国内薄膜流涎机的生产厂家基本上都是在消化吸收进口设备，在此基础上实现关 键技术的研究与突破。经过近五年的发展，国内薄膜流涎机在挤出技术、多层模头、 流涎辊技术等多方面取得长足的进步，主要部件逐渐实现国产化，图1 2 所示为国产 较先进某型号多层共挤薄膜流涎机，大量机组开始销往东欧、南美及亚洲的诸多国家。 图1 2 某型号多层共挤薄膜流涎机 在国内薄膜流涎机高速发展的这段时间内，涌现出如南通三信、佛山俊嘉、广东 仕诚、上海g a p 等为代表的一批国内先进薄膜流涎机制造企业。这些企业在引进国 外生产设备的基础上，不断学习创新，积极对外交流，勇于探索，经过很长一段时间 的刻苦钻研，研究并生产出了具有中国特色的薄膜流涎机组，这些薄膜流涎机组的某 些技术指标已经达到了国际水平，相关的技术参数指标如表1 2 所示。 表1 2 国内先进薄膜流涎机技术参数 甏礓麓黟渺龇爹，舰黪嚣嚣。蕊嚣瓣骥勰程嚣蕤蕤嚣黼器 l 绪论 硕士论文 1 2 3 薄膜流涎机技术研究现状 薄膜流涎机中涉及到的关键技术主要有薄膜高效稳定的挤出技术、薄膜收卷技 术、生产线的整体优化设计技术和智能化、网络化控制技术等。 ( 1 ) 薄膜高效、稳定的挤出技术：流涎机挤出的稳定性主要体现在挤出量的稳 定性以及薄膜厚度的均匀性，其对薄膜的收卷质量有很大的影响。实现薄膜的高速生 产就需要实现薄膜挤出的高效化，这是因为挤出成型作为生产中的第一道工序，对以 后薄膜的质量以及薄膜的收卷控制都有很大的影响。挤出机的发展方向是高效、稳定、 高速和高精密。为了实现以上目标，研究人员已经加强了对挤出机的在线监测和自动 控制的研究。现在主要采用已经成熟的智能控制技术、激光测试技术和伺服系统技术 对挤出机实现全线联动控制，并结合在线检测装置实现实时的反馈控制，保证挤出的 稳定性和高效性【9 】。 ( 2 ) 薄膜收卷技术：薄膜流涎机的收卷速度直接影响生产线的生产效率。目前 国内主要通过全自动双工位收卷技术来提高收卷的精度和速度，保证收卷过程中恒张 力的控制。国外学者对恒张力控制技术做了大量的研究，美国的y m l e e 和 j a w i c k e r t 研究和预测收卷模型径向和轴向的受力情况，主要考虑了非线性材料特性 以及薄膜层数的影响l 旧l 。芬兰的k a m l a 和瑞典的r v o nh e r c z e n 研究并发现收卷过 程中薄膜的离心力对膜卷的残余应力分布有影响，膜卷轴向的受力是不均匀的【l l 】。国 内则主要对收卷过程中控制部分研究较多，中国纺织大学的华志宏通过对收卷结构内 部张力的分析以及对控制方面的研究得出，卷取形成的筒状薄膜内部的应力、应变和 位移是轴向对称的，受卷取半径的大小影响【l2 1 。杨娅娟等提出在收卷过程中可以采 用锥度张力卷取，而在放卷时需要采用恒张力控制【l3 1 。 ( 3 ) 生产线的整体优化设计技术：在薄膜流涎机中有许多功能各异的辊筒，它 们在运转过程中的速度等要求也不一样，对流涎薄膜的质量都有一定影响，因此需要 从生产线整体的角度解决好它们之间的关系。目前主要采用的方法是对整机的装配情 况进行评价，分析已经采用的装配方法及其精度，并以实现高速化和整机性能为目的， 规范并优化装配工艺和装配方法。 ( 4 ) 智能化、网络化控制技术：智能化、网络化控制可以实现薄膜流涎机生产 线的自动化生产，减少人为的失误，提高生产过程中的可靠性。目前国内外的挤出机 已经普遍采用了计算机控制技术，只需要在屏幕前就可以监测机身的温度、熔体的压 力和温度、各个螺杆的转速和喂料量等，电机的转速及其电压和电流等特征参数可以 实现在线检测，并采用闭环的控制方法。现在有的生产制造厂已经实现了远程的控制、 监测和诊断，这样就可以保证在生产过程中工艺的稳定，确保控制和生产精度【1 1 1 。 4 硕士论文 薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 1 3 模块化设计技术的发展与现状 模块化设计的思想起源于2 0 世纪初，德国的一家具公司为了设计不同规格尺寸 的“理想书架”，先设计出尺寸不同的底座、顶板和架体，然后通过组装它们完成不 同规格书架的设计，这是目前所能查到的最早利用模块化设计思想的例子。正式提出 “模块化设计”概念是在2 0 世纪5 0 年代，其定义为对不同规格或一定范围内相同功 能不同性能或不同功能的产品实现功能的分析，并在此基础上设计并建立一系列的基 本功能模块，通过对基本功能模块的选取与组合从而实现不同产品的快速设计，以快 速响应不断变化的市场的设计方法【1 4 16 1 。 产品的模块化设计可以分为两个基本过程，分别为模块创建过程和模块配置过 程。产品模块的创建就是指根据模块化设计的基本原则和方法，把产品创建成以基本 模块为单元模块的过程，这是模块化设计的基础；产品的模块化配置就是指在对客户 需求综合分析的基础上，考虑产品设计约束的条件下，通过评价不同性能或不同功能 模块组合的可能性及其合理性，从而配置出客户满意的产品的过程【1 7 】。 目前，模块的创建多数采用类聚分析法或启发式法。潘双夏等提出的模糊类聚分 析法，不仅考虑到了客户的要求、产品的装配以及产品的维修和成本等因素，而且创 建了模块形成方案量化的评价方法【l 引。刘志峰提出了绿色模块化设计方法，就是将 模块化设计思想与绿色设计思想相结合，并利用两种思想的设计准则对零部件进行聚 合，在保证产品功能属性与环境属性的基础上，实现了模块的创建【1 9 】。s t o n e 等提出 的启发式模块创建法，是根据支配流、分支流以及转换一传输流三种判断准则，以产 品的物料流、信号流以及能量流等为基础，实现模块的规划，但是此方法没有考虑设 计需求约束的问题1 2 u 】。k u s i a k 是采用启发式法进行产品的模块结构分析，此方法可 以辨别的模块化形式只有组件共享型、组件互换型以及总线型，而且此方法只考虑了 零件与部件之间的关系【2 。s a l h i e h 在产品的模块化设计时将其具体的分为四个阶段， 以矩阵分析法通过分析零件之间特征的关联度来分析零件与部件之间的相似度，再利 用p 一中位模型对零部件进行聚类分析，但此方法计算比较复剁2 2 1 。在产品模块配置 方面，d o b r e s c u 利用造型文法规则调整零部件的功能性和几何性之间映射关系，实现 产品族模块化配置的设计【z 3 j 。f 脚h 通过研究产品生命周期结构的基础上，利用o 1 整数规划法来描述匹配特性，以优化总成本为目标，得到客户需求驱动下的最优模块 化配置方案。 目前在国外，模块化设计已经有了一定的发展，在企业有了一定的应用，而国内 仍处于研究发展阶段。产品模块化设计技术，能提高企业的开发与生产能力，能快速 增强我国企业的竞争能力以及产品的更新换代能力，这对我国的制造业有很高的实际 应用价值以及现实意义。 5 l 绪论硕t 论文 1 4 参数化设计技术的发展与现状 参数化设计就是将设计的要求、目标、方法、原则以及结果用模型以及相关联的 参数来表示，通过在实际应用过程的参数修改来实现设计的技术。参数化设计的思想 起源于二十世纪六十年代，s u t h e r l a n d 在此期间提出了通过几何约束技术实现图形修 改的思想。在c a d 技术早期的应用过程中，需要通过精确造型法来绘制二维以及三 维图。精确造型法就是利用实际的尺寸值来定义几何尺寸，它们之间没有任何相互关 联，如果修改几何尺寸及其属性，就需要全部重新绘制整个图形。在八十年代，当时 的第三代c a d 技术就可以通过修改尺寸参数自动修改整个图形，这是当时c a d 技 术的一大突破。这使第三代c a d 技术得到广泛的应用，产生了s o l i d w b r k s 、p r o e 以及u g 等一批著名的造型软件，正因为参数化设计技术与造型技术的相结合，才使 c a d 技术逐渐发展成集成化、网络化甚至是智能化【2 4 粕】。 目前，c a d 的参数化设计技术得到了广泛的应用，c a d 系统软件也基本必备了 参数化功能。国内三维方面的参数化设计才刚刚起步，多数已经采用的参数化设计还 只用于二维方面；而在国外，其s o l i d w 6 d 娼、p r o e 以及u g 等一批大型的c a d 技术 软件都有很强的参数化设计功能，并且能够很好的与其三维造型功能相关联。经过多 年的调查研究表明，参数化设计技术有很好的应用前景，它突破了图形的再修改关口， 丰富了再次造型的手段，提供了柔性化设计方法。参数化设计在机构仿真以及优化设 计等领域中，发挥着不可替代的作用。参数化设计主要是通过驱动特征参数达到实现 图形修改的目的，这为实现系列化设计生产提供了高效、快捷的设计方法。 1 5 本文研究的主要内容 薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究课题来源于南通三信塑料装备科技有限 公司与南京理工大学共建的江苏省薄膜流涎成型装备工程技术研究中心。论文首先对 一系列的薄膜流涎机进行模块化设计，然后在此基础上利用s o l i d w b r k s 建立基本的 薄膜流涎机三维模块，最后实现薄膜流涎机的参数化设计。论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 薄膜流涎机模块化参数化系统总体方案设计：首先对模块化设计技术和参 数化设计技术进行了研究，在此基础上对薄膜流涎机的模块化参数化设计进行了需求 分析，制定了适合薄膜流涎机模块化参数化设计系统的设计方案，并搭建了薄膜流涎 机模块化参数化设计系统的框架。 ( 2 ) 薄膜流涎机模块化设计：首先结合薄膜流涎机自身的特点以及模块化设计 的要求，制定薄膜流涎机模块化设计详细的方案；其次结合薄膜流涎机的功能与结构， 从薄膜流涎机功能设计角度将整条生产线划分为七大模块，并按照模块划分的基本原 则和方法将这七大功能模块进行详细的划分，建立以通用模块、固定模块和一般模块 6 硕士论文薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 为基本单元模块，以功能模块为高级设计模块的结构层次分明的模块结构体系；再次 在模块划分的基础上，参照南通三信塑料装备科技有限公司给出的薄膜流涎机的二维 图纸，建立基本的薄膜流涎机三维模块库；最后通过研究分析模块的结构以及模块之 间的接口设计，提出模块的快速建立与组合的方法。 ( 3 ) 薄膜流涎机的参数化设计：首先选择合适的零部件参数化设计方法对薄膜 流涎机中各零部件实现参数化设计计算。在零件参数化设计计算中，采用的是尺寸驱 动法，校核方面主要考虑其零件的强度和刚度的设计要求。在部件参数化设计方面， 主要采用“自底向上 的设计思路，并以“自项向下的设计思路为辅助；然后在建 立薄膜流涎机三维基本模型库的基础上，在s o l i d w | o r k s 中实现各个零部件之间的工 程约束以及尺寸之间关联；最后利用编程语言s 砌b a u s i c 为二次开发工具，并结合 a c c e s s 数据库以及s o l i d w b r k s 的二次开发技术实现薄膜流涎机的参数化系统设计。 2 薄膜流涎机模块化参数化系统总体方案设计硕士论文 2 薄膜流涎机模块化参数化系统总体方案设计 2 1 模块化设计技术 模块化设计就是在基本单元模块的基础上，对可控范围内不同规格、不同性能或 相同功能不同性能的产品实现功能分析，划分并设计出各种不同功能的基本模块，通 过对这些基本模块的组合从而实现不同产品设计与生产的一种快速设计生产方法。其 基本元素是模块，只要能够实现模块的划分和建立，就可以说明模块化设计的可行性。 模块划分的原则是一在功能独立和部件结构完整的基础上，以标准零部件作为基础模 块；二将涉及技术改进或变化较大的部分作为独立模块：三将变化较小并且结构较稳 定的部分作为通用模块【2 7 ，2 引。 不同类型的产品在模块化设计时采用的模块化设计方法是不一样的，主要依据的 是产品设计方案的成熟度和当前同类产品的开发和运用状况。因此，可以将模块化设 计技术具体的分为以下三类：新产品模块化设计技术、已有产品模块化设计技术和产 品族模块化改造技术【2 9 ，3 0 1 。 ( 1 ) 新产品模块化设计技术：新产品开发主要依据的是客户需求，并结合市场 调研等方式，运用质量功能配置等方法，将客户需求转化成全新产品设计的要求。然 后就可以将产品的总功能进行分解，建立产品设计要求与工程性能之间的数学模型， 最后通过计算求解将产品进行模块划分，从而实现新产品模块化设计。新产品的模块 化设计流程如图2 1 所示。 8 列日l ：j 口 用户新需求 现有产品结构分析 i 提出现有产品结构改造方案 产品整体结构改造 -模块大掣、v j j 删、 y 模型重新划分 分原则： 图2 1 新产品模块化设计流程图 图2 2 已有产品模块化设计流程图 硕士论文薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 ( 2 ) 已有产品模块化设计技术：已有产品的模块化设计，主要是为了适应产品 的更新换代以及客户提出的新要求。一般情况下，已有产品实现模块化设计时已经有 了较为成熟的设计生产方案，所以已有产品在实现模块化设计时不仅需要考虑产品模 块化设计本身的需求，还需要考虑到已成熟方案的运用，这样才能实现最合理的模块 化设计。已有产品的模块化设计流程如图2 2 所示。 ( 3 ) 产品族模块化改造技术：产品族模块化改造技术就是将模块化设计技术与 参数化设计技术相结合，将原来已经有的模块实现参数化设计，利用参数化设计技术 实现模块的系列化和多样化设计，这样不仅能够提高模块化设计的效率，也能快速满 足更多的用户需求。产品族模块化改造技术流程如图2 3 所示。 明确模块化工作目标f 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j l 对原始模块设定参数l f 一获取拓扑关系l i：恹啾朔1 | 兀尔： l 进行参数关联l 形成具有参数的单元族模块j l 新方案评估l 。1 一 i 形成新产品 一1 一 ( 结束) 2 2 参数化设计技术 图2 3 产品族模块化改造技术流程图 2 2 1 零件参数化设计技术 ( 1 ) 尺寸驱动建模法 尺寸驱动建模法就是利用已有的零件模型，在保持其结构不变的基础上，将其尺 寸标注变为变量参数，当赋予不同的尺寸参数时，就可以获得一系列相似的零件，这 些零件结构相同但尺寸略有差异。它的特点是只考虑到了拓扑关系和尺寸关系，没有 考虑到工程约束关系。 ( 2 ) 程序驱动建模法 程序驱动建模法就是用户根据零件设计的要求，直接通过编辑的程序生成所需要 9 2 薄膜流涎机模块化参数化系统总体方案设计硕士论文 的零件模型。它的特点是既考虑到了拓扑和尺寸关系，又考虑到工程约束关系。 两种零件参数化设计方法各有优缺点，前者对c a d 软件的应用能力比较高，需 要在建模的基础上实现参数化设计，但是对编程的能力要求比较低，只需要基本的基 础知识；后者则需要很高的编程能力，程序的繁简直接关系到系统响应的速度，并且 对硬件的要求也很高。 2 2 2 部件参数化设计技术 ( 1 ) 自底向上 自底向上设计的过程就是指在构造好所有零件模型的基础上，将这些零件模型装 配成子部件，再将这些子部件装配成最终的产品。在自底向上设计的过程中，需要一 边设计一边实现产品的装配，这样就缺少全局的规划，所有会遇到的问题只会在装配 过程中才会发现，所以设计效率相对来说比较低，需要返工的概率也很大。 ( 2 ) 自顶向下 自顶向下设计法是从产品的顶层开始设计，只有当产品需要设计新的零件时才会 根据要求完成零件的设计，逐步有计划的完成整个产品设计的方法。其设计的过程其 实就是实际产品的开发过程，首先是将产品的总功能分解成一系列的子功能，设计计 算出各个子功能的参数；然后再进行零部件的结构设计，结合前面的要求设计出总部 件的结构和子部件的功能，并确定子功能之间的装配关系；最后对子部件进行功能和 结构的分解，一直分解到零件。这样整个产品的设计就算基本完成，以后只需进行很 小的修改就可以实现整个产品的设计。 部件参数化设计的两种方法都有各自的特点，在不同的场合下有各自的应用。对 于在零件相对比较稳定的产品设计时，可以选择自底向上的设计方法，这样在以后的 装配过程中就会减少返工率，提高设计的效率；而对于创新设计中比较复杂并且比较 抽象的产品，可以选择自顶向下的设计方法，这样设计时才会按部就班，从上到下逐 步分解、逐步设计，做到设计的最合理化1 3 m 3 。 2 3 薄膜流涎机模块化参数化设计需求分析 当前，薄膜流涎机生产线是生产效率高、技术先进并且性价比高的成熟的塑料薄 膜生产线。实现薄膜流涎机的快速设计、生产就可以很大程度上缓解市场上塑料薄膜 生产线供不应求的情况，因此在设计、生产薄膜流涎机的过程中就需要解决薄膜流涎 机设计效率和生产效率的问题。实现薄膜流涎机的模块化参数化设计是解决这一问题 的关键，这主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 根据模块化设计的原理，可以从薄膜流涎机的总体特征和基本特征两个方 面进行分析。总体特征方面：薄膜流涎机具有总体可分的特性，这主要表现在薄膜流 l o 硕十论文薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 涎机是由层次结构分明的零部件组成的，各个零部件又可以独立成块，相互之间的关 联都可以控制在一定范围内。这种可分的特性是薄膜流涎机能够实现模块化设计的主 要依据。同时薄膜流涎机又具有可变的特性，这主要体现在薄膜流涎机可以根据客户 和市场的需求进行实时的改进与定制，这种实时的改进和定制是通过相同功能的不同 零部件实现的，使薄膜流涎机实现了多样化的设计。薄膜流涎机的可分和可变两个特 性，是实现模块化设计重要的两个依据，为模块化设计中模块的划分以及模块层次的 构建奠定了基础；基本特征方面：薄膜流涎机是以一定的零部件结构形式以一定的规 则组成的具有特定功能的机械系统。作为一个完整的机械系统，就会具有整体性、目 的性、层次性、独立性、相关性、通用性和互换性的基本特征。这主要体现在薄膜流 涎机是由功能各异的的若干要素组成，具备整体的协调性，能够实现特定的功能要求， 其结构又能按照功能进行层层的分解，这些分解下来的零部件都是可以单独的设计、 修改、生产以及调试，它们之间是有相互制约、相互作用的关系，在对其结构以及接 口进行参数标准化后是可以在不同薄膜流涎机中通用的。 基于以上薄膜流涎机总体特征和基本特征的分析，可以看出模块化设计是可以解 决薄膜流涎机快速设计、生产的问题。 ( 2 ) 参数化设计方法的本质就是基于约束的产品描述方法，这是由产品的设计 过程决定的，产品的设计过程其实就是约束规定、约束变换求解和约束评估的逐步完 善过程。因此，采用参数化设计方法可以设计出一族产品，这是由于参数化设计方法 是通过基于约束的产品描述方法来存储产品完整的设计过程。参数化设计最大的优势 在于，工程设计人员在产品的设计初期无需考虑零件的具体细节，就可以尽快草拟出 零件的形状和轮廓的草图，只需要通过局部尺寸参数的修改和某些约束参数的变动就 可以实现产品零部件的设计，而不需要对产品进行全部的重新设计【3 4 - 3 8 】。在模块化设 计中加入参数化设计，就可以使基本模块变“活”变“异”，满足更多客户的要求。 模块的参数化设计就是对其结构进行参数化和变量化，使其随着模块的某些尺寸参数 和使用环境的变化而变化，同时模块化设计中的接口问题就可以在参数化设计中通过 配合关系来解决。 基于以上分析可以得出，模块化设计技术与参数化设计技术的相结合，可以很好 的解决薄膜流涎机设计效率和生产效率的问题，能够快速响应市场需求，满足客户多 样化的要求，实现薄膜流涎机的快速设计和生产。 2 4 薄膜流涎机模块化参数化系统体系结构 2 4 1 薄膜流涎机模块化参数化系统设计方案 薄膜流涎机模块化参数化系统设计的目的就是利用先进的模块化、参数化设计思 2 薄膜流涎机模块化参数化系统总体方案设计硕士论文 想，实现系列化薄膜流涎机的快速设计，缩短产品的设计开发周期，快速满足客户的 要求。此系统方案是根据实际产品的模块化参数化设计流程设计的，产品具体的模块 化参数化设计方案如图2 4 所示。 图2 4 产品模块化参数化设计方案 根据上面的产品模块化参数化设计方案可以制定出设计薄膜流涎机模块化参数 化设计系统的具体步骤： ( 1 ) 根据薄膜流涎机自身功能与结构的特点，并结合企业设计现状以及市场实 际需求，依据模块划分的基本原则和方法，合理的将薄膜流涎机进行模块的划分。再 根据各个模块的特点，建立适合薄膜流涎机模块化设计的机制，构建层次分明的结构 模型库； ( 2 ) 实现模型中关键尺寸的提取，构建模型关键尺寸的结构层次关系，实现关 键尺寸变量标注的修改，建立对应的尺寸数据库； ( 3 ) 实现薄膜流涎机的参数化设计，就是通过运用程序开发软件将数据库与 c a d 软件相连接，只需要通过用户界面参数的修改就可以说实现薄膜流涎机的快速 三维设计。 2 4 2 薄膜流涎机模块化参数化系统设计框架 在确定薄膜流涎机模块化参数化系统设计方案之后，就可以直接搭建其系统设计 的框架，如图2 5 所示，其主要由数据库模块、用户操作界面模块以及输出模块三大 模块组成。 1 2 硕士论文 薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 2 5 本章小结 界面操作模块l数据库模块 i 阿匿 圈崮答鍪鬻； ； 选l 修j 处f l 丛立参数库j 剖幽倒 l 匦猩壁目 = ：l ! ：一一 输出模块 ；阿俘禧研； 瞪壅塑因l 图2 5 薄膜流涎机模块化参数化系统设计框架图 本章首先研究并分析了模块化设计技术，详细介绍了模块化设计的基本概念和面 向不同产品的模块化设计方法；其次研究并分析了参数化设计技术，详细介绍了零部 件参数化设计的方法，充分对比分析了各自的优缺点；再次对薄膜流涎机模块化参数 化设计进行了需求分析；最后在此基础上，制定了适合薄膜流涎机模块化参数化设计 系统的设计方案，并搭建了薄膜流涎机模块化参数化设计系统的框架，为薄膜流涎机 模块化参数化系统设计指明了方向，打下了基础。 3 薄膜流涎机模块化化设计硕士论文 3 薄膜流涎机模块化设计 3 1 薄膜流涎机模块化设计方案 根据薄膜流涎机模块化参数化系统的设计方案，并结合薄膜流涎机自身的特点以 及模块化设计的要求，提出了以下薄膜流涎机模块化设计的方案：薄膜流涎机模块化 总体设计、薄膜流涎机模块生成以及薄膜流涎机模块化产品生成设计。具体的薄膜流 涎机模块化设计方案如图3 1 所示。 图3 1 薄膜流涎机模块化设计方案 3 1 1 薄膜流涎机模块化总体设计 薄膜流涎机模块化总体设计第一步就是需要对其进行总体的规划，确定其模块化 划分的范围，这些都需要建立在全面调查分析的基础上。首先需要调查薄膜流涎机的 市场，掌握市场目前对薄膜流涎机的需求量以及将来一段时间的变化幅度。掌握薄膜 流涎机的寿命周期以及现在大多数工厂中薄膜流涎机寿命所处阶段。了解薄膜生产厂 商对机器性能、造价、结构等的要求；其次了解该类薄膜流涎机的发展历史、现状以 及发展趋势，掌握现有薄膜流涎机的结构和功能的不足，并预测其发展趋势，以确保 模块化设计的长期意义；最后需要调查公司本身的条件，如资金、技术、环境等制约 条件。在此基础上就可以进行薄膜流涎机模块化设计的总体规划1 9 ，3 9 j 。 一 在进行了薄膜流涎机的整体规划之后，就需要验证其模块化设计的可行性和必要 性。首先将薄膜流涎机按照功能进行分解，建立明确的薄膜流涎机系统模块层次结构 图；其次进行各个模块的设计，分析并评估各个模块设计的可行性；最后进行模块设 计的结构安排，保证模块设计的合理性以及设计的效率。 薄膜流涎机模块化总体设计只是对其模块化的概要设计，其主要的工作就是搭建 模块化设计系统层次图，验证模块化设计的可行性以及其必要性，是模块化设计的准 1 4 硕士论文 薄膜流涎机模块化参数化设计技术研究 备阶段。 3 1 2 薄膜流涎机模块生成设计 薄膜流涎机模块生成设计包含了模块的功能设定、模块的划分及建立。模块的功 能设定是指对不同层次的模块进行功能设定，明确各个层次模块的功能，使其尽量标 准化，为模块的划分与建立打下基础。模块的划分是指在完全熟悉薄膜流涎机生产工 艺流程以及工作原理的基础上，对薄膜流涎机进行功能分解，按照模块划分的原则， 将模块划分成通用的、独立的模块。模块的划分是模块生成设计中最重要的一个环节， 其是否合理关系到薄膜流涎机的功能、外形以及通用性和适应能力。模块的建立是指 在前面工作的基础上进行模块的功能、结构等设计。 3 1 3 薄膜流涎机模块化产品生成设计 薄膜流涎机模块化产品生成设计就是通过模块的选取与组合实现新产品的设计， 它包括分析任务、选取模块和组合模块这三部分内容。其中分析任务是指根据客户需 求，将客户具体的要求转换成技术指标，这些指标必须是可以通过模块的建立与组合 来实现的。选取模块就是在分析任务的基础上，选取能够实现技术指标的模块，如果 没有合适的模块还需要进行模块的重新设计，并加入模块库，使模块库充实。模块组 合就是将所需要的模块都选择好之后，通过将这些模块的组合来实现产品的设计，在 模块的组合过程中不仅需要注意各个模块的功能，还需要考虑到组合成整机时的整体 性能。 3 2 薄膜流涎机模块化设计过程 薄膜流涎机模块化设计是薄膜流涎机参数化设计的基础，只有进行合理的薄膜流 涎机模块化设计，才能更好的实现其参数化的设计。同时也需要以尽量少的模块组合 成尽量多的薄膜流涎机，以最小的成本尽量满足更多的市场需求。薄膜流涎机模块化 设计的根本目的就是提高薄膜流涎机的设计与生产效率，实现快速设计与生产，使产 品能够快速响应市场的要求，帮助企业提升市场的竞争力。薄膜流涎机模块化设计全 过程包括：薄膜流涎机市场调研与分析、薄膜流涎机功能与结构分析、薄膜流涎机模 块划分以及模块建立与组合。具体的设计过程如图3 2 所示。 3 薄膜流涎机模块化化设计 硕士论文 薄膜流涎机市 场调研与分析 二二 薄膜流涎机功 能与结构分析 二 薄膜流涎机模 块划分 _ 。l 薄膜流涎机模 块建立 l 薄膜流涎机模 块选择组合 需求分析，分析薄膜流涎 机模块化设计的可行性 分析薄膜流涎机功能与结构 特点，为模块划分奠定基础 根据薄膜流涎机特点，依据 模块划分原则进行模块划分 对薄膜流涎机模块进行功 能设定、结构设计等 根据需求选择不同模块组合， 形成不同类型薄膜流涎机 图3 2 薄膜流涎机模块化设计过程 3 2 1 薄膜流涎机市场调研与分析 进行薄膜流涎机市场调研与分析是薄膜流涎机模块化设计的前提，需要调查分析 国内外薄膜流涎机的发展现状、国内外市场的需求量、客户对已有产品性能、结构、 价格以及寿命的意见以及相关配件的生产情况等。 3 2 2 薄膜流涎机功能与结构分析 薄膜流涎机是采用共挤流涎成型法生产塑料薄膜的，按照其生产薄膜的层数可以 分为单层生产线和多层生产线。由于多层的缠绕膜更能够适应现代包装多样性的要 求，所以多层共挤薄膜流涎机是以后的主要发展方向，现在已经出现了3 层、5 层、 7 层、9 层共挤的薄膜流涎生产线，甚至有的生产厂商已经开始研发1 3 层共挤的薄膜 流涎生产线。这里进行模块化设计的薄膜流涎机是三层共挤的流涎生产线，其主要是 由挤出部分、流涎部分、测厚部分、电晕部分、收卷部分、废料部分、冷却系统等部 分组成。薄膜流涎机生产线设备的组成具体如图3 3 所示。 挤出流涎成型法生产塑料薄膜的主要工作原理是：将高分子聚合物物料及所需的 添加填充料、增塑剂、热稳定剂和其他塑料辅助剂等，经混合、搅拌、干燥后，吸入