（机械制造及其自动化专业论文）m系列通用减速器的模块化设计及其cad.pdf

摘要 摘要 随着经济发展的全球化 市场竞争的日益激烈 我国的减速器制造业面临 着巨大的挑战 为使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位 必须增强产品创 新能力 缩短设计周期 提高用户化程度 同时又要降低成本 保证质量及良 好的售后服务 传统的产品设计方法已经无法满足这些要求 而模块化设计技 术通过模块的划分与组合 实现了用户化产品的批量化生产及大规模生产条件 下的个性化 可适应市场激烈竞争的需求 本文通过对现有模块化理论体系的研究 提出了对模块化设计的新的理解 并针对m 系列通用减速器提出了一套完整的模块化设计方法 功能分析是模块 化设计的理论基础 本文通过对减速器进行功能分析 研究了减速器的功能模 块系统 划分并确定了减速器的生产模块 运用v i s u a lb a s i c 软件编程完成了 减速器的基型设计 实现了模块化设计过程的部分c a d 计算机辅助设计 详 细分析了齿轮模块 轴模块 箱体模块对模块化设计技术的应用 最后在基型 设计的基础上 完成整个m 系列减速器的模块化设计 m 系列通用减速器共采用 8 4 对斜齿圆柱齿轮 5 6 对锥齿轮代替了非模块化设计的1 2 5 2 对齿轮 可组成 平行轴的5 1 4 种和相交轴的3 5 7 种传动 一共只需2 0 种箱体 提供了1 2 种装 配型式 使减速器的设计与制造能够更快 更好地符合市场需求 最后 对还需进一步努力的方向 开发模块化减速器的c a d 设计系统进 行了规划 关键词 模块 模块化设计 功能分析 减速器 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a l i z a t i o no fe c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n db e c a u s eo ft h em a r k e t i n g c o m p e t i t i o ni sf u r yd a yb yd a y o u rc o u n t r y sr e d u c e rm a n u f a c t u r i n gi sf a c i n gt ot h e b i gc h a l l e n g e i ft h ee n t e r p r i s e sw a n tt oh a v ea na v a i lp l a c ei nt h em a r k e t t h e ym u s t t o n eu pt h ei n a u g u r a t ea b i l i t yi nt h ep r o d u c t s r e d u c et h et i m ei nd e s i g n i m p r o v et h e d e g r e eo ft h ec u s t o m i z a t i o na n da l s om u s tr e d u c et h ec o s t s a v o u c hf o rt h eq u a l i t i e s a n dd ot h eb e s ta f t e rs a l e9 删c e s t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fd e s i g n i n gc a n n o ts a t i s f y t h e s en e e d s m o d u l a rd e s i g nt u r n sm a s sp r o d u c t i o no fc u s t o m i z e dp r o d u c t sa n d i n d i v i d u a l i z a t i o no fi ti n t or e a l i z a t i o nb ym o d u l ep r o g r a m m i n ga n dc o m b i n a t i o n a n d i tc a l lf i tt h ed e m a n do fc u t t h r o a tc o m p e t i t i o no fm a r k e t t h i st h e s i st h o u g ht h er e s e a r c ho fm o d u l a rd e s i g nt h e o r ym a k e san e w u n d e r s t a n d i n go ft h em o d u l a rd e s i g n a n da l s om a k e sac o m p l e t e l ym o d u l a rd e s i g n m e t h o di nt h em s e r i e sr e d u c e r t h eb a s i ct h e o r yo fm o d u l a rd e s i g ni sf u n c t i o n a n a l y s i s t h i st h e s i sm a k e ss a l et h er e d u c e r sg e n e r a la n dp a r tf u n c t i o n s m a k e sa r e s e a r c ho fr e d u c e r sf u n c t i o nm o d u l a rs y s t e ma n dm a k e ss u r et h ep r o d u c t i o n m o d u l a ro fr e d u c e rf r o mt h ef u n c t i o na n a l y s i so fr e d u c e r t h i st h e s i su s e sv i s u a l b a s i c6 0s o f tc o m p l e t et h eb a s i ct y p ed e s i g no fm p 3r e d u c e ra n dc o m p l e t eap a r to f c a di nt h ep r o c e s s i o no fm o d u l a rd e s i g n t h i st h e s i sm a k e sf i l la n a l y s i si nh o wt o u s et h em o d u l a rd e s i g ns k i l l si ng e a rm o d u l a r a x e sm o d u l a ra n dr e d u c e rc a s i n g m o d u l a r f i n a l l y t h i st h e s i sc o m p l e t e st h ew h o l em o d u l a rd e s i g no f m s e r i e sr e d u c e r f r o mt h eb a s i ct y p ed e s i g n t h e r ea r e8 4p a i r so fb e v e lw h e e lg e a r sa n d5 6p a i r so f c o n ew h e e lg e a r si nm s e r i e sg e n e r a lr e d u c e ri n s t e a do f12 5 2p a i r so fg e a r si n n o n m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n a n dc a r r y i n go u t514k i n d so ft r a n s m i s s i o ni np a r a l l e l 3 5 7k i n d so ft r a n s m i s s i o ni ni n t e r s e c t i o n i tn e e d s2 0k i n d so fr e d u c e rc a s i n g sa l l t o g e t h e r o f f e r i n g12k i n d so fa s s e m b l i n gt y p e s a l lt h e s em a k et h er e d u c e r sd e s i g n a n dp r o d u c t i o ns u i tt h em a r k e t i n gn e e d sb e t t e ra n df a s t e r a tl a s t t h i st h e s i sm a k e sap l a ni nm o d u l a rd e s i g nr e d u c e r sc a d d e s i g ns y s t e m d e v e l o p m e n t t h i sp a r ti sw h i c ht h en e e d st h ed e e p l yw o r k h a r d k e yw o r d s m o d u l a r m o d u l a rd e s i g n f u n c t i o na n a l y s i s r e d u c e r i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 f 司v 霉 椭6 年1 月 口日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 学位论文作者签名 年月日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 签名 阁秀 仰 年 月t 日 第1 章引言 1 1 课题的背景 第1 章引言 随着科学技术的发展 社会的进步和经济的繁荣 市场对减速器在品种和 数量方面的需求急剧增加 同时也要求减速器具有性能好 优质可靠和高效率 等特点 此外还希望产品供货周期短 性能价格比更合理 产品具有个性化 这 些市场对减速器的客观要求使得基于传统设计方法来设计与制造减速器的生产 厂家已无法满足市场在这方面越来越高的要求 特别是随着国外减速器制造公 司大量涌入国内市场 更是使中国减速器制造业雪上加霜 问题非常严重 这 也是我国机械工业普遍面临的问题 我国机械工业出现上述问题的主要原因有管理上的问题 也有技术设计上 的问题 1 1 针对减速器制造工业 在技术设计上出现一些问题主要有以下几个原 因 l 传统的设计方法是从总结生产实践的经验发展起来的 它只在特定的 社会生产环境条件下对减速器的设计和生产起着积极的指导作用 随着减速器 功能的不断增强和生产的不断发展 传统的设计理论已经明显难于发挥其现实 指导意义 2 传统的设计方法需要设计人员掌握大量的力学 材料 机械原理 机 械零件等相关基础理论知识 消耗设计人员大量的时间和精力 导致设计周期 较长 3 传统的设计方法只是根据减速器的主要参数及其性能要求而进行整机 及各零件的设计 没有考虑某一功能单元的零件在系列减速器中的使用 因此 零件的通用性差 缺乏标准化设计思想 经验难以积累和传递 4 传统方法设计出的产品 是单件设计 单件生产 属于个体小农思维方 式 造成部件通用性差 某一部件报废后很可能导致其它部件不能很好发挥作 用 因此不利于部件的重复利用和合理调配组装 白白浪费现成的财富 增加 固定资产的无形流失 5 传统的设计只注重减速器的功能设计 能满足用户的使用要求即可 对 于人机界面和外观造型考虑的很少 第1 章引言 由于上述原因 要想克服目前所面临的实际问题 必须在借鉴传统设计理 论的基础上 重新建立和完善一套新的设计理论方法 使之能够在短期内有效 地设计出用户所需减速器或用户指定功能的减速器来 同时新的设计方法应能 够从设计 管理 生产等各个方面产生一定的影响 模块化设计作为现代设计 方法的一种 越来越多地被各行各业所采用 模块化设计技术通过模块的划分 与组合 实现了用户化产品的批量化生产及大规模生产条件下的个性化 可适 应市场激烈竞争的需求 1 2 模块化设计在减速器设计中的应用现状 产品模块化设计始于二十世纪初 1 9 0 0 年德国一家家具公司用模块化设计 原理设计书架 利用几种基本模块可以方便地组装顾客需求的书架 大约在1 9 2 0 年模块化设计开始应用于机床设计中 到二十世纪五十年代初 欧美一些国家 正式提出 模块化设计 的概念 才真正把模块化设计提到理论的高度来研究 模块化系列机械产品设计是工业发达国家近二十年来一直采用的一种先进 的机械产品设计方法 其宗旨是通过少量的功能模块组合 以获得多种产品 来最大限度地满足不同用户的需求 目前 模块化设计思想已广为人们接受 在机床行业中应用很广泛 例如模块化机床和组合夹具 模块化设计也广泛应 用于减速机 家电 家具 计算机等行业 圆 国外一些发达国家 7 0 年代初开始采用硬齿面通用减速器 8 0 年代技术趋 于成熟 产品普遍是向体积小 性能高 多样化 模块化设计的方向发展 大 体上可分为追求高性能和追求模块化设计两大流派 德国弗兰德公司 f l e n d e r 和比利时汉森 h a n s e n 公司可作为这两种流派的代表 1 3 j 以弗兰德公司为代表的减速器体现了高水平 高性能 多样化 适应范围 广等优点 在我国的冶金 化工 建材等行业的大型引进项目中大量被采用 如德国西马克公司为武钢冷轧厂配套的近半数减速器 丹麦史密斯公司为柳州 等水泥厂配套的几乎全部减速器都是弗兰德的产品 说明该公司的产品具有相 当广泛的市场和竞争力 汉森减速器的突出特色是模块化组合设计 日本住友等许多公司都引进了 它的专利技术 它用尽可能少的零件 组合成尽可能多的产品 适于通过大批 量生产来降低成本 获得效益 2 第1 章引言 根据国外的成功经验 好的模块化设计制造可减少零部件数量7 0 可缩 短生产周期7 0 国际著名的s e w f l e n d e r 等公司纷纷早在9 8 年左右就推 出了全新的高度模块化的减速机和减速电机 f l e ne r 公司的模块化减速机系 列 其输入轴齿轮有5 种中心距 各有5 种传动比 输出轴齿轮有3 种中心距 各有1 6 种传动比 另有锥齿轮4 种锥距 各有1 6 种传动比 由此组成8 个系 列具有各种功率及传动比的齿轮减速机 而比利时h a n s e n 公司专利模块化减 速机系列 其基本模块为1 7 对弧齿锥齿轮和2 8 对斜齿圆柱齿轮 共 组成2 3 2 0 种传动比 减速机箱体模块为8 种 中心距为折返式布置 可满足整 个系列的传动件布置要求 箱体设计成方形 6 个面均可固定 以便满足各种不 同的安装条件 目前 国内许多减速器厂在实施减速器的模块化设计 如南京高速齿轮箱 厂 但模块化减速器的c a d 设计系统均还未开发成功 1 3 课题的来源和论文研究的目的意义 我国目前的减速机生产企业以中 小批量生产为主 材料成本占的比重较 大 无论设计技术还是加工工艺都相对落后 现在在市场上流行的z d y z l y z s y d b y d c y 通用减速器均为f l e n d e r 公司7 0 年代的产品 其热功率 承载能力较差 而且加工所涉及的工装 模具相当庞大 给企业组织生产和为 顾客提供备件产生了很大的困难 特别是生产企业难于形成规模优势 从而难 于与国际公司竞争 中国工业通用齿轮减速器的产品面临着标准落后 产品创 新缓慢的被动局面 这一切给国内减速机行业造成了很大的压力 可以说 从 1 9 9 5 年开始 我国在大功率硬齿面通用减速器的产品领域就没有能与国外相抗 衡的产品系列 致使我们的企业在与国外公司的竞争中经常失利 市场被国外 公司一个一个地占去 中国的许多通用减速器企业已面临严重的市场危机 宁波东力传动设备有限公司也面临着这样的困境 宁波东力传动设备有限 公司是一家专业从事研究 开发 制造各类减速电机 硬齿面减速机 电动机 联轴器等传动设备的民营股份制高新技术企业 为使国内减速机的设计制造能 力快速追赶世界先进水平 并提高本企业在市场的竞争能力 宁波东力传动设 备有限公司正在开发m 系列通用减速器的模块化设计及其c a d 设计系统 本课 题来源于宁波东力传动设备有限公司 3 第1 章引言 论文的目的是为了尝试解决上述问题 为此采用模块化设计的思想 对m 系列通用减速器进行整体分析 按照功能模块的划分原则和设计原则进行整体 设计 希望提高产品的设计 生产能力 从而提高产品质量 满足市场产品多 样化的需求 以适应激烈的市场竞争 1 4 论文工作的构思和主要工作内容 论文将围绕m 系列通用减速器在设计 生产 管理中出现的一些问题 提 出以模块化设计的方法予以解决 论文根据功能模块的划分原则及设计原则对 减速器进行功能分解 确定减速器的功能模块系统 确定其生产模块 运用v b 6 0 编写减速器的基型设计程序 完成基型设计 重点论述模块化设计技术在齿轮 模块 轴模块 箱体模块设计中的应用 按模块化减速器的设计程序 对m 系 列通用减速器进行系列模块化设计 论文最后对模块化设计的m 系列通用减速 器cad 设计系统进行了构思和描述 4 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 功能分析是模块化设计的理论基础与实现前提 2 1 功能的概念h 1 功能 f u n c t i o n 是产品所具有的特定用途与各种特性的综合 也是产品 能完成任务的抽象描述 功能的具体化则是靠产品的技术系统予以体现和实现 的 功能分析则是技术系统设计的主要依据 只有用功能的观点来认识产品的 本质才能摆脱原有结构的模式而创造出更多 更新的方案 并取得最佳的结果 产品的功能是由其技术系统来体现的 一般来说 技术系统整体的功能要求 是该系统应具有的总功能 例如 车床用于车削 汽车用于物料运输 所谓功 能 就是完成物质 能量 信息 生物四种流的作用 如图2 1 所示 输入 能量 叶 材料 信息 一 生物 o 输出 能量 材料 信息 生物 图2 1 功能示意 实际上 技术系统的功能是指其把输入量转变为输出量的能力 总系统实 现总功能 部分系统实现部分功能 也就是实现模块的功能 对机械产品而言 功能是抽象地描述机械产品输入量和输出量之间的因果关系 对具体产品来说 功能是指产品的效能 用途和作用 2 2 功能的分类 功能的分类可有几种方法 按功能的性质及其重要性可有如下的分类 1 按功能的重要程度分类 可分为基本功能和辅助功能 基本功能是完成总功能所必需的分功能 辅 5 一一一一 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 助功能是为完成基本功能起保证作用的分功能 2 按用途分类 可分为驱动功能 传动功能 控制功能 工作功能 3 按功能的性质分类 可分为使用功能 美学功能 使用功能是指设计对象的适用性 可靠性 安全性 维修性 美学功能是指外观功能 艺术功能 产品的造型色彩 图案 和装潢等 4 按用户的要求分类 可分为必要功能 非必要功能 主体功能 附加功能 必要功能是指完成 总功能不可缺少的分功能 非必要功能是指多余的 过剩的功能 主体功能是 指产品的目标功能 附加功能是指与产品的目标功能无多大关系的其他功能 如电扇装有时间显示器等 5 按其作用分类 可分为通用功能和专用功能 通用功能是指概括了社会的一切事物而抽象 出来的具有通用性的功能 如转换 离合 联接 导向 存储等 专用功能是 指除了通用功能以外的功能 6 按其原理分类 可分为物理功能 逻辑功能 数学功能 物理功能是指能量的转换 逻辑 功能是指可编程序控制器 数学功能是指差动轮系 核子秤 加 减 乘 除 及开方等 由于功能的可分性 总功能可再分为功能元 对功能元来说 在某些场合 下这种按原理的分类可能更为有利 2 3 功能分析的基本原理和方法 功能分析法是从对机械结构的思考转化为对它的功能思考 从而做到不受 现有结构的束缚 以便形成新的设计构思 提出创造性方案 在现代产品设计 中 一般均是从功能分析入手 以求得最佳原理方案 功能分析是方案设计一 个的重要步骤 其步骤与方法如图2 2 6 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 明确客户需求 分析i 求总功能 l 求功能元 求局部解 求原理解 最佳原理方案 图2 2 功能分析步骤 搜索 厶 形态学矩阵 划评价法 在分析系统的总功能时常采用黑箱法 所谓黑箱法是指对一些复杂的系统 和问题 人们很难一下认识模拟和控制 犹如一个不透明 不知其内部结构的 黑箱 对其通过外部观测 分析黑箱与周围环境的信息联系 了解其功能 特性 以进一步寻求了解其内部机理和结构 如图2 3 所示 t 1 叫黑箱卜 耽 n 1 叫 l n 2 n 2 t 1 减速器总功能 减速增矩 能量缩放 图2 3 黑箱法 在此基础上 选择理想的方案 则b l a c kb o x 就变成g l a s sb o x 嘲 方案设计属于产品的概念设计阶段 我们可以这样理解概念设计 体现同 一功能的产品可有多种多样的工作原理 这就需要在功能分析的基础上 通过 构想设计理念 创新构思 搜索探求 优化筛选取得较理想的工作原理方案 7 一 一法图 法一 一解构 箱一 一分结 黑一 一能能 一 一功功 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 对机械产品来说 在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工 艺动作分解 初步拟定各执行构件动作相互协调配合运动循环图 进行机械运 动方案的设计等 这就是产品概念设计过程的主要内容 由于机械产品的总功能往往很多 为了便于进行概念设计 常需进行功能 分解 对于具体的机械产品其总功能需分解到何种程度取决于在哪个层次上能 找到相应的技术物理效应和结构来实现其功能要求 并且分解后同级分功能组 合起来应能满足上一级分功能的要求 最后组合成的整体应能满足总功能的要 求 这种功能的分解和组合关系称为功能结构 采用功能分析法进行概念设计 时主要是要正确表示产品的功能结构并做出评价 因此基于功能分析的概念设 计需按下列步骤进行 1 功能分解 2 功能求解 3 功能组合 4 功能评 价 分解一直是分析大而复杂设计问题的有力工具 分解的优点是降低设计问 题的复杂性 机械产品的功能是有层次的 是能逐级分解的 对于复杂机械产 品往往可以将其总功能分解为若干级分功能 有的甚至要分解到最后不能再分 解的功能元 功能元是功能基本单位 在机械设计中常用的基本功能元有物理 功能元 逻辑功能元 数学功能元等 概念设计的功能分解是把设计总要求逐步分解成具体的各个设计子要求 然后指定功能匹配相应的子要求 在分解过程可用功能逻辑树描述要求 功能 之间的关系 每个逻辑树由要求和功能两部分组成 逻辑树中每部分又可分成 不同的级要求 功能的级数随设计任务的复杂程序而定 功能分解的要求是 l 如果设计要求满足功能元 那么 根据设计要求指定功能元 2 如果功能元与设计要求相匹配 那么 功能元就不分解 图2 3 功能分析图 8 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 总功能的分解 可利用功能分析图来进行 如图2 3 所示 f 总功能 f l f 2 分功能 f l i f 2 3 二级功能 f 1 2 l f 2 1 2 三级功 能 f 2 1 2 1 f 2 l 斟 功能元 功能元是功能分析中的最小基本单元 它是具体对应于原理解的不能再分 解的功能 经它们的组合可得上一级分功能的解 直至取得总系统的原理解 从理论上而言 功能元是功能的最小基本单元 即不再可分 划分功能元 是为了找到相应的原理解和功能载体 如果已经找到相应的 而且是满意的原 理解及功能载体 而功能尚还可再分小的话 此时不必继续再分 可认为它已 是最小基本单元 所以 功能元的复杂程度也是不同的 这要与具体功能载体 韵成熟程度而定 功能载体即为实现对应功能的实体结构 如齿轮可以实现动力和运动的传 递功能 则其就是功能载体 在总功能相同的情况下 通过功能分解去寻求功 能元 其分解结果不同 则相应的功能载体的解决方案也是不同的 这就存在 相互比较和选择 功能是客户需求的反映 是技术系统的目标 也是设计的依据 在产品设 计中 总功能确定以后功能分解就成为重要的问题 功能分解是方案设计的基 础 按不同的分功能或功能元选择不同的解法原理及功能载体 图2 4 所示的是 功能分解的流程 图2 4 功能分解的流程 9 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 功能分解的步骤 1 用黑箱法求解总功能 对引进的产品 则可用反求技术 来求得总功能 2 选择与该总功能的相似物 基型 3 分析 基型一的工作流程和操作步骤 4 按流程和步骤确定分功能或功能元 5 按分功能和功能元初选解法原理和功能载体 6 归并 整理分功能和功能元 并最终确定 注意 在这个阶段 我们的目标是描述这个产品的功能元素 并且不采用 特定的产品概念技术工作原理 功能分解是一个重要环节 不同的分解方法 将形成不同的功能网络 即不同的求解路径 从而得到不同的结构 甚至可能 产生出新的设计方案 2 4 建立功能结构图 功能之间按照确定的关系相结合 才能产生总功能 把功能及其之间的关 系的总和称为功能结构 分功能的关系可以用图来描述 表达分功能关系的图 为功能结构图 功能结构图的建立是结合初步的工作原理或简单的构形设想进 行的 任何功能结构图 都由三种基本结构形式组成 串联结构 又称顺序结构 并联结构 又称选择结构 环形结构 又称循环结构 通过功能结构图的绘制 明确实现系统的总功能所需要的分功能 功能元及其顺序关系 这些较简单的 分功能和功能元 可以比较容易地与一定物理效应及实现这些效应的实体结构 相对应 从而可以得出实现所定总功能需要的实体解答方案来 建立功能结构图时应注意以下要求 l 体现功能元或分功能之间的顺序关系 这是功能结构图与功能分解图之 间的重要区别 2 各分功能或功能元的划分及其排列要有一定的理论依据 物理作用原理 或经验支持 以确保分功能或功能元有明确解答 3 不能漏掉必要的分功能或功能元 要保证得到预期的结果 4 尽可能简单明了 但要便于实体解答方案的求取 建立功能结构图的步骤 l 通过技术过程分析 划定技术系统的边界 定出其总功能 l o 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 2 划分分功能及功能元 通常首先考虑所应完成的主要工作过程的动作和 作用 3 建立功能结构图 根据其物理作用原理 经验或参照己有的类似系统 首先排定与主要工作过程有关的分功能或功能元的顺序 通常先提出一个粗略 方案 然后检验并完善其相互关系 补充其他部分 为了选出较优的方案 一 般应同时考虑几个不同的功能结构 4 评价 选出最佳的功能结构方案 进行评价的方面是实现的可能性复杂 程度 是否易于获得解答方案 是否满足特定要求 通常可取少数较好的方案 进一步具体化 直至实体解答完全确定 可以明确看出差异时再最后选定 2 5 功能元分功能求解 通过前面进行的各个工作步骤 已经弄清机械产品的总功能 分功能 功 能元之间的关系 这种功能关系说明系统的输入和输出以及内部的转换 那么 怎样才能实现这些功能呢 这就是分功能或功能元的求解问题 分功能求解就 是要寻求实现分功能的技术实体 功能载体 德 r 柯勒教授 把实现分功能或功能元的解 定义为 原理解法 并且指出原理解法是物理作用及作用件的函数 原理解法 f 物理作用 作用件 也就是说功能元的原理解法是通过物理作用和作用件确定的 现在的任务 是寻找实现各个分功能的物理作用就是求得功能元的原理解 下面介绍几种求 解方法 l 直觉法 直觉法是设计者凭借个人智慧 经验和创造能力来寻求各种分功能的原理 解 2 调查分析法 设计师要了解当前国内外技术发展状况 大量查阅文献资料 包括专业书 刊 专利资料 学术报告 研究论文等掌握多种专业门类的最新研究成果 这 是解决设计问题的重要源泉 3 设计目录法 设计目标是设计工作的一种有效工具 是设计信息的存贮器 知识库 它 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 以清晰的表格形式把设计过程中所需的大量解决方案规律地加以分类 排列 贮存 便于设计者查找和调用 设计目录不同于传统的设计手册和标准手册 它提供给设计师的不是零件的设计计算方法 而是提供分功能或功能元的原理 解 给设计者具体启发 帮助设计者具体构思 2 6 功能组合 通过上述步骤己找出了实现各分功能的技术物理效应和功能载体 如果再 把这些功能载体根据功能结构进行合理组合 则可得到实现总功能的概念设计 优化方案 在机械产品设计中通常采用形态综合法进行功能组合 形态综合法建立在形态学矩阵的基础上通过系统的分解和组合寻找各种答 案 形态学 m o r p h o l o g y 是1 9 世纪由美国加州理工学院f 兹维奇教授 f r i t z z w i e h y 从希腊词根发展创造出来的词 是用集合代数的表达方法描述系统形态 和分类闯题的学科 形态矩阵是表达前面各步工作成果的一种较为清晰的形式 它采用矩阵的 形式如表2 1 其中 第l 列a b n 为分功能 对应每个分功能的横行为其解 答 如a1 a 2 a 3 由每个分功能解中挑选一个解 经过组合可以形成一个 包括全部分功能的整体方案 如a 2 b 3 n 1 a 1 b1 n2 等等 从理论上说 可以组成整体方案的数量为各行解法个数的连乘积 形态学矩阵组成的方案数目过大难以进行评价 一般通过以下要点组成少 数几个整体方案供评价决策使用 以便确定2 3 个进一步设计的方案 l 相容性分功能解之间必须相容否则不能组合 2 优先选用主要分功能的较佳解 由该解法出发选择与它相容的其他分功 能解 3 剔除对设计要求 约束条件不满足 或不令人满意的解答 表2 1 功能组合的形态学矩阵 可能的解法 分功能 l23l j k aa 1a 2a 3a i bb 1b 2b 3 b j n n 1 n 2 n 3n k 1 2 第2 章模块化设计的理论基础 功能分析 2 7 功能评价 功能评价主要是根据能得到的信息 对通过功能组合后的备选方案做出尽 量全面的评价 得出综合最优的方案集 为后续设计工作提供合理的分析基础 评价是概念设计必不可少而且至为重要的一部分 概念设计中的评价体系应该 具有以下特性 l 定性信息的处理 这是由概念设计的特性决定的该阶段应能处理模糊语 意表达 2 多评价准则的统一考虑 不能因为一个方案的某一评价指标很差而轻易 放弃该方案 也不能因为某一指标很强而轻易地选择它 评价结果不一定是一 个完全排序关系 而应该是一个分级可比的优序关系 3 提供多层次的评价优序关系 设计者需要在不同阶段 不同角度对各选 方案作出评价 因而评价模型应该具有柔性 4 指出改进方向的评价 评价的目的是要求在评价中得出该方案在后续的 设计过程应该着重解决的问题和努力的方向 1 3 第3 章模块化设计基础 第3 章模块化设计基础 现代设计技术及制造技术的发展 使其中大多数功能单元成为功能独立的 部件 这样为模块化设计方法的应用提供了条件 模块化设计的具体思想是受 到 齿轮啮合互换性 的启发 一个齿轮可以与另一个同类型的具有相同模数及 压力角的任意形状 尺寸和齿数的齿轮相啮合 与之相似 模块化设计是以功 能分析为基础 通过功能相同而性能 用途不同的各模块的互换 可以组合成 各种基型产品和变型产品 3 1模块化设计的由来 模块一词来自于玩具积木 模块化作为一种现代设计方法 已经被人们所 接受和应用 模块化又名模件化 模块化的产生并不是偶然 而是有其历史演变过程的 这也是组合化发展 到一定阶段的需要 模块化概念的完善和应用主要是从2 0 世纪6 0 年代开始 但模块化的思想则有着悠久的历史渊源 自古以来 各种建筑物均是由一定形状和大小的砖和石料利用粘结材料经 不同的组合而建成的 人类赖以自豪的金字塔 我国的万里长城也均是劳动人 民利用简单的形状而构成形状 风格各异的建筑物 这就是组合化的雏形 组 合化的出现还是较早的 除了建筑方面 人们早就开始把组合化的概念运用到 日常生活中去 并扩展到工业生产的其他领域 1 9 0 0 年德国的一家玩具公司设 计出模块化 理想书架 1 9 2 0 年前后欧洲一些工厂 运用模块化原理 用6 3 个不同的齿轮组成6 0 种不同的传动系统 用于丝杠 转塔车床等处 这些均是 应用组合化原理的典范 1 9 世纪2 0 年代的保豪斯风格就是利用规则的几何体组 合成各种产品 如勃兰特的茶壶 斯多菲的台灯 西门子的电话机等 组合化 也是经历了一个不断发展的过程 最早的组合 只是用于对基本几何形体的组 合 如长方形的砖 圆柱形的梁等 这种组合的形状种类是有限的 从造型的 角度来看也是很简单的 由于人们需求的不断增长 继而发展到具有一定复杂 程度的形状 进行组合 如长矛 大刀 枪等 但它并不具有多功能的特性 而且发现仅是形状的组合尚不能满足多种的需要 为此 除了对自身形状复杂 1 4 第3 章模块化设计基础 程度的提高 不但需形状组合 而且还需大小组合 方向组合 位置组合 例 如组合夹具就是有这种特性 这种按功能要求提高自身形状的复杂程度 使各 个基本件本身就具有一定的功能 再经组合后的功能也必然是多功能的 这样 把组合化的概念又推进了一步 但上述的组合毕竟还是停留于单元的组合 一 个单元所起作用毕竟是有限的 要是能再把单元进行组合 那么它就能具有更 大的适应性 模块化也就应运而生 1 9 6 7 年英国曼彻斯特理工大学的 k o e u i g s b e r g e r 教授对模块概念的阐述 为模块化应用的推广起了极大的推动作 用 实际上在1 9 6 3 年日本的池具铁工厂就以大型机床为对象 使模块化实用化 与此同时 联邦德国也对此作了许多有益的探讨 模块化设计方法不但在建筑 机械 电子 甚至在教育系统中也大量应用 在高等教育中 由于专业的差异 课程开设的学时数要求也是不同的 为了进行有效的教学管理 把四年的课程 按共性和个性 利用模块化的原理 构成模块系统 该系统先按范围分别建立 校级课程模块系统 然后再分解由各系按专业要求再建系级模块系统和专业级 模块系统 政治思想教育模块 基础模块 基础技术模块 专业模块和实践模 块系统等五大模块中各又有许多单元模块 这将分别由各系 各专业进行选择 并予以组合 构成符合不同要求的教学计划和大纲 教育系统模块化的应用为 进一步增大教育适应性 加强工程设计能力提供了有效的手段 砸1 综上所述 模块化的产生主要基于如下的原因 1 多样化时代的需要 随着科学技术和社会的发展 人们需求的层次越来越多 在广度上 深度 上的变化都非常大 爱好 兴趣 功能差异的加大 但靠基本型的产品是不能 满足需要 同时也不可能把所有的功能都集中在一个产品上 这样既不经济 也不合理 过去人们的一般观念受到了强有力的挑战 多样化时代的特点 可 以用变 快 少来概括 变 产品的多变以及不间断的更新换代是多样化时代的特点之一 单件手 工加工向机械化 自动化生产的发展 完全适应了工业化时代的需求 它不但 解决了产品的数量问题 更主要是能大大地提高产品的质量 但它却不能满足 多样化时代的多变的需要 柔性化和集成化则是解决中小批量生产和适应于多 变的有效化手段 而模块化则是促进产品柔性化的巨大动力 快 产品变化的速度要快 在一定时间内要有一定的新产品出现 这是衡 量速度快慢的特性参数 这就要求开发品种设计的周期要短 生产周期也要短 1 5 第3 章模块化设计基础 目前 国外的工业先进国家的产品开发周期一般不超过1 年 对大型自动线一 般不超过2 年 对塑料制品的产品 由构想 设计到投产的时间就更短 新加 坡需l o 个月 美国需8 个月 日本需5 个月 而中国香港只要3 个月 正是由 于它们的快速 灵活使香港在国际市场的竞争中取得了明显优势 就以上海机 床行业为例 要上一个品种的周期至少要1 年 而模块化的快速 灵活正是模 块化的最大特点 少 批量小 而模块化由于可以使模块在最大程度上达到通用化 增大批 量 以降低成本 2 新生产格局的需要 我国一直沿用了2 0 世纪5 0 年代前苏联的以 大而全 或 小而全 为生 产模式的生产格局 严重地影响了产品开发速度和生产周期 经济效益也就难 以提高 我国的劳动生产率仅为国外的1 2 7 以上海机床行业为例 其专业化程度低 工业发达国家和地区 其机床产 品的零部件大部分是本厂自制 一般自制率达到6 0 7 0 加之 制造工艺落 后 人均劳动生产率低 设备落后 c n c 机床仅占0 4 经济效益必然是很低 的 模块化将要求打破这种 大而全一或材小而全一的生产格局 要求以模块 来组织生产 模块化工作的开展也将有助于产业结构的调整 产品结构的调整 工厂 车间均可以模块来调整生产 工艺等 这样不但可以降低成本 同时可 提高产品的质量 3 设计 生产周期的需要 由于产品生存期的缩短 更新换代率的加大 也促使了模块化的出现 模 块化的设计它不是一个产品一个产品进行的单独设计 而是一次设计就带出一 批产品 再加上设计 生产周期的缩短 因此 通过不同的组合达到满足多变 需求的模块化设计 就成为新型的先进方法也是必然的 4 市场流通的需要 消费者的低价格 高质量的消费心理越来越强烈 因此 降低成本也就成 为各制造厂关注的焦点 模块化设计在这方面将有着独特的优点 联邦德国马 克公司用模块化设计制造单梁吊 其设计费用降低了1 2 生产成本也降低4 5 因此 模块化体现了极大的优越性 5 功能的需要 集成化和微型化的影响 要求产品不仅能做到零 部件互换 更要做到不 1 6 第3 章模块化设计基础 同功能的组件也能互换 以使整台产品既具有多功能 又不扩大产品的体积和 重量 在这方面 电器的元器件 计算机等均走在机电 造船的前面 集成电 路 超大规模集成电路的出现 实际上是模块化的体现 现代电视机 高精度 的测试仪器无一不是采用单块接插 具有不同功能的 组合而成 微机中留有 各插板位置 当加入附件时能使计算机的功能得以增加 这些均是模块化的直 接作用 系统工程的出现 从理论上为模快化奠定了基础 每个系统均是可分的 可分为若干个子系统 而各子系统又可分为若干单元 若按功能的要求 把总 功能分为若干子功能 并与子系统相对应 那么在组成系统时 经过不同的组 合 可得多种不同的功能要求 这种子系统我们可以把它作为模块 那么总系 统就是模块系统 模块系统也只有在系统工程理论的指导下才能得到发展 综上所述 尽管模块化思想早就在生产实践中得到应用 同时在不同的领 域也在自觉的应用它 但模块化真正得到确认 发展 成熟及应用 还是在上 述各个条件的影响和指导下进行的 m 3 2 模块与模块化 3 2 1 什么是模块化 m o d u ia r 模块化的定义有很多 我们可以理解为由若干具有不同用途 或性能 并 可互换的模块 经不同的组合 以满足不同需要的这种方法称之为模块化 由 此可见 模块化应具有四个基本含义 1 必须具有一定数量的模块 所谓模块 m o d u l a r 是指一组具有同一功能的联接要素 但有不同用途 或性能 和结构 能够互换的各个单元 模块是组成模块化系统的基本单元 模块可以是由一个零件组成的 也可能是一个组件或部件 一个产品应分成几 个模块及模块中应包括哪些零件等问题均是在模块化中很重要的问题 要成为 模块必须具备四个条件 1 具有独立的功能 每一模块都有自己特定的功能 该功能是总功能中的 一个组成部分 这种功能将可以单独进行调试 2 具有联接要素 每一模块与其他模块组合后体现总功能的要求 但这种 1 7 第3 章模块化设计基础 组合不是简单的叠加 而是通过一定的联接形式来进行组合 为使每一模块的 联接形式通用 这种联接形式应是标准的 3 具有互换性 各模块之间应是可以互换的 这样才能便于各模块之间的 组合 以得到不同功能的要求 联接要素的互换性是模块互换性的组成部分 而更主要的是不同功能模块组合后仍可满足原定的需要 例如 车床的模块系 统 其他模块不动 把尾架顶针模块用带有钻头的钻削模块代替 那么 车床 增加了钻削的功能并保持车床的原有功能 4 是一组有不同用途的 不同结构的基本单元 这里特别强调的是一组 而不是单一的 因为只有是一组不同用途的 不同结构的基本单元 才可以有 选择地经不同的组合后达到不同的功能要求以适应不同的需要 若是单一的就 没有选择的余地 那么组合后的功能也就不可能是有所区别的 而这一组的基 本单元就是模块 这些模块不应是大小上的区别 而应是用途和结构上的区别 上述四个条件是区别模块和非模块的基本条件 这里必须指出 构成模块的 基件之间的连接形式并不是区别模块和非模块的条件 模块可以是可拆的 也 可以是不可拆的 同时也不要把为了运输的方便 而分解的组件看作是模块 例如 车床的顶尖 铣刀 砂轮等等 2 应用系统组合原理 模块系统的多功能不像其他产品在不调换附件的情况下直接体现 模块系 统的多功能是通过不同模块的组合体现的 因此 模块系统的产品必须应用系 统组合原理 按需组合 这种组合的关键是必须保证各模块联接要素的一致性 3 最终要获得能基本满足各种不同功能的需要 模块系统的功能是由各模块组合后体现的 故不同的功能模块经组合后体 现出不同的功能 总的来说 模块系统是多功能的 这种不同的功能 可以体 现在具体性能的不同 4 模块化的可分性 模块化系统可分为若干个模块 而每个模块均有其独立性 对用计算机进 行模块库的建立和管理是相当有利的 同时 也给维修带来了方便 3 2 2 模块化的作用 模块化的作用主要是 1 由原单一功能的产品变成多功能产品 如一般的卧式铣床通过模块组合 1 8 第3 章模块化设计基础 可成为多功能机床 如卧铣 立铣 精密钻等 2 便于应用成组技术 gt 及cad 3 增加批量 降低成本 大大缩短设计 生产与制造周期 4 便于计算机管理 通过建立模块化系统 把该模块的形状 大小等存储 与计算机中 用户将可通过显示器按需组合 直到满意 最后通过计算机绘出 组装图 列出模块明细表等 然后按清单到仓库把有关模块选出并组合成产品 通过计算机管理还能对模块的组合给出最佳的组合方案 5 增强了国际市场的