摘要：文章論述了CNC機(jī)床產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的基本概念和運(yùn)用方法，并以CNC車床系統(tǒng)控制模塊化為例，闡述了模塊化的運(yùn)用方法，介紹了模塊化設(shè)計(jì)的基本原則。從而在滿足CNC機(jī)床產(chǎn)品性能、功能的基礎(chǔ)上，獲得良好的產(chǎn)品適應(yīng)性、通用性和互換性，以獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。文章同時(shí)探討了模塊化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)床制造中的作用和意義。

關(guān)鍵詞：CNC 機(jī)床 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 模塊化

中圖分類號(hào)：TG502                  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、概述

模塊是構(gòu)成系統(tǒng)具有特定功能、可兼容和可互換的獨(dú)立單元。模塊的功能和互換性是依賴于產(chǎn)品平臺(tái)的功能和配置變化而存在的，失去產(chǎn)品配置的需求，或當(dāng)產(chǎn)品只有一種配置時(shí)，模塊也就失去了意義。隨著CNC機(jī)床產(chǎn)品種類的日益增多，模塊化已經(jīng)成為人們用來解決產(chǎn)品配置變化的常用方法和設(shè)計(jì)手段。模塊化具有標(biāo)準(zhǔn)化形式的特點(diǎn)，將成熟產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)細(xì)分成不同的模塊，通過互換和配置變化，用來解決系統(tǒng)類型多樣、功能多變的不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，不僅有利于減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重復(fù)性，而且具有產(chǎn)品多樣性和多變換的特點(diǎn)，可以稱之為標(biāo)準(zhǔn)化的高級形式。通過采用成熟的或經(jīng)過驗(yàn)證設(shè)計(jì)的模塊，能有效縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊之間的互換，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

二、CNC機(jī)床產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用原則

機(jī)床是制造業(yè)的基礎(chǔ)裝備，它的技術(shù)水平直接影響到制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)品從品種單一的普通機(jī)床發(fā)展到現(xiàn)今種類繁多的CNC機(jī)床產(chǎn)品，為機(jī)床產(chǎn)業(yè)帶來了飛躍。眾所周知，用模塊化的方法設(shè)計(jì)的機(jī)床產(chǎn)品系列，可以提高產(chǎn)品開發(fā)速度，快速響應(yīng)市場需求。從不同的CNC系統(tǒng)、功能要求的各異、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變、不同特性要求的配置、傳動(dòng)控制、轉(zhuǎn)塔刀架形式、直接測量檢測、邏輯控制等都構(gòu)成了CNC機(jī)床產(chǎn)品系統(tǒng)控制的不同組合形式；與此相適應(yīng)，CNC機(jī)床在其產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面也必然有新的方法，才能適應(yīng)機(jī)床產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的產(chǎn)品多品種和不同功能、性能的需要。通過將產(chǎn)品分成幾個(gè)部分，也就是幾個(gè)模塊，每一部分都具有獨(dú)立功能，一致的連接和輸入、輸出接口單元；通過模塊化的組合配置，在相同種類的模塊產(chǎn)品族中的通用和互換，就可以形成最終產(chǎn)品。通過創(chuàng)建不同需求的產(chǎn)品，滿足客戶的定制需求；（見圖一模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型）；相似性的重復(fù)和通用，可以使整個(gè)產(chǎn)品周期中的設(shè)計(jì)、采購、制造和服務(wù)資源簡化，從而達(dá)到質(zhì)量或效率的提升，工作量的減少，同時(shí)易于優(yōu)化和擴(kuò)展；在一定程度上保持了良好的產(chǎn)品性能，這就是模塊化設(shè)計(jì)形式。但模塊化的互換性和可兼容性是模塊化運(yùn)用的組合條件，它要求遵守具有相互連接并傳遞信息的接口滿足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)或功能，并且具備通用性和多種組合互換的可能性；同時(shí)要求模塊具有經(jīng)過驗(yàn)證和成熟性的模塊數(shù)據(jù)庫和模塊圖形庫的標(biāo)準(zhǔn)形式的基本原則。事實(shí)上，上述的機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)在各個(gè)階段之間的不斷重復(fù)和通用，都建立在詳細(xì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和圖形庫建立的基礎(chǔ)之上。

三、CNC車床系統(tǒng)控制模塊化設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)代機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)是根據(jù)客戶提出的功能和性能要求，設(shè)計(jì)出一系列具有不同結(jié)構(gòu)和用途，而功能相同并可互換滿足產(chǎn)品性能要求的功能模塊。通過形成成熟的標(biāo)準(zhǔn)模塊的不同組合，組裝成滿足客戶要求的CNC機(jī)床產(chǎn)品,這種設(shè)計(jì)方法提高了機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作效率和適應(yīng)性。模塊化設(shè)計(jì)要求在建立標(biāo)準(zhǔn)模塊數(shù)據(jù)庫和模塊圖形庫的基礎(chǔ)之上,具有適應(yīng)許多產(chǎn)品的主參數(shù)的特征，這些模塊能夠完成某些具有獨(dú)立的功能。模塊化的應(yīng)用方法是實(shí)現(xiàn)大批量定制的基本技術(shù)之一，以客戶為主導(dǎo)的需方市場，產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多樣化和專用化，大規(guī)模定制成為目前主要趨勢，而模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的基本設(shè)計(jì)方法，不同于傳統(tǒng)的方法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要任務(wù)也轉(zhuǎn)向模塊的選用，通過進(jìn)行接口和組合的設(shè)計(jì)形式，從而簡化了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和資源共享，使設(shè)計(jì)人員能將更多的精力和時(shí)間投入到產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展中。

對于客戶來說，產(chǎn)品是獨(dú)特的、定制的、唯一的，而對制造商來說，產(chǎn)品是由一些模塊和分解后的模塊構(gòu)成的，它可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)出的定制產(chǎn)品。然而，事實(shí)上新產(chǎn)品的開發(fā)，實(shí)質(zhì)上就成為模塊的開發(fā)，組成該產(chǎn)品的模塊也可用于其他產(chǎn)品的組合，同時(shí)提高了模塊的利用率，形成了產(chǎn)品壽命短而模塊壽命長和模塊的多品種的格局。

1．模塊的劃分原則：進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，首先必須把產(chǎn)品劃分成若干模塊，再以模塊為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，也是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。模塊劃分是否合理，直接影響模塊化系統(tǒng)的功能、性能和成本。模塊劃分可以有不同的方法，但一般主要從產(chǎn)品功能和性能的角度進(jìn)行分析，在建立產(chǎn)品的功能模型的基礎(chǔ)上將客戶需求轉(zhuǎn)化為客戶功能要求。因此，模塊劃分的合理性對模塊化產(chǎn)品的性能以及模塊的通用化程度和成本均有很大影響。模塊劃分的過程，實(shí)質(zhì)上就是對模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的過程，也是一個(gè)結(jié)構(gòu)組合改變的過程，但其設(shè)計(jì)對象是模塊。

以我公司CNC車床產(chǎn)品為列，將CNC車床產(chǎn)品系列系統(tǒng)控制劃分為幾個(gè)模塊：CNC系統(tǒng)模塊、位置控制模塊、直接測量系統(tǒng)模塊、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、減速箱模塊、傳動(dòng)進(jìn)給模塊、PLC控制模塊、機(jī)床電器模塊、潤滑控制模塊、冷卻控制模塊、臺(tái)尾控制模塊、中心架控制模塊、轉(zhuǎn)塔刀架模塊、主軸驅(qū)動(dòng)模塊、傳動(dòng)控制模塊、主軸電機(jī)模塊、主軸模塊等；見圖二CNC車床系統(tǒng)控制模塊化組成。

通過系統(tǒng)模塊組成可以看出：如果把CNC車床各種部件的基本單元作為基礎(chǔ)，按不同功能、規(guī)格和價(jià)格設(shè)計(jì)成多種標(biāo)準(zhǔn)形式的模塊，可以按客戶需要選擇最合理的功能模塊配置成整機(jī)。這不僅能降低CNC機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造成本，而且能縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造周期，從而贏得市場。模塊化設(shè)計(jì)本身是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一，但也同時(shí)需要綜合運(yùn)用其它現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)算機(jī)輔助制造CAM等多種不同形式的設(shè)計(jì)手段，才能充分發(fā)揮模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

2．模塊化的分解

在分析機(jī)床各模塊功能的基礎(chǔ)上，將CNC機(jī)床總功能逐級分解為子功能，建立CNC機(jī)床的不同功能組合，產(chǎn)生機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能的子方案；在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)床的變型設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)，以模塊化的產(chǎn)品系列，快速響應(yīng)市場需求。將模塊化功能進(jìn)行分解，可以降低模塊化之間的耦合性；從而，為了替換不同種類的模塊，達(dá)到質(zhì)量或效率提升的目的。而且不會(huì)改變CNC機(jī)床產(chǎn)品整機(jī)性能。合理的分解設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和擴(kuò)展，創(chuàng)建滿足特定功能的模塊化基礎(chǔ)。產(chǎn)品模塊化的分解過程，是模塊化設(shè)計(jì)過程與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程之間最明顯的區(qū)別之處。見圖三系統(tǒng)控制模塊功能分解。

1).產(chǎn)品系列模塊：按企業(yè)CNC機(jī)床產(chǎn)品系列劃分有CKCNC車床系列、CJK簡易CNC車床系列、CKW全功能CNC車床系列、CHCNC車削中心系列；

2).CNC系統(tǒng)模塊：CNC車床產(chǎn)品系列系統(tǒng)配置有西門子SIEMENS系統(tǒng)、發(fā)那科FANUC系統(tǒng)、西班牙FOGOR系統(tǒng)、國產(chǎn)系統(tǒng)；

3).直接測量系統(tǒng)模塊：直接測量系統(tǒng)是用CNC系統(tǒng)反饋的位置檢測裝置，用來保證各軸之間的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系，并減少傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差；按企業(yè)產(chǎn)品系列配置有光柵檢測或磁柵檢測元件系列二種設(shè)計(jì)形式；

4).傳動(dòng)進(jìn)給模塊：產(chǎn)品配置進(jìn)給齒條結(jié)構(gòu)模塊、進(jìn)給滾珠絲杠結(jié)構(gòu)模塊二種設(shè)計(jì)形式；原則上CNC車床產(chǎn)品的配置，考慮產(chǎn)品精度保持性，按5M以下采用進(jìn)給滾珠絲杠結(jié)構(gòu)配置；5M以上則采用精密齒條進(jìn)給結(jié)構(gòu)；

5).PLC控制模塊：配置SIEMENS系列、發(fā)那科FANUC系列、OMRON系列邏輯控制器；從產(chǎn)品性能和控制功能上劃分，PLC也有不同的軟件設(shè)計(jì)形式，通過滿足不同設(shè)計(jì)形式功能要求的軟件數(shù)據(jù)備份，就可以實(shí)現(xiàn)PLC程序控制軟件的進(jìn)一步分解。

6).傳動(dòng)控制模塊：伺服控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、直流調(diào)速控制系統(tǒng)等不同配置形式，可用來實(shí)現(xiàn)主軸無極調(diào)速控制；

7).主軸電機(jī)模塊：伺服控制電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、直流調(diào)速電機(jī)；電機(jī)容量選擇按不同機(jī)床規(guī)格配置選擇；

8).臺(tái)尾控制模塊：按CNC機(jī)床產(chǎn)品配置有普通臺(tái)尾和液壓壓力控制型臺(tái)尾；

9).中心架控制模塊：按CNC機(jī)床產(chǎn)品配置有普通中心架和液壓壓力控制型中心架；

10).轉(zhuǎn)塔刀架模塊：采用德國SAUTER系列、意大利DUPLMATIC、國產(chǎn)系列等形式，依據(jù)客戶要求選擇不同的配置形式；

通過以上分解可以看出，將CNC機(jī)床產(chǎn)品的總功能逐級分解為子功能，建立CNC機(jī)床的不同功能結(jié)構(gòu)，形成機(jī)床功能方案，使得CNC機(jī)床的功能設(shè)計(jì)原理大為簡化；在分解模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)床的變型設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)，以模塊化的產(chǎn)品系列，滿足市場需求，完成產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)及初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過方案評審的優(yōu)劣，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。

四、結(jié)束語

通過上述模塊化設(shè)計(jì)可以看出，產(chǎn)品越復(fù)雜，系統(tǒng)功能越強(qiáng)，配置變化越多，模塊化應(yīng)用靈活性的優(yōu)勢也就越大。模塊化產(chǎn)品的開發(fā)不僅加快了產(chǎn)品投放市場的時(shí)間，而且提高了產(chǎn)品對市場的響應(yīng)速度；同時(shí)根據(jù)客戶需求，快速提供機(jī)床整機(jī)模塊化方案，隨時(shí)體現(xiàn)客戶意愿；并依照實(shí)際需要靈活配置和選擇不同形式的CNC系統(tǒng)和機(jī)床產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)。同時(shí)將構(gòu)成系統(tǒng)的模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，不僅能方便地構(gòu)成完整的模塊化系統(tǒng)，也可以不斷地將最新的技術(shù)運(yùn)用于模塊化的設(shè)計(jì)中，使CNC機(jī)床既能保持良好的產(chǎn)品性能，同時(shí)又能保持產(chǎn)品居于領(lǐng)先的先進(jìn)性。

作者：閆恩剛，男,1960年生，高級工程師，主要從事數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)及技術(shù)支持、設(shè)計(jì)咨詢。