2015/6/10 9:23:44
摘要：文章论述了CNC机床产品模块化设计的基本概念和运用方法，并以CNC车床系统控制模块化为例，阐述了模块化的运用方法，介绍了模块化设计的基本原则。从而在满足CNC机床产品性能、功能的基础上，获得良好的产品适应性、通用性和互换性，以获得最优的设计方案。文章同时探讨了模块化设计在现代机床制造中的作用和意义。
关键词：CNC 机床 产品设计 模块化
中图分类号：TG502 文献标识码：A
一、概述
模块是构成系统具有特定功能、可兼容和可互换的独立单元。模块的功能和互换性是依赖于产品平台的功能和配置变化而存在的，失去产品配置的需求，或当产品只有一种配置时，模块也就失去了意义。随着CNC机床产品种类的日益增多，模块化已经成为人们用来解决产品配置变化的常用方法和设计手段。模块化具有标准化形式的特点，将成熟产品的结构细分成不同的模块，通过互换和配置变化，用来解决系统类型多样、功能多变的不同产品结构形式，不仅有利于减少产品设计的重复性，而且具有产品多样性和多变换的特点，可以称之为标准化的高级形式。通过采用成熟的或经过验证设计的模块，能有效缩短设计周期，提高产品设计的可靠性，减少设计风险，同时实现企业产品结构模块之间的互换，提高产品品质。
二、CNC机床产品模块化设计的应用原则
机床是制造业的基础装备，它的技术水平直接影响到制造业的发展，机床产品从品种单一的普通机床发展到现今种类繁多的CNC机床产品，为机床产业带来了飞跃。众所周知，用模块化的方法设计的机床产品系列，可以提高产品开发速度，快速响应市场需求。从不同的CNC系统、功能要求的各异、产品结构的改变、不同特性要求的配置、传动控制、转塔刀架形式、直接测量检测、逻辑控制等都构成了CNC机床产品系统控制的不同组合形式；与此相适应，CNC机床在其产品设计方面也必然有新的方法，才能适应机床产业快速发展的产品多品种和不同功能、性能的需要。通过将产品分成几个部分，也就是几个模块，每一部分都具有独立功能，一致的连接和输入、输出接口单元；通过模块化的组合配置，在相同种类的模块产品族中的通用和互换，就可以形成最终产品。通过创建不同需求的产品，满足客户的定制需求；（见图一模块设计系统模型）；相似性的重复和通用，可以使整个产品周期中的设计、采购、制造和服务资源简化，从而达到质量或效率的提升，工作量的减少，同时易于优化和扩展；在一定程度上保持了良好的产品性能，这就是模块化设计形式。但模块化的互换性和可兼容性是模块化运用的组合条件，它要求遵守具有相互连接并传递信息的接口满足相应的结构或功能，并且具备通用性和多种组合互换的可能性；同时要求模块具有经过验证和成熟性的模块数据库和模块图形库的标准形式的基本原则。事实上，上述的机床产品设计在各个阶段之间的不断重复和通用，都建立在详细的产品设计之前的标准数据库和图形库建立的基础之上。
三、CNC车床系统控制模块化设计实例
现代机床模块化设计是根据客户提出的功能和性能要求，设计出一系列具有不同结构和用途，而功能相同并可互换满足产品性能要求的功能模块。通过形成成熟的标准模块的不同组合，组装成满足客户要求的CNC机床产品,这种设计方法提高了机床产品设计的工作效率和适应性。模块化设计要求在建立标准模块数据库和模块图形库的基础之上,具有适应许多产品的主参数的特征，这些模块能够完成某些具有独立的功能。模块化的应用方法是实现大批量定制的基本技术之一，以客户为主导的需方市场，产品需求呈现多样化和专用化，大规模定制成为目前主要趋势，而模块化设计是实现大规模定制的基本设计方法，不同于传统的方法。产品设计的主要任务也转向模块的选用，通过进行接口和组合的设计形式，从而简化了设计，实现了技术和资源共享，使设计人员能将更多的精力和时间投入到产品的创新发展中。
对于客户来说，产品是独特的、定制的、唯一的，而对制造商来说，产品是由一些模块和分解后的模块构成的，它可以实现大批量生产出的定制产品。然而，事实上新产品的开发，实质上就成为模块的开发，组成该产品的模块也可用于其他产品的组合，同时提高了模块的利用率，形成了产品寿命短而模块寿命长和模块的多品种的格局。
1．模块的划分原则：进行模块化设计，首先必须把产品划分成若干模块，再以模块为基本单元进行设计。模块划分是模块化设计的前提和基础，也是模块化设计的关键。模块划分是否合理，直接影响模块化系统的功能、性能和成本。模块划分可以有不同的方法，但一般主要从产品功能和性能的角度进行分析，在建立产品的功能模型的基础上将客户需求转化为客户功能要求。因此，模块划分的合理性对模块化产品的性能以及模块的通用化程度和成本均有很大影响。模块划分的过程，实质上就是对模块进行详细设计的过程，也是一个结构组合改变的过程，但其设计对象是模块。
以我公司CNC车床产品为列，将CNC车床产品系列系统控制划分为几个模块：CNC系统模块、位置控制模块、直接测量系统模块、进给驱动模块、驱动电机模块、减速箱模块、传动进给模块、PLC控制模块、机床电器模块、润滑控制模块、冷却控制模块、台尾控制模块、中心架控制模块、转塔刀架模块、主轴驱动模块、传动控制模块、主轴电机模块、主轴模块等；见图二CNC车床系统控制模块化组成。
通过系统模块组成可以看出：如果把CNC车床各种部件的基本单元作为基础，按不同功能、规格和价格设计成多种标准形式的模块，可以按客户需要选择最合理的功能模块配置成整机。这不仅能降低CNC机床的设计和制造成本，而且能缩短产品设计和制造周期，从而赢得市场。模块化设计本身是现代设计方法之一，但也同时需要综合运用其它现代设计工具，如计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM等多种不同形式的设计手段，才能充分发挥模块化设计的优势。
2．模块化的分解
在分析机床各模块功能的基础上，将CNC机床总功能逐级分解为子功能，建立CNC机床的不同功能组合，产生机床运动功能的子方案；在此设计的基础上，进行机床的变型设计、系列化设计，以模块化的产品系列，快速响应市场需求。将模块化功能进行分解，可以降低模块化之间的耦合性；从而，为了替换不同种类的模块，达到质量或效率提升的目的。而且不会改变CNC机床产品整机性能。合理的分解设计，易于实现优化和扩展，创建满足特定功能的模块化基础。产品模块化的分解过程，是模块化设计过程与传统设计过程之间最明显的区别之处。见图三系统控制模块功能分解。
1).产品系列模块：按企业CNC机床产品系列划分有CKCNC车床系列、CJK简易CNC车床系列、CKW全功能CNC车床系列、CHCNC车削中心系列；
2).CNC系统模块：CNC车床产品系列系统配置有西门子SIEMENS系统、发那科FANUC系统、西班牙FOGOR系统、国产系统；
3).直接测量系统模块：直接测量系统是用CNC系统反馈的位置检测装置，用来保证各轴之间的运动联系，并减少传动链的传动误差；按企业产品系列配置有光栅检测或磁栅检测元件系列二种设计形式；
4).传动进给模块：产品配置进给齿条结构模块、进给滚珠丝杠结构模块二种设计形式；原则上CNC车床产品的配置，考虑产品精度保持性，按5M以下采用进给滚珠丝杠结构配置；5M以上则采用精密齿条进给结构；
5).PLC控制模块：配置SIEMENS系列、发那科FANUC系列、OMRON系列逻辑控制器；从产品性能和控制功能上划分，PLC也有不同的软件设计形式，通过满足不同设计形式功能要求的软件数据备份，就可以实现PLC程序控制软件的进一步分解。
6).传动控制模块：伺服控制系统、变频控制系统、直流调速控制系统等不同配置形式，可用来实现主轴无极调速控制；
7).主轴电机模块：伺服控制电机、变频调速电机、直流调速电机；电机容量选择按不同机床规格配置选择；
8).台尾控制模块：按CNC机床产品配置有普通台尾和液压压力控制型台尾；
9).中心架控制模块：按CNC机床产品配置有普通中心架和液压压力控制型中心架；
10).转塔刀架模块：采用德国SAUTER系列、意大利DUPLMATIC、国产系列等形式，依据客户要求选择不同的配置形式；
通过以上分解可以看出，将CNC机床产品的总功能逐级分解为子功能，建立CNC机床的不同功能结构，形成机床功能方案，使得CNC机床的功能设计原理大为简化；在分解模块设计的基础上，进行机床的变型设计、系列化设计，以模块化的产品系列，满足市场需求，完成产品的功能设计、原理设计及初步的结构设计。通过方案评审的优劣，选择最佳的设计方案。
四、结束语
通过上述模块化设计可以看出，产品越复杂，系统功能越强，配置变化越多，模块化应用灵活性的优势也就越大。模