钻修机模块化设计.doc

摘要 模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品，以满足客户对产品个性化的需求，随着产品个性化和大规模定制的兴起，模块化设计已成为关键使能技术，越来越受到青睐 本文在深入研究、综述模块化设计原理与方法的基础上，建立了集成式的模块化设计的总体流程;同时深入研究分析了各种模块划分的方法，并以此为基础，提出了一种柔性化的模块划分方法论文主要研究内容和创新成果如下: (1) 研究分析了现有模块化设计方法，在对其进行分析比较的基础上，本文提出了机械产品模块化集成方法，其主要特点是: ①在开始进行模块化工作之前进行了可行性分析，在一定程度上避免了模块化工作的盲目性;②对模块化工作的对象进行分类，使模块化设计更具针对性、可操作性 (2) 阐述分析了几种代表性的模块划分原则，包括:火炮划分原则、功能模块划分原则以及基于功能流的模块划分原则等等;在此基础上归纳给出了评价划分原则的四个指标:通用性、可操作性、模块继承性和面向产品全生命周期性并采用上述四个指标，分析比较了现有模块划分原则的不足，提出了一种基于三维的模块划分原则，该原则较强地符合了四个评价指标的要求，具有很好的理论价值和实用价值。

(3) 在分析现有模块划分方法基础上，总结归纳了两类模块划分方法:面向产品全生命周期的模块划分方法和基于用户需求的模块划分方法针对两类方法的优缺点，提出了一种柔性化模块划分方法，该方法突出了模块划分的对象分类，在提高划分方法柔性的同时，也更具可操作性;并着重研究分析了“面向已有产品模块化改造”范畴的模块划分分组方法，并明确了相应的谱系聚类数学方法，该方法较强地适应了当前企业的设计需求，具有较强的实践意义 (4) 上述方法结合本研究室承担的课题进行了一定程度的验证关键词: 模块化 钻机 修井机当今市场变化迅速，企业必须不断应用新技术以快速适应时时变化的市场环境不断变化的环境归因于新一代的用户，他们可以在全球范围内购买产品而另一方面，传统的大批量生产方式造成了企业经常每几年才推出新产品，且大部分产品仅能提供有限的几种功能特性在这种情况下，能够快速生产使顾客满意的低价位、高质量产品成了企业能否成功的关键所在 面对如此紧迫的形势，企业为了在快速发展的全球市场中占有一席之地，必须采取相应的应对措施和手段:有的企业发展新方法、新技术，以期能够快速回应产品和市场趋势发展变化的需求;有的企业通过采用先进的生产制造方式(如精益生产、敏捷制造、大批量定制等)来缩短产品的开发周期，快速迎合用户和市场的需求;有的企业通过发展变型设计来快速推出不断变化的新产品，使企业获得更多的经济竟争优势…… 模块化设计通过产品结构、设计过程的重组，以大规模生产的成本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，允许企业通过改进产品的某些零件来快速形成新型产品。

因此，有必要对模块化设计进行深入可行的研究下面首先对模块化和模块化设计进行分析综述1 模块化概念的沿革 模块化思想自古有之模块化或模块化设计这一术语，虽然在20世纪中期才被提出，但它不是偶然出现的，而是在总结前人的经验，总结产品设计和制造的规律，分析市场需求的情况下提出的应该说，远在模块化这一术语提出之前，模块化的思想的萌芽就早己出现例如，人们发现，300多年前欧洲城砖的长、宽、高分别为104cm, 52cm和35cm这一组尺寸不是随意确定的，砖长尺寸相当于两倍的砖宽或三倍的砖高，通过长、宽、高的不同组合可以构成各种尺寸或形状的墙，因此，这种砖就是一种构成城墙的基本模块 对我们周围的事物和技术领域进行一番观察和分析之后，就会发现，许多东西都或多或少地体现出模块化这一特征例如，中文系统是由不同的基本模块汉字构成，而汉字又是由几种基本单元构成，有人用部首、偏旁表示;有人用横、竖、撇、捺、折等不同笔画表示，最终都能构成不同的汉字有限个音符的不同组合和排列可以谱成不同的乐曲;10个阿拉伯数字字符可以表达任意数字;用砖、瓦、木料可以盖成不同样式和大小的房屋…… 由模块所构成的系统称为模块系统，又称组合系统。

模块系统的概念是受到儿童积木的启发而得出的一套儿童积木由形状、大小及颜色相同或不同的一定数量的积木块构成，用这些积木块进行不同的搭配、组合就能构成不同的玩具造型，例如，不同形状或风格的房屋、桥梁、汽车及家具等等，既可以按照给定的图样组合，又可以根据兴趣创造但无论怎样千变万化，其基本单元还是那一套数量有限的积木块，这些积木块是构成儿童积木这一模块系统的基本模块，用积木块进行不同搭配、组合的方法和原理就构成最简单、最基本的模块化理念 由上述例子不难看出，我们周围的事物中都或多或少地存在着不同程度的模块化特征，值得很好的总结和借鉴2 模块化及其设计方法的发展应用 产品的模块化设计始于20世纪初首先在欧洲出现了模块化家具，然后扩展到机床等行业，在我国一些企业也获得了不同程度的应用 (1) 国外发展情况 德国的一个家具公司于1900年用模块化原理设计出所谓的“理想书架”该设计是将书架划分为底座、架体和顶板三种模块，其中架体具有几种不同尺寸，这几种尺寸的架体长度相同，而宽度和高度不同，用户根据要求选择不同的架体组成适合自己需要的“理想书架”这种书架就是我们己知的最早的按模块化原理设计的产品之一。

此后，这种原理逐渐为其他行业所采用，进而总结出模块化设计这一新的概念和方法 1920年左右，欧洲特别是德国的一些厂家首先把模块化原理应用于铣床和车床等机床的机械系统设计中如德国的弗里茨一维尔纳公司设计的铣床，就是按功能将其划分成模块而进行设计和制造的，这些模块可供用户选择以便组合成所需的铣床 20世纪50年代，欧美的一些国家正式提出“模块化设计”概念，自此以后，模块化设计愈来愈受到重视机械制造行业所使用的组合夹具是使用较早，也较成熟的模块化系统，用己有的夹具模块可组成所需的夹具，而不必单独设计与制造，用后再拆开，以便另行组合 瑞士肖布林(SCHAUBLIN)公司在不断累积设计和制造经验的基础上，在50年代就已对仪表机床进行了模块化设计，从而使其产品具有精度高、功能多及互换性好等优点，具有很强的竞争力 德国弗兰德(Flender)厂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16种传动比，另有锥齿轮4种锥距，各有16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比利时汉森(Hansen)专利模块化减速机系列，其基本模块为17对弧齿锥齿轮和28对螺旋齿圆柱齿轮，共组成2320种传动比。

减速机箱体模块为8种，中心距采用折反式布置，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西门子公司用模块化原理设计工业汽轮机也取得了很好的效果基本模块为进气段模块2种，中段模块2种及出气段模块4种，通过这些模块的不同组合可以得到不同容积和压力的16种工业汽轮机 (2) 国内应用情况 20世纪70年代末至80年代初，模块化设计开始在我国受到重视，并逐步得到应用例如，组合家具就是按模块化进行设计、制造和组装的 70年代末开始，我国机床行业中不少厂家应用模块化设计原理进行新产品的开发或系列设计，取得不少成果上海市机床研究所、上海仪表机床厂和上海十二机床厂联合组成的“小型精密机床模块化技术研究”课题组，在调查研究的基础上进行了仪表车床的模块化设计南京机床厂在N-038型高效自动车床系列设计中采用了模块化设计方法，共设计出40多个模块，可组成8种型式和用途不同的机床东方机床厂应用模块化方法设计轻型龙门铣床，取得了很好的效果齐齐哈尔第二机床厂采用模块化方法设计万能摇臂铣床系列北京第一机床厂1981年对龙门铣床进行了模块化设计，在缩短设计周期和制造周期上取得了明显的效果。

北京第二机床厂对高精度外圆磨床进行了模块化设计，可派生出各种不同的外圆磨床100余种 除机床外，国内在某些机械产品上应用模块化原理已初有成效，并开始在其他机械产品开发上应用模块化设计原理在减速器、变速器的系列产品开发过程中，也大量应用了模块化结构杭州汽轮机厂把该原理应用在工业汽轮机上，取得了显著的成效 随着用户需求及市场环境的不断变化，在新的环境下，模块化设计又被提到了一个新的高度下面我们来研究一下新环境下的模块化思潮 (3) 新环境下的模块化思潮 近年来，随着精益生产、敏捷制造及大批量定制等的兴起，模块化设计的研究和应用再次成为热点 精益生产方式(Lean Production，简称LP)是美国麻省理工学院数位国际汽车计划组织((IMVP)的专家对日本“丰田JIT (Just In Time)生产方式”的赞誉之称精，即少而精，不投入多余的生产要素，只是在适当的时间生产必要的数量的市场急需产品(或下道工序急需的产品);益，即所有经营活动都要有益有效，具有经济性精益生产方式是当前工业界公认最佳的一种生产组织体系和方式精益生产方式是在不可能实施大批量生产的情况下，根据市场多品种、小批量的需求，为了消除生产过程中的浪费，经过二十多年的努力才总结形成的。

精益生产主要采用拉动式的准时化生产，以客户需求定生产，强调物流平衡，以看板的形式沟通需求信息，生产过程中强调全面质量管理，加强员工控制质量的水平，避免无效的加工`模块化设计可以允许企业对产品或组织进行模块划分，快速根据客户需求组织产品生产 敏捷制造是以“竞争一合作(协同)”的方式，提高企业竞争能力，实现对市场需求做出灵活快速反应的一种制造生产新模式，这种模式要求企业采用现代通信技术，以敏捷动态优化的形式组织新产品开发，通过动态联盟、先进柔性生产技术和高素质人员的全面集成，迅速响应客户需求，及时交付新产品并投入市场，从而赢得竟争优势敏捷制造的内涵就是企业通过与用户、合作伙伴在更大范围、更高程度上的集成，来最大限度地满足市场的需求，适应竞争，获取长期的经济效益敏捷制造概念一经提出，就在全世界范围内引起了强烈反响美国、日本、德国等均开展了敏捷制造的研究性工作;国内对敏捷制造的研究也相当重视1995年在北京召开的我国863/CIMS发展战略研讨会上，将敏捷制造列为今后863/CIMS主要研究内容之一国家863/C工MS和国家自然科学基金对敏捷制造项目给予了大力支持许多大学和科研院所也开展了大量的研究性工作`。

模块化设计由于是将产品划分成了一个个模块，且模块间松祸合，所以适应敏捷制造的动态联盟来并行设计产品，从而可以最大限度地满足市场需求，获取长期的经济效益 大批量定制是为了满足客户多样化和个性化需求出现的，也是支撑敏捷制造的重要生产模式和使能技术客户需求的多样化导致了产品种类的剧增以杂货店中的商品为例，据统计，新商品的数量从1980年的3000种上升到1988年的10000多种，到1993年达到了17000多种这种上升趋势同样反映在超级市场的存货量上，也存在于其它服务行业之中客户需求的多样化还导致了市场的多样化。