机械产品两种模块化设计方法

收稿日期:2001󰀁03󰀁06机械产品两种模块化设计方法张松林(武汉理工大学󰀂武汉430063)摘󰀂要󰀂以减速器系统设计为例,对机械产品CAD系统的程序模块化与功能模块化设计方法进行了对比分析,为机械产品提供了一种创新设计方法。关键词󰀂程序模块化󰀂功能模块化󰀂CADAbstract:Takingreducersystemasanexample,thispaperanalyzesandcontraststheproceduremodulardesignandthefunetionmodulardesignofmechanicalproduetsCADSystem,thuspresentinganinnovativedesignmethodformechanicalproducts.Keywords:functionmodularity;proceduremodularity;CAD.󰀂󰀂近年来,我们在承担交通部、机械部的各种减速器CAD系统软件开发的过程中,不断总结出两种模块化设计方法。在较早承担的交通部上海港机厂的门座式起重机悬挂式减速器CAD系统换机组成6种很容易使用的机型,其中包括:集成了1000BASE-T和1000BASE-SX上联等先进功能的固定配置的机型;提供12个或24个端口的全灵活机型,这些机型还有扩展用的插槽以供安装增加的模块。该交换机的所有端口都具有自动侦听功能,该产品具有业内最好的性价比。SuperStack3Baseline10/100MbpsSwitch和10/100/1000MbpsSwitch,这些高性能的非管理型解决方案提供简单、可靠、经济、高效的连接,使客户可以用较低的成本得到千兆位以太网交换机。SuperStack3Baseline10/100/1000MbpsSwitch是世界上第一款三速以太网交换机,是专为需要灵活性和10/100/1000兆高速性能,且不需要端到端管理的交换机的企业设计的。EtherLinkServer1000网卡,该卡通过自适应的10/100/1000网卡(NIC)技术完善3Com公司的1000BASE-T系统解决方案,它提供业内领先的性能、负载均衡、冗余运作、DynamicAccess技术和各种先进的服务器功能。3.2󰀂CISCO的千兆位网络交换机Cisco不仅在广泛的产品上提供了千兆位的网络功能,而且计划不久将提供10Gigabit的以太网络产品。以下是千兆位以太网解决方案产品家簇

:󰀂󰀂从广域网络设备,局域网中心交换机、边缘交换机到桌面都提供了千兆位以太网解决方案(1000BASE-T),提供有14-portor16-port的RJ-45千兆位以太网模块,且与IEEE802.3ab标准完全兼容。4󰀂结束语1000BASE-T是可运行在5类、6类和7类双绞线上的高速以太网,可以预期,千兆或万兆高速以太网设备将会在我们的局域网络中普遍使用,视频点播、桌面视频会议等需要高网络带宽的应用将会在局域网络中流畅使用。62󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂交通与计算机󰀂2001年第3期󰀂第19卷(总第99期)软件开发时,采用的是 程序模块化!设计方法。在承担机械工业部郑州机械研究所低速重载齿轮箱CAD/CAM系统开发项目中,采用的是 功能模块化!设计方法。这两种不同思路的模块化设计都是一种创新设计,各有特色。下面分别介绍这两种模块设计方法。1󰀂程序模块化设计方法门座式起重机悬挂式减速器采用程序模块化设计方法。这种方法就是按照减速器CAD程序设计思路划分模块进行设计,我们把该系统划分为三大模块:设计计算模块;轴系结构设计与轴承组合模块;零件图与装配图参数化绘图模块。1.1󰀂设计计算模块该主模块包含5个二级子模块。它们是:1)总体设计模块。该模块功能为根据输入转速、传动比、功率(或输出扭矩),选择传动型式、传动级数,并确定标准与非标准设计。该模块包含参数输入、计算动力参数、传动比计算与分配、传动比修改、传动型式简图、工况选择、菜单工具条等7个子模块(三级模块)。2)标准减速器设计模块。该模块功能为确定标准中心距、各级斜齿圆柱齿轮设计、热功率校核、伸出轴端径向载荷与轴向载荷计算(三级模块)。3)非标准减速器设计模块。该模块功能为设计非标准斜圆柱齿轮。它所包含的子模块比标准设计多一个 斜齿轮螺旋角调整!(三级模块)。4)数据库模块。该模块功能为数据的整理、分类以及传递,以便实现参数化绘图。5)在线帮助模块。该模块功能使用户在使用该模块软件过程中随时得到帮助。它包含参数输入错误提示、用户修改参数、程序暂停、返回或继续等4个子模块(三级模块)。1.2󰀂轴的结构设计与轴承组合设计模块该主模块包含输入轴、中间轴、输出轴等三种形式的轴结构设计(二级模块)。其中每个二级模块又包含轴承选择计算、轴结构设计、轴承组合设计等若干子块(三级模块)。1.3󰀂参数绘图模块该模块包含斜齿圆柱齿轮图、齿轮轴图、光轴图、各附件图、标准件图、装配图等6个子块(二级模块),各个二级模块又包含若干个三级、四级模块。例如,减速器附件模块中包含轴承端盖图、套筒图、套杯图、油标图、油塞图等子块(三级模块);轴承端盖图模块中又细分为输入轴闷盖、输入轴透盖、中间轴闷盖、输出轴闷盖、输出轴透盖等5个子块(四级模块)。2󰀂功能模块化设计方法这种方法是一种原理方案设计方法,就是通过对减速器功能的分析,建立功能模块系统。2.1󰀂功能分析与功能模块系统减速器的总功能可以用图1的 黑箱!表示。

󰀂󰀂根据减速器工作要求,可知:n2T1;式中,n2为减速器的输出转速;n1为减速器的输入转速;T2为减速器的输出转矩;T1为减速器的输入转矩。由此可见,减速器的总功能为降速增矩。建立功能分析与功能模块系统,减速器的功能分析如图2所示。

󰀂󰀂在功能分析的基础上建立功能模块系统,图3所示为减速器功能模块系统。63机械产品两种模块化设计方法󰀁󰀁󰀁张松林󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂低速重载齿轮箱CAD/CAM系统开发,就是采用这种方法。该减速器采用日本住友󰀁汉森齿轮标准,在14套标准中心距系列参数中,某一种标准中心距采用同一个箱体,组装成二级、三级、四级直交轴圆锥󰀁圆柱齿轮减速器和一、二、三级平行轴圆柱齿轮减速器。2.2󰀂功能模块化设计步骤功能模块化设计步骤如图4所示。

3󰀂两种模块化设计特点3.1󰀂程序模块化设计的特点1)程序模块化设计层次清晰,便于软件的菜单管理。在许多工程设计中,复杂的软件系统开发实践表明:未采用模块化处理,势必造成整个软件的编排无序,难以实现菜单管理,必将给研制工作的深入和用户的使用带来极大困难。从上述的模块结构划分中可见,本系统由设计计算、结构设计和绘图三大模块以及若干子模块形成倒树状结构,对于软件菜单的编排也与此相对应。这样,层次非常清晰,编程人员与二次开发人员以及用户对整个系统的框架都很容易掌握。由于形成了良好的用户界面和清晰的中文菜单,用户十分欢迎。2)程序模块化设计有利于缩短程序长度和软件的二次开发。模块化设计可以使一些共同的程序段建成公共模块,这样可以缩短程序长度,节省编程时间,提高效率。公共模块的合理调用,可节省用户的运行时间,且便于修改或进行软件二次开发。本软件系统多处建立了公共模块,使原本很复杂的系统变得较简单一些。例如,齿轮材料选择,由材料查取接触极限应力󰀁HLim与弯曲极限应力󰀁FLim都是一样的。为此,我们根据机械设计手册极限应力所规定的几种齿轮材料与热处理要求,建立了 齿轮材料!子模块作为公共模块,供进行齿轮强度设计时调用。同理,在参数绘图中,装配图的绘制也必须建立 零件图块!、 装配消隐!、 序号排列!等公共模块,以供不同传动级数的多种减速器在设计时调用。由此可见,程序模块化设计方法不仅缩短了设计周期,有利于二次开发,而且有利于机械产品的系列化、通用化和标准化。3.2󰀂功能模块化设计的特点1)产品更新换代快。新产品的发展常是局部改进,若将先进技术引进相应模块,比较容易实现局部改进,这就加快了产品的更新换代。如计算机制造就是改变其中某些插件(模块),提高了计算机的性能。2)缩短了设计和制造周期。当用户提出要求后,只需更换部分模块,或设计、制造个别模块即可获得所需产品,这样就大大缩短了设计和制造周期。3)降低成本。模块化后,同一个功能模块可用于数种产品,增大了该模块的生产数量,还便于采用先进工艺、成组技术等,缩短了设计时间,从而降低了产品成本,提高了产品质量。4)维修方便。产品维修时,只须更换损坏的模块,维修方便、快捷。5)性能稳定可靠。模块化设计对产品的功能及模块划分进行了精心研究,保证了它的性能,使产品性能稳定可靠。6)系统较复杂。由于考虑模块的适应性和互换性,系统比较复杂,层次编排没有程序化设计清晰。7)适用于小批量生产。模块设计特别适用于生产批量较小的系列产品。以上介绍的两种模块化设计方法都是机械创新设计。西方国家越来越多地采用 功能模块化!设计方法。模块化设计的必要性越来越明显。参考文献1󰀂齿轮手册编委会.齿轮手册(上册).北京:机械工业出版社,19902󰀂杨家军.机械系统创新设计.武汉:华中理工大学出版社,199964󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂交通与计算机󰀂2001年第3期󰀂第19卷(总第99期)