摘要：文章論述了CNC機床產品模塊化設計的基本概念和運用方法，并以CNC車床系統控制模塊化為例，闡述了模塊化的運用方法，介紹了模塊化設計的基本原則。從而在滿足CNC機床產品性能、功能的基礎上，獲得良好的產品適應性、通用性和互換性，以獲得最優的設計方案。文章同時探討了模塊化設計在現代機床制造中的作用和意義。

關鍵詞：CNC 機床 產品設計 模塊化

中圖分類號：TG502                  文獻標識碼：A

一、概述

模塊是構成系統具有特定功能、可兼容和可互換的獨立單元。模塊的功能和互換性是依賴于產品平臺的功能和配置變化而存在的，失去產品配置的需求，或當產品只有一種配置時，模塊也就失去了意義。隨著CNC機床產品種類的日益增多，模塊化已經成為人們用來解決產品配置變化的常用方法和設計手段。模塊化具有標準化形式的特點，將成熟產品的結構細分成不同的模塊，通過互換和配置變化，用來解決系統類型多樣、功能多變的不同產品結構形式，不僅有利于減少產品設計的重復性，而且具有產品多樣性和多變換的特點，可以稱之為標準化的高級形式。通過采用成熟的或經過驗證設計的模塊，能有效縮短設計周期，提高產品設計的可靠性，減少設計風險，同時實現企業產品結構模塊之間的互換，提高產品品質。

二、CNC機床產品模塊化設計的應用原則

機床是制造業的基礎裝備，它的技術水平直接影響到制造業的發展，機床產品從品種單一的普通機床發展到現今種類繁多的CNC機床產品，為機床產業帶來了飛躍。眾所周知，用模塊化的方法設計的機床產品系列，可以提高產品開發速度，快速響應市場需求。從不同的CNC系統、功能要求的各異、產品結構的改變、不同特性要求的配置、傳動控制、轉塔刀架形式、直接測量檢測、邏輯控制等都構成了CNC機床產品系統控制的不同組合形式；與此相適應，CNC機床在其產品設計方面也必然有新的方法，才能適應機床產業快速發展的產品多品種和不同功能、性能的需要。通過將產品分成幾個部分，也就是幾個模塊，每一部分都具有獨立功能，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品族中的通用和互換，就可以形成最終產品。通過創建不同需求的產品，滿足客戶的定制需求；（見圖一模塊設計系統模型）；相似性的重復和通用，可以使整個產品周期中的設計、采購、制造和服務資源簡化，從而達到質量或效率的提升，工作量的減少，同時易于優化和擴展；在一定程度上保持了良好的產品性能，這就是模塊化設計形式。但模塊化的互換性和可兼容性是模塊化運用的組合條件，它要求遵守具有相互連接并傳遞信息的接口滿足相應的結構或功能，并且具備通用性和多種組合互換的可能性；同時要求模塊具有經過驗證和成熟性的模塊數據庫和模塊圖形庫的標準形式的基本原則。事實上，上述的機床產品設計在各個階段之間的不斷重復和通用，都建立在詳細的產品設計之前的標準數據庫和圖形庫建立的基礎之上。

三、CNC車床系統控制模塊化設計實例

現代機床模塊化設計是根據客戶提出的功能和性能要求，設計出一系列具有不同結構和用途，而功能相同并可互換滿足產品性能要求的功能模塊。通過形成成熟的標準模塊的不同組合，組裝成滿足客戶要求的CNC機床產品,這種設計方法提高了機床產品設計的工作效率和適應性。模塊化設計要求在建立標準模塊數據庫和模塊圖形庫的基礎之上,具有適應許多產品的主參數的特征，這些模塊能夠完成某些具有獨立的功能。模塊化的應用方法是實現大批量定制的基本技術之一，以客戶為主導的需方市場，產品需求呈現多樣化和專用化，大規模定制成為目前主要趨勢，而模塊化設計是實現大規模定制的基本設計方法，不同于傳統的方法。產品設計的主要任務也轉向模塊的選用，通過進行接口和組合的設計形式，從而簡化了設計，實現了技術和資源共享，使設計人員能將更多的精力和時間投入到產品的創新發展中。

對于客戶來說，產品是獨特的、定制的、唯一的，而對制造商來說，產品是由一些模塊和分解后的模塊構成的，它可以實現大批量生產出的定制產品。然而，事實上新產品的開發，實質上就成為模塊的開發，組成該產品的模塊也可用于其他產品的組合，同時提高了模塊的利用率，形成了產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：進行模塊化設計，首先必須把產品劃分成若干模塊，再以模塊為基本單元進行設計。模塊劃分是模塊化設計的前提和基礎，也是模塊化設計的關鍵。模塊劃分是否合理，直接影響模塊化系統的功能、性能和成本。模塊劃分可以有不同的方法，但一般主要從產品功能和性能的角度進行分析，在建立產品的功能模型的基礎上將客戶需求轉化為客戶功能要求。因此，模塊劃分的合理性對模塊化產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，實質上就是對模塊進行詳細設計的過程，也是一個結構組合改變的過程，但其設計對象是模塊。

以我公司CNC車床產品為列，將CNC車床產品系列系統控制劃分為幾個模塊：CNC系統模塊、位置控制模塊、直接測量系統模塊、進給驅動模塊、驅動電機模塊、減速箱模塊、傳動進給模塊、PLC控制模塊、機床電器模塊、潤滑控制模塊、冷卻控制模塊、臺尾控制模塊、中心架控制模塊、轉塔刀架模塊、主軸驅動模塊、傳動控制模塊、主軸電機模塊、主軸模塊等；見圖二CNC車床系統控制模塊化組成。

通過系統模塊組成可以看出：如果把CNC車床各種部件的基本單元作為基礎，按不同功能、規格和價格設計成多種標準形式的模塊，可以按客戶需要選擇最合理的功能模塊配置成整機。這不僅能降低CNC機床的設計和制造成本，而且能縮短產品設計和制造周期，從而贏得市場。模塊化設計本身是現代設計方法之一，但也同時需要綜合運用其它現代設計工具，如計算機輔助設計CAD、計算機輔助制造CAM等多種不同形式的設計手段，才能充分發揮模塊化設計的優勢。

2．模塊化的分解

在分析機床各模塊功能的基礎上，將CNC機床總功能逐級分解為子功能，建立CNC機床的不同功能組合，產生機床運動功能的子方案；在此設計的基礎上，進行機床的變型設計、系列化設計，以模塊化的產品系列，快速響應市場需求。將模塊化功能進行分解，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，達到質量或效率提升的目的。而且不會改變CNC機床產品整機性能。合理的分解設計，易于實現優化和擴展，創建滿足特定功能的模塊化基礎。產品模塊化的分解過程，是模塊化設計過程與傳統設計過程之間最明顯的區別之處。見圖三系統控制模塊功能分解。

1).產品系列模塊：按企業CNC機床產品系列劃分有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系統模塊：CNC車床產品系列系統配置有西門子SIEMENS系統、發那科FANUC系統、西班牙FOGOR系統、國產系統；

3).直接測量系統模塊：直接測量系統是用CNC系統反饋的位置檢測裝置，用來保證各軸之間的運動聯系，并減少傳動鏈的傳動誤差；按企業產品系列配置有光柵檢測或磁柵檢測元件系列二種設計形式；

4).傳動進給模塊：產品配置進給齒條結構模塊、進給滾珠絲杠結構模塊二種設計形式；原則上CNC車床產品的配置，考慮產品精度保持性，按5M以下采用進給滾珠絲杠結構配置；5M以上則采用精密齒條進給結構；

5).PLC控制模塊：配置SIEMENS系列、發那科FANUC系列、OMRON系列邏輯控制器；從產品性能和控制功能上劃分，PLC也有不同的軟件設計形式，通過滿足不同設計形式功能要求的軟件數據備份，就可以實現PLC程序控制軟件的進一步分解。

6).傳動控制模塊：伺服控制系統、變頻控制系統、直流調速控制系統等不同配置形式，可用來實現主軸無極調速控制；

7).主軸電機模塊：伺服控制電機、變頻調速電機、直流調速電機；電機容量選擇按不同機床規格配置選擇；

8).臺尾控制模塊：按CNC機床產品配置有普通臺尾和液壓壓力控制型臺尾；

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

10).轉塔刀架模塊：采用德國SAUTER系列、意大利DUPLMATIC、國產系列等形式，依據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機床產品的總功能逐級分解為子功能，建立CNC機床的不同功能結構，形成機床功能方案，使得CNC機床的功能設計原理大為簡化；在分解模塊設計的基礎上，進行機床的變型設計、系列化設計，以模塊化的產品系列，滿足市場需求，完成產品的功能設計、原理設計及初步的結構設計。通過方案評審的優劣，選擇最佳的設計方案。

四、結束語

通過上述模塊化設計可以看出，產品越復雜，系統功能越強，配置變化越多，模塊化應用靈活性的優勢也就越大。模塊化產品的開發不僅加快了產品投放市場的時間，而且提高了產品對市場的響應速度；同時根據客戶需求，快速提供機床整機模塊化方案，隨時體現客戶意愿；并依照實際需要靈活配置和選擇不同形式的CNC系統和機床產品功能結構。同時將構成系統的模塊進行標準化，不僅能方便地構成完整的模塊化系統，也可以不斷地將最新的技術運用于模塊化的設計中，使CNC機床既能保持良好的產品性能，同時又能保持產品居于領先的先進性。

作者：閆恩剛，男,1960年生，高級工程師，主要從事數控機床產品設計及技術支持、設計咨詢。