（机械设计及理论专业论文）桥式起重机的模块化设计.pdf

l ：一 塑茎塑重垫竺堕垫些堡生 一 ； 摘要 随着经济发展的全球化、市场竞争的日益激烈，我国的起重机械制造业面临着巨大 的挑战。为了适应经济全球化趋势和激烈的市场竞争，提高国产起重机械的技术含量， 赢得国内外市场，本文以功能分析为基础，采用模块化设计理论的方法，对桥式起重机 进行新的设计，使其能够更快、更好地符合市场需求。 文章首先在市场凋研基础上建立了桥式起重机系统的全系列产品矩阵，明确了设计 范围和目标。然后，在功能分析的基础上，对桥式起重机的基型产品进行了充分分解， 建立了基型模块矩阵。并对基型模块矩阵进行纵横扩展，建立了全系列模块矩阵。 本文在前人研究的基础上提出了概念模块及其结构解和参数解的概念。通过这些概 念进一步阐述了横系列模块化、纵系列模块化以及跨系列模块化和全系列模块化的实 质。并用这些概念和方法实现了桥式起重机基型模块的纵横扩展，建立了全系列模块矩 阵。 此外，本文在对桥式起重机的模块划分上提出了新的划分方法，克服了以往划分方 法中没有解决的模块数与模块大小之间的矛盾，以及模块内结合度弱，模块问结合度强， 模块间接口复杂等缺点。而且，该种划分方法所建立的模块系统是一个开放的系统，可 以随着市场需求的变化和科学技术的发展推陈出新，实现良性循环。 关键词：桥式起重机；功能分析；模块化设计；概念模块 桥式起重机的模块化设计 a b s tr a c t w i t hg l o b a l i z a t i o no fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m a r k e tc o m p e t i t i o ni sf i e r c ed a yb yd a y , t h eh o i s t i n gm a c h i n e r ym a n u f a c t u r eo fo u rc o u n t r yf a c e st h ee n o r m o u sc h a l l e n g e i no r d e rt o a d a p tt o t h et r e n do fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o na n df i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，i m p r o v et h e t e c h n o l o g i c a lc o n t e n to f t h ed o m e s t i c h o i s t i n gm a c h i n e r y ，g a i n t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l m a r k e t s ，t h i st e x tr e g a r d sa n a l y z i n gi nf u n c t i o na st h ef o u n d a t i o n ，a d o p t st h em e t h o do f t h e m o d u l a rd e s i g n ，c a r r i e so nt h en e wd e s i g nt ot h eo v e r h e a dc r a n e ，m a k e si tc a na c c o r dw i t h m a r k e td e m a n df a s t e ra n db e t t e r t h ea r t i c l es e t su pt h ew h o l es e r i e so f p r o d u c t sm a t r i x e so f t h eo v e r h e a dc r a n es y s t e mo n t h eb a s i so f m a r k e ts u r v e ya tf i r s t t h e n ，o nt h eb a s i so ff u n c t i o na n a l y s i s ，f u l l yr e s o l v et h e b a s et y p e p r o d u c to f o v e r h e a dc r a n e ，s e t su pi t sm o d u l em a t r i x a n de x p a n di tv e r t i c a l l ya n d h o r i z o n t a l l y , s e t su p t h em a t r i xo fa l ls e r i e so fm o d u l e s t h ea r t i c l ep u t sf o r w a r dt h ec o n c e p ta b o u tt h ec o n c e p tm o d u l ea n di t s s o l u t i o n so n s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e ro nt h eb a s i so fw h a tf o r e f a t h e r ss t u d i e d e x p l a i nt h ee s s e n c e so f h o r i z o n t a ls e r i e so fm o d u l e ，v e r t i c a ls e r i e so fm o d u l ea n ds t e ps e r i e so fm o d u l ea n da l ls e r i e s o fm o d u l ef u r t h e r t h r o u g h t h e s e c o n c e p t s a n d r e a l i z et h e e x p a n d i n gv e r t i c a l l y a n d h o r i z o n t a l l yo f t h eb a s et y p em o d u l e o f h o i s to f b r i d g et y p ew i t ht h e s ec o n c e p t sa n dm e t h o d s ， s e tu pt h em a t r i xo fa l ls e r i e so fm o d u l e s i na d d i t i o n ，t h i st e x tp u t sf o r w a r dt h en e wd i v i s i o nm e t h o di nd i v i d i n gt h em o d u l eo ft h e o v e r h e a dc r a n e t h em e t h o ds o l v e st h ec o n t r a d i c t i o nb e m e e nt h eq u a n t i t ya n dt h es i z eo f t h e m o d u l e ，a n do v e r c o m e st h es h o r t c o m i n gt h a tc o m b i n i n gd e g r e e i sw e a ki nt h em o d u l e ， c o m b i n i n gd e g r e e i s s t r o n ga m o n gt h em o d u l e s ，t h e i n t e r f a c eo fm o d u l ei s c o m p l i c a t e d f u r t h e r m o r e ，t h em o d u l es y s t e ms e tu p i sa no p e ns y s t e m ，t h a tc a nw e e do u tt h eo l da n db r i n g f o r t ht h en e w a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ec h a n g eo f m a r k e t d c m a l l d k e y w o r d ：o v e r h e a dc r a n e ；f u n c t i o na n a l y s i sm o d u l a rd e s i g n n a t i o n a lm o d u l e 桥式起重机的模块化设计 1 1 引言 第1 章绪论 随着经济发展的全球化、市场竞争的日益激烈，我国的制造业面临着巨大的挑战， 制造企业必须提高复杂产品及设备的创新能力和快速响应市场的能力，才能在全球竞争 的范围内立于不败之地。加入w t o 以来，关税壁垒保护的丧失，我国起重机械行业也 面j 临着更加激烈的市场竞争。根据市场预测，我国对工程机械的需求量为7 6 0 亿元左右。 国家公布的工程机械行业在“十五”期间的发展目标为：“十五”期间，经过行业结构 调整，振兴发展，争取国产工程机械在国内市场占有率达到8 0 ，为6 1 0 亿元，出口额 达到4 0 亿元，共计工业总产值及销售额达到6 5 0 亿元j 。为了适应经济全球化趋势和激 烈的市场竞争，提高国产起重机械的技术含量，赢得国内外市场，本文将以功能分析为 基础，采用模块化设计理论的方法，对桥式起重机进行新的设计，使其能够更快、更好 地符合市场需求。 1 2 模块化设计研究现状 1 2 1 模块化设计的概念 模块化设计的设计理念是在生产部门希望快速响应市场，同时降低产品开发成本， 缩短设计周期的要求下提出的。其基本思想是以有限的模块组成多样的产品，达到既要 满足用户对产品的个性需求，又保证批量生产从而降低成本的目的。模块化是一种思想， 也是产品设计和制造的技术。目前，对模块化还没有一个统一的定义，许多学者根据各 自的研究，从不同的角度对其进行了表述： 文献 2 认为：模块化设计是综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途和 性能的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计部分专用模块) 以迅速组 成各种要求的系统的一种方法。 文献 3 认为：模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不 同规格的产品进 亍功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择 和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法 文献 4 认为，模块是一组同时具有相同功能和相同结合要素，而具有不同性能或 用途甚至不同结构特征，但能互换的单元，模块化设计是基于模块的思想，将一般产品 设计任务设计成模块化产品方案的设计方法。它包括两方面内容：一是根据新设计要求 进行功能分析，合理创建出一组模块即模块创建；二是根据设计要求将一组存在的 特定模块合理组合成模块化产品方案即模块综合。它有两种设计形式：一是基型设 计，另一是变型设计。基型设计明显包含上述两方面内容，而变型设计一般只包含第二 方面内容，但当互换模块不存在时，也须包含第一方面的内容。 7 0 年代末，日本学者”。提出机床模块化就是“把具有一定用途和功能的部件结构标 准化，使其互相便于组合和拆开。选择所需要的部件进行组装，即可构成一台能发挥全 部功能的机床或系统。” 桥式起重机的模块化殴计 8 0 年代初，我国一机部机床 发计工作研究班”，把机床模块化设计定义为：将机 床上同一功能的单元，设计成具有不同用途或性能的、可以互换选用的模块，用以更好 的满足用户需要的一种设计方法。 童时中从系统论的角度研究了模块化设计，指出：从系统的观点出发，对模块化 对象采用分解和组合方法，建立模块体系和运用模块组合成( 产品) 系统的全过程，叫模 块化。同时认为模块化是标准化的高级形式，是一种思维的工具。 一般认为，截止目前为止，对模块化这个概念还没有形成统一的定义随着研究的进 一步发展，人们对其本质的认识还将进一步深化。 1 2 2 模块化设计的研究内容 l 、模块化设计实施方法的研究 文献”指出要搞好模块化设计，应开展五个方面的工作：市场调查、技术预测、品 种规划、科研先行、功能分析，并探讨了模块化设计的具体实施中需要注意的一些问题。 童时中9 1 全面阐述了传统模块化的设计过程，认为模块化设计要依次按三个层次 进行，即模块化产品系统的设计( 系统分析阶段) ；模块系统设计( 详细设计阶段) ：模块化 产品设计( 系统应用阶段) ：模块选择、模块综台。 随着计算机技术的发展，越来越多的人开始研究计算机辅助下的模块化设计。图卜l 所示为姜慧“提出的计算机辅助模块化设计的一般过程。 fl j 龠 蚓1 1 计算机辅助模块化设计的一般过程 f i g t 1 t h ec o u r s eo fc o m p u t e ra i d e dm o d u l a r d e s i g n 2 、模块划分方法的研究 模块划分是模块化设计的前提和基础。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。综合当前模块划分的研究，大致有以下途径。 ( 1 ) 系统化的途径。p a h l ”。研究了模块化的实施途径，采用其系统化理论，提出了 一套进行模块化的步骤，其目的在于从程序上对模块化的实施进行指导。 ( 2 ) 综合考虑全生命周期中模块化影响的模块划分。首先确定全生命周期中模块化 的影响因素，建立模块识别矩阵( m i m ) “，在该矩阵中，确定各功能载体对各囡素的影 响程度，据此对各功能载体进行聚类。 ( 3 ) 基于相关程度的划分。通过分析组成产品的各零部件( 功能) 之间在材料、能量、 信息、空间等各方面的相互作用程度，确定模块的划分。 2 桥式起重机的模块化设计 ( 4 ) 技术与经济因素相结合的模块划分。文献。1 1 提出技术与经济因素在模块化分中 均扮演重要角色，文献“”提出了一种综合考虑m i m 与相关度的划分方法。 ( 5 ) 其它用于模块划分的工具。为了在模块划分中综合考虑市场、生产和技术因素， 文献“。提出了一种三维关系矩阵的构造方法。为了在模块划分中考虑通用性和可重用 性，文献“提出了可重用性矩阵。 3 、模块组合理论的研究 前苏联学者证明3 ，在模块组合时。对所有可能组合的每个方案进行简单枚举是不 可行的。它们使用有向图来表示机床的布局结构，用图的顶点表示模块，顶点之间的边 连接表示模块之间的装配关系：把机床划分为动力部分和安装部分，分别用两个子图表 示，通过对子图上始点与终点问路径的分析确定可能的组合。 陈敏贤等”“提出了基于模块编码的计算机辅助模块组合方法；h ed a v i dw “”“1 研究了模块化产品的装配设计问题，针对模块化产品的特点，提出了装配系统的设计方 法；0 g r a d y ”。”研究了分布协同的网络设计环境下模块的组合方法，通过一个面向对 象的模块化产品设计环境，可以将不同地区、不同模块制造商提供的模块快速组合成满 足用户需求的模块化产品。 1 。2 3 模块化设计与传统设计方法的区别 模块化设计与通常的产品设计方法有着原则上的区别2 “。 l 、模块化设计面向产品系统：传统设计是针对某一专项任务，从产品的具体功能、 具体结构入手进行设计，而模块化设计则是面向某一类产品系统以至有相似功能的相邻 产品系统。例如美国i n t e l 公司o e m 系列模块，各种单板计算机、存储板、接口板等模 块不仪是面向本公司的各类产品的系统，而且面向各个领域的计算机控制系统。 2 、模块化设计是标准化设计：传统的产品设计中虽然也需要运用有关的标准化资 料，甚至采用一些通用件、借用件等，但从总体上来说，它是专用性的特定设计，而模 块化设计的对象则是通用性的，它需全面的理锯并运用标准化理论，模块是部件级通用 件。 3 、模块化设计程序是由上而下：传统设计的程序，主要是根据产品功能要求设计各 零部件，然后由这些部件构成整机，虽然在此过程中也有一些总体的方案及协调要求， 但从实质上来看，它主要着眼于功能设计、详细设计，其基本特征是由下而上、或由细 而总的。而模块化设计的程序则与此相反，它首先着眼于概要设计而不是详细设计。 4 、模块化是组台化设计：传统产品的构成模式是整体式的，虽然其中也有部件的组 合，但其部件及其组合方式是特定的。模块化产品的构成特点是组合式的，组合的基本 单元模块常作为独立商品而存在，设计中需充分考虑系统的协调性、互换性和组合 性，设计难度大。 5 、模块化设计需以一定的新理论为支撑：在传统设计中，只需凭扎实的专业知识和 一定的设计经验就可设计出较好的产品来，而模块化设计仅有这些还不够，必须对系统 工程原理和方法、标准化理论、模块化理论及设计方法等有相当的理解； 6 、模块化设计有二个对象，传统设计的对象是产品，但模块化的产物既可以是产 品，也可是模块。实际上常形成二个专业化的设计、制造体系，一部分工厂以设计、制 造模块为主，部分工厂则是以设计制造产品( 常称之为整机厂) 为主。 桥式起重机的模块化设计 1 2 4 模块化设计的技术经济意义 模块化设计在技术上和经济上都具有明显的优点，经理论分析和实践证明，其意义 主要体现在下述几个方面”“： l 、节约设计时间，缩短供货周期：采用模块化设计方法，企业产品系列中己有很多 通用模块，在用户提出要求后，可用已有模块或设计制造少量专用模块便可组成用户所 要求的产品。如德国s c h i e s s 公司，其机床产品采用模块化设计后，从订货到供货一般 只需四个月时间。 2 、便于产品更新换代，发展变型产品：根据用户需要，设计新的功能模块，组合成 具有新功能的模块系统用新技术设计性能好的模块，取代原有功能模块，发展性能好 的变型产品。 3 、提高产品质量，降低生产成本：模块精心设计，批量加工，有利于组织专业化生 产，既提高质量又降低成本。模块化不仅是设计方法的改革，而且是推动整个工厂技术、 生产、管理及组织体制的改革。 4 、便于维修：由于产品由相对独立的模块组成，因此，很便于维修，必要时可更换 模块，而不致影响生产。 5 、便于实现标准化功能模块：传统的标准化建立在零件级基础上，而模块化则是根 据产品的不同建立在模块级上的标准化，是一种趋向于宏观的标准化。它具有两个特点： 一是面向功能，而不是具体的形状、结构和制造上的标准化；二是注重结合面的标准化， 从而把标准化管理部分地从细节中解脱出来，分层次、有侧重。 1 2 5 r 块化设计的发展趋势 从国内外发展情况看，模块化设计技术早已在制造业得到研究和应用，并已研制出 许多模块化产品和模块化系统，尤其是国外先进制造业，已经进人了柔性化时代，基本 上形成了产品从设计、工艺制造到经营一整套模块化管理体系。但是，目前仍然存在一 些不足，归纳如下： l 、产品创造性设计能力差：目前的模块化产品，大多是在基型产品上发展或变化而 来，通过更换或增加某一功能模块来实现，故不能有效进行创造性设计，实现“真正模 块化”结构。 2 、智能功能差：目前的模块化系统还缺乏综合能力和演绎决策能力，它要求用户具 有较高的专业知识水平和较丰富的实践经验。 3 、产品和制造环境适应能力差：针对特定产品类型或系列及特定制造环境开发，很 难适应相似类型或不同类型产品，或不同的制造环境情形。缺乏灵性活，应用面窄，无 综合系统能力。 上述这些不足，是今后需要重点解决的问题，而解决这些问题的过程就为今后的研 究指明了方向”。 1 、综合运用模块化设计、设计方法学及分级模块化结构的理论和方法，研究模块 化创造性设计模型和问题求解模式，建立一套完善的理论体系。 2 、结合人工智能和专家系统技术，建立基于专家知识的模块化设计模型，使系统 具有能进行问题推理、规划和演绎决策的能力。 4 桥式起重机的模块化设计 3 、研制开发模块化设计的通用工具软件系统，基于该工具软件，能够根据各企业 不同产品类型和制造环境，进一步研制适用于各企业的模块化没计专用软件系统。 1 3 模块化设计理论在起重机行业中的应用 模块化设计是起重机设计的发展方向之一。它根据模块化原则，设计一些基本模块 单元，通过不同的组合形成不同的产品，以满足用户的多种需求。起重机模块化设计以 功能分析为基础，将起重机上同功能的基本单元、复合单元设计成不同用途、不同功能 的模块。选用不同模块进行组合可形成各种不同类型和规格的通，q j 和专用起重机。起重 机采用模块化设计，不仅是一种设计方法的改革，同时会影响到整个起重机行业的技术、 生产和管理。 目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用模块化设计技术， 并取得了显著的效益。据资料介绍”1 ，德国的德马格( d e m a g ) 公司所设计和制造的单 梁吊车改为模块化设计后，其设计费用仅为单件设计时的1 2 ，生产成本降为4 5 ，显 著提高了经济效益和产品的竞争力。芬兰的拷尼( k o n e ) 公司采用模块化技术开发了 s , 1 6 0 0 、s m l l 0 0 系列桥式起重机，并编制了相应的管理软件。通过该软件的应用，设计人 员可以在很短的时间内设计出满足客户需求的产品。同时，该系列的开发电大大降低了 生产制造和售后服务成本。如该公司在上海的子公司仅用3 0 人就完成了年产7 0 0 台系 列起重机的生产制造任务。 在围内，大连大起集团有限责任公司在引进和消化国外先进技术的基础上，以模块 化设计理论为指导，以现代计算机技术为手段，开发了d s o d 新型系列桥式起重机。该 系列吊钩桥式起重机与该公司8 5 9 5 系列产品相比，自重减轻约1 5 3 5 ，最大轮压可 减小约1 0 3 0 。整个系列传动机构的核心部件减速器全部为硬齿面、高精度齿轮副， 加之钢制卷筒、高强度特殊球墨铸铁车轮、主端梁特殊联接方式及电控系统采用的诸项 高新技术，使得该新系列吊钩桥式起重机取得了很大的经济效益和社会效益。 1 4 课题的提出和研究内容 1 4 1 课题的提出 目前，我国已由计划经济转向社会主义市场经济，起重机制造业与其他制造业一样， 正从计划型生产方式被推向以合同型生产为主的方式。合同型方式生产的产品必须按用 户的特殊要求进行开发设计，如仍按传统的设计制造方式必然会产生几方面的问题：( 1 ) 设计制造周期难以跟上市场需求；( 2 ) 用户对产品性能和工艺水平要求曰益提高，但由于 时间的紧迫导致产品技术含量难以提高，甚至质量难以保证：( 3 ) 合同产品由于数量不多 生产效率不高而使成本提高。 与此同时，外资起重机公司也纷纷进驻我国，他们凭借雄厚的资本，先进的技术和 管理优势，在我国投资办厂，抢占市场，形成了巨大的冲击。 面临市场大潮的冲击，我国的起重机业要继续生存和发展，必须提高对市场变化的 适应能力。以大连大起集团为代表的我国起重机企业对此作了初步尝试，用两年的时问 开发了d s o d 新型系列产品，使其在国内居于领先地位。但由于条件限制，该系列产品 仍存在着诸多缺点和不足，市场占有率不高，与国外同类产品存在着较大差距。 桥式起重机的模块化设计 有鉴于此，采用先进的设计方法，提高产品质量，加快产品设计制造周期，是起重 机企业占领市场，提高产品竞争力的关键。 模块化设计是近年来受到广泛重视的一种先进设计方法。经过几十年的发展，模块 化技术已广泛地应用于计算机、机床、家用电器、减速机、汽车等行业，取得了巨大的 社会经济效益。如何使模块化设计在起重机设计领域取得同样的效益正是本课题的基本 出发点。通过本课题的研究，不但能够提高起重机产品的市场竞争力，同时也可以将模 块化技术的应用领域进一步扩大，提高模块化设计的适应性。 1 4 2 本文的研究内容 本论文主要完成如下工作任务： l 、以吊钩双梁桥式起重机为基型产品，抓斗桥式起重机、电磁桥式起重机、抓斗 吊钩桥式起重机、电磁吊钩桥式起重机、抓斗电磁桥式起重机、三用桥式起重机等类别 起重机为变型产品，建立全系列产品矩阵。 2 、以功能分析为基础，对基型产品进行合理的模块划分，建立桥式起重机产品的 基型模块。然后，对基型模块进行纵横系列扩展，建立全系列模块矩阵。 3 、对运行模块进行详细的模块化设计。在设计过程中，以功能分析为基础，以主 参数为依据，将各子模块设计成开放式的模块。同时，处理好各模块之间的接口问题， 使其不但满足安装、定位的要求，又要满足力流和运动等的传递方面的要求。 桥式起重机的模块化设计 第2 章模块化设计的基本原理和方法 2 i 模块化设计的总体规划 2 1 1 总体规划的意义 产品模块化的主要目的之一就是以尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多种 类、规格的产：品，即以最小的成本满足市场的各种不同需求。因此，在进行产品的模块 化设计之前，进行总体规划具有非常重要的意义。如果不进行规划就盲目地设计或者规 划方法不当，其结果就达不到预期的效果，很难对市场做出快速响应。 2 1 2 总体规划的步骤 总体规划步骤2 “如下： i 、进行市场调研和用户需求分析，确定要设计的产品范围，建立产品矩阵。 市场调研和用户需求分析是模块化设计的前提，在这一前提下确定出的产品设计范 围才能符合市场的要求。因此设汁产品范围必须根据市场的需求来确定，然后按照系列 化方法在该范降j 内将产品用一定的系列和变型覆盖，确定基型覆盖，确定基型产品、变 型产品，并将所有的产品按下面的产品矩阵排列： j 螂l 懈： m ：! 哗- 哗z l 城，朋圪! 唧。 m p l ， ： m p = 。 ( 2 1 ) 矩阵中任意一个元素m p i j ( = 1 ，2 ，m ；j = 1 ，2 ，月) 代表一种模块化产品，同一行元 素具有相同的类型和主参数或功率，只是通过互换或增减部分模块的方法而形成的不同 的变型产品。同一一列元素具有相同的类型、基本相同的结构型式，但其几何尺寸和主参 数不同。这样矩阵中任意一列元素戟构成一个纵系列产品集。将第一列定义为基型产品， 基型产：品是在同类产品中按市场需要量大、尺寸适用范围宽、结构完整并具有代表性等 选定的作为其它模块化产品变型基础的产品。它是以产品尺寸大小分级标准化或主功能 系列分级标准化构成的有限产品集。矩阵中任意行元素构成一个横系列产品集，横系 列产品集具有基本相同的标准接e l ，它是在基型产品的基础上，由一组基型模块和变型 模块组成的产品系列。矩阵中任意s ( s y 组台产品 ( a )( b ) 图2 3 模块综合的作用 ( a ) 设计过程( b ) 组合过程 f i g u r e 2 3t h ee f f e e to fm o d u l a ri n t e g r a t i o n ( a ) t h ed e s i g nc o u r s e( b ) t h e n t e g r a ti o nc o u r s e 由于同位模块之间要实现相互取代，因此，要求同位模块之间具有互换性，以便在 不需要任何补充加工的情况下更换同位模块，组成新产品。这就要求同位模块要有相同 的结合要素，且与其它模块结合后，定位的精度等要素要满足要求。 模块的互换性是靠连接部位的结合要素的设计及严格的制造工艺来保证的，连接部 位的结构应保证模块间的准确定位、可靠的联结，结合要素( 如连结尺寸、形状和配合 等) 要尽量符合标准且要便于加工。但是，在实际应用中，模块的完全互换在工艺上是 有一定难度的，有时常常要经过额外的加工程序才能互换。对于这个问题，先进的、高 精度的加工工具可以帮助解决部分问题，但在现有条件下，为了保证模块的互换性，同 时又减少工艺上的困难，我们可以在直接相关而又比较难于实现完全互换的模块上加装 辅助定位装置，帮助实现模块的完全互换，国外的“承载器”就是很好的例子。 1 4 桥式起重机的模块化设计 2 3 3 模块的相容性 在模块创建和综合过程中，还必须要考虑的就是模块的相容性。模块的相容性是指 两模块在同一上级模块或产品中同时存在的可能性，若两模块能同时出现在上级模块或 产品中，则该两模块是相容的；反之，则是不相容的。在选择各种模块进行综合组成产 品时，首先应判定它们之问的相容性，只有相容的的模块才有组合的可能性。 当某类模块在其上级模块或产品的构成中只需要一个时，则该类同位模块之间是不 相容的。 要求满足直接相关条件的两模块，若它们的连接要素不同，即不能装配在一起，显 然，该两模块也是不相容的。换言之，凡直接相关的模块，设计时均应保证它们的结合 面要素相同，以满足相容性的要求。 有时，由于结构或其它参数不相匹配，也可以使两模块不相容。例如：功率、扭矩 等参数的大小，直流、交流等不匹配，造成明显的不合理或无法满足总功能的要求，组 合后功能欠缺、冗余或出现矛盾等。 2 4 模块化与成组技术 2 4 1 模块化与成组技术相似之处 成组技术是在生产活动中研究有关事物的相似性，把相似的问题归类成组，寻求解 决这一组问题相对应的优化方案，以取得期望的经济效益。成组技术自5 0 年代提出以来， 至今已在产品的设计、制造、管理等领域得到。泛使用，并结合计算机技术，取得了较大 的进展。 模块化与成组技术具有密切的联系【3 。首先它们都是针对现代化生产的多样化而提 出的。成组技术是通过对相似零件的标准化和规范化处理，以达到使小批量产品具有流 水线生产方式的目的，而模块化技术在这方面追求的也是小批量产品、中批量模块、大 批量零件的效果。其次，成组技术以零件在形状和工艺上具有相似性为其理论依据，而模 块化利用机床部件在功能上的相似性，把那些具有相似功能的部件经过统一、归并、简 化而形成模块。所以说，模块化技术可以认为是相似性原理在功能上的应用。 模块化和成组技术在事务处理方式上也具有共同特点，可以简略地概括为以下，l 点： l 、事务集中处理把具有相似性和重复性的事务集中起来处理，以避免或减少总是 频繁地由一种事务转换到与之无联系或联系甚少的另一种事务时所必需花费的时问。 2 、事务标准化、规范化把具有一定相似性和重复性的事物汇集起来，并使之标准 化、规范化，由此，可以集中精力解决各种事务中属于个性的问题，从而避免重复性劳动， 要求对具有相似性的组事务提出统一的优化解决方案。 3 、信息重复使用把具有一定相似性和重复性的有关事务的信息进行合理化处理， 以便更有效地存储和重复使用这些信息。 事实上，上述对事务的处理方法，正是现代技术的共同特征，也是制造现代化的要 求。 由此可见，模块化与成组技术有其本质上的相同点，但应用在制造业中，成组技术主 桥式起重机的模块化设计 要用于零件级的设计、工艺设计和制造及管理，而模块化则是体现在产品结构层次上的 设计、制造及其管理，且贯穿整个制造过程。 2 4 2 成组技术在模块化技术中的应用 成组技术实质上是按零件的形状、尺寸、制造工艺性等特征将其归并成族，以扩大 生产批量，使中小批量生产也能获得如此类似的经济效益，并使产品设计、生产准备、车 间布置、加工制造及企业管理都实现合理化改革：利用成组编码，把形状、尺寸各异的零 件合理地划分成零件族和生产单元。 模块化的特点是用功能模块组成产品，这样不仅功能模块可以相互取代，而且可以 构成不同的变型产品。因此，功能模块具有可变换性和可组合性两个特征。如何有效地 表达模块的功能形状，尤其是结合面的要素，在模块设计和组合中是非常重要的。可见， 把成组技术，特别是其中的编码原理，应用到模块化技术中将会很有益处。模块化满足了 多品种发展的需要，同时由于产品按功能是划分成模块同一功能模块加工时容易得到零 件形状、尺寸、制造工艺上的相似性，使单件d , j ：t l 量生产的产品变成相当批量的零部件 生产，也就是说把以产品为单位组织生产的方式改成模块为单位组织生产，使成组技术 显示出优越性。 1 、编码技术应用于模块化设计 为了对模块进行准确地描述，以便于计算机的识别和处理，我们利用成组技术中的 编码系统来表达产品的结构布局。现阱模块化机床为例介绍机床模块的编码。 对机床模块的描述分为功能描述和结构描述。功能描述仅需要机床及制造生产的基 础知识，主要应用于机床功能分折，只能确定简单外型，如v r a g o v 编码、s a l j e 编码和加 工中心功能描述法等编码。v r a g o v 编码法是按机床形状、功能和块之间连接方式进行编 码。这种编码的特点可以表示出机床模块布局的五个特征： ( 1 ) 机床的布局； ( 2 ) 成形运动和辅助运动的形式和数目； ( 3 ) 模块连接顺序和运动方向： ( 4 ) 刀具和工件的相对运动布局； ( j ) 确定机床的基型以及由此派生的其它布置形式。 匪匠匝回匝回匝霉臣习 士+ 力流流入面基本形状主截面形状模块功能力流流出面 模块结构形状 图2 4 模块的结构描述 f i g 2 4 t h ed e s c r i p t i o n0 f l o d u l a rc o n s t r u e t i o n 结构描述更能明确清楚地描述机床模块的功能、结构形状和与各模块之间的连接。 由机床力流顺序和编码系统所组成。用成组编码对模块的结构描述如图2 4 所示。 力流描述及规定如下： 桥式起重机的模块化设计 机床是在操作状况下描述的，力流从切削点开始到地基或地基前的模块结构。力流 的顺序按下述规则确定： ( 1 ) 主力流从机床结构刀具的一边切削点开始流到基础件； ( 2 ) 副力流从工件的一边切削点开始流到基础件； ( 3 ) 假想力流是除主力流和副力流外的力流。 对于一台模块机床组合的情况，可用结构模式来描述，把主力流与副力流开始点的 模块编码作为结构模式左右的二个端点，根据力流的方向与其它模块的编码以有向线相 连接。 2 、计算机辅助模块组合中的模块编码 为了实现计算机辅助组合，要把模块结构存入数据床，为此机床结构应有表示其特 征的描述语言，即用编码的形式表示： ( 1 ) 模块的形状及其在机床上的功能； ( 2 ) 相邻模块的表面和承载表面的特征： ( 3 ) 模块在机床上的安排： ( 4 ) 结合面形状、尺寸和精度。 编码采用九位主码和二位附加码表示。编码结构如图2 5 表示。 主码附加码 因回回回回团回回由由囱 图25 编码结构 f i g 2 5t h ec o d i n gc o n s t r u c t i o n 模块结梅特征代号模块结构特征代号 力的流出面 模块的运动特性 结台面特性 结合面精度与粗糙度 结合面尺寸 结合面形状与形式 模块的主截面外形 模块的外形力的流入面 堑苎叁重塑塑堡堡些堡盐 第3 章桥式起重机系统的总体规划 3 1 桥式起重机系统的外部设计 3 1 1 桥式起重机系统外部设计的必要性 设计系统时，需同时考虑对象系统的内部问题和围绕这种系统的外部( 环境和社会) 问题。外部系统对内部系统有干扰，这些干扰是社会对系统的要求( 功能、经费、工期 、大小等) 和制约条件( 环境、资金、器材、信息、法律等) ，外部系统是内部系统设 计的依据，内部系统的设计必须满足和适应外部条件的要求。另一方面，内部系统对外 部系统也有干扰，这是由于系统的完成给社会带来的影响和造成的变化，这些变化包括 有这个系统给社会带来的利益或危害，或者对其他系统的影响，还有其他的波及效果等。 因此，作为系统设计第一步，就需要弄清桥式起重机系统的外部问题，分析和确定 系统的目的和要求，为建立系统提供依据。 3 1 2 桥式起重机系统的外部设计 1 、桥式起重机的市场需求现状 ( 1 ) 为降低前期工程造价希望起重机自重轻、轮压小、限界尺寸小。 ( 2 ) 为降低使用成本要求产品使用可靠，维护方便，维修费用低。 ( 3 ) 为提高厂房利用率要求极限尺寸小，从而扩大作业空问。 ( 4 ) 为降低产品运行成本希望能耗低。 2 、我国现有系列桥式起重机产品在市场竞争中的现状 总体来说，我国现有系列桥式起重机产品的市场竞争能力在下降，：县：体分析见图 3 1 。 3 、目标的制定 针对上述分析，制定如下开发计划： ( 1 ) 以功能分析为基础，采用模块化设计方法，自行开发设计新系列桥式起重机， 掌握现代起重机技术和现代设计方法。 ( 2 ) 追求自重轻、轮压低、界限尺寸小、性能可靠。 ( 3 ) 控制成本和造价，以利润最大为目标。 ( 4 ) 充分为用户考虑，追求社会效益最佳。 4 、目标可行性分析 ( 1 ) 学术条件 首先该课题是依托大连工程机械研究所的技术力量来开展的。该所是1 9 8 8 年成立 的具有法人资格的高等学术研究机构，技术涵盖了机械、结构、液压、电控等领域，具 有技术雄厚的师资队伍，拥有有教授3 名，副教授1 0 名，副教授1 0 名，博士、硕士研 究生3 0 余名。研究所开发了我国新一代液压汽车起重机系列产品，先后有8 个吨位、 1 6 个品种转让给国内1 3 个厂家生产，创造了巨大的社会效益和经济效益。1 1 个产品2 0 桥式起重机的模块化设计 次通过省部级鉴定，技术力量雄厚。 研究所定期组织研究生进行学术交流，并有经验丰富的老师位同学讲授专业知识， 学术氛围浓厚。 其次，该课题得到大连大起集团有限责任公司的大力支持。该公司是中国设计、制 造、销售起重机械、装卸机械规模最大、技术先进、最具有代表性的专业化公司。建于 一九四八年，历经五十多年的建设与发展，公司在技术装备、产品设计制造、企业管理 及综合实力等方面，在中国起重机行业中位居首位，国家大型一级企业，一级计量单位。 一九九六年通过i s 0 9 0 0 1 质量体系认证，被国务院领导喻为“中国起重机的摇篮”。产 品设汁制造经验丰富，手段先进。 ( 2 ) 设备条件 工程机械研究所设备精良，老师和研究生均有独立的计算机房。目前全所共拥有各 型高档电脑5 0 余台，彩色及黑白喷墨绘图仪各一台，激光打印机两台。所内计算机通 过局域网实现互联，并可登陆i n t e r a c t ，便于随时查阅国际、国内的前沿文献。设备条件 优良。 ( 3 ) 经费概算和落实情况 研究所每年承担许多实际的工程项目，科研经费充足。课题经费能得到很好地落实。 通过上述分析可知，本课题制定的目标是可行的。 图3 1桥式系列起重机竞争能力下降原因关联图 f i g3 1 l h ef a l l i n gr e a s o no ft h ec o m p e t i t i o nc a p a b i 】i t yo fo v e r h e a dc r a n e s 3 2 桥式起重机产品的系列规划 市场调研和用户需求分析是模块化设计的前提。通过上面的分析，现建立桥式起重 机的产品矩阵： 桥式起重机的模块化设讨 j m p , 【m p , 2 m p ：l 哆tm p 2 z j 肘匕 圮： m p , 。 m p 2 。 ( 3i ) 矩阵中任意一个元素崛，( f = 1 , 2 ，m ；，= 1 , 2 ，n ) 代表一种模块化的桥式起重机 产品，同一行元素具有相同的类型和主参数或功率，只是通过互换或增减部分模块的方 法而形成的不同的变型桥式起重机产品。同- - y , l 元素具有相同的类型、基本相同的结构 型式，但其几何尺寸和主参数不同。这样矩阵中任意一列元素就构成一个纵系列桥式起 重机产品集。将第- - y , j 定义为基型桥式起重机产品，它是以尺寸大小分级标准化或主功 能系列分级标准化构成的有限产品集。矩阵中任意一行元素构成一个横系列产品集，横 系列产品集具有基本相同的标准接口，它是在基型产品的基础上，由一组基型模块和变 型模块组成的产品系列。矩阵中任意s 0 cm ) 行元素构成一个跨系列产品集。矩阵中全 部元素构成一个全系列产品集。 3 2 1 基型产品的构成 本文以吊钩双粱桥式起重机为基型，形成纵系列模块化产品。 产品适用范围： 可适用于机械、冶金、化工、电力、能源、铁路、矿山、航空航天、军工、造纸等 各行业、部门的物料搬运。 采用标准： 在贯彻国家、机械部有关标准的基础上，适当采用f e m 、d i n 标准有关部分。 主要技术参数i ”1 ： 起重量：g n ( t )3 2 ，4 ，5 ，6 3 ，8 ，1 0 ，1 2 5 ，1 6 ，2 0 ，2 j ，3 2 ，4 0 ，5 0 ，6 3 ， 8 0 ，i 0 0 ，1 2 5 ，1 6 0 ，2 0 0 ，2 5 0 工作级另：a 3 ，a 4 ，a 5 ，a 6 ，a 7 跨度：s ( m ) g n 5 0 ts - 1 0 5 ，1 3 5 ，1 6 5 ，1 9 5 ，2 25 ，2 5 5 ，2 8 5 ，3 1 5 g n 6 3 ts - 1 6 ，1 9 ，2 2 ，2 5 ，2 8 ，3 1 ，3 4 g n 1 6 0 ts = 1 5 5 ，1 8 5 ，2 1 5 ，2 4 5 ，2 7 5 ，3 0 5 ，3 3 5 起重机工作地域海拔高度：2 0 0 0 m 起重机供电电源：三相交流3 8 0 v 5 0 h z 起重机控制电源：单相交流2 2 0 v 5 0 h z 起升高度：h ( m ) g n 5 0 th = 1 2 1 6 ( 具体值视起重量而定) g n 6 3 th = 2 0 g n 1 6 0 th = 2 2 此处所列高度为最大起升高度，实际起升高度由用户提出，实际值应从6 米开始每 增加2 米为一档，取偶数。 桥式起重机的模块化设计 根据主要技术参数( 包括起重量g n 、跨度s 、工作级别a ) 的不同组合可建立基型 产品的产品矩阵。该矩阵是式( 3 - 1 ) 的一个子集，其维数可通过下面的方法求得：起 重量的种类数为2 0 种，工作级别为5 种，跨度与起重量相关，5 0 t 以下共8 种，5 0 t 与 1 6 0 t 之间7 种，1 6 0 t 以上7 种。由此可求得基型产品矩阵的维数m 为： 1 3 x 5 x 8 十4 x 5 x 7 + 3 x 5 x 7 = 7 6 5 ( 种)( 3 2 ) 矩阵中的每个元素表示方法如下： 工作级别 跨度，m 额定起重量( 简称起重量) ，t 代号， 该矩阵是开放的，可以根据市场需求增减。为了对该矩阵有清楚的认识，本文选取 该矩阵最具有代表性的一个子集表示如下： m r o d 5 1