机械模块化设计范文

导语：如何才能写好一篇机械模块化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：机械设计；模块化设计；包装机械；产品模块；模块库

随着我国经济的不断发展，用户群体逐渐从集中式逐渐过渡到了个体户，传统的工业生产已经无法满足当前的经济模式和生产方式。企业在更新设备时，如果对所有的设备进行设计更新必然会造成成本的巨额消耗。为了降低成本，可以将机械划分成类型不同的模块，并根据实际的需求对模块进行更换，从而降低设计成本，提高企业的经济效益。

1模块化设计的基本情况

早在20世纪中期，模块化设计理论已在国外发达国家得到了一定的应用，受到了各大厂家的认可。所谓模块化设计主要指的是针对不同规格但具备同样功能或者同一型号而功能不同产品的有效分析，最终设计出一系列的功能模块产品，借助模块的组合与有效选择形成不同的产品类型，以迎合市场的相关需求。随着时代的发展，传统的产品设计理念已远远不能满足社会发展之所需，只有创新设计理念，优化设计方案才是有效举措。

2模块化划分原则

模块化设计的基本原则是用最少的模块数量通过一系列组合而形成多样化的产品，所生产的产品不管是在性能方面还是其他层面都是最优化的，而且采取模块化设计能够最大限度地节省施工成本。因此在设计初期相关人员应对模块类型进行细分。然而纵观当前我国在该方面的研究还处于起步阶段，对模块的划分标准仍没有一个确定依据，当前所划分的依据主要是按照侧重点之间的差异对模块进行分类的。一般而言，模块是能组成系统的、独立的结构单元，通过对产品功能的全面了解，构建总功能、子功能等结构单元之间的相关性，从而为模块的分类提供一定的依据。模块划分应遵循以下原则：一是所划分的单个模块单元应具备一定的独立性；二是各模块接口之间要进行有效分离；三是模块与模块之间的相关性应尽可能少，这样某一模块存在异常不致影响其他模块的正常使用。

3模块设计特点和过程

3.1模块设计特点

模块设计的主要特点列举如下：

3.1.1产品定义的完整化。设计人员通过对市场相关产品功能的调查分析进行科学有效的设计，通过模块之间的有效组合形成特定的产品。此外，模块体系是可以变更的，按照不同设计要求以及相关技术层面的提供创新模块体系，优化模块设计理念，从而使所生产的产品不管是在结构方面还是功能特性方面都满足相关要求。

3.1.2尽可能地减少设计周期。根据每个用户的相关需求，选取有效的模块对产品进行优化设计，以使其用最少的投入获得较多的产出。该方法主要应用于小规模生产的制造厂家。

3.1.3产品性能安全稳定、维修便捷，而且施工成本低。模块化设计中所使用到的相关设备都是经过严格筛选的，设备的使用率高，这样可方便加工制造技术的有效应用，提高产品的功能特性。通过模块化设计的应用能够将产品内部多样化尽可能地降低，在满足用户个性化需求的基础上提高产品的使用率。

3.1.4实现知识管理和集成设计。模块化设计过程不是一蹴而就的，它是一项系统而庞杂的工程，也是对产品结构设计的规范过程，构建模块接口与产品知识信息是模块规划得以有效实施的根本保障。产品模块化设计应贯穿设计与管理的整个阶段中，通过对产品知识的科学管理，可为设计人员提供一定的便捷，促使其对模块不断优化与改进，增强生产的实效性。

3.2模块设计过程

一般而言，模块设计分为两大板块进行：一是系列模块产品研制阶段，此阶段主要是按照市场的相关调查数据对整个研制阶段进行模块的有效设计；二是单个产品的模块化设计，本阶段主要是根据用户自身的实际需求对模块进行选择，从而设计出符合要求的产品。系列产品与单个产品的模块化设计过程见图1所示。通过对图1的分析得知第一层次是模块化设计的主要过程也是最为关键的阶段，其中模块的划分又是整个阶段中的核心环节，采取科学、合理的划分方式对模块化的优化设计可起到一定的促进作用，从而有效防止模块组合时出现错乱等不良现象的发生。待第一层设计完成后设计人员需对整个过程进行全面检查，满足相关要求后即可开始第二层次的设计。

4包装机械的模块化设计探讨分析

4.1包装机械的基本特征

包装机械与其他机械存在一定的差异，是一种特殊类型的机械，而且据调查大多数包装机械都存在这样一种特点即机械结构复杂多样化，具有较好的灵活性与柔性。随着时代在变迁，包装机械的更新速度也在不断加快，因此整台包装机械采用模块化设计方案可大大降低包装机械的研发周期，增加产品的类型，从而适应瞬息万变的市场需求。用于完成包装过程的机械类型有充填机械、标签机械、干燥机械等11类。对于同种类型的包装机，在组成成分上基本相吻合，不同的是包装材料的选择以及计量方式之间存在一定的出入，在实际包装中应根据包装机的相关特点采取合理的方式进行包装施工。

4.2基于功能层次的包装机械模块划分

由于包装机械具有结构复杂多样等特征，在进行模块划分过程中，应以包装机械中的主要部件为主进行合理、有效的划分。按照集合论的相关特征表述，若功能域与结构域在信息需求与表达方式存在不同时，而从功能表达空间到结构表达空间的映射，则充分说明两个空间具有一定的函数关系。功能域将产品的实际特征进行层层分解，从而形成产品功能结构映射图，这种结构单元要根据功能与结构的相关特点判断其是否可以作为模块。对于不同类型的包装机械，在模块设计时要根据机械的功能差异对其进行逐层细分，在细分中要注意划分层次要根据不同型号的包装机械采取合理的分层方式，若分层过多则映射到结构部件的粒度大小在模块间的接口标准与实际需求不相吻合。但若层次过少则模块化设计的有效性也不能充分体现出来。通常情况下普通的包装机械分为两层左右即可，而特殊的包装机械则可适当增加，待分层模式完成后借助功能结构映射原理，将各个层次的映射结果投射到部件上，以明确模块所属的类型以及划分细则。

4.3包装机械模块库的有效建立

经过综合权衡后产品模块划分完成后，进一步对模块的结构进行优化设计，从而形成系统全面的模块库。包装机械模块库的有效建立可在一定程度上使用标准的模块与零部件完成新产品的研发工作。因此为了使所建立的模块库能够重复使用，在模块设计中要采用一些先进的技术理念，比如计算机辅助设计等优化设计理念，创新设计方案，并将模块组织存储到指定的数据库中。近些年来，随着科技发展浪潮的不断推进，新技术、新理念层出不穷，电子技术等新兴科技在包装机械中得到了广泛的应用，虚拟概念也由此应运而生，按照不同客户对产品的相关需求调用模块库中事先存储的各种虚拟设计方案，然后将实际生产中所使用到的数据进行整合处理后输入计算机系统中，计算机三维模型即可模仿真实的工作场景进行操作，并能根据客户所提出的建议进行适当的修改，直到达到客户的认可度。

5结语

综上所述，模块化设计可以提升零部件产品的通用化、标准化程度，可以使这些通用件和标准件保持生产量。降低设计成本，适应市场多变的基本要求，同时模块化设计还可以实现机械创新，促进我国机械行业的发展。

作者:许军 单位:广东工业大学

参考文献:

[1]浦玉祥，苏军，谷传文．机械的模块化设计在包装领域中的应用[J]．包装与食品机械，2002，20（6）.

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关键词：机械设计；金属类；模块化设计

在工业发展中，机械设计是重要的组成，而促进其设计效率提升的重要手段，就是模块化设计方法。但在实际运用中，模块化设计方法还有许多缺陷存在。伴随着迅猛发展的科技，还需要不断的创新模块化设计方式，以更好的促进其程序的简化。

1模块化设计的方法与步骤

首先，在机械设计过程中，要注重科学化选择和应用模块化的设计方法。既通过综合产品要素，形成模块。在通过组合模块，而最终形成产品。有诸多功能的模块存在于具体的设计中。为满足实际的不同需求，通过对组合模块的选择，能形成多样化的产品。在设计模块化的过程中，应划分模块，通过分解功能，使模块间的耦合性有效降低，对模块功能的独立性提供保障。其次。应依据科学化的步骤，进行模块化设计。一是将加强重视系列模块设计。通过对计算机技术的有效运用，充分调查和分析市场情况，对用户需求予以明确，与功能需求相结合，对参数进行设计，旨在对产品功能进行科学化的设计。二是在实施这些基础工作之后，在切分模块，对模块结构进行科学设计。通过资料库的构建，而对模块化的整体功能进行构建，进而使机械设计的整体质量提升。在模块化设计步骤中，比较重要的内容，就是设计单产品模块化，其设计与实现，主要是以系列模块设计为基础。为此，应立足于实际需求，在设计单产品模块的过程中，明确参数，并高度重视模块的选择工作。同时，另外一项比较重要的内容，就是对模块的组装分析和计算环节。通过完善以上各项工作，对提升模块性能提供有效保障。

2机械模块化设计的作用

相关设计人员在充分的调查和分析市场产品功能的基础上，进行设计，通过组合模块，以形成特定的产品，充分发挥模块化设计的作用。可立足于实际情况变更模块化体系，也可优化模块设计理念。机械设计中的模块化设计方法能使设备运行效率提升，在使设计周期减少的同时，能对产品的性能提供保障，真正实现集成设计和知识管理的目标。对于维修工作而言，利用机械设计模块，能提供很大的便利。无需在进行大面积和大规模的维修任务，实施工作只需要在具体的部位进行。在机械模块化设计中，具有相对简单的模块结构，拆卸和安装都非常方便。在模块化的设计中，更进一步突出了包装设计的简化作用。通过引入模块化技术，不仅能提供了技术支持，还能使设计人员的工作效率进一步提升。模块化设计不单单使包装流程大大简化，还使设计成本有效降低，对于成本支出，发挥有效的促进作用。

3模块化设计方法的具体应用

首先，在机械设计过程中，应立足于实际需求，应用模块化设计方法，以真正提升生产效率。在机械设计前，应与生产工艺需求相结合，用科学化的操作方法和步骤，对模块进行划分，便于对模块的完整性和独立性提供保障。只有对模块化设计准确把握，才能使其性能进一步提升。在模块的设计规划中，为了不对其他模块的正常运行产生影响，应使更换和检修模块工作妥善完成，便于对实际应用需求给予满足。其次，机械设计过程中的模块化设计，需要合理划分各个模块。对于数控立式车床的设计，应立足于实际生产工艺需求，应用科学的方法，进行规划和设计。[1] 陈遥韵.探讨机械设计中材料的选择和应用[J]. 时代农机.2017(02).[2] 于彩敏.针对应用型本科教育的“机械设计”课程教学改革与实践[J].江苏科技信息.2017(11).[3] 张武.零件倒角在机械设计与制造中的应用[J]. 现代制造技术与装备.2017(04).[4] 王森.模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J]. 现代制造技术与装备.2017(04).[5] 樊小丹,张丹.浅谈机械设计标准及制造质量控制[J]. 黑龙江科学.2017(06).[6] 张军,黄福敏.浅谈机械设计中材料的选择和应用[J]. 黑龙江科学.2017(06).为了进一步提升工作效率，在应用模块化设计方法时，应对构造进行合理分析，有效划分生产环节结构。生产模块的划分中，为了提高生产效率，需要进一步明确生产功能和生产工艺，通过科学调度，对更好的完善功能模块提供保障。

4模块化与科技的融合

4.1模块化与成组技术

成组技术在模块化设计方法中，具有很多共通之处，成组技术主要是通过划分，对零件及工艺的相似性提供保障，之后为实现生产目标，在标准化的处理相似的零件。在设计模块化技术的过程中，其与成组技术的应用，还存在着很多相同之处，通过结合相同类型的软件功能，形成相应的模块。由此可见，将成组技术的理念运用在模块化设计方法中，可使机械设计的效率和质量进一步提升，较好地提升了机械设计的质量和效率。

4.2柔性制造技术

因为具有灵活多变的优势，柔性制造技术实现了生产的优化。将柔性制造技术运用在模块化的设计中，不仅能使机床的共性问题得到解决，还能机床个性化问题的解决得到有效解决。在此过程中，功能设计所遵循的思想，是运用最少的模块。通过应用柔性制造技术，实现一机多用的目标。目前，在机械设计中，柔性制造技术和模块化技术已经成为的重要研究项目。

4.3模块化设计的新技术结合

为了将模块化设计的作用充分发挥出来，需要有机的结合当前的一些新技术，以真正体现模块化设计的价值。通过综合同类软件功能，以形成相应模块，使之拥有更加强大的技术。例如，有机的综合柔性制造技术和模块化设计。当前，油柔性制造技术具有非常广泛的应用，具有比较的突出的技术应用的灵活多变特征，能使机械设计中机床的个性化问题得到有效解决。同时，有机结合计算机辅助技术和将模块化设计，通过应用计算机辅助技术，能使设计实现条理性和稳定性，进而使计算机的整体效率得到真正提升。

5结语

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关键词：模块化 包装机械 仿真与优化

市场经济拓宽了发展规模，人们生活水平得到改善，促进了食品包装机械包装技术的发展[1]。包装工业支撑了国民经济的发展，包装机械是包装工业不可缺少的一部分，在开发及完善包装产品方面扮演了重要的作用。设计的合理性与制造中的金属材料用量、生产效率有很大关系。模块化设计开发出各种功能的产品，无需单独设计各种产品，仅需设计各模块即可，按照各种方式把这些模块组合在一起，处理产品规格与产品制造期间、成本间的问题。 优化包装机械的性能，高效生产包装机械。基于此，研究了模块化包装机械的设计仿真与优化。

一、模块化下的典型包装机运动机理分析与优化

（一）Adams下的包装机械运动仿真

Adams具备了多种模型的数据接口，用来植入CAD软件模型，Parasolid就是其中一种格式，其扩展名为*.X_T。该格式的应用，实现数据模型的交换。使用Parasolid格式，把简化的纸箱成型模块模型存入Adams工作目录中，以英文字母命名，当名称中还有汉字抑或特殊字符，植入的Adams 会不正确[2]。为确保植入的Adams模型协调坐标轴，便于进行移动与添加约束，需要将斜齿轮中的2条轴线加入Pro/E中，相应平行匹配相应的坐标轴。影响斜齿轮传动机构动力学性能的因素，包括制造误差、接触变形、轴受力变形。为更容易研究，假如齿轮传动刚体模型如下所示：①机构均为刚性，温度与机构变形不会产生影响；②机构间装配误差零时，可不考虑零件制造误差。

仿真分析输入的齿轮传动虚拟样机模型时，零部件质量、转动惯量是分析的对象。转换几何模型数据时，但数据文件中有体积信息，将Adams植入零部件后，自动计算零部件的转动惯量与质量。抑或使用手工定义零部件的材料类型，由Adams结合不同零部件的几何尺寸，自动求解出零部件转动惯量与质量。模型数据被植入Adams后，在Pro/E中，已经构建起来的所有零件中的物理属性参数与装配约束关系等全部不见，考虑到实际情况，在Adams中还要手动加入零件属性与约束关系。假设定斜齿轮属性与其余零件属性如下表：

下面将对应约束添加到模型中，完零件属性、约束与载荷添加完毕后，仿真分析模块，包装机纸箱成型模块在斜齿轮的传动下促使上升机构做上下运动，2种不同的纸箱成型机构采用Adams，实施分析。构件运动分析结果得知，不同的螺距，上升件质心位移与质心受力大小也不一样。也就是螺距选择影响上升件运动的平稳性。

（二）模块化包装机的仿真与优化

参照包装机纸箱成型模块动力学分析，分析了下面五种方案结果，如下表所示：

从上表中能够看出，螺距增大的同时，上升件质心的相对位移波动变大，上升件质心的相对速度波动变大；方案1，位移、速度短时间内达至最小值，快速使机构平稳。下面对螺距为 5mm，转速为 240mm/min 纸箱成型模块进行进一步的分析，上升件受力和角加速度，无大范围变化，受力均匀，提示，结构参数选择是合理的。

二、模块化包装机静动态特性优化分析

ANSYS结构动力主要用于两方面问题的解决：一是分析结构动力响应特征，对结构振动中动力响应与动位移大小、变化规律进行计算；二是找到结构固有频率与主振型，深入了解了结构振动特性，以更好地使用。

（一）模块化包装机静动态优化方案

前期对包装机机架模块进行分析，尤其动态分析，机架模块的性能还有提升空间。先要保障机架模块正常工作，提出了两种完善方案：方案1，直接对机架结构进行调整；方案2，基于既有结构，增加衡量与斜梁。

（二）模块化包装机静动态优化

加固处理机架，具体操作步骤是，将横梁添加在机架上端，主要是为了提升机架静态性能，如刚度与强度等。方案一前五阶频率图、方案二前五阶频率图分别如下：

结束语：

研究了装机纸箱成型模块，采用Adams软件，实施了动力学仿真分析。基于此，分析了模块运动主要影响因素，然后对其进行参数化仿真，最终确定了模块参数优化的方案，分析了影响模块的其他因素，结果证明这种方案是正确的，最终得出，使用适合的机构参数，使包装机模块机构具有较高的可靠性与运行平稳性。ANSYS软件应用于包装机的机架模块动静态分析中。有限元分析下，获得了机架模块机构的不足之处，对机架静动态性能，给出了2种优化方案，增加了结构衡梁与斜梁的方案，明显提升了机架强度与刚度的静态性能，产生了良好的动态性能。通过重新设计的方案有助于提升机架动态性能。 本研究有有一定局限性，后续模块化包装机械的设计仿真与优化的研究还需深入。

参考文献：

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[关键词]康复器械；模块化理论；教学方案

[中图分类号]G642 [文献标识码]A [文章编号]1671-5918（2016）08-0108-03

doi：10.3969/j.issn.1671-5918.2016.08.050[本刊网址]http：//

一、引言

据2015年人口统计数据，我国60周岁以上人口已有22200万人，占全国人口总数的16.1%；65周岁以上人口有14386万人，占总人口10.5%；除此之外，我国还有残障人士近9000万的。随着生活水平的提高，我国人民不再满足基本的温饱问题，而是对生活质量和个人价值体现有了更高的要求。在这样的需求下，智能假肢、康复机器人、智能轮椅、智能家居等一系列康复辅助产品日益融人的人们的生活中。肢体功能障碍不再是一种疾病，而是看做缺失某个零件，只要适配合适的辅具便可继续实现自己的个人价值。随着社会对康复产品的需求日益增大，康复产业成为了朝阳中朝阳产业康复产业。然而，我国康复产业的发展较发达国家起步较晚，相关康复人才较少，并且由于我国传统康复概念，国内大部分高校设立的康复相关专业绝大多数为康复治疗学；对于工程类人才的培养还十分稀少，如上所述，我国缺少的更多的是具有康复工程背景的专业人才。上海理工大学根据人才形势需要建立了假肢矫形工程（康复工程）本科专业来满足社会对康复工程人才的需求。

康复工程技术是当今先进科学技术与人体康复需求相结合的产物，其任务是研究与开发用于人体功能评估、诊断、恢复、代偿以及重残者护理所需的各种设施。上海理工大学所建立的假肢矫形工程（康复工程）专业以培养医工结合、机电结合、兼容管理并具有实践动手能力的复合型高级工程应用人才为目标，开设了多门具有较强实践性专业基础课程，《人体康复辅助器械》是其中的特色课程之一。

《人体辅助康复器械》主要讲授内容包括辅助技术与康复器械两大部分。辅助技术是用于辅助技术装置（康复器械）或辅助技术服务的设计技术；康复器械（根据ISO标准的定义中文翻译应为辅助产品，但由于我国文化背景的需求，现在国内用辅助器具、康复辅助器具康复器械等名词，本文统一采用康复器械作为专属名词）根据《ISO 9999 Assistive Products for Per-sons with Disability：Classification and Terminology》，其可分为12大类，132个次类，包括个人医疗辅助产品、训练技能辅助产品、矫形器和假肢、个人护理和防护辅助产品、个人移动辅助产品、家务辅助产品、住家和其他场所的家具及其适配件、沟通和信息辅助产品、处理物品和器具的辅助产品、环境改善辅助产品，工具和机器、职业康复产品，以及休闲辅助产品，目前已列入国际产品目录的产品有8000余种。辅助技术服务是直接帮助功能障碍者来选择、获取和使用辅助技术装置所做的任何服务。总的来说，人体辅助康复器械这门课是一个多学科交叉的课程，涵盖了康复医学、生物力学、人因工程学、仿生学、机械工程学、控制工程学、电子工程学、化学工程学、材料工程学及人工智能等多个学科领域。并且，现在康复产业的发展更需要能即刻工作，即具有独立适配各种康复器械的能力、具有独自设计康复器械的能力，并具有分析和评估康复器械和适配人需求的能力，因此该门课不能只局限于理论的教授，还需要让学生进行实操训练，真正做到培养可适应现代康复技术一线生产及研发需要的应用型人才。

由此可见，《人体辅助康复器械》这门专业基础课较其他课程具有如下特点：

（一）教学内容多样化

本门课程是一门多学科交叉课程，涵盖了各个学科的基础知识，但是从本专业整体的教学计划上看，学生无法在学习本门课之前把所有需要的基础知识学完，因此，本门课程在每一部分理论讲解的同时需增加部分与该课程相关的其他学科基础课。由此可见，本门课的教学内容不只包含12大类，132次类的康复器械产品学习与认知、辅助技术服务（尤其是适配服务）的学习，还要包含涉及到各学科的基础知识，如机械学科机械设计理论与产品设计理论的学习，电子学科中基本控制电路的设计理论等教学。只有教学内容多样化才能保证该门课的教学目标的实现。

（二）理论与实践结合密切性

由于康复器械是与人直接接触的一种特殊产品，所以从研发到应用，无论哪一个环节都需要技术人员具有足够的实践经验。对于一个刚毕业的本科生来讲，他们的实践经验来自于课堂，因此本门课必须将理论与实践相结合，避免学生在实际操作过程中出现纸上谈兵的尴尬情况。

在此背景下，作者基于模块化理论提出模块化教学来解决传统教学方法在这样应用型课堂教学不足的缺点。

二、模块化理论

H.Simon最早提出了“模块”的概念，他将在进化环境中促使复杂系统均衡动态演进的特别结构称为模块。美国心理学教授Michael Gazzaniga在此基础上，提出大脑是各个神经系统的子系统以模块形式组织在一起的。自此，一些学者开始对模块化进行深入研究，将模块化理论应用到重型设备的设计、手表、自行车、快餐及教育、法律等领域。

模块化理论在20世纪70年代初被国际劳工组织研究开发，形成一种以现场教学为主，以技能培训为核心的教学模式，即模块式技能培训。从而形成由若干不同又相互联系的功能部件组成动态的教学过程，通过教学目标贯穿整个教学的新型教学方式。

随着模块化教学方式的形成，许多具有实践性的课程逐渐开始引用这种教学方式来弥补传统教学中枯燥、理论与实际相脱离等缺点。但是模块化教学能够合理的实施却要注意以下几点：

（一）模块的划分

将一门课程根据不同的功能划分成多个模块是模块化教学的根本条件。然而一门课程不同于一项产品设计，每节课的内容都有较强的关联性，因此，如何划分一门课程是模块化教学成功的关键点之一。

（二）学生的个体差异性

学生学习能力及基础各不相同，对知识理解的能力也存在差异，学习的主动性也会大不相同。因此，如何设计模块化内教学目标才能满足不同学生个体学习需求是模块化教学难点之一。

（三）实践教学的实施

模块化教学是实践性课程进行的必要教学方式，如何结合知识点的实践性教学也是模块化教学的难点之一。

三、《人体辅助康复器械》模块化教学方案设计

（一）模块的划分

教学内容多样化，在规定课时的限制下，很容易引起教学内容过于科普化，前后内容不连贯的问题产生。传统的课堂教学方式主要有讲授、提问等两种方式，将多样化的教学内容通过这两种方式进行教学，会造成课堂单一、枯燥，调动不起课堂学习气氛等问题；除此之外，该门课强调实践教学，即需要锻炼学生的实操能力，因此，该教学方法也无法实现教学目的。因此，结合这两点现存的问题，本文提出一例带全课程的教学方案，一例就是利用一个轮椅适配、设计的例子来贯穿整个教学内容。由于多样化的教学内容，本课程必须借用模块化理论将整门课内容进行模块化划分，然后再通过实例进行前后贯穿。基于此，本课程将分为两大主模块--理论模块和实践模块。理论模块根据知识点分成辅助技术、辅助技术服务、康复器械设计三个模块。其中，辅助技术再分为人工智能技术、脑机接口技术和物联网技术三个子模块，通过三种先进技术的教学让学生了解目前康复器械前沿技术。辅助技术服务重点讲适配服务，包括以机构为主的适配服务模块和以人为主的适配服务模块。康复器械设计包括产品设计、计算机辅助设计、康复器械设计三个子模块来诠释康复器械设计的技术要点内容。实践模块即为实操模块，根据理论模块的内容也分为辅助技术实践模块、辅助技术服务实践模块和康复器械设计实践模块三大模块。如前所述，本课拟通过一个案例贯穿课程始终，因此实践模块详细划分为：智能轮椅、脑机接口轮椅、物联网中的智能轮椅、个人轮椅适配、公共轮椅适配、轮椅个性化设计等六大模块，将每次课程都分成理论模块与实践模块，使学生能够做到学到即用到，牢固掌握知识点，学习目标明确。

（二）模块内目标的设计

如前所述，模块化教学的难点之一是满足学生的个体差异性，但是如果设立的目标出现等级的划分，很容易引起学生的抵触心理，反而不利于教学的开展。因此，本课程将教学目标根据模块内容设立三个目标，第一个目标为基础目标，主要是理论模块内容基本概念的掌握与理解；第二个目标为进阶目标将理论模块内容在实践操作中的应用掌握；第三个目标为创新能力培养目标，主要是结合前面两个目标，拓展学生的创新思维，提高自身知识应用于创新能力。每个目标的等级不同，学生不仅可以在课堂上完成，也可在课下思考，最终完成三个目标，最大程度的降低学生的个体差异性。

（三）实践教学的方案设计

实践教学是本门课程的难点，本课程采用本体感觉方法来让学生对本课程内容有更深入的了解。本体感觉概念来源于康复医学，旨在利用患者自身感受来帮助患者恢复器官功能。将“本体感觉”应用在《人体辅助康复器械》课程教学中，一方面让学生互相适配康复器械，感受现存康复器械优缺点，增加其学习兴趣，并引导其在设计中所应注意事项，依据自身本体感受学习并设计或改进康复器械，最终达到设计实践的目的，该方法还可激发学生学习的主动性。在本文研究中，实践模块根据理论模块内容分成六大模块，根据每个模块内容特点，让学生真正理解所学内容与掌握技能。例如轮椅适配和设计两大模块，首先请学生自己操控轮椅，根据自己对轮椅操控的感受来讲解适配原则与理由，再对所操控轮椅提出改进方案，并利用3D建模软件进行实施，或者利用现有产品进行改进，充分感受适配原则BAD（Buy-Adapt-Design）原则。除此之外，本门课将针对临床适配和工程设计两大专题，聘请临床适配技师和康复器械设计工程师进行专题化教学，从而增加学生的动手能力和实际工作经验。

四、实践与讨论

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【关键词】大规模定制设计；模块化；离心分离机

随着计算机技术的快速发展，CAD技术同模块化设计在离心机械得到了充分应用，使得机械设备制造市场竞争越来越激烈，多样化、个性化的客户需求为离心分离机实施大规模定制奠定了市场基础。

1 国内离心机械发展现状

我国的离心机分离行业发展同国外相比还处于落后状态，近年来，随着社会生产力的快速发展，通过对引进国外技术的消化和吸收，我国的离心分离机技术也得到了发展，主要表现：一是已经形成一个集科研、制造和设计于一体的体系；二是学术界对该领域有了专项学术组织；三是理论与应用有了较好的结合；四是已具备初步的设备生产制造能力，如，三足、上悬、活塞、螺旋、离心卸料；振动、进动卸料、刮刀及虹吸刮刀等离心机；五是自动控制技术同计算机技术有了较好结合；六是制定了相关的技术标准。

2 大规模定制设计的定义

大规模定制（MC）是新的市场环境中出现的生产模式，是一种集企业、用户、供应商、员工和环境于一体，在系统思想指导下，运用全局优化的观点，根据用户需求，充分利用企业自身的各种资源、技术、方法和优势，为用户大批量生产低成本、高质量的定制产品和服务的生产方式。大规模定制设计（DFMC）主要目的在于如何能够将有市场需求的单个产品设计提升到产品族设计。其中，在产品族设计中，模块化技术尤为关键。

2.1 模块化产品族设计

模块化产品族体系和不同作用域之间的映射关系相类似，通过客户域，能准确找到客户需求和客户种类；通过功能域，能将产品功能特征化以满足客户特定需求；通过物理域，可验证产品的设计参数是否合格过关；通过过程域，过程变量能较好地计算出产品成本。所以，产品族模块化技术作为一项系统化工程，将贯穿于产品整个生命周期，为企业能大量生产出满足特定用户个性化需求的产品给予保障。

2.2 模块化产品族体系组成

模块化设计中所用模块须具备互相结合且派生出复杂产品的特征，模块组合中的每个单元都必须具备有一项或者更多项功能，模块之间组合成新产品时应具备更强的功能。所以，模块化产品族体系中充分地显示出了产品的分析功能，以及子模块所具备的分解职能。产品族通常都是来自于同一平台中系列产品族中的每个产品变量。其中，每个产品变量都具备满足客户需求的特性和功能，由于这些产品变量都在共享某些共同的客户需求价值、结构和技术，所以，它们构成了产品族平台。通常情况下，构建模块化产品族体系有三个主要条件：公共基、差异使能和配置机制。

2.3 模块化的不同层次

模块化产品族体系主要分为三个层次，，自顶向下存在着三种不同的层次。它们分别是：系统层、模块层和组件层。系统层是由多个不同模块组合而成的装配系统，通常情况下，系统层的接口越多，其模块化程度就越低。模块层是由组件层中的多个种类不同组件构建而成的，如：电气、机械、液压和以及化学类。组件层模块化程度级别最低的层级，它通常都是由一些标准化零配件组合而成。

3 大规模定制设计在离心机设计中的应用实例

3.1 离心分离机械概述

离心机所采用的分离技术同其它类型，如：机械、化学、热分离、电分离等技术相比较而言，有着设备体积小；停留时间短；不需要助滤剂；密闭性高；放大简单；过程连续；处理能力强；分离过程容易控制、调节等特点。由于离心机的以上特点，离心分离技术受到了工业制造业普遍关注。当前，在资源保护开发、环保工程、生物技术工程、国防工业、石油化工、医药、食品、纺织、汽车以及造船等诸多工业领域内得到了广泛应用。不同行业间的多样化、个性化、规模化的客户需求为离心机械大规模定制奠定了良好的市场需求。随着工业制造业新技术、新工艺的快速发展，尤其是在医药生物工程技术的推动下，离心机分离技术的高参数、全自动、多功能、自动化系统和新材料等呈现出新的发展势头。

综上所述，离心分离机械主要分为三大类型，主要有：过滤型离心机、沉降（分离）型离心机和组合型离心机。其中，过滤型离心机可分为：三足式、平板式、上悬式、刮刀卸料式、活塞推料式、锥篮式、翻袋卸料式、旁滤式等；沉降（分离）型离心机可分为：螺旋卸料式、三足沉降式、平板沉降式、管式分离机式、碟式分离机式；组合型离心机可分为：螺旋卸料沉降过滤组合式离心机、柱锥复合式活塞推料式离心机、碟片螺旋式分离机。

国外对大规模定制设计在离心分离机械中应用研究、开发时间较早，如：德国KRAUSS— MAFFEI公司的竖篮离心机、推料式离心机等产品，相比之下，我国内的大规模定制模块化设计工作起步较晚，在某些领域研究尚处于空白。

3.2 实例介绍

以刮刀下部卸料离心机为例，对大规模定制在离心机设计应用中进行阐述。

刮刀下部卸料离心机的主要类型有四种：SG三足式手动刮刀下部卸料离心机、SGZ三足式全自动刮刀下部卸料离心机，PG平板式手动刮刀下部卸料离心机和PGZ平板式全自动刮刀下部卸料离心机。刮刀下部卸料离心机产品的结构（图1），刮刀下部卸料离心机模块化的结构层次（图2）。

4 结束语

综上所述，大规模定制设计技术的出现推动了机械制造商的产品设计逐步趋向多样化、个性化的设计策略。大规模定制设计在提供多种产品满足客户需求的同时又大幅度的降低制造企业的生产成本。所以，离心分离机械为客户提供更高程度的个性化产品定制服务和设备时，应当继续保持大规模定制设计应用所具备的产品低成本竞争优势，保持低成本所追求的规模经济。

参考文献：

[1]俞雷霖，俞如友.GMP离心机和离心分离技术的进展[J].中国医药工业杂志，2005（12）.

[2]俞雷霖，俞如友.适用于GMP的新型离心机研制[J].医药工程设计，1997（03）.

[3]俞如友. 离心分离设备的进展及无基础离心机[J].医药工程设计，1993（03）.

篇6

关键词：工业机器人；模块化编码；RV减速器

引言

随着现代化的发展，工业机器人有着多规模、多种类、小批量和复杂化等特点。与现代模块化工业机器人相比，传统机器人的“一种需求，一次设计”会产生多种弊端。模块化工业机器人的诞生即能满足客户的需求，又能在规格、品种、设计周期和成本上得到优化。因此工业机器人的模块化和编码研究显得尤为重要[1]。

1 模块的划分与编码原则

1.1 模块化思想

模块化最早期思想起源于积木，利用积木原理把整个机器人分成若干个具有独立功能的模块，这些相互独立的模块根据不同的组成，来达到设计需要。模块化理念的运用，在不同程度上可以达到大大缩减整个设计周期（研发周期、生产周期），降低设计成本，满足不同机器人的互换性要求，提高机器人设计系统的可靠性[2]。

构建模块化工业机器人模块需具备以下几点功能特性：（1）每个模块都是一个独立的个体，可以完成该模块的特定功能，模块与模块之间相互独立，从而减少整个模块系统的关联性，大大降低了工业机器人的设计周期和设计、制造成本。（2）工业机器人的模块化可以分为主动模块和被动模块，主动模块：具有独立的控制功能和驱动功能，并可以驱动被动模块，使被动模块完成指定的机械运动。（3）模块与模块之间能够进行有效安装，各个模块应达到一定的互换性要求，同时独立模块间可以实现独立的控制和信息的传递功能。（4）模块与模块之间应满足在动力学和运动学的独立性。

1.2 模块划分原则

按工业机器人的不同功能来划分模块是目前比较常见的方法之一，首先对工业机器人系统的不同功能进行合理分析，一般划分为必要功能模块和非必要功能模块。模块化的设计比较复杂多样，模块与模块之间的本质就是相互的耦合关系，从而满足模块化的互换性要求，使组成的工业机器人系统满足设计需要[3]。根据特定的逻辑关系使工业机器人系统中的不同功能联系在一起，使不同的独立模块间拥有不同的独立功能。尽可能满足模块与模块之间相互独立、无干涉和无关联等要求。

模块在划分时应注意以下问题：（1）模块划分种类的总数不宜过多，过多的模块组合会降低工业机器人的模块化系统的精度，失去模块化思想的意义。（2）划分模块时保证每一个模块都具有独立功能，并应考虑完成独立功能的可行性。（3）模块在满足独立功能的前提下，尽量控制模块的重量和体积。（4）划分模块时，应考虑环境和经济等因素。

1.3 模块的划分

模块一般根据机械本体和驱动装置来进行划分，对于机械本体部分，根据每次零件或者是工业机器人上的不同位置所完成的不同功能区划分模块。以六自由度工业机器人为例，一般可以分为：底座模块、肩关节模块、大臂模块、肘关节模块、小臂模块、腕关节模块和功能模块。其中本体部分由底座模块、大臂模块、小臂模块和功能模块组成；驱动装置部分由肩关节模块、肘关节模块和腕关节模块组成。这些关节型模块是工业机器人核心的技术之一，特别是应用在关节型模块中的RV减速器技术。目前应用在工业机器人领域的减速器一般分两种，一种是RV减速器，另一种是谐波减速器。在关节模块中，由于RV减速器具有更高的刚度和回转精度要求，一般放置在肩关节模块和肘关节模块中，用于连接底座模块和大臂模块、大臂模块和小臂模块等重负载的位置。而谐波减速器一般放置在腕关节模块中，用于连接小臂模块和功能模块。

2 RV减速器编码方法

2.1 模块编码的目的、作用和原则

模块化编码的目的就是运用特定字母和数字的组合来代替复杂的机械本体，从而避免了文字或口述上的多样性、多义性和非标准化等误区。模块化编码使信息描述代码化，使信息描述具有唯一性、完整性、简洁性、易处理性、可扩展性和同位性等要求。

（1）唯一性：模块的编码和所指代的模块间必须满足一一对应关系。（2）完整性：模块编码要尽可能完整地表达该模块信息，要能满足模块化设计与制造全过程的需要，包括模块的选择、组合以及模块化管理等。（3）简洁性：编码的位数在满足模块功能和数据的基本描述的前提下尽可能最小。（4）易处理性：使计算机在处理过程中更加快捷有效。（5）扩展性：在编码时，尽可能的贴近制造工厂的规定和要求，提高在信息传递方面的可行性，方便以后编辑和改动。（6）同位性：编码要使各个模块的编码位数相同，取位数最多的模块编码设为基础编码位数，位数少的模块编码位数应该用数字0来进行补位。

2.2 RV减速器的参数分析

图1是RV传动的机构简图，它由渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动两部分组成。渐开线行星齿轮与曲柄轴连为一体，作为RV减速器的第一级传动。当渐开线太阳轮顺时针方向旋转时，渐开线行星齿轮在公转的同时并逆时针方向自转，通过曲柄轴带动摆线轮做偏心运动。此时，摆线轮因受与之啮合的针轮约束，在其绕针轮轴线公转的同时并顺时针方向自转。同时将顺时针方向转动通过曲柄轴传递给行星架输出机构，完成减速输出。

其中RV减速器的主要参数分别为：总传动比i，一级传动比i1，二级传动比i2，最大功率KW，输出转数n，输出扭矩M，中心距mm。

在进行RV减速器的模块化选择时，除了要对RV减速器的参数进行选择，还要对输入方式、输出方式和安装位置进行选择。RV减速器的输入形式主要分为：孔输入（FA）、轴输入（FB）和法兰盘输入（FC）。输出形式主要分为：单输出（DZ）、双输出（SZ）和法兰输出（Z）。RV减速器有六种安装方式如图2所示：

2.3 RV减速器编码的设定

根据RV减速器的基本参数、输出形式和安装方式，对RV减速器的具体编码形式如图3所示。具体实例如图4所示。

3 结束语

文章简单介绍了模块化和模块化编码的概念，对关节型机器人进行了简单的模块划分，并对RV减速器模块进行了参数分析，设计出一套编码体系。在对工业机器人进行设计时，为缩短产品的开发、生产周期，降低生产成本，提高设计的重复使用性，增加系统的可靠性提供理论依据。

参考文献

[1]陈航，殷国富，赵伟，等.工业机器人模块化设计研究[J].机械，2009（03）：56-58.

[2]沈允文，郭伟，谭超毅.RV减速器及其在机器人上的应用[J].齿轮，1988（05）：51-54.

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机械工程学科的研究生，大多数来自机械工程及自动化本科专业，一般具有较扎实的机械专业的基础，在“机械设计、机械制造”领域具备一定的专业知识，但是电子方面的基础知识却比较薄弱，许多研究生连常识性的电子知识都不具备，甚至对“测量”、“控制”领域一无所知。因此需对其在电子技术、计算机技术、机电系统集成技术等方面进行专业培养。由机械电子系统的构成要素可见，机械电子工程技术一般包括六大共性关键技术：机械技术、传感检测技术、计算机与信息技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统集成技术。如图1所示。因此，机械电子工程的教学将以机械电子工程的原理与系统设计为主线，在上述各关键技术为主要模块深入展开，而在每一关键技术中，又分别设置三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块，形成“一纵三横”的模块化结构。模块化教学设计很好地实现了引导学生根据自身条件及科研需要有针对性地选择要学习的内容，做到因需施教，因材施教。

2“一纵三横”的模块化教学

“一纵”是指按机械电子工程原理与系统设计为主线的纵向结构，具体包括：传感检测技术模块、计算机与信息技术模块、自动控制技术模块、伺服传动技术模块、系统集成技术模块。“三横”是指在每个技术模块中又细分为三个层次的教学内容：基础要求模块、较高要求模块、高要求模块。具体内容如下：传感检测技术模块：基础要求模块包括传感与测试技术基础知识（传感器的基本构成、传感器的静态数学模型及其静态特性指标、传感器的选用），机电系统最常用的位移检测（光栅传感器、绝对码编码器、增量码编码器），力学量检测（应变式多维测力弹性体、扭矩传感器等），视觉检测（线阵CCD和面阵CCD的基本原理）。较高要求模块包括双目视觉检测的基本原理及标定，触觉传感器（指端应变式触觉传感器、多功能触觉传感器）。高要求模块包括机电测试新技术，现场总线系统，虚拟仪器技术，多传感器数据融合等。计算机与信息技术模块：基础要求模块包括计算机控制技术基础，计算机控制系统的组成、分类，及常用控制器（工控机、PLC、单片机），软件方面要求测量数据的预处理，数字滤波，线性化处理，标度变换。较高要求模块包括PLC、单片机的应用高级技巧。高要求模块包括PMAC原理及应用，基于DSP的运动控制及DSP运动控制卡。自动控制技术模块：基础要求模块包括PID控制算法的基本原理，标准PID算法的改进，数字PID参数的选择。较高要求模块包括模糊控制，模糊控制的定义及特点，模糊控制系统的组成，模糊控制系统的基本原理，应用模糊控制算法解决实际问题。高要求模块包括其它先进控制方法，如智能控制、自适应控制、模型预测控制、神经控制等。伺服传动技术模块：主要讲解直流电动机、交流电动机、步进电机及其控制。基础要求模块讲解三种电机的基本原理、机械特性及最常用的控制方法。较高要求模块讲解更深一层次的原理，如直流电机的电枢电动势、电磁转矩，交流电机的旋转磁场和定转子的电路分析，变频控制的原理及实现方法，步进电机的磁阻最小原理等。高要求模块讲解三种电机的先进控制技术，如直流电机的双闭环控制、交流电机的矢量控制等。系统集成技术模块：基础要求模块主讲机电系统各模块之间的级联设计，重点讲解模块之间的电气性能的相互匹配、信号耦合、时序配合、电平转换接口。较高要求模块主讲机电系统的电磁兼容技术，重点讲解接地技术、屏蔽技术、共模干扰的抑制、差模干扰的抑制、供电系统抗干扰、印刷电路板的抗干扰等。高要求模块重点讲解软件抗干扰技术，如软件冗余技术、软件陷阱技术、“看门狗”技术等。

3以案例为载体，推进模块化教学设计

针对上述的模块化教学内容，设计了针对不同教学内容相应的数字化资源，建设了课程网站，开发了多媒体课件，设计了多个教学案例。在典型的机电一体化的应用领域，将“加工中心”、“工业机器人”、“自动导引车”、“汽车防抱死刹车系统”制作了教学案例，并对一些复杂系统进行了分解设计。采用单片机进行直流电机控制、采用PLC对交流电机进行变频控制，基于MATLAB的模糊控制仿真等案例模块在教学中起到了很好的效果。通过这些案例，是将机械电子工程领域的科研成果及前沿技术引入教学，最大程度地吸引了学生的学习兴趣，激发了研究生的学习动力。

4结语

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关键词 数控机床；机械手；模块化

中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）107-0104-02

1 数控机床机械手构造

数控机床机械手是由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统四大块组成的，实际工业应用过程中，需要这四部分共同配合来完成一项任务。这里给出数控机床机械手的工作图

1）控制系统

控制系统是机械手的大脑，它决定着机械手的具体运动方式。机械手一个动作的完成首先是由用户向控制系统发出指令，控制系统将该指令转化为具体的控制信号，通过程序控制电路、电极控制模块、机械控制等几部分来控制机械手实际运动。其次，机械控制模块还会将机械手实际的运动情况收集起来，转换为相应信号反馈给控制系统，以判断机械手是否按照用户要求运动，是否能够准确的完成用户所指定的任务。当反馈信号显示机械手出现运动偏差时，控制系统将发出警报信号提示用户。

2）驱动系统

驱动系统顾名思义是数控机床机械手中驱动执行机构运动的装置，该装置的主要组成部分为控制调节器、动力系统、辅助装置等。我们在工业生产中所提及的机械传动、液压传动等，均是使用较为广泛的驱动系统。

3）执行机构

数控机床机械手外型上与人手臂相类似，也是有手腕、手臂、抓手三部分组成，特殊情况下还可以加装移动行走机构，提高机械手运行范围。抓手的主要作用就是抓取物料，常见的抓取方式为吸附式和手抓式。吸附式抓手是通过所安装的吸盘来执行任务的，电磁式吸盘依靠电磁铁所产生的磁力来吸附导磁性物质，手抓式吸盘就像是人的手一样抓取物件，所以在实际应用中，主要用来抓取重量较轻，尺寸较小的零件。手腕部分的主要作用是用来调节工件的抓举方位以及角度，它是连接抓手与手臂的关键部分。手臂部分是机械手的主要城中部分，它主要是控制抓手从最佳的角度抓取物件，同时根据软件控制系统发出的信号，按照要求将物件放至准确位置。

4）位置检测系统

数控机床机械手位置信号有手臂位置、抓手状态、行走位置等几种，信号检测系统的主要作用就是用来检测这几种信号，然后将信号反馈至主控制系统用来判断当前各个位置信号是否正确，机械手各部件是否处于正确位置，同时主控制系统向位置检测系统发送控制信号，给出机械手下一步操作任务。

2 数控机床机械手分类

1）按照用途分类

数控机床机械手可以应用于很多种工业生产过程中，但是生产内容不同所使用的机械手类型也不同。当前数控机床机械手有专用和通用两种，所谓专用就是只能够用于特定的生产过程中，主控系统程序是固定的不能随意更改的，这种机械手通常情况下用于单一工业生产过程；所谓通用就是指机械手可以用于不同工业生产过程，其主控系统程序可以根据控制需要进行更改调整，在不同场合提供不同的运动方式。

2）按照驱动方式分类

驱动方式决定着机械手的运动方式，它也是区分机械手类型的重要因素。气压机械手是依靠压缩空气来驱动的，这种机械手以空气为介质，制造成本较低，而且能够广泛适用于很多高危生产环境中。此外气压机械手的结构相较于其他机械手简易很多，不需要配备专业维修人员，所以这种机械手是很多工业生产控制过程的首选；液压机械手主要用于质量很大的物件抓取，它依靠密封的液压装置来提供强大动力，但相应的制造成本也比较高，而且对于维护要求也比较高。

3）按照控制方式分类

现阶段数控机床机械手的控制方式就两种：点位控制和轨迹控制。点位控制思想就是路径线段化，将机械手需要运动路径划分为规定距离的细小线段，划分的线段端点越多，机械手的运动精度就越高，但同时这种控制方式对系统的要求也比较高。这种机械手在当前很多工业控制过程中被广泛使用；轨迹控制相较于点位控制而言技术要求就更高一些，它可以满足机械手在任意空间范围内的运动，而且运行过程更加的稳定准确。这种机械手的控制系统更为复杂，通常情况下需要计算机参与辅助控制。

3 机械手模块化设计理念

模块化设计理念是伴随着工业制造方式的不断转变而兴起的，它是将一个整体分割成若干个独立的功能结构，不同部分可以同时设计，然后再组合成一个整体。这种理念简化了设计过程，优化了系统结构，机构中每一个功能及部件都具有较高的独立性，极大地提高了机构的适用范围。模块化产品设计中最根本最核心的内容就是保证功能结构以及物理结构的相似性，同时相互独立的功能部件可以可靠协调工作。对机构进行模块设计时可以沿着功能体系和构造体系两条主线进行，因为系统能够体现出来的任何一项功能，都是建立在其他功能基础之上的，也就是说系统功能具有上下层关系。此外，系统中还存在着并列功能形式，即一个功能对应着系统可以实现的多个功能。在进行数控机床机械手模块化设计时，我们可以根据实际作业的要求来划分机械手的单元模块。机械手底座是所有功能实现的基础，所以要将它设定为整体模块化设计的基础，然后再根据不同结构所承担的不同功能来设计。经过实践证明，模块化设计能够大幅度降低机械手的设计成本，缩减整体设计时间，以最快的速度满足工业生产控制的需要。

1）模块化机械手结构及设计流程

从数控机床机械手各个机构功能的角度出发，可以将其分为手部模块、腕部模块以及臂部模块。

2）机械手模块组成及功能分析

（1）手部模块组成及功能分析

机械手手部模块中最重要的组成部分就是手指，它主要用来抓取待加工工件。气动机械手气爪是当前应用最为广泛的结构，这种手指能够自动对中，双向高精度抓取。常见的有2指气爪、3指气爪以及多指气爪。在实际工业生产应用中，以抓取棒料为主，例如￠80×6Omm圆柱型工件

联接件的作用是控制手指抓取直径，气爪运动的最大直径为D2，最小直径为D1。外夹持气爪的夹持力方向是从工件表面指向工件圆心。

（2）腕部模块组成及功能分析

机械手腕部模块是由摆动气缸和联接件组成的，它可以保证机械手在90°范围内自由旋转。图中所示联接件1是连接高精度头型调节机构与摆动气缸的，联接件2是连接摆动气缸与气爪的。

通常情况下，联接件都设计有槽与轴相对应的孔，并通过键联接方式将气缸与孔连通。采用螺钉固定的方式防止键的轴向移动。

（3）手臂模块组成及功能分析

图1所示为横臂模块的结构图，横臂是由ML2B气缸、联接件、导轨三部分组成的。这三部分均安装在门架横梁上，而且可以在水平方向自由移动。机械手的横臂与直臂也是通过连接件连接在一起的，而且通过高精度柔性调节机构来保证机械手气爪与机床卡盘的对中精度（图2）。

参考文献

[1]刘进长.抓住机遇促成飞跃-我国机器人产业发展的若干思考[J].机器人技术与应用，2007（3）：7-9.

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[关键词]包装机械 设计 思路

中图分类号：TB486 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0011-01

引言：包装机械与普通产品相比有很大的不同，除了产品本身所具有的含义之外，还有隐形产品、形式产品与延伸产品这三种含义。包装机械行业属于技术型行业，包装技术在这个行业当中起到了非常重要的作用。随着经济的迅速发展，想要使包装机械行业得到良好发展就必须要实现包装技术的创新。包装技术的不断进步不但能够节省材料成本，而且还能使包装效率得到很大程度上的提高，真正实现运行智能化、包装设计模块化的这一功能。

1.我国包装机械行业的现状

中国包装机械起步较晚，起于上个世纪70年代，北京市商业机械研究所在研究了日本的包装 机械后，制造了中国首台包装机。经过了20几年的持续发展，包装机械已经成为了机械工业当中十大行业的其中之一，这位我国包装工业的不断发展提供了较为有效的保障。目前在我国所有的包装企业行业当中有1/4的包装企业存在着低水平重复生产的情况，造成了资源浪费、包装机械市场混乱的现象，严重阻碍了我国包装机械行业的快速发展。自从改革开放以后，包装机械就得到了快速发展，而统计显示，我国只有1300多个包装机械的品种，而且很多品种还仅仅只是停留在测试和仿制技术上。包装行业是集机、电、光、声、磁、化、生、美为一体的高技术、高智能、高竞争的领域，众多高科技产品都可以应用这对包装机械行业产品的 出口提供了机遇， 同时我国包装机械也因此面临着严峻的考验，要想缩小我国与欧美国家之间的差距，就必须将自动化技术引入到包装机械中。要严格按照产品自动包装工艺的要求，将智能化包装技术与机电一体化技术结合在一起，成为一个全自动的包装机械系统并进行生产，生产过程中的检测和控制、对故障的诊断和排除都将实现全面自动化，真正实现优质、高速、低耗及安全生产。

2.未来包装机械设计的主流趋势

包装设计已进入了电脑时代。传统的包装设计方法因设计速度慢，准确性差，已不能适应竞争激烈的商品经济。

如今，一个新产品的生产周期越来越短，包装的形式、结构也变得越来越多样化。很多时候一个产品为了能够适应各个地区与各类消费群体，需要各种形式的包装，从创意、色彩、材质、规格到制作方法，都必须要有各种不同的要求。因此，为了能够及时把握市场机遇，需要依靠先进手段在第一时间设计出当下市场最需要的包装产品，而且包装设计者必须要了解相关的包装制作工艺。

总之，未来包装设计会更多的去利用一些现有包装或者包装图案，在此基础上进行合理取舍与组合，这与之前传统包装设计的从零开始完全不同。未来包装设计的主流就是借鉴与组合，在此过程中设计人员的欣赏能力直接决定了包装设计的成功与失败。

3.现有的包装机械设计方法

包装技术的新思路必然是建立在现在已有的包装技术之上，并对其进行不断完善。现代机械设计的主要目的是为了加快设计速度并提高设计质量。目前可靠性设计方法、模块化设计方法等等都是我国比较常见的包装机械设计方法。

3.1 包装机械的模块化设计方法

包装机械设计和现代机械设计在很多方面都有相同之处，但是也有很多不同之处。包装机械设计的考虑范围更广，更侧重于人机交互环境、系统整体布局与协调性。综合考虑众多因素，包装机械设计大多选用模块化设计方法，该方法侧重于模块划分，先把各种不同功能的模块区分开来，再按照不同功能进行模块设计，并在模块之间建立起连接，促进模块之间的转化，实现包装机械的整体设计。该方法的优越性：通过划分使各种不同功能的模块向专业化方向发展，使机械产品的发展速度得到提高。

3.2 包装机械的可靠性设计方法

包装机械的可靠性设计方法很好地结合了定性设计和定量设计，使得两者同时发挥作用。定性设计是在分析故障原因的基础上，结合成功设计的相关经验进行设计，从而保证包装机械的质量；定量设计重在数据的获取，其通过对数据的掌握来判断零件的强弱以及质量的好坏。

4.改进包装机械设计的新思路

4.1 创新设计理念，实现需求导向型包装

包装机械行业在国外的发展已经有一定的时间了，我国可以在国外的发展经历中提取一些适应我国包装机械行业的发展经验，并在此基础上发展并创新，在发展。因此，应建立需求导向型的包装机械设计新思路。在具体实践过程中必须把握的核心是，以客户及市场需求为核心，采用多样化的模块化设计方法，找到适应客户需求的模块，通过对其功能的替换或者设计出新的模块来满足客户的需要。这样的创新设计理念，不仅能够节约成本还可以实现产品功能的快速转换，从而更好地服务于客户。

4.2 包装机械设计方法的创新

设计方法是创新设计实现的途径，主要应从以下几方面进行考虑：在对包装机械进行设计之前，首先就必须对包装市场进行相关的调研，以此分析该产品的市场需求，在此基础上提出可行性方案，并确定最后的实行方法；在模块化设计的基础上，要尽量做到模块化功能方面的创新，并争取在每个小模块进行创新。在包装机械设计时，必须与计算机技术融合在一起，以此扩大服务范围，这样就可以使有关程序的修改更加便捷，从而可以有效节约维修成本。上面提到的方法都是所谓创新包装机械设计的思路，企业在进行包装机械设计时必须要有预见性，只有这样才能更好地实现技术上的创新。

包装机械企业应当了解客户的需要，知道客户购买产品的偏好和意愿，这样包装产品才能够适销对路。包装机械企业应当将产品设计理念作为出发点，在设计方法上进行创新。包装机械设计的创新主要是建立在大量相关资料与对产品的了解程度这一基础之上，在选定产品类别时，设计者先要对产品的先进性进行全面分析，再在原材料的选择与产品工艺上做文章，着重突出产品的创新点与功能性。

4.3 加快包装机械行业标准的建立

目前包装机械行业已经成为了十大机械行业之一。因此，需要制定相应的行业标准，实现模块之间的互换。有了统一的模块接口，各家企业可以在其他企业研究创新的基础上进行更深层次的探索，从而节约了创新成本。统一的行业标准能加快包装机械技术研究开发的速度，使新技术可以广泛运用于不同的企业中，既实现技术的创新，也做到包装产品的创新。

结束语

现代包装机械设计已经融合了当下的设计技术与设计理念，已经向集成化、敏捷化、网络化、智能化的方向慢慢靠近。在包装机械设计中融入现代机械设计理念与方法，使得包装机械的设计周期得到了压缩，与此同时还提高了产品的性能。随着包装机械设计新技术的日益发展，产品的开发能力和设计水平将会进一步得到提高，从而很大程度上增强了市场竞争力。

参考文献

[1] 包装机械机电一体化技术的特点[J].中国包装工业.2011（01）

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关键词：起重机械；建筑机械；安装拆卸；Abstract:With the development of the construction industry, construction equipment emerge in an endless stream, building technology has hitherto unknown progress. In engineering construction, hoisting machinery because it can not only replace the heavy manual labor, but also can effectively accelerate the construction speed, reduce cost, accelerate the construction schedule, so it has been used more and more widely in the modern building industry. This paper introduces the design of heavy machinery, and explores the existence of heavy machinery installation problems, finally put forward to strengthen the installation of safety supervision and management strategies.

Keywords: hoisting machinery; construction machinery; assembly and disassembly;

中图分类号：TU69文献标识码：A 文章编号：

1.起重机现代设计方法

1.1优化设计

起重机械优化设计一般是非线性规划问题，实质上是多元非线性函数的极小化问题。优化设计的首要问题是选取目标函数、设计变量和约束条件，即建立数学模型。现以门式起重机门架的设计为例来说明其设计思路：

（1）首先确定目标函数G(x)，如门架的重量。然后确定设计变量xi(i=1,2,…,n)，即决定或对目标函数有较大影响的各个参数，如主梁、支腿、端梁、横梁的重量。

（2）根据设计变量所受的各种限制确定约束条件，包括等式约束和不等式约束，如跨中最大正应力、跨中腹板最大剪应力等。

（3）建立目标函数G(x)与设计变量在x约束条件下的数学表达式，即目标函数G(x)=G(x1，x2，…，xn)，设计过程就是求目标函数的最小值。

（4）最后用各种优化方法如一维搜索法、梯度法、牛顿法、惩罚函数法、共轭梯度法等确定设计变量如组成门架的各个部件的结构、尺寸等的最优值，完成最优设计。

1.2模块化设计

模块化设计有两层含义，即在考虑机械的功能和构成的基础上，同时实现产品的互换性和模块间接口的标准化。因此在进行模块化设计时，不但要使模块满足设计功能方面的要求，而且要使模块间能够自由连接和组合，这样才能发挥模块化的优势，高效完成设计任务。起重机模块化设计的基本思路是：将起重机进行功能和结构分析，然后根据分析结果，划分并建立具有独立专有功能的模块，对模块进行技术设计;最后根据设计要求组合模块，得到我们所需功能的起重机。模块化产品的特征就是从功能元素到物理组成的一一对应。起重机采用模块化设计后，不但可以使其质量得到保障，而且还可以大大缩短设计周期和生产周期，增强市场竞争力，还可以实现起重机械零部件的成批生产，从而很大程度的降低生产成本和设计成本，实现其经济价值。

1.3可靠性设计

可靠性设计是指在规定的时间内，规定的条件下，以概率论和数理统计为基础，以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以完成产品规定功能为目标的现代设计方法。起重机械可靠性设计的基本思路为：将引起起重机零部件失效的所有因素统称为应力S，则S可表示为各种失效因素Si(i=1,2,…,n)的函数，S=f(s1,s2,…sn)。将起重机抵抗各种失效的因素称为强度R，则R可表示为各种影响强度的因素ri(i=1,2,…，n)的函数，R=g(r1,r2,…,rn)。应力S和强度R都是随机变量，起重机各个零件安全与否，是以R>S所发生的概率来表示的，即R(t)=P(R>S)[R]。其中，R(t)为各零部件在运行中的安全概率，即可靠度，它是指零部件在工作时间t内的一种能力；[R]为零件的许用可靠度，它表示零件在规定的时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力，即许用安全概率。产品的可靠性是其安全性、可维修性及寿命的重要保证，因此，可靠性设计也越来越成为起重机设计方法的重要组成部分。

2.起重机械安装拆卸存在的问题

2.1没有做好安装前的准备工作

在进行起重机械设备的安装时首先要综合考虑起重机械的设计、基础土质及地质等情况，这些都能影响起重机械的安装与拆卸过程，如果这个环节没有做好，起重机械就不能很好的进行安装拆卸，甚至在安装与拆卸过程中就会出现设备倒塌的现象。

2.2聘用非专业的安装拆卸队伍

起重机械在安装与拆卸过程中需要具有专业资质的安装拆卸队伍，并严格按照标准的、经过审批的方案进行安装拆卸，当聘用非专业、没有特种作业操作资格证的安装拆卸人员，安装拆卸作业不规范，必然会造成安全隐患。例如在安装拆卸过程中多次重复使用高强度连接螺栓，并且未认真地对其进行检查，随着交变载荷作用次数的不断增加,在高强度螺栓的应力集中部位,以及在螺栓制造或使用过程中形成的缺陷部位产生了疲劳裂纹，随着使用时间的增加,疲劳裂纹不断扩展,最终螺栓断裂，造成事故。

2.3租赁陈旧不合格的起重机械

有些施工企业为了减低施工成本，大多数都采用起重机械租赁的方式，但是租赁市场本身存在一些问题，例如存有大量陈旧的起重机械，这些陈旧的起重机械由于机械老化等原因，并不适合施工，并且存在很高的机械故障性，为工程施工带来很大的安全隐患。另一方面施工单位对起重机械的维修监管比较少，造成更新滞后、维修滞后。若安装拆卸这些不合格的起重机械设备，无疑增加起重机械安装拆卸事故的发生。

2.4安装拆卸方案不够细致、全面

起重机械在安装与拆卸过程中出现问题有时可能不是设备的原因，而是安装拆卸方案的原因，与其操作顺序有关，平衡臂、平衡重、起重臂等的安装拆卸顺序很关键，若操作顺序错误，严重的话会出现机械设备倒塌的现象。

3.加强起重机械安装的安全监督管理策略

为了避免起重机械事故的发生，建设行政主管部门或相关部门需要对起重机械安装拆卸过程做好安全监督管理。

3.1对安装拆卸队伍进行检查

建设行政主管部门或相关部门对安装拆卸单位及其所聘用的安装拆卸人员资质进行检查，严厉打击非专业资质的安装拆卸单位及人员进行安装拆卸作业。从事起重机械安装拆卸活动的单位应当依法取得工程管理部门颁发的起重设备安拆工程专业承包资质和施工企业安全生产许可证，并在其资质许可范围内承揽起重机械安装拆卸工程。而从事起重机械安装拆卸作业的人员必须按照国家规定经过专门安全教育和作业技能培训，由建设行政主管部门考核合格，取得起重机械特种作业操作资格证书，并经用人单位对其进行至少3个月的操作技能培训后，方可独立上岗作业。

3.2严格审核安装拆卸方案

建设行政主管部门或相关部门需要严格审核起重机械的安装拆卸方案，其安装拆卸方案需要符合工程项目实际情况，只有通过审核的方案才能投入生产中去。

3.2检查起重机械的设备检测情况

技术检验部门需要定期对起重机械进行检测，做到执法必严、违法必究。对于将要投入施工使用的起重机械进行安全检测，只有检测合格的起重机械才能使用，严禁使用检测不合格的起重机械，并严禁使用超期的起重机械设备。

3.3建立完善的起重机械安全监督管理体制

建立完善的起重机械设备安装拆卸安全监督管理体制，在起重机械的租赁、安装拆卸、使用管理等过程中，建设行政主管部门等相关部门需要明确租赁单位、安装单位等相关单位的各自安全职责，并强化责任监管。此外，建设行政主管部门应当建立本行政区域内的起重机械档案，根据相关法律法规进行统一编号以及建立抽查制度，并定期反馈起重机械的安全使用情况与安全管理状况。

建设行政主管部门或有关部门需要出台有关管理办法，对施工设备租赁市场进行规范管理，完善起重机械设备的租赁市场。可以从以下两方面入手：一是租赁公司，租赁公司需要建立有上岗证的专业安装拆卸队伍和维修队伍，定期对起重机械等施工设备进行检查和维修，提高起重机械工作的可靠性。二是机械安装拆卸单位，起重机械的安装拆卸等工作只能由专业的、具有一定安装拆卸资质的机械安装拆卸单位负责。

3.4对起重机械进行安全监督管理

根据工程施工不同阶段的特点进行相应的安全监督管理，不同阶段的安全监督管理工作具有不同特点，安全监督管理人员就要进行有规划、有步骤的对起重机械进行定期一次的全面检查，对机械的技术状态等各个方面进行检查并记录，及时发现存在安全隐患的起重机械设备并给予封停，及时排查整顿安全隐患。此外．安全监督管理人员要结合日常的监督巡查工作，对起重机械设备顶升加节验收、操作人员持证上岗、使用单位定期检查情况等进行重点检查。

4.总结语

在工程施工过程中，起重机械担任着重要角色，是重要的工程施工设备。然而在起重机械的安装拆卸过程中存在着较多的危险因素，稍有不慎，可能会造成起重机械安全事故的发生。因此相关单位和工作人员要严格按照规范安装、使用和拆卸起重设备，确保起重机械的使用安全。

参考文献：