自动化非标设备制造中标准化应用探讨模块化设计的产品举例
作者：许佳荣
来源：《决策探索·收藏天下（中旬刊）》 2019年第5期
      摘要:自动化非标设备是一项综合性强且复杂的工程,其不仅要保证产品生产品质,而且还要保证生产节拍的稳定性,以达到提效降本的目的。那么,模块化、标准件、参数化工具等标准化应用在非标设备制造工艺中显得尤为重要,一是可降低设备异常,提高可靠性,二是可以提高制造效率,缩短产品研发周期。
    关键词:标准件;模块化;参数化;自动化非标设备
    一、引言
    随着国家提出“中国制造2025”,以及德国提出工业4.0,自动化产业在国内遍地开花。制造业一直是国民经济主体,在目前产品多元化的需求以及高额的人工成本的环境下,替客户“量身”打造自动化非标设备慢慢成为企业不二选择。非标设备指的就是非标准设备,并未按照国家统一颁布的行业标准和规格制造的,具有定制性质、自主设计制造的设备。这类型设备都具有几个特点:一是专机专用,二是设备异常改善率高,三是设备制造调试周期长,四是模型图纸复用率低。因此,为了减少设备制造调试周期,降低设备异常改善率,提高模型
图纸复用率,降低企业设计、制造成本,提高企业竞争力,标准化应用日益成为企业内部声音,成为提效降本的有力措施。
    二、自动化非标设备标准化应用分层
    个人理解的对自动化非标设备标准化应用进行分层,呈现一个金字塔模型,从底部至上依次为标准件、模块化、参数化和标准机型(图1)。由下至上也代表应用占比由多至少以及由简单到难。
    三、标准件
    标准件应用涉及在各个行业中,用途范围广。标准件指的是零件特征、标注、公差、尺寸等各个要素已经标准化,并由专门公司生产的常用的零(部)件,如紧固件、加强筋、定位销、轴承类等等。目前市面上存在多家知名的标准件品牌厂家,例如米思米、怡合达、蚂蚁工厂等等,其中不乏行业内的佼佼者或国际知名品牌。标准件存在几个共同点:一是行业通用性强的机械零部件和元件,具有通用性;二是部分产品不同品牌间存在互换性;三是一定程度参考了行业相关标准。部分企业内部也会设立有专职人员进行企业内部的标准件定制,从项目归纳、总结专用或通用零部件,进行优化设计,评审确定后整理成标准模型、工程图,以便工程设计人员调配使用,其目的是想降低设计异常,提高设计效率,减少人工成本,缩短制造周期。
    四、模块化设计应用的优点
    模块化设计,简而言之就是将机构的机、电、软三种要素在设计时考虑进去,使其成为一个能够独立完成特定功能的系统,是由组合化、通用化和标准化的需求而孕育的。机构模块化设计可以降低异常错误率,提高设计效率和实际作业标准化程度,节省设计成本、采购成本和售后服务成本。模块化设计中最重要的一点,并非单纯仅仅停留在机械设计模块化,应该包含机械结构设计、模块工程图标准化、控制程序设计标准化、装配SOP标准化以及机加工艺标准化,需从全链条考虑模块化设计,才能从上至下贯通。模块化应用举例:单轴模组(图2)、X/Y/Z三轴、CNC平台、飞达结构、物流输送线单元等。通过推广模块化设计,以提高设计、加工以及现场施工作业的准确率和效率,提升高产品的互换性,节约人力成本,从而提高产品质量,并逐步建立标准化数据库共享平台。从机械行业大发展的前景下看,利用模块化设计,是使设备由非标向标准化、定型产品转化的助力器。
   
    五、参数化是模块化由量变走向质变
    参数化设计是将工程本身编写为函数与过程,通过修改初始条件并经计算机计算得到工程结果的设计过程,实现设计过程的自动化。在参数设计中,根据模块化机构的沉淀及设计过程总结。机构可以被信息化,且可以分为两类:一是机构可变的数据、尺寸,称为可变数据;二是机构间的各种装配信息,称为固定数据。参数化设计的实质是在可变数据的作用下,系统能够自动将所有的固定数据维护起来。
    当模块化应用越来越成熟广泛,随即就可以从模块化中归纳总结出相关参数,而这些参数多数是这个模块根据不同应用场合需要调整的参数,而那些模块中不动的部分,则如上述所说,做成企标件或者标准件即可。例如带式输送机,其在不同场合应用中,根据场合所需的安装高度、运输物料宽、输送机长度及总运输负载这四个因素需要修改。那么这四项就可作为带式输送机的可变参数,其他如轴承座规格(含轴承规格)、从动轴台阶直径、主动轴台阶直径、型材支架规格等,均是能够优化设计后作为一个标准件运用。那么,我们就根据以上逻辑开发相应的设计软件(图3),可以将安装高度、运输物料宽度、输送长度及总运输负载这四个因素作为输入项,搭配软件后台已开发好相应的电机计算公式,三维模型的特征驱动、自动调配及自动组装的软件代码,以及已搭建好相应的标准库,即可通过参数化工具自动在设计软件中生产带式输送机三维模型,且能够符合当前所需场景需求。目前市面上也有较多公司推出自己的参数化平台,其中最著名的为博世力士乐MT pro软件(图4),其主要用于力士乐品牌的物流输送线,根据项目需求进行三维布局、二维布局图输出,BOM表输出等功能,能够省去较为漫长的设计周期,缩短时间,提高工作速度,从而
达到效率提升。参数化提升了三维数模的生成、修改的效率,在模型的系列化设计、相似设计有很高的应用价值,在目前主流的三维CAD软件的二次开发方面都具有较大的潜力。三维设计参数化的方法,目前主要有特征参数法和基于机构设计历程的方法。前者多用于零件级三维模型的建立,后者多适用于机构三维模型的直接成型。
   
    六、标准机型
    标准机型是最终目标,指在零件标准化、机构模块化、参数化设计奠定基础,机械、电气、软件共同配合,技术要求文件以及所用材料与工艺标准化,都按统一标准制造出来的机型。其基于标准件库、标准模块库,并借助参数化设计工具根据不同需求,多元组合成新机型。
    七、结语
    随着自动化行业的高速发展,客户日益强调的短周期交付要求,以及在满足产品技术要求为前提,更加低成本的制造要求,标准化的应用日益被各自动化公司所看重,成为各大企业降本提效的最佳途径。而参数化设计,作为标准化的一种新运用,其所带来的提效效果是非常显著的。如果说自动化设备是解放生产工厂的劳动工人双手,使劳动工人逐渐转型为设备操作技术型,那么参数化设计工具就是解放设计工程师双手。在未来,会有两类人,一类是设计控制设备的人,一类是没有成功转型,被设备“奴役”的人。
    作者单位:
      广东利元亨智能装备股份有限公司

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