模块化+Top-down设计在掘进机产品中的应用

传统制造业研发及生产模式周期长、成本高，随着市场竞争的加剧和计算机技术在工业中的广泛应用，传统制造业面临着一场极其深刻的变革。日本、德国和美国等工业发达国家已采用了一系列新的生产方式（如精益生产和敏捷制造等），与新的生产方式配套的模块化设计成为了目前研发设计采用的关键技术。模块化设计方法可以实现产品的并行设计，提高部件重用度，减少物料种类，降低物料制造、采购和管理成本，促进产品的变型组合，实现产品多样化，提高产品定制开发效率等。

1 模块化+Top-down设计解决方案

(1)总体思路

掘进机产品目前是根据客户订单进行研发和生产，需要在现有产品平台上，根据客户的需求进行相关部件的研发。在此基础上，如果能尽可能少地进行新设计或设计更改，尽可能多地实现现有部件的重用，则能大大缩短设计和生产准备的周期，降低产品研发和生产成本。所以，需要尽可能使客户订单分离点远离供应商，使分离点靠近客户，降低客户需求对生产的影响。通过模块化设计方法，建立模块化产品架构，优化产品模块，减少模块数量，使最小范围的更改去满足不同客户的定制需求。

(2)技术方案

产品模块化的设计过程，也是产品架构模块化实现的过程。在EB2200系列掘进机模块化设计过程中，其基本流程包括：产品架构的定义、产品架构的实现和产品架构的应用推广。在产品架构定义过程中，根据产品的结构构成和研发特点，进行产品模块的定义和优化，定义产品的通用模块和可变模块，并定义出各模块的接口。在产品架构实现过程中，设计出各模块的接口，通过接口控制各模块的设计，建立起三维模块库，保证通用模块能根据不同配置需要装配在相应产品中，可变模块能方便地修改变型，具备良好的修改能力。在产品架构推广阶段，通过模块的开发和产品架构的管理，实现产品的快速衍生，满足不同客户的定制需求。

在定义了模块和接口之后，采用骨架进行产品总体方案设计和模块方案设计，骨架是关键设计特征和参数的集合，用来进行方案布置设计和设计条件的传递等。从功能分，骨架包括：接口骨架、参数骨架、位置骨架和设计骨架。从设计级别分，骨架又分为一级模块骨架、二级模块骨架等，根据掘进机产品的结构特点，模块及接口均定义到二级，对于二级模块下级的部件则不进一步进行模块划分和接口控制。

接口骨架是三维接口条件的集合。接口骨架的内容发布给相关模块，直接驱动相关模块的三维结构设计。接口骨架只和模块相关，与具体产品型号无关。

参数骨架是模块设计参数的集合。一级参数骨架控制的是整机参数，由总体设计师确定，一级参数同时也是一级模块的关键设计参数，这些参数可通过关系传递给一级模块的设计骨架，用来驱动一级模块的模型设计。二级参数骨架控制的是二级模块的参数，由模块设计师确定，可传递给二级模块设计骨架，用来驱动二级模块的模型设计。

位置骨架是模块装配的定位基准。整个掘进机由一级模块组成．一级模块由若干个二级模块组成。位置骨架中的定位坐标系定义了各模块在产品或上级模块中的定位位置。不同型号的掘进机具有自己独立的位置骨架，同一模块在不同型号掘进机中其定位位置可能是不同的。位置骨架及接口骨架见图1。

图1 位置骨架和接口骨架示意

设计骨架是模块设计方案定义的集合，设计骨架从位置骨架接受定位信息，从接口骨架接收接口要求，从参数骨架接收设计参数，根据接收的条件进行方案布置，建立关键的基准特征等，设计骨架的设计条件发布给骨架中关键零部件，指导和驱动模块中零部件的结构设计。

骨架设计完成后，开始各模块具体三维结构设计。在骨架模型中，将关键设计条件进行发布，零件接受骨架条件后进行结构细节设计。通过修改骨架，实现模块方案的变化调整，若不涉及到大的方案变化，具体细节机构在零件中直接修改相关特征即可，见图2。

图2 设计骨架驱动模块三维结构设计

2 项目工作成果

(1)设计效率的提高

采用模块化设计方法与传统设计方法相比，其设计效率显著提高。

(2)设计质量的提高

①产品接口配合绝对准确，同一数据源避免失误；
②总体参数及设计条件对模块无缝传递；
③建立模块空间接口规范，指导模块间隙检查，消除干涉隐患；
④规范的建模方法，提高模型设计一致性。

3 结语

EB2200三代机掘进机是沈阳重装第1个实现模块化+Top-down设计的整机产品，是在PDM系统下开展的协同设计，确保数据的准确性、唯一性，并能实现数据自顶向下的无缝传递，缩短了产品设计周期，提高了设计质量；三维模型由骨架和参数控制，可按需求实现快速变型，方案设计及相似结构衍生变形的效率调高30%；同时规范了部件接口，实现模块通用互换，提高了零部件通用化率，可降低生产、采购成本。本项目的成功开展为三一重装全面推广模块化+Top-down设计积累了宝贵经验。