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堆垛机模块化设计研究 |
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作者：甘仲平 金国峰 方锦明 |
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巷道式堆垛起重机（简称堆垛机）是物流装备的核心产品。与国外技术相比，目前我国堆垛机产品在技术参数、产品覆盖范围、技术稳定性和产业规模等方面均有差距。国外知名堆垛机厂家的堆垛机产量基本上在200台／年以上，基本上实现了产品零部件批量生产以及堆垛机设计和制造系列化和模块化；而国内制造企业相对规模较小，年产量在100台／年以下，还处于以项目合同推进设计和生产的阶段，并且在堆垛机产业化方面的研究较少，产品综合竞争力和技术水平比较低。近几年如上海海烟物流系统、伊力乳业等重大项目的业主综合考虑后均选择了产业化和技术较为成熟的国外产品，表明我国物流装备制造行业在技术水平和行业规模竞争中处于不利地位。为增强行业的竞争水平，进行产业化研究是目前十分紧迫的任务，而模块化设计是实现产业化从而快速响应市场的有效方式。
1 现代模块化设计的内涵和特点
模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析，划分并设计一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场的不同需求的现代设计方法。新产品的设计过程不再是传统的自下而上的基于规则和经验知识的过程，而是采用自上而下的任务驱动的方式。采用规划好、标准化或易于变型的零部件模块可以降低成本，提高速度。现代模块化设计具有以下特点：
（1）实现完整的产品定义 模块化设计源于对市场调查和产品的功能分析，通过模块组合形成产品族，并且模块体系可以根据不同设计要求和新技术的发展，及时组装或重新设计个别模块，使产品在结构上和性能上有更高的柔性和对产品的完整定义。
（2）可缩短设计和试制周期 针对用户的要求，选择模块进行产品配置设计以缩短设计和试制周期，适合小批量、多品种、多功能设备的制造生产。
（3）产品性能稳定可靠，维修方便，可降低成本 由于部件标准化程度高，有利于先进加工制造技术的应用，使产品具有良好的性能和较高的可靠性。采用模块化设计后，将产品内部多样化减至最少，在最大程度满足用户的功能要求的同时，不降低产品的多样化特点，使企业可以做到大规模定制，并有利于降低成本。
（4）实现知识管理和集成设计 模块化设计的过程是产品结构设计的规范过程，模块的规划和实现需要建立模块的接口和产品知识的信息。整个产品模块化设计过程贯穿产品知识创建和管理的过程，通过对产品知识的有效管理，有利于设计人员针对模块进行持续的优化和改进。模块化设计结合产品数据管理（PDM）技术，更容易建立模块间的信息连接，形成可扩充的专家系统。
2 堆垛机与模块化设计
典型的单立柱堆垛机结构见图1。它由地轨1、下横梁2、载货台3、货叉机构4、提升滑轮5、天轨6、立柱7、控制柜8、起升电机9、行驶机构和驱动轮10等构成。对于堆垛机系统，其设计很难用传统模块化原理和方法进行产品的拼装和组合，也不能用参数化设计对产品进行简单地缩放，而是要按照立体仓库系统的需求，确定其结构型式和规格大小，因其固有的大惯量、较大跨度的结构参数变化和运动参数的变化，对各组成模块的性能（如刚度、强度、稳定性、可靠性等）有严格要求，使具有相同或相似功能的模块在结构上可能有较大差异，并且根据参数的变化，模块模型结构形式变化多样，传统模块化设计不能满足这些要求，因此引入基于模板模块的模块化设计方法将堆垛机系统设计特点和模块化设计优势相结合。
图1 堆垛机结构
基于模板模块的堆垛机产品模块化设计是对传统模块化设计的扩展，其核心思想是考虑堆垛机载荷特征、材料特性、受力情况、功能配置以及运动参数等对其结构形式的影响，把堆垛机结构强度、刚度、功能参数以及运动参数等作为模块设计的目标参数，通过这些参数把设计要求传递给模块。实现参数表达的模块称为模板，它是模块的抽象而不是一个具体的可用的模块，是一类功能模块的通用模型，模板综合了大量实例的相似设计特点，将模板搭建成产品结构模型。实际设计时从设计要求中提取产品设计参数，对模板模块进行赋值，在产品机构模型的框架内得到实例化的产品，快速完成堆垛机产品设计。模板是产品模块化设计的基础，因此必须保证模板设计的合理性。一个合格的模板模块应集成设计知识，预留再设计和模型扩充的接口，这些接口包括模板属性信息、连接信息以及参数信息，改变各接口信息值就可以改变模板的特性。接口信息应该同堆垛机设计知识体系具有映射关系，其取值依照产品知识体系和设计标准确定。堆垛机模块化设计主要包括功能模块的合理划分和模块之间机械界面的通用化和标准化设计。
（1）模块的划分、综合及标准化如何正确划分功能模块是堆垛机设计的主要研究内容之一。正确合理的模块划分可以简化设备的结构，降低设备的重构频率，提高模块之间的精度匹配，减少重构操作的工作量，美化设备的外观。另外，模块的标准化也极其重要，只有实现标准化，才便于组织专业化的大规模生产，实现不同厂家模块的互换。
（2）机械界面标准化堆垛机模块要真正得到广泛应用，设计时必须考虑各种模块的界面标准化，包括机械、液压、润滑、冷却、电控接头等。模块化设计理论已经出现了几十年，但一直没有得到广泛应用。究其原因，主要是机械界面部分研究得很不够，人们往往将注意力集中在模块的划分、设计和综合方面。事实上，模块化设计能否得到广泛应用，与机械界面的设计和标准化关系极大。界面的标准化研究主要包括界面结合的精度、稳定性和可靠性、界面的标准化、模块更换的快速性和方便性等。
3 堆垛机功能分析及模块划分
按照模块化设计的基本思路，对堆垛机产品进行市场调查和分析，并综合制造和装配等因素，将影响堆垛机功能的设计参数进行归纳和整理，确定产品参数范围与主参数，同时按堆垛机功能进行模块划分，如建立驱动模块、底架支撑模块、立柱模块、载货台模块、控制系统模板等一级模块，并对每个大类模块进行纵向细化，对每个模块结合已经生产出来的堆垛机进行结构优化，并固定结构形式，在此基础上对模块进行参数描述，建立各模块的模板。按照模板间参数关系构建堆垛机产品结构模型，建立模板间的参数关系，形成一个具有信息接口和使用规则的堆垛机设计专家系统，通过参数赋值将模板实例化以实现堆垛机模块化设计。根据以上的分析并结合已有的设计经验，将堆垛机的设计参数归纳如下：
（1）功能参数 堆垛机结构形式、运行方式、存取货方式、货位形式、货物类型和设备拣选方式等。功能参数采用定性参数描述，见表1。
（2）结构参数 载货尺寸、额定载重量、堆垛机整机高度等。结构参数采用定量参数进行描述，将货物尺寸、载重量和堆垛机高度等连续值进行离散和优化后见表2。 
（3）运动参数X、Y、Z 3个方向的运行速度和加速度。运动参数采用定量参数进行描述，将速度和加速度等连续值进行离散和优化后见表*。堆垛机模块化设计需要在功能分析的基础上构建产品结构功能树，按照功能结构树进行模块划分，通过设计参数完成功能向结构的映射并建立模块与产品的属性关系和模块与模块之间的连接与相关关系，堆垛机产品模块体系的建立与产品的配置管理均以对模块的参数描述为基础。堆垛机模块划分如表4所示。
4 基于PDM的堆垛机产品配置设计
堆垛机模块化设计过程是产品结构设计规范的过程，产品知识的建立和管理是模块化设计中的重要组成部分。整个产品模块化设计过程贯穿产品知识创建和管理，将堆垛机整个产品系列进行自上而下的规划，设计出符合模块化设计原则的功能模块。通过建立模块化产品结构模型，完成了用参数对模块功能和结构参数进行描述。各模块可以通过功能参数和结构参数进行表达和识别，具备了在PDM环境下根据用户的要求，通过对功能模块的选择和综合，快速设计出新产品的条件。如将PDM作为整个模块化设计的设计平台，可以实现堆垛机产品配置设计和计算机辅助管理模块化产品，对堆垛机模块的规划和实现过程中的信息通过PDM技术实现有效管理，最终实现堆垛机产品配置设计。
产品配置是快速设计阶段的重要设计手段，它为销售人员定制客户的个性化需求提供选项。根据客户选定的选项对产品模型进行定型，为客户展示产品和提供价格。如果客户满意，它将生成生产部门使用的产品制造模型；反之则为设计人员提供设计实例，使定制设计有新的起点。为实现产品配置，产品开发阶段应考虑并满足如下要求：（1）模块、组件应该具有参数化数字元模型；（2）模块、组件的几何约束、物理约束能够得到保证；（3）模块、组件间的约束关系已经确定，即变型时能确定受影响的零部件及其参数。
5 结束语
堆垛机产品是物流设备中相对复杂、自动化要求较高的产品。通过对该产品的模块化设计研究可以探索出一种持续有效的管理和提升产品品质的设计方法，建立持续改进产品的知识平台。将该方法推广到其他物流设备的设计管理具有深远的意义。(end)
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(11/30/2007) |
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