大型机械设备模块化制造的发展分析

1 模块化制造现状在我国，中小产品批量生产已经逐步实现规模化、模块化，比如汽车行业的零部件、电子行业以及部分轻工业产品，由于此类产品需求量大，市场供求关系紧凑，比较容易实现模块化的批量生产，通过模块化制造实现了小产品赚取大价值的超值经营；受到技术和制造装备的制约，我国的整体制造水平还处于落后地位，对于大型机械设备，实现模块化制造的程度还只是浮于表面，例如采取同一套图纸，制造出两套设备后，会发现这两套设备存在许多的不同之处，加工精度、焊缝质量及定位基准等都会有较大差别，究其原因，一是大型机械设备主要结构部件采用的是传统的加工制造方式，没有固定的代加工企业、技术人员和系统化的加工工艺；二是存在大量非标结构部件，生产制造难于实现标准化和规模化，缺少模块化的加工装备系统。模块化制造无法实现全面的应用，使得传统的制造工艺系统长期处于制造业的主导地位，造成了大型机械设备制造成本高居不下，生产效率处于中低水平，整个行业的发展速度亦相对缓慢。随着科学技术的进步和发展，借助于计算机辅助设计技术，我国在模块化设计方面取得了很大的进步，但在模块化制造方面，由于受到的制约因素较多，有待更进一步的发展和探索。

2 模块化制造的重要意义模块化制造技术是一种新型的产业组织模式，其强调了在计算机时代，信息流主导物质流，知识成为主要的生产要素，所以模块化制造技术是基于知识分工理论进行的模块划分；各模块制造商形成的是一种互相对彼此开放的产品结构，取代了之前的工序垂直分解的分工，从企业制造系统整体分解出来的各模块本身也是一个复杂的系统，各模块具有各自的独立性，可以不依赖于其他模块而还有自己的功能，而与其他模块整合在一起，整体效果更强大，正所谓集百家之长于一身，其质量特性定会提升一个大台阶。

模块化制造可以满足过程集成和系统重构的要求，而过程集成强调的是高效率，系统重构强调的是高柔性，通过模块化将过程集成和系统重构进行有效地兼容和融合，提取优质的生产质量和管理组织体系，创造更多的产品价值；模块化制造能显著减少产品对制造系统的功能约束，能通过减少非加工时期来提高生产率，从而使制造能适应未来技术及市场的快速变化和可持续发展。

3 模块化制造发展的趋势模块化所体现和展示的优越性已被众多的企业家所印证，模块化制造不仅带来了高质量产品，也实现了产品的性能增值，故模块化制造的全球化发展是必然趋势。目前，模块化制造已应用于能源、采矿、化工以及基础建设等多个领域，伴随着经济发展的全球化，模块化制造将被越来越多的行业认可和采用。

随着科学技术的进步，机械自动化、一体化以及智能化迅猛发展，模块化制造也随之增加了相应的智能元素，成为互联网时代的模块化制造，其正在由传统的制造转变为新时代的智能化模块制造。有报道称中国科学院沈阳自动化研究所与德国思爱普（SAP）中国研究院携手打造的自适应模块化柔性制造解决方案，亮相2019工业互联网全球峰会，该方案采用世界领先的边缘计算与云平台协同制造以及模块化生产概念，通过真正意义上的端到端全程数字化智连，实现高度的柔性生产，将极大地提高大规模个性化产品定制的生产效率。模块化发展基本趋势是开放性产业结构，同时也拓宽了战略管理空间，模块化深度不仅因产业不同而不同，还因企业战略差异而多样；模块化制造的发展将会发生日新月异的变化，在不断创新和完善的基础上，将在各行业制造中扮演重要角色。

4 实现模块化制造的途径大型机械设备的特点是结构复杂、外形尺寸大、外形特征和内部结构形式多变，随着机械行业规范和标准化的逐步发展完善，对于各行业的机械设备也有了一定程度的统一标准，这为大型机械设备实现模块化制造提供了良好开端。在此基础上，需要将模块化设计和模块化制造有效地结合起来。

4.1 模块化设计模块化设计是实现模块化制造的基础和前提，如何在复杂多变的机械行业实现非标准结构的统一化和规模化是模块化设计首要解决的难题。任何事物的改变，都不会改变其根本原理，大型机械设备也是有微小型设备演变而来，要实现模块化设计，设计者可将大的零部件以微小零部件的视角去思考和设计，通过大转变小的设计理念，将大的零部件设计成多种具有统一标准的多种规格的零部件，仿照小零件的批量化和规模化，实行通用零部件，使其具备互换性；例如，在设计过程中，将大跨度、大体积的主梁设计成为多段中小型模块梁，每段梁都采取类似尺寸和形状，从而实现分段模块化制造；同时，设计者应将科学的、先进的加工工艺融入到结构设计中，降低后续制造的难度。

4.2 模块化制造大型机械设备的特点就是大，体积大、吨位大，需要进行较多的焊接和成形工序。在加工制造的过程中，会受到焊接变形、加工误差、人员技术水平差异等各种因素的制约，要实现模块化制造，需要减少不确定因素的影响，增加定性环节和模块化控制。

1）定向化制造模块化制造的优势是可从众多代加工企业中选择一家加工质量、加工成本和综合评估优秀的企业，定向的将大型机械设备的零部件委托给代加工企业，由一家企业专门制造一件或多件该企业可以做出的高质量的零部件，定向委托加工和供给产品，形成一个单一的产业加工链，减少中间二级委托间接费用，从而降低成本；实现定向代加工，做到持续订单供给，稳定加工产业链，保证供需平衡，集中委托制造任务于一家企业，实行可持续性加工，有利于促进生产企业的主观积极性，从而能够提高加工制造质量。

2）变量化工装系统和工艺系统打造一套可调节的变量工装系统对于大型机械设备的制造至关重要，针对大型机械设备的特点，需要制作对应的工装夹具，实行刚性定位，减少焊接变形和定位偏差；工装系用于大型零部件加工制造的工装，应设置为可调节形式，可用于多种尺寸的加工工况，做到基本尺寸固定，可调尺寸变量化，使用统一的定位基准，提高加工精度；将工装打造成为模具式工具，降低加工成工出来的零部件也就具有互换性和同级性。变量化工装之所以称为变量，因为该工装可以根据需要加工制造的设备部件的外形尺寸不同而进行调节，因地制宜，制作固定支架，可调节部分采用液压系统控制，通过调节液压油缸的伸缩调节工装夹具的位置，可实现精确定位和可靠的夹紧固定，使大型机械设备的箱梁在焊接之前，可将钢板精确定位固定，从而减少焊接装配误差，提高制造效率。相对于一家能够制造出高质量产品的企业而言，应具备一套先进的加工工艺系统，通过融合可利用的历史经验和现有的成熟工艺，制定出能用于模块化制造的工艺系统，转变传统的制造理念，实现模块化制造必定事半功倍。

3）智能化机具应用随着科学技术的快速发展，智能设备也是日新月异，有许多智能化机具可用于大型机械设备制造，利用自动化控制和智能加工的先进性和精确性，提高加工制造精度和质量。例如自动焊接机器人、智能检测和测量设备等，结合工装系统，使用自动焊接机器人或先进的焊接设备，充分利用科学的焊接工艺，完成大型机械设备的长焊缝和复杂焊缝；使用激光准直仪检测焊接钢板的直线度和垂直度，利用光学检测仪器检测焊缝质量，结合超声波和传统的检测手段和先进的检测仪器，提高焊接质量和精度。应根据实际加工情况，选择适用的先进机具，为高精度和高质量的模块化制造服务。

5 结语随着经济与科技的发展全球化，模块化制造不仅形成了众多企业各自的核心竞争力，而且促进了各企业间的相互合作，各模块化生产商与模块化零件集成商之间形成了相互依存的产业链，在生产制造的生态圈内会形成一种良好的竞争与相互支持的环境，有利于经济的健康发展。纵观我国互联网、电子商业和轻工业巨头，无一例外地采取了模块化制造系统和模块化管理理念，足以说明模块化制造的方向是正确的。因此，在大型机械设备制造方面，也应不断地进行探索和研究，积累经验，通过变量化工装系统和科学的制造工艺及先进的工机具的有效结合，从而逐步实现模块化制造。