工程机械属具：模块化设计与应用实践

徐州鑫科机器人有限公司产品研发中心  刘滋栋

摘要：针对传统工程机械属具设计周期长、通用性差、维护成本高、难以适配多场景作业需求的痛点，本文提出一种工程机械属具模块化设计方法，明确设计原则、拆解设计流程、突破关键技术，结合工程实际应用案例验证该方法的可行性与优越性。通过将属具拆解为标准化、通用化、系列化的功能模块，实现模块的快速组合、替换与升级，缩短设计与生产周期，降低研发与维护成本，提升属具的适配性与复用性，为工程机械属具的高效设计与产业化应用提供理论支撑和实践参考。

关键词：工程机械属具；模块化设计；功能拆解；标准化；应用实践

引言

工程机械属具是实现作业功能的核心执行部件，广泛应用于制造、建筑、物流、工程机械等领域，其性能直接影响设备效率、精度与适用范围。在工业 4.0 背景下，工程机械向柔性化、智能化、多场景适配发展，对属具提出了更高设计要求。

传统属具多采用整体式专用设计，结构、接口与功能相互独立，难以复用，存在研发周期长、成本高、通用性差、维护不便、升级困难等问题，无法满足柔性生产与多场景作业需求。

模块化设计通过功能独立、接口统一的模块组合实现产品多样化，具备通用化、系列化、标准化优势。将其应用于工程机械属具，可有效解决传统设计痛点。本文系统研究属具模块化设计方法与关键技术，结合实例验证其有效性，为属具设计升级与产业化应用提供支撑。

机械属具模块化设计流程

工程机械属具的模块化设计需遵循“需求分析—功能拆解—模块划分—模块设计—接口设计—模块组合与仿真—样机试制与验证”的完整流程，每个环节相互衔接、层层递进，确保设计出的模块化属具能够满足作业需求、性能可靠、适配性强，具体流程如下：

模块划分

模块划分是模块化设计的核心环节，需基于功能拆解结果，将独立的子功能单元整合为功能模块，明确各模块的范围、结构与功能，确保模块符合设计原则[9]。模块划分需遵循“功能对应、粒度合理、接口清晰”的要求，每个模块对应一组相互关联的子功能，确保模块功能独立、结构完整；同时，结合属具的结构特性与生产工艺，合理确定模块粒度，兼顾模块的复用性与装配效率。例如，根据抓取类属具的功能拆解结果，可划分出5个核心模块：连接模块（对应连接功能）、抓取模块（对应抓取功能的各级子功能）、驱动模块（对应驱动功能）、控制模块（对应控制功能）、防护模块（对应防护功能）。

模块划分过程中，需重点考虑模块的通用化与系列化，对于通用性强的子功能单元，整合为通用模块（如连接模块、控制模块），可适配多种型号的属具；对于差异化需求明显的子功能单元，整合为专用模块（如不同尺寸的抓取模块、不同功率的驱动模块），形成系列化模块，满足不同作业场景的需求。同时，需梳理各模块之间的关联关系，明确模块的输入与输出参数，为后续接口设计奠定基础[4]。

抓取类工程机械属具的模块划分示意图如下，清晰呈现各模块的组成及关联关系：

图1 抓取类工程机械属具模块划分示意图

连接模块(通用)：法兰连接部件、定位销组件

抓取模块(系列化)：夹持部件、定位部件、缓冲部件

驱动模块(系列化)：液压动力单元、速度调节部件

控制模块(通用)：信号采集单元、指令执行单元、故障诊断单元

防护模块(通用)：防尘部件、防冲击部件

各模块功能独立、接口统一，可快速组合与替换，实现属具通用化、系列化设计。

模块设计

模块设计是根据模块划分结果，对每个模块进行具体的结构设计、材料选择、性能设计与工艺设计，确保模块的性能满足需求、结构合理、便于生产与维护[1]。模块设计需遵循设计原则，结合属具的作业负载、运动精度等性能指标，开展以下工作：一是结构设计，采用三维建模软件（如SolidWorks、UG）设计模块的具体结构，优化模块的受力情况，避免应力集中，确保模块的强度、刚度与稳定性；二是材料选择，根据模块的功能与作业环境，选择合适的材料（如碳钢、合金钢、铝合金、工程塑料等），兼顾材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性与经济性，例如，抓取模块的夹持部件可选择耐磨性强的合金钢，防护模块可选择轻质、耐腐蚀的工程塑料；三是性能设计，针对模块的核心功能，设计相应的性能参数，例如，驱动模块需设计功率、传动比、响应速度等参数，控制模块需设计控制精度、信号响应时间等参数；四是工艺设计，结合模块的结构特点，选择合适的生产工艺（如铸造、锻造、机械加工、3D打印等），优化工艺路线，降低生产成本，提高生产效率，例如，复杂结构的模块可采用3D打印工艺，批量生产的模块可采用机械加工工艺[3]。

同时，模块设计过程中需考虑模块的可维护性与可扩展性，设计便于拆卸、安装的结构，预留升级接口，确保模块能够快速检修与功能升级。例如，在驱动模块中设计可拆卸的检修盖板，便于内部部件的检修与替换；在控制模块中预留传感器接口，可后续增加检测功能[7]。

接口设计

接口设计是实现模块可组合、可替换的关键，需根据模块划分结果，统一各模块之间、模块与工程机械主体之间的接口规格，确保接口的通用性、可靠性与兼容性[6]。接口设计主要包括机械接口设计、动力接口设计与控制接口设计三个方面：一是机械接口设计，明确接口的结构形式（如法兰连接、螺栓连接、销连接等）、尺寸参数（如法兰直径、螺栓孔位置与数量、销的规格等），确保模块之间、模块与主体之间连接牢固、定位精准，同时便于拆卸与安装；二是动力接口设计，统一动力传输的方式（如液压传动、气动传动、电动传动）与参数（如液压压力、气动流量、电机功率等），确保动力能够稳定传输，各模块的动力需求得到满足；三是控制接口设计，统一控制信号的类型（如模拟信号、数字信号）、接口协议（如RS485、CAN总线），确保控制信号能够顺畅传输，实现各模块的协同工作。

样机试制与验证

样机试制与验证是模块化设计落地的最后环节，需根据仿真优化后的设计方案，试制模块化属具的样机，并通过实验验证样机的性能、可靠性与适配性，确保设计方案的可行性[2]。首先，按照模块的设计图纸，试制各功能模块，采用标准化的生产工艺，确保模块的尺寸精度、性能参数符合设计要求；其次，按照接口标准，将各模块组装为完整的模块化属具样机，检查模块之间的连接可靠性、接口密封性与协同工作性能；最后，开展样机实验，包括性能实验（测试属具的负载能力、运动精度、响应速度等参数）、可靠性实验（模拟长期作业场景，测试属具的使用寿命、故障频率等）、适配性实验（测试属具与不同型号工程机械的适配情况、模块的替换效率等）。

根据实验结果，进一步优化模块的结构、接口与性能，解决试制与实验过程中出现的问题（如接口松动、模块协同性差、性能不达标等），直至样机的各项指标满足需求分析报告的要求。样机试制与验证完成后，形成模块化属具的设计规范、生产工艺规范与使用说明书，为后续批量生产与产业化应用提供支撑[3]。

应用实践案例

为验证本文提出的工程机械属具模块化设计方法的可行性与优越性，以某工程机械企业的抓取类工程机械属具为研究对象，开展模块化设计与应用实践，具体如下：

模块化设计实施过程

按照本文提出的设计流程，开展抓取类属具的模块化设计：

（1）需求分析：明确属具的应用场景为制造业物料抓取、物流分拣，作业负载范围5-20t，运动精度±0.5mm，响应速度≤0.3s，适配3种型号的装载机、2种型号的挖掘机，设计周期控制在1-2个月，研发成本降低20%以上，维护周期延长至6个月以上。

（2）功能拆解：将抓取类属具的整体功能（精准抓取并搬运物料），拆解为一级子功能：连接功能、抓取功能、驱动功能、控制功能、防护功能；进一步将抓取功能拆解为夹持功能、定位功能、缓冲功能，驱动功能拆解为动力输出功能、速度调节功能，控制功能拆解为信号采集功能、指令执行功能、故障诊断功能[5]。

（3）模块划分：基于功能拆解结果，结合“功能-结构-工艺”一体化划分方法，划分出5个核心模块：连接模块（对应连接功能）、抓取模块（对应夹持、定位、缓冲功能）、驱动模块（对应动力输出、速度调节功能）、控制模块（对应信号采集、指令执行、故障诊断功能）、防护模块（对应防护功能）[4]。其中，连接模块、控制模块、防护模块为通用模块，抓取模块、驱动模块为系列化专用模块（抓取模块分为5t、10t、15t、20t四个规格，驱动模块分为5kW、10kW、15kW、20kW四个规格）。

（4）模块组合与仿真：根据不同的作业负载与适配机型，组合不同规格的模块，形成4种型号的抓取属具；采用ANSYS 2023R1、ADAMS 2022开展协同仿真，优化模块结构与接口参数[8]，具体仿真参数设置如下（严格匹配案例负载、功率规格）：结构强度仿真采用Solid186实体单元，网格划分尺寸设置为5-8mm，边界条件约束连接模块法兰端面（固定位移与转动），加载方式按照作业负载的1.2倍进行静载加载（与案例抓取模块4个规格完全匹配：5t规格加载6t、10t规格加载12t、15t规格加载18t、20t规格加载24t），仿真步长0.01s，迭代次数500次，许用应力设置为180MPa；运动学仿真设置仿真时长10s，步长0.005s，约束驱动模块液压油输入流量（与案例驱动模块4个功率规格精准匹配：5kW规格15L/min、10kW规格25L/min、15kW规格35L/min、20kW规格45L/min），液压油压力设定为16-20MPa，抓取模块夹持速度设定为0.15-0.2m/s，定位误差阈值±0.3mm；动力学仿真添加重力载荷（9.8m/s²）、摩擦系数（模块接触面0.12，夹持面0.25），模拟实际作业中的启停冲击载荷（冲击系数1.3），监测接口处最大应力与位移。仿真结果显示，4种型号属具的结构最大应力均小于165MPa（小于许用应力），最大变形量≤0.2mm，运动精度±0.35mm（优于案例需求分析中±0.5mm的要求），响应速度0.22-0.28s（满足案例需求分析中≤0.3s的要求），结构强度完全满足负载需求，模块间协同运动无干涉，接口受力均匀。

为清晰呈现4种型号抓取属具的仿真参数与结果对比，如下表所示：

属具型号	抓取模块规格	驱动模块规格	静载加载（t）	液压油流量（L/min）	最大应力（MPa）	运动精度（mm）	响应速度（s）
型号1	5t	5kW	6	15	142	±0.32	0.26
型号2	10t	10kW	12	25	151	±0.34	0.25
型号3	15t	15kW	18	35	158	±0.35	0.28
型号4	20t	20kW	24	45	162	±0.33	0.27

表（1） 4种型号抓取属具仿真参数与结果对比表

（6）样机试制与验证：试制4种型号的属具样机，开展性能实验、可靠性实验与适配性实验[3]，实验结果显示，样机的负载能力、运动精度、响应速度均符合设计指标，可适配5种型号的工程机械，模块替换效率≤5min，维护周期延长至8个月，设计周期缩短至1.5个月，研发成本降低25%。

结论

本文针对传统工程机械属具整体式设计的弊端，基于模块化设计理念，系统研究了工程机械属具的模块化设计方法，得出以下结论：

（1）工程机械属具的模块化设计需遵循“功能独立、接口标准、通用化、系列化、性能匹配”的核心原则，确保模块的可复用性、可组合性与可扩展性，兼顾设计效率、产品性能与使用成本。

（2）提出了“需求分析—功能拆解—模块划分—模块设计—接口设计—模块组合与仿真—样机试制与验证”的完整设计流程，各环节相互衔接、层层递进，能够确保模块化设计的科学性与可行性[5]。

（3）模块划分、接口标准化、模块协同控制、模块化仿真优化是模块化设计的关键技术，采用“功能-结构-工艺”一体化划分方法、“机械-动力-控制”三位一体接口标准体系、分布式协同控制架构与多软件协同仿真优化方法，可有效提升模块化设计的效果与属具的性能[4]。

（4）应用实践案例表明，模块化设计方法能够显著缩短工程机械属具的设计与生产周期，提升属具的通用性、适配性与可靠性，降低研发、生产与维护成本，具有良好的实用性与推广价值，能够满足工程机械柔性化、多场景适配的发展需求[2]。

展望

随着工业4.0、智能化制造技术的不断发展，工程机械属具的模块化设计将向智能化、轻量化、绿色化方向进一步发展，未来可重点开展以下研究工作：

（1）智能化模块化设计：将传感器、物联网、人工智能等技术融入模块设计，开发智能模块（如智能抓取模块、智能控制模块），实现属具的实时状态监测、故障预警、自主调节与智能适配，提升属具的智能化水平[7]。

（2）轻量化模块化设计：采用轻质高强度材料（如碳纤维复合材料）与拓扑优化技术，优化模块的结构设计，降低模块的重量，减少工程机械的能耗，提升作业效率，同时兼顾模块的强度与可靠性[1]。

（3）绿色模块化设计：遵循绿色制造理念，选择环保、可回收的材料，优化生产工艺，减少环境污染；设计可拆解、可回收的模块结构，提升模块的回收利用率，降低全生命周期的环境影响，实现属具的绿色发展[3]。

（4）跨领域模块化融合：加强工程机械属具与机器人、自动化生产线的模块化融合，设计标准化、通用化的接口与模块，实现属具与自动化设备的无缝对接，提升生产线的柔性化与自动化水平，适应智能制造的发展趋势[9]。

参考文献

[1] 机械设计手册编委会. 机械设计手册（第六版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 2020.

[2]郑晓伟.模块化设计在包装机械设计中的应用研究[J].造纸装备及材料,2023,52(1):14-16.

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[4] 鲍宏, 王政, 陶璟, 等. 面向重用与装配复杂度均衡性的机电产品非合作博弈模块化设计方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(5): 285-296.

[5]蔡敏,胡善刚,陈丽娜,等.基于模块化方法的复杂机械产品变型设计[J].机械设计,2013,30(4):24-28.

[6] 中华人民共和国国家标准. GB/T 9119-2010 板式平焊法兰[S]. 北京: 中国标准出版社, 2010.

[7] 金鑫,李国喜,龚京忠,等.机械产品参数驱动模块化设计技术研究[C]//计算机集成制造系统编辑部.2014年第三届全国现代制造集成技术学术会议论文集.中国陕西省西安市,2014:1-13.

[8]蔡道涛,谢劲松,张桂林.多模块协同仿真的翼型优化设计研究[J].机械研究与应用,2013,26(4):49-51.

[9] 赵京,张晓丹,张自强,等.模块化机械装备及其设计方法研究综述[J].华中科技大学学报（自然科学版）,2021,49(10):19-29.DOI:10.13245/j.hust.211004.

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