機(jī)電結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

王淞磊

（中化工儲(chǔ)運(yùn)有限公司 山東萊州 261400）

機(jī)電結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

王淞磊

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機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展有賴于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，模塊化是其主要的發(fā)展方式之一。

機(jī)電結(jié)構(gòu)；模塊化設(shè)計(jì)

1 模塊化設(shè)計(jì)的概念及其意義

1.1 模塊化設(shè)計(jì)的概念

模塊化是以可完成獨(dú)立功能的模塊為基礎(chǔ)。具有通用化、系列化、組合化的特點(diǎn)，是可以解決復(fù)雜系統(tǒng)多樣化與功能多變要求的一種標(biāo)準(zhǔn)化形式。

模塊化設(shè)計(jì)（Modular Design，MD）是指模塊化設(shè)計(jì)是指在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求的設(shè)計(jì)方法。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)的意義

采用模塊化設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）有助于提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量；

（2）提高工作效率和節(jié)省生產(chǎn)周期；

（3）節(jié)約生產(chǎn)成本；

（4）有助于改進(jìn)企業(yè)管理。

2 模塊化設(shè)計(jì)的意義

基于上述模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，模塊化設(shè)計(jì)這一新的設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)方法迅速在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面解決品種、規(guī)格的多樣化與生產(chǎn)的專業(yè)化的矛盾；另一方面也為先進(jìn)的制造技術(shù)、提高設(shè)備的利用率創(chuàng)造必要的條件，實(shí)現(xiàn)以不同批量提供顧客滿意度的產(chǎn)品，進(jìn)而使企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣化和效益統(tǒng)一。

3 模塊化設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)與功能性分析

所謂模塊是指半自律性的子系統(tǒng)，通過和其他同樣的子系統(tǒng)按照一定的規(guī)則相互聯(lián)系而構(gòu)成更加復(fù)雜的系統(tǒng)或過程。與一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，模塊化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要難得多。模塊化是一種處理復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品或過程的新方法，一般包括模塊化設(shè)計(jì)、模塊化生產(chǎn)與模塊化消費(fèi)等，其中系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是整個(gè)模塊化的起點(diǎn)和難點(diǎn)。系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)者必須明確系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，定義模塊的含義，確定模塊的數(shù)量，各模塊的功能如何；確定模塊之間互相作用的共同界面；建立模塊功能和表現(xiàn)的評(píng)價(jià)體系。這就需要對(duì)系統(tǒng)有著深刻的理解，并且運(yùn)用系統(tǒng)的功能分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能性的分析分解。正如鮑德溫和克拉克所說，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者為了確定能使各模塊在遵循顯形界面規(guī)則的前提下發(fā)揮應(yīng)有的功能，必須精通面向機(jī)遇產(chǎn)品的定制生產(chǎn)過程的內(nèi)部作用?；谶@樣一種考慮，這里提出了一個(gè)面向機(jī)遇產(chǎn)品的供應(yīng)鏈實(shí)施框架，在這一構(gòu)架下定義定制功能模塊，設(shè)置模塊依存關(guān)系及集成方式，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈定制的集成化運(yùn)作。

4 機(jī)電模塊化設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用

4.1 市場(chǎng)調(diào)查與分析

在機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日已積累的情況下，為了使其以足夠多的功能和相對(duì)低廉的銷售價(jià)格推向市場(chǎng)，設(shè)計(jì)者付出了巨大的努力。通用型機(jī)電產(chǎn)品雖然能夠很好的滿足各類用戶的需求，但是由于功能過于齊全，使售價(jià)提高，用戶不得不為多余的功能承擔(dān)額外的費(fèi)用，成本的上升必然會(huì)削弱產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力；而專用型機(jī)電產(chǎn)品雖然具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但它限制了品種的變化，使應(yīng)用柔性下降。模塊化設(shè)計(jì)思想正式為解決上述矛盾而提出的，它靈活的配置使用戶在產(chǎn)品的功能、規(guī)格方面有更多的選擇余地，既能滿足用戶的要求，又盡可能不為多余的功能承擔(dān)額外費(fèi)用。如果把各部件的基本單元作為基礎(chǔ)，按不同功能、規(guī)格和價(jià)格設(shè)計(jì)成多種模塊，用戶可以按需要選擇最合理的功能模塊配置成整機(jī)。這不僅能降低設(shè)計(jì)和制造成本，而且能縮短設(shè)計(jì)和制造周期，最終贏得市場(chǎng)。目前，模塊化的概念已開始從功能模塊向全模塊化方向發(fā)展，它已不局限于功能的模塊化，而是擴(kuò)展到零件和原材料的模塊化。

4.2 確定模塊化設(shè)計(jì)類型、劃分模塊

只有少數(shù)方案用到的特殊功能，可有非模塊實(shí)現(xiàn)：若干部門功能相結(jié)合，可由一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)（對(duì)于調(diào)整功能尤其如此）。正確合理的模塊劃分將簡(jiǎn)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備的重構(gòu)頻率，提高模塊間的精度匹配，減少重構(gòu)操作的工作量，美化設(shè)備的外觀。另外，模塊的標(biāo)準(zhǔn)化也極其重要，唯有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，才便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不同廠家模塊的互換。按照模塊化設(shè)計(jì)的基本思路，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查和分析，并綜合制造和裝配等因素，將影響產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)描述，建立各模塊的模板。

4.3 編寫技術(shù)文件

由于模塊化設(shè)計(jì)建立的模塊常不直接與產(chǎn)品聯(lián)系，因此必須注意其技術(shù)文件的編制，才能將不同功能的模塊有機(jī)聯(lián)系起來，指導(dǎo)制造、檢查和使用。技術(shù)文件主要包括以下內(nèi)容：①編制模塊組合與配置各產(chǎn)品的關(guān)系表。其中應(yīng)包括全系列的模塊種類以及各產(chǎn)品使用的模塊種類和數(shù)量。②編制所有的產(chǎn)品的模塊組和模塊目錄表，標(biāo)明各產(chǎn)品和模塊組的組長(zhǎng)。③編制系列通用的制造與驗(yàn)收條件、合格證明書以及裝箱單。④編制模塊式的使用說明，以適應(yīng)不同產(chǎn)品、不同模塊的需要。

4.4 進(jìn)行產(chǎn)品功能分析

假設(shè)種類和規(guī)格過多，雖然市場(chǎng)應(yīng)變能力變強(qiáng)，有利于占領(lǐng)市場(chǎng)，但設(shè)計(jì)難度大，工作量大，反之，產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)變能力減弱，但設(shè)計(jì)容易，易于提高產(chǎn)品性能和針對(duì)性。所以應(yīng)合理確定模塊化設(shè)計(jì)所覆蓋的產(chǎn)品種類和規(guī)格，產(chǎn)品配置是快速設(shè)計(jì)階段的重要設(shè)計(jì)手段，它為銷售人員定制客戶的個(gè)性化需求提供選擇項(xiàng)。根據(jù)客戶選定的選項(xiàng)對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行定型，為客戶展示產(chǎn)品和提供價(jià)格。如果客戶滿意，它將生成生成部門使用的產(chǎn)品制造模型，反之，則為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)實(shí)例，使定制設(shè)計(jì)有了新的起點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置，產(chǎn)品開發(fā)階段應(yīng)考慮并滿足以下需求：①模塊、組件應(yīng)該具有參數(shù)化數(shù)字元模型。②模塊、組件的幾何約束，物理約束能夠得到保障。③模塊、組價(jià)之間的約束關(guān)系已經(jīng)確定，即變型時(shí)能確定受影響的零部件以及參數(shù)。

5 結(jié)束語

為了增強(qiáng)機(jī)電行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)水平，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究是目前緊迫的任務(wù)，而模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)電產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的必經(jīng)之路。

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1004-7344（2016）36-0312-01

2016-11-9