模塊化設(shè)計方法及其在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用分析

徐建強(qiáng)

摘要：為了探究模塊化設(shè)計方法的應(yīng)用，筆者以機(jī)械設(shè)計為例，首先分析模塊化設(shè)計的基本內(nèi)涵，闡明該種方法的特點和優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)：模塊化設(shè)計可以提升機(jī)械產(chǎn)品的互換性程度，簡化維修程序，降低購置設(shè)備成本，更能突出產(chǎn)品功能特點。因此在今后工作中，設(shè)計人員應(yīng)該明確機(jī)械設(shè)計理念，結(jié)合新時期企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計新要求，實現(xiàn)制造升級，合理選擇機(jī)械設(shè)計分析方法。

關(guān)鍵字：機(jī)械設(shè)計;模塊化設(shè)計;特點;優(yōu)勢;應(yīng)用

在信息技術(shù)高速發(fā)展背景下，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計方式已經(jīng)不能滿足社會生產(chǎn)所需，為了提升設(shè)計效率，優(yōu)化機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，技術(shù)人員就應(yīng)該利用新型設(shè)計模式，立足產(chǎn)品個性化需求，豐富產(chǎn)品功能，選擇合適的模塊數(shù)量和模塊排布形式，緩解設(shè)計制造周期與設(shè)計類型之間的矛盾問題，確保系統(tǒng)升級，縮短設(shè)計周期，提升生產(chǎn)時效性。

一、模塊化設(shè)計的基本內(nèi)涵

模塊化設(shè)計指在機(jī)械生產(chǎn)和制造過程中，基于產(chǎn)品定位和性能要求，將不同的功能單元連接起來的創(chuàng)新型設(shè)計模式[1]。在選擇了規(guī)格、參數(shù)合理的部件之后，技術(shù)人員以產(chǎn)品功能作為設(shè)計基礎(chǔ)，后續(xù)為不同模塊預(yù)留改造空間，確保其他零部件可繼續(xù)使用，即使模塊發(fā)生損壞，也不會影響機(jī)械產(chǎn)品整體應(yīng)用效能，只需要更換受損模塊即可。比如在新型模塊化機(jī)械臂設(shè)計中（圖1所示），首先研制模塊化關(guān)節(jié)，之后通過合理選型，根據(jù)高減速比、大力矩輸出、關(guān)節(jié)誤差、攝動法原理等，分析機(jī)械臂末端與關(guān)節(jié)誤差之間的關(guān)系，可以規(guī)劃多自由度的機(jī)械臂路徑。

二、模塊化機(jī)械設(shè)計的特點和優(yōu)勢

從模塊化機(jī)械設(shè)計的基本概念中，我們可以看出模塊化設(shè)計具有可變性、可分性、功能性、關(guān)聯(lián)性和有機(jī)性的特點[2]。其中，可變性主要體現(xiàn)在內(nèi)部和外部這兩個方面，可以獲取特殊屬性不同子集，同時也可以對屬性進(jìn)行定制化;可分性就是指內(nèi)外部具有層次性特點，且零部件之間可分;功能性就是指通過模塊化設(shè)計和組合，可以實現(xiàn)產(chǎn)品功能，達(dá)到用戶需求;關(guān)聯(lián)性就是指子系統(tǒng)之間是互補的關(guān)系，同時子模塊之間會相互牽制，子系統(tǒng)、子模塊之間可以構(gòu)建成一個有機(jī)整體模塊化產(chǎn)品，不僅可以簡化維修程序，同時也可以提升機(jī)械產(chǎn)品的互換性程度，各個模塊之間可以靈活拆卸。因此一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品故障，維修工作相對簡單，技術(shù)人員直接將故障部位替換下來，對企業(yè)的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益影響不大，適用于大批量加工，當(dāng)技術(shù)人員通過調(diào)試之后，就可以進(jìn)入到大批量生產(chǎn)，每個模塊在設(shè)計和加工時，其功能就已經(jīng)確定，在該種設(shè)計理念下，模塊化產(chǎn)品的精度得到保證，且減少了返工概率，提升企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新能力，在突出產(chǎn)品功能特點的同時使其品種新穎，質(zhì)量優(yōu)良，降低購置設(shè)備成本，確保包裝和運輸空間的合理利用。

三、模塊化設(shè)計和應(yīng)用方法——以機(jī)械產(chǎn)品為例

（一）設(shè)計方法

模塊化設(shè)計方式一般可以分為三類，分別是縱向模塊設(shè)計、橫向模塊設(shè)計、綜合類型設(shè)計[3]。通過縱向模塊設(shè)計方法，可以對不同的模塊進(jìn)行功能性設(shè)計，該種工藝方式對設(shè)計水平的要求較高，在產(chǎn)品不改變外觀形態(tài)的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品功能性能進(jìn)行優(yōu)化;橫向模塊設(shè)計更加適合關(guān)系層面的模塊排布，設(shè)計形式比較簡單，在選擇合適的模塊數(shù)量之后，就可以根據(jù)其功能性選擇進(jìn)行形態(tài)設(shè)計，可操作性強(qiáng)且難度較低;在特定情形下，機(jī)械產(chǎn)品可能出現(xiàn)跨形態(tài)、跨系別設(shè)計要求，因此，技術(shù)人員需要將橫、縱兩種設(shè)計模式相結(jié)合，在功能內(nèi)涵和物理形態(tài)方面實現(xiàn)升級，完成產(chǎn)品層面的革新，明確機(jī)械設(shè)計理念，結(jié)合新時期企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計新要求，實現(xiàn)制造升級，合理選擇機(jī)械設(shè)計分析方法，以用戶的實際需求為基礎(chǔ)，避免出現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用門檻過高現(xiàn)象，同時也應(yīng)該立足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計多層次特點，在設(shè)計過程中盡量做到簡潔，符合消費者的消費需求。

其次，合理劃分產(chǎn)品模塊，合理選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊化數(shù)量，細(xì)化模塊功能，利用橫向模塊設(shè)計辦法，確定不同功能模塊的連接形式，利用分層設(shè)計法，將產(chǎn)品功能落實到具體的模塊中，從而實現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空間優(yōu)化配置和利用，在設(shè)計具體物理結(jié)構(gòu)時，為滿足升級和更換要求，設(shè)計人員應(yīng)該及時關(guān)注市場環(huán)境變化，結(jié)合產(chǎn)品特性，預(yù)留模塊升級空間，結(jié)合模塊化結(jié)構(gòu)形式，將產(chǎn)品內(nèi)部的模塊進(jìn)行編碼，零件結(jié)構(gòu)集成程度越高，層次結(jié)構(gòu)越緊密，通過激光刻印技術(shù)編碼之后，各模塊之間距離更小，便于維修人員對模塊進(jìn)行維修和更換。其次為了編碼安全高效，技術(shù)人員在必要時應(yīng)該對模組進(jìn)行標(biāo)記，尤其是價格比較昂貴的塊組件，必須將編碼標(biāo)記在顯眼位置。最后，在裝配過程模塊設(shè)計時，設(shè)計人員需要結(jié)合模塊的實際物理形態(tài)，優(yōu)化模塊連接形式，提升模塊之間連接強(qiáng)度，結(jié)合電路板實際位置，控制產(chǎn)品功耗，在橫、縱之間獲得良好排布空間，在組裝過程中，設(shè)計人員對模塊物理形態(tài)進(jìn)行再設(shè)計，確保其符合結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度要求，合理選擇組件材料，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部組件之間的應(yīng)力應(yīng)變制約關(guān)系，提升結(jié)構(gòu)內(nèi)部組件的連接功能，其中應(yīng)力應(yīng)變測試選用專業(yè)測試儀，對機(jī)械關(guān)鍵模組的承載能力進(jìn)行測驗，分析組件之間的連接形式;最后選擇有效封裝形式，遵循防塵、防風(fēng)以及防水要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量和功能。

（二）應(yīng)用方法

模塊化設(shè)計方法如今可以被應(yīng)用到多種領(lǐng)域，筆者以數(shù)控車床機(jī)械設(shè)計為例，在立式數(shù)控車床中，在劃分模塊時，可以通過模塊化設(shè)計對各個區(qū)間的功能進(jìn)行分解，基于整體性分解原則，展現(xiàn)出模塊化設(shè)計的整體優(yōu)點，在具體操作中應(yīng)該注意到以下幾點：1.車削是數(shù)控車床主要功能，因此設(shè)計人員需要從車削旋轉(zhuǎn)面環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊化設(shè)計，按用戶需求，靈活調(diào)整模塊，也可以在溝槽中體現(xiàn)分解功能;2.基于準(zhǔn)確檢測功能，充分考量車床整體化，顧及數(shù)控車床的基礎(chǔ)功能。同時，也可以將模塊化設(shè)計應(yīng)用到立式數(shù)控機(jī)床中，了解既有機(jī)床的既有功能，劃分功能獨立的單元類型，秉持模塊化設(shè)計基礎(chǔ)原，確保分立式數(shù)控機(jī)床的特殊化功能可以便捷化搭配，并且充分發(fā)揮機(jī)械零部件的關(guān)鍵性功能，通過整體模塊，在規(guī)劃機(jī)床模塊之時融入新專業(yè)技術(shù)變更機(jī)械零部件，提升數(shù)控機(jī)床整體質(zhì)量，但是技術(shù)人員也應(yīng)該注意到應(yīng)該保留模塊化空間，穩(wěn)步提升模塊規(guī)劃工作效率，在信息技術(shù)、制造技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，為模塊化設(shè)計創(chuàng)新提供空間，最終確保機(jī)械性能安全穩(wěn)定。此外，在柔性生產(chǎn)中，硬性的設(shè)計與機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)不再滿足工作制造和消費者需要，傳統(tǒng)單一設(shè)計不適應(yīng)新市場發(fā)展需要，因此使用模塊化設(shè)計新方法，使用快捷、柔性、高效的技術(shù)，通過可變、靈活的設(shè)計工藝，形成系列各異的產(chǎn)品，基于通用模型并融入柔性生產(chǎn)技術(shù)，可以達(dá)到一機(jī)多用、一模多用的工作效果，在投入較少成本的前提下，縮短設(shè)計生產(chǎn)時間，滿足現(xiàn)實中生產(chǎn)需求。最后，在組件技術(shù)下也可以利用自動化技術(shù)，著眼于縱橫之間的集成，對機(jī)械設(shè)備水平進(jìn)行延伸，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化總線技術(shù)，提升機(jī)械設(shè)備質(zhì)量水平，比如設(shè)計人員可以根據(jù)高層模塊實際狀態(tài)，明確相關(guān)設(shè)計思路，使用各種組件，讓其在自動化技術(shù)中完整保留模塊的二元性，建立數(shù)學(xué)模型來補償誤差，結(jié)合開放式和集成式設(shè)計思路，提升加工模具的精確度，尤其在智能化機(jī)械作業(yè)中，可以降低加工失誤率，更好地提升多槽零件作業(yè)精準(zhǔn)度，最終提升模塊機(jī)械設(shè)計的使用價值，將虛擬設(shè)計與虛擬制造技術(shù)相結(jié)合，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，深入挖掘計算機(jī)輔助功能，最終降低生產(chǎn)成本。

結(jié)束語：綜上所述，模塊化設(shè)計可以提升模組之間產(chǎn)品功能，達(dá)到用戶需求，因此設(shè)計工作者應(yīng)該立足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計多層次特點，在設(shè)計過程中盡量做到簡潔，符合消費者的消費需求，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部組件之間的應(yīng)力應(yīng)變制約關(guān)系，提升結(jié)構(gòu)內(nèi)部組件的連接功能，基于整體性分解原則，展現(xiàn)出模塊化設(shè)計的整體優(yōu)點，通過可變、靈活的設(shè)計工藝，創(chuàng)造出系列各異的產(chǎn)品，最終達(dá)到一機(jī)多用、一模多用的工作效果。

參考文獻(xiàn)

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