機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)策略

王曉兵

摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的不斷完善，我國(guó)的機(jī)械制造行業(yè)也得到了迅速的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品在人們的工作生活中也得以普及。面對(duì)市場(chǎng)的巨大需求，如何進(jìn)一步提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性以及產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與效率也成為現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)的重要研究任務(wù)。而模塊化設(shè)計(jì)里面的出現(xiàn)真正賦予了產(chǎn)品多元化特征，多種互換模塊部件的組合生產(chǎn)更是極大的滿足了客戶的多樣性需求，使得零件以及接口的標(biāo)準(zhǔn)化程度得到了提高，從而為現(xiàn)代制造行業(yè)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。基于此，本文就機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品;模塊化設(shè)計(jì);策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0194-02

0 ?引言

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造是現(xiàn)代制造行業(yè)的重要內(nèi)容，尤其是機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作直接關(guān)系到后續(xù)的制造環(huán)節(jié)，因此必須要借助模塊化設(shè)計(jì)方式來(lái)優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，以便解決好決產(chǎn)品品種以及設(shè)計(jì)制造周期的矛盾問(wèn)題，同時(shí)也能緩解成本之間的矛盾，在保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與效率的基礎(chǔ)上最大程度上降低企業(yè)的生產(chǎn)成本以及后續(xù)產(chǎn)品的維修成本等。

1 ?機(jī)械產(chǎn)品模塊化

機(jī)械產(chǎn)品模塊化具有以下特點(diǎn)：一是可分性，即外部可分和內(nèi)部可分，其中外部可分性能夠?qū)⒛K化的層次性充分的展現(xiàn)出來(lái)，而內(nèi)部可分性展現(xiàn)的則是產(chǎn)品的價(jià)值;二是可變性，即外部可變性和內(nèi)部可變性，其中內(nèi)部可變性是產(chǎn)品在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)獲取特殊屬性不同子集，而外部可變性則為一些定制化的屬性;三是功能性，即機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)能夠達(dá)到某種產(chǎn)品的功能要求;四是整體性，即一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品是由每個(gè)不同的子模塊和和功能性不同的子系統(tǒng)組成的一個(gè)完整系統(tǒng);五是關(guān)聯(lián)性，即子模塊和子系統(tǒng)，個(gè)體之間有著一定的關(guān)聯(lián)性，不僅是互補(bǔ)的作用，同時(shí)也是相互限制的關(guān)系。除此以外，還需要考慮模塊化平臺(tái)的適應(yīng)性，模塊化平臺(tái)的構(gòu)建過(guò)程中需要考慮功能模型以及理想模型和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型的建立。通過(guò)上述也可以明確模塊化產(chǎn)品在生產(chǎn)中也需要經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程才得以實(shí)現(xiàn)。

2 ?模塊化產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)分析

2.1 模塊化結(jié)構(gòu)具有互換性 ?互換性是機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中最重要的要求之一，互換性高的機(jī)械產(chǎn)品在日后的維護(hù)工作中也更簡(jiǎn)單，不僅簡(jiǎn)化維修程序，還降低了維修成本。在模塊化設(shè)計(jì)方式的支持下，機(jī)械產(chǎn)品的互換性程度大大提高，一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品發(fā)生故障，就可以直接將故障部位替換下來(lái)，不需要考慮其是否適用的問(wèn)題，而且各個(gè)模塊之間可以靈活拆卸，各類(lèi)故障的解決都比較簡(jiǎn)單、快速，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)影響不大，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也不會(huì)受到較大的影響。

2.2 適用于大批量加工 ?在機(jī)械產(chǎn)品的加工過(guò)程中，每個(gè)模塊在設(shè)計(jì)和加工時(shí)其功能就已經(jīng)被確定下來(lái)，并且分別可以實(shí)現(xiàn)某些特定功能，通過(guò)專(zhuān)業(yè)人員的試制并確認(rèn)無(wú)誤后就可以進(jìn)入到大批量生產(chǎn)中。在試制過(guò)程中，還可以根據(jù)具體的要求來(lái)優(yōu)化模塊化產(chǎn)品，確保其功能、結(jié)構(gòu)等滿足實(shí)際要求?？梢哉f(shuō)在模塊化設(shè)計(jì)的支持下，大批量加工大大減少了返工的概率，每個(gè)產(chǎn)品的精度也得以保證。

2.3 為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供可能 ?當(dāng)前的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境比較激烈，其對(duì)產(chǎn)品的需求除了基本的功能以外也對(duì)創(chuàng)新有了較高的要求，而產(chǎn)品創(chuàng)新能力也成為一個(gè)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)之一，只有產(chǎn)品新穎、功能優(yōu)化、質(zhì)量?jī)?yōu)良的產(chǎn)品才能夠在市場(chǎng)海量的產(chǎn)品中占據(jù)一席之地，因此傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法已經(jīng)無(wú)法使用當(dāng)前的產(chǎn)品生產(chǎn)工作，必須要采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，其能夠在充分分析產(chǎn)品功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)其每一個(gè)部件都進(jìn)行優(yōu)化，并剔除多余的部件，優(yōu)化生產(chǎn)工序，在該設(shè)計(jì)方式下生產(chǎn)的產(chǎn)品，其功能和質(zhì)量都得到了保證，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)良。

2.4 減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期 ?一個(gè)完整的機(jī)械產(chǎn)品需要大量的零件和結(jié)構(gòu)的組合才能夠完成，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)可以按照其實(shí)際需要進(jìn)行精準(zhǔn)性的生產(chǎn)，即使是在機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或性能進(jìn)行更新的時(shí)候僅需要修改某一結(jié)構(gòu)的內(nèi)容即可，避免導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品失效，因此可以減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期，降低企業(yè)購(gòu)置設(shè)備的成本。

2.5 簡(jiǎn)化包裝設(shè)計(jì) ?簡(jiǎn)化包裝設(shè)計(jì)也是模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)之一，傳統(tǒng)的包裝設(shè)計(jì)工作比較復(fù)雜，通常需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員綜合分析設(shè)備外形特點(diǎn)，根據(jù)其幾何特征進(jìn)行外包裝的設(shè)計(jì)，不僅需要保證運(yùn)輸安全。還需要盡可能的縮小包裝，確?？臻g的合理利用，但是由于機(jī)械產(chǎn)品的不同導(dǎo)致這一要求比較難以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)也可以降低包裝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的難度，而且進(jìn)行模塊劃分的產(chǎn)品所要進(jìn)行的包裝工作難度也大大下降。

3 ?機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)策略

通常認(rèn)為，模塊化設(shè)計(jì)是在不同規(guī)格產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，劃分出一套具備不同功能特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模塊，并讓這些模塊得以通用化。通過(guò)多個(gè)模塊的不同組合也能夠最大程度上滿足產(chǎn)品多元化的需要，并使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及性能更加的協(xié)調(diào)。具體來(lái)說(shuō)，機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)策略如下：

3.1 模塊化可行性分析 ?在進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)工作之前首先就需要對(duì)其可行性進(jìn)行分析，具體是結(jié)合產(chǎn)品的功能、生產(chǎn)需求、市場(chǎng)要求等各個(gè)因素分析此次設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)、開(kāi)發(fā)周期、預(yù)算等方面，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，制定科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，繼而對(duì)此次模塊化設(shè)計(jì)的生產(chǎn)效益等進(jìn)行有效的評(píng)估，確保此次設(shè)計(jì)過(guò)程的科學(xué)、高效。

3.2 模塊劃分 ?模塊劃分工作是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，也是模塊化設(shè)計(jì)的前提條件。在模塊化設(shè)計(jì)中，模塊劃分需要滿足以下條件，即運(yùn)用更少的模塊來(lái)完成功能性更多、更加完備的產(chǎn)品，并且需要保證所生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠最大程度上滿足機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和精度需求。目前，模塊的劃分主要包括功能模塊和結(jié)構(gòu)模塊兩大類(lèi)，其中功能模塊主要由基本模塊、輔助模塊、特殊模塊等組成，結(jié)構(gòu)模塊以產(chǎn)品零件為基礎(chǔ)劃分標(biāo)準(zhǔn)模塊，要求簡(jiǎn)化零件加工步驟，提高裝配質(zhì)量。通過(guò)上述劃分方法，可以有效的確保模塊劃分的可行性，滿足適用性、繼承性等各個(gè)指標(biāo)。如果是在較為復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中還可以結(jié)合多種劃分手法來(lái)完成模塊劃分工作。

3.3 重點(diǎn)關(guān)注功能分解的設(shè)計(jì)方式 ?功能分解設(shè)計(jì)方式在實(shí)際應(yīng)用中主要就是結(jié)合客戶的要求、產(chǎn)品功能性需求等方面以及產(chǎn)品本身的概念拆分、集成等層面進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，其強(qiáng)調(diào)的是客戶的主體作用，以滿足客戶的實(shí)際需要為基本要求。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)與客戶的共同交流，尋求客戶的建議，確保產(chǎn)品功能、質(zhì)量等方面滿足客戶的實(shí)際要求。

3.4 將結(jié)構(gòu)特征作為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方式 ?以機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征為主要依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作能夠最大程度上保證機(jī)械產(chǎn)品的功能性、產(chǎn)品精度保持優(yōu)良水準(zhǔn)，因此在機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中也比較常見(jiàn)。在該設(shè)計(jì)方式的應(yīng)用過(guò)程中，需要相關(guān)技術(shù)人員詳細(xì)分析機(jī)械產(chǎn)品零件的具體特點(diǎn)，在滿足其功能性需要的基礎(chǔ)上盡可能的利用較少零件來(lái)制作產(chǎn)品，不僅可以降低成本的支出，還能夠降低復(fù)雜工藝的整體占比，提高機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。然后按照幾何形狀來(lái)尋找與其類(lèi)似的零件，在明確零件的規(guī)格需要和功能性需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模塊的設(shè)計(jì)，不斷提高模塊化的機(jī)械產(chǎn)品的適應(yīng)能力以及應(yīng)用范圍。除此以外，在模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中也需要重視起模型的應(yīng)用，通過(guò)按照產(chǎn)品規(guī)格以及功能要求所構(gòu)建起的模型能夠降低施工工序，實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，同時(shí)還能夠保證生產(chǎn)產(chǎn)品的精度。

3.5 案例分析：汽車(chē)裝配工藝模塊化設(shè)計(jì) ?①裝配中的前端模塊設(shè)計(jì)。前端模塊的設(shè)計(jì)中主要就是要確保其中的前端框架、散熱器、前保險(xiǎn)杠、進(jìn)出水管等裝配科學(xué)，以便提高起著的裝配質(zhì)量。目前來(lái)看，傳統(tǒng)的汽車(chē)前端設(shè)計(jì)采用的是近似于框架式的結(jié)構(gòu)，并且利用焊接連接的方式將不同的構(gòu)件連接起來(lái)，這一方式使得裝配成本大大提高，也不利于提高汽車(chē)的裝配質(zhì)量?；诖耍ㄟ^(guò)汽車(chē)前端模塊設(shè)計(jì)的有效使用并利用開(kāi)口結(jié)構(gòu)作為前端設(shè)計(jì)方式可以采用一體化的形式將汽車(chē)前端模塊置于車(chē)身上，不僅可以為散熱器、前機(jī)蓋鎖等提供裝配空間，還能降低維修成本。②裝配中的車(chē)門(mén)模塊化工藝設(shè)計(jì)。加強(qiáng)車(chē)門(mén)模塊化裝配設(shè)計(jì)可以有效避免汽車(chē)使用中車(chē)身被劃傷的同時(shí)提高整體的裝配質(zhì)量，延長(zhǎng)汽車(chē)的使用壽命在車(chē)門(mén)模塊化工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也需要考慮車(chē)門(mén)拆裝及后期維修方面的各種要求，確保所有線束之間連接的規(guī)范合理性。

4 ?現(xiàn)代設(shè)計(jì)背景下模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

在現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，CAD、CAE以及CAM等技術(shù)的應(yīng)用越加普遍，其能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能分析工作，進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，使得產(chǎn)品質(zhì)量大大提高，而在機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)工作中，上述先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用也能夠迅速的完成設(shè)計(jì)工作，提高產(chǎn)品精度，因此在現(xiàn)代設(shè)計(jì)背景下，模塊化設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展也更加先進(jìn)。

4.1 大規(guī)模定制 ?在企業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，其會(huì)考慮到顧客的要求利用生產(chǎn)技術(shù)和管理方法在同一時(shí)間段內(nèi)集中生產(chǎn)大量的同一規(guī)格要求的產(chǎn)品，這種大規(guī)模的定制可以更好的參與到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)節(jié)中，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，但是目前不少企業(yè)由于規(guī)模、技術(shù)、設(shè)備等方面的限制，在這種大規(guī)模定制的過(guò)程中還存在生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高等方面的問(wèn)題。而在模塊化設(shè)計(jì)理念的支持下，可以通過(guò)可續(xù)的模塊劃分以及設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)期間可以有效保證其生產(chǎn)精度與生產(chǎn)效率，并且解決了機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)繁瑣、功能復(fù)雜等問(wèn)題。

4.2 快速設(shè)計(jì) ?快速設(shè)計(jì)理念的出現(xiàn)使得市場(chǎng)的需求得到了滿足，產(chǎn)品投入的時(shí)間大大縮短，在該理念的支持下，產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率也得到了保障。模塊化設(shè)計(jì)方式的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其在實(shí)際應(yīng)用中可以將各個(gè)功能模塊提前設(shè)計(jì)好，實(shí)際生產(chǎn)中只需要按照客戶的需求進(jìn)行組合連接即可，然后就可以投入到生產(chǎn)之中，完成快速設(shè)計(jì)、快速生產(chǎn)的目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，快速設(shè)計(jì)在我國(guó)企業(yè)的生產(chǎn)中也越來(lái)越常見(jiàn)，但是其智能化設(shè)計(jì)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，需要相關(guān)研究人員能夠加大開(kāi)發(fā)力度，深入挖掘計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步促進(jìn)快速設(shè)計(jì)生產(chǎn)理念的普及應(yīng)用。

4.3 與虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造技術(shù)相結(jié)合 ?在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，借助于計(jì)算機(jī)，可以在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品的模型設(shè)計(jì)，并利用CAE和CAM技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，然后經(jīng)過(guò)仿真模擬來(lái)發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計(jì)問(wèn)題或者生產(chǎn)問(wèn)題，這樣就可以規(guī)避其在實(shí)際生產(chǎn)中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，減少零件的損壞、返工等問(wèn)題，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)還能夠減少材料的浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。

5 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的普及應(yīng)用有力的推動(dòng)了現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率，而機(jī)械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)更是提高了產(chǎn)品的精度與效率，利用基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)方法和側(cè)重功能分解的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)工作也是行業(yè)進(jìn)步的表現(xiàn)之一。隨著先進(jìn)信息技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程中也應(yīng)當(dāng)融合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方式，從而提高模塊化設(shè)計(jì)的技術(shù)水平。

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