徐建強(qiáng)

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

關(guān)鍵字：機(jī)械設(shè)計(jì);模塊化設(shè)計(jì);特點(diǎn);優(yōu)勢(shì);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(jì)方式已經(jīng)不能滿足社會(huì)生產(chǎn)所需，為了提升設(shè)計(jì)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(jì)模式，立足產(chǎn)品個(gè)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(jì)制造周期與設(shè)計(jì)類型之間的矛盾問題，確保系統(tǒng)升級(jí)，縮短設(shè)計(jì)周期，提升生產(chǎn)時(shí)效性。

一、模塊化設(shè)計(jì)的基本內(nèi)涵

模塊化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(huì)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(jì)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(dòng)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(jì)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

從模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)的基本概念中，我們可以看出模塊化設(shè)計(jì)具有可變性、可分性、功能性、關(guān)聯(lián)性和有機(jī)性的特點(diǎn)[2]。其中，可變性主要體現(xiàn)在內(nèi)部和外部這兩個(gè)方面，可以獲取特殊屬性不同子集，同時(shí)也可以對(duì)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(diǎn)，且零部件之間可分;功能性就是指通過模塊化設(shè)計(jì)和組合，可以實(shí)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(bǔ)的關(guān)系，同時(shí)子模塊之間會(huì)相互牽制，子系統(tǒng)、子模塊之間可以構(gòu)建成一個(gè)有機(jī)整體模塊化產(chǎn)品，不僅可以簡(jiǎn)化維修程序，同時(shí)也可以提升機(jī)械產(chǎn)品的互換性程度，各個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)人員直接將故障部位替換下來，對(duì)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(gè)模塊在設(shè)計(jì)和加工時(shí)，其功能就已經(jīng)確定，在該種設(shè)計(jì)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(diǎn)的同時(shí)使其品種新穎，質(zhì)量?jī)?yōu)良，降低購(gòu)置設(shè)備成本，確保包裝和運(yùn)輸空間的合理利用。

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

（一）設(shè)計(jì)方法

模塊化設(shè)計(jì)方式一般可以分為三類，分別是縱向模塊設(shè)計(jì)、橫向模塊設(shè)計(jì)、綜合類型設(shè)計(jì)[3]。通過縱向模塊設(shè)計(jì)方法，可以對(duì)不同的模塊進(jìn)行功能性設(shè)計(jì)，該種工藝方式對(duì)設(shè)計(jì)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(duì)產(chǎn)品功能性能進(jìn)行優(yōu)化;橫向模塊設(shè)計(jì)更加適合關(guān)系層面的模塊排布，設(shè)計(jì)形式比較簡(jiǎn)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(jì)，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(jì)要求，因此，技術(shù)人員需要將橫、縱兩種設(shè)計(jì)模式相結(jié)合，在功能內(nèi)涵和物理形態(tài)方面實(shí)現(xiàn)升級(jí)，完成產(chǎn)品層面的革新，明確機(jī)械設(shè)計(jì)理念，結(jié)合新時(shí)期企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)新要求，實(shí)現(xiàn)制造升級(jí)，合理選擇機(jī)械設(shè)計(jì)分析方法，以用戶的實(shí)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(shí)也應(yīng)該立足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中盡量做到簡(jiǎn)潔，符合消費(fèi)者的消費(fèi)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(jì)辦法，確定不同功能模塊的連接形式，利用分層設(shè)計(jì)法，將產(chǎn)品功能落實(shí)到具體的模塊中，從而實(shí)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(jì)具體物理結(jié)構(gòu)時(shí)，為滿足升級(jí)和更換要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該及時(shí)關(guān)注市場(chǎng)環(huán)境變化，結(jié)合產(chǎn)品特性，預(yù)留模塊升級(jí)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(duì)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(shí)應(yīng)該對(duì)模組進(jìn)行標(biāo)記，尤其是價(jià)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(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合模塊的實(shí)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(shí)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(jì)人員對(duì)模塊物理形態(tài)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，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(cè)試選用專業(yè)測(cè)試儀，對(duì)機(jī)械關(guān)鍵模組的承載能力進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，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(jì)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(jì)為例，在立式數(shù)控車床中，在劃分模塊時(shí)，可以通過模塊化設(shè)計(jì)對(duì)各個(gè)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(jì)的整體優(yōu)點(diǎn)，在具體操作中應(yīng)該注意到以下幾點(diǎn)：1.車削是數(shù)控車床主要功能，因此設(shè)計(jì)人員需要從車削旋轉(zhuǎn)面環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，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(cè)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(shí)，也可以將模塊化設(shè)計(jì)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(dú)立的單元類型，秉持模塊化設(shè)計(jì)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?rùn)C(jī)床模塊之時(shí)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(jì)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(jì)與機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)不再滿足工作制造和消費(fèi)者需要，傳統(tǒng)單一設(shè)計(jì)不適應(yīng)新市場(chǎng)發(fā)展需要，因此使用模塊化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)生產(chǎn)時(shí)間，滿足現(xiàn)實(shí)中生產(chǎn)需求。最后，在組件技術(shù)下也可以利用自動(dòng)化技術(shù)，著眼于縱橫之間的集成，對(duì)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(jì)人員可以根據(jù)高層模塊實(shí)際狀態(tài)，明確相關(guān)設(shè)計(jì)思路，使用各種組件，讓其在自動(dòng)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(bǔ)償誤差，結(jié)合開放式和集成式設(shè)計(jì)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(jì)的使用價(jià)值，將虛擬設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)工作者應(yīng)該立足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層次特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中盡量做到簡(jiǎn)潔，符合消費(fèi)者的消費(fèi)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(jì)的整體優(yōu)點(diǎn)，通過可變、靈活的設(shè)計(jì)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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