模塊化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：在機(jī)械設(shè)計(jì)中利用模塊化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、批量化、個(gè)性化的生產(chǎn)，企業(yè)可以通過(guò)對(duì)某些零件進(jìn)行改進(jìn)后快速生產(chǎn)出新的產(chǎn)品。文章首先對(duì)模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，然后對(duì)模塊化設(shè)計(jì)的基本原則進(jìn)行了介紹，分析了模塊設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和過(guò)程，最后對(duì)包裝機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；模塊化設(shè)計(jì)；包裝機(jī)械；產(chǎn)品模塊；模塊庫(kù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH12 文章編號(hào)：1009-2374（2016）23-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.027

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用戶群體逐漸從集中式逐漸過(guò)渡到了個(gè)體戶，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)模式和生產(chǎn)方式。企業(yè)在更新設(shè)備時(shí)，如果對(duì)所有的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)更新必然會(huì)造成成本的巨額消耗。為了降低成本，可以將機(jī)械劃分成類型不同的模塊，并根據(jù)實(shí)際的需求對(duì)模塊進(jìn)行更換，從而降低設(shè)計(jì)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 模塊化設(shè)計(jì)的基本情況

早在20世紀(jì)中期，模塊化設(shè)計(jì)理論已在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家得到了一定的應(yīng)用，受到了各大廠家的認(rèn)可。所謂模塊化設(shè)計(jì)主要指的是針對(duì)不同規(guī)格但具備同樣功能或者同一型號(hào)而功能不同產(chǎn)品的有效分析，最終設(shè)計(jì)出一系列的功能模塊產(chǎn)品，借助模塊的組合與有效選擇形成不同的產(chǎn)品類型，以迎合市場(chǎng)的相關(guān)需求。隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)發(fā)展之所需，只有創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案才是有效舉措。

2 模塊化劃分原則

模塊化設(shè)計(jì)的基本原則是用最少的模塊數(shù)量通過(guò)一系列組合而形成多樣化的產(chǎn)品，所生產(chǎn)的產(chǎn)品不管是在性能方面還是其他層面都是最優(yōu)化的，而且采取模塊化設(shè)計(jì)能夠最大限度地節(jié)省施工成本。因此在設(shè)計(jì)初期相關(guān)人員應(yīng)對(duì)模塊類型進(jìn)行細(xì)分。然而縱觀當(dāng)前我國(guó)在該方面的研究還處于起步階段，對(duì)模塊的劃分標(biāo)準(zhǔn)仍沒(méi)有一個(gè)確定依據(jù)，當(dāng)前所劃分的依據(jù)主要是按照側(cè)重點(diǎn)之間的差異對(duì)模塊進(jìn)行分類的。一般而言，模塊是能組成系統(tǒng)的、獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品功能的全面了解，構(gòu)建總功能、子功能等結(jié)構(gòu)單元之間的相關(guān)性，從而為模塊的分類提供一定的依據(jù)。模塊劃分應(yīng)遵循以下原則：一是所劃分的單個(gè)模塊單元應(yīng)具備一定的獨(dú)立性；二是各模塊接口之間要進(jìn)行有效分離；三是模塊與模塊之間的相關(guān)性應(yīng)盡可能少，這樣某一模塊存在異常不致影響其他模塊的正常使用。

3 模塊設(shè)計(jì)特點(diǎn)和過(guò)程

3.1 模塊設(shè)計(jì)特點(diǎn)

模塊設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)列舉如下：

3.1.1 產(chǎn)品定義的完整化。設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品功能的調(diào)查分析進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊之間的有效組合形成特定的產(chǎn)品。此外，模塊體系是可以變更的，按照不同設(shè)計(jì)要求以及相關(guān)技術(shù)層面的提供創(chuàng)新模塊體系，優(yōu)化模塊設(shè)計(jì)理念，從而使所生產(chǎn)的產(chǎn)品不管是在結(jié)構(gòu)方面還是功能特性方面都滿足相關(guān)

要求。

3.1.2 盡可能地減少設(shè)計(jì)周期。根據(jù)每個(gè)用戶的相關(guān)需求，選取有效的模塊對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使其用最少的投入獲得較多的產(chǎn)出。該方法主要應(yīng)用于小規(guī)模生產(chǎn)的制造廠家。

3.1.3 產(chǎn)品性能安全穩(wěn)定、維修便捷，而且施工成本低。模塊化設(shè)計(jì)中所使用到的相關(guān)設(shè)備都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選的，設(shè)備的使用率高，這樣可方便加工制造技術(shù)的有效應(yīng)用，提高產(chǎn)品的功能特性。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用能夠?qū)a(chǎn)品內(nèi)部多樣化盡可能地降低，在滿足用戶個(gè)性化需求的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)品的使用率。

3.1.4 實(shí)現(xiàn)知識(shí)管理和集成設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程不是一蹴而就的，它是一項(xiàng)系統(tǒng)而龐雜的工程，也是對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范過(guò)程，構(gòu)建模塊接口與產(chǎn)品知識(shí)信息是模塊規(guī)劃得以有效實(shí)施的根本保障。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿設(shè)計(jì)與管理的整個(gè)階段中，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品知識(shí)的科學(xué)管理，可為設(shè)計(jì)人員提供一定的便捷，促使其對(duì)模塊不斷優(yōu)化與改進(jìn)，增強(qiáng)生產(chǎn)的實(shí)效性。

3.2 模塊設(shè)計(jì)過(guò)程

一般而言，模塊設(shè)計(jì)分為兩大板塊進(jìn)行：一是系列模塊產(chǎn)品研制階段，此階段主要是按照市場(chǎng)的相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)研制階段進(jìn)行模塊的有效設(shè)計(jì)；二是單個(gè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，本階段主要是根據(jù)用戶自身的實(shí)際需求對(duì)模塊進(jìn)行選擇，從而設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品。系列產(chǎn)品與單個(gè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖1所示。

通過(guò)對(duì)圖1的分析得知第一層次是模塊化設(shè)計(jì)的主要過(guò)程也是最為關(guān)鍵的階段，其中模塊的劃分又是整個(gè)階段中的核心環(huán)節(jié)，采取科學(xué)、合理的劃分方式對(duì)模塊化的優(yōu)化設(shè)計(jì)可起到一定的促進(jìn)作用，從而有效防止模塊組合時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)亂等不良現(xiàn)象的發(fā)生。待第一層設(shè)計(jì)完成后設(shè)計(jì)人員需對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行全面檢查，滿足相關(guān)要求后即可開(kāi)始第二層次的設(shè)計(jì)。

圖1 系列產(chǎn)品與單個(gè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程

4 包裝機(jī)械的模塊化設(shè)計(jì)探討分析

4.1 包裝機(jī)械的基本特征

包裝機(jī)械與其他機(jī)械存在一定的差異，是一種特殊類型的機(jī)械，而且據(jù)調(diào)查大多數(shù)包裝機(jī)械都存在這樣一種特點(diǎn)即機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣化，具有較好的靈活性與柔性。隨著時(shí)代在變遷，包裝機(jī)械的更新速度也在不斷加快，因此整臺(tái)包裝機(jī)械采用模塊化設(shè)計(jì)方案可大大降低包裝機(jī)械的研發(fā)周期，增加產(chǎn)品的類型，從而適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求。用于完成包裝過(guò)程的機(jī)械類型有充填機(jī)械、標(biāo)簽機(jī)械、干燥機(jī)械等11類。對(duì)于同種類型的包裝機(jī)，在組成成分上基本相吻合，不同的是包裝材料的選擇以及計(jì)量方式之間存在一定的出入，在實(shí)際包裝中應(yīng)根據(jù)包裝機(jī)的相關(guān)特點(diǎn)采取合理的方式進(jìn)行包裝施工。

4.2 基于功能層次的包裝機(jī)械模塊劃分

由于包裝機(jī)械具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣等特征，在進(jìn)行模塊劃分過(guò)程中，應(yīng)以包裝機(jī)械中的主要部件為主進(jìn)行合理、有效的劃分。按照集合論的相關(guān)特征表述，若功能域與結(jié)構(gòu)域在信息需求與表達(dá)方式存在不同時(shí)，而從功能表達(dá)空間到結(jié)構(gòu)表達(dá)空間的映射，則充分說(shuō)明兩個(gè)空間具有一定的函數(shù)關(guān)系。功能域?qū)a(chǎn)品的實(shí)際特征進(jìn)行層層分解，從而形成產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)映射圖，這種結(jié)構(gòu)單元要根據(jù)功能與結(jié)構(gòu)的相關(guān)特點(diǎn)判斷其是否可以作為模塊。

圖2 功能結(jié)構(gòu)映射原理

對(duì)于不同類型的包裝機(jī)械，在模塊設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)機(jī)械的功能差異對(duì)其進(jìn)行逐層細(xì)分，在細(xì)分中要注意劃分層次要根據(jù)不同型號(hào)的包裝機(jī)械采取合理的分層方式，若分層過(guò)多則映射到結(jié)構(gòu)部件的粒度大小在模塊間的接口標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際需求不相吻合。但若層次過(guò)少則模塊化設(shè)計(jì)的有效性也不能充分體現(xiàn)出來(lái)。通常情況下普通的包裝機(jī)械分為兩層左右即可，而特殊的包裝機(jī)械則可適當(dāng)增加，待分層模式完成后借助功能結(jié)構(gòu)映射原理，將各個(gè)層次的映射結(jié)果投射到部件上，以明確模塊所屬的類型以及劃分細(xì)則。

4.3 包裝機(jī)械模塊庫(kù)的有效建立

經(jīng)過(guò)綜合權(quán)衡后產(chǎn)品模塊劃分完成后，進(jìn)一步對(duì)模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而形成系統(tǒng)全面的模塊庫(kù)。包裝機(jī)械模塊庫(kù)的有效建立可在一定程度上使用標(biāo)準(zhǔn)的模塊與零部件完成新產(chǎn)品的研發(fā)工作。因此為了使所建立的模塊庫(kù)能夠重復(fù)使用，在模塊設(shè)計(jì)中要采用一些先進(jìn)的技術(shù)理念，比如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，并將模塊組織存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中。近些年來(lái)，隨著科技發(fā)展浪潮的不斷推進(jìn)，新技術(shù)、新理念層出不窮，電子技術(shù)等新興科技在包裝機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用，虛擬概念也由此應(yīng)運(yùn)而生，按照不同客戶對(duì)產(chǎn)品的相關(guān)需求調(diào)用模塊庫(kù)中事先存儲(chǔ)的各種虛擬設(shè)計(jì)方案，然后將實(shí)際生產(chǎn)中所使用到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理后輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)三維模型即可模仿真實(shí)的工作場(chǎng)景進(jìn)行操作，并能根據(jù)客戶所提出的建議進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，直到達(dá)到客戶的認(rèn)可度。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，模塊化設(shè)計(jì)可以提升零部件產(chǎn)品的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度，可以使這些通用件和標(biāo)準(zhǔn)件保持生產(chǎn)量。降低設(shè)計(jì)成本，適應(yīng)市場(chǎng)多變的基本要求，同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械創(chuàng)新，促進(jìn)我國(guó)機(jī)械行業(yè)的

發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：許軍（1981-），女，河北滄州人，惠州商貿(mào)旅游高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校講師，廣東工業(yè)大學(xué)在職研究生。

（責(zé)任編輯：蔣建華）