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

劉雙龍，王 兵

（上海振華重工股份有限公司，上海201913）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，機(jī)械設(shè)計(jì)朝著個(gè)性化的方向發(fā)展，并且用戶群體對于機(jī)械設(shè)計(jì)制造所提出來的要求會越來越高，同時(shí)也更加注重對成本的合理控制。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)當(dāng)中，社會的發(fā)展淘汰了一些落后的技術(shù)，對于新的機(jī)械設(shè)計(jì)，如果沒有辦法對模塊化進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的效率的提升，降低整體的成本，就沒有辦法呈現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢[1]。

伴隨著技術(shù)的發(fā)展，用戶群體在各方面的要求有所改變，這種改變最典型的體現(xiàn)就是原來的集中式轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)體戶，在這樣的要求下，節(jié)省成本成了大勢所趨。從設(shè)計(jì)到技術(shù)層面等各角度出發(fā)，模塊化技術(shù)的轉(zhuǎn)變目前已經(jīng)基本完成，在劃分和組合的背景之下，可以對不同類型的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行包裝，最終使得工期得到有效的縮短，在一定程度上實(shí)現(xiàn)模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)和制造[2]。

1 模塊化設(shè)計(jì)

1.1 模塊化設(shè)計(jì)簡介

模塊化設(shè)計(jì)主要是針對計(jì)算機(jī)語句的輸入和指令在程序中的編程。首先,用主程序、子程序等框架描述了軟件的主要結(jié)構(gòu)和過程,定義并調(diào)試了各幀之間的輸入輸出鏈接。在逐步求精之后,其結(jié)果是一系列算法,它們可以描述[3]作為函數(shù)的單位。

根據(jù)產(chǎn)品中使用的模塊數(shù)量，模塊化系統(tǒng)可分為純模塊化系統(tǒng)和混合系統(tǒng)-模塊化系統(tǒng)，由模塊和非模塊組成，其中大部分是機(jī)械模塊化系統(tǒng)。根據(jù)模塊化組合的可能性，模塊化系統(tǒng)可分為封閉系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中考慮所有可能的方案；開放系統(tǒng)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要考慮模塊組合變化的規(guī)則。模塊必須實(shí)現(xiàn)某些功能，整個(gè)產(chǎn)品族功能和相應(yīng)的模塊類型如圖1所示。

圖1 模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)中功能和模塊類型

基本功能是系統(tǒng)中基本的、經(jīng)常的、重復(fù)的、不可缺少的功能，在系統(tǒng)中基本上是相同的功能。相應(yīng)的模塊稱為基本模塊。輔助功能主要是指安裝和連接所需的功能。相應(yīng)的模塊稱為輔助模塊[4]。

特殊功能是表征系統(tǒng)中某些或某些產(chǎn)品的特征，使其更適于適應(yīng)其他系統(tǒng)或可暫時(shí)改變的邊界條件。相應(yīng)的模塊稱為自適應(yīng)模塊。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)方法

在模塊化的設(shè)計(jì)方法中，對模塊的劃分以及互換性等劃分決定著整體模塊的功能狀況和可行性。人們在進(jìn)行模塊劃分的時(shí)候，不僅需要考慮制作的方便性，同時(shí)也是要考慮在具體實(shí)施的時(shí)候是否能夠進(jìn)行輕易的組合。

因此，在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要有一個(gè)詳細(xì)的規(guī)劃，并且在開展模塊劃分時(shí)考慮到系統(tǒng)當(dāng)中的整體可更換性，要確保模塊的功能在各個(gè)方面具有一定的獨(dú)立性，模塊之間的既要結(jié)合又要實(shí)現(xiàn)各個(gè)方面的分離。為了能夠使得模塊之間進(jìn)行全方位的更換，不同的模塊之間要確?？梢蚤_展全方位的更換工作，因此在設(shè)計(jì)模塊的時(shí)候，需要提升可更換性，在接口處的地方進(jìn)行規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)置[5-6]。

1.2.1 模塊化設(shè)計(jì)的主要方式

（1）水平串聯(lián)模塊化設(shè)計(jì)。不改變產(chǎn)品的主要參數(shù)，使用模塊來開發(fā)變形產(chǎn)品。該方法易于實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（2）縱向串聯(lián)模塊化設(shè)計(jì)。不同類型的基礎(chǔ)產(chǎn)品設(shè)計(jì)為同一類型。

（3）除了開發(fā)水平產(chǎn)品外，改變一些模塊還可以得到其他系列產(chǎn)品，屬于水平系列和交叉系列模塊化設(shè)計(jì)。

（4）全系列模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)系列由縱向系列和水平系列組成。

（5）全系列和交叉系列模塊化設(shè)計(jì)。在整個(gè)系列的基礎(chǔ)上，它被用于模塊化設(shè)計(jì)[7]，其結(jié)構(gòu)更加相似。

1.2.2 模塊化設(shè)計(jì)步驟

模塊化設(shè)計(jì)分為兩個(gè)不同的層次，第一個(gè)是一系列模塊化的產(chǎn)品開發(fā)過程，第二個(gè)是模塊化設(shè)計(jì)的單一產(chǎn)品，如圖2所示?？偟恼f來，模塊化設(shè)計(jì)遵循一般技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，但是它比后者更復(fù)雜和昂貴，并且每個(gè)組件可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。模塊化設(shè)計(jì)的主要步驟如下：

圖2 模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程

（1）市場調(diào)查與分析，模塊化成功的前提。

（2）產(chǎn)品功能分析，擬定產(chǎn)品系列型譜。

（3）確定參數(shù)范圍和主參數(shù)。

（4）確定模塊化設(shè)計(jì)類型，劃分模塊。

（5）模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，形成模塊庫。

（6）編寫技術(shù)文件。

1.3 模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

當(dāng)前模塊化設(shè)計(jì)的方法漸漸成為機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的組成部分，同時(shí)作為一種新型的設(shè)計(jì)理念，這樣的一種設(shè)計(jì)方法，有著傳統(tǒng)方法不具有的優(yōu)勢和特點(diǎn)[8-9]。

（1）對于模塊化的設(shè)計(jì)來說，它更加便于人們進(jìn)行設(shè)備的檢修。在這樣的情況之下，生產(chǎn)環(huán)節(jié)就能夠獲得有效的維持，同時(shí)也能夠使得實(shí)際的維修和質(zhì)檢工作獲得較大的便利。

（2）模塊化設(shè)計(jì)的方法也會使得包裝的流程得到有效的簡化，因?yàn)檫@種方法會根據(jù)包裝生產(chǎn)需求進(jìn)行接線卸和組建，因此能夠達(dá)到合理調(diào)度的狀態(tài)，最終根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)要求，進(jìn)行全方位的設(shè)計(jì)工作，使得實(shí)際生產(chǎn)效率得到提升，并且也使得自身的適用面更加廣泛。

（3）模塊化設(shè)計(jì)的方式會使得生產(chǎn)得到全方位的節(jié)約，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性和創(chuàng)造性是比較突出的，在成本方面能夠獲得節(jié)約。

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

2.1 模塊化設(shè)計(jì)方法在數(shù)控車床中的應(yīng)用

以模塊化設(shè)計(jì)方法在數(shù)控車床中的應(yīng)用為例，在模塊劃分中，必須從數(shù)控車床的一般功能出發(fā)，將總功能分解為一個(gè)相對獨(dú)立的功能。當(dāng)函數(shù)繼續(xù)分解直到函數(shù)不合適時(shí)，函數(shù)元素由函數(shù)元素組成。函數(shù)元素是整個(gè)函數(shù)或函數(shù)的最基本單元，通常對應(yīng)于某一冪函數(shù)模塊。當(dāng)總功能被分解時(shí)，應(yīng)該考慮用戶的需求和實(shí)現(xiàn)總功能所需的功能。由于用戶條件的不同，機(jī)床的規(guī)格和性能會有所不同，而且模塊的組成也會有很大的差異[10]。

對于CK系列單柱數(shù)控車床，它的總功能是車削，它可以轉(zhuǎn)動內(nèi)外缸、內(nèi)外錐體、溝槽、平面、螺紋和各種旋轉(zhuǎn)面。對于CK系列單柱數(shù)控車銑加工中心，除了銑削、鏜銑功能外，這些功能可以按傳動功能。

2.2 對模塊進(jìn)行合理的劃分，明確模塊分工

通過對總功能進(jìn)行分解，可以看出，一個(gè)或多個(gè)函數(shù)對應(yīng)于實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)功能的模塊。有一個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)某一功能，即一對一對應(yīng)；一個(gè)函數(shù)由多個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)，即單對多的關(guān)系；某些多個(gè)功能由一個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)，即多對單的關(guān)系[11]。如圖3所示。

圖3 功能與模塊對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)功能和模塊的映射關(guān)系，考慮了整個(gè)數(shù)控車床系列的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)類型，并利用模塊劃分原理得到數(shù)控車床較為通用的模塊。數(shù)控車床分為傳動模塊、執(zhí)行模塊、支撐模塊、輔助模塊、監(jiān)控模塊，并繼續(xù)細(xì)分為功能模塊。

通過對同一功能模塊的分析，由于使用的不同和結(jié)構(gòu)的不同，可以得到可交換的、具有相同接口的結(jié)構(gòu)模塊。根據(jù)結(jié)構(gòu)模塊的組合，可以得到不同用途和性能的數(shù)控車床。

在對數(shù)控車床開展有效設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)是，人們首先需要進(jìn)行實(shí)際的科學(xué)規(guī)劃和操作工作，該項(xiàng)工作的開展并不能夠單獨(dú)的進(jìn)行，在大多數(shù)情況下要考慮實(shí)際的生產(chǎn)工藝，從全方位的角度進(jìn)行規(guī)劃工作的開展。模塊化設(shè)計(jì)方式需要建立起一個(gè)比較有效的結(jié)構(gòu)，在科學(xué)隔離構(gòu)造和分析的操作條件之下，完成基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)建設(shè)，同時(shí)需要結(jié)合實(shí)際的情況，制定合理的科學(xué)規(guī)劃，付諸于實(shí)踐的過程當(dāng)中。對生產(chǎn)環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的有效劃分，最終使得整體的生產(chǎn)效率得到提升。

在進(jìn)行生產(chǎn)模塊劃分的過程當(dāng)中，人們要結(jié)合具體的需求來確定模塊的功能，同時(shí)還要開展生產(chǎn)功能的有效分配工作，確保每一個(gè)模塊都能夠承擔(dān)合理的任務(wù)和功能。除此之外，人們還要對模塊功能進(jìn)行全方位的健全，使得模塊之間的生產(chǎn)調(diào)度獲得優(yōu)化，最終能夠使得后期的生產(chǎn)模塊獲得有效的推動。

2.3 數(shù)控車床模塊劃分原則

根據(jù)現(xiàn)有車床的結(jié)構(gòu)和模塊化要求，模塊劃分的原則可以概括如下：

（1）將獨(dú)立的功能單元用作模塊，即分解的功能單元在結(jié)構(gòu)中盡可能獨(dú)立。這樣的模塊易于組裝和配置，從而易于形成各種變形產(chǎn)品。

（2）以部件作為模塊，這樣的模塊具有完整性，容易保證裝配質(zhì)量。

（3）將該組件用作模塊。在對功能分解進(jìn)行細(xì)化之后，可以進(jìn)一步對組件中的一些組件進(jìn)行模塊化。通過更換或占用零件或部件，這些部件可以有不同的用途和性能。

它比改變整個(gè)部件更經(jīng)濟(jì)。在模塊劃分過程中，還應(yīng)注意機(jī)床的大部件和基本部件的模塊化，大零件的結(jié)合件應(yīng)規(guī)范化，便于連接和分離。同時(shí)，應(yīng)該考慮模塊中有發(fā)展的空間，這樣新技術(shù)的引入不會阻礙模塊的結(jié)構(gòu)。如圖4所示，對數(shù)控車床的功能。

圖4 數(shù)控車床功能模塊劃分

2.4 模塊的組裝設(shè)計(jì)

為了使得設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)得到有效的確保，人們需要對模塊化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行技術(shù)組裝的操作，簡而言之，就是對模塊進(jìn)行有效的分配，同時(shí)在具體的組裝過程當(dāng)中，對整體布局的合理性進(jìn)行考慮，對各個(gè)模塊之間的功能進(jìn)行有效的組合。如果機(jī)械設(shè)備在使用的過程當(dāng)中遇到的問題，那么可以及時(shí)更換其中有問題的設(shè)備，同時(shí)要保障在故障模塊更換的過程當(dāng)中，其他模塊依然可以正常的運(yùn)行，不會因此停止工作。

在設(shè)計(jì)工作完成之后，還要對具體的參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整工作，同時(shí)在試運(yùn)行過程當(dāng)中檢驗(yàn)整體的配合效果。有效的組裝式模塊化設(shè)計(jì)，非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)模塊只有在有效的組裝下，自身的作用才能夠得到充分的發(fā)揮，因此也需要掌握一些科學(xué)的組裝方式，提升組裝的有效性和科學(xué)性[12]。

3 模塊化設(shè)計(jì)的成效及注意事項(xiàng)

在模塊化設(shè)計(jì)中，它的成效主要體現(xiàn)在三個(gè)方面[13]：

首先體現(xiàn)在對企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的貢獻(xiàn)方面。模塊化推動了機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新式發(fā)展，使得機(jī)械化制造效率更高，從而使得產(chǎn)品的研發(fā)效率、效果都更加理想。

此外，模塊化設(shè)計(jì)可以提高企業(yè)的工作效率，并且對產(chǎn)品的成本進(jìn)行控制，甚至在售后服務(wù)成本方面也可以進(jìn)行降低。因?yàn)槟K化設(shè)計(jì)方式在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用能夠使得機(jī)械化的自動化程度和智能化程度得到提高，因此能夠在效率和成本方面發(fā)揮優(yōu)勢。

在今后發(fā)展的過程中，隨著智慧化程度發(fā)展的提升，無論是機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)還是其他行業(yè)，對于智能化的發(fā)展都是十分重視的，甚至將其作為未來的主要發(fā)展方向。在這樣的背景之下，特別是在行業(yè)競爭不斷激烈的背景之下，誰能夠在制造效率上獲得提升，在成本上實(shí)現(xiàn)降低，那么誰就能占據(jù)市場，因此這也給了模塊化設(shè)計(jì)發(fā)展的生計(jì)。

4 結(jié)語

總的來說，模塊化是迄今為止，機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中最好的一種設(shè)計(jì)方法，模塊化設(shè)計(jì)方法的存在能夠開創(chuàng)機(jī)械在設(shè)計(jì)方面的開放化和標(biāo)準(zhǔn)化，最終使得機(jī)械制造商在激烈的市場競爭當(dāng)中，依然占據(jù)著優(yōu)勢的地位，推動我國整體機(jī)械化水平的發(fā)展。

為了有效地推動機(jī)械工程的發(fā)展，在機(jī)械設(shè)計(jì)方面需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，人們應(yīng)該要結(jié)合實(shí)際需求，有效的將模塊化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用，以此來使得實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)工作獲得有效的推開，并且使得人工成本得到全方位的減少，最終使得實(shí)際工作效率得到提升。