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

張明森

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

在工業(yè)技術(shù)水平不斷提高的新時(shí)期背景下，模塊化設(shè)計(jì)方法開始出現(xiàn)并且廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法缺陷的同時(shí)，也保證了機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)一步提升和發(fā)展。因此，為了能夠更好地利用模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢，將其作用真正發(fā)揮出來，當(dāng)前需要明確其在實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并且按照實(shí)際情況提出有效應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法的措施。以此保證能夠提升機(jī)械設(shè)計(jì)效果，降低設(shè)計(jì)成本，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)順利進(jìn)行，為機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展提供契機(jī)。

一、模塊化設(shè)計(jì)方法概述

1.基本概念

模塊化設(shè)計(jì)方法是一種非常重要、常見的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，其主要是指在機(jī)械設(shè)計(jì)中，通過將不同組成部分分成多個(gè)模塊后，對不同模塊實(shí)施全面的考量和設(shè)計(jì)，最終將所有模塊組裝在一起，形成完整的設(shè)計(jì)。其中模塊劃分是非常重要的一部分，劃分中模塊是否可互換，是對模塊設(shè)計(jì)效果產(chǎn)生影響的一個(gè)重要因素。因此，對于該方法來說，實(shí)施中需要重點(diǎn)考量模塊劃分合理性，在全面、綜合考量不同模塊的基礎(chǔ)上，明確對應(yīng)的功能，以及不同模塊組合的便利性。在此基礎(chǔ)上考量不同模塊功能是否具備良好的獨(dú)立性，并且可以進(jìn)行更換，進(jìn)而保證真正發(fā)揮出促進(jìn)系統(tǒng)升級的作用[1]。

2.方法

模塊化設(shè)計(jì)方法一般包括橫向、縱向和混合三種不同的方式，每種方法都有著自身的要求和特點(diǎn)。第一，橫向設(shè)計(jì)一般是指實(shí)際設(shè)計(jì)中，在不改變原有參數(shù)的情況設(shè)計(jì)模塊，達(dá)到提升設(shè)計(jì)質(zhì)量的作用。第二，縱向設(shè)計(jì)是指對不同規(guī)模產(chǎn)品開展設(shè)計(jì)。第三，混合設(shè)計(jì)主要是在滿足客戶需求的情況下，綜合橫向、縱向兩種設(shè)計(jì)方法，最大化提升機(jī)械設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。當(dāng)前混合設(shè)計(jì)方法比較常用，在選擇方法時(shí)需要結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)際要求，合理地進(jìn)行選擇，保證方法與設(shè)計(jì)要求的適應(yīng)性，從根本上提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果。

3.特點(diǎn)

作為一種全新的設(shè)計(jì)理念、方法，模塊化設(shè)計(jì)方法自身有著非常突出的特點(diǎn)。第一，可維修。模塊化設(shè)計(jì)方法有著可維修特點(diǎn)，主要是基于其涉及中不同模塊的可替換功能，一旦機(jī)械發(fā)生故障，則可以通過檢查確定模塊，然后更換即可完成維修，確保機(jī)械能夠正常運(yùn)行，簡化維修流程的同時(shí)，能夠?yàn)楣收吓懦峁┮欢ū憷?。第二，易包裝。在傳統(tǒng)的包裝程序中，需要按照產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行制定包裝，設(shè)計(jì)出來的包裝只能夠應(yīng)用在同種類產(chǎn)品中，非常不利于包裝工作的高效開展。通過模塊化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，包裝可以同時(shí)滿足不同產(chǎn)品的需求，實(shí)現(xiàn)對多種產(chǎn)品的識別和包裝，簡化包裝流程，提升了包裝工作質(zhì)量和效率。第三，成本小，由于模塊化設(shè)計(jì)方法能夠?qū)Σ煌哪K實(shí)施分別設(shè)計(jì)，不同模塊的功能也比較獨(dú)立，實(shí)際運(yùn)行中能夠按照需求僅僅運(yùn)行其中某個(gè)模塊，其他模塊可以處于休息狀態(tài)或者是開展其他工作的狀態(tài)，能夠直接通過一個(gè)模塊形成一條生產(chǎn)線，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，提升了生產(chǎn)效率。

二、模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用要點(diǎn)

1.模塊劃分

模塊劃分中，需要注意的內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。第一，從全面掌握設(shè)備功能、結(jié)構(gòu)的角度，全面地檢查設(shè)備情況，了解和明確設(shè)計(jì)目標(biāo)以及方法。第二，對設(shè)備結(jié)構(gòu)與功能合理地進(jìn)行劃分，保證功能與結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。第三，按照機(jī)械設(shè)計(jì)要求，將模塊分成多個(gè)符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求的部分，實(shí)現(xiàn)對模塊的合理劃分。如數(shù)控立式車床劃分模塊過程中，一般可以劃分成傳動模塊、執(zhí)行模塊、支承模塊、監(jiān)測模塊等。第四，需要保證不同模塊要具備應(yīng)有的功能，并且確保這些功能可以在機(jī)械設(shè)計(jì)中統(tǒng)一進(jìn)行，保證功能設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，為設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

2.功能確定

在劃分好不同的模塊后，就需要對各個(gè)模塊的功能進(jìn)行確定，實(shí)施中需要重點(diǎn)關(guān)注功能的聯(lián)系。在所有模塊中會存在一些功能比較單一的模塊，尤其是一些模塊需要具備不同的功能。如監(jiān)測模塊功能是監(jiān)測生產(chǎn)情況，以數(shù)控立式車床為例來說，刀具監(jiān)測裝置的功能就對刀具監(jiān)測。這些模塊在功能上單一，只能夠使用一種功能。一些功能需要通過兩個(gè)或者兩個(gè)以上的模塊共同完成，這也是確定模塊功能中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一，同時(shí)，也存在一些需要三種以上功能才能夠完成的模塊操作。因此，在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注模塊需要執(zhí)行的任務(wù)，做好各個(gè)模塊之間的聯(lián)動設(shè)計(jì)，為后續(xù)整個(gè)設(shè)計(jì)的合理性和有效性提供保障。

3.組裝模塊

模塊組裝是對設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)的一種途徑，也是非常重要的環(huán)節(jié)，組裝的合理性和準(zhǔn)確性，是減少麻煩、提升設(shè)計(jì)效率的重要保障。組裝中需要主義的內(nèi)容為以下幾點(diǎn)。第一，組裝中需要為模塊的整體完整性提供保障，對于不同模塊之間的組合，要嚴(yán)格地依據(jù)操作流程進(jìn)行處理。第二，操作中需要從全面的角度考量，在保證設(shè)計(jì)功能滿足要求的情況下，關(guān)注設(shè)計(jì)布局的整體合理性，確保各個(gè)模塊都能夠支持更換[2]。第三，組裝中需要做好不同模塊連接的接口處理，保證接口連接滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格的要求，為后續(xù)更好地提升模塊設(shè)計(jì)效果提供支持。

三、模塊化設(shè)計(jì)方法及其在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用領(lǐng)域

1.數(shù)控機(jī)床立式車床

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的情況下，數(shù)控機(jī)床中的立式車床對于該技術(shù)的應(yīng)用比較常見。實(shí)際應(yīng)用中，首先，要對模塊化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行完善和優(yōu)化，按照實(shí)際要求逐步對模塊化應(yīng)用流程進(jìn)行完善。同時(shí)，由于模塊化設(shè)計(jì)方法自身有著非常明顯和突出的優(yōu)勢，應(yīng)用中可以按照不同模塊實(shí)際功能進(jìn)行劃分，將相同功能的模塊自動化組合在一起。這樣能夠在一定程度上為后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)效果提供保障，發(fā)揮出創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)方法的積極作用。其次，為了能夠更好地保證模塊完整性，需要按照不同部件組織實(shí)際情況，對其實(shí)施科學(xué)劃分，確保能夠從整體上提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。同時(shí)，在應(yīng)用中，要重點(diǎn)關(guān)注模塊分解工作，對關(guān)鍵組件進(jìn)行合理調(diào)整，制定較為完善的實(shí)施方案，為后續(xù)其他工作的順利實(shí)施提供支持。將模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床立式車床的模塊設(shè)計(jì)中，能夠保證按照設(shè)計(jì)方案要求，對不同模塊實(shí)施科學(xué)劃分，達(dá)到幫助企業(yè)降低成本、提升經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的積極作用。

2.數(shù)控機(jī)床功能分解

模塊化設(shè)計(jì)方法在數(shù)控機(jī)床功能分解中的有效應(yīng)用，能夠通過發(fā)揮出該方法自身具備的優(yōu)勢，確保分解工作的順利實(shí)施，提升立式機(jī)床的應(yīng)用效率和質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，首先，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要對機(jī)床整體運(yùn)行環(huán)節(jié)實(shí)施綜合分析，按照要求進(jìn)行分解處理。同時(shí)，為了能夠提升模塊化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用效果，在功能分解中，需要嚴(yán)格按照用戶要求展開設(shè)計(jì)，并且要在模塊化設(shè)計(jì)中，注重提升設(shè)計(jì)實(shí)用性。其次，功能分解中，需要按照不同視角對功能實(shí)施劃分，重點(diǎn)關(guān)注車削溝槽、旋轉(zhuǎn)面劃分工作，保證功能劃分合理性。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床執(zhí)行和檢驗(yàn)是保證機(jī)床質(zhì)量的關(guān)鍵部分，為了能夠更好地發(fā)揮出模塊化設(shè)計(jì)方法效果，需要做好機(jī)床的監(jiān)測工作，從根本上保證機(jī)械化生產(chǎn)水平[3]。

3.柔性制造

在社會生產(chǎn)力不斷提升的情況下，該方法在柔性制造中也實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，并且應(yīng)用方位越來越廣泛、通過應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)方法，有效改變了傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)自身具備的局限性，使其能夠更好地適應(yīng)社會發(fā)展，滿足發(fā)展需要。首先，由于模塊化自身的靈活性非常突出，在應(yīng)用中要與柔性制造有效融合在一起，逐漸提升設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用效果。其次，基于模塊化設(shè)計(jì)的可變性叫柔性制造，在應(yīng)用過程中，可以按照產(chǎn)品特點(diǎn)科學(xué)地進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)格產(chǎn)品生產(chǎn)工作的有機(jī)融合，降低生產(chǎn)成本。在柔性制造中應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠確保產(chǎn)品生產(chǎn)真正滿足要求，促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)與模塊之間的有機(jī)整合，降低成本的同時(shí)，能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的統(tǒng)一。

四、模塊化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)有效應(yīng)用建議

1.準(zhǔn)確了解劃分原則

近些年工業(yè)產(chǎn)業(yè)中各個(gè)行業(yè)內(nèi)部的競爭不斷加劇，加上人工成本的不斷提高，對各個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營提出了嚴(yán)格要求，不僅要保證經(jīng)濟(jì)效益，還需要真正滿足社會不斷發(fā)展中，人們對于產(chǎn)品的實(shí)際需求。在這種情況下，能否結(jié)合科學(xué)、創(chuàng)新的方法對生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證生產(chǎn)效率和質(zhì)量的有效提升，就成了人們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。而作為一種采用最少模塊，利用不同組合形成多樣化產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，模塊化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用，成為了各個(gè)企業(yè)重點(diǎn)考量的內(nèi)容。因此，為了能夠從根本上保證企業(yè)的生產(chǎn)效益，保證機(jī)械設(shè)計(jì)的整體效果，當(dāng)前需要準(zhǔn)確了解模塊化設(shè)計(jì)方法中的模塊劃分原則，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)，為提升企業(yè)生產(chǎn)效率，幫助企業(yè)節(jié)約成本提供支持。設(shè)計(jì)之前相關(guān)人員需要準(zhǔn)確了解劃分原則，在詳細(xì)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，依據(jù)我國關(guān)于模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)和要求，明確側(cè)重點(diǎn)之間的差異，掌握好對應(yīng)的劃分依據(jù)，為更加科學(xué)地對模塊實(shí)施劃分提供支持[4]。但是由于我國模塊化設(shè)計(jì)領(lǐng)域起步比較晚，發(fā)展也不夠快速，因此，劃分之前還需要明確具體的原則，即模塊和模塊之間需要有效分離，不互相聯(lián)系原則，以及盡量減少不同模塊之間相關(guān)性原則，保證一個(gè)模塊的使用不會對其他模塊產(chǎn)生影響。通過準(zhǔn)確地對設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析，找到不同模塊劃分過程中的重點(diǎn)，這樣就能夠保證整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性和適用性。

2.及時(shí)確定接口類型

針對模塊化設(shè)計(jì)中的接口來說，其主要是就是指不同模塊之間，起到互相聯(lián)系、傳遞信息的一個(gè)功能性技術(shù)。對于機(jī)械設(shè)備來說，接口是非常重要的一個(gè)組成部分，也是保證模塊和模塊之間進(jìn)行有效信息傳遞的載體。通過合理地對模塊接口方式進(jìn)行確定，能夠保證接口更好地發(fā)揮功能提供一定支持。在實(shí)際應(yīng)用中，需要按照不同類型的特點(diǎn)，合理地選擇接口類型。一般來說主要有以下幾種。第一，物理連接接口，其主要是指在模塊和模塊之間，采用物理的方式進(jìn)行連接，將兩個(gè)或者多個(gè)模塊聯(lián)系在一起，如模塊之間存在接觸或者鏈接。第二，體積或者是區(qū)域內(nèi)存在接口，主要是指模塊之間在空間或者表面上存在參考關(guān)系。第三，傳遞操控信號接口，即模塊和模塊間有控制關(guān)系。第四，現(xiàn)場、環(huán)境接口，即通過現(xiàn)場和環(huán)境連接在一起。第五，質(zhì)量、能量傳遞接口，即模塊間有質(zhì)量或者是能量傳遞的關(guān)系。需要注意的是，不同模塊和模塊之間可以存在一種連接方式，也可以存在多個(gè)接口，在模塊定義過程中，也要對接口關(guān)系進(jìn)行定義。只有確定了接口之間的關(guān)系，才能夠保證后續(xù)設(shè)計(jì)中無法輕易地對其進(jìn)行改變，進(jìn)而確保接口類型一直維持原有的狀態(tài)，為設(shè)計(jì)有效性提供支持。

3.注重分層展開設(shè)計(jì)

在模塊化的設(shè)計(jì)中，一般可以分成兩個(gè)不同的層次，即系列模塊和單個(gè)產(chǎn)品模塊，不同層次的設(shè)計(jì)要求、原則、方法和注意事項(xiàng)均存在一定的差異性，需要重點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，確保能夠更加科學(xué)合理地完成模塊設(shè)計(jì)。首先，針對系列模塊設(shè)計(jì)來說，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般是通過計(jì)算的方式，先對市場進(jìn)行調(diào)查和分析，對用戶需求進(jìn)行確定后，再制定出功能設(shè)計(jì)方案，實(shí)施對應(yīng)的模塊設(shè)計(jì)。然后按照功能需求，明確參數(shù)，并且對模塊實(shí)施切分，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，形成對應(yīng)的資料庫。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢就是能夠保證整體功能協(xié)調(diào)性，可以提升機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率[5]。其次，單個(gè)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)工作比較復(fù)雜，對于機(jī)械的每個(gè)產(chǎn)品，均需要設(shè)計(jì)出相對應(yīng)的模塊和功能。在設(shè)計(jì)中，一般是建立在系列模塊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，主要步驟是先按照要求對用戶需求和參數(shù)進(jìn)行確定，然后對模塊實(shí)施組裝、分析、計(jì)算，確保模塊能夠達(dá)到最佳使用效果后，再完成其他的設(shè)計(jì)步驟。

結(jié)語

隨著社會的快速發(fā)展，當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)中對于生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求也在不斷提高，為機(jī)械設(shè)計(jì)工作帶來了一定挑戰(zhàn)。模塊化設(shè)計(jì)方法作為一種自身擁有著成本低、功能強(qiáng)、包裝簡單、便于維護(hù)優(yōu)勢的設(shè)計(jì)方法，如果能夠?qū)⑵溆行У貞?yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，必然能夠從根本上提升設(shè)計(jì)水平，保證設(shè)計(jì)效果，為促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率的提升提供保障。因此，在準(zhǔn)確了解模塊化設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)、要點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，也要通過準(zhǔn)確了解劃分原則、及時(shí)確定接口類型、注重分層展開設(shè)計(jì)等措施，確保其能夠被更加有效地應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中。只有這樣才能夠從根本上發(fā)揮出該方法的真正優(yōu)勢和作用，提升機(jī)械設(shè)計(jì)水平，為工業(yè)生產(chǎn)活動更加高效的開展提供支持，進(jìn)而促進(jìn)我國機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)獲得更加廣闊的發(fā)展空間。