機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計探討

梁彬

摘 要：目前，機械制造企業(yè)面臨的市場環(huán)境并不樂觀。企業(yè)若要保持自身的生存空間與競爭力，必須提升產(chǎn)品創(chuàng)新能力、壓縮設(shè)計周期，還要保證用戶化程度，以低成本獲取高收益。在這種要求下，模塊化機械產(chǎn)品應運而生。它的出現(xiàn)促進了產(chǎn)品迭代，進一步提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，擴大了應用范圍，為企業(yè)發(fā)展帶來了動力。

關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品；模塊化；設(shè)計

一、模塊的定義

模塊是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元。定義成模塊的零部件應具有以下幾個典型特點：

（一）功能的獨立性：給定輸入和輸出，能夠獨立的完成一定的功能；

（二）結(jié)構(gòu)的獨立性：應該具有獨立的物理組成和外觀結(jié)構(gòu)；

（三）接口的標準化：標準的接口保證了模塊的互換性，以便與其他模塊進行組合。

對于工程機械產(chǎn)品，模塊可以是機械結(jié)構(gòu)件、也可以是液壓或電氣單元、控制軟件，如混泥土泵車可以定義為臂架、轉(zhuǎn)塔、泵送系統(tǒng)等模塊。同時模塊亦可以根據(jù)其復雜程度及在實施過程中的制造、裝配、物流等實際情況進行進一步的下級模塊劃分，也就是模塊可以有層級概念，比如說混泥土泵車的臂架定義為一級模塊，往下還可以細分為單節(jié)臂架模塊、臂架油缸模塊、連桿模塊等二級模塊。從而可通過不同長度的單節(jié)臂架模塊組合成滿足不同客戶需求的不同臂架高度的泵車。

二、模塊設(shè)計的內(nèi)涵及特點

（一）模塊化設(shè)計內(nèi)涵

設(shè)計任務可以從多個層面共同進行，并且這一特征是傳統(tǒng)設(shè)計方法中所不具備的。先對產(chǎn)品的框架進行設(shè)計，在逐層開展內(nèi)容完善，這樣機械設(shè)計任務開展形式擁有更多的選擇，并且不會出現(xiàn)設(shè)計形式混亂的情況。機械設(shè)計需要將參數(shù)完善記錄，方便對設(shè)計圖形進行審核，完全達到安全標準才能夠投入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。通常情況下是同橫向與縱向兩方面來探討設(shè)計形式，將數(shù)據(jù)依次填寫到框架中，對比分析是否存在誤差。設(shè)計期間結(jié)合使用需求可以隨時對模塊進行改變，確保工作任務能夠高效開展。

（二）設(shè)計的特點

1、便于維修。模塊化設(shè)計理念與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比較，擁有很多新的特點。首先是使用階段發(fā)生故障更便于維修，修理任務也可以在局部進行，節(jié)省時間的同時在維修效率上也有明顯提升。各模塊均可靈活拆卸，故障嚴重時，通過調(diào)試很難使之恢復正常，此時直接將木塊更換，快速完成維修任務。由此可見，無論是設(shè)計還是使用，該種設(shè)計理念都有很多突破，解決了機械設(shè)備使用中遇到的問題。

2、簡化包裝設(shè)計。包裝是設(shè)計工作中的重要內(nèi)容，同時也十分復雜。要根據(jù)設(shè)備的外形對包裝進行設(shè)計，保護運輸安全也要合理利用空間，這些標準很難同時實現(xiàn)，但通過模塊化設(shè)計，包裝環(huán)節(jié)更簡單便于實施。傳統(tǒng)包裝方法中，工作人員要根據(jù)不用零件的設(shè)計形式探討包裝方案，對基層工作人員相關(guān)專業(yè)知識要求嚴格，并且在包裝過程中會浪費大量時間，并不利于機械生產(chǎn)加工高效進行。應用模塊化設(shè)計理念后，包裝工程中所面對的產(chǎn)品也都是劃分后的，并不需要基層工作人員了解機械設(shè)計原理，對控制成本支出及提升生產(chǎn)效率都有很大的幫助。加強模塊化設(shè)計理念應用后，工作人員可以更高效的完成包裝任務，為機械設(shè)備使用階段提供便捷性。

3、模塊化包裝的成本低。應用模塊化設(shè)計方法后，在機械生產(chǎn)包裝流程中有明顯的簡化，同時成本支出也得到有效控制。傳統(tǒng)的設(shè)計理念中，存在很多不確定因素，因此預算的成本支出也很容易發(fā)生變化，在工作任務開展過程中，包裝所用材料通過計算可以得到準確結(jié)果。這樣管理人員更明確不必要的成本支出，嚴格控制資金使用，這也是模塊化設(shè)計理念中節(jié)約成本的依據(jù)。雖然資金支出得到了控制，但產(chǎn)品使用質(zhì)量并不會因此受到影響。

（三）模塊化劃分原則

模塊化的設(shè)計就是要以少數(shù)的模塊組成極可能多的產(chǎn)品，同時產(chǎn)品具有高度的穩(wěn)定性、精度，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。所以在設(shè)計之初應對模塊進行詳細的劃分。當前并沒有標準化的模塊劃分原則，根據(jù)側(cè)重點的不同可進行不同模塊的劃分。從模塊本身的概念來看，模塊就是可組成系統(tǒng)的、具有某種特定功能和結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元。通過對產(chǎn)品功能的結(jié)構(gòu)，建立總功能、子功能、功能單元之間的聯(lián)系，為模塊的劃分建立基礎(chǔ)。單從這方面講，應滿足下述原則：首先應保持模塊功能和結(jié)構(gòu)具有一定的完整性和獨立性；其次應確保模塊接口要素便于聯(lián)系和分離；第三應保持模塊之間的相關(guān)盡可能少，同時模塊內(nèi)部間應為強耦合；遵照典型性和通用性的原則。

（四）模塊化設(shè)計方法在機械設(shè)計中的應用

當前具有多種設(shè)計方法，首選從功能側(cè)重方面來說，主要的流程是需求分析、功能分解、探索式集成和評估。首選對客戶的需求進行分析，將顧客的需求配置到產(chǎn)品中，以滿足客戶需求為主。根據(jù)客戶需求分析確定產(chǎn)品要求，再次過程中應準備多種功能目標，滿足客戶的首要需求。在確定產(chǎn)品各個不同層次的功能后，對產(chǎn)品進行分解，分解成基本功能和物理元素，同時對功能及物理元素進行集成。然后對綜合指標及可行性進行分析，最后實施設(shè)計。

另一種是基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計。這一方法要求先對零部件的形狀特征進行分析，并規(guī)劃減少零部件的種類，達到優(yōu)化成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在次過程中需對標準化模塊參數(shù)進行分析，減少可變參數(shù)的數(shù)量，以方便模塊建模。根據(jù)分析結(jié)構(gòu)首先建立零部件主模型，利用關(guān)鍵參數(shù)描述零部件外形和各尺寸之間的關(guān)系。設(shè)計過程中在基本模塊模型中輸入數(shù)值，自動形成變形模塊。其中零部件幾何模型和對應的事物特性表是零部件的重要組成部分。通過變形模塊的加入，最終形成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)可描述為一個可配置、包括所有標準構(gòu)建的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)的組成。

三、結(jié)語

在技術(shù)迭代步伐愈來愈快的背景下，模塊化設(shè)計顯然與市場發(fā)展趨勢相契合。模塊化設(shè)計不僅滿足了用戶的個性化需求，同時還提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率及質(zhì)量水平，為行業(yè)整體發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，使工業(yè)設(shè)計水平邁向了更高的階層。

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