基于模塊化設計方法的機械設計研究

楊開義

摘 要：新時代背景下，隨著科學技術的發展，社會生產活動機械化程度越來越高，工業生產中對機械設備的應用越來越普遍。機械設備在社會生產活動中的應用能有效提高生產效率和質量，增強生產力，降低生產成本和勞動強度，為企業創造更多利潤。但隨著經濟的快速發展，各行各業對機械設備需求越來越大，要求越來越高，傳統機械設計方法逐漸難以滿足市場及行業發展需求。而模塊化設計方法在機械設計中的運用，則能降低設計難度，提高設計效率和水平，強化機械設備性能，使各子系統間在保持獨立性的同時更好的協調運作。本文將針對模塊化設計方法的機械設計展開研究和分析，促進機械設計水平的提高。

關鍵詞：機械設計；設計方法；模塊化；模塊設計方法

機械設備能代替人工作業完成一系列生產活動，實現生產自動化、機械化，有效提高生產效率和水平，徹底改變了傳統生產模式，有效解決了以往生產中設備操作危險性高，操作難度大等一系列問題，降低了勞動強度，減少了生產活動人力物力投入，縮短了生產周期。當前人類已對機械設備產生一定依賴性，這使得機械設計服務對象從個體用戶轉變向用戶群體。而群體用戶對機械設計要求更嚴格，對成本控制更細致。顯然傳統機械設計方法以難以適應社會對機械設計的要求。而模塊化設計方法則為機械設計改革提供了途徑，有效提供了機械設計效率，降低了設計成本和設計難度，彌補了傳統設計模式不足。

1 模塊化設計方法的特點和優勢

模塊化設計是一種新興設計理論，最早提出于二十世紀末，初期應用在家具設計領域，二十一世紀初傳入中國。在這種設計方法中，通常將設計目標進行模塊劃分，分成若干模塊后在對各個模塊進行細化設計。而模塊與模塊間保持著緊密聯系，相互協作，同時又保持一定獨立性。當前這種設計方法已被廣泛應用到各個領域，尤其是機械設計領域應用非常廣泛，已逐漸成為機械設計重要設計方法。在這種設計方式中，通常根本產品設計和制造規律、特有功能劃分模塊，不同功能、相同功能不同性能、不同規劃模塊劃分方式不同，具體的設計中各模塊既可單獨設計，也可相互配合。當前較為常用的模塊化設計軟件如：CAD、ANSYS、Maya、ThinkDesign、Softimage/XSI、Lightwave、Rhinoceros、Tribon等。模塊化設計的機械設備故障率低，便于檢修，僅需對故障模塊進行檢修或更換即可，所以能夠有效降低運維難度，降低維修成本。另外，模塊化設計簡化了包裝流程，降低了包裝難度，可根據需要進行不同接卸組合，完善了模塊組建功能。

2 機械設計基本概念和意義

機械設計復雜性和專業性強，是根據使用要求對機械工作原理、結構、運動方式、能量傳遞方式、零件形狀尺寸等相關內容進行構思、分析、計算、描述、設計，從而為機械制造提供依據的過程。機械設備是現代社會生產中不可或缺的重要生產力，推動著經濟發展。但現代機械設備，智能化、自動化、精密化程度越來越高，結構越來越復雜，涉及到的電氣元件越來越多，設計難度隨之提高。在機械設計中要對每個設計要素進行組合，讓設計要素組成一個完成的系統，實現機械設備使用功能。具體設計中各要素間具有獨立性，但同時也具有層次性，存在有機聯系。傳統設計方法是通過經驗設計法或試驗設計法、估算設計法確定設計方案，對設計參數進行分析計算，檢驗各項性能是否符合要求。整個設計過程多為人工試湊和定性，耗時長，難度大高，且數據上容易出現錯誤，容錯率低。而且是復雜曲面和截面設計中，抽象性非常強，對設計人員專業技能有較高要求，已不適應當前市場發展局勢。科學機械設計是機械設備功能得到實現的前提，能提高機械設備性能，使機械設備能處于安全、穩定運行狀態，有效降低故障率，規避安全風險和故障風險。

3 基于模塊化設計方法的機械設計

通過前文分析不難看出做好機械設計的重要意義，想要使機械設備功能得到實現，滿足生產使用需求，必須做好機械設計[1]。而模塊化設計方法則為機械設計改革創新提供了途徑，機械設計中應積極運用模塊化設計方法。

模塊化設計模式下的機械設計，要進行模塊劃分。合理劃分模塊是進行模塊化機械設計的前提條件。設計中模塊劃分是否科學合理，直接影響設計實施和設計效果。倘若在模塊劃分方面存在問題，后續模塊化設計便難以順利實施。模塊換分中要對：機械生產工藝、工藝流程、子系統功能、模塊間的協調進行分析，從而確定模塊化設計組合能否進行統一協調工作，避免組合混亂，給生產制造帶來不便[2]。此外，要考慮模塊組合的靈活性和獨立性、整體性，確保主要功能的實現，以便于模塊的聯接與分離，保證模塊劃分不對系統主要功能產生影響。具體模塊劃分中，要對模塊數量和結構進行合理控制，從而降低設計難度和設計成本，確保主系統穩定性。另外，要對各模塊的接口進行考慮，確保各模塊接口標準化、統一化、通用化，從而實現相同功能模塊的互換、不同功能模塊的有機組合，力求以少數模塊組成相對完整的系統，以縮短設計周期，降低設計難度。此外，要對模塊更換、更新、維護進行考慮，確保模塊的實用性、適用性。

例如：齒輪減速器設計中，模塊劃分應分為：箱體模塊、齒輪模塊、軸模塊、端蓋模塊、通用模塊等[3]。因此，模塊化齒輪減速器由箱體、齒輪、軸、軸承、端蓋等所組成。在具體設計中通用模塊必須考慮到批量制造問題，所以要以現有制造技術為基礎進行設計，從而降低制造難度和成本，確保機械設備生產制造的經濟性。

4 結束語

現代生產活動已離不開機械設備的運用，人類社會正常全面走向機械化，人們對機械設備需求量越來越多，對機械設備性能要求越來越高，傳統機械設計方式逐漸難以滿足市場需求。而從正文的分析可以知道，模塊化設計方法能降低設計難度，提高設計效率，降低設計成本，縮短機械設備制造周期，所以機械設計中應積極融入模塊化設計方法。

參考文獻

[1]張學玲. 基于廣義模塊化設計的機械結構靜、動態特性分析及優化設計[D].天津大學，2014，32：8055-8057.

[2]龔京忠. 基于FPBS的機械系統模塊化設計方法與應用研究[D].國防科學技術大學，2014，11（14）：132-135.

[3]王學福. 機械產品模塊化可適應設計平臺的構建及其實現技術[D].天津大學，2015，13（03）：119-126.