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(zhǎng)，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(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)制造所提出來(lái)的要求會(huì)越來(lái)越高，同時(shí)也更加注重對(duì)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(huì)的發(fā)展淘汰了一些落后的技術(shù)，對(duì)于新的機(jī)械設(shè)計(jì)，如果沒(méi)有辦法對(duì)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(méi)有辦法呈現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[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(lái)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(shì)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(duì)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(jiǎn)介

模塊化設(shè)計(jì)主要是針對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)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(guò)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(kāi)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(duì)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?cè)谶M(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(kāi)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保可以開(kāi)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(lái)開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程，第二個(gè)是模塊化設(shè)計(jì)的單一產(chǎn)品，如圖2所示。總的說(shuō)來(lái)，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(guò)程

（1）市場(chǎng)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(kù)。

（6）編寫(xiě)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(shì)和特點(diǎn)[8-9]。

（1）對(duì)于模塊化的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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(huì)使得包裝的流程得到有效的簡(jiǎn)化，因?yàn)檫@種方法會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)有所不同，而且模塊的組成也會(huì)有很大的差異[10]。

對(duì)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(dòng)內(nèi)外缸、內(nèi)外錐體、溝槽、平面、螺紋和各種旋轉(zhuǎn)面。對(duì)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(dòng)功能。

2.2 對(duì)模塊進(jìn)行合理的劃分，明確模塊分工

通過(guò)對(duì)總功能進(jìn)行分解，可以看出，一個(gè)或多個(gè)函數(shù)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)某一功能，即一對(duì)一對(duì)應(yīng)；一個(gè)函數(shù)由多個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，即單對(duì)多的關(guān)系；某些多個(gè)功能由一個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，即多對(duì)單的關(guān)系[11]。如圖3所示。

圖3 功能與模塊對(duì)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(dòng)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(guò)對(duì)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(duì)數(shù)控車床開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)程當(dāng)中。對(duì)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(guò)程當(dāng)中，人們要結(jié)合具體的需求來(lái)確定模塊的功能，同時(shí)還要開(kāi)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(duì)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(dòng)。

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(duì)功能分解進(jìn)行細(xì)化之后，可以進(jìn)一步對(duì)組件中的一些組件進(jìn)行模塊化。通過(guò)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(guò)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(huì)阻礙模塊的結(jié)構(gòu)。如圖4所示，對(duì)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(duì)模塊化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行技術(shù)組裝的操作，簡(jiǎn)而言之，就是對(duì)模塊進(jìn)行有效的分配，同時(shí)在具體的組裝過(guò)程當(dāng)中，對(duì)整體布局的合理性進(jìn)行考慮，對(duì)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(guò)程當(dāng)中遇到的問(wèn)題，那么可以及時(shí)更換其中有問(wèn)題的設(shè)備，同時(shí)要保障在故障模塊更換的過(guò)程當(dāng)中，其他模塊依然可以正常的運(yùn)行，不會(huì)因此停止工作。

在設(shè)計(jì)工作完成之后，還要對(duì)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(guò)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(duì)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的貢獻(xiàn)方面。模塊化推動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shì)。

在今后發(fā)展的過(guò)程中，隨著智慧化程度發(fā)展的提升，無(wú)論是機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)還是其他行業(yè)，對(duì)于智能化的發(fā)展都是十分重視的，甚至將其作為未來(lái)的主要發(fā)展方向。在這樣的背景之下，特別是在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)不斷激烈的背景之下，誰(shuí)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(shuí)就能占據(jù)市場(chǎng)，因此這也給了模塊化設(shè)計(jì)發(fā)展的生計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，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(kāi)創(chuàng)機(jī)械在設(shè)計(jì)方面的開(kāi)放化和標(biāo)準(zhǔn)化，最終使得機(jī)械制造商在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中，依然占據(jù)著優(yōu)勢(shì)的地位，推動(dòng)我國(guó)整體機(jī)械化水平的發(fā)展。

為了有效地推動(dòng)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(guò)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(lái)使得實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)工作獲得有效的推開(kāi)，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。