機械設計中的模塊化設計

李 薇

（南充職業技術學院機電工程系，四川南充 637131）

0 引言

中國制造2025國家戰略的提出，推動我國工業化和信息化的深度融合，對機械制造業的發展提出更高的要求。傳統的機械設計生產成本高，維修難度大，更新換代慢，適合于大批量、規格相近的產品加工[1]。采用模塊化設計方法進行機械設計，能優化設計過程，提高設計效率，重組產品結構，縮短機械制造周期，在保證生產質量的基礎上降低成本，同時滿足用戶個性化需求[2]。

1 模塊化設計的特點

模塊化設計是指將產品要素按照性能和規格進行功能劃分，將其規劃為一個個的模塊，通過對模塊進行設計、制作、選擇、組合構成新的系統，產生多種不同功能、不同性能的系列產品，具有設計周期短、制造成本低、維修簡單等特點[3]。① 傳統機械設計從產品構思到模具設計再到成品加工，設計周期長，生產線復雜。模塊化設計能進行模塊之間的有效組合，并根據實際需求進行調整，形成特定產品，設計周期短；②模塊化設計能通過科學的組合，用最少的模塊組合實現所需功能，能用一種設計滿足不同產品需要，減少對機械的重復設計，有效降低成本；③模塊化設計結構具有良好的互換性，當機械設備出現故障后，只需進行故障模塊的調試或更換，避免大規模檢修，簡化維修程序，提高維修效率。

2 模塊化設計的基本流程

2.1 模塊化可行性分析

在進行機械產品模塊化設計之前，要進行模塊化需求及可行性分析。根據顧客使用需求、企業生產需求、市場發展需求等方面確立設計目標，并結合技術難點、經濟預算、開發周期、市場環境等方面進行模塊化可行性分析，制定模塊化設計方案，評估模塊化設計是否可實施，設計之后的產品能否具有較好的生產質量和經濟效益。

2.2 模塊劃分

模塊是具有特定結構和功能，組成系統的獨立單元。模塊劃分是模塊化設計的重要基礎，要求滿足機械產品組成結構的獨立性和整體功能的完整性，保證其精度及可靠性的同時控制模塊的數量。模塊劃分主要包括功能模塊和結構模塊兩大類，功能模塊主要由基本模塊、輔助模塊、特殊模塊等組成，結構模塊以產品零件為基礎劃分標準模塊，要求簡化零件加工步驟，提高裝配質量。

2.3 模塊功能確定

在對機械產品模塊劃分后，要結合使用需求對模塊的總功能進行確定，并將其分解為獨立的功能單元，包括單一功能模塊和多種功能模塊。單一功能模塊如數控機床的立柱和橫架的支撐功能，傳動軸和進給箱的傳動功能，刀具監測裝置和工件監測裝置分別實現對刀具和工件的監測功能。多種功能模塊如卡爪和工作臺能實現工件定位和旋轉等功能，刀架能實現刀具的定位、夾緊、松開等功能。

2.4 模塊組裝

為實現模塊的合理配置，保證模塊化機械產品的實際應用，要對各模塊進行科學組裝。要合理布局，保證組裝的完整性。對模塊接口進行標準化設計，增強模塊組裝穩定性。調整具體參數，使每個模塊的功能高效發揮作用。優化模塊配置，使模塊具備可更換功能，降低故障模塊對其他模塊和機械整體功能的影響。

2.5 模塊調試

模塊化設計完成前要對機械產品質量進行檢查和驗收，包括結構合理性、接口穩定性、柔性化程度、生產成本及效率等。經檢驗產品各項參數和指標都要符合相關設計要求，保證其能滿足設計目標才能投入生產使用，否則需要進一步優化設計，保證產品達到運行要求。

3 模塊化設計與現代制造技術的融合

3.1 計算機輔助技術

利用CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）、CAM（（computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造）、CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）等計算機輔助技術對產品進行建模，在虛擬環境中實現對產品的設計、仿真、加工。計算機輔助技術能存儲模塊化設計標準，簡化對產品尺寸和參數的計算。利用建模和測量軟件將產品結構數據化，利用數字文件充當制造模具，接受計算機傳輸指令，對設計的產品進行虛擬加工，檢驗設計效果，能有效縮短設計周期，節省原材料。

3.2 柔性制造技術

柔性制造技術是在計算機軟件的和數據庫的支持下，結合信息技術、自動化技術、機械加工技術，根據產品的設計要求、性能參數、生產批量對機械設計和制造的過程進行控制，具有高效率、高質量和高可靠性。模塊化設計對柔性制造技術的應用主要在利用模塊的組合實現1機多用、1模多用，用一種設計滿足不同產品需要，進行柔性制造。

3.3 智能制造技術

智能制造利用計算機系統模擬人腦思維，進行制造過程中的分析、判斷和決策，實現機械制造的設計、加工和控制，是中國制造2025國家戰略五大重點工程之一。模塊化設計能解決機械產品結構復雜和功能單一的問題，簡化設計過程，提高設計質量，實現大規模定制生產，是實現智能制造的重要基礎。

4 結束語

模塊化設計順應中國制造2025國家戰略對機械制造的要求，具有設計周期短、制造成本低、維修簡單等優點。模塊化設計包括模塊化可行性分析、模塊劃分、模塊功能確定、模塊組裝、模塊調試等過程，結合計算機輔助技術、柔性制造技術、智能制造技術，提高機械制造水平。