模塊化設計方法及其在機械設計中的應用

劉海嬰 楊錦濤

江蘇省靖江中等專業(yè)學校 江蘇靖江 214500

機械設備廣泛應用于工業(yè)生產、建筑施工、農業(yè)種植等多方面，機械設備是各個行業(yè)的基礎，機械設備的質量直接決定著整個工業(yè)體系的發(fā)展。模塊化設計，通過調節(jié)各個子程序之間的連接關系，保證整個的軟件穩(wěn)定運行，在降低整體的制造成本的同時，確保設備運行的安全和穩(wěn)定性，模塊化設計是我國制造業(yè)發(fā)展的未來趨勢。

一、模塊化設計方法發(fā)展概況

模塊化設計的研究工作始于1950年，此時國外已經研制出了一些模塊化產品。但我國的機械行業(yè)發(fā)展較晚，直到90年代后計算機技術飛速發(fā)展，CAD技術、UG、CATIA、SolidWorks等軟件系統(tǒng)的開發(fā)，推動了模塊化生產技術。當下，模塊化技術已經廣泛應用于建筑、家居、電子、航天航海等各個行業(yè)。將模塊化設計引入整體的機械工程中，能夠解決內部建模中存在的問題。模塊化設計是機械設計發(fā)展的必然趨勢，也是工業(yè)自動化時代的基礎要求。

模塊化設計是機械設計中一種重要的方法，實現(xiàn)了對每個模塊全方位的思考。要求設計人員在設計過程中應該加強前期的分析，明確模塊的基本功能，合理進行拆分，在保證模塊獨立性能的基礎上，做到相互更換，從而實現(xiàn)整個功能的升級。下面將主要介紹模塊化設計方法的優(yōu)點。

(一)節(jié)約成本

模塊化設計簡化了整體的包裝過程，在傳統(tǒng)機械過程中，需要依照產品自身特性采取特殊的包裝過程，相對而言作業(yè)范圍過于狹小，設計出來的包裝只能應用到同一規(guī)模下的產品，生產的適用性有限，很容易出現(xiàn)人力、物力上的浪費。模塊化設計能夠滿足各種產品的要求，促進包裝簡單化、集約化，降低了整體包裝成本。

(二)便于后期維修

在模塊化設計理念下，各個模塊相對獨立，操作較為簡單，整體系統(tǒng)的自由度較高，更好地滿足當下機械發(fā)展的個性化要求。模塊化設計中大多采用標準零件，本身可替換性強，當機械出現(xiàn)故障時，可以通過簡單方法，明確故障部位，及時替換，避免了不必要的資源浪費。

(三)跨系列生產

在模塊化生產設計中主要包括橫向的模塊化設計、縱向的模塊化設計，橫向的設計方式是指在不改變原產品的基礎上，生產其他形態(tài)的產品，相對容易操作。縱向的模塊化設計是對不同規(guī)格的產品進行統(tǒng)一的籌劃，能夠有效節(jié)約資源。在不斷發(fā)展過程中形成了橫向與縱向相結合的模塊設計，能夠最大程度上滿足工業(yè)生產的要求。

二、模塊化設計的先進理論

(一)可拓理論

將可拓理論應用到模塊化設計中，是利用物理的方法建立模塊，基于產品族之間的關系，通過信息的建模和檢索，整合多種的物源模型，利用可拓變化法對于模塊進行操作，借助關聯(lián)函數進行匹配，增加產品設計的智能性。

(二)公理化設計理論

公理化設計理論最早在20世紀70年代提出，是一種以公理為基礎的方式，本質上是用數學理論的方式，減少在設計過程中存在的錯誤理論。公理化設計將整個模塊分為用戶、功能、結構、工藝等不同部分，在設計過程中四個域相互映射，可以直接檢驗出在設計過程中存在的邏輯關系，實現(xiàn)對模塊的有效分解，確保整體的模塊劃分更加合理。

三、模塊化設計中存在的問題

模塊化設計涉及了多重領域知識，而部分操作專業(yè)知識上存在欠缺，缺乏有效的數據意識，不利于機電一體化的長期發(fā)展。模塊化設計是工業(yè)生產的必然趨勢，模塊化設計集成系統(tǒng)前期投入較高，需要大量底層信息的支持，部分企業(yè)缺乏有力的研發(fā)部門，本身對模塊化設計認識不清，不重視智能控制技術，內部缺乏有效的數據管理機制，日常作業(yè)系統(tǒng)混亂。

模塊化設計對軟件和硬件的要求較高，在實際生產過程中各個工序之間的協(xié)調性較差，控制技術數據的集成性較差，采集效率和準確度欠佳，缺乏完整的數據管理標準。此外，在數據分析過程中難免會出現(xiàn)差異，圖像、文本存儲在不同的載體內，在調用過程中可能出現(xiàn)不兼容，給后續(xù)的統(tǒng)籌管理帶來了巨大的風險。

四、模塊化設計要求

(一)明確總體布局

在模塊化產品生產過程中，要根據產品類型，強化前期的品牌規(guī)劃，明確模塊化設計的功能，結合市場要求進行可行性分析，構建模塊庫，編寫相應的技術性文件，下面將主要介紹模塊化生產的總體布局。

1.調查市場需求

需求是產品開發(fā)的起點，在此階段需要根據功能將客戶分為不同群體，明確主要客戶以及客戶群的功能需求，通過有效的市場前期調查，定位市場中存在的同類型產品，確定原始數據，根據原始數據進行分析，合理確定本產品的創(chuàng)新點。

2.擬定產品譜系

當下市場要求五花八門，產品系列化的主要內容是確定產品系列以及產品功能所覆蓋的范圍，劃分縱向系列產品、橫向系列產品、跨系列產品以及全系列產品，根據擬定的族類，開發(fā)核心平臺和其他輔助模塊，以核心平臺為基礎構，通過Visual C++、Turbo C、JAVA等編程語言，借助SQL數據庫實現(xiàn)對數據的清洗和管理，以優(yōu)化整體的產品系列類型，在控制成本的基礎上，滿足多樣化的市場需求。

3.擬定產品參數

產品參數的確定與產品系列譜擬定是交叉進行的，橫系列或者是跨系列的產品主參數可能不同，在確定產品圖譜之后，要給出系列產品的參數范圍，根據歷史信息和市場相似產品確定參數、考慮客戶要求，借助有限元分析，給出產品最優(yōu)解。

(二)強化模塊化功能分析

在功能分析式模塊化設計中，需要把產品分成不同模塊，以最小單元為基準進行設計，在功能分析時要明確各個功能模塊之間的相關性，重新組合模塊，構建完整的產品功能模塊系統(tǒng)，綜合模塊數量、成本、工作效益之間的關系，在最小成本區(qū)內進行開發(fā)。從機械設計的本質而言，可以將產品分為任意層，模塊的模塊本身層次越低，整體的設計越簡單，通用化的程度越高，隨著模塊數量增加，接口數量呈級數增長，后續(xù)的制造、裝備、包裝也更加困難。因此在模塊化設計時需要綜合考慮設計、裝配、維修、成本等不同因素。將子功能劃分到每個功能區(qū)，建立聯(lián)系。機電產品中的各個零件并不是孤立存在的，本身存在一定的相關關系。兩塊功能模塊之間有直接的裝配關系稱為直接相關，而還有部分模塊本身沒有直接裝配關系，但其位置有嚴格的要求稱之為間接相關，因此在實際管理過程中要統(tǒng)籌模塊之間的幾何相關條件和物理相關條件，通過模糊聚類的方式，構建相應的矩陣方程，借助評價準則擬定最終的作業(yè)方案。

1.幾何相關條件

幾何相關條件對兩個模塊之間的靜止位置、復原情況、相對運動軌跡有著極高的精度要求，需要綜合考慮兩模塊之間的垂直狀態(tài)、平行度、同軸度。

例如，普通機床上的主軸箱和床身模塊，在裝配過程中應該確保主軸軸線與導軌之間的平行度，主軸中心線應與尾座之間的中心線保持在同一水平線上，主軸要與刀架、床身位置都應該符合基礎的幾何條件。因此在實際設計過程中要通過有限的約束，以保證各個系統(tǒng)處穩(wěn)定位置，從而保證機械正常運轉。

2.物理相關條件

物理相關條件主要是兩模塊之間存在著能量流、信息流、物料流。能量流包括驅動力轉軸、電流、液壓力，一個模塊需要另一個模塊的驅動執(zhí)行，才能夠完成一定的運動狀態(tài)。信息流主要是包括模塊之間電、光等信號的傳播。物料流主要是工件、刀具的傳遞在數控機床中。在實際模塊設計過程中，應該綜合考慮能量接口與信息接口，綜合法蘭連接、焊接的不同連接方式，確保各個要素處于標準狀態(tài)。

(三)構建完善的操作系統(tǒng)

現(xiàn)代機械的開發(fā)要將軟件工程與硬件工程結合起來，基于機械設計的基本原理，綜合軟件設計，避免前期開發(fā)中存在的問題。基于產品的三維參數和模塊化設計的要求，從工程學等不同方面進行考慮，實現(xiàn)有效的系統(tǒng)分析、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)維護。合理選擇系統(tǒng)開發(fā)平臺與數據庫平臺。

1.開發(fā)系統(tǒng)

目前，機械開發(fā)的主要軟件是借助CAD進行二次開發(fā)，二次開發(fā)不同于一般的軟件開發(fā)，不是從底層設計開始的，而是在已有的軟件上進行開發(fā)，二次開發(fā)繼承性較強，能夠有效降低整體工作壓力。在實際作業(yè)過程中要選用成熟的版本，較高的基礎軟件如Engineer、UG、CATIA、SolidWorks等，確保整體開發(fā)的互交性，綜合優(yōu)等各種軟件明確特征曲線、線框構架、尺寸信息、驅動單一關聯(lián)等基礎信息。

2.開發(fā)工具

當下計算機技術快速發(fā)展，開發(fā)工具多種多樣，有Visual C++、C++BuiIder、Turbo C、Visual等各類開發(fā)工具各有特色。在機械設計領域中需要綜合匹配硬件信息和開發(fā)平臺，VisualC++6．0集編譯、連接、調試于一體，為編程人員提供了一個相對簡單的開發(fā)界面，內置一定的輔助開發(fā)功能，能夠面向對象開發(fā)，效率較高。

3.數據庫

一般工程設計的數據庫主要以SQL數據庫為主，SQL數據庫功能強大，可以實現(xiàn)自動備份、自動更新、事務管理等多重功能，它具有全中文界面，便于用戶學習、交流方便。

4.頁面展示

頁面展示是系統(tǒng)開發(fā)中重要的一環(huán)，在實際設計過程中，要借助TCP協(xié)議，通過對零部件的參數化和標準化管理，借助CS構架，綜合客戶端和服務器端，實現(xiàn)互交式管理，明確零部件打包上傳、參數化設計、外觀展示等多種功能。

客戶端主要是負責模塊化管理，能夠綜合產品管理，協(xié)同產品模塊化分類，建立信息檢索、修改、刪除等功能。在產品進行管理過程中，定期對數據庫進行恢復和備份工作。設計人員需要通過組合參數對模塊進行組合管理，操作系統(tǒng)會自動顯示結果，如果組合失敗，可以重新進行組合，組合的模塊可以直接生成工程圖紙，完成后續(xù)的圖紙輸出。

服務器端主要負責模塊的后臺管理、服務器的調用、接收客戶端的請求并做出應答。服務器端相對工作壓力較大，需要完成產品參數化的計算，根據控制圖形匹配最佳的歷史信息，對模型進行標準化處理再返回給客戶端，由客戶端顯示參編結果。集成控制要明確代碼與地址編碼之間的關系，K1代表代碼中的自動停止信號，X0代表地址編碼中的自動和停止信號，完善內部的I/O設計與地址分配，明確整體的數據管理，實現(xiàn)對信號的識別和參數優(yōu)化。通過測算電機勵磁流量、電機轉動慣量，繪制特性曲線，給定變頻器特殊的速度運算方式，實現(xiàn)有效的集成控制與模塊管理。

五、模塊化設計在機械設計中的應用

(一)在數控機床上的應用

數控機床作為機械生產中的一個基礎構件，數控機床是裝有控制系統(tǒng)的自動化機床。能夠根據編碼執(zhí)行規(guī)定的程序。數控機床可以按照圖紙要求加工出來規(guī)定形狀和尺寸的零件。數控機床是一種柔性高效能的自動機床，能夠實現(xiàn)精密小批量、多品種的零件加工。將模塊化設計應用到數控機床時，可以實現(xiàn)對模塊功能的分解利用，在模塊劃分時需要綜合考慮車床的整體性能，統(tǒng)籌管理各項基礎參數，將功能分解為最小單元，體現(xiàn)模塊化設計的優(yōu)勢，在功能分解時應該綜合考慮用戶需求、市場需求。要借助的具體參數，應該從車削的旋轉面方向入手，綜合考慮車床的精密度，執(zhí)行檢測功能，確保車床的質量和實際使用情況。

(二)在柔性制造中的應用

當下我國機械制造業(yè)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單一的機械制造難以滿足市場要求。柔性制造技術應運而生，將模塊化設計方法與柔性制造相結合，能夠最大限度上滿足工藝的要求，在有效成本的投入下，實現(xiàn)不同風格、不同產品之間的變換，模塊化設計方法能夠解決機床的共性問題，實現(xiàn)一機多用、一模多產的需求。

(三)預測、模糊控制技術

預測控制技術主要是通過全面收集及其在工作中產生的各項數據，從而預測機械的生產情況。預測控制技術以數據為基礎，以時間為核心，通過對大量數據的控制能夠形成更加精準的智能化、模塊化控制模型。通過實時監(jiān)控、精確細分，明確機械設備在工作過程中存在的各種隱藏問題，實現(xiàn)提前檢修，確保整體設備運行的穩(wěn)定性與安全性。當下，電子機械電子工程技術不斷發(fā)展，管理人員要合理通過模糊控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對生產環(huán)境進行合理控制，簡化生產作業(yè)的流程，優(yōu)化目標的工作節(jié)點，應用模糊控制技術后，可以高效地收集、分析和處理數據，通過對不同技術的合理搭配，實現(xiàn)技術之間的優(yōu)勢互補，提高整體工作的自動化水平，確保整體工作順利開展。

六、模塊化設計的發(fā)展方向

(一)集成化發(fā)展

集成化發(fā)展從本質上來講是將不同功能的模塊組合在一起，工業(yè)機械的集成化發(fā)展是工業(yè)智能時代的必然要求。就目前的工業(yè)機械生產過程來看，占地面積較大，資源浪費現(xiàn)象嚴重。因此在未來發(fā)展過程中，應該整合多種實際功能，借助可編程控制器實現(xiàn)對多種功能的調控，減少機械設備的占地面積，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)精細化、集成化操作。

(二)自動化

在零件生產過程中，不同的機械設備負責不同的操作單元，在機械設備作業(yè)時對計算機語句和指令進行輸入和描述。目前，工業(yè)機械的生產過程中需要和大量外界信息，自身工作效率不高。而模塊化發(fā)展可以有效降低程序的復雜度，降低機械設備的工作負荷，保證機械能夠高效穩(wěn)定工作。

(三)理論實踐化

機械產品的模塊化設計中蘊含著豐富的信息，未來機械設計將會朝著模塊化、智能化的方向發(fā)展，未來發(fā)展中將會結合可拓學的基本理論和設計方法，提高整體的模塊配置。引入公理理論和獨立性理論，對機械產品進行層次劃分確保各個子系統(tǒng)的有效合作。

結語

模塊化設計在機電范圍廣泛，模塊化、數據化、智能化是整個行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，因此管理人員應該合理利用智能控制系統(tǒng)，明確在作業(yè)過程中存在的問題，合理選擇系統(tǒng)開發(fā)平臺與數據庫平臺，滿足市場的多樣化要求。