機電結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計研究與應(yīng)用

王淞磊

（中化工儲運有限公司 山東萊州 261400）

機電結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計研究與應(yīng)用

王淞磊

（中化工儲運有限公司 山東萊州 261400）

機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發(fā)展有賴于相關(guān)技術(shù)的進步，模塊化是其主要的發(fā)展方式之一。

機電結(jié)構(gòu)；模塊化設(shè)計

1 模塊化設(shè)計的概念及其意義

1.1 模塊化設(shè)計的概念

模塊化是以可完成獨立功能的模塊為基礎(chǔ)。具有通用化、系列化、組合化的特點，是可以解決復(fù)雜系統(tǒng)多樣化與功能多變要求的一種標準化形式。

模塊化設(shè)計（Modular Design，MD）是指模塊化設(shè)計是指在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求的設(shè)計方法。

1.2 模塊化設(shè)計的意義

采用模塊化設(shè)計具有以下優(yōu)點：

（1）有助于提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量；

（2）提高工作效率和節(jié)省生產(chǎn)周期；

（3）節(jié)約生產(chǎn)成本；

（4）有助于改進企業(yè)管理。

2 模塊化設(shè)計的意義

基于上述模塊化設(shè)計的優(yōu)越性，模塊化設(shè)計這一新的設(shè)計概念和設(shè)計方法迅速在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它的競爭優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面解決品種、規(guī)格的多樣化與生產(chǎn)的專業(yè)化的矛盾；另一方面也為先進的制造技術(shù)、提高設(shè)備的利用率創(chuàng)造必要的條件，實現(xiàn)以不同批量提供顧客滿意度的產(chǎn)品，進而使企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化和效益統(tǒng)一。

3 模塊化設(shè)計對系統(tǒng)與功能性分析

所謂模塊是指半自律性的子系統(tǒng)，通過和其他同樣的子系統(tǒng)按照一定的規(guī)則相互聯(lián)系而構(gòu)成更加復(fù)雜的系統(tǒng)或過程。與一體化系統(tǒng)設(shè)計相比，模塊化系統(tǒng)的設(shè)計要難得多。模塊化是一種處理復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品或過程的新方法，一般包括模塊化設(shè)計、模塊化生產(chǎn)與模塊化消費等，其中系統(tǒng)模塊化設(shè)計是整個模塊化的起點和難點。系統(tǒng)的總設(shè)計者必須明確系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，定義模塊的含義，確定模塊的數(shù)量，各模塊的功能如何；確定模塊之間互相作用的共同界面；建立模塊功能和表現(xiàn)的評價體系。這就需要對系統(tǒng)有著深刻的理解，并且運用系統(tǒng)的功能分析法對系統(tǒng)進行功能性的分析分解。正如鮑德溫和克拉克所說，系統(tǒng)設(shè)計者為了確定能使各模塊在遵循顯形界面規(guī)則的前提下發(fā)揮應(yīng)有的功能，必須精通面向機遇產(chǎn)品的定制生產(chǎn)過程的內(nèi)部作用。基于這樣一種考慮，這里提出了一個面向機遇產(chǎn)品的供應(yīng)鏈實施框架，在這一構(gòu)架下定義定制功能模塊，設(shè)置模塊依存關(guān)系及集成方式，實現(xiàn)供應(yīng)鏈定制的集成化運作。

4 機電模塊化設(shè)計的具體應(yīng)用

4.1 市場調(diào)查與分析

在機電產(chǎn)品市場競爭日已積累的情況下，為了使其以足夠多的功能和相對低廉的銷售價格推向市場，設(shè)計者付出了巨大的努力。通用型機電產(chǎn)品雖然能夠很好的滿足各類用戶的需求，但是由于功能過于齊全，使售價提高，用戶不得不為多余的功能承擔額外的費用，成本的上升必然會削弱產(chǎn)品在市場上的競爭力；而專用型機電產(chǎn)品雖然具有良好的經(jīng)濟性，但它限制了品種的變化，使應(yīng)用柔性下降。模塊化設(shè)計思想正式為解決上述矛盾而提出的，它靈活的配置使用戶在產(chǎn)品的功能、規(guī)格方面有更多的選擇余地，既能滿足用戶的要求，又盡可能不為多余的功能承擔額外費用。如果把各部件的基本單元作為基礎(chǔ)，按不同功能、規(guī)格和價格設(shè)計成多種模塊，用戶可以按需要選擇最合理的功能模塊配置成整機。這不僅能降低設(shè)計和制造成本，而且能縮短設(shè)計和制造周期，最終贏得市場。目前，模塊化的概念已開始從功能模塊向全模塊化方向發(fā)展，它已不局限于功能的模塊化，而是擴展到零件和原材料的模塊化。

4.2 確定模塊化設(shè)計類型、劃分模塊

只有少數(shù)方案用到的特殊功能，可有非模塊實現(xiàn)：若干部門功能相結(jié)合，可由一個模塊實現(xiàn)（對于調(diào)整功能尤其如此）。正確合理的模塊劃分將簡化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備的重構(gòu)頻率，提高模塊間的精度匹配，減少重構(gòu)操作的工作量，美化設(shè)備的外觀。另外，模塊的標準化也極其重要，唯有實現(xiàn)標準化，才便于組織專業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，實現(xiàn)不同廠家模塊的互換。按照模塊化設(shè)計的基本思路，對產(chǎn)品進行市場調(diào)查和分析，并綜合制造和裝配等因素，將影響產(chǎn)品功能的設(shè)計參數(shù)。在此基礎(chǔ)上對模塊進行參數(shù)描述，建立各模塊的模板。

4.3 編寫技術(shù)文件

由于模塊化設(shè)計建立的模塊常不直接與產(chǎn)品聯(lián)系，因此必須注意其技術(shù)文件的編制，才能將不同功能的模塊有機聯(lián)系起來，指導(dǎo)制造、檢查和使用。技術(shù)文件主要包括以下內(nèi)容：①編制模塊組合與配置各產(chǎn)品的關(guān)系表。其中應(yīng)包括全系列的模塊種類以及各產(chǎn)品使用的模塊種類和數(shù)量。②編制所有的產(chǎn)品的模塊組和模塊目錄表，標明各產(chǎn)品和模塊組的組長。③編制系列通用的制造與驗收條件、合格證明書以及裝箱單。④編制模塊式的使用說明，以適應(yīng)不同產(chǎn)品、不同模塊的需要。

4.4 進行產(chǎn)品功能分析

假設(shè)種類和規(guī)格過多，雖然市場應(yīng)變能力變強，有利于占領(lǐng)市場，但設(shè)計難度大，工作量大，反之，產(chǎn)品市場應(yīng)變能力減弱，但設(shè)計容易，易于提高產(chǎn)品性能和針對性。所以應(yīng)合理確定模塊化設(shè)計所覆蓋的產(chǎn)品種類和規(guī)格，產(chǎn)品配置是快速設(shè)計階段的重要設(shè)計手段，它為銷售人員定制客戶的個性化需求提供選擇項。根據(jù)客戶選定的選項對產(chǎn)品模型進行定型，為客戶展示產(chǎn)品和提供價格。如果客戶滿意，它將生成生成部門使用的產(chǎn)品制造模型，反之，則為設(shè)計人員提供設(shè)計實例，使定制設(shè)計有了新的起點。為實現(xiàn)產(chǎn)品配置，產(chǎn)品開發(fā)階段應(yīng)考慮并滿足以下需求：①模塊、組件應(yīng)該具有參數(shù)化數(shù)字元模型。②模塊、組件的幾何約束，物理約束能夠得到保障。③模塊、組價之間的約束關(guān)系已經(jīng)確定，即變型時能確定受影響的零部件以及參數(shù)。

5 結(jié)束語

為了增強機電行業(yè)的競爭水平，進行產(chǎn)業(yè)化研究是目前緊迫的任務(wù)，而模塊化設(shè)計是機電產(chǎn)業(yè)設(shè)計的必然趨勢，也是實現(xiàn)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的必經(jīng)之路。

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1004-7344（2016）36-0312-01

2016-11-9