機械產品模塊化設計探討

李曉麗

摘 要：目前，機械制造企業面臨的市場環境并不樂觀。企業若要保持自身的生存空間與競爭力，必須提升產品創新能力、壓縮設計周期，還要保證用戶化程度，以低成本獲取高收益。在這種要求下，模塊化機械產品應運而生。它的出現促進了產品迭代，進一步提升了產品的質量，擴大了應用范圍，為企業發展帶來了動力。鑒于此，文章對機械產品模塊化設計進行了闡述，著重分析了模塊化平臺構建，并提出了相關觀點，以供參考。

關鍵詞：機械產品；模塊化設計；平臺結構

1 模塊化設計概述

模塊化設計是目前機械產品設計過程中的主流方法之一。該方法在壓縮產品設計周期、提升產品質量及降低成本方面具有較大的優越性。同時，采取模塊化設計可為用戶提供個性化定制。模塊化設計并不存在準確定義。通常認為，模塊化設計是在不同規格產品功能分析的基礎上，劃分出一套具備不同功能特點的結構模塊，并讓這些模塊得以通用化[1]。對于用戶而言，通過篩選所需模塊進行組合，即可滿足自身需求。模塊化設計賦予了產品多元化特征，并實現了產品系列化。基于這種特性，可讓產品在最大程度上滿足市場需求。模塊通用化則在原有成熟產品的基礎上進行完善，在提升產品質量的同時，有效控制了成本。即便是相同功能的模塊化產品，也不見得是單一類型的部件，可由多種互換模塊部件構成。通過組合，使其在結構及性能方面更為協調。模塊化設計的發展從一定程度上促進了零件及接口標準化的實現。另外，模塊化結構產品具有良好的維修性。單個模塊易于拆卸、組裝，不會受到工具、器材、空間的限制，給維修工作帶來了便利性。

2 模塊化平臺特征分析

2.1 機械產品模塊化特性

模塊化產品具有可分性與可變性兩種特征。可分性又分為內部可分性與外部可分性。外部可分性體現了模塊化的層次，是產品由模塊化零件組成的程度；內部可分性則是指產品可被分為與特定價值鏈密切關聯的獨立活動的程度。可變性也被分為內部可變性與外部可變性，內部可變性是指產品在定制過程中獲取特定屬性不同子集的程度；外部可變性則是指某些屬性自身被定制化的程度[2]。由于機械產品是由不同零件、部件采取一定規則或結構形式所組成的，所以機械產品具有系統化特征。這種系統化特征與模塊化產品的可變性及可分性特征是相吻合的，這為實現機械產品模塊化提供了基礎。作為一個系統化產品，機械產品具備了以下特征：

（1）整體性。系統由多個子系統或子模塊構成。各子系統或子模塊具備了獨立性功能，但子系統或子模塊必須滿足系統整體化功能需求。

（2）功能性。系統可實現特定產品功能需求。

（3）關聯性。子系統或子模塊相互之間具有密切關聯，可產生相互作用，同時又相互制約。

2.2 模塊化平臺適應性分析

模塊化平臺構建過程中，會涉及到理想模型、功能模型及系統實現模型。理想模型大多數情況下來源于經驗、行為認知、概念，體現了設計者對產品的期望；功能模型以內部結構及工作原理為基礎，是產品可實現功能的總和；系統現實模型是通過設計、生產、制造，最后置于用戶面前的產品[3]。事實上，模塊化產品的構建需要一個周期化的過程，以數控機床平臺為例，其構建流程如圖1所示。

模型是產品構建的基礎，然而要保證產品的適應性，就需要對其匹配度進行充分考慮。以數控機床來說，當普通機床出現后，隨著用戶對機床產品認知度不斷加深，用戶對理想模型的要求也會隨之升高，用戶不再滿足人工機床操作，所以在理想化模型中便會考慮到采用自動化替代人工化作業。但是普通機床與理想化模型差距較大，匹配度較低，數控機床與上述理想模型具有更高的匹配度，這也就促進了普通機床向數控機床的轉變。匹配度越高，說明系統實現模型與理想模型愈接近，系統實現模型性能也就更優，更符合用戶需求及預期。

3 模塊化平臺構建分析

（1）功能定義。對產品功能進行有效分解，精確到每個零件的屬性及功能，實現模塊與功能一一映射。（2）架構需求。主要參考市場調研、需求分析結果并進行相關分析，從而準確把握產品功能需求，作為產品規劃導向。（3）模塊分類。模塊分類基于功能定義，是更為細致化的類型劃分。模塊分類需綜合考慮組織架構、研發流程、采購、裝配、制造及運輸等多個環節，以現有成熟結構體系為基礎，結合市場需求對產品進行優化調整。同時，還要對零部件借用關系進行整合，從而降低模塊數量，提升模塊利用率。新構建的模塊需充分認證、審評，要結合市場動態性變化進行調整，以確保產品質量。（4）定義接口。以標準化接口為導向，對模塊接口進行定義，保證模塊之間的信息可有效傳遞。

模塊化平臺由用戶需求數據庫結構及軟件系統所支撐。數據庫中容納了用戶定制相關信息，數據分為兩類即動態化數據與靜態化數據。動態化數據會隨著用戶需求、市場需求、功能需求變化而不斷更新，使數據庫與外部環境保持緊密聯系。靜態數據多為原始標準數據，不能刪除，也不會被使用者所修改。軟件系統由面向對象的建模技術所構建。系統子功能的類之間需降低關聯程度，從而降低不同類別子功能間的耦合度。這樣有利于程序修改，給開發者帶來便捷。

在具體模塊設計過程中，通過導入接口骨架模型及模塊3D設計模板來保證模塊設計質量及效率。不同類型的模塊會采取與之對應的骨架模型，可保證模塊之間的獨立性及接口的統一性。應用模塊3D設計模板則可實現快速化、自動化建模，避免了手動建模的重復性。在此基礎上加強相關接口管理，編制接口規范，建立接口矩陣表。同時，對模塊輸入接口、輸出接口的表達形式、類型、內容等進行統計，來確定模塊基準零點。模塊設計完成后，需對其進行有效管理、維護。以模塊層級結構為導向，設立模塊庫（結構樹模式），模塊庫中的模塊類型與譜表中的模塊一一對應。結合上述用戶需求數據庫中的統計數據，對模塊庫進行優化、升級。

4 結束語

在技術迭代步伐愈來愈快的背景下，模塊化設計顯然與市場發展趨勢相契合。模塊化設計不僅滿足了用戶的個性化需求，同時還提升了產品生產效率及質量水平，為行業整體發展奠定了基礎，使工業設計水平邁向了更高的階層。

參考文獻

[1]趙應娟.機械產品三維化和模塊化設計平臺研究[J].現代商貿工業，2011（6）：281-282.

[2]周煒.機電產品模塊化的總體設計方法探討[J].科技廣場，2011（3）：175-178.

[3]李鵬德，李彬，閔鵬，等.模塊化設計在機械壓力機設計中的應用探討[J].鍛壓裝備與制造技術，2014（4）：44-46.