模塊化設計方法在機械設計中的應用

摘要：在機械設計中利用模塊化設計的設計方法可以實現規模化、批量化、個性化的生產，企業可以通過對某些零件進行改進后快速生產出新的產品。文章首先對模塊化設計進行了介紹，然后對模塊化設計的基本原則進行了介紹，分析了模塊設計的特點和過程，最后對包裝機械模塊化設計的實施進行了探討。

關鍵詞：機械設計；模塊化設計；包裝機械；產品模塊；模塊庫 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH12 文章編號：1009-2374（2016）23-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.027

隨著我國經濟的不斷發展，用戶群體逐漸從集中式逐漸過渡到了個體戶，傳統的工業生產已經無法滿足當前的經濟模式和生產方式。企業在更新設備時，如果對所有的設備進行設計更新必然會造成成本的巨額消耗。為了降低成本，可以將機械劃分成類型不同的模塊，并根據實際的需求對模塊進行更換，從而降低設計成本，提高企業的經濟效益。

1 模塊化設計的基本情況

早在20世紀中期，模塊化設計理論已在國外發達國家得到了一定的應用，受到了各大廠家的認可。所謂模塊化設計主要指的是針對不同規格但具備同樣功能或者同一型號而功能不同產品的有效分析，最終設計出一系列的功能模塊產品，借助模塊的組合與有效選擇形成不同的產品類型，以迎合市場的相關需求。隨著時代的發展，傳統的產品設計理念已遠遠不能滿足社會發展之所需，只有創新設計理念，優化設計方案才是有效舉措。

2 模塊化劃分原則

模塊化設計的基本原則是用最少的模塊數量通過一系列組合而形成多樣化的產品，所生產的產品不管是在性能方面還是其他層面都是最優化的，而且采取模塊化設計能夠最大限度地節省施工成本。因此在設計初期相關人員應對模塊類型進行細分。然而縱觀當前我國在該方面的研究還處于起步階段，對模塊的劃分標準仍沒有一個確定依據，當前所劃分的依據主要是按照側重點之間的差異對模塊進行分類的。一般而言，模塊是能組成系統的、獨立的結構單元，通過對產品功能的全面了解，構建總功能、子功能等結構單元之間的相關性，從而為模塊的分類提供一定的依據。模塊劃分應遵循以下原則：一是所劃分的單個模塊單元應具備一定的獨立性；二是各模塊接口之間要進行有效分離；三是模塊與模塊之間的相關性應盡可能少，這樣某一模塊存在異常不致影響其他模塊的正常使用。

3 模塊設計特點和過程

3.1 模塊設計特點

模塊設計的主要特點列舉如下：

3.1.1 產品定義的完整化。設計人員通過對市場相關產品功能的調查分析進行科學有效的設計，通過模塊之間的有效組合形成特定的產品。此外，模塊體系是可以變更的，按照不同設計要求以及相關技術層面的提供創新模塊體系，優化模塊設計理念，從而使所生產的產品不管是在結構方面還是功能特性方面都滿足相關

要求。

3.1.2 盡可能地減少設計周期。根據每個用戶的相關需求，選取有效的模塊對產品進行優化設計，以使其用最少的投入獲得較多的產出。該方法主要應用于小規模生產的制造廠家。

3.1.3 產品性能安全穩定、維修便捷，而且施工成本低。模塊化設計中所使用到的相關設備都是經過嚴格篩選的，設備的使用率高，這樣可方便加工制造技術的有效應用，提高產品的功能特性。通過模塊化設計的應用能夠將產品內部多樣化盡可能地降低，在滿足用戶個性化需求的基礎上提高產品的使用率。

3.1.4 實現知識管理和集成設計。模塊化設計過程不是一蹴而就的，它是一項系統而龐雜的工程，也是對產品結構設計的規范過程，構建模塊接口與產品知識信息是模塊規劃得以有效實施的根本保障。產品模塊化設計應貫穿設計與管理的整個階段中，通過對產品知識的科學管理，可為設計人員提供一定的便捷，促使其對模塊不斷優化與改進，增強生產的實效性。

3.2 模塊設計過程

一般而言，模塊設計分為兩大板塊進行：一是系列模塊產品研制階段，此階段主要是按照市場的相關調查數據對整個研制階段進行模塊的有效設計；二是單個產品的模塊化設計，本階段主要是根據用戶自身的實際需求對模塊進行選擇，從而設計出符合要求的產品。系列產品與單個產品的模塊化設計過程見圖1所示。

通過對圖1的分析得知第一層次是模塊化設計的主要過程也是最為關鍵的階段，其中模塊的劃分又是整個階段中的核心環節，采取科學、合理的劃分方式對模塊化的優化設計可起到一定的促進作用，從而有效防止模塊組合時出現錯亂等不良現象的發生。待第一層設計完成后設計人員需對整個過程進行全面檢查，滿足相關要求后即可開始第二層次的設計。

圖1 系列產品與單個產品的模塊化設計過程

4 包裝機械的模塊化設計探討分析

4.1 包裝機械的基本特征

包裝機械與其他機械存在一定的差異，是一種特殊類型的機械，而且據調查大多數包裝機械都存在這樣一種特點即機械結構復雜多樣化，具有較好的靈活性與柔性。隨著時代在變遷，包裝機械的更新速度也在不斷加快，因此整臺包裝機械采用模塊化設計方案可大大降低包裝機械的研發周期，增加產品的類型，從而適應瞬息萬變的市場需求。用于完成包裝過程的機械類型有充填機械、標簽機械、干燥機械等11類。對于同種類型的包裝機，在組成成分上基本相吻合，不同的是包裝材料的選擇以及計量方式之間存在一定的出入，在實際包裝中應根據包裝機的相關特點采取合理的方式進行包裝施工。

4.2 基于功能層次的包裝機械模塊劃分

由于包裝機械具有結構復雜多樣等特征，在進行模塊劃分過程中，應以包裝機械中的主要部件為主進行合理、有效的劃分。按照集合論的相關特征表述，若功能域與結構域在信息需求與表達方式存在不同時，而從功能表達空間到結構表達空間的映射，則充分說明兩個空間具有一定的函數關系。功能域將產品的實際特征進行層層分解，從而形成產品功能結構映射圖，這種結構單元要根據功能與結構的相關特點判斷其是否可以作為模塊。

圖2 功能結構映射原理

對于不同類型的包裝機械，在模塊設計時要根據機械的功能差異對其進行逐層細分，在細分中要注意劃分層次要根據不同型號的包裝機械采取合理的分層方式，若分層過多則映射到結構部件的粒度大小在模塊間的接口標準與實際需求不相吻合。但若層次過少則模塊化設計的有效性也不能充分體現出來。通常情況下普通的包裝機械分為兩層左右即可，而特殊的包裝機械則可適當增加，待分層模式完成后借助功能結構映射原理，將各個層次的映射結果投射到部件上，以明確模塊所屬的類型以及劃分細則。

4.3 包裝機械模塊庫的有效建立

經過綜合權衡后產品模塊劃分完成后，進一步對模塊的結構進行優化設計，從而形成系統全面的模塊庫。包裝機械模塊庫的有效建立可在一定程度上使用標準的模塊與零部件完成新產品的研發工作。因此為了使所建立的模塊庫能夠重復使用，在模塊設計中要采用一些先進的技術理念，比如計算機輔助設計等優化設計理念，創新設計方案，并將模塊組織存儲到指定的數據庫中。近些年來，隨著科技發展浪潮的不斷推進，新技術、新理念層出不窮，電子技術等新興科技在包裝機械中得到了廣泛的應用，虛擬概念也由此應運而生，按照不同客戶對產品的相關需求調用模塊庫中事先存儲的各種虛擬設計方案，然后將實際生產中所使用到的數據進行整合處理后輸入計算機系統中，計算機三維模型即可模仿真實的工作場景進行操作，并能根據客戶所提出的建議進行適當的修改，直到達到客戶的認可度。

5 結語

綜上所述，模塊化設計可以提升零部件產品的通用化、標準化程度，可以使這些通用件和標準件保持生產量。降低設計成本，適應市場多變的基本要求，同時模塊化設計還可以實現機械創新，促進我國機械行業的

發展。

參考文獻

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作者簡介：許軍（1981-），女，河北滄州人，惠州商貿旅游高級職業技術學校講師，廣東工業大學在職研究生。

（責任編輯：蔣建華）