探究機(jī)械設(shè)計(jì)中的模塊化設(shè)計(jì)

彭自良　周建修

摘 要：近年來，機(jī)械制造業(yè)的客戶模式隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展逐漸由集中模式向個(gè)體模式轉(zhuǎn)變，機(jī)械制造業(yè)的商家保證自己獲取利潤(rùn)的唯一途徑就是滿足客戶要求的同時(shí)把成本適度降低。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)要求，深入調(diào)研市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)使用頻率最高的機(jī)械設(shè)計(jì)方法是模塊化設(shè)計(jì)，且隨著使用的不斷推廣逐漸受到了越來越多人的喜愛。通過使用模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)方式一方面可以大大降低機(jī)械制造商的生產(chǎn)成本，另一方面又可以使生產(chǎn)效率得到大幅度提升。本文主要探究了機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)使用模塊化設(shè)計(jì)方式的主要特點(diǎn)，以期為模塊化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)踐提供科學(xué)理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；模塊化；設(shè)計(jì)方法；研究

中圖分類號(hào)：TB846 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）23-0076-02

從某個(gè)角度來看，目前我國的機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)正處于行業(yè)改革創(chuàng)新的攻堅(jiān)階段，當(dāng)下的機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的一部分產(chǎn)品甚至出現(xiàn)供需關(guān)系失衡的情況，形成的原因主要有兩個(gè)方面。一方面是較單一的種類不符合實(shí)際市場(chǎng)的需要；另一方面是生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)成本高居不下，降低了生產(chǎn)效率。在目前經(jīng)濟(jì)水平大繁榮的背景下，要想滿足機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的市場(chǎng)需求，機(jī)械設(shè)計(jì)廠商必須具備更加先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。長(zhǎng)期以來，模塊化設(shè)計(jì)方法始終在機(jī)械的設(shè)計(jì)過程中處于舉足輕重的地位。機(jī)械設(shè)計(jì)廠商如果能以設(shè)計(jì)方式為根本出發(fā)點(diǎn)，從實(shí)際出發(fā)，提高機(jī)械設(shè)計(jì)工作人員在設(shè)計(jì)方式上創(chuàng)新意識(shí)，并持續(xù)進(jìn)行改善與優(yōu)化，一定可以做到在降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上保障產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 模塊化設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)理念

模塊化設(shè)計(jì)是目前機(jī)械設(shè)計(jì)中使用頻率最高的機(jī)械設(shè)計(jì)方式。技術(shù)工作人員在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中對(duì)不同功能、不同規(guī)格和不同性質(zhì)的產(chǎn)品分別一一規(guī)劃，然后按照依照產(chǎn)品具備的特征分類放入不同的模塊內(nèi)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方式稱為模塊化設(shè)計(jì)方式。技術(shù)工作人員還會(huì)通過科學(xué)合理地組合，將各個(gè)模塊組合成為一個(gè)完整的模型[1]。因?yàn)樵谝幌盗袡C(jī)械設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)工作人員除了科學(xué)的規(guī)劃每個(gè)模塊以外，還必須注重各個(gè)模塊組合后可以充分體現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)，所以，這一系列機(jī)械設(shè)計(jì)過程科學(xué)規(guī)范且完整無缺。模塊化設(shè)計(jì)方式大致可分為如下四種：

（1）橫向式模塊設(shè)計(jì)法。該模塊化設(shè)計(jì)方式是以不更改產(chǎn)品本身性能與結(jié)構(gòu)為前提，使產(chǎn)品達(dá)到形態(tài)上的變種。該設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，具有較強(qiáng)的可推廣性。（2）縱向式模塊設(shè)計(jì)法。該模塊設(shè)計(jì)方式則是以不更改產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)為前提，重新設(shè)計(jì)和規(guī)劃性能及規(guī)格有差異的產(chǎn)品。（3）結(jié)合橫向式和跨系式的綜合設(shè)計(jì)法。該模塊設(shè)計(jì)方式能夠在更改模塊設(shè)計(jì)的同時(shí)額外產(chǎn)出另外的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品。該模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于一方面可以大大降低機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)商的機(jī)械設(shè)計(jì)成本，另一方面可以最大程度的優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。（4）全系類的模塊化設(shè)計(jì)法。

2 探究模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過程中，模塊化設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)在于，面對(duì)變化多端的情況只需做一些細(xì)微的變化。該設(shè)計(jì)方式可以使用最低生產(chǎn)成本、最高效地為客戶提供需求。模塊化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)理念層面上來說，它是一種不能被其他設(shè)計(jì)替代的新型設(shè)計(jì)，它具有投入少、回報(bào)大的特點(diǎn)。

2.1 方便保養(yǎng)與維修

模塊化設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)是方便保養(yǎng)和維修。當(dāng)技術(shù)工作人員發(fā)現(xiàn)某個(gè)模塊在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的過程中出現(xiàn)受損的情況時(shí)，不需要更換整個(gè)設(shè)備，僅將受損的模塊替換掉就可以使設(shè)備照常工作。這種可更換模塊式的保養(yǎng)和維修方式一方面大幅度降低了維護(hù)成本的投入，另一方面又使維修時(shí)間大大降低，使生產(chǎn)效率得到了提升。

2.2 包裝流程的優(yōu)化

模塊化設(shè)計(jì)的第二大優(yōu)勢(shì)是優(yōu)化了機(jī)械設(shè)備的包裝流程。傳統(tǒng)的包裝流程在適用性上有一定的局限性，由于傳統(tǒng)的包裝流程通常是根據(jù)各個(gè)產(chǎn)品的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，因此在面對(duì)不同性質(zhì)和不同規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)，又要重新安排包裝流程。這一局限性直接導(dǎo)致傳統(tǒng)包裝流程不僅不便于操作，更需要較多的投入。使用模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)的產(chǎn)品均可使用一種包裝流程，這樣就能夠達(dá)到一個(gè)包裝流程多處使用的目的，一方面是對(duì)包裝資源的節(jié)約，另一方面又節(jié)省了包裝時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率。

2.3 編碼模塊，方便整合

模塊化設(shè)計(jì)的第三大優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)各個(gè)模塊不同的參數(shù)、屬性及規(guī)格進(jìn)行各自的編碼，并貼上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽。編碼模塊后的產(chǎn)品方便整合，產(chǎn)品便于規(guī)范分類，對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)有積極促進(jìn)作用。對(duì)模塊進(jìn)行編碼是開放的、合理的和完整的。

2.4 數(shù)字化模塊，促進(jìn)科技化

模塊化設(shè)計(jì)還可以對(duì)模塊進(jìn)行數(shù)字化編碼，數(shù)字化模塊的優(yōu)點(diǎn)在于在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中能夠明確模塊功能，便于計(jì)算機(jī)操作，避免造成操作誤差。對(duì)模塊的數(shù)字化編碼可以有效降低對(duì)模塊設(shè)計(jì)的投入，也加快了社會(huì)現(xiàn)代化、科技化的進(jìn)程。

3 模塊化設(shè)計(jì)的原則

模塊化設(shè)計(jì)的方法大致步驟是，首先將產(chǎn)品的總設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)一定規(guī)則劃分開來，然后將這些劃分開來的小目標(biāo)向?qū)嶋H模塊轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)過程注重設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)易，效率更高。對(duì)模塊化設(shè)計(jì)方法的步驟分析發(fā)現(xiàn)，第一步劃分總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是整個(gè)設(shè)計(jì)流程的核心步驟，該步驟主要遵循的原則如下：

（1）結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)原則：將結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，使用最簡(jiǎn)化的形式達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)的要求；（2）總體思路原則：通過建立、完善模塊體系，完成總體目標(biāo)；（3）獨(dú)立模塊原則：每一個(gè)劃分開來的模塊可以達(dá)到獨(dú)立使用及可單獨(dú)操作；（4）科學(xué)劃分原則：模塊劃分時(shí)對(duì)模塊的數(shù)量做好科學(xué)把控，確保體系科學(xué)合理；（5）功能整體原則：最終使用模塊化設(shè)計(jì)完成劃分的各個(gè)小目標(biāo)；（6）科學(xué)連接原則：確保劃分的模塊間可以得到科學(xué)化有效連接；（7）降低成本原則：以保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能為前提，降低生產(chǎn)所需成本。

4 模塊化設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化改進(jìn)

4.1 在成組技術(shù)上的改進(jìn)

模塊化技術(shù)在很多方面都可見成組技術(shù)的影子。如，模塊化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中有將模塊劃分、再組合，從而形成一個(gè)完整的產(chǎn)品，這一點(diǎn)在成組技術(shù)針對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行的科學(xué)劃分、再處理有相通之處。仔細(xì)分析模塊化技術(shù)的設(shè)計(jì)理念發(fā)現(xiàn)，模塊化技術(shù)的設(shè)計(jì)理念多取自于成組技術(shù)，有效結(jié)合這兩種設(shè)計(jì)技術(shù)會(huì)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率有較高的提升。

4.2 在柔性制造技術(shù)上的改進(jìn)

柔性制造技術(shù)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的方式更為靈活多樣。將該柔性制造技術(shù)融入模塊化設(shè)計(jì)中可以機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中對(duì)機(jī)床的個(gè)性化處理有較大的改觀。如，技術(shù)工作人員發(fā)現(xiàn)，機(jī)床在使用柔性制造技術(shù)正常工作時(shí)，對(duì)一機(jī)多用沒有任何影響。如果將此技術(shù)特點(diǎn)引入模塊化技術(shù)中，定能大大提高模塊化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中的生產(chǎn)效率，這也是目前模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)中急需突破的重要內(nèi)容。

4.3 在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)上的改進(jìn)

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是指技術(shù)工作人員在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中通過使用CAPP、CAD及CAM等軟件，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算推理，能夠較有效地理順機(jī)械設(shè)計(jì)的思路，還能夠通過一系列科學(xué)合理的手段維護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的穩(wěn)定。隨著人類社會(huì)不斷發(fā)展進(jìn)步，信息技術(shù)在生活中逐漸普及，各個(gè)行業(yè)的正常運(yùn)行都已經(jīng)到了離不開計(jì)算機(jī)的地步，機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)同樣如此，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)引入模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)一方面是大勢(shì)所趨，另一方面也可以確保機(jī)械設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)有效的通告設(shè)計(jì)效率。

5 模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)踐

5.1 在數(shù)控立式車床中使用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)控立式車床集中在結(jié)構(gòu)的劃分方面使用模塊化設(shè)計(jì)，有以下四種表現(xiàn)形式：第一，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)把可以獨(dú)立的單位當(dāng)作模塊，增加各個(gè)模塊的組合數(shù)，從而增加產(chǎn)品的種類；第二，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)把產(chǎn)品的零部件作為劃分的依據(jù)，在不破壞原有模塊的情況下，穩(wěn)步提升產(chǎn)品質(zhì)量；第三，通過使用組件的方法在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)使用模塊化設(shè)計(jì)，換句話說就是將劃分后的模塊持續(xù)改良、優(yōu)化，以使模塊可以實(shí)現(xiàn)更適合實(shí)際應(yīng)用的改觀，以便進(jìn)一步擴(kuò)大模塊化設(shè)計(jì)帶來的收益[2]。第四，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行劃分模塊的過程中要在車床中劃分大件時(shí)特別注意操作的規(guī)范程度，要確保各個(gè)模塊可自由獨(dú)立與組合，為模塊化設(shè)計(jì)后期的改良與優(yōu)化做好準(zhǔn)備。

5.2 在數(shù)控立式車床的功能分解中使用模塊化技術(shù)

數(shù)控立式車床對(duì)模塊化設(shè)計(jì)最主要的作用就是功能分解。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中劃分模塊時(shí)，一定要以車床的完整性為前提，對(duì)模塊進(jìn)行劃分，劃分的時(shí)候要把模塊分解到最小的功能單元，只有這樣才能夠使模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和好處最大程度地表現(xiàn)出來，從而完成模塊化設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。在功能分解中還要注意以下幾點(diǎn)，首先，把滿足用戶的需要放在第一位，即按照用戶對(duì)模塊的要求優(yōu)化模塊，以便分解的模塊可以組合完成用戶的最終目標(biāo)；其次，注意掌握模塊功能的實(shí)現(xiàn)手段，車削是車床工作時(shí)的總功能，故要以車削的旋轉(zhuǎn)面及溝槽等切入點(diǎn)執(zhí)行模塊劃分工作；最后，要做好數(shù)控車床的監(jiān)督工作，保證數(shù)控車床的檢測(cè)及執(zhí)行功能正常，從而保證機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。

5.3 柔性制造中使用模塊化設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)

在社會(huì)不斷進(jìn)步時(shí)代背景下，只有單一功能、低效率的機(jī)械設(shè)計(jì)方式和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸已經(jīng)不能滿足人類的生活生產(chǎn)對(duì)快節(jié)奏的需要，因此，必須改變?cè)O(shè)計(jì)與技術(shù)，創(chuàng)新創(chuàng)造高效的、節(jié)奏快的柔性制造，再在柔性制造中使用模塊化設(shè)計(jì)才最符合當(dāng)代的市場(chǎng)需求。一方面，模塊化設(shè)計(jì)具有靈活性高和可變化性強(qiáng)的特點(diǎn)。而柔性制造技術(shù)在設(shè)計(jì)工藝方面既要求高效的生產(chǎn)效率和低廉生產(chǎn)成本，又要求機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以在不同性能和風(fēng)格上自由切換，使得模塊化設(shè)計(jì)與柔性制造完美契合[3]。另一方面，柔性制造技術(shù)可以通過使用模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，完成一模多用和一機(jī)多用的轉(zhuǎn)變，全面提高生產(chǎn)效率，也可以重新組合車床模塊實(shí)現(xiàn)柔性制造。模塊化設(shè)計(jì)還可以解決生產(chǎn)過程中機(jī)床的共性毛病。所以，將模塊化設(shè)計(jì)融入柔性制造，一定會(huì)成為今后機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的主要研究?jī)?nèi)容。

6 結(jié)語

綜上所述，模塊化設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域最普遍的設(shè)計(jì)方式之一，它在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的實(shí)踐過程中具有眾多實(shí)際意義，模塊化設(shè)計(jì)大大降低了機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的生產(chǎn)成本，使我國的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)全面增強(qiáng)，有效地推動(dòng)了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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