模塊化設計方法在機械設計中的應用探析

劉雙龍，王 兵

（上海振華重工股份有限公司，上海201913）

0 引言

隨著經濟的快速增長，機械設計朝著個性化的方向發展，并且用戶群體對于機械設計制造所提出來的要求會越來越高，同時也更加注重對成本的合理控制。在傳統的機械設計技術當中，社會的發展淘汰了一些落后的技術，對于新的機械設計，如果沒有辦法對模塊化進行合理的設計，促進機械設計和生產的效率的提升，降低整體的成本，就沒有辦法呈現出獨特的優勢[1]。

伴隨著技術的發展，用戶群體在各方面的要求有所改變，這種改變最典型的體現就是原來的集中式轉變為個體戶，在這樣的要求下，節省成本成了大勢所趨。從設計到技術層面等各角度出發，模塊化技術的轉變目前已經基本完成，在劃分和組合的背景之下，可以對不同類型的機械設計進行包裝，最終使得工期得到有效的縮短，在一定程度上實現模塊化機械設計和制造[2]。

1 模塊化設計

1.1 模塊化設計簡介

模塊化設計主要是針對計算機語句的輸入和指令在程序中的編程。首先,用主程序、子程序等框架描述了軟件的主要結構和過程,定義并調試了各幀之間的輸入輸出鏈接。在逐步求精之后,其結果是一系列算法,它們可以描述[3]作為函數的單位。

根據產品中使用的模塊數量，模塊化系統可分為純模塊化系統和混合系統-模塊化系統，由模塊和非模塊組成，其中大部分是機械模塊化系統。根據模塊化組合的可能性，模塊化系統可分為封閉系統，在設計中考慮所有可能的方案；開放系統和系統的設計，主要考慮模塊組合變化的規則。模塊必須實現某些功能，整個產品族功能和相應的模塊類型如圖1所示。

圖1 模塊化產品系統中功能和模塊類型

基本功能是系統中基本的、經常的、重復的、不可缺少的功能，在系統中基本上是相同的功能。相應的模塊稱為基本模塊。輔助功能主要是指安裝和連接所需的功能。相應的模塊稱為輔助模塊[4]。

特殊功能是表征系統中某些或某些產品的特征，使其更適于適應其他系統或可暫時改變的邊界條件。相應的模塊稱為自適應模塊。

1.2 模塊化設計方法

在模塊化的設計方法中，對模塊的劃分以及互換性等劃分決定著整體模塊的功能狀況和可行性。人們在進行模塊劃分的時候，不僅需要考慮制作的方便性，同時也是要考慮在具體實施的時候是否能夠進行輕易的組合。

因此，在進行模塊設計的時候，需要有一個詳細的規劃，并且在開展模塊劃分時考慮到系統當中的整體可更換性，要確保模塊的功能在各個方面具有一定的獨立性，模塊之間的既要結合又要實現各個方面的分離。為了能夠使得模塊之間進行全方位的更換，不同的模塊之間要確保可以開展全方位的更換工作，因此在設計模塊的時候，需要提升可更換性，在接口處的地方進行規格化和標準化的設置[5-6]。

1.2.1 模塊化設計的主要方式

（1）水平串聯模塊化設計。不改變產品的主要參數，使用模塊來開發變形產品。該方法易于實現，具有廣泛的應用前景。

（2）縱向串聯模塊化設計。不同類型的基礎產品設計為同一類型。

（3）除了開發水平產品外，改變一些模塊還可以得到其他系列產品，屬于水平系列和交叉系列模塊化設計。

（4）全系列模塊化設計。整個系列由縱向系列和水平系列組成。

（5）全系列和交叉系列模塊化設計。在整個系列的基礎上，它被用于模塊化設計[7]，其結構更加相似。

1.2.2 模塊化設計步驟

模塊化設計分為兩個不同的層次，第一個是一系列模塊化的產品開發過程，第二個是模塊化設計的單一產品，如圖2所示。總的說來，模塊化設計遵循一般技術系統的設計步驟，但是它比后者更復雜和昂貴，并且每個組件可以實現更多的功能。模塊化設計的主要步驟如下：

圖2 模塊化產品設計過程

（1）市場調查與分析，模塊化成功的前提。

（2）產品功能分析，擬定產品系列型譜。

（3）確定參數范圍和主參數。

（4）確定模塊化設計類型，劃分模塊。

（5）模塊結構設計，形成模塊庫。

（6）編寫技術文件。

1.3 模塊化設計的特點

當前模塊化設計的方法漸漸成為機械設計當中非常重要的組成部分，同時作為一種新型的設計理念，這樣的一種設計方法，有著傳統方法不具有的優勢和特點[8-9]。

（1）對于模塊化的設計來說，它更加便于人們進行設備的檢修。在這樣的情況之下，生產環節就能夠獲得有效的維持，同時也能夠使得實際的維修和質檢工作獲得較大的便利。

（2）模塊化設計的方法也會使得包裝的流程得到有效的簡化，因為這種方法會根據包裝生產需求進行接線卸和組建，因此能夠達到合理調度的狀態，最終根據實際的生產要求，進行全方位的設計工作，使得實際生產效率得到提升，并且也使得自身的適用面更加廣泛。

（3）模塊化設計的方式會使得生產得到全方位的節約，因為這種設計方法的科學性和創造性是比較突出的，在成本方面能夠獲得節約。

2 模塊化設計方法在機械設計中的應用

2.1 模塊化設計方法在數控車床中的應用

以模塊化設計方法在數控車床中的應用為例，在模塊劃分中，必須從數控車床的一般功能出發，將總功能分解為一個相對獨立的功能。當函數繼續分解直到函數不合適時，函數元素由函數元素組成。函數元素是整個函數或函數的最基本單元，通常對應于某一冪函數模塊。當總功能被分解時，應該考慮用戶的需求和實現總功能所需的功能。由于用戶條件的不同，機床的規格和性能會有所不同，而且模塊的組成也會有很大的差異[10]。

對于CK系列單柱數控車床，它的總功能是車削，它可以轉動內外缸、內外錐體、溝槽、平面、螺紋和各種旋轉面。對于CK系列單柱數控車銑加工中心，除了銑削、鏜銑功能外，這些功能可以按傳動功能。

2.2 對模塊進行合理的劃分，明確模塊分工

通過對總功能進行分解，可以看出，一個或多個函數對應于實現一個或多個功能的模塊。有一個模塊來實現某一功能，即一對一對應；一個函數由多個模塊來實現，即單對多的關系；某些多個功能由一個模塊來實現，即多對單的關系[11]。如圖3所示。

圖3 功能與模塊對應關系

根據功能和模塊的映射關系，考慮了整個數控車床系列的特點和結構類型，并利用模塊劃分原理得到數控車床較為通用的模塊。數控車床分為傳動模塊、執行模塊、支撐模塊、輔助模塊、監控模塊，并繼續細分為功能模塊。

通過對同一功能模塊的分析，由于使用的不同和結構的不同，可以得到可交換的、具有相同接口的結構模塊。根據結構模塊的組合，可以得到不同用途和性能的數控車床。

在對數控車床開展有效設計的環節是，人們首先需要進行實際的科學規劃和操作工作，該項工作的開展并不能夠單獨的進行，在大多數情況下要考慮實際的生產工藝，從全方位的角度進行規劃工作的開展。模塊化設計方式需要建立起一個比較有效的結構，在科學隔離構造和分析的操作條件之下，完成基礎性的環節建設，同時需要結合實際的情況，制定合理的科學規劃，付諸于實踐的過程當中。對生產環節結構進行全方位的有效劃分，最終使得整體的生產效率得到提升。

在進行生產模塊劃分的過程當中，人們要結合具體的需求來確定模塊的功能，同時還要開展生產功能的有效分配工作，確保每一個模塊都能夠承擔合理的任務和功能。除此之外，人們還要對模塊功能進行全方位的健全，使得模塊之間的生產調度獲得優化，最終能夠使得后期的生產模塊獲得有效的推動。

2.3 數控車床模塊劃分原則

根據現有車床的結構和模塊化要求，模塊劃分的原則可以概括如下：

（1）將獨立的功能單元用作模塊，即分解的功能單元在結構中盡可能獨立。這樣的模塊易于組裝和配置，從而易于形成各種變形產品。

（2）以部件作為模塊，這樣的模塊具有完整性，容易保證裝配質量。

（3）將該組件用作模塊。在對功能分解進行細化之后，可以進一步對組件中的一些組件進行模塊化。通過更換或占用零件或部件，這些部件可以有不同的用途和性能。

它比改變整個部件更經濟。在模塊劃分過程中，還應注意機床的大部件和基本部件的模塊化，大零件的結合件應規范化，便于連接和分離。同時，應該考慮模塊中有發展的空間，這樣新技術的引入不會阻礙模塊的結構。如圖4所示，對數控車床的功能。

圖4 數控車床功能模塊劃分

2.4 模塊的組裝設計

為了使得設計的機械設計生產得到有效的確保，人們需要對模塊化的設計方法進行技術組裝的操作，簡而言之，就是對模塊進行有效的分配，同時在具體的組裝過程當中，對整體布局的合理性進行考慮，對各個模塊之間的功能進行有效的組合。如果機械設備在使用的過程當中遇到的問題，那么可以及時更換其中有問題的設備，同時要保障在故障模塊更換的過程當中，其他模塊依然可以正常的運行，不會因此停止工作。

在設計工作完成之后，還要對具體的參數進行科學的調整工作，同時在試運行過程當中檢驗整體的配合效果。有效的組裝式模塊化設計，非常關鍵的一個環節，每個模塊只有在有效的組裝下，自身的作用才能夠得到充分的發揮，因此也需要掌握一些科學的組裝方式，提升組裝的有效性和科學性[12]。

3 模塊化設計的成效及注意事項

在模塊化設計中，它的成效主要體現在三個方面[13]：

首先體現在對企業產品研發的貢獻方面。模塊化推動了機械設計的創新式發展，使得機械化制造效率更高，從而使得產品的研發效率、效果都更加理想。

此外，模塊化設計可以提高企業的工作效率，并且對產品的成本進行控制，甚至在售后服務成本方面也可以進行降低。因為模塊化設計方式在機械設計中應用能夠使得機械化的自動化程度和智能化程度得到提高，因此能夠在效率和成本方面發揮優勢。

在今后發展的過程中，隨著智慧化程度發展的提升，無論是機械設計行業還是其他行業，對于智能化的發展都是十分重視的，甚至將其作為未來的主要發展方向。在這樣的背景之下，特別是在行業競爭不斷激烈的背景之下，誰能夠在制造效率上獲得提升，在成本上實現降低，那么誰就能占據市場，因此這也給了模塊化設計發展的生計。

4 結語

總的來說，模塊化是迄今為止，機械設計當中最好的一種設計方法，模塊化設計方法的存在能夠開創機械在設計方面的開放化和標準化，最終使得機械制造商在激烈的市場競爭當中，依然占據著優勢的地位，推動我國整體機械化水平的發展。

為了有效地推動機械工程的發展，在機械設計方面需要進行不斷的優化。在機械設計的過程當中，人們應該要結合實際需求，有效的將模塊化設計方法在機械設計中得以應用，以此來使得實際機械設計工作獲得有效的推開，并且使得人工成本得到全方位的減少，最終使得實際工作效率得到提升。