模塊化設計方法及其在機械設計中的應用分析

徐建強

摘要：為了探究模塊化設計方法的應用，筆者以機械設計為例，首先分析模塊化設計的基本內涵，闡明該種方法的特點和優勢，發現：模塊化設計可以提升機械產品的互換性程度，簡化維修程序，降低購置設備成本，更能突出產品功能特點。因此在今后工作中，設計人員應該明確機械設計理念，結合新時期企業產品設計新要求，實現制造升級，合理選擇機械設計分析方法。

關鍵字：機械設計;模塊化設計;特點;優勢;應用

在信息技術高速發展背景下，傳統機械設計方式已經不能滿足社會生產所需，為了提升設計效率，優化機械內部結構特征，技術人員就應該利用新型設計模式，立足產品個性化需求，豐富產品功能，選擇合適的模塊數量和模塊排布形式，緩解設計制造周期與設計類型之間的矛盾問題，確保系統升級，縮短設計周期，提升生產時效性。

一、模塊化設計的基本內涵

模塊化設計指在機械生產和制造過程中，基于產品定位和性能要求，將不同的功能單元連接起來的創新型設計模式[1]。在選擇了規格、參數合理的部件之后，技術人員以產品功能作為設計基礎，后續為不同模塊預留改造空間，確保其他零部件可繼續使用，即使模塊發生損壞，也不會影響機械產品整體應用效能，只需要更換受損模塊即可。比如在新型模塊化機械臂設計中（圖1所示），首先研制模塊化關節，之后通過合理選型，根據高減速比、大力矩輸出、關節誤差、攝動法原理等，分析機械臂末端與關節誤差之間的關系，可以規劃多自由度的機械臂路徑。

二、模塊化機械設計的特點和優勢

從模塊化機械設計的基本概念中，我們可以看出模塊化設計具有可變性、可分性、功能性、關聯性和有機性的特點[2]。其中，可變性主要體現在內部和外部這兩個方面，可以獲取特殊屬性不同子集，同時也可以對屬性進行定制化;可分性就是指內外部具有層次性特點，且零部件之間可分;功能性就是指通過模塊化設計和組合，可以實現產品功能，達到用戶需求;關聯性就是指子系統之間是互補的關系，同時子模塊之間會相互牽制，子系統、子模塊之間可以構建成一個有機整體模塊化產品，不僅可以簡化維修程序，同時也可以提升機械產品的互換性程度，各個模塊之間可以靈活拆卸。因此一旦發現機械產品故障，維修工作相對簡單，技術人員直接將故障部位替換下來，對企業的生產效益和經濟效益影響不大，適用于大批量加工，當技術人員通過調試之后，就可以進入到大批量生產，每個模塊在設計和加工時，其功能就已經確定，在該種設計理念下，模塊化產品的精度得到保證，且減少了返工概率，提升企業產品創新能力，在突出產品功能特點的同時使其品種新穎，質量優良，降低購置設備成本，確保包裝和運輸空間的合理利用。

三、模塊化設計和應用方法——以機械產品為例

（一）設計方法

模塊化設計方式一般可以分為三類，分別是縱向模塊設計、橫向模塊設計、綜合類型設計[3]。通過縱向模塊設計方法，可以對不同的模塊進行功能性設計，該種工藝方式對設計水平的要求較高，在產品不改變外觀形態的基礎上，對產品功能性能進行優化;橫向模塊設計更加適合關系層面的模塊排布，設計形式比較簡單，在選擇合適的模塊數量之后，就可以根據其功能性選擇進行形態設計，可操作性強且難度較低;在特定情形下，機械產品可能出現跨形態、跨系別設計要求，因此，技術人員需要將橫、縱兩種設計模式相結合，在功能內涵和物理形態方面實現升級，完成產品層面的革新，明確機械設計理念，結合新時期企業產品設計新要求，實現制造升級，合理選擇機械設計分析方法，以用戶的實際需求為基礎，避免出現產品應用門檻過高現象，同時也應該立足產品結構設計多層次特點，在設計過程中盡量做到簡潔，符合消費者的消費需求。

其次，合理劃分產品模塊，合理選擇內部結構模塊化數量，細化模塊功能，利用橫向模塊設計辦法，確定不同功能模塊的連接形式，利用分層設計法，將產品功能落實到具體的模塊中，從而實現機械結構內部的空間優化配置和利用，在設計具體物理結構時，為滿足升級和更換要求，設計人員應該及時關注市場環境變化，結合產品特性，預留模塊升級空間，結合模塊化結構形式，將產品內部的模塊進行編碼，零件結構集成程度越高，層次結構越緊密，通過激光刻印技術編碼之后，各模塊之間距離更小，便于維修人員對模塊進行維修和更換。其次為了編碼安全高效，技術人員在必要時應該對模組進行標記，尤其是價格比較昂貴的塊組件，必須將編碼標記在顯眼位置。最后，在裝配過程模塊設計時，設計人員需要結合模塊的實際物理形態，優化模塊連接形式，提升模塊之間連接強度，結合電路板實際位置，控制產品功耗，在橫、縱之間獲得良好排布空間，在組裝過程中，設計人員對模塊物理形態進行再設計，確保其符合結構應力強度要求，合理選擇組件材料，利用機械結構內部組件之間的應力應變制約關系，提升結構內部組件的連接功能，其中應力應變測試選用專業測試儀，對機械關鍵模組的承載能力進行測驗，分析組件之間的連接形式;最后選擇有效封裝形式，遵循防塵、防風以及防水要求，確保產品質量和功能。

（二）應用方法

模塊化設計方法如今可以被應用到多種領域，筆者以數控車床機械設計為例，在立式數控車床中，在劃分模塊時，可以通過模塊化設計對各個區間的功能進行分解，基于整體性分解原則，展現出模塊化設計的整體優點，在具體操作中應該注意到以下幾點：1.車削是數控車床主要功能，因此設計人員需要從車削旋轉面環節實現模塊化設計，按用戶需求，靈活調整模塊，也可以在溝槽中體現分解功能;2.基于準確檢測功能，充分考量車床整體化，顧及數控車床的基礎功能。同時，也可以將模塊化設計應用到立式數控機床中，了解既有機床的既有功能，劃分功能獨立的單元類型，秉持模塊化設計基礎原，確保分立式數控機床的特殊化功能可以便捷化搭配，并且充分發揮機械零部件的關鍵性功能，通過整體模塊，在規劃機床模塊之時融入新專業技術變更機械零部件，提升數控機床整體質量，但是技術人員也應該注意到應該保留模塊化空間，穩步提升模塊規劃工作效率，在信息技術、制造技術不斷發展的基礎上，為模塊化設計創新提供空間，最終確保機械性能安全穩定。此外，在柔性生產中，硬性的設計與機械生產技術已經不再滿足工作制造和消費者需要，傳統單一設計不適應新市場發展需要，因此使用模塊化設計新方法，使用快捷、柔性、高效的技術，通過可變、靈活的設計工藝，形成系列各異的產品，基于通用模型并融入柔性生產技術，可以達到一機多用、一模多用的工作效果，在投入較少成本的前提下，縮短設計生產時間，滿足現實中生產需求。最后，在組件技術下也可以利用自動化技術，著眼于縱橫之間的集成，對機械設備水平進行延伸，充分利用標準化總線技術，提升機械設備質量水平，比如設計人員可以根據高層模塊實際狀態，明確相關設計思路，使用各種組件，讓其在自動化技術中完整保留模塊的二元性，建立數學模型來補償誤差，結合開放式和集成式設計思路，提升加工模具的精確度，尤其在智能化機械作業中，可以降低加工失誤率，更好地提升多槽零件作業精準度，最終提升模塊機械設計的使用價值，將虛擬設計與虛擬制造技術相結合，保證產品生產質量，深入挖掘計算機輔助功能，最終降低生產成本。

結束語：綜上所述，模塊化設計可以提升模組之間產品功能，達到用戶需求，因此設計工作者應該立足產品結構設計多層次特點，在設計過程中盡量做到簡潔，符合消費者的消費需求，利用機械結構內部組件之間的應力應變制約關系，提升結構內部組件的連接功能，基于整體性分解原則，展現出模塊化設計的整體優點，通過可變、靈活的設計工藝，創造出系列各異的產品，最終達到一機多用、一模多用的工作效果。

參考文獻

[1]陰建強. 電路設計與仿真軟件在農業機械設計中的應用分析——評《小型農業機械模塊化設計技術》[J]. 熱帶作物學報， 2020， 041（009）：252-252.

[2]翁力煒，鄧益民. 基于功能使用，行為相似及制造可行性的可變功能機械系統模塊劃分研究[J]. 機械設計， 2020，000（011）：9-9.

[3]齊志新， 石昀杭， 岳彩月，等. 六自由度可移動機械加工機器人的概念設計[J]. 城市軌道交通研究， 2020， 023（002）：8-8.

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