機械設計中模塊化設計方法的應用

摘要：模塊化設計方法可直接提升機械設計的設計效率，并可在一定程度上降低機械設計的設計成本，減輕設計部門的設計壓力。另外，模塊化設計方法可在一定程度上優(yōu)化機械結(jié)構內(nèi)部的機構特性，促使其更具整體性，有利于節(jié)省機械零部件設計的預留空間，并可提升一些特殊機械結(jié)構的防水、防塵性能。基于此，首先，本文分析了在機械設計中，模塊化設計的基本內(nèi)涵;其次，本文進一步分析了機械設計中模塊化設計技術的應用辦法，希望可為廣大從業(yè)技術人員提供有效借鑒和參考。

Abstract： Modular design method can directly improve the design efficiency of mechanical design， and to a certain extent， reduce the design cost of mechanical design， reduce the design pressure of the design department. In addition， the modular design method can optimize the internal mechanism characteristics of the mechanical structure to a certain extent， making it more integrated， which is conducive to saving the reserved space for the design of mechanical parts， and can improve the waterproof and dustproof performance of some special mechanical structures. Based on this， firstly， this paper analyzes the basic connotation of modular design in mechanical design; Secondly， this paper further analyzes the application of modular design technology in mechanical design， hoping to provide effective reference and reference for the majority of technical personnel in the industry.

關鍵詞：機械設計;模塊化設計;基本內(nèi)涵;應用方法

Key words： mechanical design;modular design;basic connotation;application methods

中圖分類號：TD402 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0220-02

0 ?引言

在新時代發(fā)展背景下，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，對產(chǎn)品個性化的需求也逐漸增長，這就要求產(chǎn)品設計人員在設計產(chǎn)品或者生產(chǎn)產(chǎn)品時，不僅要注意產(chǎn)品的性能或者結(jié)構特點，還要注意控制產(chǎn)品的研發(fā)以及生產(chǎn)周期，不能為了豐富產(chǎn)品的功能，而延緩產(chǎn)品上市的周期，錯過產(chǎn)品升級和企業(yè)擴展的風口。模塊化設計技術可為企業(yè)提高生產(chǎn)效率提供有效途徑，可促使企業(yè)在構思產(chǎn)品、設計產(chǎn)品以及生產(chǎn)產(chǎn)品時，各部門之間的溝通效能更高，使各部門設計人員的設計思路更清晰，從而在保障企業(yè)機械加工產(chǎn)品質(zhì)量和性能的基礎上，促使企業(yè)可更快地完成產(chǎn)品的生產(chǎn)和產(chǎn)出工作，為企業(yè)整體經(jīng)濟效益的增長提供有力支持。

1 ?機械設計中模塊化設計方法的基本內(nèi)涵分析

1.1 基本概念分析 ?在機械設計中，模塊化設計的基本概念可概括為依據(jù)產(chǎn)品的功能定位以及性能要求，在選擇了規(guī)格參數(shù)合理的機械零部件后，使用合理的辦法將機械零部件集成為不同的功能實現(xiàn)單元，并通過合理的連接結(jié)構將不同的功能單元連接起來，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的整體功能。在模塊化設計的過程中，設計人員需以產(chǎn)品的功能作為設計基礎，對產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構的模塊進行科學劃分，同時依據(jù)不同模塊的體積、功能和性能要求，選擇合適的模塊連接形式。在此基礎上，技術人員還應為不同模塊預留充足的后續(xù)改造和更換空間，尤其在模塊發(fā)生損壞時，設計人員應確保技術人員可非常方便地更換產(chǎn)品中受損傷的模塊，從而在確保其他零部件可繼續(xù)使用的基礎上，提高機械產(chǎn)品整體的應用效能，發(fā)揮模塊化產(chǎn)品的升級和維護優(yōu)勢，將其產(chǎn)品后續(xù)維護和保養(yǎng)的成本，同時也在一定程度上提高產(chǎn)品結(jié)構的安全性，并為產(chǎn)品功能的進一步完善提供合理有效的結(jié)構化空間。

1.2 設計方式分析 ?模塊化設計方式可簡單分為橫向模塊設計、縱向模塊設計以及綜合類型的模塊化設計。在橫向模塊化設計的過程中，設計人員需根據(jù)產(chǎn)品的基礎功能，選擇合適的模塊數(shù)量和模塊排布形式，從模塊與模塊之間的關系層面優(yōu)化模塊設計工作，提升模塊化設計工作的整體性。此種模塊化設計的形式比較簡單，實現(xiàn)難度不高，對產(chǎn)品形態(tài)變化的過程比較友好，同時也具有較好的可操作性;在縱向模塊化設計的過程中，設計人員更多考慮地是具體模塊的具體功能。通過縱向模塊設計方法，技術人員可針對同一產(chǎn)品中不同的模塊進行功能性設計，使產(chǎn)品在外觀等形態(tài)不發(fā)生改變的情況下，發(fā)生功能方面的改變。此種模塊化設計工作的技術要求較高，對設計人員的能力要求也比較高。但此種模塊化設計的功能適應性好，可有利于機械產(chǎn)品快速實現(xiàn)功能升級。另外，在一些特殊要求下，設計人員可能需要同時使用橫向以及縱向模塊化設計方法，從而使機械產(chǎn)品在跨系別、跨形態(tài)的設計過程中，在物理形態(tài)和功能內(nèi)涵方面，均可實現(xiàn)一定的升級，進而使機械產(chǎn)品完成產(chǎn)品層面的革新。

2 ?機械設計中模塊化設計技術的應用辦法分析

2.1 明確機械設計理念 ?明確機械設計理念是開展模塊化設計工作的第一步，也是開展機械設計工作的基礎環(huán)節(jié)。此間，設計人員應結(jié)合新時期企業(yè)產(chǎn)品設計的具體要求和用戶對產(chǎn)品形態(tài)、功能的期待，合理選擇機械設計的系統(tǒng)性分析方法。例如，在設計內(nèi)燃機中曲柄連桿機構時，設計人員應結(jié)合同類型產(chǎn)品的市場定位以及功能性定位，合理選擇設計此類產(chǎn)品的原始資源，包括結(jié)構形式、材料物理性質(zhì)以及產(chǎn)品整體功能實現(xiàn)形式和后期維護保養(yǎng)要求等，從而在選擇機體組、活塞連桿組好曲軸飛輪組時，可在適應內(nèi)燃機功能的基礎上，進一步保障內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)化過程的安全性。在此基礎上，設計人員應站在用戶的角度思考機械產(chǎn)品應用的便捷性，以用戶的實際需求為基礎，并結(jié)合用戶的產(chǎn)品使用能力，合理選擇內(nèi)燃機燃料供給功能和潤滑功能的具體實現(xiàn)形式，避免出現(xiàn)產(chǎn)品應用門檻過高的情況。此外，設計人員務必要注意機械產(chǎn)品設計過程的特點，包括產(chǎn)品設計綜合性特點、產(chǎn)品功能實現(xiàn)形式相似性特點以及產(chǎn)品結(jié)構設計多層次特點等。更為關鍵的是，設計人員應依據(jù)機械設計過程盡量簡潔、功能實現(xiàn)方式盡量簡潔的理念，合理控制內(nèi)燃機產(chǎn)品設計的成本，使內(nèi)燃機各部分組件可具有較好的功能性表現(xiàn)以及質(zhì)量表現(xiàn)的同時，也更符合消費者的消費需求。

2.2 合理劃分產(chǎn)品模塊，細化模塊功能 ?設計人員在應用模塊化設計方法時，首先，應結(jié)合機械產(chǎn)品的功能要求，合理選擇其內(nèi)部結(jié)構的模塊化數(shù)量和不同功能模塊之間的組合以及連接形式，利用橫向模塊設計的辦法，促使機械結(jié)構內(nèi)部的空間可得到有效利用;其次，在設計模塊的功能時，設計人員應以實現(xiàn)產(chǎn)品的主體功能為基礎，利用分層設計法設計機械產(chǎn)品功能實現(xiàn)體系，針對不同的產(chǎn)品功能層級，選擇不同的模塊化功能，進而將產(chǎn)品的功能以模塊化的形式落實到具體的模塊中;再者，在設計具體模塊的物理結(jié)構時，設計人員也應注意模塊本身的結(jié)構特點，利用縱向化的模塊設計方法，為模塊選擇合理的物理結(jié)構和功能實現(xiàn)方式。為了滿足模塊的升級和更換要求，設計人員應為產(chǎn)品預留模塊升級的空間，從物理空間和功能空間兩個層面對模塊進行設計;最后，設計人員在利用模塊化設計方法設計產(chǎn)品時，還應及時關注市場環(huán)境變化的大趨勢，適應人們的新要求，并結(jié)合產(chǎn)品的特性，選擇合適的時機，并利用合理的形式升級模塊的功能。

2.3 結(jié)合模塊化結(jié)構形式，對模塊進行編碼 ?設計人員在制定了模塊設計的物理形式和功能特性之后，應結(jié)合產(chǎn)品的設計要求和后期維護以及保養(yǎng)的要求，按照一定的規(guī)律將產(chǎn)品內(nèi)部的模塊進行編碼。具體而言，產(chǎn)品的功能實現(xiàn)方式越復雜，產(chǎn)品內(nèi)部零件結(jié)構的集成程度就越高，但集成程度高，并不代表產(chǎn)品各模塊之間“沒有距離”，而是表現(xiàn)為距離更小、層次結(jié)構更緊密。因此，設計人員在按照設計要求完成產(chǎn)品模塊化結(jié)構的設計之后，應結(jié)合模塊的功能特性和產(chǎn)品結(jié)構的特點，對模塊進行編碼標記，使用激光刻印技術對不同的模塊進行編碼。此間，為了使模塊編碼安全高效，技術人員可以功能實現(xiàn)方式為模塊編碼的依據(jù)，使用相同的英文字母作為類別標記字母對同一功能實現(xiàn)模組進行標記，并做好標記記錄，編制模組編碼手冊，以便于維修人員對模塊進行維修和更換。另外，對于一些比較精密、價格比較昂貴的模塊組件，設計人員可使用不同色彩對其進行標記，將此類零部件的編碼標記在比較顯眼的位置，從而確保在模塊組合的過程中，此類零部件不會受到損壞。

2.4 裝配過程模塊化，優(yōu)化模塊連接形式 ?模塊化設計工作主要包括模塊功能結(jié)構設計工作和模塊組裝形式設計工作，其中，模塊組裝形式對模塊功能實現(xiàn)的具體效果具有較為關鍵的影響。在模塊化設計的過程中，設計人員在完成模塊內(nèi)部結(jié)構形式和功能的設計工作后，需結(jié)合模塊的實際物理形態(tài)，合理選擇模塊之間的連接形式，并優(yōu)化模塊之間的連接強度。在一些電路板應用面積較大的模塊基礎組織中，設計人員還需結(jié)合電路板的實際位置，為模塊選擇合理的分層排布方式，確保模塊可在橫向和縱向均可獲得較好的排布空間，進而嚴格控制產(chǎn)品的功耗。在組裝模塊的過程中，設計人員應注意模塊的整體布置，確保其可在實現(xiàn)具體功能的基礎上，也應具有一定的美觀特性。如果在組裝的過程中，模塊的大小對機械結(jié)構整體的空間利用率產(chǎn)生了影響，則此時，設計人員應結(jié)合模塊的功能實現(xiàn)要求，對模塊的物理形態(tài)進行再設計，或者依據(jù)產(chǎn)品的功能實現(xiàn)要求，對模塊進行更換，切不可為了美觀或者提升產(chǎn)品內(nèi)部機械結(jié)構的集成度而在產(chǎn)品功能或者安全性上采取讓步或者妥協(xié)的辦法。

2.5 機械結(jié)構的模塊化設計要符合結(jié)構應力強度要求 ?在機械設計的過程中，機械結(jié)構內(nèi)部組件之間除了功能性的連接，還存在應力應變方面的連接。具體而言，由于不同模塊之間存在橫向和縱向的排布形式，導致機械結(jié)構內(nèi)部傳統(tǒng)組件、執(zhí)行組件以及各類輔助組件之間存在應力應變上的制約關系。設計人員在利用模塊化設計方法設計機械組件時，首先，應合理選擇組件材料;其次，應結(jié)合組件物理結(jié)構的具體形式，合理選擇機械組件的模塊化封裝形式，并使機械組件可在合理有效的封裝形式下，滿足一定的防塵、防風以及防水要求。另外，為了確保產(chǎn)品的性能，降低產(chǎn)品應用的故障率，設計人員還應使用應力應變測試儀等儀器對關鍵模組進行應力應變測試，檢測此部分接機械組件的應力承載能力是否滿足技術要求。在此基礎上，設計人員可結(jié)合機械組件應力承載能力的具體表現(xiàn)，進一步優(yōu)化組件之間的連接形式以及不同模塊之間的組合形式，進而從材料和結(jié)構形式兩方面強化機械結(jié)構不同組件的抗應力應變能力。

3 ?結(jié)束語

總之，本文在分析了機械設計中模塊化設計方法基本內(nèi)涵的基礎上，進一步分析了機械設計中模塊化設計技術的應用辦法，主要包括明確機械設計理念、合理劃分產(chǎn)品模塊，細化模塊功能、結(jié)合模塊化結(jié)構形式，對模塊進行編碼以及提升機械結(jié)構模塊的應力強度。希望廣大從業(yè)技術人員可結(jié)合機械設計的具體要求和產(chǎn)品功能實現(xiàn)的具體形式，合理選擇模塊化設計技術的應用辦法，進而切實提高機械設計的實際效能，優(yōu)化模塊化產(chǎn)品質(zhì)量。

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作者簡介：蘇琦（1984-），男，山東壽光人，碩士，助教，研究方向為機械設計、機械加工、3D打印。