模塊化設計方法及其在機械設計中的應用

王江濤

（煙臺桑尼核星環保設備有限公司 山東煙臺 265500）

在進行機械設計的過程中，會應用到諸多方法，目的都是為了提高機械設計的效率，推動機械設計的智能化。目前，模塊化設計在機械化設計中得到普遍應用，在機械化設計中，針對其性質和規格功能進行不同的組合，統一到模塊中，并進行綜合性的分析與思考，從而提高機械設計的科學性和實用性。

一般來說，模塊化設計具有如下幾個方面的特點。首先是橫向的模塊化。該設計方法主要是在產品的設計基礎上加以調整，使其更具有科學性和應用性，從而得到另一種產品的結構。其次是縱向的模塊化。該設計方法主要是基于原有的產品結構，對產品的性質、功能、應用等多個方面進行系統化的設計，使其功能與性質得到更加全面、科學的設計。最后是橫向與縱向的綜合設計方法。該方法是利用模塊設計進行優化調整，得到其他機械化產品，在降低成本的同時，也能夠優化產品的性能。

1 模塊化設計概念及優勢

1.1 模塊化設計概念

模塊化的設計在諸多方面都有所應用。當前，所謂的模塊化設計就是基于市場發展的需求，根據產品特性的特點，在某種范圍內，以產品功能為出發點進行功能劃分，利用組合選擇等方法，對產品進行優化設計，從而使得其更加滿足市場化的需求。針對于目前市場的持續性變化，在進行機械制作與設計的過程中，可以選用模塊化設計的方法，優化產品，從某固定范圍內有效縮短產品的周期，利用更低的投入，獲得更高的利潤，滿足市場需求，提高產品性能［1］。在模塊化設計過程中，主要涉及橫縱設計的模式，在參數不變的情況下，改進產品功能，優化產品系列，從而得到全新的、功能不同的產品，使產品的組合得到靈活設計。

在進行模塊化設計時，需要相關的設計人員針對原有的規格性質特點進行組合，將其放入統一模塊，對其科學性進行思考，在原有的基礎上進行調整與設計，使其機械設計更具有科學性，同時也滿足市場對于產品的需求，增強其產品的質量優勢，同時也降低機械產品的設計成本［2］。

1.2 模塊化設計的優勢

首先，模塊化設計有利于設備的快速有效維修，因此，在設計的過程中，可快速發現功能異常，有利于維修人員及時進行修理或替換，保證設備的正常運行。這種維護方法消耗較小，維護資金較少，在延長設備使用壽命的同時，也能夠提高設備的利用效率，保障企業的經濟效益。

其次，通過模塊化的組裝方法對機械進行設計，能夠減少包裝，將同一包裝應用到性能不同、規格不同、設計不同的產品中，降低了包裝成本，對企業來說也是節省開支的一種方法，相對于原有的不同的產品進行不同的包裝，這種方式具有普適性［3］。

再次，能夠便于管理。通過模塊化設計進行機械設計，能夠對于不同的模塊進行編碼，優化組合，將不同的產品數據進行結合，形成不同的產品結構，有效地優化產品管理，提高產品設計的科學性。此外，還應順應市場周期，針對客戶的需求，進行一對一定制，優化產品性能。通過不同的模塊組裝，滿足客戶的需求，減少投入，更加具有針對性。在開始設計之前，可以針對市場的內部需求進行組裝設計，再針對于市場的動態變化進行組裝優化，使產品能夠更加符合市場的需求。通過模塊化的設計，能夠注重整體的思路，形成系統化的組裝設計，對產品結構具有條理性的分層。在進行模塊化設計的方法中，需要將其貫穿于產品的設計，甚至全方位的管理能夠使產品進行持續性的優化改進，使其更加具有針對性，更加滿足市場的需求［4］。

最后，有利于實現數字化設計。在機械設計中進行模塊化設計，能夠推動機械設計的數字化發展，將不同的產品性能特點及設計、大小進行模塊化的組裝，能夠避免資源的重復性投入。通過數字化的組合設計，從而提高機械設計的科學性、智慧性和數字性。

2 模塊化設計的方法

2.1 功能模塊組裝

在進行模塊化設計的過程中，為了實現產品配置與性能的最優化，從而達到企業的實際需要，作為生產的工人，必須要了解模塊化的作用，了解產品的參數，在進行組裝時，能夠達到合理化設計。每個模塊的變化都具有引起功能變化的作用，某一模塊出現問題，都要及時地整改或更換，使其最短時間內恢復生產。在進行模塊化組裝時，必須要嚴格按照標準與規范進行，保障模塊化設計的有效性，保障組合能夠達到最優的效果［5］。

2.2 柔性制造技術

柔性制造技術，即是通過靈活多樣的方法來進行產品生產性能的優化。通過柔性制造技術，能夠與模塊化設計相結合，可使其在設計的過程中更加滿足個性化定制的需求。因此，在進行機械設計時，必須要將模塊化設計和柔性制造技術進行有效的結合，在滿足模塊化設計的背景下，使機械更加具有多樣化的功能［6］。

2.3 計算機輔助系統

通過計算機輔助系統的應用，能夠有效地提高模塊化設計的高效性。一般模塊化的計算機輔助系統主要有CDA、CApp、CAM［7］。在具體的設計中，工作人員需要做好計算與分析，明確機械設計的數據和特性，根據實際的需要來進行模塊的組合，提高機械的使用效率，同時也有效地保障機械的價值和質量。

3 模塊化設計的步驟

模塊化設計主要有兩個不同的層次：第一個層次是基于研制過程；第二個層次是基于市場的單品設計。在進行模塊化設計時，需要遵循一定的規則，相比于前者，后者更為復雜，所以花費相對較高。

4 模塊化設計在機械設計中的應用

以現有的數控立式機床為例，展示模塊化技術對于機床設計的應用，具體分析模塊設計如何在機械設計中進行性能和功能的優化，設計出模塊單元。在立式的機床設計中，應該充分地了解目前機床所具有的功能及市場對于機床的需求，根據相關的理論基礎和理論依據來進行單元模塊的劃分，從而有效地展開模塊設計［8］。作為基礎的機械設計，首先，作為技術人員，需要基于獨立功能單元模塊進行機床的特殊化劃分。同時，置于控制機床獨立性的條件下，進行模塊化的搭配，整體優化機床性能，滿足市場需求，合理規劃產品。其次，根據機床零件中的設計模塊，基于機床的整體質量，進行不同檔次的搭配，有效地拓展客戶的需求空間，滿足不同層次、不同種類的客戶需求［9］。

4.1 數控機床歷史車床模塊劃分原則

根據現有的歷史基礎結構，進行形式和模塊化的劃分，需要根據一定的劃分原則，具體的劃分原則主要有以下幾個方面。首先，以獨立的功能單元作為劃分模塊，對于有的功能，進行分解、劃分、拆解，從而保證每個單元的獨立性，使得每個單元相互結合，都能夠產生很多形式的產品［10］。其次，以某個部件作為劃分模塊，能夠有效地保證裝配的質量，同時還能夠保證車床的完整性。最后，以組件作為模塊，將其功能進行細化以后，可以將其中的某些模架進行模塊化劃分，通過更換或者是組裝，能夠使得某個部件更加具有靈活性，使得同一產品具有很多的用途和功能，通過功能化劃分，能夠使車床的效率得到最大化［11］。為了將模塊化組合的系統應用做到最大，可以將組合進行劃分，分為不同的模塊化組合，進行合理的模塊化大件的結合，要規范、完整、具體，同時還要能夠獨立運行，因此，需要進行有效的鏈接和分離［12］。在進行模塊劃分的過程中，必須要充分考慮市場的變化及科技的進步，同時留出一定的發展空間，使得未來新技術引入不會對原有的模塊產生巨大的沖擊和改變［13］。

4.2 數控立式車床的功能分解

數控立式車床在進行模塊劃分時必須要從車床的整體實用性和整體功能出發，基于功能進行細致劃分，保證每個功能都能夠得到獨立運行，使得功能劃分不能繼續分解時，需要將分工能作為最基本的單元，每一組單元都要與一個功能模塊相對應。在進行模塊劃分的過程中，必須要充分考慮必需的功能和基本功能，以用戶個性化定制的功能進行劃分。根據用戶的個性需求來進行個性化的功能定制，但基本功能和必需的功能進行固定搭配，由于客戶生產條件和生產性能不同，因此，對于機床的規格功能和性格的要求也會有所不同，根據客戶的條件進行功能的差異化搭配，能夠有效地滿足客戶的個性化需求。例如，對于單注數控技術機床CK 系列來說，啟動提供能為撤銷，但其撤銷的具體內容不同，有凹槽用平面及螺旋單面，因此，就需要根據客戶的具體功能提供不同的搭配。此外，為了滿足客戶個性化的需求，還需要針對其支撐功能、輔助功能等一些側重點功能進行單元劃分和進一步的功能組合。

4.3 數控歷史機房的模塊劃分

通過總體功能進行分析，可以看出，某些功能或某個功能都存在著一一對應的關系，即某一模塊對于某一功能可實現一一對應，而將某一功能通過多個模塊來實現就是一對多的供應，是多對單的關系。

根據模塊和功能的映射關系，考慮整體機床系列的特點及利用模塊劃分的原則，將立式模塊和機床系列進行系統的對應，運用模塊劃分的原則，得到數控機床的整體模塊劃分。數控立式機床可以分為傳動機床、支撐模塊、執行模塊等多個部分，根據不同的模塊和功能進行分析，將其結構和用途，功能為具體的劃分，將其運用到多個接口中，從而會得到不同的立式機床產品。

4.4 齒輪減速器模塊化設計分類

根據以往的設計思路來看，將模塊設計可以分為4 個方面：首先是全系列的設計，其次是混合系列設計，再次是縱向系列設計，最后是橫向設計。在進行模塊的組合設計時，可以根據上述4個方面來進行完成。

首先，在進行橫向模塊設計時，可以根據產品的總體規劃和規格來進行設計，以此為基礎進行模塊組合的刪減變更，最終確定全新的產品。其次，進行縱向系列的模塊設計時，首先是針對尺寸規格相對較大的模塊設計出類型基本相同或相近的產品，這一次可以根據內部的零件結構及其組合進行強度的加大或減少。再次，在進行綜合模塊組合設計時，可以通過分段的方法來進行設計。在進行跨系列的模塊設計時，主要是將縱系列和橫向系列的模塊組合進行優化升級，形成設計之間的銜接與過渡，一般是將兩種設計思想進行全面結合，優化兩種設計特點，完成設計的升級和設計改造，設計出有針對性的產品。最后是進行全系列的模塊設計，主要是針對于客戶的需求進行全系列的模塊劃分，從而讓模塊設計得到充分的優化，滿足不同的功能需求。

5 結語

總而言之，將模塊設計的思路運用到機械化、自動化建設的過程中，能夠有效地提高機械設計的效率，從而設計出更加滿足實際需求、滿足客戶需求、更加具有針對性的產品。本次研究主要針對模塊化設計與模塊化設計的應用做了深入性的探討，采用混合模塊化設計的方式，滿足不同客戶的需求，增強機械化設計的質量和效率，實現設計成本的降低。