模塊化設計方法及其在機械設計中的應用

劉海嬰 楊錦濤

江蘇省靖江中等專業學校 江蘇靖江 214500

機械設備廣泛應用于工業生產、建筑施工、農業種植等多方面，機械設備是各個行業的基礎，機械設備的質量直接決定著整個工業體系的發展。模塊化設計，通過調節各個子程序之間的連接關系，保證整個的軟件穩定運行，在降低整體的制造成本的同時，確保設備運行的安全和穩定性，模塊化設計是我國制造業發展的未來趨勢。

一、模塊化設計方法發展概況

模塊化設計的研究工作始于1950年，此時國外已經研制出了一些模塊化產品。但我國的機械行業發展較晚，直到90年代后計算機技術飛速發展，CAD技術、UG、CATIA、SolidWorks等軟件系統的開發，推動了模塊化生產技術。當下，模塊化技術已經廣泛應用于建筑、家居、電子、航天航海等各個行業。將模塊化設計引入整體的機械工程中，能夠解決內部建模中存在的問題。模塊化設計是機械設計發展的必然趨勢，也是工業自動化時代的基礎要求。

模塊化設計是機械設計中一種重要的方法，實現了對每個模塊全方位的思考。要求設計人員在設計過程中應該加強前期的分析，明確模塊的基本功能，合理進行拆分，在保證模塊獨立性能的基礎上，做到相互更換，從而實現整個功能的升級。下面將主要介紹模塊化設計方法的優點。

(一)節約成本

模塊化設計簡化了整體的包裝過程，在傳統機械過程中，需要依照產品自身特性采取特殊的包裝過程，相對而言作業范圍過于狹小，設計出來的包裝只能應用到同一規模下的產品，生產的適用性有限，很容易出現人力、物力上的浪費。模塊化設計能夠滿足各種產品的要求，促進包裝簡單化、集約化，降低了整體包裝成本。

(二)便于后期維修

在模塊化設計理念下，各個模塊相對獨立，操作較為簡單，整體系統的自由度較高，更好地滿足當下機械發展的個性化要求。模塊化設計中大多采用標準零件，本身可替換性強，當機械出現故障時，可以通過簡單方法，明確故障部位，及時替換，避免了不必要的資源浪費。

(三)跨系列生產

在模塊化生產設計中主要包括橫向的模塊化設計、縱向的模塊化設計，橫向的設計方式是指在不改變原產品的基礎上，生產其他形態的產品，相對容易操作。縱向的模塊化設計是對不同規格的產品進行統一的籌劃，能夠有效節約資源。在不斷發展過程中形成了橫向與縱向相結合的模塊設計，能夠最大程度上滿足工業生產的要求。

二、模塊化設計的先進理論

(一)可拓理論

將可拓理論應用到模塊化設計中，是利用物理的方法建立模塊，基于產品族之間的關系，通過信息的建模和檢索，整合多種的物源模型，利用可拓變化法對于模塊進行操作，借助關聯函數進行匹配，增加產品設計的智能性。

(二)公理化設計理論

公理化設計理論最早在20世紀70年代提出，是一種以公理為基礎的方式，本質上是用數學理論的方式，減少在設計過程中存在的錯誤理論。公理化設計將整個模塊分為用戶、功能、結構、工藝等不同部分，在設計過程中四個域相互映射，可以直接檢驗出在設計過程中存在的邏輯關系，實現對模塊的有效分解，確保整體的模塊劃分更加合理。

三、模塊化設計中存在的問題

模塊化設計涉及了多重領域知識，而部分操作專業知識上存在欠缺，缺乏有效的數據意識，不利于機電一體化的長期發展。模塊化設計是工業生產的必然趨勢，模塊化設計集成系統前期投入較高，需要大量底層信息的支持，部分企業缺乏有力的研發部門，本身對模塊化設計認識不清，不重視智能控制技術，內部缺乏有效的數據管理機制，日常作業系統混亂。

模塊化設計對軟件和硬件的要求較高，在實際生產過程中各個工序之間的協調性較差，控制技術數據的集成性較差，采集效率和準確度欠佳，缺乏完整的數據管理標準。此外，在數據分析過程中難免會出現差異，圖像、文本存儲在不同的載體內，在調用過程中可能出現不兼容，給后續的統籌管理帶來了巨大的風險。

四、模塊化設計要求

(一)明確總體布局

在模塊化產品生產過程中，要根據產品類型，強化前期的品牌規劃，明確模塊化設計的功能，結合市場要求進行可行性分析，構建模塊庫，編寫相應的技術性文件，下面將主要介紹模塊化生產的總體布局。

1.調查市場需求

需求是產品開發的起點，在此階段需要根據功能將客戶分為不同群體，明確主要客戶以及客戶群的功能需求，通過有效的市場前期調查，定位市場中存在的同類型產品，確定原始數據，根據原始數據進行分析，合理確定本產品的創新點。

2.擬定產品譜系

當下市場要求五花八門，產品系列化的主要內容是確定產品系列以及產品功能所覆蓋的范圍，劃分縱向系列產品、橫向系列產品、跨系列產品以及全系列產品，根據擬定的族類，開發核心平臺和其他輔助模塊，以核心平臺為基礎構，通過Visual C++、Turbo C、JAVA等編程語言，借助SQL數據庫實現對數據的清洗和管理，以優化整體的產品系列類型，在控制成本的基礎上，滿足多樣化的市場需求。

3.擬定產品參數

產品參數的確定與產品系列譜擬定是交叉進行的，橫系列或者是跨系列的產品主參數可能不同，在確定產品圖譜之后，要給出系列產品的參數范圍，根據歷史信息和市場相似產品確定參數、考慮客戶要求，借助有限元分析，給出產品最優解。

(二)強化模塊化功能分析

在功能分析式模塊化設計中，需要把產品分成不同模塊，以最小單元為基準進行設計，在功能分析時要明確各個功能模塊之間的相關性，重新組合模塊，構建完整的產品功能模塊系統，綜合模塊數量、成本、工作效益之間的關系，在最小成本區內進行開發。從機械設計的本質而言，可以將產品分為任意層，模塊的模塊本身層次越低，整體的設計越簡單，通用化的程度越高，隨著模塊數量增加，接口數量呈級數增長，后續的制造、裝備、包裝也更加困難。因此在模塊化設計時需要綜合考慮設計、裝配、維修、成本等不同因素。將子功能劃分到每個功能區，建立聯系。機電產品中的各個零件并不是孤立存在的，本身存在一定的相關關系。兩塊功能模塊之間有直接的裝配關系稱為直接相關，而還有部分模塊本身沒有直接裝配關系，但其位置有嚴格的要求稱之為間接相關，因此在實際管理過程中要統籌模塊之間的幾何相關條件和物理相關條件，通過模糊聚類的方式，構建相應的矩陣方程，借助評價準則擬定最終的作業方案。

1.幾何相關條件

幾何相關條件對兩個模塊之間的靜止位置、復原情況、相對運動軌跡有著極高的精度要求，需要綜合考慮兩模塊之間的垂直狀態、平行度、同軸度。

例如，普通機床上的主軸箱和床身模塊，在裝配過程中應該確保主軸軸線與導軌之間的平行度，主軸中心線應與尾座之間的中心線保持在同一水平線上，主軸要與刀架、床身位置都應該符合基礎的幾何條件。因此在實際設計過程中要通過有限的約束，以保證各個系統處穩定位置，從而保證機械正常運轉。

2.物理相關條件

物理相關條件主要是兩模塊之間存在著能量流、信息流、物料流。能量流包括驅動力轉軸、電流、液壓力，一個模塊需要另一個模塊的驅動執行，才能夠完成一定的運動狀態。信息流主要是包括模塊之間電、光等信號的傳播。物料流主要是工件、刀具的傳遞在數控機床中。在實際模塊設計過程中，應該綜合考慮能量接口與信息接口，綜合法蘭連接、焊接的不同連接方式，確保各個要素處于標準狀態。

(三)構建完善的操作系統

現代機械的開發要將軟件工程與硬件工程結合起來，基于機械設計的基本原理，綜合軟件設計，避免前期開發中存在的問題。基于產品的三維參數和模塊化設計的要求，從工程學等不同方面進行考慮，實現有效的系統分析、系統開發、系統維護。合理選擇系統開發平臺與數據庫平臺。

1.開發系統

目前，機械開發的主要軟件是借助CAD進行二次開發，二次開發不同于一般的軟件開發，不是從底層設計開始的，而是在已有的軟件上進行開發，二次開發繼承性較強，能夠有效降低整體工作壓力。在實際作業過程中要選用成熟的版本，較高的基礎軟件如Engineer、UG、CATIA、SolidWorks等，確保整體開發的互交性，綜合優等各種軟件明確特征曲線、線框構架、尺寸信息、驅動單一關聯等基礎信息。

2.開發工具

當下計算機技術快速發展，開發工具多種多樣，有Visual C++、C++BuiIder、Turbo C、Visual等各類開發工具各有特色。在機械設計領域中需要綜合匹配硬件信息和開發平臺，VisualC++6．0集編譯、連接、調試于一體，為編程人員提供了一個相對簡單的開發界面，內置一定的輔助開發功能，能夠面向對象開發，效率較高。

3.數據庫

一般工程設計的數據庫主要以SQL數據庫為主，SQL數據庫功能強大，可以實現自動備份、自動更新、事務管理等多重功能，它具有全中文界面，便于用戶學習、交流方便。

4.頁面展示

頁面展示是系統開發中重要的一環，在實際設計過程中，要借助TCP協議，通過對零部件的參數化和標準化管理，借助CS構架，綜合客戶端和服務器端，實現互交式管理，明確零部件打包上傳、參數化設計、外觀展示等多種功能。

客戶端主要是負責模塊化管理，能夠綜合產品管理，協同產品模塊化分類，建立信息檢索、修改、刪除等功能。在產品進行管理過程中，定期對數據庫進行恢復和備份工作。設計人員需要通過組合參數對模塊進行組合管理，操作系統會自動顯示結果，如果組合失敗，可以重新進行組合，組合的模塊可以直接生成工程圖紙，完成后續的圖紙輸出。

服務器端主要負責模塊的后臺管理、服務器的調用、接收客戶端的請求并做出應答。服務器端相對工作壓力較大，需要完成產品參數化的計算，根據控制圖形匹配最佳的歷史信息，對模型進行標準化處理再返回給客戶端，由客戶端顯示參編結果。集成控制要明確代碼與地址編碼之間的關系，K1代表代碼中的自動停止信號，X0代表地址編碼中的自動和停止信號，完善內部的I/O設計與地址分配，明確整體的數據管理，實現對信號的識別和參數優化。通過測算電機勵磁流量、電機轉動慣量，繪制特性曲線，給定變頻器特殊的速度運算方式，實現有效的集成控制與模塊管理。

五、模塊化設計在機械設計中的應用

(一)在數控機床上的應用

數控機床作為機械生產中的一個基礎構件，數控機床是裝有控制系統的自動化機床。能夠根據編碼執行規定的程序。數控機床可以按照圖紙要求加工出來規定形狀和尺寸的零件。數控機床是一種柔性高效能的自動機床，能夠實現精密小批量、多品種的零件加工。將模塊化設計應用到數控機床時，可以實現對模塊功能的分解利用，在模塊劃分時需要綜合考慮車床的整體性能，統籌管理各項基礎參數，將功能分解為最小單元，體現模塊化設計的優勢，在功能分解時應該綜合考慮用戶需求、市場需求。要借助的具體參數，應該從車削的旋轉面方向入手，綜合考慮車床的精密度，執行檢測功能，確保車床的質量和實際使用情況。

(二)在柔性制造中的應用

當下我國機械制造業不斷發展，傳統的單一的機械制造難以滿足市場要求。柔性制造技術應運而生，將模塊化設計方法與柔性制造相結合，能夠最大限度上滿足工藝的要求，在有效成本的投入下，實現不同風格、不同產品之間的變換，模塊化設計方法能夠解決機床的共性問題，實現一機多用、一模多產的需求。

(三)預測、模糊控制技術

預測控制技術主要是通過全面收集及其在工作中產生的各項數據，從而預測機械的生產情況。預測控制技術以數據為基礎，以時間為核心，通過對大量數據的控制能夠形成更加精準的智能化、模塊化控制模型。通過實時監控、精確細分，明確機械設備在工作過程中存在的各種隱藏問題，實現提前檢修，確保整體設備運行的穩定性與安全性。當下，電子機械電子工程技術不斷發展，管理人員要合理通過模糊控制系統，實現對生產環境進行合理控制，簡化生產作業的流程，優化目標的工作節點，應用模糊控制技術后，可以高效地收集、分析和處理數據，通過對不同技術的合理搭配，實現技術之間的優勢互補，提高整體工作的自動化水平，確保整體工作順利開展。

六、模塊化設計的發展方向

(一)集成化發展

集成化發展從本質上來講是將不同功能的模塊組合在一起，工業機械的集成化發展是工業智能時代的必然要求。就目前的工業機械生產過程來看，占地面積較大，資源浪費現象嚴重。因此在未來發展過程中，應該整合多種實際功能，借助可編程控制器實現對多種功能的調控，減少機械設備的占地面積，優化資源配置，實現精細化、集成化操作。

(二)自動化

在零件生產過程中，不同的機械設備負責不同的操作單元，在機械設備作業時對計算機語句和指令進行輸入和描述。目前，工業機械的生產過程中需要和大量外界信息，自身工作效率不高。而模塊化發展可以有效降低程序的復雜度，降低機械設備的工作負荷，保證機械能夠高效穩定工作。

(三)理論實踐化

機械產品的模塊化設計中蘊含著豐富的信息，未來機械設計將會朝著模塊化、智能化的方向發展，未來發展中將會結合可拓學的基本理論和設計方法，提高整體的模塊配置。引入公理理論和獨立性理論，對機械產品進行層次劃分確保各個子系統的有效合作。

結語

模塊化設計在機電范圍廣泛，模塊化、數據化、智能化是整個行業發展的必然趨勢，因此管理人員應該合理利用智能控制系統，明確在作業過程中存在的問題，合理選擇系統開發平臺與數據庫平臺，滿足市場的多樣化要求。