機械產品模塊化設計探討

梁彬

摘 要：目前，機械制造企業面臨的市場環境并不樂觀。企業若要保持自身的生存空間與競爭力，必須提升產品創新能力、壓縮設計周期，還要保證用戶化程度，以低成本獲取高收益。在這種要求下，模塊化機械產品應運而生。它的出現促進了產品迭代，進一步提升了產品的質量，擴大了應用范圍，為企業發展帶來了動力。

關鍵詞：機械產品；模塊化；設計

一、模塊的定義

模塊是可組合成系統的、具有某種確定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元。定義成模塊的零部件應具有以下幾個典型特點：

（一）功能的獨立性：給定輸入和輸出，能夠獨立的完成一定的功能；

（二）結構的獨立性：應該具有獨立的物理組成和外觀結構；

（三）接口的標準化：標準的接口保證了模塊的互換性，以便與其他模塊進行組合。

對于工程機械產品，模塊可以是機械結構件、也可以是液壓或電氣單元、控制軟件，如混泥土泵車可以定義為臂架、轉塔、泵送系統等模塊。同時模塊亦可以根據其復雜程度及在實施過程中的制造、裝配、物流等實際情況進行進一步的下級模塊劃分，也就是模塊可以有層級概念，比如說混泥土泵車的臂架定義為一級模塊，往下還可以細分為單節臂架模塊、臂架油缸模塊、連桿模塊等二級模塊。從而可通過不同長度的單節臂架模塊組合成滿足不同客戶需求的不同臂架高度的泵車。

二、模塊設計的內涵及特點

（一）模塊化設計內涵

設計任務可以從多個層面共同進行，并且這一特征是傳統設計方法中所不具備的。先對產品的框架進行設計，在逐層開展內容完善，這樣機械設計任務開展形式擁有更多的選擇，并且不會出現設計形式混亂的情況。機械設計需要將參數完善記錄，方便對設計圖形進行審核，完全達到安全標準才能夠投入到生產環節中。通常情況下是同橫向與縱向兩方面來探討設計形式，將數據依次填寫到框架中，對比分析是否存在誤差。設計期間結合使用需求可以隨時對模塊進行改變，確保工作任務能夠高效開展。

（二）設計的特點

1、便于維修。模塊化設計理念與傳統設計方法相比較，擁有很多新的特點。首先是使用階段發生故障更便于維修，修理任務也可以在局部進行，節省時間的同時在維修效率上也有明顯提升。各模塊均可靈活拆卸，故障嚴重時，通過調試很難使之恢復正常，此時直接將木塊更換，快速完成維修任務。由此可見，無論是設計還是使用，該種設計理念都有很多突破，解決了機械設備使用中遇到的問題。

2、簡化包裝設計。包裝是設計工作中的重要內容，同時也十分復雜。要根據設備的外形對包裝進行設計，保護運輸安全也要合理利用空間，這些標準很難同時實現，但通過模塊化設計，包裝環節更簡單便于實施。傳統包裝方法中，工作人員要根據不用零件的設計形式探討包裝方案，對基層工作人員相關專業知識要求嚴格，并且在包裝過程中會浪費大量時間，并不利于機械生產加工高效進行。應用模塊化設計理念后，包裝工程中所面對的產品也都是劃分后的，并不需要基層工作人員了解機械設計原理，對控制成本支出及提升生產效率都有很大的幫助。加強模塊化設計理念應用后，工作人員可以更高效的完成包裝任務，為機械設備使用階段提供便捷性。

3、模塊化包裝的成本低。應用模塊化設計方法后，在機械生產包裝流程中有明顯的簡化，同時成本支出也得到有效控制。傳統的設計理念中，存在很多不確定因素，因此預算的成本支出也很容易發生變化，在工作任務開展過程中，包裝所用材料通過計算可以得到準確結果。這樣管理人員更明確不必要的成本支出，嚴格控制資金使用，這也是模塊化設計理念中節約成本的依據。雖然資金支出得到了控制，但產品使用質量并不會因此受到影響。

（三）模塊化劃分原則

模塊化的設計就是要以少數的模塊組成極可能多的產品，同時產品具有高度的穩定性、精度，并且結構簡單，成本低廉。所以在設計之初應對模塊進行詳細的劃分。當前并沒有標準化的模塊劃分原則，根據側重點的不同可進行不同模塊的劃分。從模塊本身的概念來看，模塊就是可組成系統的、具有某種特定功能和結構的、典型的通用獨立單元。通過對產品功能的結構，建立總功能、子功能、功能單元之間的聯系，為模塊的劃分建立基礎。單從這方面講，應滿足下述原則：首先應保持模塊功能和結構具有一定的完整性和獨立性；其次應確保模塊接口要素便于聯系和分離；第三應保持模塊之間的相關盡可能少，同時模塊內部間應為強耦合；遵照典型性和通用性的原則。

（四）模塊化設計方法在機械設計中的應用

當前具有多種設計方法，首選從功能側重方面來說，主要的流程是需求分析、功能分解、探索式集成和評估。首選對客戶的需求進行分析，將顧客的需求配置到產品中，以滿足客戶需求為主。根據客戶需求分析確定產品要求，再次過程中應準備多種功能目標，滿足客戶的首要需求。在確定產品各個不同層次的功能后，對產品進行分解，分解成基本功能和物理元素，同時對功能及物理元素進行集成。然后對綜合指標及可行性進行分析，最后實施設計。

另一種是基于結構特征的設計。這一方法要求先對零部件的形狀特征進行分析，并規劃減少零部件的種類，達到優化成本和提高產品質量的目的。在次過程中需對標準化模塊參數進行分析，減少可變參數的數量，以方便模塊建模。根據分析結構首先建立零部件主模型，利用關鍵參數描述零部件外形和各尺寸之間的關系。設計過程中在基本模塊模型中輸入數值，自動形成變形模塊。其中零部件幾何模型和對應的事物特性表是零部件的重要組成部分。通過變形模塊的加入，最終形成產品的結構，產品主結構可描述為一個可配置、包括所有標準構建的模塊化產品系統的組成。

三、結語

在技術迭代步伐愈來愈快的背景下，模塊化設計顯然與市場發展趨勢相契合。模塊化設計不僅滿足了用戶的個性化需求，同時還提升了產品生產效率及質量水平，為行業整體發展奠定了基礎，使工業設計水平邁向了更高的階層。

參考文獻：

[1]梁偉勇.機械產品的可拓模塊化設計方法研究與應用[D].南京航空航天大學，2014.

[2]金鑫.機械產品參數驅動模塊化設計技術研究[D].國防科學技術大學，2013.

[3]趙應娟.機械產品三維化和模塊化設計平臺研究[J].現代商貿工業，2011，v.2306：281-282.