机械产品模块化设计探讨

梁彬

摘 要：目前，机械制造企业面临的市场环境并不乐观。企业若要保持自身的生存空间与竞争力，必须提升产品创新能力、压缩设计周期，还要保证用户化程度，以低成本获取高收益。在这种要求下，模块化机械产品应运而生。它的出现促进了产品迭代，进一步提升了产品的质量，扩大了应用范围，为企业发展带来了动力。

关键词：机械产品；模块化；设计

一、模块的定义

模块是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。定义成模块的零部件应具有以下几个典型特点：

（一）功能的独立性：给定输入和输出，能够独立的完成一定的功能；

（二）结构的独立性：应该具有独立的物理组成和外观结构；

（三）接口的标准化：标准的接口保证了模块的互换性，以便与其他模块进行组合。

对于工程机械产品，模块可以是机械结构件、也可以是液压或电气单元、控制软件，如混泥土泵车可以定义为臂架、转塔、泵送系统等模块。同时模块亦可以根据其复杂程度及在实施过程中的制造、装配、物流等实际情况进行进一步的下级模块划分，也就是模块可以有层级概念，比如说混泥土泵车的臂架定义为一级模块，往下还可以细分为单节臂架模块、臂架油缸模块、连杆模块等二级模块。从而可通过不同长度的单节臂架模块组合成满足不同客户需求的不同臂架高度的泵车。

二、模块设计的内涵及特点

（一）模块化设计内涵

设计任务可以从多个层面共同进行，并且这一特征是传统设计方法中所不具备的。先对产品的框架进行设计，在逐层开展内容完善，这样机械设计任务开展形式拥有更多的选择，并且不会出现设计形式混乱的情况。机械设计需要将参数完善记录，方便对设计图形进行审核，完全达到安全标准才能够投入到生产环节中。通常情况下是同横向与纵向两方面来探讨设计形式，将数据依次填写到框架中，对比分析是否存在误差。设计期间结合使用需求可以随时对模块进行改变，确保工作任务能够高效开展。

（二）设计的特点

1、便于维修。模块化设计理念与传统设计方法相比较，拥有很多新的特点。首先是使用阶段发生故障更便于维修，修理任务也可以在局部进行，节省时间的同时在维修效率上也有明显提升。各模块均可灵活拆卸，故障严重时，通过调试很难使之恢复正常，此时直接将木块更换，快速完成维修任务。由此可见，无论是设计还是使用，该种设计理念都有很多突破，解决了机械设备使用中遇到的问题。

2、简化包装设计。包装是设计工作中的重要内容，同时也十分复杂。要根据设备的外形对包装进行设计，保护运输安全也要合理利用空间，这些标准很难同时实现，但通过模块化设计，包装环节更简单便于实施。传统包装方法中，工作人员要根据不用零件的设计形式探讨包装方案，对基层工作人员相关专业知识要求严格，并且在包装过程中会浪费大量时间，并不利于机械生产加工高效进行。应用模块化设计理念后，包装工程中所面对的产品也都是划分后的，并不需要基层工作人员了解机械设计原理，对控制成本支出及提升生产效率都有很大的帮助。加强模块化设计理念应用后，工作人员可以更高效的完成包装任务，为机械设备使用阶段提供便捷性。

3、模块化包装的成本低。应用模块化设计方法后，在机械生产包装流程中有明显的简化，同时成本支出也得到有效控制。传统的设计理念中，存在很多不确定因素，因此预算的成本支出也很容易发生变化，在工作任务开展过程中，包装所用材料通过计算可以得到准确结果。这样管理人员更明确不必要的成本支出，严格控制资金使用，这也是模块化设计理念中节约成本的依据。虽然资金支出得到了控制，但产品使用质量并不会因此受到影响。

（三）模块化划分原则

模块化的设计就是要以少数的模块组成极可能多的产品，同时产品具有高度的稳定性、精度，并且结构简单，成本低廉。所以在设计之初应对模块进行详细的划分。当前并没有标准化的模块划分原则，根据侧重点的不同可进行不同模块的划分。从模块本身的概念来看，模块就是可组成系统的、具有某种特定功能和结构的、典型的通用独立单元。通过对产品功能的结构，建立总功能、子功能、功能单元之间的联系，为模块的划分建立基础。单从这方面讲，应满足下述原则：首先应保持模块功能和结构具有一定的完整性和独立性；其次应确保模块接口要素便于联系和分离；第三应保持模块之间的相关尽可能少，同时模块内部间应为强耦合；遵照典型性和通用性的原则。

（四）模块化设计方法在机械设计中的应用

当前具有多种设计方法，首选从功能侧重方面来说，主要的流程是需求分析、功能分解、探索式集成和评估。首选对客户的需求进行分析，将顾客的需求配置到产品中，以满足客户需求为主。根据客户需求分析确定产品要求，再次过程中应准备多种功能目标，满足客户的首要需求。在确定产品各个不同层次的功能后，对产品进行分解，分解成基本功能和物理元素，同时对功能及物理元素进行集成。然后对综合指标及可行性进行分析，最后实施设计。

另一种是基于结构特征的设计。这一方法要求先对零部件的形状特征进行分析，并规划减少零部件的种类，达到优化成本和提高产品质量的目的。在次过程中需对标准化模块参数进行分析，减少可变参数的数量，以方便模块建模。根据分析结构首先建立零部件主模型，利用关键参数描述零部件外形和各尺寸之间的关系。设计过程中在基本模块模型中输入数值，自动形成变形模块。其中零部件几何模型和对应的事物特性表是零部件的重要组成部分。通过变形模块的加入，最终形成产品的结构，产品主结构可描述为一个可配置、包括所有标准构建的模块化产品系统的组成。

三、结语

在技术迭代步伐愈来愈快的背景下，模块化设计显然与市场发展趋势相契合。模块化设计不仅满足了用户的个性化需求，同时还提升了产品生产效率及质量水平，为行业整体发展奠定了基础，使工业设计水平迈向了更高的阶层。

参考文献：

[1]梁伟勇.机械产品的可拓模块化设计方法研究与应用[D].南京航空航天大学，2014.

[2]金鑫.机械产品参数驱动模块化设计技术研究[D].国防科学技术大学，2013.

[3]赵应娟.机械产品三维化和模块化设计平台研究[J].现代商贸工业，2011，v.2306：281-282.