模块化设计方法及其在机械设计中的应用分析

徐建强

摘要：为了探究模块化设计方法的应用，笔者以机械设计为例，首先分析模块化设计的基本内涵，阐明该种方法的特点和优势，发现：模块化设计可以提升机械产品的互换性程度，简化维修程序，降低购置设备成本，更能突出产品功能特点。因此在今后工作中，设计人员应该明确机械设计理念，结合新时期企业产品设计新要求，实现制造升级，合理选择机械设计分析方法。

关键字：机械设计;模块化设计;特点;优势;应用

在信息技术高速发展背景下，传统机械设计方式已经不能满足社会生产所需，为了提升设计效率，优化机械内部结构特征，技术人员就应该利用新型设计模式，立足产品个性化需求，丰富产品功能，选择合适的模块数量和模块排布形式，缓解设计制造周期与设计类型之间的矛盾问题，确保系统升级，缩短设计周期，提升生产时效性。

一、模块化设计的基本内涵

模块化设计指在机械生产和制造过程中，基于产品定位和性能要求，将不同的功能单元连接起来的创新型设计模式[1]。在选择了规格、参数合理的部件之后，技术人员以产品功能作为设计基础，后续为不同模块预留改造空间，确保其他零部件可继续使用，即使模块发生损坏，也不会影响机械产品整体应用效能，只需要更换受损模块即可。比如在新型模块化机械臂设计中（图1所示），首先研制模块化关节，之后通过合理选型，根据高减速比、大力矩输出、关节误差、摄动法原理等，分析机械臂末端与关节误差之间的关系，可以规划多自由度的机械臂路径。

二、模块化机械设计的特点和优势

从模块化机械设计的基本概念中，我们可以看出模块化设计具有可变性、可分性、功能性、关联性和有机性的特点[2]。其中，可变性主要体现在内部和外部这两个方面，可以获取特殊属性不同子集，同时也可以对属性进行定制化;可分性就是指内外部具有层次性特点，且零部件之间可分;功能性就是指通过模块化设计和组合，可以实现产品功能，达到用户需求;关联性就是指子系统之间是互补的关系，同时子模块之间会相互牵制，子系统、子模块之间可以构建成一个有机整体模块化产品，不仅可以简化维修程序，同时也可以提升机械产品的互换性程度，各个模块之间可以灵活拆卸。因此一旦发现机械产品故障，维修工作相对简单，技术人员直接将故障部位替换下来，对企业的生产效益和经济效益影响不大，适用于大批量加工，当技术人员通过调试之后，就可以进入到大批量生产，每个模块在设计和加工时，其功能就已经确定，在该种设计理念下，模块化产品的精度得到保证，且减少了返工概率，提升企业产品创新能力，在突出产品功能特点的同时使其品种新颖，质量优良，降低购置设备成本，确保包装和运输空间的合理利用。

三、模块化设计和应用方法——以机械产品为例

（一）设计方法

模块化设计方式一般可以分为三类，分别是纵向模块设计、横向模块设计、综合类型设计[3]。通过纵向模块设计方法，可以对不同的模块进行功能性设计，该种工艺方式对设计水平的要求较高，在产品不改变外观形态的基础上，对产品功能性能进行优化;横向模块设计更加适合关系层面的模块排布，设计形式比较简单，在选择合适的模块数量之后，就可以根据其功能性选择进行形态设计，可操作性强且难度较低;在特定情形下，机械产品可能出现跨形态、跨系别设计要求，因此，技术人员需要将横、纵两种设计模式相结合，在功能内涵和物理形态方面实现升级，完成产品层面的革新，明确机械设计理念，结合新时期企业产品设计新要求，实现制造升级，合理选择机械设计分析方法，以用户的实际需求为基础，避免出现产品应用门槛过高现象，同时也应该立足产品结构设计多层次特点，在设计过程中尽量做到简洁，符合消费者的消费需求。

其次，合理划分产品模块，合理选择内部结构模块化数量，细化模块功能，利用橫向模块设计办法，确定不同功能模块的连接形式，利用分层设计法，将产品功能落实到具体的模块中，从而实现机械结构内部的空间优化配置和利用，在设计具体物理结构时，为满足升级和更换要求，设计人员应该及时关注市场环境变化，结合产品特性，预留模块升级空间，结合模块化结构形式，将产品内部的模块进行编码，零件结构集成程度越高，层次结构越紧密，通过激光刻印技术编码之后，各模块之间距离更小，便于维修人员对模块进行维修和更换。其次为了编码安全高效，技术人员在必要时应该对模组进行标记，尤其是价格比较昂贵的块组件，必须将编码标记在显眼位置。最后，在装配过程模块设计时，设计人员需要结合模块的实际物理形态，优化模块连接形式，提升模块之间连接强度，结合电路板实际位置，控制产品功耗，在横、纵之间获得良好排布空间，在组装过程中，设计人员对模块物理形态进行再设计，确保其符合结构应力强度要求，合理选择组件材料，利用机械结构内部组件之间的应力应变制约关系，提升结构内部组件的连接功能，其中应力应变测试选用专业测试仪，对机械关键模组的承载能力进行测验，分析组件之间的连接形式;最后选择有效封装形式，遵循防尘、防风以及防水要求，确保产品质量和功能。

（二）应用方法

模块化设计方法如今可以被应用到多种领域，笔者以数控车床机械设计为例，在立式数控车床中，在划分模块时，可以通过模块化设计对各个区间的功能进行分解，基于整体性分解原则，展现出模块化设计的整体优点，在具体操作中应该注意到以下几点：1.车削是数控车床主要功能，因此设计人员需要从车削旋转面环节实现模块化设计，按用户需求，灵活调整模块，也可以在沟槽中体现分解功能;2.基于准确检测功能，充分考量车床整体化，顾及数控车床的基础功能。同时，也可以将模块化设计应用到立式数控机床中，了解既有机床的既有功能，划分功能独立的单元类型，秉持模块化设计基础原，确保分立式数控机床的特殊化功能可以便捷化搭配，并且充分发挥机械零部件的关键性功能，通过整体模块，在规划机床模块之时融入新专业技术变更机械零部件，提升数控机床整体质量，但是技术人员也应该注意到应该保留模块化空间，稳步提升模块规划工作效率，在信息技术、制造技术不断发展的基础上，为模块化设计创新提供空间，最终确保机械性能安全稳定。此外，在柔性生产中，硬性的设计与机械生产技术已经不再满足工作制造和消费者需要，传统单一设计不适应新市场发展需要，因此使用模块化设计新方法，使用快捷、柔性、高效的技术，通过可变、灵活的设计工艺，形成系列各异的产品，基于通用模型并融入柔性生产技术，可以达到一机多用、一模多用的工作效果，在投入较少成本的前提下，缩短设计生产时间，满足现实中生产需求。最后，在组件技术下也可以利用自动化技术，着眼于纵横之间的集成，对机械设备水平进行延伸，充分利用标准化总线技术，提升机械设备质量水平，比如设计人员可以根据高层模块实际状态，明确相关设计思路，使用各种组件，让其在自动化技术中完整保留模块的二元性，建立数学模型来补偿误差，结合开放式和集成式设计思路，提升加工模具的精确度，尤其在智能化机械作业中，可以降低加工失误率，更好地提升多槽零件作业精准度，最终提升模块机械设计的使用价值，将虚拟设计与虚拟制造技术相结合，保证产品生产质量，深入挖掘计算机辅助功能，最终降低生产成本。

结束语：综上所述，模块化设计可以提升模组之间产品功能，达到用户需求，因此设计工作者应该立足产品结构设计多层次特点，在设计过程中尽量做到简洁，符合消费者的消费需求，利用机械结构内部组件之间的应力应变制约关系，提升结构内部组件的连接功能，基于整体性分解原则，展现出模块化设计的整体优点，通过可变、灵活的设计工艺，创造出系列各异的产品，最终达到一机多用、一模多用的工作效果。

参考文献

[1]阴建强. 电路设计与仿真软件在农业机械设计中的应用分析——评《小型农业机械模块化设计技术》[J]. 热带作物学报， 2020， 041（009）：252-252.

[2]翁力炜，邓益民. 基于功能使用，行为相似及制造可行性的可变功能机械系统模块划分研究[J]. 机械设计， 2020，000（011）：9-9.

[3]齐志新， 石昀杭， 岳彩月，等. 六自由度可移动机械加工机器人的概念设计[J]. 城市轨道交通研究， 2020， 023（002）：8-8.

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