模块化设计方法及其在机械设计中的应用

2023-03-22刘海婴杨锦涛

科技风 2023年4期

刘海婴杨锦涛

江苏省靖江中等专业学校江苏靖江 214500

机械设备广泛应用于工业生产、建筑施工、农业种植等多方面，机械设备是各个行业的基础，机械设备的质量直接决定着整个工业体系的发展。模块化设计，通过调节各个子程序之间的连接关系，保证整个的软件稳定运行，在降低整体的制造成本的同时，确保设备运行的安全和稳定性，模块化设计是我国制造业发展的未来趋势。

一、模块化设计方法发展概况

模块化设计的研究工作始于1950年，此时国外已经研制出了一些模块化产品。但我国的机械行业发展较晚，直到90年代后计算机技术飞速发展，CAD技术、UG、CATIA、SolidWorks等软件系统的开发，推动了模块化生产技术。当下，模块化技术已经广泛应用于建筑、家居、电子、航天航海等各个行业。将模块化设计引入整体的机械工程中，能够解决内部建模中存在的问题。模块化设计是机械设计发展的必然趋势，也是工业自动化时代的基础要求。

模块化设计是机械设计中一种重要的方法，实现了对每个模块全方位的思考。要求设计人员在设计过程中应该加强前期的分析，明确模块的基本功能，合理进行拆分，在保证模块独立性能的基础上，做到相互更换，从而实现整个功能的升级。下面将主要介绍模块化设计方法的优点。

(一)节约成本

模块化设计简化了整体的包装过程，在传统机械过程中，需要依照产品自身特性采取特殊的包装过程，相对而言作业范围过于狭小，设计出来的包装只能应用到同一规模下的产品，生产的适用性有限，很容易出现人力、物力上的浪费。模块化设计能够满足各种产品的要求，促进包装简单化、集约化，降低了整体包装成本。

(二)便于后期维修

在模块化设计理念下，各个模块相对独立，操作较为简单，整体系统的自由度较高，更好地满足当下机械发展的个性化要求。模块化设计中大多采用标准零件，本身可替换性强，当机械出现故障时，可以通过简单方法，明确故障部位，及时替换，避免了不必要的资源浪费。

(三)跨系列生产

在模块化生产设计中主要包括横向的模块化设计、纵向的模块化设计，横向的设计方式是指在不改变原产品的基础上，生产其他形态的产品，相对容易操作。纵向的模块化设计是对不同规格的产品进行统一的筹划，能够有效节约资源。在不断发展过程中形成了横向与纵向相结合的模块设计，能够最大程度上满足工业生产的要求。

二、模块化设计的先进理论

(一)可拓理论

将可拓理论应用到模块化设计中，是利用物理的方法建立模块，基于产品族之间的关系，通过信息的建模和检索，整合多种的物源模型，利用可拓变化法对于模块进行操作，借助关联函数进行匹配，增加产品设计的智能性。

(二)公理化设计理论

公理化设计理论最早在20世纪70年代提出，是一种以公理为基础的方式，本质上是用数学理论的方式，减少在设计过程中存在的错误理论。公理化设计将整个模块分为用户、功能、结构、工艺等不同部分，在设计过程中四个域相互映射，可以直接检验出在设计过程中存在的逻辑关系，实现对模块的有效分解，确保整体的模块划分更加合理。

三、模块化设计中存在的问题

模块化设计涉及了多重领域知识，而部分操作专业知识上存在欠缺，缺乏有效的数据意识，不利于机电一体化的长期发展。模块化设计是工业生产的必然趋势，模块化设计集成系统前期投入较高，需要大量底层信息的支持，部分企业缺乏有力的研发部门，本身对模块化设计认识不清，不重视智能控制技术，内部缺乏有效的数据管理机制，日常作业系统混乱。

模块化设计对软件和硬件的要求较高，在实际生产过程中各个工序之间的协调性较差，控制技术数据的集成性较差，采集效率和准确度欠佳，缺乏完整的数据管理标准。此外，在数据分析过程中难免会出现差异，图像、文本存储在不同的载体内，在调用过程中可能出现不兼容，给后续的统筹管理带来了巨大的风险。

四、模块化设计要求

(一)明确总体布局

在模块化产品生产过程中，要根据产品类型，强化前期的品牌规划，明确模块化设计的功能，结合市场要求进行可行性分析，构建模块库，编写相应的技术性文件，下面将主要介绍模块化生产的总体布局。

1.调查市场需求

需求是产品开发的起点，在此阶段需要根据功能将客户分为不同群体，明确主要客户以及客户群的功能需求，通过有效的市场前期调查，定位市场中存在的同类型产品，确定原始数据，根据原始数据进行分析，合理确定本产品的创新点。

2.拟定产品谱系

当下市场要求五花八门，产品系列化的主要内容是确定产品系列以及产品功能所覆盖的范围，划分纵向系列产品、横向系列产品、跨系列产品以及全系列产品，根据拟定的族类，开发核心平台和其他辅助模块，以核心平台为基础构，通过Visual C++、Turbo C、JAVA等编程语言，借助SQL数据库实现对数据的清洗和管理，以优化整体的产品系列类型，在控制成本的基础上，满足多样化的市场需求。

3.拟定产品参数

产品参数的确定与产品系列谱拟定是交叉进行的，横系列或者是跨系列的产品主参数可能不同，在确定产品图谱之后，要给出系列产品的参数范围，根据历史信息和市场相似产品确定参数、考虑客户要求，借助有限元分析，给出产品最优解。

(二)强化模块化功能分析

在功能分析式模块化设计中，需要把产品分成不同模块，以最小单元为基准进行设计，在功能分析时要明确各个功能模块之间的相关性，重新组合模块，构建完整的产品功能模块系统，综合模块数量、成本、工作效益之间的关系，在最小成本区内进行开发。从机械设计的本质而言，可以将产品分为任意层，模块的模块本身层次越低，整体的设计越简单，通用化的程度越高，随着模块数量增加，接口数量呈级数增长，后续的制造、装备、包装也更加困难。因此在模块化设计时需要综合考虑设计、装配、维修、成本等不同因素。将子功能划分到每个功能区，建立联系。机电产品中的各个零件并不是孤立存在的，本身存在一定的相关关系。两块功能模块之间有直接的装配关系称为直接相关，而还有部分模块本身没有直接装配关系，但其位置有严格的要求称之为间接相关，因此在实际管理过程中要统筹模块之间的几何相关条件和物理相关条件，通过模糊聚类的方式，构建相应的矩阵方程，借助评价准则拟定最终的作业方案。

1.几何相关条件

几何相关条件对两个模块之间的静止位置、复原情况、相对运动轨迹有着极高的精度要求，需要综合考虑两模块之间的垂直状态、平行度、同轴度。

例如，普通机床上的主轴箱和床身模块，在装配过程中应该确保主轴轴线与导轨之间的平行度，主轴中心线应与尾座之间的中心线保持在同一水平线上，主轴要与刀架、床身位置都应该符合基础的几何条件。因此在实际设计过程中要通过有限的约束，以保证各个系统处稳定位置，从而保证机械正常运转。

2.物理相关条件

物理相关条件主要是两模块之间存在着能量流、信息流、物料流。能量流包括驱动力转轴、电流、液压力，一个模块需要另一个模块的驱动执行，才能够完成一定的运动状态。信息流主要是包括模块之间电、光等信号的传播。物料流主要是工件、刀具的传递在数控机床中。在实际模块设计过程中，应该综合考虑能量接口与信息接口，综合法兰连接、焊接的不同连接方式，确保各个要素处于标准状态。

(三)构建完善的操作系统

现代机械的开发要将软件工程与硬件工程结合起来，基于机械设计的基本原理，综合软件设计，避免前期开发中存在的问题。基于产品的三维参数和模块化设计的要求，从工程学等不同方面进行考虑，实现有效的系统分析、系统开发、系统维护。合理选择系统开发平台与数据库平台。

1.开发系统

目前，机械开发的主要软件是借助CAD进行二次开发，二次开发不同于一般的软件开发，不是从底层设计开始的，而是在已有的软件上进行开发，二次开发继承性较强，能够有效降低整体工作压力。在实际作业过程中要选用成熟的版本，较高的基础软件如Engineer、UG、CATIA、SolidWorks等，确保整体开发的互交性，综合优等各种软件明确特征曲线、线框构架、尺寸信息、驱动单一关联等基础信息。

2.开发工具

当下计算机技术快速发展，开发工具多种多样，有Visual C++、C++BuiIder、Turbo C、Visual等各类开发工具各有特色。在机械设计领域中需要综合匹配硬件信息和开发平台，VisualC++6．0集编译、连接、调试于一体，为编程人员提供了一个相对简单的开发界面，内置一定的辅助开发功能，能够面向对象开发，效率较高。

3.数据库

一般工程设计的数据库主要以SQL数据库为主，SQL数据库功能强大，可以实现自动备份、自动更新、事务管理等多重功能，它具有全中文界面，便于用户学习、交流方便。

4.页面展示

页面展示是系统开发中重要的一环，在实际设计过程中，要借助TCP协议，通过对零部件的参数化和标准化管理，借助CS构架，综合客户端和服务器端，实现互交式管理，明确零部件打包上传、参数化设计、外观展示等多种功能。

客户端主要是负责模块化管理，能够综合产品管理，协同产品模块化分类，建立信息检索、修改、删除等功能。在产品进行管理过程中，定期对数据库进行恢复和备份工作。设计人员需要通过组合参数对模块进行组合管理，操作系统会自动显示结果，如果组合失败，可以重新进行组合，组合的模块可以直接生成工程图纸，完成后续的图纸输出。

服务器端主要负责模块的后台管理、服务器的调用、接收客户端的请求并做出应答。服务器端相对工作压力较大，需要完成产品参数化的计算，根据控制图形匹配最佳的历史信息，对模型进行标准化处理再返回给客户端，由客户端显示参编结果。集成控制要明确代码与地址编码之间的关系，K1代表代码中的自动停止信号，X0代表地址编码中的自动和停止信号，完善内部的I/O设计与地址分配，明确整体的数据管理，实现对信号的识别和参数优化。通过测算电机励磁流量、电机转动惯量，绘制特性曲线，给定变频器特殊的速度运算方式，实现有效的集成控制与模块管理。

五、模块化设计在机械设计中的应用

(一)在数控机床上的应用

数控机床作为机械生产中的一个基础构件，数控机床是装有控制系统的自动化机床。能够根据编码执行规定的程序。数控机床可以按照图纸要求加工出来规定形状和尺寸的零件。数控机床是一种柔性高效能的自动机床，能够实现精密小批量、多品种的零件加工。将模块化设计应用到数控机床时，可以实现对模块功能的分解利用，在模块划分时需要综合考虑车床的整体性能，统筹管理各项基础参数，将功能分解为最小单元，体现模块化设计的优势，在功能分解时应该综合考虑用户需求、市场需求。要借助的具体参数，应该从车削的旋转面方向入手，综合考虑车床的精密度，执行检测功能，确保车床的质量和实际使用情况。

(二)在柔性制造中的应用

当下我国机械制造业不断发展，传统的单一的机械制造难以满足市场要求。柔性制造技术应运而生，将模块化设计方法与柔性制造相结合，能够最大限度上满足工艺的要求，在有效成本的投入下，实现不同风格、不同产品之间的变换，模块化设计方法能够解决机床的共性问题，实现一机多用、一模多产的需求。

(三)预测、模糊控制技术

预测控制技术主要是通过全面收集及其在工作中产生的各项数据，从而预测机械的生产情况。预测控制技术以数据为基础，以时间为核心，通过对大量数据的控制能够形成更加精准的智能化、模块化控制模型。通过实时监控、精确细分，明确机械设备在工作过程中存在的各种隐藏问题，实现提前检修，确保整体设备运行的稳定性与安全性。当下，电子机械电子工程技术不断发展，管理人员要合理通过模糊控制系统，实现对生产环境进行合理控制，简化生产作业的流程，优化目标的工作节点，应用模糊控制技术后，可以高效地收集、分析和处理数据，通过对不同技术的合理搭配，实现技术之间的优势互补，提高整体工作的自动化水平，确保整体工作顺利开展。

六、模块化设计的发展方向

(一)集成化发展

集成化发展从本质上来讲是将不同功能的模块组合在一起，工业机械的集成化发展是工业智能时代的必然要求。就目前的工业机械生产过程来看，占地面积较大，资源浪费现象严重。因此在未来发展过程中，应该整合多种实际功能，借助可编程控制器实现对多种功能的调控，减少机械设备的占地面积，优化资源配置，实现精细化、集成化操作。