模块化设计方法及其在机械设计中的应用

张明森

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

在工业技术水平不断提高的新时期背景下，模块化设计方法开始出现并且广泛应用在机械设计中，弥补了传统设计方法缺陷的同时，也保证了机械设计的进一步提升和发展。因此，为了能够更好地利用模块化设计优势，将其作用真正发挥出来，当前需要明确其在实际机械设计中的应用，并且按照实际情况提出有效应用模块化设计方法的措施。以此保证能够提升机械设计效果，降低设计成本，促进机械设计顺利进行，为机械设计行业更好地实现创新发展提供契机。

一、模块化设计方法概述

1.基本概念

模块化设计方法是一种非常重要、常见的机械设计方法，其主要是指在机械设计中，通过将不同组成部分分成多个模块后，对不同模块实施全面的考量和设计，最终将所有模块组装在一起，形成完整的设计。其中模块划分是非常重要的一部分，划分中模块是否可互换，是对模块设计效果产生影响的一个重要因素。因此，对于该方法来说，实施中需要重点考量模块划分合理性，在全面、综合考量不同模块的基础上，明确对应的功能，以及不同模块组合的便利性。在此基础上考量不同模块功能是否具备良好的独立性，并且可以进行更换，进而保证真正发挥出促进系统升级的作用[1]。

2.方法

模块化设计方法一般包括横向、纵向和混合三种不同的方式，每种方法都有着自身的要求和特点。第一，横向设计一般是指实际设计中，在不改变原有参数的情况设计模块，达到提升设计质量的作用。第二，纵向设计是指对不同规模产品开展设计。第三，混合设计主要是在满足客户需求的情况下，综合横向、纵向两种设计方法，最大化提升机械设计的整体质量。当前混合设计方法比较常用，在选择方法时需要结合机械设计实际要求，合理地进行选择，保证方法与设计要求的适应性，从根本上提升设计的质量和效果。

3.特点

作为一种全新的设计理念、方法，模块化设计方法自身有着非常突出的特点。第一，可维修。模块化设计方法有着可维修特点，主要是基于其涉及中不同模块的可替换功能，一旦机械发生故障，则可以通过检查确定模块，然后更换即可完成维修，确保机械能够正常运行，简化维修流程的同时，能够为故障排除提供一定便利。第二，易包装。在传统的包装程序中，需要按照产品特点进行制定包装，设计出来的包装只能够应用在同种类产品中，非常不利于包装工作的高效开展。通过模块化设计方法的应用，包装可以同时满足不同产品的需求，实现对多种产品的识别和包装，简化包装流程，提升了包装工作质量和效率。第三，成本小，由于模块化设计方法能够对不同的模块实施分别设计，不同模块的功能也比较独立，实际运行中能够按照需求仅仅运行其中某个模块，其他模块可以处于休息状态或者是开展其他工作的状态，能够直接通过一个模块形成一条生产线，大大节约了生产成本，提升了生产效率。

二、模块化设计方法应用要点

1.模块划分

模块划分中，需要注意的内容包括以下几点。第一，从全面掌握设备功能、结构的角度，全面地检查设备情况，了解和明确设计目标以及方法。第二，对设备结构与功能合理地进行划分，保证功能与结构的适应性。第三，按照机械设计要求，将模块分成多个符合机械设计要求的部分，实现对模块的合理划分。如数控立式车床划分模块过程中，一般可以划分成传动模块、执行模块、支承模块、监测模块等。第四，需要保证不同模块要具备应有的功能，并且确保这些功能可以在机械设计中统一进行，保证功能设计的科学合理性，为设备稳定运行提供保障。

2.功能确定

在划分好不同的模块后，就需要对各个模块的功能进行确定，实施中需要重点关注功能的联系。在所有模块中会存在一些功能比较单一的模块，尤其是一些模块需要具备不同的功能。如监测模块功能是监测生产情况，以数控立式车床为例来说，刀具监测装置的功能就对刀具监测。这些模块在功能上单一，只能够使用一种功能。一些功能需要通过两个或者两个以上的模块共同完成，这也是确定模块功能中需要重点关注的内容之一，同时，也存在一些需要三种以上功能才能够完成的模块操作。因此，在设计中需要重点关注模块需要执行的任务，做好各个模块之间的联动设计，为后续整个设计的合理性和有效性提供保障。

3.组装模块

模块组装是对设计进行检验的一种途径，也是非常重要的环节，组装的合理性和准确性，是减少麻烦、提升设计效率的重要保障。组装中需要主义的内容为以下几点。第一，组装中需要为模块的整体完整性提供保障，对于不同模块之间的组合，要严格地依据操作流程进行处理。第二，操作中需要从全面的角度考量，在保证设计功能满足要求的情况下，关注设计布局的整体合理性，确保各个模块都能够支持更换[2]。第三，组装中需要做好不同模块连接的接口处理，保证接口连接满足标准和规格的要求，为后续更好地提升模块设计效果提供支持。

三、模块化设计方法及其在机械设计中应用领域

1.数控机床立式车床

在科学技术快速发展的情况下，数控机床中的立式车床对于该技术的应用比较常见。实际应用中，首先，要对模块化设计理念进行完善和优化，按照实际要求逐步对模块化应用流程进行完善。同时，由于模块化设计方法自身有着非常明显和突出的优势，应用中可以按照不同模块实际功能进行划分，将相同功能的模块自动化组合在一起。这样能够在一定程度上为后续产品生产效果提供保障，发挥出创新机械设计方法的积极作用。其次，为了能够更好地保证模块完整性，需要按照不同部件组织实际情况，对其实施科学划分，确保能够从整体上提升产品生产质量。同时，在应用中，要重点关注模块分解工作，对关键组件进行合理调整，制定较为完善的实施方案，为后续其他工作的顺利实施提供支持。将模块化设计方法应用在数控机床立式车床的模块设计中，能够保证按照设计方案要求，对不同模块实施科学划分，达到帮助企业降低成本、提升经济效益和社会效益的积极作用。

2.数控机床功能分解

模块化设计方法在数控机床功能分解中的有效应用，能够通过发挥出该方法自身具备的优势，确保分解工作的顺利实施，提升立式机床的应用效率和质量。在实际应用中，首先，相关设计人员要对机床整体运行环节实施综合分析，按照要求进行分解处理。同时，为了能够提升模块化设计方法的应用效果，在功能分解中，需要严格按照用户要求展开设计，并且要在模块化设计中，注重提升设计实用性。其次，功能分解中，需要按照不同视角对功能实施划分，重点关注车削沟槽、旋转面划分工作，保证功能划分合理性。同时，数控机床执行和检验是保证机床质量的关键部分，为了能够更好地发挥出模块化设计方法效果，需要做好机床的监测工作，从根本上保证机械化生产水平[3]。

3.柔性制造

在社会生产力不断提升的情况下，该方法在柔性制造中也实现了广泛应用，并且应用方位越来越广泛、通过应用模块化的设计方法，有效改变了传统机械制造技术自身具备的局限性，使其能够更好地适应社会发展，满足发展需要。首先，由于模块化自身的灵活性非常突出，在应用中要与柔性制造有效融合在一起，逐渐提升设计方法的应用效果。其次，基于模块化设计的可变性叫柔性制造，在应用过程中，可以按照产品特点科学地进行分类，实现不同风格产品生产工作的有机融合，降低生产成本。在柔性制造中应用模块化设计方法，能够确保产品生产真正满足要求，促进产品生产与模块之间的有机整合，降低成本的同时，能够促进经济效益和社会效益的统一。

四、模块化设计方法在机械设计有效应用建议

1.准确了解划分原则

近些年工业产业中各个行业内部的竞争不断加剧，加上人工成本的不断提高，对各个企业的生产和经营提出了严格要求，不仅要保证经济效益，还需要真正满足社会不断发展中，人们对于产品的实际需求。在这种情况下，能否结合科学、创新的方法对生产线进行设计，保证生产效率和质量的有效提升，就成了人们重点关注的内容之一。而作为一种采用最少模块，利用不同组合形成多样化产品的机械设计方法，模块化设计方法在机械设计中的有效应用，成为了各个企业重点考量的内容。因此，为了能够从根本上保证企业的生产效益，保证机械设计的整体效果，当前需要准确了解模块化设计方法中的模块划分原则，实现模块化设计的基本目标，为提升企业生产效率，帮助企业节约成本提供支持。设计之前相关人员需要准确了解划分原则，在详细进行分类的基础上，依据我国关于模块划分的标准和要求，明确侧重点之间的差异，掌握好对应的划分依据，为更加科学地对模块实施划分提供支持[4]。但是由于我国模块化设计领域起步比较晚，发展也不够快速，因此，划分之前还需要明确具体的原则，即模块和模块之间需要有效分离，不互相联系原则，以及尽量减少不同模块之间相关性原则，保证一个模块的使用不会对其他模块产生影响。通过准确地对设计原则进行分析，找到不同模块划分过程中的重点，这样就能够保证整个机械设计的合理性和适用性。

2.及时确定接口类型

针对模块化设计中的接口来说，其主要是就是指不同模块之间，起到互相联系、传递信息的一个功能性技术。对于机械设备来说，接口是非常重要的一个组成部分，也是保证模块和模块之间进行有效信息传递的载体。通过合理地对模块接口方式进行确定，能够保证接口更好地发挥功能提供一定支持。在实际应用中，需要按照不同类型的特点，合理地选择接口类型。一般来说主要有以下几种。第一，物理连接接口，其主要是指在模块和模块之间，采用物理的方式进行连接，将两个或者多个模块联系在一起，如模块之间存在接触或者链接。第二，体积或者是区域内存在接口，主要是指模块之间在空间或者表面上存在参考关系。第三，传递操控信号接口，即模块和模块间有控制关系。第四，现场、环境接口，即通过现场和环境连接在一起。第五，质量、能量传递接口，即模块间有质量或者是能量传递的关系。需要注意的是，不同模块和模块之间可以存在一种连接方式，也可以存在多个接口，在模块定义过程中，也要对接口关系进行定义。只有确定了接口之间的关系，才能够保证后续设计中无法轻易地对其进行改变，进而确保接口类型一直维持原有的状态，为设计有效性提供支持。

3.注重分层展开设计

在模块化的设计中，一般可以分成两个不同的层次，即系列模块和单个产品模块，不同层次的设计要求、原则、方法和注意事项均存在一定的差异性，需要重点进行区分，确保能够更加科学合理地完成模块设计。首先，针对系列模块设计来说，在实际设计中，一般是通过计算的方式，先对市场进行调查和分析，对用户需求进行确定后，再制定出功能设计方案，实施对应的模块设计。然后按照功能需求，明确参数，并且对模块实施切分，设计结构，形成对应的资料库。系统模块设计的最大优势就是能够保证整体功能协调性，可以提升机械设计的质量和效率[5]。其次，单个产品模块化设计工作比较复杂，对于机械的每个产品，均需要设计出相对应的模块和功能。在设计中，一般是建立在系列模块设计基础上实现的，主要步骤是先按照要求对用户需求和参数进行确定，然后对模块实施组装、分析、计算，确保模块能够达到最佳使用效果后，再完成其他的设计步骤。

结语

随着社会的快速发展，当前工业化生产中对于生产效率和质量的要求也在不断提高，为机械设计工作带来了一定挑战。模块化设计方法作为一种自身拥有着成本低、功能强、包装简单、便于维护优势的设计方法，如果能够将其有效地应用在机械设计中，必然能够从根本上提升设计水平，保证设计效果，为促进工业生产质量和效率的提升提供保障。因此，在准确了解模块化设计方法特点、要点和应用领域的基础上，也要通过准确了解划分原则、及时确定接口类型、注重分层展开设计等措施，确保其能够被更加有效地应用在机械设计中。只有这样才能够从根本上发挥出该方法的真正优势和作用，提升机械设计水平，为工业生产活动更加高效的开展提供支持，进而促进我国机械设计行业获得更加广阔的发展空间。