模块化设计方法在机械设计中的应用

摘要：在机械设计中利用模块化设计的设计方法可以实现规模化、批量化、个性化的生产，企业可以通过对某些零件进行改进后快速生产出新的产品。文章首先对模块化设计进行了介绍，然后对模块化设计的基本原则进行了介绍，分析了模块设计的特点和过程，最后对包装机械模块化设计的实施进行了探讨。

关键词：机械设计；模块化设计；包装机械；产品模块；模块库 文献标识码：A

中图分类号：TH12 文章编号：1009-2374（2016）23-0057-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.027

随着我国经济的不断发展，用户群体逐渐从集中式逐渐过渡到了个体户，传统的工业生产已经无法满足当前的经济模式和生产方式。企业在更新设备时，如果对所有的设备进行设计更新必然会造成成本的巨额消耗。为了降低成本，可以将机械划分成类型不同的模块，并根据实际的需求对模块进行更换，从而降低设计成本，提高企业的经济效益。

1 模块化设计的基本情况

早在20世纪中期，模块化设计理论已在国外发达国家得到了一定的应用，受到了各大厂家的认可。所谓模块化设计主要指的是针对不同规格但具备同样功能或者同一型号而功能不同产品的有效分析，最终设计出一系列的功能模块产品，借助模块的组合与有效选择形成不同的产品类型，以迎合市场的相关需求。随着时代的发展，传统的产品设计理念已远远不能满足社会发展之所需，只有创新设计理念，优化设计方案才是有效举措。

2 模块化划分原则

模块化设计的基本原则是用最少的模块数量通过一系列组合而形成多样化的产品，所生产的产品不管是在性能方面还是其他层面都是最优化的，而且采取模块化设计能够最大限度地节省施工成本。因此在设计初期相关人员应对模块类型进行细分。然而纵观当前我国在该方面的研究还处于起步阶段，对模块的划分标准仍没有一个确定依据，当前所划分的依据主要是按照侧重点之间的差异对模块进行分类的。一般而言，模块是能组成系统的、独立的结构单元，通过对产品功能的全面了解，构建总功能、子功能等结构单元之间的相关性，从而为模块的分类提供一定的依据。模块划分应遵循以下原则：一是所划分的单个模块单元应具备一定的独立性；二是各模块接口之间要进行有效分离；三是模块与模块之间的相关性应尽可能少，这样某一模块存在异常不致影响其他模块的正常使用。

3 模块设计特点和过程

3.1 模块设计特点

模块设计的主要特点列举如下：

3.1.1 产品定义的完整化。设计人员通过对市场相关产品功能的调查分析进行科学有效的设计，通过模块之间的有效组合形成特定的产品。此外，模块体系是可以变更的，按照不同设计要求以及相关技术层面的提供创新模块体系，优化模块设计理念，从而使所生产的产品不管是在结构方面还是功能特性方面都满足相关

要求。

3.1.2 尽可能地减少设计周期。根据每个用户的相关需求，选取有效的模块对产品进行优化设计，以使其用最少的投入获得较多的产出。该方法主要应用于小规模生产的制造厂家。

3.1.3 产品性能安全稳定、维修便捷，而且施工成本低。模块化设计中所使用到的相关设备都是经过严格筛选的，设备的使用率高，这样可方便加工制造技术的有效应用，提高产品的功能特性。通过模块化设计的应用能够将产品内部多样化尽可能地降低，在满足用户个性化需求的基础上提高产品的使用率。

3.1.4 实现知识管理和集成设计。模块化设计过程不是一蹴而就的，它是一项系统而庞杂的工程，也是对产品结构设计的规范过程，构建模块接口与产品知识信息是模块规划得以有效实施的根本保障。产品模块化设计应贯穿设计与管理的整个阶段中，通过对产品知识的科学管理，可为设计人员提供一定的便捷，促使其对模块不断优化与改进，增强生产的实效性。

3.2 模块设计过程

一般而言，模块设计分为两大板块进行：一是系列模块产品研制阶段，此阶段主要是按照市场的相关调查数据对整个研制阶段进行模块的有效设计；二是单个产品的模块化设计，本阶段主要是根据用户自身的实际需求对模块进行选择，从而设计出符合要求的产品。系列产品与单个产品的模块化设计过程见图1所示。

通过对图1的分析得知第一层次是模块化设计的主要过程也是最为关键的阶段，其中模块的划分又是整个阶段中的核心环节，采取科学、合理的划分方式对模块化的优化设计可起到一定的促进作用，从而有效防止模块组合时出现错乱等不良现象的发生。待第一层设计完成后设计人员需对整个过程进行全面检查，满足相关要求后即可开始第二层次的设计。

图1 系列产品与单个产品的模块化设计过程

4 包装机械的模块化设计探讨分析

4.1 包装机械的基本特征

包装机械与其他机械存在一定的差异，是一种特殊类型的机械，而且据调查大多数包装机械都存在这样一种特点即机械结构复杂多样化，具有较好的灵活性与柔性。随着时代在变迁，包装机械的更新速度也在不断加快，因此整台包装机械采用模块化设计方案可大大降低包装机械的研发周期，增加产品的类型，从而适应瞬息万变的市场需求。用于完成包装过程的机械类型有充填机械、标签机械、干燥机械等11类。对于同种类型的包装机，在组成成分上基本相吻合，不同的是包装材料的选择以及计量方式之间存在一定的出入，在实际包装中应根据包装机的相关特点采取合理的方式进行包装施工。

4.2 基于功能层次的包装机械模块划分

由于包装机械具有结构复杂多样等特征，在进行模块划分过程中，应以包装机械中的主要部件为主进行合理、有效的划分。按照集合论的相关特征表述，若功能域与结构域在信息需求与表达方式存在不同时，而从功能表达空间到结构表达空间的映射，则充分说明两个空间具有一定的函数关系。功能域将产品的实际特征进行层层分解，从而形成产品功能结构映射图，这种结构单元要根据功能与结构的相关特点判断其是否可以作为模块。

图2 功能结构映射原理

对于不同类型的包装机械，在模块设计时要根据机械的功能差异对其进行逐层细分，在细分中要注意划分层次要根据不同型号的包装机械采取合理的分层方式，若分层过多则映射到结构部件的粒度大小在模块间的接口标准与实际需求不相吻合。但若层次过少则模块化设计的有效性也不能充分体现出来。通常情况下普通的包装机械分为两层左右即可，而特殊的包装机械则可适当增加，待分层模式完成后借助功能结构映射原理，将各个层次的映射结果投射到部件上，以明确模块所属的类型以及划分细则。

4.3 包装机械模块库的有效建立

经过综合权衡后产品模块划分完成后，进一步对模块的结构进行优化设计，从而形成系统全面的模块库。包装机械模块库的有效建立可在一定程度上使用标准的模块与零部件完成新产品的研发工作。因此为了使所建立的模块库能够重复使用，在模块设计中要采用一些先进的技术理念，比如计算机辅助设计等优化设计理念，创新设计方案，并将模块组织存储到指定的数据库中。近些年来，随着科技发展浪潮的不断推进，新技术、新理念层出不穷，电子技术等新兴科技在包装机械中得到了广泛的应用，虚拟概念也由此应运而生，按照不同客户对产品的相关需求调用模块库中事先存储的各种虚拟设计方案，然后将实际生产中所使用到的数据进行整合处理后输入计算机系统中，计算机三维模型即可模仿真实的工作场景进行操作，并能根据客户所提出的建议进行适当的修改，直到达到客户的认可度。

5 结语

综上所述，模块化设计可以提升零部件产品的通用化、标准化程度，可以使这些通用件和标准件保持生产量。降低设计成本，适应市场多变的基本要求，同时模块化设计还可以实现机械创新，促进我国机械行业的

发展。

参考文献

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[2] 高卫国，徐燕申，陈永亮，等.广义模块化设计原理与方法[J].机械工程学报，2007，43（6）.

[3] 胡亚辉，徐燕申，钟伟弘，等.面向广义模块化设计/制造的产品族动态模型研究[J].机床与液压，2006，（11）.

作者简介：许军（1981-），女，河北沧州人，惠州商贸旅游高级职业技术学校讲师，广东工业大学在职研究生。

（责任编辑：蒋建华）