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模塊化設計在機械設計中的應用論文
摘要：在機械設計中利用模塊化設計的設計方法可以實(shí)現規�；�、批量化、個(gè)性化的生產(chǎn)，企業(yè)可以通過(guò)對某些零件進(jìn)行改進(jìn)后快速生產(chǎn)出新的產(chǎn)品。文章首先對模塊化設計進(jìn)行了介紹，然后對模塊化設計的基本原則進(jìn)行了介紹，分析了模塊設計的特點(diǎn)和過(guò)程，最后對包裝機械模塊化設計的實(shí)施進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：機械設計；模塊化設計；包裝機械；產(chǎn)品模塊；模塊庫
隨著(zhù)我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，用戶(hù)群體逐漸從集中式逐漸過(guò)渡到了個(gè)體戶(hù)，傳統的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當前的經(jīng)濟模式和生產(chǎn)方式。企業(yè)在更新設備時(shí)，如果對所有的設備進(jìn)行設計更新必然會(huì )造成成本的巨額消耗。為了降低成本，可以將機械劃分成類(lèi)型不同的模塊，并根據實(shí)際的需求對模塊進(jìn)行更換，從而降低設計成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。
1模塊化設計的基本情況
早在20世紀中期，模塊化設計理論已在國外發(fā)達國家得到了一定的應用，受到了各大廠(chǎng)家的認可。所謂模塊化設計主要指的是針對不同規格但具備同樣功能或者同一型號而功能不同產(chǎn)品的有效分析，最終設計出一系列的功能模塊產(chǎn)品，借助模塊的組合與有效選擇形成不同的產(chǎn)品類(lèi)型，以迎合市場(chǎng)的相關(guān)需求。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，傳統的產(chǎn)品設計理念已遠遠不能滿(mǎn)足社會(huì )發(fā)展之所需，只有創(chuàng )新設計理念，優(yōu)化設計方案才是有效舉措。
2模塊化劃分原則
模塊化設計的基本原則是用最少的模塊數量通過(guò)一系列組合而形成多樣化的產(chǎn)品，所生產(chǎn)的產(chǎn)品不管是在性能方面還是其他層面都是最優(yōu)化的，而且采取模塊化設計能夠最大限度地節省施工成本。因此在設計初期相關(guān)人員應對模塊類(lèi)型進(jìn)行細分。然而縱觀(guān)當前我國在該方面的研究還處于起步階段，對模塊的劃分標準仍沒(méi)有一個(gè)確定依據，當前所劃分的依據主要是按照側重點(diǎn)之間的差異對模塊進(jìn)行分類(lèi)的。一般而言，模塊是能組成系統的、獨立的結構單元，通過(guò)對產(chǎn)品功能的全面了解，構建總功能、子功能等結構單元之間的相關(guān)性，從而為模塊的分類(lèi)提供一定的依據。模塊劃分應遵循以下原則：一是所劃分的單個(gè)模塊單元應具備一定的獨立性；二是各模塊接口之間要進(jìn)行有效分離；三是模塊與模塊之間的相關(guān)性應盡可能少，這樣某一模塊存在異常不致影響其他模塊的正常使用。
3模塊設計特點(diǎn)和過(guò)程
3.1模塊設計特點(diǎn)
模塊設計的主要特點(diǎn)列舉如下：
3.1.1產(chǎn)品定義的完整化。設計人員通過(guò)對市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品功能的調查分析進(jìn)行科學(xué)有效的設計，通過(guò)模塊之間的有效組合形成特定的產(chǎn)品。此外，模塊體系是可以變更的，按照不同設計要求以及相關(guān)技術(shù)層面的提供創(chuàng )新模塊體系，優(yōu)化模塊設計理念，從而使所生產(chǎn)的產(chǎn)品不管是在結構方面還是功能特性方面都滿(mǎn)足相關(guān)要求。
3.1.2盡可能地減少設計周期。根據每個(gè)用戶(hù)的相關(guān)需求，選取有效的模塊對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設計，以使其用最少的投入獲得較多的產(chǎn)出。該方法主要應用于小規模生產(chǎn)的制造廠(chǎng)家。
3.1.3產(chǎn)品性能安全穩定、維修便捷，而且施工成本低。模塊化設計中所使用到的相關(guān)設備都是經(jīng)過(guò)嚴格篩選的，設備的使用率高，這樣可方便加工制造技術(shù)的有效應用，提高產(chǎn)品的功能特性。通過(guò)模塊化設計的應用能夠將產(chǎn)品內部多樣化盡可能地降低，在滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求的基礎上提高產(chǎn)品的使用率。
3.1.4實(shí)現知識管理和集成設計。模塊化設計過(guò)程不是一蹴而就的，它是一項系統而龐雜的工程，也是對產(chǎn)品結構設計的規范過(guò)程，構建模塊接口與產(chǎn)品知識信息是模塊規劃得以有效實(shí)施的根本保障。產(chǎn)品模塊化設計應貫穿設計與管理的整個(gè)階段中，通過(guò)對產(chǎn)品知識的科學(xué)管理，可為設計人員提供一定的便捷，促使其對模塊不斷優(yōu)化與改進(jìn)，增強生產(chǎn)的實(shí)效性。
3.2模塊設計過(guò)程
一般而言，模塊設計分為兩大板塊進(jìn)行：一是系列模塊產(chǎn)品研制階段，此階段主要是按照市場(chǎng)的相關(guān)調查數據對整個(gè)研制階段進(jìn)行模塊的有效設計；二是單個(gè)產(chǎn)品的模塊化設計，本階段主要是根據用戶(hù)自身的實(shí)際需求對模塊進(jìn)行選擇，從而設計出符合要求的產(chǎn)品。系列產(chǎn)品與單個(gè)產(chǎn)品的模塊化設計過(guò)程見(jiàn)圖1所示。通過(guò)對圖1的分析得知第一層次是模塊化設計的主要過(guò)程也是最為關(guān)鍵的階段，其中模塊的劃分又是整個(gè)階段中的核心環(huán)節，采取科學(xué)、合理的劃分方式對模塊化的優(yōu)化設計可起到一定的促進(jìn)作用，從而有效防止模塊組合時(shí)出現錯亂等不良現象的發(fā)生。待第一層設計完成后設計人員需對整個(gè)過(guò)程進(jìn)行全面檢查，滿(mǎn)足相關(guān)要求后即可開(kāi)始第二層次的設計。
4包裝機械的模塊化設計探討分析
4.1包裝機械的基本特征
包裝機械與其他機械存在一定的差異，是一種特殊類(lèi)型的機械，而且據調查大多數包裝機械都存在這樣一種特點(diǎn)即機械結構復雜多樣化，具有較好的靈活性與柔性。隨著(zhù)時(shí)代在變遷，包裝機械的更新速度也在不斷加快，因此整臺包裝機械采用模塊化設計方案可大大降低包裝機械的研發(fā)周期，增加產(chǎn)品的類(lèi)型，從而適應瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求。用于完成包裝過(guò)程的機械類(lèi)型有充填機械、標簽機械、干燥機械等11類(lèi)。對于同種類(lèi)型的包裝機，在組成成分上基本相吻合，不同的是包裝材料的選擇以及計量方式之間存在一定的出入，在實(shí)際包裝中應根據包裝機的相關(guān)特點(diǎn)采取合理的方式進(jìn)行包裝施工。
4.2基于功能層次的包裝機械模塊劃分
由于包裝機械具有結構復雜多樣等特征，在進(jìn)行模塊劃分過(guò)程中，應以包裝機械中的主要部件為主進(jìn)行合理、有效的劃分。按照集合論的相關(guān)特征表述，若功能域與結構域在信息需求與表達方式存在不同時(shí)，而從功能表達空間到結構表達空間的映射，則充分說(shuō)明兩個(gè)空間具有一定的函數關(guān)系。功能域將產(chǎn)品的實(shí)際特征進(jìn)行層層分解，從而形成產(chǎn)品功能結構映射圖，這種結構單元要根據功能與結構的相關(guān)特點(diǎn)判斷其是否可以作為模塊。對于不同類(lèi)型的包裝機械，在模塊設計時(shí)要根據機械的功能差異對其進(jìn)行逐層細分，在細分中要注意劃分層次要根據不同型號的包裝機械采取合理的分層方式，若分層過(guò)多則映射到結構部件的粒度大小在模塊間的接口標準與實(shí)際需求不相吻合。但若層次過(guò)少則模塊化設計的有效性也不能充分體現出來(lái)。通常情況下普通的包裝機械分為兩層左右即可，而特殊的包裝機械則可適當增加，待分層模式完成后借助功能結構映射原理，將各個(gè)層次的映射結果投射到部件上，以明確模塊所屬的類(lèi)型以及劃分細則。
4.3包裝機械模塊庫的有效建立
經(jīng)過(guò)綜合權衡后產(chǎn)品模塊劃分完成后，進(jìn)一步對模塊的結構進(jìn)行優(yōu)化設計，從而形成系統全面的模塊庫。包裝機械模塊庫的有效建立可在一定程度上使用標準的模塊與零部件完成新產(chǎn)品的研發(fā)工作。因此為了使所建立的模塊庫能夠重復使用，在模塊設計中要采用一些先進(jìn)的技術(shù)理念，比如計算機輔助設計等優(yōu)化設計理念，創(chuàng )新設計方案，并將模塊組織存儲到指定的數據庫中。近些年來(lái)，隨著(zhù)科技發(fā)展浪潮的不斷推進(jìn)，新技術(shù)、新理念層出不窮，電子技術(shù)等新興科技在包裝機械中得到了廣泛的應用，虛擬概念也由此應運而生，按照不同客戶(hù)對產(chǎn)品的相關(guān)需求調用模塊庫中事先存儲的各種虛擬設計方案，然后將實(shí)際生產(chǎn)中所使用到的數據進(jìn)行整合處理后輸入計算機系統中，計算機三維模型即可模仿真實(shí)的工作場(chǎng)景進(jìn)行操作，并能根據客戶(hù)所提出的建議進(jìn)行適當的修改，直到達到客戶(hù)的認可度。
5結語(yǔ)
綜上所述，模塊化設計可以提升零部件產(chǎn)品的通用化、標準化程度，可以使這些通用件和標準件保持生產(chǎn)量。降低設計成本，適應市場(chǎng)多變的基本要求，同時(shí)模塊化設計還可以實(shí)現機械創(chuàng )新，促進(jìn)我國機械行業(yè)的發(fā)展。
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