浅析模块化设计
摘要：模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法，。通过对减速器结构设计的分析, 更形象具体的阐述什么是模块化设计。
关键词: 模块化设计；功能分析；设计方法
Analysis of the modular design
Abstract: Modular design is refers to the analytical basis functions in different function in a certain range or same function but different performance, different specifications of the product, divide and design a series of functional modules, consisting of different products through the selection and combination of modules, to meet the different needs of design method of the market,. Through the analysis on the structure design of deceleration, more specifically on what is modular design.
Keywords: module design; functional analysis; ways of design
1. 产生的背景
第一次工业革命后, 机械加工逐步成为产品加工成型的主要手段, 特别是机械工业产品。机械加工以产品的系列化, 加工的标准化, 形成零、部件具有通用化、互换性, 显示了它强大的生命力。
系列化的目的在于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求方对产品的要求。组合化是采用一些通用系列部件与较少数量的专用部件、零件组合而成的专用产品。通用化是借用原有产品的成熟零部件, 不但能缩短设计周期, 降低成本, 而且还增加了产品的质量可靠性[1]。标准化零部件实际上是跨品种、跨厂家甚至跨行业的更大范围零部件通用化。由于这种高度的通用化, 使得该零部件可以由工厂的单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造。
一般产品设计都具有一个明确的使用功能, 机械产品的总体使用功能是通过各个结构来实现的。由于机械产品的结构与功能之间并非是一一对应的关系, 一个结构实体通常可以实现若
干种功能, 一个功能往往又可通过若干种结构实体予以实现。可以视机械产品中的实体结构为结构模块, 将机械产品的总体功能分解若干个子功能, 功过结构模块将功能模块转化成实体模块, 从而实现总体功能，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。
产品系列化、组合化、通用化和标准化孕育了模块化设计技术
2. 模块化设计的原则
机械产品的模块设计，是以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品通用零、部件等，描述设计任务，即分解系统时就考虑每个分模块是否对应的产品功能目标，这样，能够在产品规划阶段就消除设计模块中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。传统的机械设计将模块设计的功能化产品结构分为4层，产品-功能组成-主要功能组件-功能元件[2]。见图1，并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、降低制造风险十分有利。
提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构，组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将工业产品由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案[3]。
在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解出与机构型式最佳相对应功能子模块。“结构建立”模块则作为满足功能要求，选择对象以便于实现总体功能的结构设计。
3. 模块化设计的关键
3.1模块标准化
它是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。模块化设计所依赖的是模块的组合，即联接或啮合，又称为接口。显然，为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。例如，具有相同功能、不同性能的单元一定要具有相同的安装基面和相同的安装尺寸，才能保证模块的有效组合[4]。在计算机行业中，由于采用了标准的总线结构，来自不同国家和地区厂家的模块均能组成计算机系统并协调工作，使这些厂家可以集中精力，大量生产某些特定的模块，并不断进行精心改进和研究，促使计算机技术达到空前的发展。相比之下，机械行业针对模块化设计所做的标准化工作就逊一些。机械产品中模块化设计仅应用于为数不多的机床行业。
3.2模块的划分
模块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系尽可能简单。因此，如何科学地、有节制地划分模块，是模块化设计中很具有艺术性的一项工作，既要照顾制造管理方便，具有较大的灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射[5]。划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否。总的说来，划分前必须对系统进行仔细的、系统的功能分析和结构分析，并要注意以下各点：
l)模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性。
2)保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性。
3)模块间的接合要素要便于联接与分离。
4)模块的划分不能影响系统的主要功能。
4. 模块化设计的特点
1) 产品更新换代快。新产品的发展常是局部改进, 若将先进技术引进相应模块, 比较容易实现局部改进, 这就加快了产品的更新换代。如计算机制造就是改变其中某些插件( 模块) , 提高了计算机的性能。
2) 缩短了设计和制造周期。当用户提出要求后, 只需更换部分模块, 或设计、制造个别模块即可获得所需产品, 这样就大大缩短了设计和制造周期。
3) 降低成本。模块化后, 同一个功能模块可用于数种产品, 增大了该模块的生产数量, 还便于采用先进工艺、成组技术等, 缩短了设计时间, 从而降低了产品成本, 提高了产品量。
4) 维修方便。产品维修时, 只须更换损坏的模块, 维修方便、快捷。
5) 性能稳定可靠。模块化设计对产品的功能及模块划分进行了精心研究, 保证了它的性能, 使产品性能稳定可靠。
6) 系统较复杂。由于考虑模块的适应性和互换性, 系统比较复杂, 层次编排没有程序化设计清晰。
7) 适用于小批量生产。模块设计特别适用于生产批量较小的系列产品。
5. 模块化设计在减速器中设计中的应用
减速器的总功能可以用图1所示的黑箱表示。
图1 总功能示意图
根据减速器工作要求, 可知: n 2 < n1; T 2 >T 1;式中, n2 为减速器的输出转速; n1 为减速器的输入转速; T 2 为减速器的输出转矩; T 1 为减速器的输入转矩。由此可见, 减速器的总功能为降速增矩。建立功能分析与功能模块系统, 模块化设计的产品举例减速器的功能分析如图2 所示。
图2 减速器功能分析
在功能分析的基础上建立功能模块系统, 图3 所示为减速器功能模块系统。
图3 减速器功能模块系统
低速重载齿轮箱CAD/ CAM 系统开发, 就是采用这种方法。该减速器采用日本住友汉森齿轮标准, 在14 套标准中心距系列参数中, 某一种标准中心距采用同一个箱体, 组装成二级、三级、四级直交轴圆锥、圆柱齿轮减速器和一、二、三级平行轴圆柱齿轮减速器。
6. 结 语
从总的产品造型设计方面来看, 国内工业设计专业模块化设计应用并不是十分广泛。究其原因, 在于工业产品造型本身的复杂性及多样化, 虽然模块化设计在工业设计中已有成功的先例, 但在工业设计中广泛运用模块化设计方法, 还需要做大量的基础工作, 其中最主要的是大多数工业设计师, 目前还不能运用现代科学技术加工成型知识, 以及大量机械加工模块化成功的经验, 推动工业产品造型设计模块化的发展。在产品造型设计的实际应用中, 要求工业设计人员具有较高的技术水平和美学创造、表达能力, 在产品开发的环境中, 能够准确地抓住各个专业系统的特点, 用简练的专业语言和绘画语言表达模块接口特征, 采用模块组合设计, 有效管理模块化、

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