模块化设计

模块化设计

在许多具有复杂系统的领域中，模块化都被证明是一个有用的概念。这个总的概念包含两个附属观点。第一个观点是不同模块内部的相互依赖关系和模块之间的独立性。模块是一个单元，其结构要素紧密地联系在一起，而与其他单元中要素的联系相对较弱。这种不同的关联度导致了不同的模块化等级。换句话说，模块就是大系统单元，这些单元虽然结构上相互独立，但是共同发挥作用。因此，系统作为一个整天必须提供一个框架---一个架构----从而既保证结构的独立性又保证功能的一体化。

一、概念

所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。

模块化设计思想有两条基本原则：力求以少量的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，模块间的联系尽可能简单；模块的系列化，其目的在于用有限的产品品种和规格来最大限度又经济合理地满足用户的要求。

二、主要特点

模块化设计可以通过模块的选择和组合构成不同的顾客定制的产品，以满足市场的不同需求。而且这是相似性原理在产品功能和结构上的应用，通过模块化设计我们可以实现标准化与多样化的有机结合及多品种、小批量与效率的有效统一，这是模块化设计的主要特点。

三、模块化设计的应用、

现如今模块化设计思想已经应用到各个领域：

1、模块化软件在AVR单片机及教学机器人上的应用。该软件在设计上采用了模块化，将机器人的各个动作指令如直行、转向、启动关闭电机等模块化，在编写程序的时候只需将各个指令模块经行组合，即可完成对机器人动作指令的简单编写。

2、模块化机器人。机器人的模块化，就是将机器人某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统；再将这个子系统作为通用性的模块与其他子系统进行组合，构成一个完整的机器人，甚至产生多种不同功能或相同功能、不同性能的效果。

通过机器人的模块化过程有助于研究和开发。将机器人的各个组分分离开来进行研究，可以降低机器人研发的复杂度，使设计、制作、调试和维护等过程简单化、经济化、高效化；

同时让各个领域的专家做自己擅长的事情，可以让他们充分发挥各自的专业优势，将自己负责的模块做到最好。

3、模块化设计在机床行业的应用。模块化机床具有很大适应性和灵活性、设计制造周期短、制造成本低等一系列优点，使产品在市场上具有很强的竞争能力。机床模块化设计的主要方法有横系列模块化设计、跨系列模块化设计、总系列模块化设计及全系列模块化设计。而组合机床和组合夹具则是模块化设计在早期产品中的成功运用。

组合机床实际上是专用机床的模块化。对某些特定工序，通用机床上的某些机构成为无用机构，并且在生产效率、加工质量稳定等方面无法满足批量生产的要求。专用机床是针对某一特定产品中某一特定零件加工中的一个或几个加工工序而设计、制造的，可提高自动化程度并保证产品质量。专用机床是专门设计、单件小批生产，成本高、设计制造周期长，为解决这些矛盾，出现了组合机床。

组合机床是由通用部件与少数量的专用部件、零件组合而成，通用零部件是经过事先规划设计并且可成批进行制造。有关厂家和主管部门已制定了组合机床通用部件系列的统一标准，当需要一台新的组合机床时，只需设计和制造其中专用零部件，然后与现有的或外购的通用部件组装在一起即可，从而大大地缩短了机床设计和制造周期，降低了成本。因而组合机床的出现以后，获得了迅速的发展和广泛的应用。组合机床的特征是在对专用机床进行分析的基础上，将其具有共性或相似的部分分解出来，再按其功能、尺寸、驱动和运动方式等方面的不同，设计成系列的通用部件，这些通用部件实质上就是可以互换的模块。所以可以说，组合机床是专用机床的模块化。

4、模块化的液压系统。目前，液压系统的设计正朝着集成化、模块化方向发展，其中液压系统叠加阀式集成配置形式是集成模块化方式中的一种。叠加阀式集成配置形式是在集成块和集成板的基础上发展起来的新型液压控制系统。它采用标准化的液压元件，通过螺钉将阀体叠接在一起，组成一个系统。其优点是：叠加阀在组成系统时，由自身的阀体直接叠合而成，可节省大量油管和管接头；集成模块组成的液压系统结构紧凑、重量轻；由于系统元件之间是无管连接，消除了因油管、管接头等引起的漏油、振动和噪声；系统元件配置灵活，当工作系统发生变化、需要增加元件时，重新组装方便迅速，系统也易于保养维修；由叠加阀组成的集中供油系统，可大大节约能耗。

三、模块化的目的

模块化的宗旨是效益。它的意图和最终目的就是为了满足人们对多样化的需求和适应激烈的市场竞争，在多品种、小批量的生产方式下，实现最佳的效益和质量。模块化的对象

是产品或系统的构成，模块化不是研究和解决某一个孤立的产品或系统的设计或构成的问题，而是解决某类产品或系统的最佳构成形式问题，即系统由标准化的模块组合而成。由于模块化的对象是系统，因而运用系统工程的原理和方法，是开展模块化的基本原则。模块化的主要方法是系统的分解和组合，模块化的产品或系统是由标准的模块组成的。模块如何产生，能否有效地组合成产品或系统，产品或系统的分解和组合的技巧和运用水平，是模块化的核心问题。模块化的目标是建立模块系统和对象系统。模块化活动的目标或产物有两个，即形成模块系统和模块化的产品系统。建立模块系统是实施模块化设计的前提，形成模块化产品或系统则是模块化的最终归宿。

四、发展趋势

模块化是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想，现已成为一种新技术被广泛应用，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。如何使产品的模块化设计全方位地满足市场的多样化需求，应当引起企业经营者、新产品开发人员及其标准化研究者的高度重视。模块化设计已被广泛应用于机床、电子产品、航天、航空等设计领域，但至今模块化术语尚未给出公认的权威性定义。企业一方面必须利用产品的批量化、标准化和通用化来缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量，另一方面还要不断地进行产品创新使产品越来越个性化，满足客户的定制需求。这样，如何平衡产品的标准化、通用化与定制化、柔性化之间的矛盾，成为赢得竞争的关键能力。平台化、模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提供产品的多样化配置，因此平台化、模块化的产品是解决定制化生产和批量化生产这对矛盾的一条出路。

五、参考文献

《模块化原理设计方法及应用》童时中编著中国标准出版社

《模块化软件在AVR单片机及教学机器人上的应用》中国电力出版社

《设计规则.第一卷：模块化的力量》中信出版社

《创意之星：模块化机器人创新设计与竞赛》北京航空航天大学出版社

网络参考：百度百科