模塊化在電子機(jī)械中的應(yīng)用論文.doc

模塊化在電子機(jī)械中的應(yīng)用論文 1模塊化是時代的產(chǎn)物 為適應(yīng)社會需求多樣化和激烈的市場競爭的需要，現(xiàn)代制造業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)：產(chǎn)品趨向高技術(shù)和復(fù)雜化；生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)向多品種、小批量；生產(chǎn)組織趨向?qū)I(yè)化、分散化、社會化；市場趨向全球化；交貨周期日益縮短。模塊化就是為了順應(yīng)這一新形勢而出現(xiàn)的一種新設(shè)計方法、新標(biāo)準(zhǔn)化形式。它實現(xiàn)了多品種、小批量生產(chǎn)方式與效益的統(tǒng)一，多樣化與標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一，專業(yè)化生產(chǎn)、社會化協(xié)作與縮短交貨周期的統(tǒng)一，可加速高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。 模塊化產(chǎn)品（系統(tǒng)）的基本特征可歸納為：產(chǎn)品的構(gòu)成是組合式結(jié)構(gòu)；構(gòu)成單元是通用（標(biāo)準(zhǔn)）單元?；蛘哂靡粋€簡單的公式表達(dá)：模塊化=組合化+標(biāo)準(zhǔn)化。 組合化是模塊化產(chǎn)品的構(gòu)成形式或構(gòu)成特點，不同單元的組合可形成功能、性狀不同的新產(chǎn)品，而使產(chǎn)品構(gòu)成呈現(xiàn)柔性化，可適應(yīng)市場或用戶對多樣化的需求；構(gòu)成單元的標(biāo)準(zhǔn)化則是模塊化與組合化的區(qū)別所在，模塊是具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨立單元；正是通用單元才帶來了批生產(chǎn)的效益。對模塊化最恰當(dāng)?shù)谋扔魇侵嗅t(yī)中藥，各味已炮制好的中藥，是各具特定性味的“模塊”，醫(yī)生的任務(wù)則是根據(jù)病人的具體癥狀，選用中藥，配(組合)成治病的藥方。設(shè)計模塊化產(chǎn)品就如同醫(yī)生開處方，根據(jù)用戶需求，選用現(xiàn)有的通用模塊（或加一些專用模塊)組裝成產(chǎn)品?？捎靡粋€簡單的公式來表達(dá):模塊化產(chǎn)品=通用模塊（不變部分)+專用模塊（變動部分）。 作為模塊化的全過程，需在系統(tǒng)工程原理和方法指導(dǎo)下，對多個相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行分解，將其中的相同或相似單元分離出來，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理.以通用單元的形式獨立存在，這就是由分解而得到的模塊（系列）；把若干通用模塊加個別專用模塊，按照新系統(tǒng)的要求有機(jī)地組合起來，構(gòu)成具有新功能的新產(chǎn)品（系統(tǒng)）。所以，模塊化包含著二個過程：系統(tǒng)“分解”并建立模塊系統(tǒng);模塊“組合”并建立新產(chǎn)品系列型譜。 由于模塊化具有可簡化設(shè)計、縮短新產(chǎn)品研制周期、實現(xiàn)部件級的通用互換、有利于專業(yè)化批量生產(chǎn)、提高對市場及新技術(shù)的適應(yīng)性、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性等一系列優(yōu)點，在發(fā)達(dá)國家得到了普遍的應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)及技術(shù)效益。如今它作為一種時髦名詞，頻繁地出現(xiàn)于各種場合。 2電子設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)模式 1921年美國面板和機(jī)架尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)問世，它不僅對成套電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸作了規(guī)范，而且為電子設(shè)備的模塊化模式提出了雛型，即把各類大型的柜型裝置的整體式內(nèi)結(jié)構(gòu)，分解為若干標(biāo)準(zhǔn)插箱單元。60年代由德國的AEG公司和西門子公司提出了歐洲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并以商品形式供應(yīng)市場。IEC采納了這一結(jié)構(gòu)模式，陸續(xù)推出了IEC297482.6mm系列機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸系列四個標(biāo)準(zhǔn)，形成了從印制板、插件、插箱到機(jī)柜的成系列的模塊化結(jié)構(gòu)模式。與此同時，80年代后期，一個模式相同而模數(shù)尺寸配置更為合理的IEC917系列標(biāo)準(zhǔn)開始形成。 電子設(shè)備典型的模塊化結(jié)構(gòu)型式有： 嵌套式層次結(jié)構(gòu)（內(nèi)插式結(jié)構(gòu)）：IEC297標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的模式。這是目前標(biāo)準(zhǔn)化程度最高、應(yīng)用最廣泛的一種。插件模塊并列地插裝于插箱，插箱模塊分層地插裝于機(jī)柜中，組成立柜式電子裝置。 外插式結(jié)構(gòu)：它的基本單元是具有獨立功能的盒式插件模塊，把模塊直接從外部并列地進(jìn)行機(jī)械和電氣的互連，從而構(gòu)成一套(儀器類）電子裝置。它可用若干種基本模塊，按不同的功能、容量組裝出多種產(chǎn)品。HP公司以18種插件模塊，通過快鎖互連可迅速組合成幾十種不同功能的電子測量系統(tǒng)。 層疊式結(jié)構(gòu)：由具有獨立功能的機(jī)箱模塊，外加電氣互連疊裝而構(gòu)成，靠定位機(jī)構(gòu)或外加機(jī)械性連接而形成一個整體，這類結(jié)構(gòu)特別適用于需要頻繁轉(zhuǎn)移的電子設(shè)備。如應(yīng)用于軍用通信設(shè)備和臺式儀器等。 箱形套裝式結(jié)構(gòu)：將幾種功能模塊套裝于機(jī)箱中構(gòu)成新產(chǎn)品，箱式儀器多采用這種結(jié)構(gòu)。例如，Inteli486-R型微機(jī)由單板計算機(jī)、電源、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、擴(kuò)展器模塊等套裝于機(jī)箱而構(gòu)成。 裝架式結(jié)構(gòu)：將系列化的功能模塊安裝于標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架（安裝架）而構(gòu)成成套電子設(shè)備。典型的裝架式結(jié)構(gòu)有通信設(shè)備的列架式結(jié)構(gòu)，機(jī)載電子設(shè)備的ATR機(jī)箱和安裝架等。 拼裝式結(jié)構(gòu)：由若干種不同結(jié)構(gòu)形式和功能的模塊，通過拼裝構(gòu)成整機(jī)I例如，由臺身、臺面、臺上儀表板拼裝成的控制臺；在柜型結(jié)構(gòu)前面拼裝小臺面或儀表板等。 g-單元組合式結(jié)構(gòu)：由若干具有獨立功能的單元（或裝置）組裝成的成套裝置。例如，單元組合式大型控制臺（直列式或折列式），成套的大型計算機(jī)系統(tǒng)等。 近年來的一種重要傾向是箱、柜、臺結(jié)構(gòu)模式的統(tǒng)一：（a)屏、架、柜的統(tǒng)一：開式的屏架多由閉式的柜所代替，以提高安全性與可靠性；（b)儀器的插箱、插件化：儀器的插件化，便于功能的替換與擴(kuò)展，易實現(xiàn)功能多樣化。儀器的插箱化，既可作為臺式儀器單獨使用，又易于上架進(jìn)柜、作為部件構(gòu)成整機(jī)； (c)控制臺結(jié)構(gòu)中引入插箱、插件：隨著自動化程度的提高，分散控制逐步轉(zhuǎn)向集中控制.各種集控臺上的電氣控制部分，直接采用插件-插箱模塊系統(tǒng)，以提高標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)。 3模塊化是系統(tǒng)總體設(shè)計的基本方法3.1產(chǎn)品系統(tǒng)總體設(shè)計的任務(wù) 對于簡單產(chǎn)品，一個人就可以完成整機(jī)設(shè)計。對于復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計，受知識、經(jīng)驗和精力的限制，一般是由專家群體協(xié)同完成的。在系統(tǒng)工程中，把復(fù)雜的研制對象稱為系統(tǒng)，即由相互作用和相互依賴的若干單元結(jié)合成具有特定功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)在于：根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和特定環(huán)境條件，通過對系統(tǒng)的分解(功能分配、結(jié)構(gòu)布局）和系統(tǒng)的組合（通過接口組成整機(jī)），設(shè)計出一個合乎需要的、可靠的系統(tǒng)宏模型，作為全面展開詳細(xì)設(shè)計和制造的依據(jù)。 系統(tǒng)之所以需要分解：一則是為了簡化問題；二是便于各專業(yè)的專家平行開展設(shè)計；第三，也是制造、裝配、調(diào)試和維修等的需要。系統(tǒng)組合的任務(wù)是，把分立地設(shè)計和制造的獨立單元，通過接口結(jié)構(gòu)組裝成為整機(jī)。 作為產(chǎn)品系統(tǒng)來說，當(dāng)構(gòu)成系統(tǒng)的組成單元是通用單元時，就可簡化其他類似系統(tǒng)的設(shè)計和制造，I并取得良好的效益。這種經(jīng)過通用化（標(biāo)準(zhǔn)化）處理的單元就是模塊。所以，系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)從本質(zhì)上來說，就是將系統(tǒng)分解為層次與規(guī)模不同的模塊，和用接口將模塊連接成為有特定功能的系統(tǒng)。 系統(tǒng)分解為橫塊的原則 在系統(tǒng)的分解和組合中，分解得是否適當(dāng)是關(guān)鍵性的，或者說，如何分解較好，這是個難題。分解不當(dāng)將給組合帶來困難，分解要將以后容易組合為首要條件。系統(tǒng)分解主要應(yīng)考慮： (a)以功能為核心進(jìn)行分解:功能是構(gòu)成模塊的依據(jù)也是進(jìn)行系統(tǒng)分解的基礎(chǔ)。（b)分解點應(yīng)選擇在模塊內(nèi)聚集度最大而模塊間的結(jié)合度最小的地方。聚集度高才可能形成一個模塊，結(jié)合強度弱些，可簡化接口結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)既容易組合，又容易拆散(維修）。&)把通用要素從系統(tǒng)中分離出來，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，才可能成為模塊。 (d)模塊的層次、規(guī)模與數(shù)量的確定：模塊越小越易于處理(設(shè)計、修改），但模塊數(shù)量太多就難于得到最佳綜合；如子系統(tǒng)數(shù)量少、規(guī)模太大，綜合雖然簡單，但子系統(tǒng)本身的定量處理就變得困難。所以模塊的數(shù)量與規(guī)模是相互矛盾的，有效解決辦法是將系統(tǒng)分成層次，每個層次由數(shù)量及規(guī)模適中的模塊組成。大模塊由小模塊的集成而得。（e)非典型要素的處理方法是，將其附加于某種模塊，或適當(dāng)歸類集裝于結(jié)構(gòu)模塊，或改造成某種專用模塊。 3.3系統(tǒng)接的重要性 根據(jù)接口的功能，硬件接口可分為機(jī)械接口、電氣接口、機(jī)電接口，各種物理量之間的接口及各種物理量與電量之間的接口。產(chǎn)品的接口系統(tǒng)幾乎與產(chǎn)品一樣復(fù)雜，如果接口不匹配，就達(dá)不到整機(jī)的預(yù)期目標(biāo)，如果某個接口的可靠性出了問題，產(chǎn)品就會出現(xiàn)故障?？傮w設(shè)計的任務(wù)之一就是協(xié)調(diào)各模塊的外部接口，研究各個接口在技術(shù)上的成熟程度和可靠性。若從人一機(jī)一環(huán)境大系統(tǒng)著眼，人一機(jī)、機(jī)一環(huán)境、人一環(huán)境之間也是接口問題（廣義的），總體設(shè)計師需考慮諸如人機(jī)功能分配、人機(jī)界面及環(huán)境等對人生理、心理的適應(yīng)性，考慮產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性等可靠性問題。 接口的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化或采用標(biāo)準(zhǔn)的接口(模塊），對總體設(shè)計是至關(guān)重要的，它涉及模塊的通用性和互換性，也關(guān)系到系統(tǒng)的兼容性、可修改性、可擴(kuò)展性及系統(tǒng)的研制周期。接口往往表現(xiàn)為一定形態(tài)的實體（軟件接口除外），因而研究接口及其可靠性是總體結(jié)構(gòu)設(shè)計師的重要任務(wù)。 4運用模塊化理論推動機(jī)電一體化的發(fā)展 日本人提出“21世紀(jì)是機(jī)電一體化時代”，可以認(rèn)為，機(jī)電一體化水平是一個國家技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及其現(xiàn)代化的標(biāo)志，而模塊化則是加速機(jī)電一體化進(jìn)程的理論基礎(chǔ)和主要方法。4.1模塊化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的基本構(gòu)成模 機(jī)電一體化產(chǎn)品是多學(xué)科綜合的高技術(shù)產(chǎn)品，任何一個專家或任何一個工廠是難于全盤完成其設(shè)計和制造任務(wù)的，而是由多學(xué)科組成的專家集團(tuán)及多部門通力協(xié)作的結(jié)晶。這些特點決定了機(jī)電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成不是整體式結(jié)構(gòu)，而是組合式結(jié)構(gòu)，這是一個分解一組合過程，將機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能按需要分解為若干功能塊，由若干專家分頭設(shè)計，由若干工廠分頭制造，然后再將功能塊組裝成產(chǎn)品。然而，如若功能塊都是專用的，需一一進(jìn)行研制，則其效率是極低的，因而機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是組合式，而且應(yīng)把其分解與組合納入標(biāo)準(zhǔn)化的制約之下，使機(jī)電一體化產(chǎn)品由通用功能塊（模塊)組合而成，即機(jī)電一體化產(chǎn)品的構(gòu)成應(yīng)是模塊化的。 4.2加速機(jī)電一體化發(fā)展進(jìn)程的途徑 4-2.1技術(shù)措施 構(gòu)成要素的模塊化：日本早在70年代就響亮地提出，機(jī)電一體化產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)以功能模塊為單位構(gòu)成系統(tǒng)。 模塊的系列化：模塊系列化的意義在于，使同一種功能模塊的品種、規(guī)格多樣化，以適應(yīng)各種不同系統(tǒng)和產(chǎn)品的不同需要。例如電源，以不同的功率，不同的電流、電壓組合，不同的機(jī)理（如整流電源、開關(guān)電源、逆變電源等），不同的安裝結(jié)構(gòu)，不同的精度等構(gòu)成系列模塊。 接口的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化：模塊接口的標(biāo)準(zhǔn)化對機(jī)電一體化的發(fā)展有重要意義，它是模塊具有通用性并實現(xiàn)商品化的前提。接口標(biāo)準(zhǔn)化工作應(yīng)與模塊體系的建立同步進(jìn)行，有的甚至還應(yīng)“超前”進(jìn)行，以便規(guī)范模塊的開發(fā)。模塊上的直接型接口應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)接口，有時同一功能接口.可設(shè)若干個，以擴(kuò)大兼容性，模塊之間的間接型接口，則應(yīng)研制接口模塊，目前接口模塊常有很好的銷路。 構(gòu)成要素?的集成化、智能化：將一些小的模塊集成為較大的模塊，把小模塊間的外部接口轉(zhuǎn)換成大模塊的內(nèi)部接口，減少整機(jī)的接口環(huán)節(jié)，簡化整機(jī)組裝結(jié)構(gòu)。例如，將傳感器與信息處理電路集成為模塊，把信息處理電路模塊直接做成集成電路塊.或把伺服系統(tǒng)集成為模塊等。 模塊的小型化、精密化：小型化的最直接意義是可以提高在產(chǎn)品組裝中的靈活性；另外，還可降低能耗、節(jié)約材料、降低成本；以及提高對沖擊及高速旋轉(zhuǎn)的適應(yīng)性。模塊的精密化是指提高模塊的性能，這對提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的水平有重要意義。 5組織措施 機(jī)電一體化是復(fù)雜系統(tǒng)，自由發(fā)展必然導(dǎo)致重復(fù)勞動、低效率、品種膨脹，只有統(tǒng)一部署、全面規(guī)劃，制訂產(chǎn)品模塊化體系表，才可能有效地、有序地發(fā)展；建立或扶植模塊專業(yè)生產(chǎn)廠（點），以集中優(yōu)勢的人力、物力、財力，進(jìn)行高效、低成本、高質(zhì)量的商品化生產(chǎn)；建立模塊化信息網(wǎng)，互通信息，提供咨詢，溝通產(chǎn)銷，實現(xiàn)技術(shù)和資源的共享；關(guān)鍵技術(shù)的突破意味著整體水平的提高，應(yīng)有組織有計劃地組織聯(lián)合攻關(guān)，并使之模塊化，以便迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力。 模塊化是軍用電子設(shè)備發(fā)展的必由之路 戰(zhàn)爭的特定條件，對軍用電子設(shè)備的性能及質(zhì)量提出了苛刻的要求。除要求具有良好的技術(shù)性能外，還要求更新周期短，高的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，甚至還要充分考慮機(jī)動性、可維護(hù)性等因素。 綜合實現(xiàn)上述諸要求的最有效途徑，就是采用模塊化結(jié)構(gòu)。所謂新產(chǎn)品一般是以原有技術(shù)、原有產(chǎn)品為基礎(chǔ)增加部分新技術(shù)、新功能而構(gòu)成。在模塊化結(jié)構(gòu)中，原有技術(shù)以模塊的形式存在.可拿來就用（或進(jìn)行局部修改）只需研制部分含有新技術(shù)的模塊，即可構(gòu)成新產(chǎn)品。所以模塊化結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)品功能的修改、擴(kuò)展、更新，并縮短新產(chǎn)品研制周期；原有模塊的設(shè)計、制造、組裝等均已定型，并經(jīng)例行試驗和實際應(yīng)用的考核，其可靠性已得到全面驗證，只需驗證新模塊的可靠性，從而大大提高了整機(jī)可靠性；模塊化產(chǎn)品的組合式結(jié)構(gòu)，易于化整為零和快速組裝，可提高軍用電子設(shè)備的機(jī)動性和可維護(hù)性；軍用電子設(shè)備盡管是小批量，但其中的模塊是通用部件，可取得批量生產(chǎn)的效益，具有良好的經(jīng)凡是能用簡化畫法表示的圖形，一律用簡化畫法表示。取消那些只經(jīng)下料工序就制成的零件的零件圖樣，并在裝配圖中按規(guī)定填寫標(biāo)注。更改標(biāo)法不標(biāo)準(zhǔn)的尺寸、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。重新繪制那些比例、視圖、剖面等選擇不合理的圖樣或視圖。 6結(jié)束語 當(dāng)前，人類即將進(jìn)入信息社會.電子技術(shù)將滲透到社會的一切角落，電子行業(yè)面臨產(chǎn)品品種多、數(shù)量大、技術(shù)更新快、質(zhì)量要求高的新情況。隨著技術(shù)的發(fā)展，電路設(shè)計日趨簡化，小學(xué)生就能夠組裝電視機(jī)，但電子機(jī)械卻日趨復(fù)雜化。日本在80年代初曾作過一個調(diào)查和預(yù)測：在21世紀(jì)將為軟件工程師和電子到設(shè)計現(xiàn)場做好標(biāo)準(zhǔn)化咨詢工作，檢査已經(jīng)畫完的圖樣，這樣往往能達(dá)到事半功倍的效果。以后每隔兩三天去一次設(shè)計現(xiàn)場，這樣就能把圖樣上的絕大部分問題消滅在萌芽狀態(tài)，從而減少圖樣的更改時間，減少由于更改不徹底所引起的錯誤，并能保持圖樣的清晰。 上述幾件工作，都是在電子企、事業(yè)單位中圍繞新產(chǎn)品研制開展標(biāo)準(zhǔn)化工作所應(yīng)具體抓好的實事。它們既適用于計算機(jī)輔助設(shè)計，也適用于手工設(shè)計。做好這些工作不僅對縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量能起到立竿見影的效果，而且也為產(chǎn)品開展“三化”設(shè)計（通用化、系列化、模塊化）打下了良好的基礎(chǔ)。因此只要一個單位重視上述諸項工作，就必定能取得明顯的標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)濟(jì)效果，使產(chǎn)品獲得廣闊的市場。 機(jī)械工程師提供更多的就業(yè)機(jī)會。也就是說電子機(jī)械將在新產(chǎn)業(yè)革命中占據(jù)舉