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模塊化在電子機械中的應用論文
1模塊化是時(shí)代的產(chǎn)物
為適應社會(huì )需求多樣化和激烈的市場(chǎng)競爭的需要，現代制造業(yè)面臨新的挑戰：產(chǎn)品趨向高技術(shù)和復雜化；生產(chǎn)方式轉向多品種、小批量；生產(chǎn)組織趨向專(zhuān)業(yè)化、分散化、社會(huì )化；市場(chǎng)趨向全球化；交貨周期日益縮短。模塊化就是為了順應這一新形勢而出現的一種新設計方法、新標準化形式。它實(shí)現了多品種、小批量生產(chǎn)方式與效益的統一，多樣化與標準化的統一，專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)、社會(huì )化協(xié)作與縮短交貨周期的統一，可加速高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
模塊化產(chǎn)品（系統）的基本特征可歸納為：產(chǎn)品的構成是組合式結構；構成單元是通用（標準）單元�；蛘哂靡粋�(gè)簡(jiǎn)單的公式表達：模塊化=組合化+標準化。
組合化是模塊化產(chǎn)品的構成形式或構成特點(diǎn)，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)品構成呈現柔性化，可適應市場(chǎng)或用戶(hù)對多樣化的需求；構成單元的標準化則是模塊化與組合化的區別所在，模塊是具有某種確定功能和接口結構的、典型的通用獨立單元；正是通用單元才帶來(lái)了批生產(chǎn)的效益。對模塊化最恰當的比喻是中醫中藥，各味已炮制好的中藥，是各具特定性味的“模塊”，醫生的任務(wù)則是根據病人的具體癥狀，選用中藥，配(組合)成治病的藥方。設計模塊化產(chǎn)品就如同醫生開(kāi)處方，根據用戶(hù)需求，選用現有的通用模塊（或加一些專(zhuān)用模塊)組裝成產(chǎn)品�？捎靡粋�(gè)簡(jiǎn)單的公式來(lái)表達:模塊化產(chǎn)品=通用模塊（不變部分)+專(zhuān)用模塊（變動(dòng)部分）。
作為模塊化的全過(guò)程，需在系統工程原理和方法指導下，對多個(gè)相關(guān)系統進(jìn)行分解，將其中的相同或相似單元分離出來(lái)，經(jīng)標準化處理.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(gè)別專(zhuān)用模塊，按照新系統的要求有機地組合起來(lái)，構成具有新功能的新產(chǎn)品（系統）。所以，模塊化包含著(zhù)二個(gè)過(guò)程：系統“分解”并建立模塊系統;模塊“組合”并建立新產(chǎn)品系列型譜。
由于模塊化具有可簡(jiǎn)化設計、縮短新產(chǎn)品研制周期、實(shí)現部件級的通用互換、有利于專(zhuān)業(yè)化批量生產(chǎn)、提高對市場(chǎng)及新技術(shù)的適應性、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)達國家得到了普遍的應用，取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟及技術(shù)效益。如今它作為一種時(shí)髦名詞，頻繁地出現于各種場(chǎng)合。
2電子設備的模塊化結構模式
1921年美國《面板和機架》尺寸系列標準問(wèn)世，它不僅對成套電子設備的結構尺寸作了規范，而且為電子設備的模塊化模式提出了雛型，即把各類(lèi)大型的柜型裝置的整體式內結構，分解為若干標準插箱單元。60年代由德國的AEG公司和西門(mén)子公司提出了歐洲系統結構，并以商品形式供應市場(chǎng)。IEC采納了這一結構模式，陸續推出了IEC297《482.6mm系列機械結構尺寸》系列四個(gè)標準，形成了從印制板、插件、插箱到機柜的成系列的模塊化結構模式。與此同時(shí)，80年代后期，一個(gè)模式相同而模數尺寸配置更為合理的IEC917系列標準開(kāi)始形成。
電子設備典型的模塊化結構型式有：
嵌套式層次結構（內插式結構）：IEC297標準所規定的模式。這是目前標準化程度最高、應用最廣泛的一種。插件模塊并列地插裝于插箱，插箱模塊分層地插裝于機柜中，組成立柜式電子裝置。
外插式結構：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)行機械和電氣的互連，從而構成一套(儀器類(lèi)）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(guò)快鎖互連可迅速組合成幾十種不同功能的電子測量系統。
層疊式結構：由具有獨立功能的機箱模塊，外加電氣互連疊裝而構成，靠定位機構或外加機械性連接而形成一個(gè)整體，這類(lèi)結構特別適用于需要頻繁轉移的電子設備。如應用于軍用通信設備和臺式儀器等。
箱形套裝式結構：將幾種功能模塊套裝于機箱中構成新產(chǎn)品，箱式儀器多采用這種結構。例如，Inteli486-R型微機由單板計算機、電源、硬盤(pán)驅動(dòng)器、軟盤(pán)驅動(dòng)器、擴展器模塊等套裝于機箱而構成。
裝架式結構：將系列化的功能模塊安裝于標準的機架（安裝架）而構成成套電子設備。典型的裝架式結構有通信設備的列架式結構，機載電子設備的ATR機箱和安裝架等。
拼裝式結構：由若干種不同結構形式和功能的模塊，通過(guò)拼裝構成整機I例如，由臺身、臺面、臺上儀表板拼裝成的控制臺；在柜型結構前面拼裝小臺面或儀表板等。
g-單元組合式結構：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），成套的大型計算機系統等。
近年來(lái)的一種重要傾向是箱、柜、臺結構模式的統一：（a)屏、架、柜的統一：開(kāi)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展，易實(shí)現功能多樣化。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、作為部件構成整機；
(c)控制臺結構中引入插箱、插件：隨著(zhù)自動(dòng)化程度的提高，分散控制逐步轉向集中控制.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，以提高標準化系數。
3模塊化是系統總體設計的基本方法3.1產(chǎn)品系統總體設計的任務(wù)
對于簡(jiǎn)單產(chǎn)品，一個(gè)人就可以完成整機設計。對于復雜產(chǎn)品的設計，受知識、經(jīng)驗和精力的限制，一般是由專(zhuān)家群體協(xié)同完成的。在系統工程中，把復雜的研制對象稱(chēng)為系統，即由相互作用和相互依賴(lài)的若干單元結合成具有特定功能的有機整體。系統設計的任務(wù)在于：根據系統目標和特定環(huán)境條件，通過(guò)對系統的分解(功能分配、結構布局）和系統的組合（通過(guò)接口組成整機），設計出一個(gè)合乎需要的、可靠的系統宏模型，作為全面展開(kāi)詳細設計和制造的依據。
系統之所以需要分解：一則是為了簡(jiǎn)化問(wèn)題；二是便于各專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)家平行開(kāi)展設計；第三，也是制造、裝配、調試和維修等的需要。系統組合的任務(wù)是，把分立地設計和制造的獨立單元，通過(guò)接口結構組裝成為整機。
作為產(chǎn)品系統來(lái)說(shuō)，當構成系統的組成單元是通用單元時(shí)，就可簡(jiǎn)化其他類(lèi)似系統的設計和制造，I并取得良好的效益。這種經(jīng)過(guò)通用化（標準化）處理的單元就是模塊。所以，系統設計的任務(wù)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，就是將系統分解為層次與規模不同的模塊，和用接口將模塊連接成為有特定功能的系統。
系統分解為橫塊的原則
在系統的分解和組合中，分解得是否適當是關(guān)鍵性的，或者說(shuō)，如何分解較好，這是個(gè)難題。分解不當將給組合帶來(lái)困難，分解要將以后容易組合為首要條件。系統分解主要應考慮：
(a)以功能為核心進(jìn)行分解:功能是構成模塊的依據也是進(jìn)行系統分解的基礎。（b)分解點(diǎn)應選擇在模塊內聚集度最大而模塊間的結合度最小的地方。聚集度高才可能形成一個(gè)模塊，結合強度弱些，可簡(jiǎn)化接口結構，系統既容易組合，又容易拆散(維修）。&)把通用要素從系統中分離出來(lái)，經(jīng)過(guò)標準化處理，才可能成為模塊。
(d)模塊的層次、規模與數量的確定：模塊越小越易于處理(設計、修改），但模塊數量太多就難于得到最佳綜合；如子系統數量少、規模太大，綜合雖然簡(jiǎn)單，但子系統本身的定量處理就變得困難。所以模塊的數量與規模是相互矛盾的，有效解決辦法是將系統分成層次，每個(gè)層次由數量及規模適中的模塊組成。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，或適當歸類(lèi)集裝于結構模塊，或改造成某種專(zhuān)用模塊。
3.3系統接□的重要性
根據接口的功能，硬件接口可分為機械接口、電氣接口、機電接口，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)品的接口系統幾乎與產(chǎn)品一樣復雜，如果接口不匹配，就達不到整機的預期目標，如果某個(gè)接口的可靠性出了問(wèn)題，產(chǎn)品就會(huì )出現故障�？傮w設計的任務(wù)之一就是協(xié)調各模塊的外部接口，研究各個(gè)接口在技術(shù)上的成熟程度和可靠性。若從人一機一環(huán)境大系統著(zhù)眼，人一機、機一環(huán)境、人一環(huán)境之間也是接口問(wèn)題（廣義的），總體設計師需考慮諸如人機功能分配、人機界面及環(huán)境等對人生理、心理的適應性，考慮產(chǎn)品的環(huán)境適應性等可靠性問(wèn)題。
接口的標準化、模塊化或采用標準的接口(模塊），對總體設計是至關(guān)重要的，它涉及模塊的通用性和互換性，也關(guān)系到系統的兼容性、可修改性、可擴展性及系統的研制周期。接口往往表現為一定形態(tài)的實(shí)體（軟件接口除外），因而研究接口及其可靠性是總體結構設計師的重要任務(wù)。
4運用模塊化理論推動(dòng)機電一體化的發(fā)展
日本人提出“21世紀是機電一體化時(shí)代”，可以認為，機電一體化水平是一個(gè)國家技術(shù)、經(jīng)濟發(fā)展水平及其現代化的標志，而模塊化則是加速機電一體化進(jìn)程的理論基礎和主要方法。4.1模塊化是機電一體化產(chǎn)品的基本構成模
機電一體化產(chǎn)品是多學(xué)科綜合的高技術(shù)產(chǎn)品，任何一個(gè)專(zhuān)家或任何一個(gè)工廠(chǎng)是難于全盤(pán)完成其設計和制造任務(wù)的，而是由多學(xué)科組成的專(zhuān)家集團及多部門(mén)通力協(xié)作的結晶。這些特點(diǎn)決定了機電一體化產(chǎn)品的構成不是整體式結構，而是組合式結構，這是一個(gè)分解一組合過(guò)程，將機電一體化產(chǎn)品的功能按需要分解為若干功能塊，由若干專(zhuān)家分頭設計，由若干工廠(chǎng)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(zhuān)用的，需一一進(jìn)行研制，則其效率是極低的，因而機電一體化產(chǎn)品不僅是組合式，而且應把其分解與組合納入標準化的制約之下，使機電一體化產(chǎn)品由通用功能塊（模塊)組合而成，即機電一體化產(chǎn)品的構成應是模塊化的。
4.2加速機電一體化發(fā)展進(jìn)程的途徑
4-2.1技術(shù)措施
構成要素的模塊化：日本早在70年代就響亮地提出，機電一體化產(chǎn)品系統設計中，應以功能模塊為單位構成系統。
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、規格多樣化，以適應各種不同系統和產(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，不同的機理（如整流電源、開(kāi)關(guān)電源、逆變電源等），不同的安裝結構，不同的精度等構成系列模塊。
接口的標準化與模塊化：模塊接口的標準化對機電一體化的發(fā)展有重要意義，它是模塊具有通用性并實(shí)現商品化的前提。接口標準化工作應與模塊體系的建立同步進(jìn)行，有的甚至還應“超前”進(jìn)行，以便規范模塊的開(kāi)發(fā)。模塊上的直接型接口應采用標準接口，有時(shí)同一功能接口.可設若干個(gè)，以擴大兼容性，模塊之間的間接型接口，則應研制接口模塊，目前接口模塊常有很好的銷(xiāo)路。
構成要素?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換成大模塊的內部接口，減少整機的接口環(huán)節，簡(jiǎn)化整機組裝結構。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、節約材料、降低成本；以及提高對沖擊及高速旋轉的適應性。模塊的精密化是指提高模塊的性能，這對提高機電一體化產(chǎn)品的水平有重要意義。
5組織措施
機電一體化是復雜系統，自由發(fā)展必然導致重復勞動(dòng)、低效率、品種膨脹，只有統一部署、全面規劃，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(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)（點(diǎn)），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(xún)，溝通產(chǎn)銷(xiāo)，實(shí)現技術(shù)和資源的共享；關(guān)鍵技術(shù)的突破意味著(zhù)整體水平的提高，應有組織有計劃地組織聯(lián)合攻關(guān)，并使之模塊化，以便迅速轉變?yōu)樯a(chǎn)力。
模塊化是軍用電子設備發(fā)展的必由之路
戰爭的特定條件，對軍用電子設備的性能及質(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)濟性，甚至還要充分考慮機動(dòng)性、可維護性等因素。
綜合實(shí)現上述諸要求的最有效途徑，就是采用模塊化結構。所謂新產(chǎn)品一般是以原有技術(shù)、原有產(chǎn)品為基礎增加部分新技術(shù)、新功能而構成。在模塊化結構中，原有技術(shù)以模塊的形式存在.可拿來(lái)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，即可構成新產(chǎn)品。所以模塊化結構有利于產(chǎn)品功能的修改、擴展、更新，并縮短新產(chǎn)品研制周期；原有模塊的設計、制造、組裝等均已定型，并經(jīng)例行試驗和實(shí)際應用的考核，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可靠性；模塊化產(chǎn)品的組合式結構，易于化整為零和快速組裝，可提高軍用電子設備的機動(dòng)性和可維護性；軍用電子設備盡管是小批量，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(jiǎn)化畫(huà)法表示的圖形，一律用簡(jiǎn)化畫(huà)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，并在裝配圖中按規定填寫(xiě)標注。更改標法不標準的尺寸、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結束語(yǔ)
當前，人類(lèi)即將進(jìn)入信息社會(huì ).電子技術(shù)將滲透到社會(huì )的一切角落，電子行業(yè)面臨產(chǎn)品品種多、數量大、技術(shù)更新快、質(zhì)量要求高的新情況。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，電路設計日趨簡(jiǎn)化，小學(xué)生就能夠組裝電視機，但電子機械卻日趨復雜化。日本在80年代初曾作過(guò)一個(gè)調查和預測：在21世紀將為軟件工程師和電子到設計現場(chǎng)做好標準化咨詢(xún)工作，檢査已經(jīng)畫(huà)完的圖樣，這樣往往能達到事半功倍的效果。以后每隔兩三天去一次設計現場(chǎng)，這樣就能把圖樣上的絕大部分問(wèn)題消滅在萌芽狀態(tài)，從而減少圖樣的更改時(shí)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(kāi)展標準化工作所應具體抓好的實(shí)事。它們既適用于計算機輔助設計，也適用于手工設計。做好這些工作不僅對縮短設計周期，提高設計質(zhì)量能起到立竿見(jiàn)影的效果，而且也為產(chǎn)品開(kāi)展“三化”設計（通用化、系列化、模塊化）打下了良好的基礎。因此只要一個(gè)單位重視上述諸項工作，就必定能取得明顯的標準化經(jīng)濟效果，使產(chǎn)品獲得廣闊的市場(chǎng)。
機械工程師提供更多的就業(yè)機會(huì )。也就是說(shuō)電子機械將在新產(chǎn)業(yè)革命中占據舉足輕重的位置。分析電子產(chǎn)品，由于電路決定產(chǎn)品功能上的差異，是一種多變因素，使電路模塊的形成受到一定的限制。然而作為電路的載體和產(chǎn)品的組裝單元的機械結構，隨產(chǎn)品變化的因素較少，具備實(shí)現具有尺寸互換性的結構模塊的有利條件，并且它又是實(shí)現工藝、工裝通用化的前提，是縮短產(chǎn)品制造周期和降低成本的重要環(huán)節。因而在電子設備的模塊化中，結構模塊有可能獨立先行，并以結構模塊去制約電路模塊，形成電子設備的模塊化（例如ATR機箱是實(shí)現機載電子設備模塊化的基礎）。所以電子機械是實(shí)現電子產(chǎn)品模塊化的關(guān)鍵環(huán)節，電子機械工程師應具(有強烈的模塊化觀(guān)念。事實(shí)上，產(chǎn)品的模塊化水平已是評價(jià)設計水平的主要準則之一。
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