模塊化在電子機械中的應用論文
1模塊化是時代的產物
為適應社會需求多樣化和激烈的市場競爭的需要，現代制造業面臨新的挑戰：產品趨向高技術和復雜化；生產方式轉向多品種、小批量；生產組織趨向專業化、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這一新形勢而出現的一種新設計方法、新標準化形式。它實現了多品種、小批量生產方式與效益的統一，多樣化與標準化的統一，專業化生產、社會化協作與縮短交貨周期的統一，可加速高新技術的產業化。
模塊化產品（系統）的基本特征可歸納為：產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�簡單的公式表達：模塊化=組合化+標準化。
組合化是模塊化產品的構成形式或構成特點，不同單元的組合可形成功能、性狀不同的新產品，而使產品構成呈現柔性化，可適應市場或用戶對多樣化的需求；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了批生產的效益。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。設計模塊化產品就如同醫生開處方，根據用戶需求，選用現有的通用模塊（或加一些專用模塊)組裝成產品�？捎靡粋�簡單的公式來表達:模塊化產品=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，需在系統工程原理和方法指導下，對多個相關系統進行分解，將其中的相同或相似單元分離出來，經標準化處理.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別專用模塊，按照新系統的要求有機地組合起來，構成具有新功能的新產品（系統）。所以，模塊化包含著二個過程：系統“分解”并建立模塊系統;模塊“組合”并建立新產品系列型譜。
由于模塊化具有可簡化設計、縮短新產品研制周期、實現部件級的通用互換、有利于專業化批量生產、提高對市場及新技術的適應性、提高產品的質量和可靠性等一系列優點，在發達國家得到了普遍的應用，取得了顯著的經濟及技術效益。如今它作為一種時髦名詞，頻繁地出現于各種場合。
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公司和西門子公司提出了歐洲系統結構，并以商品形式供應市場。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，80年代后期，一個模式相同而模數尺寸配置更為合理的IEC917系列標準開始形成。
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行機械和電氣的互連，從而構成一套(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。
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整體，這類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、硬盤驅動器、軟盤驅動器、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，又易于上架進柜、作為部件構成整機；
(c)控制臺結構中引入插箱、插件：隨著自動化程度的提高，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產品系統總體設計的任務
對于簡單產品，一個人就可以完成整機設計。對于復雜產品的設計，受知識、經驗和精力的限制，一般是由專家群體協同完成的。在系統工程中，把復雜的研制對象稱為系統，即由相互作用和相互依賴的若干單元結合成具有特定功能的有機整體。系統設計的任務在于：根據系統目標和特定環境條件，通過對系統的分解(功能分配、結構布局）和系統的組合（通過接口組成整機），設計出一個合乎需要的、可靠的系統宏模型，作為全面展開詳細設計和制造的依據。
系統之所以需要分解：一則是為了簡化問題；二是便于各專業的專家平行開展設計；第三，也是制造、裝配、調試和維修等的需要。系統組合的任務是，把分立地設計和制造的獨立單元，通過接口結構組裝成為整機。
作為產品系統來說，當構成系統的組成單元是通用單元時，就可簡化其他類似系統的設計和制造，I并取得良好的效益。這種經過通用化（標準化）處理的單元就是模塊。所以，系統設計的任務從本質上來說，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鍵性的，或者說，如何分解較好，這是個難題。分解不當將給組合帶來困難，分解要將以后容易組合為首要條件。系統分解主要應考慮：
(a)以功能為核心進行分解:功能是構成模塊的依據也是進行系統分解的基礎。（b)分解點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模塊，結合強度弱些，可簡化接口結構，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，經過標準化處理，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，或適當歸類集裝于結構模塊，或改造成某種專用模塊。
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。產品的接口系統幾乎與產品一樣復雜，如果接口不匹配，就達不到整機的預期目標，如果某個接口的可靠性出了問題，產品就會出現故障。總體設計的任務之一就是協調各模塊的外部接口，研究各個接口在技術上的成熟程度和可靠性。若從人一機一環境大系統著眼，人一機、機一環境、人一環境之間也是接口問題（廣義的），總體設計師需考慮諸如人機功能分配、人機界面及環境等對人生理、心理的適應性，考慮產品的環境適應性等可靠性問題。
接口的標準化、模塊化或采用標準的接口(模塊），對總體設計是至關重要的，它涉及模塊的通用性和互換性，也關系到系統的兼容性、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的實體（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。
4運用模塊化理論推動機電一體化的發展
日本人提出“21世紀是機電一體化時代”，可以認為，機電一體化水平是一個國家技術、經濟發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程的理論基礎和主要方法。4.1模塊化是機電一體化產品的基本構成模
機電一體化產品是多學科綜合的高技術產品，任何一個專家或任何一個工廠是難于全盤完成其設計和制造任務的，而是由多學科組成的專家集團及多部門通力協作的`結晶。這些特點決定了機電一體化產品的構成不是整體式結構，而是組合式結構，這是一個分解一組合過程，將機電一體化產品的功能按需要分解為若干功能塊，由若干專家分頭設計，由若干工廠分頭制造，然后再將功能塊組裝成產品。然而，如若功能塊都是專用的，需一一進行研制，則其效率是極低的，因而機電一體化產品不僅是組合式，而且應把其分解與組合納入標準化的制約之下，使機電一體化產品由通用功能塊（模塊)組合而成，即機電一體化產品的構成應是模塊化的。
4.2加速機電一體化發展進程的途徑
4-2.1技術措施
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、開關電源、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展有重要意義，它是模塊具有通用性并實現商品化的前提。接口標準化工作應與模塊體系的建立同步進行，有的甚至還應“超前”進行，以便規范模塊的開發。模塊上的直接型接口應采用標準接口，有時同一功能接口.可設若干個，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，減少整機的接口環節，簡化整機組裝結構。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，自由發展必然導致重復勞動、低效率、品種膨脹，只有統一部署、全面規劃，制訂產品模塊化體系表，才可能有效地、有序地發展；建立或扶植模塊專業生產廠（點），以集中優勢的人力、物力、財力，進行高效、低成本、高質量的商品化生產；建立模塊化信息網，互通信息，提供咨詢，溝通產銷，實現技術和資源的共享；關鍵技術的突破意味著整體水平的提高，應有組織有計劃地組織聯合攻關，并使之模塊化，以便迅速轉變為生產力。
模塊化是軍用電子設備發展的必由之路
戰爭的特定條件，對軍用電子設備的性能及質量提出了苛刻的要求。除要求具有良好的技術性能外，還要求更新周期短，高的可靠性、安全性和經濟性，甚至還要充分考慮機動性、可維護性等因素。
綜合實現上述諸要求的最有效途徑，就是采用模塊化結構。所謂新產品一般是以原有技術、原有產品為基礎增加部分新技術、新功能而構成。在模塊化結構中，原有技術以模塊的形式存在.可拿來就用（或進行局部修改）只需研制部分含有新技術的模塊，即可構成新產品。所以模塊化結構有利于產品功能的修改、擴展、更新，并縮短新產品研制周期；原有模塊的設計、制造、組裝等均已定型，并經例行試驗和實際應用的考核，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，可取得批量生產的效益，具有良好的經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
當前，人類即將進入信息社會.電子技術將滲透到社會的一切角落，電子行業面臨產品品種多、數量大、技術更新快、質量要求高的新情況。隨著技術的發展，電路設計日趨簡化，小學生就能夠組裝電視機，但電子機械卻日趨復雜化。日本在80年代初曾作過一個調查和預測：在21世紀將為軟件工程師和電子到設計現場做好標準化咨詢工作，檢査已經畫完的圖樣，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，這樣就能把圖樣上的絕大部分問題消滅在萌芽狀態，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、事業單位中圍繞新產品研制開展標準化工作所應具體抓好的實事。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，提高設計質量能起到立竿見影的效果，而且也為產品開展“三化”設計（通用化、系列化、模塊化）打下了良好的基礎。因此只要一個單位重視上述諸項工作，就必定能取得明顯的標準化經濟效果，使產品獲得廣闊的市場。
機械工程師提供更多的就業機會。也就是說電子機械將在新產業革命中占據舉足輕重的位置。分析電子產品，由于電路決定產品功能上的差異，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品的組裝單元的機械結構，隨產品變化的因素較少，具備實現具有尺寸互換性的結構模塊的有利條件，并且它又是實現工藝、工裝通用化的前提，是縮短產品制造周期和降低成本的重要環節。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機箱是實現機載電子設備模塊化的基礎）。所以電子機械是實現電子產品模塊化的關鍵環節，電子機械工程師應具(有強烈的模塊化觀念。事實上，產品的模塊化水平已是評價設計水平的主要準則之一。
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