装备模块化设计之机械模块化-电气模块化-软件模块化

  为批量定制提供实现基础

  任何系统都由多个相对标准的模块加上少数专用模块组成，从一个模块集合中抽取不同的模块组成子集，就可以搭建出各种不同类型产品，满足不同客户的个性化需求。

  装备设计厂商需要对装备分解成若干个功能或任务模块，针对每一个功能模块，再根据用户可能的需求设计出多个解决方案，以涵盖大多数客户的偏好、需求。此外，这些解决方案有着统一的接口和兼容性，便于组装、搭建，从而为批量化定制提供基础。

  一个典型的例子如日常生活中的汽车，一个型号汽车往往有多个发动机型号，例如，1.2L排量、1.4L排量、1.6L排量，但是它们与周边部件的连接是一样的。用户愿意付出金钱多少，对动力大小接受度，会做出不同的购买意向，这些意向是汽车厂商事先分析过的，能涵盖大多数购买者的诉求。

  提升效能与降低风险

  模块化设计把机器分割成多个子模块部件，每一个子模块部件是标准的、可替换的。整个产品的重复生产、销售中，成熟的模块不需要再测试，节省了设计费用以及测试带来的资金占用、材料、人工、场地、能源、管理等费用。

  高成熟度、标准的部件重复使用，也避免了隐藏的产品质量风险，提高组装效率，降低组装错误，同时也避免了测试过程中可能出现的人员伤害、设备损坏风险。

  另外，成熟子模块部件多次重复使用中，一些缺陷得到消除，功能得到改进和完善，提高了产品的质量稳定性，使客户更满意。

  装备自动化的模块化设计

  装备的模块化设计分三个方面机械模块化、电气模块化和软件模块化，三者紧密关联，电气模块化与机械模块化进行匹配，而软件模块化与电气模块化进行匹配，共同构成了装备的模块化设计。装备模块化的三个方面如图4.1所示。

  机械模块化需要考虑每个部件的功能、性能、材料、尺寸、相对位置、安装等。机械模块的划分结果影响各电气模块之间的接口。机械、电气模块的模块化设计影响软件的功能分布。机械、电气、软件模块化不是独立的，而是相互影响和支持的。

  需求分析及模块划分

  设计一种类型自动化装备之初，需要充分收集客户需求，确定该装备的功能、特性及性能指标。在进行模块化设计时，需要考虑如何分割各个功能模块，设立功能子模块的接口。模块分解实际上就是考虑了重用和设备整个生命周期中的使用情况，对产品功能重新分配，将原有设备结构的零部件分解后重新组合的过程。对于某些功能模块，可以设计多种成本、性能各异的方案，供客户选择。

  功能模块自身功能独立，具有标准连接接口和I/O接口。另一方面，功能模块又是整个产品的一部分，不理解模块在产品中的作用和位置，就无法定义模块。这种既强调自身功能的独立性，又强调系统结构的归属性，就是功能模块的二元性。因此，模块的划分在实际划分中可能会经历多轮的迭代才能形成满意的划分方案。

  各功能模块对外的接口的标准化可以保证同一功能的不同方案可以互换。部件互换性对于用户端就是配置可选择性，是个性化和柔性化的体现。以汽车为例，汽车变速器有自动档方案，也有手动档方案，标准化接口使这些变速器与发动机、车轮之间具有统一的对外接口，便于大规模差别化组装。