模块化在电子机械中的应用:模块化机械

模块化在电子机械中的应用

模块化产品（系统）的基本特征可归纳为：产品的构成是组合式结构；

构成单元是通用（标准）单元。或者用一个简单的公式表达：模块化=组合化+ 标准化。

组合化是模块化产品的构成形式或构成特点，不同单元的组合可形成 功能、性状不同的新产品，而使产品构成呈现柔性化，可适应市场或用户对多样 化的需求；
构成单元的标准化则是模块化与组合化的区别所在，模块是具有某种 确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元；
正是通用单元才带来了批生产的 效益。对模块化最恰当的比喻是中医中药，各味已炮制好的中药，是各具特定性 味的“模块”，医生的任务则是根据病人的具体症状，选用中药，配(组合)成治病 的药方。设计模块化产品就如同医生开处方，根据用户需求，选用现有的通用模 块（或加一些专用模块)组装成产品。可用一个简单的公式来表达:模块化产品= 通用模块（不变部分)+专用模块（变动部分）。

作为模块化的全过程，需在系统工程原理和方法指导下，对多个相关 系统进行分解，将其中的相同或相似单元分离出来，经标准化处理.以通用单元 的形式独立存在，这就是由分解而得到的模块（系列）；
把若干通用模块加个别 专用模块，按照新系统的要求有机地组合起来，构成具有新功能的新产品（系统）。

所以，模块化包含着二个过程：系统“分解”并建立模块系统;模块“组合”并建立新 产品系列型谱。

由于模块化具有可简化设计、缩短新产品研制周期、实现部件级的通 用互换、有利于专业化批量生产、提高对市场及新技术的适应性、提高产品的质 量和可靠性等一系列优点，在发达国家得到了普遍的应用，取得了显著的经济及 技术效益。如今它作为一种时髦名词，频繁地出现于各种场合。2电子设备的模块化结构模式 1921年美国《面板和机架》尺寸系列标准问世，它不仅对成套电子设 备的结构尺寸作了规范，而且为电子设备的模块化模式提出了雏型，即把各类大 型的柜型装置的整体式内结构，分解为若干标准插箱单元。60年代由德国的AEG 公司和西门子公司提出了欧洲系统结构，并以商品形式供应市场。IEC采纳了这 一结构模式，陆续推出了IEC297《482.6mm系列机械结构尺寸》系列四个标准， 形成了从印制板、插件、插箱到机柜的成系列的模块化结构模式。与此同时，80 年代后期，一个模式相同而模数尺寸配置更为合理的IEC917系列标准开始形成。

电子设备典型的模块化结构型式有：
嵌套式层次结构（内插式结构）：IEC297标准所规定的模式。这是目 前标准化程度最高、应用最广泛的一种。插件模块并列地插装于插箱，插箱模块 分层地插装于机柜中，组成立柜式电子装置。

外插式结构：它的基本单元是具有独立功能的盒式插件模块，把模块 直接从外部并列地进行机械和电气的互连，从而构成一套(仪器类）电子装置。

它可用若干种基本模块，按不同的功能、容量组装出多种产品。HP公司以18种 插件模块，通过快锁互连可迅速组合成几十种不同功能的电子测量系统。

层叠式结构：由具有独立功能的机箱模块，外加电气互连叠装而构成， 靠定位机构或外加机械性连接而形成一个整体，这类结构特别适用于需要频繁转 移的电子设备。如应用于军用通信设备和台式仪器等。

箱形套装式结构：将几种功能模块套装于机箱中构成新产品，箱式仪 器多采用这种结构。例如，Inteli486-R型微机由单板计算机、电源、硬盘驱动器、 软盘驱动器、扩展器模块等套装于机箱而构成。

装架式结构：将系列化的功能模块安装于标准的机架（安装架）而构 成成套电子设备。典型的装架式结构有通信设备的列架式结构，机载电子设备的 ATR机箱和安装架等。

拼装式结构：由若干种不同结构形式和功能的模块，通过拼装构成整 机I例如，由台身、台面、台上仪表板拼装成的控制台；
在柜型结构前面拼装小 台面或仪表板等。g-单元组合式结构：由若干具有独立功能的单元（或装置）组装成的 成套装置。例如，单元组合式大型控制台（直列式或折列式），成套的大型计算 机系统等。

近年来的一种重要倾向是箱、柜、台结构模式的统一：（a)屏、架、 柜的统一：开式的屏架多由闭式的柜所代替，以提高安全性与可靠性；
（b)仪器 的插箱、插件化：仪器的插件化，便于功能的替换与扩展，易实现功能多样化。

仪器的插箱化，既可作为台式仪器单独使用，又易于上架进柜、作为部件构成整 机；

(c)控制台结构中引入插箱、插件：随着自动化程度的提高，分散控制 逐步转向集中控制.各种集控台上的电气控制部分，直接采用插件--插箱模块系统， 以提高标准化系数。

3模块化是系统总体设计的基本方法3.1产品系统总体设计的任务 对于简单产品，一个人就可以完成整机设计。对于复杂产品的设计， 受知识、经验和精力的限制，一般是由专家群体协同完成的。在系统工程中，把 复杂的研制对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干单元结合成具有特定 功能的有机整体。系统设计的任务在于：根据系统目标和特定环境条件，通过对 系统的分解(功能分配、结构布局）和系统的组合（通过接口组成整机），设计 出一个合乎需要的、可靠的系统宏模型，作为全面展开详细设计和制造的依据。

系统之所以需要分解：一则是为了简化问题；
二是便于各专业的专家 平行开展设计；
第三，也是制造、装配、调试和维修等的需要。系统组合的任务 是，把分立地设计和制造的独立单元，通过接口结构组装成为整机。

作为产品系统来说，当构成系统的组成单元是通用单元时，就可简化 其他类似系统的设计和制造，I并取得良好的效益。这种经过通用化（标准化） 处理的单元就是模块。所以，系统设计的任务从本质上来说，就是将系统分解为 层次与规模不同的模块，和用接口将模块连接成为有特定功能的系统。

系统分解为横块的原则 在系统的分解和组合中，分解得是否适当是关键性的，或者说，如何 分解较好，这是个难题。分解不当将给组合带来困难，分解要将以后容易组合为首要条件。系统分解主要应考虑：
(a)以功能为核心进行分解:功能是构成模块的依据也是进行系统分解 的基础。（b)分解点应选择在模块内聚集度最大而模块间的结合度最小的地方。

聚集度高才可能形成一个模块，结合强度弱些，可简化接口结构，系统既容易组 合，又容易拆散(维修）。)把通用要素从系统中分离出来，经过标准化处理，才 可能成为模块。

(d)模块的层次、规模与数量的确定：模块越小越易于处理(设计、修 改），但模块数量太多就难于得到最佳综合；
如子系统数量少、规模太大，综合 虽然简单，但子系统本身的定量处理就变得困难。所以模块的数量与规模是相互 矛盾的，有效解决办法是将系统分成层次，每个层次由数量及规模适中的模块组 成。大模块由小模块的集成而得。（e)非典型要素的处理方法是，将其附加于某 种模块，或适当归类集装于结构模块，或改造成某种专用模块。

3.3系统接□的重要性 根据接口的功能，硬件接口可分为机械接口、电气接口、机电接口， 各种物理量之间的接口及各种物理量与电量之间的接口。产品的接口系统几乎与 产品一样复杂，如果接口不匹配，就达不到整机的预期目标，如果某个接口的可 靠性出了问题，产品就会出现故障。总体设计的任务之一就是协调各模块的外部 接口，研究各个接口在技术上的成熟程度和可靠性。若从人一机一环境大系统着 眼，人一机、机一环境、人一环境之间也是接口问题（广义的），总体设计师需 考虑诸如人机功能分配、人机界面及环境等对人生理、心理的适应性，考虑产品 的环境适应性等可靠性问题。

接口的标准化、模块化或采用标准的接口(模块），对总体设计是至 关重要的，它涉及模块的通用性和互换性，也关系到系统的兼容性、可修改性、 可扩展性及系统的研制周期。接口往往表现为一定形态的实体（软件接口除外）， 因而研究接口及其可靠性是总体结构设计师的重要任务。

运用模块化理论推动机电一体化的发展 日本人提出“21世纪是机电一体化时代”，可以认为，机电一体化水平 是一个国家技术、经济发展水平及其现代化的标志，而模块化则是加速机电一体 化进程的理论基础和主要方法。4.1模块化是机电一体化产品的基本构成模机电一体化产品是多学科综合的高技术产品，任何一个专家或任何一 个工厂是难于全盘完成其设计和制造任务的，而是由多学科组成的专家集团及多 部门通力协作的结晶。这些特点决定了机电一体化产品的构成不是整体式结构， 而是组合式结构，这是一个分解一组合过程，将机电一体化产品的功能按需要分 解为若干功能块，由若干专家分头设计，由若干工厂分头制造，然后再将功能块 组装成产品。然而，如若功能块都是专用的，需一一进行研制，则其效率是极低 的，因而机电一体化产品不仅是组合式，而且应把其分解与组合纳入标准化的制 约之下，使机电一体化产品由通用功能块（模块)组合而成，即机电一体化产品 的构成应是模块化的。

4.2加速机电一体化发展进程的途径 4-2.1技术措施 构成要素的模块化：日本早在70年代就响亮地提出，机电一体化产品 系统设计中，应以功能模块为单位构成系统。

模块的系列化：模块系列化的意义在于，使同一种功能模块的品种、 规格多样化，以适应各种不同系统和产品的不同需要。例如电源，以不同的功率， 不同的电流、电压组合，不同的机理（如整流电源、开关电源、逆变电源等）， 不同的安装结构，不同的精度等构成系列模块。

接口的标准化与模块化：模块接口的标准化对机电一体化的发展有重 要意义，它是模块具有通用性并实现商品化的前提。接口标准化工作应与模块体 系的建立同步进行，有的甚至还应“超前”进行，以便规范模块的开发。模块上的 直接型接口应采用标准接口，有时同一功能接口.可设若干个，以扩大兼容性， 模块之间的间接型接口，则应研制接口模块，目前接口模块常有很好的销路。

构成要素的集成化、智能化：将一些小的模块集成为较大的模块，把 小模块间的外部接口转换成大模块的内部接口，减少整机的接口环节，简化整机 组装结构。例如，将传感器与信息处理电路集成为模块，把信息处理电路模块直 接做成集成电路块.或把伺服系统集成为模块等。

模块的小型化、精密化：小型化的最直接意义是可以提高在产品组装 中的灵活性；
另外，还可降低能耗、节约材料、降低成本；
以及提高对冲击及高 速旋转的适应性。模块的精密化是指提高模块的性能，这对提高机电一体化产品的水平有重要意义。

组织措施 机电一体化是复杂系统，自由发展必然导致重复劳动、低效率、品种 膨胀，只有统一部署、全面规划，制订产品模块化体系表，才可能有效地、有序 地发展；
建立或扶植模块专业生产厂（点），以集中优势的人力、物力、财力， 进行高效、低成本、高质量的商品化生产；
建立模块化信息网，互通信息，提供 咨询，沟通产销，实现技术和资源的共享；
关键技术的突破意味着整体水平的提 高，应有组织有计划地组织联合攻关，并使之模块化，以便迅速转变为生产力。

模块化是军用电子设备发展的必由之路 战争的特定条件，对军用电子设备的性能及质量提出了苛刻的要求。

除要求具有良好的技术性能外，还要求更新周期短，高的可靠性、安全性和经济 性，甚至还要充分考虑机动性、可维护性等因素。

综合实现上述诸要求的最有效途径，就是采用模块化结构。所谓新产 品一般是以原有技术、原有产品为基础增加部分新技术、新功能而构成。在模块 化结构中，原有技术以模块的形式存在.可拿来就用（或进行局部修改）只需研 制部分含有新技术的模块，即可构成新产品。所以模块化结构有利于产品功能的 修改、扩展、更新，并缩短新产品研制周期；
原有模块的设计、制造、组装等均 已定型，并经例行试验和实际应用的考核，其可靠性已得到全面验证，只需验证 新模块的可靠性，从而大大提高了整机可靠性；
模块化产品的组合式结构，易于 化整为零和快速组装，可提高军用电子设备的机动性和可维护性；
军用电子设备 尽管是小批量，但其中的模块是通用部件，可取得批量生产的效益，具有良好的 经凡是能用简化画法表示的图形，一律用简化画法表示。取消那些只经下料工序 就制成的零件的零件图样，并在装配图中按规定填写标注。更改标法不标准的尺 寸、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。重新绘制那些比例、视图、剖面等选 择不合理的图样或视图。

6结束语 当前，人类即将进入信息社会.电子技术将渗透到社会的一切角落， 电子行业面临产品品种多、数量大、技术更新快、质量要求高的新情况。随着技 术的发展，电路设计日趋简化，小学生就能够组装电视机，但电子机械却日趋复杂化。日本在80年代初曾作过一个调查和预测：在21世纪将为软件工程师和电子 到设计现场做好标准化咨询工作，检査已经画完的图样，这样往往能达到事半功 倍的效果。以后每隔两三天去一次设计现场，这样就能把图样上的绝大部分问题 消灭在萌芽状态，从而减少图样的更改时间，减少由于更改不彻底所引起的错误， 并能保持图样的清晰。

上述几件工作，都是在电子企、事业单位中围绕新产品研制开展标准 化工作所应具体抓好的实事。它们既适用于计算机辅助设计，也适用于手工设计。

做好这些工作不仅对缩短设计周期，提高设计质量能起到立竿见影的效果，而且 也为产品开展“三化”设计（通用化、系列化、模块化）打下了良好的基础。因此 只要一个单位重视上述诸项工作，就必定能取得明显的标准化经济效果，使产品 获得广阔的市场。

机械工程师提供更多的就业机会。也就是说电子机械将在新产业革命 中占据举足轻重的位置。分析电子产品，由于电路决定产品功能上的差异，是一 种多变因素，使电路模块的形成受到一定的限制。然而作为电路的载体和产品的 组装单元的机械结构，随产品变化的因素较少，具备实现具有尺寸互换性的结构 模块的有利条件，并且它又是实现工艺、工装通用化的前提，是缩短产品制造周 期和降低成本的重要环节。因而在电子设备的模块化中，结构模块有可能独立先 行，并以结构模块去制约电路模块，形成电子设备的模块化（例如ATR机箱是实 现机载电子设备模块化的基础）。所以电子机械是实现电子产品模块化的关键环 节，电子机械工程师应具(有强烈的模块化观念。事实上，产品的模块化水平已 是评价设计水平的主要准则之一。