劉璟

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海 536000）

20世紀(jì)50年代，“模塊化設(shè)計”概念正式被提出[1]。模塊化產(chǎn)品是將產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，形成一個個獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)自由地組合、分解、替換，具有標(biāo)準(zhǔn)化、組合化、通用性等特點(diǎn)，不同組件相互結(jié)合能夠滿足不同使用者的個性化的需求[2]。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，模塊化產(chǎn)品更加靈活自由、功能多樣，且生產(chǎn)成本降低和生產(chǎn)周期縮短使其價格更具優(yōu)勢，是目前非常盛行的產(chǎn)品模式。隨著科技的進(jìn)步，“模塊化設(shè)計”被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，如計算機(jī)、電器、電子、機(jī)床、家具等。

教具的設(shè)計制造最早起源于歐洲，18世紀(jì)中葉掀起了產(chǎn)業(yè)革命，此時誕生了許多講解自然科學(xué)原理和生產(chǎn)技術(shù)原理的教具，如物理學(xué)中的聲、光、電、實驗儀器，機(jī)械、電機(jī)模型等。中國的教具生產(chǎn)制造公司最早可以追溯到1914年，留美學(xué)生趙元任創(chuàng)建了中國科學(xué)社和科學(xué)儀器公司，這是中國設(shè)計制造教具的萌芽[3]。隨著時代的發(fā)展，在信息化和課改的推動下，教具行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時期。

1 模塊化設(shè)計的研究現(xiàn)狀

模塊設(shè)計最早誕生于德國的一個家具公司，該公司將一款書架分成了若干個獨(dú)立模塊[4]?？蛻艨梢愿鶕?jù)自己的需求，將這些模塊自由的組裝成理想的書架。隨后這種模塊化設(shè)計的理念逐漸被其他行業(yè)所廣泛應(yīng)用，如飛機(jī)行業(yè)、汽車行業(yè)、船舶行業(yè)等。

隨著對模塊化設(shè)計的研究逐漸加深，20世紀(jì)50年代相關(guān)學(xué)者給出了“模塊化設(shè)計”的定義：將產(chǎn)品的功能、性能、規(guī)格進(jìn)行詳細(xì)且準(zhǔn)確的分析，創(chuàng)建一系列具有特定功能的模塊，然后將這些模塊互相組合，構(gòu)成具有不同功能的產(chǎn)品，以滿足不同的使用要求。

20世紀(jì)60年代，模塊化設(shè)計開始應(yīng)用于電腦的設(shè)計研發(fā)，這一劃時代的應(yīng)用是美國硅谷崛起的原因之一。在國外，20世紀(jì)80年代后，隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、材料技術(shù)的快速發(fā)展，模塊化設(shè)計也隨之得到了進(jìn)一步的發(fā)展[5]。模塊化設(shè)計理念在家電行業(yè)、計算機(jī)配置行業(yè)、機(jī)床行業(yè)、服務(wù)產(chǎn)品、電子產(chǎn)品都有深入的研究和應(yīng)用。在中國，20世紀(jì)70年代模塊化設(shè)計理念開始得到應(yīng)用，特別是在機(jī)床行業(yè)，應(yīng)用模塊化設(shè)計原理進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，開發(fā)出了一系列重型數(shù)型立式車床。隨后各行各業(yè)的專家學(xué)者在模塊化設(shè)計領(lǐng)域做了大量研究，如龔京忠等提出了一種基于功能-行為-結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品概念模塊設(shè)計方法，并應(yīng)用于堆垛機(jī)貨叉機(jī)構(gòu)的設(shè)計；侯亮等[6-7]提出了基于模糊聚類分析和復(fù)合閾值進(jìn)行模塊劃分以及多目標(biāo)線性加權(quán)優(yōu)化的方案評價方法，并應(yīng)用于企業(yè)資源配置研究產(chǎn)品模塊化問題。目前，模塊化設(shè)計技術(shù)與各行各業(yè)相結(jié)合，正在快速向前發(fā)展。

2 “機(jī)械基礎(chǔ)”教具現(xiàn)狀

2.1 型號陳舊，維護(hù)困難

隨著教育理念的高速發(fā)展，各種教學(xué)方式層出不窮。然而，“機(jī)械基礎(chǔ)”教具卻發(fā)展緩慢，常用的教學(xué)用具依舊停留在傳統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)類教具，如齒輪機(jī)構(gòu)、帶輪機(jī)構(gòu)。此類教具過于陳舊，其功能和結(jié)構(gòu)與當(dāng)前的教學(xué)方式嚴(yán)重脫節(jié)，以致教師上課時往往使用動圖或者視頻等新媒體素材來替代教具的功能。此外，傳統(tǒng)的“機(jī)械基礎(chǔ)”教具材料多為PVC或者木材，使用壽命短，極易損壞。教具的生產(chǎn)廠家又通常不提供維修的技術(shù)支持，導(dǎo)致維修困難。使用一段時間后，容易出現(xiàn)故障而影響教師的使用，“機(jī)械基礎(chǔ)”教具就被棄之不用了。

2.2 需求難以實現(xiàn)

市場上的教具從結(jié)構(gòu)到功能都具有局限性，教師在使用這類教具時，教學(xué)設(shè)計的實施會受到一定的制約，不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)[8]。

3 模塊化設(shè)計“機(jī)械基礎(chǔ)”教具的過程

3.1 模塊劃分

模塊是指組合成系統(tǒng)的，具有某種確定功能的通用獨(dú)立單元[9]。在模塊化設(shè)計之前首先要做的是模塊劃分。模塊劃分時要考慮如何滿足產(chǎn)品的精度要求、可靠性要求、經(jīng)濟(jì)性要求等。同時也應(yīng)考慮采用盡量少的模塊數(shù)量去完成更完善的產(chǎn)品。為了保證不同功能的模塊的自由組合和相同功能模塊的任意互換，模塊設(shè)計時應(yīng)考慮其組合性和可互換性[10]。根據(jù)“機(jī)械基礎(chǔ)”教具的各部分功能，將教具劃分成若干具有獨(dú)立功能的的模塊。其中，最基本的模塊是底座模塊，底座模塊是整個教具的基石，可安裝其他功能模塊。模塊和模塊的連接，通過接口實現(xiàn)，因此在底座模塊上設(shè)計有安裝接口，用于和其他功能模塊連接。根據(jù)“機(jī)械基礎(chǔ)”中常用機(jī)構(gòu)這章課程的內(nèi)容，將每個常用機(jī)構(gòu)單獨(dú)設(shè)計成一個模塊，如四桿機(jī)構(gòu)模塊、凸輪機(jī)構(gòu)模塊、棘輪機(jī)構(gòu)模塊等。各傳動機(jī)構(gòu)模塊可通過接口單獨(dú)安裝在底座模塊上，從而組成一個具有完整教學(xué)功能的教具系統(tǒng)。本文以四桿機(jī)構(gòu)模塊和棘輪機(jī)構(gòu)模塊為例，介紹該教具的設(shè)計。

3.2 底座模塊的設(shè)計

底座模塊的功能是安裝其他功能模塊。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是用2塊鋁合金板搭建而成，構(gòu)成一個如圖1所示的“T”形結(jié)構(gòu)。鋁合金材料既能保證教具具有足夠的強(qiáng)度和韌性，又不失教具的輕便性。底座模塊的表面采用噴砂氧化處理，使教具表面光潔和美觀。經(jīng)過噴砂氧化處理的教具，表面會形成一層致密的氧化膜，氧化膜起到耐磨耐腐蝕的作用。底座模塊的背部上設(shè)計有2個接口，分別為動力接口和限位接口，如圖2所示。動力接口設(shè)計有驅(qū)動手柄，人驅(qū)動手柄旋轉(zhuǎn)作為整個教具系統(tǒng)的動力。限位接口的主要功能是固定安裝在底座模塊上的其他功能模塊，使之牢固地安裝在底座模塊上，不會出現(xiàn)晃動的現(xiàn)象。其他功能模塊通過這2個接口安裝在底座模塊上，便組成一個完整的教具系統(tǒng)。為了方便搬運(yùn)和攜帶，底座模塊安裝有一對鋁合金把手。

圖1 底座模塊正面

圖2 底座模塊背面

3.3 四連桿機(jī)構(gòu)模塊

四連桿機(jī)構(gòu)模塊的設(shè)計如圖3所示。本案例以曲柄搖桿為例，整體材料均為鋁合金，同時兼顧強(qiáng)度和輕便性。連桿和連桿之間用銷軸連接，為了活動順暢和減少磨損，銷軸裝有薄型無油襯套。無油襯套又稱為自潤滑軸承，是一種兼有金屬軸承特點(diǎn)和無油潤滑軸承特點(diǎn)的新穎潤滑軸承，具有承載能力強(qiáng)、耐沖擊、耐高溫、自潤滑能力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于重載、低速、往復(fù)或擺動等難以潤滑和形成油膜的場合。為了與底座模塊連接，四連桿機(jī)構(gòu)模塊也設(shè)計有限位接口和動力接口，與底座模塊對應(yīng)的接口相配合，使四連桿機(jī)構(gòu)模塊既能牢固安裝在底座模塊上，又能傳遞動力驅(qū)動四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動。如圖4所示，四連桿機(jī)構(gòu)模塊已安裝在底座模塊上，當(dāng)教師驅(qū)動手柄旋轉(zhuǎn)時，便可向?qū)W生演示此套四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀況和傳動特點(diǎn)。

圖3 四連桿機(jī)構(gòu)模塊

圖4 四連桿機(jī)構(gòu)模塊安裝在底座模塊上

3.4 棘輪機(jī)構(gòu)模塊

棘輪機(jī)構(gòu)模塊的設(shè)計如圖5所示，主要由棘爪、棘輪、限位接口和動力接口4個部分組成。各零件的材料同樣是采用鋁合金，兼顧模塊的強(qiáng)度和整體的輕便性。為了與底座模塊相連，同樣設(shè)計了限位接口和動力接口。當(dāng)教師需要講解棘輪機(jī)構(gòu)時，可先把安裝在底座模塊上的其他功能模塊拆下，然后安裝上棘輪機(jī)構(gòu)模塊，如圖6所示。棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、安裝容易、步進(jìn)量容易調(diào)整，但缺點(diǎn)是定位精度差、噪聲差、磨損較大。教師講解到棘輪機(jī)構(gòu)時，可以讓學(xué)生自己動手驅(qū)動手柄旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生自己觀察和思考棘輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)。這種手腦結(jié)合的學(xué)習(xí)方法，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能加深對棘輪機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的理解。

圖5 棘輪機(jī)構(gòu)模塊

圖6 棘輪機(jī)構(gòu)模塊安裝在底座模塊上

3.5 接口設(shè)計

在模塊化設(shè)計的產(chǎn)品中，各個功能模塊通過接口組合而成一個系統(tǒng)[11]。模塊間的接口適配性是保證組成系統(tǒng)后正常運(yùn)行的保障。接口的統(tǒng)一化，是達(dá)成模塊互換性的基礎(chǔ)。在本教具的設(shè)計中，有2種類型的接口：一種是動力接口，用來傳遞動力；另一種是限位接口，用以保證安裝牢靠。動力接口和限位接口的連接分別如圖7、圖8所示。

圖7 動力接口連接示意圖

圖8 限位接口連接示意圖

4 結(jié)束語

“機(jī)械基礎(chǔ)”是機(jī)械類專業(yè)最基礎(chǔ)的一門課程，本門課程知識點(diǎn)繁多，公式也較為復(fù)雜，需要用教具輔助教學(xué)，將相關(guān)知識點(diǎn)用教具形象生動地展示給學(xué)生。傳統(tǒng)的“機(jī)械基礎(chǔ)”教具種類繁多，笨重不易攜帶和展示，因此研究將各個傳動機(jī)構(gòu)的教具進(jìn)行模塊化處理，需要展示某個運(yùn)動機(jī)構(gòu)時，將相關(guān)的教具模塊裝配到底座模塊上。采用“模塊化設(shè)計”理論設(shè)計的“機(jī)械基礎(chǔ)”教具具有攜帶方便、拆卸簡單、可重組性等優(yōu)點(diǎn)。在拆卸和組裝過程中，能讓學(xué)生更加直觀地了解各個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和原理，并深刻理解相關(guān)知識。