模块化设计在“机械基础”教具设计上的应用＊

刘璟

（北海职业学院，广西 北海 536000）

20世纪50年代，“模块化设计”概念正式被提出[1]。模块化产品是将产品的功能和结构进行拆分，形成一个个独立的标准化模块，能够实现自由地组合、分解、替换，具有标准化、组合化、通用性等特点，不同组件相互结合能够满足不同使用者的个性化的需求[2]。与传统产品相比，模块化产品更加灵活自由、功能多样，且生产成本降低和生产周期缩短使其价格更具优势，是目前非常盛行的产品模式。随着科技的进步，“模块化设计”被广泛地应用于各行各业，如计算机、电器、电子、机床、家具等。

教具的设计制造最早起源于欧洲，18世纪中叶掀起了产业革命，此时诞生了许多讲解自然科学原理和生产技术原理的教具，如物理学中的声、光、电、实验仪器，机械、电机模型等。中国的教具生产制造公司最早可以追溯到1914年，留美学生赵元任创建了中国科学社和科学仪器公司，这是中国设计制造教具的萌芽[3]。随着时代的发展，在信息化和课改的推动下，教具行业进入高速发展时期。

1 模块化设计的研究现状

模块设计最早诞生于德国的一个家具公司，该公司将一款书架分成了若干个独立模块[4]。客户可以根据自己的需求，将这些模块自由的组装成理想的书架。随后这种模块化设计的理念逐渐被其他行业所广泛应用，如飞机行业、汽车行业、船舶行业等。

随着对模块化设计的研究逐渐加深，20世纪50年代相关学者给出了“模块化设计”的定义：将产品的功能、性能、规格进行详细且准确的分析，创建一系列具有特定功能的模块，然后将这些模块互相组合，构成具有不同功能的产品，以满足不同的使用要求。

20世纪60年代，模块化设计开始应用于电脑的设计研发，这一划时代的应用是美国硅谷崛起的原因之一。在国外，20世纪80年代后，随着计算机辅助设计技术、网络技术、材料技术的快速发展，模块化设计也随之得到了进一步的发展[5]。模块化设计理念在家电行业、计算机配置行业、机床行业、服务产品、电子产品都有深入的研究和应用。在中国，20世纪70年代模块化设计理念开始得到应用，特别是在机床行业，应用模块化设计原理进行新产品开发，开发出了一系列重型数型立式车床。随后各行各业的专家学者在模块化设计领域做了大量研究，如龚京忠等提出了一种基于功能-行为-结构的产品概念模块设计方法，并应用于堆垛机货叉机构的设计；侯亮等[6-7]提出了基于模糊聚类分析和复合阈值进行模块划分以及多目标线性加权优化的方案评价方法，并应用于企业资源配置研究产品模块化问题。目前，模块化设计技术与各行各业相结合，正在快速向前发展。

2 “机械基础”教具现状

2.1 型号陈旧，维护困难

随着教育理念的高速发展，各种教学方式层出不穷。然而，“机械基础”教具却发展缓慢，常用的教学用具依旧停留在传统的传动机构类教具，如齿轮机构、带轮机构。此类教具过于陈旧，其功能和结构与当前的教学方式严重脱节，以致教师上课时往往使用动图或者视频等新媒体素材来替代教具的功能。此外，传统的“机械基础”教具材料多为PVC或者木材，使用寿命短，极易损坏。教具的生产厂家又通常不提供维修的技术支持，导致维修困难。使用一段时间后，容易出现故障而影响教师的使用，“机械基础”教具就被弃之不用了。

2.2 需求难以实现

市场上的教具从结构到功能都具有局限性，教师在使用这类教具时，教学设计的实施会受到一定的制约，不能达到预期的教学目标[8]。

3 模块化设计“机械基础”教具的过程

3.1 模块划分

模块是指组合成系统的，具有某种确定功能的通用独立单元[9]。在模块化设计之前首先要做的是模块划分。模块划分时要考虑如何满足产品的精度要求、可靠性要求、经济性要求等。同时也应考虑采用尽量少的模块数量去完成更完善的产品。为了保证不同功能的模块的自由组合和相同功能模块的任意互换，模块设计时应考虑其组合性和可互换性[10]。根据“机械基础”教具的各部分功能，将教具划分成若干具有独立功能的的模块。其中，最基本的模块是底座模块，底座模块是整个教具的基石，可安装其他功能模块。模块和模块的连接，通过接口实现，因此在底座模块上设计有安装接口，用于和其他功能模块连接。根据“机械基础”中常用机构这章课程的内容，将每个常用机构单独设计成一个模块，如四杆机构模块、凸轮机构模块、棘轮机构模块等。各传动机构模块可通过接口单独安装在底座模块上，从而组成一个具有完整教学功能的教具系统。本文以四杆机构模块和棘轮机构模块为例，介绍该教具的设计。

3.2 底座模块的设计

底座模块的功能是安装其他功能模块。整体结构设计是用2块铝合金板搭建而成，构成一个如图1所示的“T”形结构。铝合金材料既能保证教具具有足够的强度和韧性，又不失教具的轻便性。底座模块的表面采用喷砂氧化处理，使教具表面光洁和美观。经过喷砂氧化处理的教具，表面会形成一层致密的氧化膜，氧化膜起到耐磨耐腐蚀的作用。底座模块的背部上设计有2个接口，分别为动力接口和限位接口，如图2所示。动力接口设计有驱动手柄，人驱动手柄旋转作为整个教具系统的动力。限位接口的主要功能是固定安装在底座模块上的其他功能模块，使之牢固地安装在底座模块上，不会出现晃动的现象。其他功能模块通过这2个接口安装在底座模块上，便组成一个完整的教具系统。为了方便搬运和携带，底座模块安装有一对铝合金把手。

图1 底座模块正面

图2 底座模块背面

3.3 四连杆机构模块

四连杆机构模块的设计如图3所示。本案例以曲柄摇杆为例，整体材料均为铝合金，同时兼顾强度和轻便性。连杆和连杆之间用销轴连接，为了活动顺畅和减少磨损，销轴装有薄型无油衬套。无油衬套又称为自润滑轴承，是一种兼有金属轴承特点和无油润滑轴承特点的新颖润滑轴承，具有承载能力强、耐冲击、耐高温、自润滑能力强等特点，特别适用于重载、低速、往复或摆动等难以润滑和形成油膜的场合。为了与底座模块连接，四连杆机构模块也设计有限位接口和动力接口，与底座模块对应的接口相配合，使四连杆机构模块既能牢固安装在底座模块上，又能传递动力驱动四连杆机构运动。如图4所示，四连杆机构模块已安装在底座模块上，当教师驱动手柄旋转时，便可向学生演示此套四连杆机构的运动状况和传动特点。

图3 四连杆机构模块

图4 四连杆机构模块安装在底座模块上

3.4 棘轮机构模块

棘轮机构模块的设计如图5所示，主要由棘爪、棘轮、限位接口和动力接口4个部分组成。各零件的材料同样是采用铝合金，兼顾模块的强度和整体的轻便性。为了与底座模块相连，同样设计了限位接口和动力接口。当教师需要讲解棘轮机构时，可先把安装在底座模块上的其他功能模块拆下，然后安装上棘轮机构模块，如图6所示。棘轮机构的特点是结构简单、安装容易、步进量容易调整，但缺点是定位精度差、噪声差、磨损较大。教师讲解到棘轮机构时，可以让学生自己动手驱动手柄旋转，让学生自己观察和思考棘轮机构的运动特点。这种手脑结合的学习方法，既能提高学生的学习兴趣，又能加深对棘轮机构特点的理解。

图5 棘轮机构模块

图6 棘轮机构模块安装在底座模块上

3.5 接口设计

在模块化设计的产品中，各个功能模块通过接口组合而成一个系统[11]。模块间的接口适配性是保证组成系统后正常运行的保障。接口的统一化，是达成模块互换性的基础。在本教具的设计中，有2种类型的接口：一种是动力接口，用来传递动力；另一种是限位接口，用以保证安装牢靠。动力接口和限位接口的连接分别如图7、图8所示。

图7 动力接口连接示意图

图8 限位接口连接示意图

4 结束语

“机械基础”是机械类专业最基础的一门课程，本门课程知识点繁多，公式也较为复杂，需要用教具辅助教学，将相关知识点用教具形象生动地展示给学生。传统的“机械基础”教具种类繁多，笨重不易携带和展示，因此研究将各个传动机构的教具进行模块化处理，需要展示某个运动机构时，将相关的教具模块装配到底座模块上。采用“模块化设计”理论设计的“机械基础”教具具有携带方便、拆卸简单、可重组性等优点。在拆卸和组装过程中，能让学生更加直观地了解各个运动机构的特点和原理，并深刻理解相关知识。