（机械制造及其自动化专业论文）机械产品模块化开发原理、方法及其应用实践.pdf

摘要 作为实现大批量定制生产、敏捷制造的重要一环，产品模块化设计通过对不同模 块的组合实现了以有限资源生产出尽可能多的产品品种。这种设计方法已逐渐成为研 究热点，并被认为是当前工程领域中最优设计的目标之一“1 。然而，产品模块化设计的 理论研究则落后于其应用，尤其是随着市场的不断繁荣发展，模块化的应用范围越来 越为广泛，以及先进设计、制造技术以及信息技术等的快速发展，都对传统模块化的 理论、方法和技术产生了巨大影响。本文的目的即是总结归纳模块化的基本理论，研 究机械产品实施模块化开发的方法和关键技术。 作为标准化的一种高级形式，模块化最终目的是：在多样化需求和多品种、小批 量生产模式下，为社会高效率地提供低成本、高质量的多样化产品或服务。为实现这 一目的，在进行模块化分析和实施的过程中需要一定的理论和方法作指导，系统论理 论、相似理论和重用性理论可归结为实施模块化的基本指导理论。 第三章中讨论了机械产品模块化开发和设计的两种基本模式，提出了基于矩阵的 模块化系统开发表达方法；讨论了实施模块化开发和设计的基本过程。模块化系统的 开发和基于模块化的产品设计是实施、应用模块化技术的两个方面。模块化系统的开 发是基础、前提，它的主要工作包括：确定产品开发范围和产品摹本功能、原理，完 成产品族的设计；进行零部件的标准化、规范化，建立产品和模块的横型，完成进行 模块系统规划和模块的设计。产品模块化设计则是在上述工作基础上，采用配置设计、 变型设计、创新设计等设计方法以及c a d c a e 等工具，根据用户定制需求进行产品和 模块的设计，以达到提高产品快速响应市场、降低成本、提高质量的目的。 本文的后半部一第四、五章是结合数控机床、注塑机等典型机械产品，进一步阐 述模块化实施的一些关键问题。通过这些论述说明了在实施模块化过程中，如何根据 企业和产品情况，将产品的具体结构特点、设计特点与标准化、模块化思想相结合， 实现模块化产品的快速设计、分析与制造。 m a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n ta p p r o a c ht or e a l i z em c a n da m m o d u l a rp r o d u c td e s i g nc a np r o d u c e m o r ev a r i e t yo fp r o d u c t sw i t hl i m i t e dr e s o u r c e sb yc o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tm o d u l e s s u c h m e m o di sv i e w e da sag o a lo fg o o dd e s i g np r a c t i c ei nc u r r e n te n g i n e e r i n g h o w e v e r , m o d u l a r i t yh a sn o tr e c e i v e ds u f f i c i e n t a t t e n t i o nc o m p a r e dt oi t se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h ep o p u l a r i z a t i o n o f m o d u l a r i t y a n dt h e r a p i dp r o g r e s s i nc a xa n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a v ed e e p l yi m p a c tt r a d i t i o n a lm o d u l a r i t yi nt h e o r i e sa n dm e t h o d s t h eg o a lo ft h i s r e p o r t i st o p r e s e n t t h ef u n d a m e n t a lt h e o r y ，a n d k e yt e c h n i q u e s o f m o d u l a r i t yo fm e c h a n i c a lp r o d u c t s a san e wa n dh i g h e rf o r mo fs t a n d a r d i z a t i o n ，t h eu l t i m a t eg o a lo fm o d u l a r i t yi st o r a p i d l yd e l i v e rh i g hq u a l i t yo fc u s t o m i z e dp r o d u c t sa tl o w e rc o s t ，u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo f v a r i o u sc u s t o m e rr e q u i r e m e n t sa n ds m a l lv o l u m ep r o d u c t i o n t or e a l i z et h eg o a l t h e o r yo f s y s t e m s i m i l a r i t ya n dr e u s ea r er e g a r d e da sg u i d e l i n e st ot h ep r o c e s s e so fd e v e l o p m e n ta n d d e s i g no fm o d u l a rp r o d u c t s c h a p t e rt h r e ep r e s e n t st w ot y p e so fm o d u l a r i t yo fm e c h a n i c a lp r o d u c t s ，d e s c r i b e sa m a t r i x - b a s e df o r m u l a t i o no fm o d u l a r i t y t h e p r o c e s so fd e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fm o d u l a r p r o d u c t sa r ei l l u s t r a t e d t h e m a i nt a s k so fm o d u l a rd e v e l o p m e n ta r e p r o d u c tf u n c t i o n a n a l y s i s ，p r o d u c tf a m i l yc o n s t r u c t i o n ，p r o d u c t sa n dm o d u l e si d e n t i f i c a t i o n ，s t a n d a r d i z a t i o n a n dm o d e l i n g t h e n ，m o d u l a rp r o d u c t sd e s i g nc o m b i n e st h e s es t a n d a r d i z e dm o d u l e si n t o c u s t o m i z e dp r o d u c t sb yu s i n gv a r i o u sd e s i g na p p r o a c h e sa n dt o o l s ，s ot h a tt h e g o a l so f s h o r t e rt i m et om a r k e t ，l o w e rc o s ta n d h i g h e rq u a l i t ya r ea c h i e v e d c h a p t e rf o u ra n df i v ea r et h ee x a m p l e so fm o d u l a r i t yo fm e c h a n i c a lp r o d u c t ss u c ha s m a c h i n et o o l sa n dp l a s t i cm a c h i n e s t h e s ee x p e r i e n c e sd e s c r i b eh o wt oi d e n t i f ya n d d e s i g n m o d u l e s ，h o wt oa n a l y z ea n db u i l dm o d u l a rp r o d u c t sf a m i l y , a n dh o wt od e s i g nam o d u l a r p r o d u c t ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r so fm e c h a n i c a lp r o d u c t sa n dd i f f e r e n ts i t u a t i o n o f c o m p a n i e s 第一章概述 为使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位，必须增强产品创新能力、缩短设计 周期、提高用户化程度；同时又要降低成本，保证质量及良好的售后服务，传统的产 品设计方法已无法满足这些要求，定制化的产品将成为未来的市场主要发展趋势。模 块化设计通过产品结构、设计过程的重组，以大规模生产的成本实现了用户化产品的 批量化生产及大规模生产条件下的个性化，使产品在品种与成本、性能之间找到最佳 平衡点。 作为实现大批量定制生产、敏捷制造的重要一环，模块化被认为是当前工程领域 中最优设计的目标之一，并已成为工程产品的主要发展趋势之一口“】。并作为标准化 的新形式，模块化被视为实现产品多样化的主要途径口1 及并行工程、大规模定制等领域 设计实践的基本方法。 1 1 模块化产品概念及其工业应用 功能和结构分析是产品设计的基础。s u h 针对产品功能特点提出功能独立设计公 理，指出“一个最优设计必须保持功能需求的独立性” 6 1 。因此，如果可能，产品所具 有的一个功能与产品所具有的其他功能将互不相关。对产品功能独立性的研究进一步 引申出对产品结构体系及功能一结构相互关系的研究，这也是进行产品模块化设计理 论研究的基础。 1 1 1 产品模块化的概念 模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。产品的模块化设计 是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的 基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品， 以满足市场不同需求的设计方法”】。 u l r i c h 。以为产品模块化与设计过程的两个特点紧密相关：1 ) 设计中功能域与物理 结构域之间的映射或相似程度影响模块化的程度；2 ) 产品物理结构间相互影响程度的 最小化。 这两点指出在产品功能分解树与结构分解树之间建立合理映射并保证结构树组成 元素之间的相互影响最小是模块化设计的基本要求。基于这一观点，u l r i c h 定义了三种 模块化类型：部件互换模块化、部件共享模块化和总线模块化“，这三种方式描述了模 块化产品中模块的基本组合方式。这些不同的模块组合方式，则是形成不同类型产品 系列的基础。 模块是模块化产品的基本组成元素，是一种实体的概念，如把模块定义为一组同 时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特征，但能互换 的单元。一个部件结构成为模块的条件是：部件的功能、空间以及其他接口特征存在 于模块化产品的特定标准接口允许的范围内。 模块化产品设计过程中，通过不同模块的组合和匹配可以产生大量的变型产品 这种不同的组合体使模块化产品模型具有独特的功能、结构和性能特点和层次。因此， 模块化产品是一种重要的柔性策略形式1 ”，即柔性的产品设计使企业可以通过组合现 有模块或新模块，以快速、低成本地生产能够适应市场和技术变化的产品。 1 1 2 模块化本质一产品结构分析与重组 在一定技术条件下开发一定范围的产品已成为当今的主流产品开发模式，而当设计 由一个产品拓展为一组产品时，在一定结构框架基础上进行产品间相似性分析成为必 需。产品结构一般被描述为功能( 或 功能需求) 域、技术( 或模块功能) 域和物理( 或模块) 域及其之阊的 映射关系”】。 产品设计可以认为是选择适当 的设计参数( d p s ) 完成从功能域到 物理域的映射，即f r = a ? d p ，其中 a 为设计矩阵0 1 。 模块化设计在概念设计阶段的 任务可以理解为决定上述设计矩阵 同 g a 。国吣 h l 竺j r 习 回 【一 固 回 l 叫 l 型 图i 1 三个设计领域的映射图 a ，完成从功能需求域到模块功能域的映射，之后在考虑模块尺寸、速度等性能要求的 情况下完成模块功能域到模块域的映射。 这三种域的映射关系如图1 1 ”1 所示，其中模块功能域的功能可分为基本功能b f 、 附加功能a f 、适应性功能a d f 、专用功能c f 和用户定制功能s f 五类，相应地将模块 结构定义为基本模块b m 、附加模块a m 、适应性模块a d m 、专用模块c m 和用户定 制模块s m 。 模块化程度。即在考虑品种、性能、成本条件下，产品的功能或结构如何划分或聚 类，这是产品结构分析的一个重要问题。其中，模块化协调品种与成本之间的关系， 集成化协调性能与成本之间的关系。 因此，需要在模块化和集成化之间的 寻找一个最佳的平衡点，使模块化的 实施取得最佳效益。e r c n s 从设计角度 将产品结构分为稳定和可变部分，对 稳定因素予以集成以改善成本与性能 比，对可变因素进行模块化开发改善 成本与品种矛盾9 】。一般来讲，通用 模块中所占的稳定因紊较多，而专用 模块则是针对产晶结构的可变因素而 设计的。 图1 2 模块系统和产品族的关系 块 产品结构分析的结果是完成模块化产品族的规划。产品族可定义为是一组产品， 它具有相同的内部接口，这些接口在设计的各个领域( 功能域、技术域、物理域) 中 必须为标准接口，以使产品的部件能够完全互换。定情况下，产品族也由一个参数 化数据结构表达，当所有参数被赋予确定的数值时，可以唯一确定一个产品】。 具有标准接口的可互换模块是模块化产品的基本单元，由一系列模块组成的系统 就构成了模块化产品族的基础。模块化将产品划分为模块，系统地使用这些通用模块 2 可以组成多种多样的产品。图1 2 描述的就是模块系统与产品族的关系，其中通过使用 模块族中的不同模块可以组合成所谓的产品系列，即产品族。按照模块性能、结构的 不同及其通用范围，产品族可进一步细化为横系列、纵系列、跨系列和全系列等几类m 。 1 1 3 模块化在工业中的应用 模块化在工业中的应用可以追溯到2 0 世纪三十年代，德国在铣床上采用的所谓积 木式设计。6 0 年代以后，模块化设计在国外机床行业得到普遍推广。如德国s a r m a n n 公司生产的具有横系列和跨系列特点的镗铣床，w e n r n e r 公司生产的模块化t c 5 0 0 、 t c l 0 0 0 加工中心，法国h u r o n 公司生产的模块化铣床等”】。我国在7 0 年代以后，一 些企业也先后进行了模块化设计实践，如北京第一机床厂、武汉重型机床厂、天津第 一机床厂等在不同程度和规模上采用了模块化设计“1 ”l ，并取得了良好的效果。近年 来，随着面向大批量定制，基于敏捷制造的机床企业的兴起，模块化设计的研究和应 用再次成为热点。但机床行业( 也包括其他机械产品) 的模块化设计并不是简单地拼 装模块，机床产品具有的刚度、强度、精度等性能参数约束使其模块、接口的标准化 更为复杂；作为典型的机电液一体化产品，如何从系统角度协调机、电、液等各个子 系统之间的关系，也是机床模块化设计需要研究一个重要问题。 模块化设计在电子设备中也应用广泛，其中在计算机中的应用已经趋于成熟，国 际化行业标准已使计算机模块可以自由互换、匹配。软件业也广泛应用模块化方法， 随着c o r b a 、组件技术的发展，提高了软件模块化程度。 作为汽车大批量定制生产的关键技术，汽车模块化设计正在成为汽车制造业的重 要发展方向。它将进一步推进汽车工业的分工和改组，改变了传统的汽车零部件厂从 属于整车厂的地位，有利于整车厂开发高水平的平台，形成以汽车为主导，以零部件 为基础的新格局。 另外，模块化在飞机、机器人、造船、工业汽轮机、家电等众多行业也得到广泛 应用。不同的行业，虽然具体模块化实施方法和程度不同，取得成果有大有小，但作 为工业界实现标准化、多样化的一种主要途径，模块化的研究和推广势在必行。 1 2 产品模块化设计的研究现状 p a h i “将产品设计过程分为：设计任务定义，建立功能系统结构，寻找原理解和概 念，选择和评价，准备布局设计几个阶段。文献”1 提出开展模块化设计的一般思路：即 市场调查，技术预测，品种规划，科研先行和功能分析；认为模块化设计要依次按三 个层次进行：1 ) 系统分析阶段( 市场分析、产品系列型谱拟定) ；2 ) 模块化产品设计 ( 系统应用阶段) ；3 ) 模块选择、模块综合模块系统设计( 详细设计阶段) 。 这些研究从系统论的角度研究开展模块化设计的一般方法和过程，为针对不同的 产品进行模块化设计提供了一种基本思路。 然而更多学者从产品设计的某一特定角度或阶段研究模块化的实簏方法和技术。 1 2 1 产品模块化方法及模块识别 模块是模块化产品或系统的基本单元。因此模块化的众多理论与方法都是描述在 一定条件下模块的识别方法或模块形成过程。 模块识别( 或模块形成) 是一个复杂、影响因素众多、多目标的综合优化过程。 产品本身、客观制造环境、当前技术水平、市场需求等影响因素以及模块化实施目标 都影响着具体的模块化方法。在这个过程中，相关性分析是模块识别的常用方法，即 通过将产品分解为一组基本组成单元，并对其进行定性或定量的相关性分析与计算， 将这些基本单元重组、聚类形成模块。产品分解的主要途径和方法包括：基于物理结 构的分解、基于功能的分解和基于活动的分解，其中前两者对模块划分的影响较大。 大部分研究也是集中于产品的结构、功能的分解和分析而展开的。 以功能相关分析为主进行模块划分的方法是将产品的总功能分解为一系列子功 能，并按照一定的相关性影响因素进行聚类分析，如文献”“从子功能之间的功能相关、 装配相关、信息相关、空间相关的角度对功能进行分类划分。文献u ”提出一种功能模 型定量化建模方法，将模型中各个子功能与产品中传递的能量流、物流和信号流相关 联，并以客户需求程度为衡量尺度，建立需求、功能数据库，并将功能与需求的关系 定量化，由此作为模块划分与模块发展的主要依据。 结构是功能的载体，功能的聚类最终还要映射为一定结构体。因此，也可以直接针 对结构单元进行相关性分析，这时研究 总功能分解总结椅分解 重点应放在产品结构布局和结构部件的 组成及其之间的联接方式上。如考虑到 产品结构在生命周期( 设计、制造、装 配、回收性、升级等) 过程中的影响因 素，通过相关分析把这些因素关联到结 构单元上，利用算法把结构单元聚集成 模块“1 ”。文献通过在部件、模块、 分系统、系统四个层次上分析产品模块 化的可能性及其相应的接口约束，研究 图1 3 基于聚类分析的模块识别 生产中企业协作关系对于模块化的影响。图i 3 概括了基于相关性分析进行模块划分原 理。 矩阵分析法是相关性分析的常用算法，比较典型的是文献 1 3 1 提出应用m i m 矩阵 ( m o d u l a r - i n d i c a t i o n - m a t r i x ) 算法，在功能分解的基础上，首先从产品的全生命周期 中确定若干可以将子功能定义为单独模块的理由，然后把各子功能依次与各个条件进 行比照，确定其符合的程度，据此确定哪些子功能可分人一个模块内。模糊数学中权 重概念”的引入，为矩阵分析从定性转为定量提供了依据。 另外，文献”从分析机床结构人手提出了分级模块化的概念和设想，并指出了完 善模块化设计理论与方法应研究和壤决的四个原则和问题( 分析原则，标准化原则，结 合原则和适应原则) 。分级模块化认为，在一定级别上的模块，是由属于分级系统中低 一级的模块所组成。据此，分级模块设计系统可以通过低级模块的组合最大限度地满 4 足用户需求，然而随着模块数目的增多，模块的管理成本和接口成本也将大幅上升， 因此，分级模块化在实际运用时将是非常困难的。 1 2 2 模块接口分析和模块组合 模块接口指模块间的结合部分，是模块组合的依据。尤其对于机械产品，如机床 产品，接口部分是直接影响模块化机床性能的关键部位，据统计，整机阻尼的7 0 ， 刚度的6 0 决定于接口，所以对接口本身及其在模块化设计中的相关技术问题进行深 入研究是非常必要的。 模块接口技术的研究主要包括两方面：一是接口本身的设计加工技术，包括接口 的可靠性、可装配性、加工工艺等；二是接口的管理技术，包括标准化、编码、接口 数据库管理、模块组合测试等。 针对接口面的形状与联接型式等许多学者进行了总结归纳”“，并针对机床类产品 总结了大多数情况下的接e l 几何特征图谱。另外，文献”1 提出了一种基于公理设计的 接口设计方法，并用d f m a 软件工具对接口设计方案进行评价和优选。 模块组合是根据设计任务选择出模块并组合产品总体方案。由于满足相应功能要 求的模块可能不止一个，所以可能产生多个模块组合方案，使用有向图o ”可以清楚描 述模块的组合方案。为实现计算机辅助模块组合设计，还需要合理定制模块及接口的 编码【z ”。 模块组合过程也是产品的装配设计过程。如文献”】研究了模块化产品的装配设计 问题，并针对模块化产品的特点提出了装配系统的设计方法；文献2 8 1 研究了分布协同 的网络设计环境下模块的组合方法。 1 2 3 模块编码 模块编码的合理与否对模块选择、模块组合以及企业的生产管理等诸多方面具有 重要的影响。文献“”提出了一种以g t 缩码和力流概念为基础的模块编码系统，解决 了结构相对固定、接口面较为简单的模块化机床产品的结构描述问题。但其编码不能 用于管理和实现模块的计算机辅助组合( c a c ) 。文献【2 2 1 对上述编码进行扩展，增加了 更多有关接口面的信息描述，实现了模块的计算机辅助组合。但该编码缺乏对模块功 能与结构参数的描述，无法用于针对设计要求的模块自动选择。文献m 1 针对这一问题， 在文献口“编码的基础上增加了非定长的模块参数码，用于描述模块本身的性能特征。 文献1 在武汉重型机床厂的模块化设计中，注意到了模块编码的管理功能。文献提 出了面向大规模定制的编码系统，由分类码、识别码和试图码组成。其中分类码可根 据德国工业标准d i n 4 0 0 0 规定定制；识别码为计算机产生的对象唯一d 号；视图码为 面向图形进行表示的编码。 1 2 4 模块优化与评价 系统级的优化是对产品体系结构的优化，可使模块化实施得到最佳整体效益。模 块级的优化则保证组成模块、接口及产品结构的最优性。文献脚1 提出从属性、模块、 5 系统三层研究模块化产品族优化问题，并讨n t 优g n n n 类型、目标，指出与单个 产品优化不同，产品族优化要考虑并平衡模块和产品生产过程中的各种因素建立系 统成本结构，以系统运行总成本作为优化的目标。 通用性是用来评价产品模块化一般手段，它描述一个产品族中共享模块或部件通 用程度的标准。通用程度可以从两个方面获得口7 l ：第一，生产所有变型产品所需的所 有部件生产线上的所有部件，此时最坏的情况此值为1 ，即所有变型产品需要不同的 部件；第二，产品变型数，所有部件数，此值越高说明通用程度越高。 1 3 研究热点与发展趋势 随着信息技术、先进制造技术等的不断发展，给产品模块化设计理论和实践应用 研究提出了更多新的课题，融合、利用其他现代设计方法、制造和管理技术成为现代 模块化设计的特点。 1 3 1 知识管理与c a x 集成设计 产品结构、设计过程的模块化重组需要建立新的模型以管理产品知识和信息。为 完全确定和标准化模块及其接口，需要描述模块以及其间相互关系的知识。模块化设 计中的知识管理包括：产品、模块和接口的数据表达和组织方法及其数据搜索策略( 尤 其在分布式系统中) ，知识管理对于实现知识重用和提高模块化设计效率具有重要作 用。 集成化设计是当今设计的一个热点。模块及其组合产品的设计、分析、制造等过 程间的信息共享与交流，影响着模块设计、选择与组合的质量和速度。以模块为核心， 研究模块化产品的c a x 集成技术正成为现代模块化设计是一个新方向，如文献 32 3 3 1 针 对大型机械产品提出基于知识和参数化、变量化集成构建柔性模块的模块化设计方法。 此外，p d m 技术的发展为模块化产品的知识管理和c a x 集成提供了一种有效的工具。 1 3 2 基于模块化的产品协同研发 随着w w w 技术的快速发展，基于i n t e r n e t 的协同设计技术成为可能。模块化产品 的分布式协同设计为快速响应市场提供了一种更为有效的途径。分布式环境下，模块 设计、管理与使用可不受地域、时间的限制，使模块的共享性、通用性得到了进一步 发挥( 2 9 】。 关于协同设计的概念、结构、特点及其实施环境等，国内外学者已进行了较为广 泛的研究8 ”1 。但对于模块化产品的协同设计则处于起步阶段，其主要问题在于：不 同供应商提供可能几何分离、或在不同平台上设计的模块，如何在此模块基础上进行 设计以满足不同客户的需求。 1 3 3 模块化设计对现代设计、先进制造技术和制造系统的影响 模块化设计与制造系统的关系也是近年来的研究热点。以模块化作为主要支撑技 术的可重组柔性生产线、模块化制造系统、可重组制造系统等成为现代制造系统的发 6 展趋势。制造系统的模块化、可重组有效解决了生产率与柔性的矛盾，并缩短制造系 统重组所需的周期迅速达到规定的产量和质量，使得充分利用已有的资源t 减少重组 制造系统所需的费用成为可能”“o 将模块化制造系统与虚拟制造相结合，在虚拟环境下构造制造系统，产品、制造 装备及制造系统的设计均采用模块化方法，使产品和制造系统有机地统一起来，这种 最优集成系统的研究将是今后的一个研究重点。 i快速设计 产品快速设计是近年来出现的一种新的哲理，与计算机集成( c i m ) ，精良工程 ( l p ) 并行工程( c e ) 和敏捷制造( a m ) 相比，产品快速设计的主要目的是缩短产 品的设计开发周期，提高产品设计开发质量，以及提高企业对市场的快速响应能力， 与c i m 、l p 等不同，产品快速设计并没有将其解决问题的范围扩大到企业的整个生产 领域，而只是将重点放在缩短产品的设计开发周期，尤其是总体方案设计阶段，以提 高设计开发质量及市场的快速响应能力。 目前我国机械产品快速设计的研究还处于起步阶段，多数研究只是在原有 c a d c a m 与仿宾技术基础上的改进与扩展。从目前的研究看，模块亿设计是实现快速 设计的基础使能技术与理想途径。 2 大规模定制 大规模定制是企业采用技术和管理手段实现对每个顾客的个性化定制，而成本和 时间同大批量生产产品相一致的一种生产模式。其面临的最大挑战是速度和成本。早 在1 9 7 0 年，a l v i nt o f i l e r i ”1 在其所著的f u t u r es h o c k 一书中就曾经设想过大规模定 制生产；1 9 8 7 年，s t a a d a v i s t ”i 在其所著的f u t u r e p e r f e c t ) 一书中也曾对大规模定制 进行过简要的说明；1 9 9 3 年，d a v i dm a n d e r s o n 口4 1 在其著述m a s sc u s t o m i z a t i o n ：t h e n e w f r o n t i e r i n b u s i n e s s c o m p e t i t i o n ) 中对大规模定制的内容进行了完整的描述。1 9 9 6 年，m i t c h e l lm 口5 1 对大规模定制设计的概念进行了论述：采用并行流程围绕产品族进 行设计，以有效地满足客户需求。这种方法的目标是在产品设计的早期阶段进行整体 概念设计的同时，考虑范围经济性和批量经济性；其核心是尽可能减少产品的内部多 样化，增加产品的外部多样化。州；其重点为建立合理的产品族，同时完成一组产品的 设计。 大规模定制是市场竞争的必然产物，目前国内外已有许多企业对其进行了成功的 实践。 从有关大规模定制设计的论述可以看出，模块化设计是实现大规模定制的基础技 术。采用模块化设计，可以大批量生产的成本实现产品的多品种、小批量个性化生产。 对于机械产品而言，模块化设计是实现大规模定制的前提和条件。 3 虚拟设计与虚拟制造技术 近年来，随着计算机技术、仿真技术、虚拟现实技术的不断发展和市场竞争的日 益激烈，虚拟制造与虚拟设计逐渐成为研究的热点。 虚拟制造是以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品的实际 加工之前对产品的性能、产品的可制造性进行评价，同时对产品的生产全过程进行仿 真，以达到产品生产的最优目标”。 7 从虚拟制造和虚拟设计的体系和关键技术看，它是现有c a d 技术、仿真技术和并 行设计理论等的综合和发展，可以认为是这些技术的集大成者，然而，从目前来看， 实际投入应用的完全意义上的虚拟制造系统并不多见，当仍处发展阶段。 虚拟设计技术与模块化设计技术的融合，产生了一个全新的设计理论和方法体系： 虚拟模块化设计。虚拟设计的引入，使模块化设计的全过程均在计算机上完成，从而 彻底改变了传统模块化设计手工操作，工作量大，效率低的缺陷。同时，基于模块化 设计的虚拟设计与虚拟制造系统的构造更为容易，由于模块化设计通用化、系列化、 标准化的特性，使虚拟产品模型的构造及其数据管理更为规范和简单，使虚拟设计系 统开发的考虑因素大为减少。 1 4 本文论述的内容及重点 本文旨在回顾、分析国内外产品模块化开发研究现状基础上，结合本人既往研究 工作经验，针对机械产品结构及其需求、设计、制造、性能等特点，总结了开展模块 化开发的一般理论、过程；并以数控机床、液压机和注塑机等产品为例，重点论述了 机械产品在模块化实施过程中需要注意的一些关键设计与分析技术。 通过以上基本原理、方法的总结，以及对典型产品关键设计与分析技术的论述， 希望能对该类型产品实施模块化以及大规模定制开发有所帮助。 功能、尺寸、性能约束是机械产品开发与设计中需要保证基本约束要求。机械产 品模块化开发与设计的重点是在功能、结构分析基础上，进行产品系统重组和设计。 重组的目的是：尽量实现产品、零部件结构的标准化，以减少产品系统的内部多样化； 重组的指导前提是：必须保证零部件结构尺寸约束和性能约束之间的协调性，以使重 组的产品系统能够最大限度地满足更多客户的需求。因此，本文将重点论述机械产品 模块化开发过程中的进行产品功能、结构尺寸、性能等约束关系分析的方法和关键技 术。 本文由于研究时间和研究重点、范围有限，文中讨论对象主要指机电产品( 或机 械产品) 的机械结构系统。机、电及其它系统的集成化模块系统开发的理论和方法， 将是今后的研究方向。 第二章机械产品模块化开发基本理论 虽然模块化概念由来已久，其道理浅显易懂，但随着市场需求的驱动大规模定 制、敏捷制造等先进制造技术的发展，关于模块化设计的理论基础和实施方法的研究 及其应用也随之发展；同时，实施和实现模块化的方法和手段也随着研究对象不同而 各有不同；因此，有必要在分析、归纳各种类型产品模块化研究和实施的经验、成果 基础上，总结实施模块化开发的基本经验、规律，以便指导更多产品更好地实施模块 化技术。为此，本章针对机械产品的特点，对产品模块化开发与实施的基本原理、方 法和过程分别进行了详细讨论。 2 1 机械产品模块化开发原理 2 1 1 模块化产品的可分性与可变性 作为一种哲理、思想和方法，模块化的主要目标是提高事物的多样化”】，对于产品 而言，这种多样化可具体为减少产品的内部多样化、增加产品外部多样化口_ 3 6 1 3 8 】。然而， 不同产晶的特点、类型千差万别，这对实施大规模定制和模块化的开发模式、具体技 术也又不同要求，因此有必要对产品基本特征进行分析，归纳。产品实施模块化一般 与以下两种产品的基本特征密切相关： 1 可分性：产品的可分性分为两种，内部可分性和外部可分性。外部可分性是一 个产品由模块化的零部件组成的程度，即模块化的层次；内部可分性指的是整个产品 任务可以被分解为可与特定价值链关联的独立活动的程度。例如，一个空调产品的外 部和内部可分性都很高，它由标准的模块制造，并且这些模块的制造活动几乎可以在 价值链中的不同部分独立执行。对产品这种可分性程度和分解方法的研究是进行模块 划分的主要依据。 2 可变性：可变性也可分为两种。对于产品具有的满足客户需求的属性，外部可 变性指的是这些属性自身可以被定制化的程度，如计算机的外部可变性包含硬盘和内 存的速度和容量等参数约束；而内部可变性指的是产品可以被定制以获得该属性的不 同子集的程度，如计算机支持网络和多媒体软件的能力可认为是它的内部可变性。可 变性是分析与实现产品、模块多样化的基础。 产品可分性和可变性程度是模块化实旄过程中如模块的功能、结构分析分解以及 模块化系统的构建与实施方法的基础。 2 1 2 模块化实施的基本原理”。“” 作为一种新的方法论，模块化系统的分析、建立与实旌需要一定的理论为指导。 系统论理论、相似理论和重用性理论可归结为实施模块化的基本理论。 1 系统论原理的运用 任何模块化的事或物都是一个系统，展开模块化工作，只有善于运用系统论的原 理才能取得良好的系统效果。 整体性是系统的最基本属性。把系统作为有机整体看待，构成系统的各个要素虽 o 具有不同的性能，但它们都是由逻辑统一性的要求构成整体。 系统内各单元是互相联系、互相作用、有机结合的，系统与环境、系统与系统之 间也存在相互联系和相互作用。在模块化系统中这种相关性体现为系统中的链状的 接口系统，如模块之间的机械接口、电气接口、机电接口、各种物理量与电重的接口、 信息接口等。只有充分考虑各接口间的协调和匹配性，才能保证系统整体的良好质量 及可靠性。运用结构分析法，对模块化系统内各单元之间既有的关系，空间排列顺序 及组合的具体型式以及结构与功能的关系、功能间的联系进行分析和考虑。 另外，由于模块化系统具有的结构层次性特点，且模块化系统并非建立后一成不 变，而会随着技术和时间的发展而不断吸收新技术、新模块。因此，层次性原理与层 次分析法动态性原理和动态思维法的合理运用也是开展模块化的重要分析原理和手 段。 2 相似性原理 分析和识别大量不同产品和过程中的相似性，挖掘存在于产品和过程中的几何相 似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性，利用标准化、系列化方法，减少产品 内部的多样化，提高零部件和生产过程的可重用性。 产品和过程中的相似性由各种不同的型式，例如零件之间的几何相似性，产品结 构之间的结构相似性，部件、产品之间的功能相似性等等，这些不同类型的相似性的 归纳将构成模块化系统的基础。 3 重用性、标准化原理 在模块化、定制化产品和服务中存在着大量可重复使用和重新组合使用的单元。 通过采用标准化、系列化、通用化的方法，充分挖掘和利用这些单元，将定制产品的 生产问题通过产品重组和过程重组，全部或部分转化为批量生产问题，从而以较低的 成本、较高的质量和较快的速度生产出个性化产品。 标准化是实施模块化的基础和目标之一。模块化也是标准化的一种新形式，它是 标准化原理中简化、统一化、系列化、通用化、组合化、模数化等理论的综合运用， 是标准化的高级形式。 模块化侧重于部件级标准化，进而达到产品系统的多样化。通过对某一类产品系 统的分析研究，将其中含有相同或相似的功能单元分解出来用标准化原理进行统一和 归并、简化，以通用单元的形式独立存在，然后用不同的模块的组合来构成多种新产 品。这种分解和组合睁全过程就是模块化 2 1 3 基本概念与定义 随着大规模定制、敏捷制造技术研究和应用的深入和推广，及计算机、信息技术、 c a x 等多学科技术的发展与融合，模块化技术的概念也在不断发展和拓宽。为论述方 便，本文在第一章有关模块化概念综述基础之上，对机械产品的模块化概念定义如下： 定义2 1 功能需求集f r s 是市场和客户对模块化产品基本功毹要求的集合，可以 功能树表达。 产品功能需求分析是实施产品模块化设计的依据，为进一步创建合理的模块系统， 必须针对性地【趺集、分析市场需求对全部产品集的基本功能要求。功能需求分析包括 功能定义，功能分解和功能归类等。 定义2 2 功能单元：功能单元五描述的是模块的功能，它是在对产品功能树进行 1 0 相关性分析基础上，进行功能划分的结果，其集合表示为f 。 定义2 3 功箭模块：产品族中对应于功能单元正的产品组成元素，称为功能模块 肺其集合表示为f m 。 定义2 4 结构模块：结构模块t t l 为实现功能模块之功能的具体结构载体，结构模 块一般由部件或子结构模块组成，其集合表示为m 。 结构模块可以表达为： “= ，( 孙刀 d ( 2 1 ) 其中g ，为模块结构参数，描述该模块的结构几何参数约束，p l 描述载荷、应力、 应变等工程约束；k 描述结构的材料等特性参数。而结构参数加又是p ，物理参数的函 数，即 g ，= f 妇 d ( 2 2 ) 定义2 5 模块接口：描述的结构模块组合时相互间几何、物理关系的结合面成为 模块接口。模块接口是模块可组合的依据。模块接口的标准化决定着模块的通用化程 度。 定义2 6 基型模块：基型模块指设计中通用性强、结构完整的典型结构模块。由 基型模块组成的模块化产品称为基型模块化产品。 定义2 7 变型模块：变型模块指在基型模块基础上，针对特定的功能需求改变模 块某些结构参数而派生出的模块。 变型模块化产品指的是在基型模块化产品基础上通过替换、增减某些功能模块而 组成的模块化产品。 定义2 8 模块化产品族：基型和变形模块化产品可表示为p i = m i 】；模块化产品族 是模块化产品的集合fp f ) 。根据组成结构模块系列不同，产品族有横系列、纵系列、跨 系列产品族等几种形式。 定义2 9 横系列模块化：指在同一规格的基础上在变型产品范围内进行模块化设 计，即在基型产品的基础上，通过变更、增加或减少某些特定模块而形成变型产品。 它的特点是不改变基型产品的主要参数如动力参数等。变型产品中的变化主要体现在 某些功能、结构、布局、控制系统或操纵方式等方面，横系列模块化是模块化设计中 最易实现的一种。 定义2 1 0 纵系列模块化：在同一类型中对不同规格的基型产品进行模块化设计。 规格不同主要体现为主参数不同，而主参数不同的产品动力参数往往不同，从而导致 结构型式或尺寸的不同。由于要考虑分段及性能冗余问题，纵系列模块化比横系列模 块化设计的难度要大得多。 定义2 1 1 跨系列与全系列模块化：在横系列模块化的基础上兼顾纵系列或在纵系 列模块化的基础上兼顾横系列，形成既有横系列又有纵系列的模块化设计方法称为跨 系列模块化，当跨系列模块化覆盖了整个该类产品时，就称为全系列模块化设计，全 系列模块化实际上就是在一类产品的全部横系列和纵系列范围内进行模块化设计，这 是一种更为复杂的模块化设计方法。 定义2 1 2 跨类模块化：指将总体结构相差不大的不同类产品统一规划进行模块化 设计的方法，一般是在基础件结构上选用不同模块构成跨类产品；或在基础件结构不 同的跨类产品上，对具有同一功能的单元，选用相同的模块。例如坐标镗床、坐标测 量机、坐标磨床、坐标电火花成形机床具有基本相同的结构，在合理设计基础件模块 的机床上，只需更换主轴箱与部分控制模块，便可形成跨类的模块化产品。 2 1 4 模块基本特点及其形成机理 模块是模块化设计和制造的功能单元，必须能够满足需求的多样化以及便于制造 和管理。因此，模块应具备下列特征： i 模块应具有相对独立性。包括： 相对独立的功能。模块的功能是产品总功能的一个组成部分，功能独立的模块组 合产品时，不会出现功能冗余，灵活性大，适应性强。在产品品种发展中变动的可能 性小，可在不同系列产品中使用。可以单独进行试验、验证、调试、制造、储备，并 可作为独立的商品流通于市场。 相对独立的结构。一个模块虽然要同别的模块相联接，但它在结构上并非必须作 为某个模块的附属装置才能完成自己的特定功能。只要模块的接口标准化，就很容易 更换模块而组合成多种变型产品。 2 模块应对市场需求变化具有快速应变能力。为此模块应： 具有通用性。在条件允许的范围内尽可能选用性能参数的上限值，以适应多种产 品的需要，扩大通用化范围。 具有互换性。为此，模块配合部位的结构形状和尺寸必须标准化。 图2 i 描述了模块化设计的基本原理，其中心问题可以视为解决功能与模块之间的 关系问题。模块化产品是由模块组合而成的，模块是构成产品的基本要素。下面模块 与功能之间的关系问题讨论模块的行程机理。 我们将整个设计域分为功箭域、模块功能域和模块结构域，定义模块结构域上的模 块子集h 撤2 。，t i ，m 。 当作集合a ，模块功能域上的功能模块子集 t 帆，加1 2 ，魂，加j 当作集合b ，功能域上的功能子集饥，2 ，z ，六) 当作集 合c ，则模块的形成是从功能域上特定功能在结构域上映射的结果，其设计域的映射过 程为c b a 。针对不 同的研究对象和研究目 标，由c b a 的映射 过程将会采用不同的方 法和手段及侧重点。模块 化设计的实质是用功能 相对简单的模块组成实 现复杂功能的产品。 h 模块l i l 模块化产品 | 一模块n 一 图2 1 模块化设计原理示意 2 2 机械产品模