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1、天津大学硕士研究生课程 机械产品模块化设计 Modular Design of Mechanical Products 天津大学机械工程学院 1 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 机械产品模块化设计 主讲：张冠伟 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 主要参考文献 1童时中，模块化原理、设计方法及应用，北京：中国标准出版社，2000 2李春田，模块化标准化的高级形式标准化形式的与时俱进，中国 标准化，2007.3 3童时中，模块化设
2、计系列培训资料，2009 4 CHUN-CHE HUANG. Overview of Modular Product Development. Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A). Vol. 24, No. 3, 2000. pp. 149-165 5 P Gu, D Xue, and A Y C Nee. Adaptable design: concepts, methods, and applications. Proc. IMechE 2009. Vol. 223 Part B: J. Engineering Manufacture. pp. 1367-1387
3、 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University PART 1 模块化设计概述 Introduction of Modular Design 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 模块化的发展 北宋时代的毕昇早在公元10411048 年间发明的活字印刷术，成 功地运用了标准件、互换性、通用件、分解与组合、重复利用等方法和 原则，来解决雕版印刷所遇到的复杂性难题，可以说是人类社会较早出 现的模块化杰作。 经典模块化经典模块化系统分解和组合理论指导下
4、的模块化设计 20世纪初，建筑业出现可以自由组合的建筑单元； 1920年，德国等设计出模块化的铣床和车床；随后，机床设计普 遍采用了模块化模式。 1923年为解决成套电子设备结构的通用互换问题，美国制定了机 箱面板和机架尺寸系列标准，后升级为IEC标准，沿用至今。 1950年代，欧美提出模块化设计概念，扩展应用到军用装备、舰 船等设计。例如，1956年美国推出的机载模块化电子设备的ATR系列， 后为世界各国所采用，并扩展应用与坦克等系统。 现代模块化现代模块化 1964年IBM360电脑的设计革命，是计算机的第一个模块化产品线， 标志着现代模块化的诞生，它导致硅谷计算机产业群的兴起。 现代模块
5、化传统模块化设计规则。 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 模块 模块 模块是模块化的基础 模块通常是由元件和零部件组合而成的、具有独立功能 的、可成系列单独制造的标准化单元，通过不同形式的 接口与其他单元组成产品，且可分、可合、可互换。 模块是构成系统的，具有特定功能，可兼容、互换的独 立单元。 模块的基本特征 模块是系统的构成要素 模块具有特定的、相对独立的功能 模块的互换性和可兼容性是模块化操作或模块运筹组合 的条件 2013, School of Mechanical Engineering, Tianj
6、in University 模块的种类 功能模块 功能模块是依据价值工程的功能分析方法，对模块化产品的功能进 行分析的基础上确立的模块类型。每种模块都成为相应功能的载体， 所有模块的集合便是能够满足全部功能要求的产品。按照这样的原 则建立的功能模块，不仅具有相对独立的功能，并具有功能互换性。 功能模块是该类型模块的总称，通常包括： 基本模块、辅助模块、专用模块、附加模块、扩充模块 结构模块 由于产品或系统的结构和功能具有层次性，与其相对应的模块也有 层次性，即高层模块由低一层次的模块组合而成，最底层的模块则 是由零件或元件组成。 按模块的通用化程度还可将模块分成通用模块和非通用模块（专用 模块
7、、特别模块）。 按其在系列化过程中所处的地位和所起的作用，将某些模块分为基 型模块和派生、变型模块。 按模块在产品中的重要程度把构成产品的模块分为主体模块和非主 体模块（辅助模块、附加模块）等。 2 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 模块化的概念 模块化概念 模块化是人们所熟悉的、与工作生活密不可分的、并每天必用的一 种思维模式。 汉语汉字：有独立含意的语音或字（模块），用语法（接口）组合 成语言或文件（产品） 活字印刷：活字（模块），排版（接口）出印刷品（产品）。 乐曲：音阶和音符（模块），按乐理（接口）谱成
8、乐曲（产品）。 中医中药：中药（模块），按药理、病理、生理（接口），按病情 （个性化）开处方(产品)。 模块化思维的特点和规律：产品模块接口 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 企业技术环境面临的挑战 企业竞争要素设计技术企业竞争要素设计技术 质量可靠性设计 速度 质量可靠性设计 速度CAD 成本可制造性设计 市场：个性化需求 成本可制造性设计 市场：个性化需求模块化设计模块化设计 维修性（售后服务）维修性设计 使用性人机工程设计 艺术性工业（造型）设计 维修性（售后服务）维修性设计 使用性人机工程设计 艺术性工
9、业（造型）设计 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 大规模定制与模块化 大规模定制（MC，Mass Customization）21世纪企业 竞争前沿 目标：大规模定制是以大规模生产的速度和成本，满足用户的多 样化、个性化需求。 特点：在产品多样化和定制化的同时，不相应地增加成本。其基 本原理如图所示。 目标： 速度快目标： 速度快.成本低 满足多样化成本低 满足多样化.个性化需求个性化需求 制造手段：大规模生产 定制 大规模定制制造手段：大规模生产 定制 大规模定制 产品组成：通用模块 柔性组装 个性化产品产品
10、组成：通用模块 柔性组装 个性化产品 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 大规模定制与模块化 适应MC的设计技术 要求：建立合理的产品族结构，同时完成一组产品（而不是一个）的设 计，通过扩大产品族中模块、标准件的比例来提高定制的速度，并降低 成本。 设计的瓶颈： 面向产品族，面向多用户的个性化需求。 需在产品设计早期进行整体概念设计，建立模块化的、由生命力 的产品体系模型。 模块化企业 按模块化原则组织设计团队：总体设计；模块设计；产品设计。 按模块化原则构建企业技术平台。 按模块化原则改造生产体系（生产线设置，
11、模块“外包”）。 面向模块化的组织改造（内部组织及流程的再设计）。 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 模块化的基本模式 模块化思维的基本模式：系统模块接口。 模块化哲理： 以不变或少变(模块体系)应万变(多样化需求)。 模块化思想： 通用化(模块)组合化(装配)。 模块化的方法论基础： 系统工程方法（系统的分解和组合）标准化方法（规范化、通用 化、系列化）。 模块化产品构成模式： 由（通用改型专用）模块的组合，构成产品族。 模块化效益原理：创新(市场占有率)继承性(生产率）。 模块化产品生产模式： 大规模生产（
12、模块）个性化定制组装（产品）。 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 模块化过程 机械产品模块化设计的一般步骤 需求分析 模块化策划 模块划分 功能单元分解化原则 功能单元独立化原则 部件模块化原则 组件模块化原则 基础件模块化原则 模块的创建 设计一组能满足产品基型设计和变 型设计的模块系列，又称作“模块 系列设计”。 模块的组合 利用创建的模块组合产品的过程 模块化产品的制造与装配 3 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 需求分析
13、 全部需求归类：将来自用户、企业基线和标准、法规的需 求，经归并统一，分别按功能归类。 功能性需求分析。 经济性需求分析。 全部需求整理列表：作为概要设计和详细设计评审的依据。 需求转化为产品结构的步骤 功能分析（需求功能）：将功能按层次逐级展开，建立功 能树。 产品系统总体设计 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 功能分析步骤 将各项功能需求（包括载体需求、防护需求、使用性 需求）按产品结构特点逐级分解成要素。并将细分的需求 列为“需求分解表”。 功能需求要素分类：将细分后的功能要素，分列为“ 构造性需求”和“
14、约束下需求”。并且列为“需求分配表 ”，用以指导设计（架构设计，详细设计）。 功能树 将涉及构造的功能逐层展开，展示系统构成的概貌。 产品系统总体设计 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 产品架构设计产品架构设计（功能架构）：功能向实体结构的转化 系统分解 根据需求、经验和技术趋势，提出初步结构描述和布局。 结构分解与功能分析应按层次同步进行，并相互呼应。例 如，户外电子设备的突出问题是环境适应性，可基本定格 为密闭机柜。 以结构分解为主：就电子产品而言，功能分析不能解决结 构形式和布局问题，只有把功能融入相应构
15、件，才能构成 产品实体。 产品系统总体设计 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 功能转化为功能构件（包括部件） 考虑能实现功能的结构件模型，并一一与之对应。一个 功能构件有可能实现多个功能。 功能向实体结构转化宜逐层依次进行，以使功能逐步融 入预期的结构模式。 功能构件的组合 零部件之间依赖（接口）关系分析：将功能关系密切的 构件适当组合成部件。 将体积小的构件纳入体积较大的构件中。 产品系统总体设计 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin Universi
16、ty 模块化的目的和对象模块化的目的和对象 目的：满足多样化的需求和适应激烈市场竞争，在多品种、 小批量的生产方式下，实现最佳效益和质量。 任务和对象： 优化产品族（系统）的构成模式，以最少的要素组合， 构成最多的产品品种。 对象：构成系统或产品族的典型的、成熟的、可通用（ 重用、复用）的要素。包括：子系统、组件、部件、器件 、典型电路、逻辑组件、软件程序、计算方法、文件格式 （模板）、接口等等。 目标：建立模块系统和模块化的对象（产品族）系统。 模块化概念及其价值 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University 模块化设计方法模块化设计方法：下面两种方法实质是一样的。 系统分解组合法系统分解组合法：通过对产品族的分析，
