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1、先进制造系统,21世纪工业工程专业规划教材,先进制造系统 Advanced Manufacturing System 华北电力大学 戴庆辉 主编 机械工业出版社,先进制造系统,21世纪工业工程专业规划教材,先 进 制 造 系 统 主 编 戴庆辉 副主编 张新敏 王卫平 参 编 张文建 杜必强 周宏明 胡开顺 叶 锋 慈铁军 付培红 主 审 张根保,先进制造系统,第 1 章 先进制造系统总论 第 2 章 先进制造系统基本原理 第 3 章 先进制造模式 第 4 章 先进设计技术 第 5 章 先进制造装备及技术 第 6 章 先进制造工艺技术 第 7 章 绿色设计与制造 第 8 章 典型产品的制造系统
2、 第 9 章 制造系统展望,第 4 章 先进设计技术,4.1 先进设计技术的定义、内容与特点 4.2 计算机辅助X（CAX） 4.3 面向X的设计（DFX） 4.4 模块化设计（MD） 4.5 产品数据管理（PDM）,4.4 模块化设计（MD）,4.4.1 MD的定义、特点及发展 4.4.2 产品构成及模块划分 4.4.3 MD的一般步骤 4.4.4 案例：发动机MD与仪表车床MD,MD的定义 MD的特点 MD的发展,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD的定义,模块化设计（Modular Design，MD）是指在功能分析的基础上，对一定范围内的不同功能或相同功能而不同性能、不同规格的产品
3、划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD的定义,另一种更为先进的设计方法是产品的计算机辅助模块化设计。这种方法基于功能分析，进而对整个产品系列自顶向下规划或设计出若干组符合规定的功能模块，再依据顾客具体要求，通过功能模块的选择和综合，快速设计出新产品，以便解决生产中顾客需求个性化和单件小批生产中批量化的问题。,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD的特点,MD的主要特点包括： 同一功能的单元不是一种单一部件，而是若干可互换的模块，从而使所设计的产品在结构上和性能上更加协调合理。 同一功能的模块可在
4、基型、变型、甚至跨系列和跨类型的产品中使用，从而具有较大范围内的通用性。 尽量将功能单元设计成较小型的标准模块，并使其与那些直接相关模块之间的连接形式、结构要素一致，或使其标准化，便于装配和互换。 MD的这些特点使得其较经济地应用于多品种小批量生产。,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD的优点,MD的优点在于： 缩短产品开发周期，快速响应市场变化，有利于产品维修、升级和再利用，方便工厂和产品的重组，相对延长产品的生命周期等，因而得到制造业和学术界的广泛重视。,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD的特点,MD与传统设计的主要区别在于： MD面向产品系统，而传统设计面向某一个专项任务（包括
5、某一具体产品或某一个工程）。 MD是标准化设计，而传统设计总体上表现为专用性的特定设计。 MD的程序是自上而下，而传统设计的程序则是由下而上或由细到粗。,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD与传统设计的主要区别在于： MD是组合化设计，而传统设计主要是整体式设计。 MD有二个对象，既可以是产品，也可以是模块。传统设计的对象是产品。 传统设计只需要凭扎实的专业知识和一定的设计经验就可设计出较好的产品，而MD除此以外还需要一定的新理论支撑。,MD的特点,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD的发展,MD的形成与发展是基于社会生产发展要求和传统设计基础的。MD的研究始于20世纪50年代末。进入
6、80年代后，CAD技术和成组技术的发展推动着MD的进一步发展。 为了适应新的市场竞争环境，企业越来越多地采用MD技术。MD技术的核心是以少变应对多变，以产品内部的标准化应对外部的个性化和多样化，用少量模块组合成尽可能多的品种，优质、高效、最大限度地满足不同顾客的需求。,4.4.1 MD的定义、特点及发展,MD的发展趋势是与模块化制造的有机结合。模块化制造意指将不同产品的相同模块集中在某一个或几个专业化企业生产，这样可以形成单件小批量生产环境中的规模经济，以大批量的效益进行单件小批量的生产。MD与模块化制造相结合的优越性在于：从产品生命周期看，这种结合能使产品真正实现大量定制生产；从生产模式看，
7、这种结合能降低产品成本和缩短生产周期。,MD的发展,4.4.1 MD的定义、特点及发展,近年来，传统的大量生产模式加速向MD和模块化制造方向转变。 从产品的模块化结构看，机械、电子和软件的分立模块在向机电一体化模块方向转变。从模块化技术看，MD与CAD技术更加紧密结合。从设计方法看，MD不仅用于产品的变型设计，也越来越多地用于支持产品的创新设计。因为创新设计并不意味着产品中所有零部件都是新的，需要充分利用现有资源，设法缩短设计周期，降低产品成本。,MD的发展,4.4.1 MD的定义、特点及发展,产品构成 产品模块划分,4.4.2 产品构成及模块划分,产品构成,产品意指企业向市场或顾客提供的成品
8、或附件。任何产品都是由若干部件组成。部件又可分解为组件（或分部件）。组件最后可分解为零件或分件。其中，部件是经过装配而成的具有一定功能的零件集合体，或者零件与合成件的集合体，或者分部件的集合体。组件是适应MD要求而形成的零件集合体，或合成件集合体，或零件与合成件的集合体。零件是指不经过装配工序而制成的单一成品。分件是构成合成件的零件。合成件指在加工过程中采用焊接、粘合、铆接、冷缩配合、热压配合、金属浇注、塑料压注、机械紧固等方法形成的零件集合体。,4.4.2 产品构成及模块划分,MD中，必须首先将产品划分成若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。模块划分的合理性直接影响到模块化产品的性能、外观
9、、模块的通用化程度和产品成本。 关于产品的模块划分，可以从任意层次上划分，形成该级别的模块。模块的层次和级别越低，模块越简单，通用化程度越容易提高，但产品制造和装配的管理越复杂。通常多以部件或分部件为模块，具体是：对系列化程度较高的产品，应以分部件为模块，以便扩大模块的通用化范围；对非系列化或系列化程度较低的产品，应以部件为模块，或采用混合方式（即部分采用部件为模块，而部分采用分部件为模块）。,产品构成,4.4.2 产品构成及模块划分,产品模块划分,划分模块的原则是： 划分产品族 根据拟设计的产品族和相应的定制方法，划分构成产品的模块，使通过不同模块进行配置、组合变型得到产品族成为可能； 设计
10、和制造中的重复性 只有模块具有一定数量的重用性时，划分出的模块才具有普遍性，才能获得低成本。 划分粒度的确定 模块划分的粒度太大不利于进行组合变形，不能很好的发挥MD的优点，而粒度太小不利于进行产品配置，并带来工作量的增加。,4.4.2 产品构成及模块划分,考虑产品全生命周期 模块划分时不能只考虑产品设计阶段的成本，而应该考虑到产品的制造、销售、维护等阶段的经济性和便利性。 从功能分析角度，可将产品分解为若干单元，将这些单元称为功能模块。由功能模块组成的系统来实现产品的总功能。 普通车床作为一种产品，其功能模块的划分如图4-29所示。,产品模块划分,4.4.2 产品构成及模块划分,产品模块划分
11、,4.4.2 产品构成及模块划分,市场调查与分析 周密的总体规划 合理确定产品系列型谱 产品参数范围分析与主参数的确定,4.4.3 MD的一般步骤,市场调查与分析,市场需求是产品MD与生产的基本依据和导向，不了解市场需求情况下就盲目地作产品规划、设计和生产，必然导致产品结构或性能与顾客要求脱节，造成某些规格或性能的产品断档或积压，降低产品的市场竞争力和生命力。,4.4.3 MD的一般步骤,周密的总体规划,产品MD的总体规划非常关键，若首先不作规划就盲目地设计或规划不当，很难快速响应市场需求，达不到预期效果。具体规划方法的适当选择直接影响到模块化系统的成本和覆盖面问题，或者说直接关系到以最小的模
12、块组合出最多的产品和避免设计重复、功能冗余问题。,4.4.3 MD的一般步骤,合理确定产品系列型谱,产品系列型谱拟定的合理性直接影响到产品结构格局以及对市场需求的适应程度，直接影响MD的难易和发展新品种的潜力。必须注意模块的划分和同类功能的不同模块的选择和设计。,4.4.3 MD的一般步骤,产品参数范围分析与主参数的确定,特定产品的参数种类和范围通常是有限的。产品的参数可分为尺寸参数（如结构的关键参数、安装参数等）、运动参数（如机床主轴转速和进给速度，汽车的最高时速等）和动力参数（如功率、扭矩、电压、压力等）。主参数指产品的主要性能、规格大小的参数，例如电灯泡的瓦数、电表的量程、电冰箱的容积、
13、电视机的屏幕尺寸等。,4.4.3 MD的一般步骤,关于产品MD的一般步骤，图4-30表明了计算机辅助产品模块化设计的流程。,4.4.3 MD的一般步骤,案例1：福特公司的发动机MD 案例2：仪表车床MD,4.4.4 案例：发动机MD与仪表车床MD,案例1：福特公司的发动机MD,美国福特公司于1996年率先在汽车工业史上实现了发动机的MD，即对6缸、8缸、10缸和12缸等不同规格的发动机结构进行调整，使其绝大部分组件都能通用化，用尽可能少的规格部件实现最大的灵活组合。这一设计的突破不但使发动机本身的生产工艺得以简化，而且引起了生产线结构的革命。以前，不同型号的发动机各有专门的生产线，不能互用。常
14、常一边生产线闲置，另一边却忙得不可开交，既浪费生产能力，又贻误商机。福特公司整车模块设计的目标是在不显著改变现有型号外观尺寸的前提下，对整车重要组件作可置换的多种规格设计，如减轻重量、节省油耗、提高效率等，以增强适应市场变化的能力。,4.4.4 案例：发动机MD与仪表车床MD,案例2：仪表车床MD,按照模块化设计的一般步骤，首先进行功能分析，然后在功能分析的基础上建立相应的功能部件，再根据部件的结构特征进行模块划分，最后实现模块组合。以仪表车床为例，上海市机床研究所、上海仪表机床厂、上海第十二机床厂联合生产的模块化仪表车床是在机床主参数不变的条件下，以更换模块组来发展万能型仪表车床变型产品。仪
15、表车床主机模块如图4-31所示。其功能分析与模块划分如图4-32所示。该车床共设计了28个模块组，其中11个为基本模块组，内有54个基本模块；还有17个附加功能模块组，内有54个附加功能模块。考虑到模块组合的形式和可行的、实用的、经济的组合产品方案，54个基本模块可组合成202种产品。目前已生产13种产品。,4.4.4 案例：发动机MD与仪表车床MD,案例2：仪表车床MD,4.4.4 案例：发动机MD与仪表车床MD,案例2： 仪表车床MD,4.4.4 案例：发动机MD与仪表车床MD,4.4 END,4.5 产品数据管理（PDM）,4.5.1 PDM的发展 4.5.2 PDM的基本原理 4.5.3 PDM与企业信息集成 4.5.4 PDM的实施及案例,从形式上来看，产品数据管理（Product Data Management，PDM）是作为企业信息集成框架（Framework）的一种工具软件产品系统。从适用和管理范围来看，PDM系统的发展可以分为以下4个阶段：,4.5.1 PDM的发展,初级PDM系统 项目组级的PDM产品 企业级PDM 企业间PDM,PDM最早出现在20世纪80年代初期，目的是为了解决大量工程图纸、技术文档以及CA
