产品现代设计技术3—模块化设计.pdf
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1、模块化原理、设计方法与机械模块化原理、设计方法与机械 产品模块化设计技术产品模块化设计技术 模块化设计与产品配置专题讲座模块化设计与产品配置专题讲座 重庆大学机械工程学院重庆大学机械工程学院郭钢教授郭钢教授 2013年年6月月3日日 目录 2 产品模块化原理与设计方法产品模块化原理与设计方法 3 实现模块化设计的关键技术实现模块化设计的关键技术 4 实现产品模块化设计的思路实现产品模块化设计的思路 1 顾客需求个性化与模块化设计顾客需求个性化与模块化设计 5 制造企业产品模块化设计途径制造企业产品模块化设计途径 1 1、顾客个性化需求与产品模块化设计、顾客个性化需求与产品模块化设计 不同顾客群
2、体的个性化需求不同顾客群体的个性化需求 如何满足对同类产品但又有个性化的顾客需求如何满足对同类产品但又有个性化的顾客需求? 功能相同 的一类产品 中,不同的 性能指标通 过不同的零 部件配置来 实现,形成 工相同、但 有性能、价 格差异的系 列产品,可 满足不同顾 客的个性化 需求。 顾客需求的个性化驱动产品向系列化、模块化发展顾客需求的个性化驱动产品向系列化、模块化发展 通过功能模块的配置与替换,实现同类产品的系列化通过功能模块的配置与替换,实现同类产品的系列化 从汽车产品同一车系的不同配置看模块化设计从汽车产品同一车系的不同配置看模块化设计 从汽车产品同一车系的不同配置看模块化设计从汽车产
3、品同一车系的不同配置看模块化设计 宝马3系轿车,相同的车身 和底盘,但有不同功能部件的配 置,构成从318i-335i的多款车 型,价格区间从28.3万元61.9 万元,以满足不同顾客需求。 318i内 饰及仪 表台 320i豪 华型内 饰及仪 表台 目录 2 产品模块化原理与设计方法产品模块化原理与设计方法 3 实现模块化设计的关键技术实现模块化设计的关键技术 4 实现产品模块化设计的思路实现产品模块化设计的思路 1 顾客需求个性化与模块化设计顾客需求个性化与模块化设计 5 制造企业产品模块化设计途径制造企业产品模块化设计途径 模块化原理模块化原理模块的概念和分类模块的概念和分类 1模块的定
4、义 所谓模块,就是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的通用独立单元。 2模块的特征 (1)是系统的组成部分,也就是说,它是系统分解的产物。用模块可组合成新系统,也易于从 系统中分离、拆卸和更换。在此,所谓“系统”,既可是大型的工程系统,也可是某一种产品。 (2)是具有确定功能的单元,模块虽是系统的组成部分,但它不是对系统任意分割的产物,它 具有明确的特定功能,这一功能不依附于其它功能而能相对独立存在,并不受其它功能的干扰。 这种特定功能可以是系统按物理性能分解而得到的功能部件,或是系统按结构分解而得到机械部 件。没有确定功能的单元不能算是模块。 (3)是一种标准单元,模块结构具
5、有典型性、通用性或兼容性,并往往可构成系列。这正是模 块与一般部件的区别。可以说模块具有标准化的属性。模块的通用性是通过其接口的标准化或通 用化实现的。 (4)是具有能构成系统的接口,模块应具有能传递功能、能组成系统的接口(输入、输出)结 构,设计和制造模块的目的是为了用它来组合成系统(或产品)。系统是一个有序的整体,各模 块既有相对独立的功能,又有联系,模块经有机结合而构成系统,模块间这种共享的界面(结合 处)就是接口,接口的作用就是传递功能。 模块化原理模块化原理模块的概念和分类模块的概念和分类 1模块的分类原则 分类的意义与原则。每一次分类都应当用同一个分类标准(分类的依据),分类后的各
6、个子类 应当包括所有要分的东西,分类后的各个子类,不能互相重叠。 2模块的分类形式 (1)按模块的表现形式分类。按模块的外在表现形式可分硬件模块和软件模块。 (2)按模块互换性特征分类。对产品而言,是指功能上的互换性和尺寸上的互换性。由此可将 模块分为:功能模块(具有功能互换性的功能部件)、(机械)结构模块(是不直接具备使用功 能的(机械)结构部件,而只是某种功能模块的载体,如电子设备的机箱、机柜)和单元模块 (是既具有功能互换性,又具有尺寸互换性,即具有完全互换性的独立功能部件。它是由功能模 块和结构模块相结合形成的单元标准化部件)。 (3)按模块在系统中的层次结构分类。模块的分级:在特定的
7、产品系统中,将不同层次的模块 分别定为一级模块、二级模块、三级模块等。集成模块:把一些较小的模块集合成一个较大的模 块,较大的模块就是集成模块。 (4)按模块在系统(产品)中的作用分类。按其在系统或产品中所起的作用(功能性的或结构 性的),而分别给予命名。如机电产品中的机械本体模块、执行机构模块、控制模块、传感器模 块等。 (5)其它分类。如通用模块与专业模块、基型模块与改型模块、主体模块与非主体模块。 模块化原理模块化原理模块的概念和分类模块的概念和分类 1模块化的定义 所谓模块化,就是为了取得最佳效益,从系统观点出发,研究产品(或系统)的构成形式,用 分解和组合的方法,建立模块体系,并运用
8、模块组合成产品(或系统)的全过程。 2模块化的特征 (1)模块化的宗旨是效益。是为了满足顾客对多样化的需求和适应激烈的市场竞争,在多品种、 小批量的生产方式下,实现最佳的效益和质量。 (2)模块化的对象是产品(或系统)的构成。是解决某类(产品)系统的最佳构成形式的问题, 即系统由标准化的模块组合而成。 (3)模块化的主要方法是系统的分解和组合。模块化的产品(或系统)是由标准的模块组成的。 模块如何产生?能否有效地组合成产品(或系统)?产品(或系统)的分解和组合的技巧和运用 水平,是模块化的核心问题。 (4)模块化的目标是建立模块系统和对象系统。模块化活动的目标有两个,即形成模块系统和 模块化的
9、产品。 (5)模块化是一个活动过程。模块化不是一个孤立静止的事物,而是一个有目标有组织的活动 过程。其中既有设计和制造过程,也有技术管理过程。在模块化过程中还有模块化系统的形成、 发展、完善、成熟和更新的过程。 模块化系统(总体)设计方法模块化系统(总体)设计方法 1模块化系统(产品)设计方法 模块化系统(总体)设计,旨在根据系统(产品)的目标,确定系统(产品)的轮廓,形成系 统(产品)的宏观模型,其目的是大体上以简单的形式把握系统(产品)的整体。 2模块化设计与传统设计方法的区别 (1)模块化设计面向产品系列。传统设计是面向某一具体产品,从产品的具体功能、具体结构 入手进行设计;而模块化设计
10、则是面向某一类产品系列以至有相似功能的相邻产品系列。 (2)模块化设计是标准化设计。传统的产品设计中虽然也需要运用标准化资料,采用一些通用 件、借用件等,但从总体上来说,它是专用性的特定设计;而模块化设计的对象则是通用性的, 它需要全面的理解并运用标准化理论,各种模块可通用于各种产品,是部件级通用件。 (3)模块化设计流程自顶向下。传统的设计流程是根据产品功能要求设计零部件,然后由这些 零部件构成整机,虽然在此过程中也有一些总体的方案及协调要求,但从实质上看,它主要着眼 于功能设计、详细设计,其基本特征是自底向上、或由细而总的。而模块化设计流程则与此相反, 它首先着眼于产品系列的规划、产品系列
11、的功能分解与组合,产品系列宏观模型及系列型谱的制 定。 (4)模块化设计是组合化设计。传统产品的构成模式是整体式的,虽然其中也有部件的组合, 但其中部件及其组合方式是特定的。模块化产品的构成特点是组合式的,组合的基本单元模 块常作为独立商品而存在,设计中需要充分考虑产品系列的协调性、互换性和组合性,设计难度 大。 (5)模块化设计有两个对象。传统设计的对象是产品,但模块化设计的产物既可是产品,也可 是模块。 模块系列设计方法模块系列设计方法 1模块系列设计是模块化设计中承上启下的环节 模块系列设计的目的是将总体设计所确认下来的模块化系统具体化,使之成为一个看得见、模 得着、可实际应用的一个模块
12、系列实体。另外,模块系列设计不仅需设计一个个具体的模块, 而各种模块需构成系列。 2模块系列总体设计 模块系列设计仍需分为总体设计和详细设计两个阶段。总体设计需描绘出各模块的具体轮廓,并 在进行构成的典型化和集成化的基础上,列出整个模块化体系完整而详细的实体结构系列表,然 后再进行各模块的详细设计。 产品 产品 产品 产品 产品 单元模块 集成模块 功能模块 结构模块 模块 模块 模块 模块 模块 模块 产品系列型谱 模块系列 构成要素 通过对模块化产品系列型谱的分析, 可以发现其中含有相同或相似的单元,将 其分离出来,用摸块化原理进行统一,归 并和简化,形成能独立存在的、典型化的 标准单元或
13、通用单元,这单元应是具有某 种特定功能和接口结构的典型通用独立单 元,这就是模块。 模块可分为形成具有功能互换性的功 能模块和具有尺寸互昏暗性的机械结构模 块,把这两种模块相结合,就可形成具有 完全互换性的单元模块。 模块构成的典型化模块构成的典型化 1功能的典型化 典型化的目的是对具有类似功能的单元在分析、精选、归并的基础上,经统一化和简化处理使 之成为一种或几种类型,而这一种或几种类型的模块可通用于几十种产品(或改型产品)。典 型化还包括层次(复杂性)不同的模块的典型化及一些构成要素的典型化。 2结构形式的典型化 构成模块系列主要零、部件的结构型式典型化,可最大限度减少零部件的品种、规格,
14、扩大通用 件的比例。 3接口的典型化 模块的接口包括机械接口、电气接口、机电接口及各种物量与电量间的接口,妥善解决模块接口 的互换性与兼容性问题,是扩大模块通用性的重要手段。 模块的接口分内部接口和外部接口两类,内部接口是为了实现模块内部的互连,它要求连接方便、 巧妙、可靠,这种接口是一种专用接口;外部接口是为了实现模块与外部的关联模块或产品的互 连,这种接口则必须符合相应的标准。 模块构成的系列化模块构成的系列化 1基型模块系列 基型模块系列应是构成模块化产品系列型谱中的主导产品的模块,它是构成产品中最典型的、 规格最适中的、通用性较大(用量较大)的、结构和性能较好且较可靠的模块。 2横向扩
15、展系列 横向扩展系列就是对基型模块系列进行扩展,以满足产品系列型谱中全部产品组装的需要。包括: 功能参数系列化、功能集成系列化、结构及尺寸系列化、接口系列化。 3纵向扩展系列 设计变型系列模块。如电源模块中,按电源的构成原理不同,形成整流电源、开关电源、UPS电 源、变频电源、逆变电源、恒流电源、恒压电源及面向某一类产品的专用电源等。 模块系列化应包括两个大系列:一是模块化 产品系列型谱,二是构成模块化产品的模块 系列。 模块化产品设计方法模块化产品设计方法 1模块化产品设计任务 模块化产品设计是对模块系列的能动运用,同时也不断丰富和发展着模块系列(专用模块转化 为通用模块),丰富和发展着模块
16、化产品系列型谱。通过大量的模块化产品设计实践,一些优 良的新模块不断补充进去,一些设计不良的模块陆续被替代和淘汰。 2模块化产品设计特点 模块化产品设计与一般产品设计既有相同之外,又有不同之处。模块化产品设计与一般产品设计 不同的特点: (1)模块化产品是组合式结构,产品主要是由模块组成,模块化产品设计,不论是简单产品还 是复杂产品,均必须从总体设计入手,着重进行总体功能与结构的协调,而详细设计,尤其是零 部件设计的工作量则较一般产品要小得多。 (2)模块化产品中,整机性能不是模块性能的简单总和,整机性能常取决于接口设计的水平, 因而接口设计是模块化产品设计的重要环节。 (3)模块化产品设计的
17、方法、步骤与则重点,与一般产品设计有很大差别。其主要工作内容是: 从产品功能出发选用模块;然后,以选用的模块为基础,附加模块改型、专用模块、接口、装配 等补充设计,使之形成为一个符合预定功能的产品。 基型模块改型和专用模块设计基型模块改型和专用模块设计 1基型模块改型 专用模块与通用模块的概念是相对的,当某种专用模块在同类产品中重复出现时, 则变成了某种同用模块,所以常把专用模块作为新通用模块的雏形来看。因而,在 设计专用模块时,也应在模块化系统思想指导下,按通用模块的要求进行设计,其 参数的确定应考虑到通用化、系列化因素,即将专用模块作为准通用模块来看待, 以便实现由专用模块到新通用模块的平
18、滑过渡。 2专用模块设计 若将通用模块视作基型模块,对其进行改型设计,比设计新的专用模块显然要经 济而有效,且质量要好、周期要短。改型设计是指:改变或替代模块中的某些要 素,添加某些要素,改变某些接口要素,以适应新的需要;局部功能更新,提高 模块性能,改变或局部改变外观结构,以适应整机外观设计的需要;提高对环境 的适应性以及为降低成本而缩减冗余要素等。但模块的通用互换要素及接口的兼 容性不能改。 模块接口设计模块接口设计 分立的模块只有通过接口设计才可能构成整机,接口的匹配性将直接影响到模块分立的模块只有通过接口设计才可能构成整机,接口的匹配性将直接影响到模块 功能的发挥和整机的可靠性。在运用
19、模块来构成模块化产品时,模块接口的协调性问功能的发挥和整机的可靠性。在运用模块来构成模块化产品时,模块接口的协调性问 题,一般有以下几种情况:题,一般有以下几种情况: (1 1)如使用同一个模块系统中的模块,接口的匹配问题,在模块系统设计中已作充)如使用同一个模块系统中的模块,接口的匹配问题,在模块系统设计中已作充 分考虑,一般没有什么问题,但为稳妥起见,应认真进行校核。分考虑,一般没有什么问题,但为稳妥起见,应认真进行校核。 (2 2)对改型后的模块,其输入)对改型后的模块,其输入/ /输出参数会有变化,此时则应重新考虑接口的匹配问输出参数会有变化,此时则应重新考虑接口的匹配问 题,进行必要
20、的接口设计。题,进行必要的接口设计。 (3 3)对于采用外购的非本模块系统的模块,虽然其功能及性能可满足产品要求,但)对于采用外购的非本模块系统的模块,虽然其功能及性能可满足产品要求,但 其接口参数和结构往往是不同的,这时应认真进行接口设计,并对接口的匹配其接口参数和结构往往是不同的,这时应认真进行接口设计,并对接口的匹配 性进行必要的试验验证。性进行必要的试验验证。 (4 4)对于比较复杂的或大型产品系统,如机电一体化产品,其各构成部分(模块)对于比较复杂的或大型产品系统,如机电一体化产品,其各构成部分(模块) 分属不同的学科和专业,大多是外购的现成部件(模块),这时接口设计就是分属不同的学
21、科和专业,大多是外购的现成部件(模块),这时接口设计就是 产品系统设计的主要任务之一,为将各种不同功能的子系统组合成系统,不仅产品系统设计的主要任务之一,为将各种不同功能的子系统组合成系统,不仅 是进行简单的接口设计,还常需设计接口装置(接口模块)。是进行简单的接口设计,还常需设计接口装置(接口模块)。 模块的组合方式模块的组合方式 模块化产品不是整体式结构,而是由模块构成的组合式结构。其组合方式有:模块化产品不是整体式结构,而是由模块构成的组合式结构。其组合方式有: (1 1)直接组合式:按模块化系统提供的组合方式,直接进行模块间的组合,对属于)直接组合式:按模块化系统提供的组合方式,直接进
22、行模块间的组合,对属于 同一模块化系统的产品系列型谱中的产品,一般可采用直接组合法,这种组合同一模块化系统的产品系列型谱中的产品,一般可采用直接组合法,这种组合 方式一般来说最合理、最紧凑、最经济,是最理想的组合方式。方式一般来说最合理、最紧凑、最经济,是最理想的组合方式。 (2 2)集装组合式:把若干种不同规格的功能模块装入一定的结构模块中,再装入整)集装组合式:把若干种不同规格的功能模块装入一定的结构模块中,再装入整 机。这时一般需对结构模块作某些改型设计,改造或增加支撑不同模块的构件。机。这时一般需对结构模块作某些改型设计,改造或增加支撑不同模块的构件。 (3 3)改装组合式:一些外购模
23、块,其机械结构及电气互连的接口结构与所要联接的)改装组合式:一些外购模块,其机械结构及电气互连的接口结构与所要联接的 模块不匹配,这时则需对该外购模块的接口进行改装,换用本模块系统的结构模块不匹配,这时则需对该外购模块的接口进行改装,换用本模块系统的结构 模块或接口构件。模块或接口构件。 (4 4)间接组合式:采用间接组合式一般有两种情况,一是根据产品布局的要求,不)间接组合式:采用间接组合式一般有两种情况,一是根据产品布局的要求,不 宜于采用直接组合方式;二是采用不属本模块系统的外购模块,不可能进行直宜于采用直接组合方式;二是采用不属本模块系统的外购模块,不可能进行直 接组合。间接组合式是设
24、计专用联接构件,按总体要求把各模块固定在相应位接组合。间接组合式是设计专用联接构件,按总体要求把各模块固定在相应位 置上。置上。 (5 5)分立组合式:各个参加组合的模块,一般都是自成体系的独立产品(装置),)分立组合式:各个参加组合的模块,一般都是自成体系的独立产品(装置), 各自分立安置,不直接进行机械性的组装。如计算机的显示器、主机、键盘等各自分立安置,不直接进行机械性的组装。如计算机的显示器、主机、键盘等 的组合是浮动的,而不是固定连接在一起的。的组合是浮动的,而不是固定连接在一起的。 一、组合夹具 组合夹具是一种标准化、系列化程度很高的柔性化夹具。它由一套预组合夹具是一种标准化、系列
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