机械产品模块化设计方法研究

机械科学研究院硕士研究生毕业论文
机械产品模块化设计方法研究

摘要
、模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重
新设计或变异设计得到新的产品，以满足客户对产品个性化的需求，随着产品
个性化和大规模定制的兴起，模块化设计已成为关键使能技术，越来越受到青
睐。
本文在深入研究、综述模块化设计原理与方法的基础上，建立了集成式的
模块化设计的总体流程；同时深入研究分析了各种模块划分的方法，并以此为
基础，提出了一种柔性化的模块划分方法。论文主要研究内容和创新成果如下：
（１）研究分析了现有模块化设计方法，在对其进行分析比较的基础上，本
文提出了机械产品模块化集成方法，其主要特点是：①在开始进行模块化工作
之前进行了可行性分析，在一定程度上避免了模块化工作的盲目性；②对模块
化工作的对象进行分类，使模块化设计更具针对性、可操作性。
（２）阐述分析了几种代表性的模块划分原则，包括：火炮划分原则、功能
模块划分原则以及基于功能流的模块划分原则等等；在此基础上归纳给出了评
价划分原则的四个指标：通用性、可操作性、模块继承性和面向产品全生命周
期性。并采用上述四个指标，分析比较了现有模块划分原则的不足，提出了一
种基于三维的模块划分原则，该原则较强地符合了四个评价指标的要求，具有
很好的理论价值和实用价值．
（３）在分析现有模块划分方法基础上，总结归纳了两类模块划分方法：面
向产品全生命周期的模块划分方法和基于用户需求的模块划分方法。针对两类
方法的优缺点，提出了一种柔性化模块划分方法，该方法突出了模块划分的对
象分类，在提高划分方法柔性的同时，也更具可操作性：并着重研究分析了“面
向已有产品模块化改造，范畴的模块划分分组方法，并明确了相应的谱系聚类
数学方法，该方法较强地适应了当前企业的设计需求，具有较强的实践意义。
（４）上述方法结合本研究室承担的课题进行了一定程度的验证。

关键词：模块化模块划分集成式模块化设计方法谱系聚类
机械科学研究院硕士研究生毕业论文
ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＭｏｄｕ１ａｒＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄｆｏｒ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａ１Ｐｒｏｄｕｃｔｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｃｏｒｅｉｄｅａｓｏｆ口ｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎａｒｅ：ａｆｔｅｒｍｏｄｕｌｅＰａｒｔｉｔｉｏｎ，
ｒｅ一ｄｅｓｉｇｎｃｅｒｔａｉｎｍｏｄｕｌｅｓｆｒｏｍｎ印Ｐｒｏｄｕｃｔｓｔｏｍｅｅｔｃｕｓｔｏｍｅｒｄｅｍａｎｄｆｏｒ
甲ｅｒｓｏｎａｌｉｚｅｄｐｒｏｄｕＣｔｓ・Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎ一ｄｅｐｔｈｓｔｕｄｙｏｆｍｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎ
ＰｒｉｎｃｉＰｌｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｏｖｅｒａｌ１ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆ
ｍｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎ：Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｂｙ配ａｎｓ成ｉｎ一ｄｅｐｔｈｓｔｕｄｙ，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ
ｔｈｅｓｏｆｔ啪ｄｕｌｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ贻ｊｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔａｎｄ
ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓａｒｅａｓｆｏｌｌ叨５：
（１｝Ａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇ．ｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆ
ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍＰａｒｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓ，Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｅｔｈｏｄ
ｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍｏｄｕ１ａｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓ，ｔｈｅｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ：
Ｆｉｒｓｔ，ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ－一ｐｒｉｏｒｔｏｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｍｏｄｕｌａｒｗｏｒｋ，
ｔｏｓｏ眺ｅｘｔｅｎｔ，ａｖｏｉｄｅｄｍｏｄｕｌａｒｗｏｒｋ，ｓｂｌｉｎｄｎｅｓｓ；Ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔ
ｏｆｍｏｄｕｌａｒ份ｏｒｋｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，帕ｄｅｔｈｅｍｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎｏｆｍｏｒｅｔａｒｇｅｔｅｄ
ａｎｄｏＰｅｒａｂｉｌｉｔｙ．
（２）Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｅｖｅｒａ１ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｍｏｄｕｌｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐ１ｅｓ，
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ＰｒｉｎｃｉＰｌｅｓｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ啪ｄｕｌｅｓｅｔｃ．：ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅＰｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅ
ｅｖａ１ｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｄｕｌｅＰａｒｔｉｔｉｏｎＰｒｉｎｃｉＰ１ｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｕｒｉｎｄｉｃａｔ叮５，
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｔｈｒｅｅ一ｄｉ口ｅｎｓｉｏｎａ１ｍｏｄｕｌｅｓｐａｒｔｉｔｉｏｎＰｒｉｎｃｉＰ１ｅｓ，ｔｈｅ
ＰｒｉｎｃｉＰ１ｅｓａｒｅｉｎ１ｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ
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（３）Ａｎａ１ｙｚｅｄｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｏｄｕｌｅｓｐａｒｔｉｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎ
ｓｕｎｕｎｉｎｇｕＰｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｓｅ田ｅｔｈｏｄｓ，ａｄｖａｎｃｅｄ
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ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ毗ｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｃｕｓｅｄｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆ印ｏｄｕｌｅＰａｒｔｉｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｆａｃｅｄｔｈｅｃａｔｅｇｏｒｙｏｆ尸助ｄｕｌａｒｔｒａｎｓｆｏ皿ｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｓ口．Ｔｈｅ配ｔｈｏｄｓｃｏ门和ｅｎｄａｂｌｙｍｅｅｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｎｅｅｄｓｏｆ
ｅｎｔｅ印ｒｉｓｅｓａｎｄｈａｖｅｓｔｒｏｎｇｐｒａｃｔｉｃａ１ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，
讲ｅｓｅｎｔｅｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓＰｏｎｄｉｎｇｍａｔｈｅ帕ｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ
（４）ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｏｐｉｃｏｆｏｕｒＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，ｔｈｅａｂｏｖｅｍｅｔｈｏｄｓ
ａｒｅｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅｄａｔａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｍｏｄｕｌｅｐａｒｔｉｔｉｏｎ，Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆ
ｍｏｄｕｌａｒｄｅｓｉｇｎ，Ｐｅｄｉ盯ｅｅｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ．

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插图清单

图１本论文结构层次图．．…，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……１０
图２支撑模块化的基本理论体系．．．．．．．．．．．．……，……，．．……１５
图３以功能分解为主的模块化设计流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……。１８
图４侧重形状特征的模块化方法．…，．．．．．．．……，……，．。……２２
图５集成式模块化设计流程．．．．．．．．．……‘．．．．．．．．．．．．．．……２５
图６产品模块化程度示意图二，．．…，．…，．，…，二，．．……，……２８
图７模块划分的三维维系示意图…，．．……‘．…，．．．．．．．……３４
图８模块层次示意图，．．．．．．．……，．．…，．．．．．．．．……，……，．３５
图９模块划分层次和成本的关系．．．．．．．．．．．．．．．．……，．．．……３６
图１０面向产品全生命周期的模块划分流程模型‘．……，．．．．……，．３９
图ｎ基于用户需求的模块划分方法流程图．……，．．．．．．．．．．．……４０
图１２模块柔性划分方法流程框架图．，，．…，……，．．……‘…，，．４４
图１３谱系聚类图．．．．．．．．．．．．……，．．．．．．．．．．．．．……‘…，…５２
图１４小车架主体功能分析图．．．．……‘．，．．．．．．．．．……，．．…，，．５６
图巧小车架分类示意图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……，．．．．．．……５７
图１６小车架模块化设计流程示意图，．，．…，．．．．．．．……，．……，．５９
图１７小车架三维模型图．．……，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……６０
图１８小车架模块化设计系统界面二，，，…，，．．…，．．．．．……‘…，．６０
图１９生成的新的小车架三维模型．…，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．……６１
图２０工程图配置界面图．．．．……，……，．．…，……，．．．．……６１

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表格清单
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表１现有模块划分原则比较分析．．…，二…，，，．…，．．．．．……，．…

表２
表３
表４
表５
表６

三维维系模块划分原则与现有模块划分原则比较分析…。．．．．．．……
模块划分分组对象．…，…
相似性指标汇总．，二
最短距离法聚类过程

。４８
。４９
１
１

１１
口

只
〕

二
口

５

１』口
某小车架明细表．，，．．…

表７小车架的功能模块划分结果
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的
研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含
其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得
其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所
做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

拥
卜哆
，
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学位论文作者签名：
签字琳‘海夕”介

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的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论
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（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名：
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日
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夕

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年

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签字日期：

导师签一啦、
签字日期：夕“年７月１尹日