机械产品模块化设计
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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, Tianjin University
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（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
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件，才能构成 产品实体。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
产品系统总体设计
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。
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
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
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
企业技术环境面临的挑战
企业竞争要素
质量 速度
成本 市场：个性化需求
维修性（售后服务）
使用性 艺术性
设计技术
可靠性设计 CAD 可制造性设计 模块化设计 维修性设计
人机工程设计 工业（造型）设计
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。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
1
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。
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。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
模块化概念及其价值
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。
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
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
产品系统总体设计
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“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
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：
目标：建立模块系统和模块化的对象（产品族）系统。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
模块化概念及其价值
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：通过对产品族的分析，把其中相同或相 似的功能单元或要素分离出来，经归并、集成，统一为一 系列的标准单元（模块）；用不同模块的组合构成多样化 的产品。
© 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
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
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
模块化设计特点：与一般产品设计方法有原则上的区别
面向产品族：一种模块能通用于多种产品。 ——传统设计：面向某一具体产品； ——模块化设计：是面向整个产品族系统。 由上而下设计： ——传统设计：主要着眼于功能设计、详细设计，由下而上 。 ——模块化设计：首先由上而下着眼于产品族系统分解和组 合所得的通用模块体系和由模块组合成的产品系统的宏模型 设计。
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，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。
2
产品系统总体设计
需求分析
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。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
——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.成本低 ＋ 满足多样化.个性化需求
↓
↓
制造手段： 大规模生产 ＋ 定制 ＝ 大规模定制
Hale Waihona Puke Baidu
↓
↓
产品组成： 通用模块 ＋柔性组装 ＝ 个性化产品
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
模块化的发展
北宋时代的毕昇早在公元1041～1048 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——系统分解和组合理论指导下的模块化设计
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。
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、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。
© 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。
基本型派生发展法：将产品系统分解成通用部分、准通用 部分和专用部分，集中力量设计一种基本型，以其为基础 ，修改准通用部分，设计专用部分，派生出满足多种需要 的产品。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
3
模块化产品开发模式
将涉及构造的功能逐层展开，展示系统构成的概貌。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
产品系统总体设计
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。
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, Tianjin University
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（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
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件，才能构成 产品实体。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
产品系统总体设计
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。
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
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
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
企业技术环境面临的挑战
企业竞争要素
质量 速度
成本 市场：个性化需求
维修性（售后服务）
使用性 艺术性
设计技术
可靠性设计 CAD 可制造性设计 模块化设计 维修性设计
人机工程设计 工业（造型）设计
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。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
1
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。
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。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
模块化概念及其价值
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。
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
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
产品系统总体设计
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“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
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：
目标：建立模块系统和模块化的对象（产品族）系统。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
模块化概念及其价值
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：通过对产品族的分析，把其中相同或相 似的功能单元或要素分离出来，经归并、集成，统一为一 系列的标准单元（模块）；用不同模块的组合构成多样化 的产品。
© 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
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
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
模块化设计特点：与一般产品设计方法有原则上的区别
面向产品族：一种模块能通用于多种产品。 ——传统设计：面向某一具体产品； ——模块化设计：是面向整个产品族系统。 由上而下设计： ——传统设计：主要着眼于功能设计、详细设计，由下而上 。 ——模块化设计：首先由上而下着眼于产品族系统分解和组 合所得的通用模块体系和由模块组合成的产品系统的宏模型 设计。
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，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。
2
产品系统总体设计
需求分析
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。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
——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.成本低 ＋ 满足多样化.个性化需求
↓
↓
制造手段： 大规模生产 ＋ 定制 ＝ 大规模定制
Hale Waihona Puke Baidu
↓
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产品组成： 通用模块 ＋柔性组装 ＝ 个性化产品
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
模块化的发展
北宋时代的毕昇早在公元1041～1048 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——系统分解和组合理论指导下的模块化设计
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。
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、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。
© 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。
基本型派生发展法：将产品系统分解成通用部分、准通用 部分和专用部分，集中力量设计一种基本型，以其为基础 ，修改准通用部分，设计专用部分，派生出满足多种需要 的产品。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
3
模块化产品开发模式
将涉及构造的功能逐层展开，展示系统构成的概貌。
© 2013, School of Mechanical Engineering, Tianjin University
产品系统总体设计
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。