模块化设计

模块化设计技术的研究现状
模块化设计[15]的概念在20世纪50年代由欧美一些国家正式提出，随后得到越来越广泛的关注和研究[16,17,18]。

模块化设计方法已经在机械（如数控机床、模具、减速箱、工业汽轮机）、电工电子（如微机、通信设备、电动控制仪表）、船舶、建筑、电力、武器装备（如方舱、雷达、航空电子设备）等行业中得到广泛应用[19]，并取得了显著的效益。

Huan和Kusiak[20,21]等对模块化产品开发研究现状进行了评述，指出了一些有待深入研究的问题。

1．模块化相关概念的研究
对于模块化设计，目前还没有公认的权威性定义。

许多学者根据各自的研究，从不同的角度对其进行了表述。

文献[22][z22]认为，模块化设计综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途和性能的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块（必要时设计部分专用模块）以迅速组成适应用户不同需求的产品。

文献[23][z23]认为：模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。

文献[24][z24]认为，模块是一组同时具有相同功能和相同结合要素，而具有不同性能或用途甚至不同结构特征，但能互换的单元，模块化设计是基于模块的思想，将一般产品设计任务设计成模块化产品方案的设计方法。

它包括两方面内容：一是根据新设计要求进行功能分析，合理创建出一组模块—即模块创建；二是根据设计要求将一组存在的特定模块合理组合成模块化产品方案—即模块综合。

Ulrich[[c25]25]提出模块化与设计中的两个特点紧密相关：1）设计中功能域与物理结构域之间的对应程度影响模块化的程度；2）产品物理结构间相互影响程度的最小化。

这两点从设计学角度指出了影响模块化设计的基本因素，首先是在系统分析规划时，采用适当的方法对设计过程中各个部分，尤其是产品的功能域、结构域以及二者之间映射关系的合理分析，是模块化设计技术的关键影响因素。

其次，要保证模块的功能、结构的相对独立性，即将模块之间相互影响的因素尽量减小。

Suh[c26]26]从功能－设计参数映射的角度定义模块化设计：模块化设计是一种分析结果的产生，这种结果以产品、过程和系统的形式表现，并满足预定的需求，其方法是选择适当的设计参数（DPs）完成从功能需求域（FRsspace）到设计参数域（DPs space）的映射，即，[FR]＝[A]?[DP]，[A]是设计矩阵。

Pahl和Beitz[27][c27]认为模块化设计是完成从功能需求域到模块功能域的映射，然后在考虑模块性能（如尺寸、重量等）基础上完成从模块功能域到模块结构域的映射，并将模块功能域的功能分为基本功能BF、附加功能AF、适应性功能AdF、专用功能CF、用户定制功能SF五类，相应地将模块结构定义为基本模块BM、附加模块AM、适应性模块AdM、专用模块第一章绪论6CM、用户定制模块SM。

文献[28]针对液压机结构尺寸无明显分级特性，而产品构成链具有固定结构形式的特点提出广义模块化设计的概念，通过模块模板的构造对液压机实施模块化设计。

2001年5月在美国密歇根大学召开的CIRP第一届柔性、可重构制造国际会议[29]以可重构制造系统[30,31]为主题，可重构制造的一项重要内容就是可重构机床（Reconfigurable Machine tools）的研究和开发。

可重构机床[32,33]也是一种模块化机床，在设计时要求充分考虑机床使用中的可重构性，包括产品功能、结构和布局的重组，以及当机床与其它设备如物流系统集成而形成的生产线的重组。

还有一些关于模块化设计概念的定义和研究，这里不再列举。

就上述提法来看，基本上都体现了模块化设计的特征和要点
就像计算机一样，显卡、内存一样划分，通用接口来链接
2 模块划分技术的研究
模块划分是模块化设计的前提和基础。

模块划分是否合理，直接影响模块化系统的功能、性能和成本。

模块划分可以有不同的方法和层次，但一般主要从功能的角度进行分析和讨论模块的划分问题。

在功能分析的基础上，进行合理的功能分解，实现合理的模块划分，创建出满足特定功能的模块。

G.Erixon[34,35]等提出了子功能为独立模块的11个条件，作为模块划分的通用原则，并建立模块识别矩阵（MIM），据此对各功能载体进行聚类。

P.GU[36]等提出了一种面向产品生命周期工程多目标（易于回收性、可升级、可重复用、重构等）的模块划分方法，在进行功能结构分析时使用模糊数学中权重的概念，为模块划分从定性转向定量提供了依据。

TSENG和JIAO[37]提出了通过分析设计矩阵的模块识别算法，目的是在系统设计层次上实现电子产品的模块化电路设计。

他们通过设计矩阵表达了设计对象（功能需求）和物理解决方案（设计参数）之间的影射关系，并成功地把成组技术和单元制造中相似问题的算法应用于设计矩阵的聚类分析。

Kusiak[38]研究了一种综合考虑成本和性能的产品模块化方法，依据Suh的公理化设计理论，系统分析了功能需求空间、模块化功能空间和模块部件空间之间的映射关系及其分类。

以上几种模块划分方法主要是针对单个产品、沿着产品生命周期的历程分析进行的，没有考虑用户需求对模块划分的影响。

Robert B Stone[39]提出一种用于产品架构开发的功能模型定量化建模方法，将模型中各个子功能与能量流、物流和信号流相关联，并以客户需求程度为衡量尺度，建立需求、功能数据库，并将功能与需求的关系定量化，由此作为模块划分与模块发展的主要依据。

文献[40]第一章绪论提出了一种新的面向产品架构的模块识别的三条启发式方法，即主导流、分支流、转换和传递功能链。

利用功能模型和三条启发式方法，识别出能够聚合成模块的子功能
Tsai[41]从并行工程的角度出发，在考虑设计加工、装配复杂性的情况下，将功能按其在设计过程中的接口关系划分为不同类型的模块，并从中选出最优模块，然后根据模块中信息，排定模块中各个功能的优先权，作为规划设计的依据。

Hsuan[42]通过在部件、模块、分系统、系统四个层次上分析产品模块化的可能性及其相应的接口约束，研究生产中企业协作关系对于模块化的影响。

高广达[43]用模糊数学的方法，在功能分析的基础上建立功能载体间相关度的λ截矩阵，根据该矩阵判断功能载体之间的聚合性，当λ取值不同时，产生模块划分的多个方案。

陈永亮[44]用超图（Hypergraph）理论建立模块化产品布局及产品族的表示模型，并提出了基于超图的模块识别模型。

3．模块组合技术的研究
模块组合就是选择合适的模块进行组合，以得到满足用户需求的产品。

前苏联学者证明[45]，在模块组合时，对所有可能组合的每个方案进行简单枚举是不可行的，他们使用有向
图来表示机床的布局结构，用图的顶点表示模块，顶点之间的边连接表示模块之间的装配关系；把机床划分为动力部分和安装部分，分别用两个子图表示，通过对子图上始点与终点间路径的分析确定可能的组合。

O'Grady[46,47]研究了分布协同的网络设计环境下模块的组合方法，通过一个面向对象的模块化产品设计环境，可以将不同地区、不同模块制造商提供的模块快速组合成满足用户需求的模块化产品。

模块接口的匹配是模块组合的重要条件，Hilistron[48]结合公理化设计原理和传统的DFMA（面向装配和制造的设计）方法进行了模块化设计的接口分析。

文献[43]提出了模块接口标准化及接口编码的一般原则与实施步骤。

为了优化模块变型的数目，Chang[49]引入了鲁棒设计。

Fujita[50]研究了面向产品族的产品变型优化设计方法。

陈敏贤等[51]提出了基于模块编码的计算机辅助模块组合方法。

4．计算机辅助模块化设计的研究
模块化本身是现代设计方法之一，必须充分综合运用其它各种现代设计方法和手段才能充分发挥模块化设计的优势。

将计算机辅助技术与模块化技术结合起来的计算机辅助模块化设计充分利用计算机辅助工具进行模块化产品的数据管理、分析产品设计需求、求解模块化设计方案；通过CAD系统构造模块结构模型，实现模块化产品的结构装配；用CAE工具分析、优化产品动、静态性能。

第一章绪论
进行计算机辅助模块化设计需要建立相应的计算机辅助模块化设计系统，以实现利用相对简单的模块快速组成特定复杂产品的要求。

文献[52]以加工中心的模块化设计为背景研究了面向用户的计算机辅助机床模块化设计系统的框架。

文献[43]对数控机床的虚拟模块化设计进行了系统研究，建立了数控机床虚拟模块化设计系统。

文献[53]基于结构模板参数化设计与变量化分析的液压机主机模块化设计，建立了液压机广义模块化设计系统。

上述系统均以特定的CAD平台为基础构造模块的结构模型和模块化产品的装配模型，如文献[43]以Autodesk的MDT为平台，文献[53]以PTC的PRO/E为平台构造参数化的模块结构实体模型。

计算机辅助工程的发展和在产品设计中的广泛应用，为定量评价模块及其组成产品的性能提供有效的工具。

CAE软件与CAMD系统的集成应用将使模块化设计水平发生了质的飞跃。

为了快速得到用模块组合的整机性能，Zatarain[54]开发了一种使用预先计算的模块信息来计算机床整机静、动态刚度的方法。

5．其它相关研究
模块化设计的研究相当广泛，如Sanchez,Ron[55]研究了模块化设计条件下的管理技术，认为产品的模块化设计不仅导致了灵活的产品设计，而且使设计过程松散化、灵活化和模块化，并提出了相应的管理模式；Weng[56]研究了模块化产品开发过程中的不确定因素与开发风险之间的关系；Sosale[57]研究了模块化设计与绿色设计之间的关系，提出了在模块化设计过程中考虑环境因素的影响，提高产品的可重用性与可回收性的方法；Ouyang,Miao-an[58]研究了模块化机床的智能布局方法。

模块化制造是用模块化的概念构造整个生产系统[[c60]61]，即以模块化装备构造模块化生产系统(MPS)，以产品模块组织生产和管理，形成企业的经营模式。

从产品设计、制造系统设计，制造过程的实施和管理，均采用模块化技术，按这一原则组成的制造系统称为模块化制造系统[62]。

6．模块化的技术经济价值[59,60]
1）提高设计生产效率、缩短供货周期模块化可以看作是部件级、或子系统级的标准化，它在满足产品多样化需求的同时，有效地统一、简化和限制了零件和部件的品种、规格。

模块化产品是按模块组织生产的，模块有一定的批量，有确定的工艺流程和工艺装备，生产率高，制造周期短。

对于长周期、高难度的模块，如有适当储备，更可大大缩短供货周期。

2）有利于提高产品质量和可靠性模块在投入使用之前，一般均经过试用和实践验证，并反复修改优化保障模块的质量和可靠性。

进行新产品的设计时以现有模块为主（必要时修改现有的模块或设计新的模块）组合构成新产品。

现有第一章绪论模块的设计、制造、组装均已定型，其质量和可靠性已得到验证，可集中在新模块或修改模块的设计及优化上，有利于提高新产品的质量和可靠性。

3）有利于降低成本按模块组织生产，使得大多数的零部件由单件、小批量生产转变为批量化生产，于是便于采用先进工艺和专用设备组织专业化生产。

在提高产品质量的同时，有助于提高劳动生产率，降低制造成本和减小废品率。

4）良好的可维修性在模块化结构的
产品中，模块间有明确的功能分割，发生故障后易于判断，可迅速找到有故障的模块，缩短了故障诊断时间。

模块易于从整机中拆卸和组装，维修程序得到了简化。

5）有利于发展产品品种和引进新技术模块化产品是组合式结构，以模块作为其构成单元，其品种发展方式包括：现有通用模块的不同组合，形成新品种；产品中某个（或几个）模块改型，形成新品种；增加具有新功能或新性能的模块，形成新品种；改变与产品外观有关模块的外观结构或附加装饰要素，形成新品种。

由这些品种发展方式可看出，各种新产品均以通用模块（不变部分）为基础，只改变少量模块及组合关系形成新品种，因而可大大加快新品种开发速度。

在引入新技术时，可以新技术来改造相应模块，取代那些在技术上或结构上已陈旧的模块，在不变更其他模块的基础上，形成先进的新产品，使产品不断保持先进性，取得市场竞争的主导权。

模块化设计与传统设计方法的主要区别在于：模块化设计不是面向某一个产品，而是面向整个产品族进行设计。

产品模块化的主要目的之一就是以尽可能少的种类和数量之模块组合拼装成尽可能多的种类和规格的产品。

在进行产品的模块化设计之前，必须在市场调研的基础上合理规划产品族系列型谱，建立科学、合理的模块系统。

进行产品族系列规划的过程如图3－4所示。

新产品的开发;提高产品质量和可靠性;良好的可维修性;便于实现标准化、通用化等。