现代设计方法课后习题解答

现代设计方法作业第五章相似设计与模块化设计一、就某机电、家具、家电产品，谈谈如何进行模块化设计？答：模块化设计是近年来发达国家普遍采用的一种先进设计方法，它的核心思想是将系统按功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同规格的产品。

而数控机床结构的特点也决定了模块化设计方法对于数控机床设计的适用性：1)同一类型的数控机床均可划分为基本相同的若干部分；2)同一类型的数控机床通过一个或若干个基本参数的变化形成不同规格的；3)同一类的数控机床尽管有着各种不同的结构布局和用途X围，但其基本控制、运动功能和工作原理是相同的；4)数控机床中有不少独立的功能单元，如导轨副、丝杠副、冷却系统、润滑系统、液压系统、气动系统、电气控制系统等。

这一特点使其适应于模块化设计方法；5)数控机床的加工要求向高速、高精度方向发展，要求机床结构具有高刚度、高可靠性，机床基础大件(床身、工作台、主轴箱、滑鞍、立柱等) 的结构动、静态特性和传动系统的高刚性成为设计的主要矛盾；6)数控机床采用计算机控制技术，使机床的机械传动机构大为简化；7)市场竞争和市场需求的多变，要求数控机床产品规格和功能多样化、性能好、成本低、制造周期短；8) 随着技术的进步和市场的发展，许多数控机床功能部件已实现专业化生产和商品化。

对于数控机床而言，模块化设计是指将机床上同一功能的单元，设计成具有不同用途或性能的、可以互换选用的模块，用以更好地满足用户需要的一种设计方法。

数控机床的整体结构可以分解为单个部件的有机组合。

通过功能分析，使得功能相同或相似，联接接口相同，而性能、用途不同的各种功能单元，经过选择、优化、简化和统一，形成各种具有独立功能的单元模块。

通过对机床单元模块选择、使模块间有机地匹配与连接，进而组合成各种通用机床、变型机床和专用机床。

模块化设计的一般过程：模块化设计分为两个不同层次，第一个层次为系列模块化产品研制过程，需要根据市场调研结果对整个系列进行模块化设计，本质上是系列产品研制过程，如图2.1所示。

图2.1 模块化系列产品研制过程第二个层次为单个产品的模块化设计，需要根据用户的具体要求对模块进行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，本质上是选择及组合过程，如图2.2所示。

图2.2 模块化产品设计过程总的说来，模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但比后者更复杂，花费更高，要每个零部件都能实现更多的部分功能。

1.市场调查与分析模块化设计成功的前提。

必须注意市场对同类产品的需求量、市场对同类产品基型和各种变型的需求比例，分析来自用户的要求，分析模块化设计的可行性等。

对市场需求量很少而又需要付出很大的设计与制造花费的产品，不应在模块化系统设计的总功能之中。

2.进行产品功能分析，拟定产品系列型谱合理确定模块化设计所覆盖的产品种类和规格，种类和规格过多，虽对市场应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大；反之，则对市场应变能力减弱，但设计容易，易于提高产品性能和针对性。

3.确定参数X围和主参数产品参数有尺寸参数、运动参数和动力参数(功率、转矩、电压等)，须合理确定，过高过宽造成浪费，过低过窄不能满足要求。

另外，参数数值大小和数值在参数X围内的分布也很重要，最大、最小值应依使用要求而定。

主参数是表示产品主要性能、规格大小的参数，参数数值的分布一般用等比或等差数列。

确定模块化设计类型，划分模块只有少数方案用到的特殊功能，可由非模块实现:若干部分功能相结合，可由一个模块实现(对于调整功能尤其如此)。

4.模块结构设计，形成模块库由于模块要具有多种可能的组合方式，因此设计时要考虑到一个模块的较多接合部位，应做到加工合理、装配合理;应尽量采用标准化的结构；尽量用多工位组合机床同时加工，否则模块的加工成本将非常可观;还应保证模块寿命相当，维修及更换方便。

5.编写技术文件由于模块化设计建立的模块常不直接与产品联系，因此必须注意其技术文件的编制，才能将不同功能的块有机联系起来，指导制造、检查和使用。

技术文件主要包括以下内容:(1)编制模块组合与配置各产品的关系表。

其中应包括全系列的模块种类及各产品使用的模块种类和数量。

(2)编制所有产品的模块组和模块目录表，标明各产品和模块组的组成。

(3)编制系列通用的制造与验收条件、合格证明书及装箱单。

(4)编制模块式的使用说明以适应不同产品、不同模块的需要。

模块的划分根据其划分角度的不同，有不同的划分方式，最终得到不同的基本单元。

从产品生命周期的观点看，这些不同的划分角度分别是面向产品生命周期中的不同阶段。

因此，可以根据模块划分所面向的生命周期中的具体阶段，把模块划分为：(1)面向设计的模块划分(2)面向制造的模块划分(3)面向使用、装配和维修的模块划分(4)面向回收的模块划分(5)面向整个生命周期的模块划分本次数控机床的设计从面向设计的角度来进行数控机床模块的划分。

首先对数控机床的功能进行分解，将数控机床的总的功能分解为不同的功能元，根据不同功能元之间的相关性定性的进行模块聚类，其次按照结构将已经聚类的功能模块对应的零部件分解出来，再根据各个零部件之间在制造和装配上的相关性进行分析，最终将两次分析的结果综合起来得到更为细小的具有不同用途或性能的模块。

将数控机床分为10个模块，具体划分如下：传动模块：丝杠，联轴器，伺服电机，电机架，轴承端盖，轴承架支撑连接模块：导轨，滑块工作台模块：工作台底盘，工作台托盘主轴箱模块：主轴箱体，主轴刀库模块：刀库，抓刀机械手防护模块：丝杠防护罩，整机防护罩辅助模块：气动液压装置，排屑装置，冷却装置，润滑装置，电气控制装置床身模块：床身立柱模块：立柱滑板模块：滑板二、查阅相关资料，围绕相似设计或模块化设计写一篇小论文？数控机床作为最为重要的制造装备之一,是机电行业的重要基础；是交通、电子及采矿产业实现生产现代化的最主要的手段；是制造业实现自动化、柔性化、集成化的基础；同时也是发展军事工业的重要战略物资。

目前,国内模具、汽车等行业的兴旺，使得市场对数控机床的需求量增大，这给数控机床的发展带来了新一轮的发展机遇，但同时也带来了挑战，这种挑战主要来自于用户对数控机床性能个性化、多样化的需求与产品生产性能、产品生产成本之间矛盾的切入点的寻优。

此外、国外知名机床制造厂家纷纷在国内设立设计、生产基地使得国内数控机床原有的价格优势已经不再明显。

面对市场和国外竞争厂商带来的挑战和压力是摆在国内制造业企业、各大院校和科研机构面前刻不容缓需要得到解决的课题。

为了这些问题、许多企业采用了模块化设计这一指导思想。

所谓模块化设计就是指将机床分解成相对独立的子单元并通过对这些子单元的标准化和重新配置最终产生一组满足不同客户需求的产品集合。

这些相对独立的子单元具有特定的功能和完整的接口，所以我们可以称之为模块。

模块是模块化产品的基本组成元素。

通过模块组合来实现全局功能的产品即可称为模块化产品。

与传统意义上的数控机床相比，模块化设计是一种柔性开发策略。

企业能够通过模块的重组来实现数控机床的开发从而缩短了开发的周期和设计成本。

数控机床中有不少独立的功能单元如导轨件、丝杠副、冷却、润滑、驱动、控制、检测装置等。

这一特点使其适应于模块化设计方法。

近几年来、随着计算机技术的迅速发展，大多数企业实现了信息化和数字化。

而CAD技术在企业数字化信息化过程中起着重要作用。

正如此、基于计算机辅助设计的模块化设计已经成为当前研究热点之一。

然而目前绝大多数CAD系统软件比如UG、CATIA、Pro/E、Solid Works等。

虽然提供了一些常用的标准件库但是都没有提供面向产品设计的参数化、用户可方便自扩充的模块数据库。

这样对于产品设计人员就常常因为没有模块数据库而要进行很多不必要的重复绘图工作大大降低了设计人员的工作效率。

因此要在CAD系统上建立一套用户自己可以维护修改的参数化的模块设计库便成了企业进行模块化设计要解决的当务之急。

对于模块化的概念Urich认为模块化与设计中的两个特点紧密相关。

1.设计中功能领域与物理结构领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。

Sun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，是这种结果以产品、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完成从功能需求域到设计参数域的映射。

Paul和Berlitz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，然后再考虑模块性能（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、附加功能、适应性功能、专用功能和用户定制功能五类相应的将模块结构定义为基本模块、附加模块、适应性模块、专用模块和用户定制模块。

在国内、贾延林认为模块化设计实在对一定X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，通过模块的选择和重组可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。

劳俊等人认为、模块化设计是综合考虑系统对象，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）迅速组成各种要求的系统的一种方法。

童时中从系统论角度定义模块化为：为取得最佳效益，从系统观点出发研究产品（从系统）的构成形式用分解和组合的方法建立模块化系统并运用模块组合成产品（或系统）的全过程。

施进发、梁锡昌认为机床模块化设计是讲机床上同一功能的单元设计成具有不同用途或者性能的课互相选用的模块根据市场需要拼组成具有不同性能特点的机床。

胡维刚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。

并进一步指出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成模块化产品方案的设计方法。

在设计方法上、国外的Zakuski的文章中表达了一种侧重于功能分解和集成的模块化设计方法，主要指产品和过程的集成对产品的分解、集成和评估做了讨论。

Sakieh和Kamrar发展了一种结构化的方法。

这种方法包括需求分析、概念分析（分解）、概念集成。

他们提出了方法中各步骤的结合度。

Jiao和Ts-eng发展了一种模块性的系统规划。

在三个连续的观点中—功能（需求分析）、技术（分解—集成）、物理（经济评估），集成了产品开发中的不同阶段。

国内XX大学的祁国宁教授也提出了一种基于结构特征的设计方法。

在模块的识别研究上，国外GU等人提出的面向产品全生命周期的模块化划分方法，针对每一阶段的设计目标构造相关矩阵，由设计师对每一个设计目标的模块划分结果进行对比和综合，得到最终的模块划分结果；Stone等提出一种启发式模块创建方法，根据产品功能结构图中的能量流、物料流、信号流一级力等来进行产品模块划分。