产品模块化设计_第2讲_模块化设计的基本概念

③ 特殊功能（相应模块称为特殊模块） 是表征系统中某种或某几种产品特殊 的、使之更完善或有所扩展的功能。例如，仪表车床中的球面切削装置模 块，储油船中增加的石油加工设备等。
④ 适应功能（相应模块称为适应模块） 是为了和其他系统或边界条件相适应所 需要的可临时改变的功能。它的尺寸基本确定，只是由于上述未能预知的条 件，某个（些）尺寸须根据当时情况予以改变，以满足预定要求。一些厚度 尺寸可变的垫块即可构成这种性质的模块。
全系列的模块种类及各产品使用的模块种类和数 量； 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； 编制系列通用的制造与验收条件、合格证明书及装 箱单； 编制模块式的使用说明，以适应不同产品、不同模 块的需要。
模块化设计的准备 ——产品规划
包括：产品聚类分析——产品矩阵表达——构建 产品平台
模块化的定义
• 从系统的观点出发研究产品的构成形式， 用分解和组合方法，建立模块体系，运用 模块组合或产品平台派生成产品，获得最 佳效益的全过程。
• 宗旨：效益（社会、经济） • 方法：系统分解和组合 • 目标：建立模块和对象系统，在CAD环境
下建立CAMD系统
模块化(modularity)是标准化思想在产品部件 级的应用。
模块接口面几何图谱
W
Hwk.baidu.comL
平面导轨型式
L W
矩形平面型式 W2
w1
W2
H1 L1 L2 平面矩形环型式
L H2 W1 平面T型槽型式
机床类产品模块的接口面几何图谱
D 圆形平面型式
D1
D2 圆环平面型式
模块的分类
按表现形式分：硬件模块和软件模块； 按互换性分：功能模块，结构模块，单元模
块（功能、尺寸均互换） 按层次分：分级模块，集成模块 按二分法分：通用和专用模块；基型和变型
机械产品模块化设计
陈永亮 天津大学机械学院 产品设计与制造技术研所
(ylchen_tju@tju.edu.cn)
第二章 模块化设计的基本概念
2.1 模块和模块化
模块(module)是指可组合成系统的、具有某种确定 功能和接口的通用独立单元。模块具有以下与一 般组件相区别的特征：
①模块是由一些零件(或和元器件)共同组成，能独 立存在的功能单元，它是系统的组成部分。
用模块化产品方案设计系统进行产 品方案设计的一般过程
用户要求
方案生成 模块选择
模块管理
模块 数据库
要设计新模块
模块组合 评价决策 N
满意 Y
输出
模块创建
模块 图形库
模块化设计的三个过程
市场需求分析
确定产品范围
功能分析
模块划分 N
满意？ Y
完成 a)
市场需求分析 确定产品范围
功能分析 模块划分 N
模块；主模块和辅模块
(1)功能模块 功能模块是具有相对独立的功能、并具有功能互换性的功能
部件，其性能参数和质量指标(常指线性尺寸以外的特性参 数)能满足通用、互换或兼容的要求。即两种或两种以上的 不同模块，在实用范围内具有同样的效能，或者说它们的 使用功能具有等效性和可置换性。 (2)(机械)结构模块 结构模块具有尺寸互换性的(机械)结构部件，其安装连接部 分的几何参数满足某种规定的要求，而能保证通用互换或 兼容。 (3)单元模块 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，是二者的综合体。例如电 子设备中的通用电源插箱、通用风机插箱、组合机床中的 动力头等。
②模块是包含一定系统功能的功能单元。特定模块 所具有的功能与组成系统的其他模块的功能是相 对独立的，它的功能的实现不依赖其他模块，也 不受其他模块的干扰，即模块间的锅台度最小。
③模块是一种标准单元，模块化结构具有典型性、 通用性和兼容性，这是模块与一般部件的主要区 别。
④模块具有构成系统的接口，接口是能传递功能。 ⑤模块在其功能和结构上具有相似性。
2.3 产品平台和产品族的概念
实现大规模定制产品开发的首要条件是从面 向单一产品转向面向系列产品。
系列产品中典型的、适合大规模定制的有效 形式就是产品族和产品平台。
产品设计与实现过程模型
产品模块化的基本类型
• 部件/零件/特征/接口通用 • 参数通用
产品模块化组合的基本类型
接口型模块化
– 基型模块是组成基型模块化产品所必须的模 块。
• 变型模块
– 变型模块是为了组成变型产品，在基型模块 的基础上，通过功能变异或尺寸变化所派生 出的模块。
(2) 单个产品的模块化设计的具体的 步骤
• 根据用户需求 • 确定参数 • 选择系列型谱 • 模块选择 • 模块（或和非模块）组装 • 分析计算 • 文件。
模块化系统的分类
（1）按产品中模块使用多少分类 ① 纯模块化系统 一个完全由模块组合成的
模块化系统。 ② 混合系统 一个由模块和非模块组成的模
块化系统。机械模块化系统多是这种类 型。
（2）按模块组合可能性多少分类
① 闭式系统 有限种模块组合成有限种结构 形式。设计这种系统时主要考虑到所有可 能的方案。
准化中的参数系列优先数系和模数数系） • 组合化：模块化产品的构成特性。
模块接口
• 模块接口：模块接口是有着相互结合关系的模块在结合部 位存在的具有一定几何形状、尺寸和精度的边界结合表 面。
结构模块组合时描述相互间几何、物理关系的结合面为 模块接口。 模块接口是模块可组合的依据。模块接口的 标准化决定着模块的通用化程度。
② 开式系统 有限种模块能组合成相当多种 结构形式。设计这种系统时主要考虑模块 组合变化规则。
（3）按模块实现一定功能分类
① 基本功能（相应模块称为基本模块） 是系统中基本的、经常重复的、不可缺 少的功能，在系统中基本不变。例如，车床中主轴的旋转功能，石油平台中 生活模块的居住功能等。
② 辅助功能（相应模块称为辅助模块） 主要指实现安装和连接所需的功能。例 如，一些用于连接的压板、特制连接件。
（１）矩阵的行：同一 规格的结构变型
（２）矩阵的列：主参 数变化
（３）同一功能主参数 规格大小的变化
第一列产品基本功能 的产品称为基型 产品
⎡ P11 P12 ... P1m ⎤
⎢ ⎢
P21
P22
...
P2m
⎥ ⎥
⎢. . . . ⎥
⎢ ⎣
Pn1
Pn2
...
Pnm
⎥ ⎦
模块基型与变型模块
• 基型模块
产品系统
产品2
…………
产品n
产品n
模块1 模块2 模块3 模块4
模块化产品结 构： 由于模块的标 准化、通用化、 系列化，使整 个产品系统的 组成模块数量 大幅较少，每 个模块的批量 大幅增加
分模 块1
分模 块2
分模 块3
2)产品矩阵
潜在市场调研和分析中可能的开 发的产品，按主参数及结构变型综 合在一个产品矩阵表中
满意？ Y 完成
a)
a) 模块划分过程 b) 模块创建过程 c) 方案设计过程
模块的设计要求
功能分析
原理解答方案
模块初步结构
N
满意？
Y 完成
b)
模块的设计
(1)模块的功能设计 1)模块功能属性的确定。 2)多个模块功能属性关系的确定。
(2)模块的结构设计
(3)模块的接口设计 1)模块接口的功能相接口方式。 2)模块接口在设计时应注意的问题 ①产品的模块化组件的接口属性。 ②同一产品模块化组件接口的标准化。 ③产品装配和拆除的难易程度。
整机考核
建立模块化生产管理系统
完成模块化系列产品设计
1）系列模块化产品研制过程的具体 的步骤
• 1）市场调查与分析 • 2）进行产品功能分析，拟定产品系列型谱 • 3）确定参数范围和主参数 • 4）确定模块化设计类型，划分模块 • 5）模块结构设计，形成模块库 • 6）编写技术文件
技术文件内容
技术文件主要包括以下内容： 编制模块组合与配置各产品的关系表，其中应包括
包括：
• 对产品系统进行模块化分析，划分模块 • 通过对模块的功能和结构设计使模块系列化、
通用化，并设计 标准的模块接口
• 根据用户需求拼合模块构成不同的产品。
模块化设计的步骤
模块化设计分为两个不同过程： • 系列模块化产品研制过程——根据市场调
研结果对整个系列进行模块化设计，是系 列产品研制过程； • 单个产品的模块化设计过程——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。
1)产品聚类 把同类相似的产品归总进行模块划 分，寻找其相同与相异的结构规律。产品包括 （１）企业已有的产品 （２）市场上销售的产品（包括样本、技术 参数、性能、价格）数据
产品1
产品聚类分析
产品系统 产品2
…………
传统产品结构： 随产品品种的增 加，零部件品种 恶 周性 期膨 长胀 ，。 生设 产计 批产品1 量小
力。为此模块应 具有通用性； 具有互换性； 满足产品系列化的要求。
(5) 具有能构成系统的接口。
模块的标准化原理
• 典型化：标准化前提，确定产品系统典型模式 （功能，结构）
• 通用化：模块化的基本特性，通过接口的输入和 输出实现
• 系列化：形成模块化系统的必要条件 • 模数化：模块尺寸互换和布局的基础（要符合标
• 接按照其转换、调整的功能，可分为4种 • a)零接口 不进行任何转换、调整，照原祥把输入
连接到输出 • b)被动接口 只用接受部分进行转换、调整 • c)能动接口 含有能动部分的接口 • d)智能接口 能适应变化情况改变接口条件
接口的方式
(1)机械接口 (2)电气接口 (3)机电接口 (4)其他物理量与电量的接口
模块
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。
模块的结构特点：模块组合应具有相 同的结合要素，包括联结部形状、尺 寸、联接件之间的配合或啮合参数等。
模块的特征
（1）模块应具有相对独立性。 相对独立的功能。 相对独立的结构。
（2）标准性。是一种标准单元，具有互换性和兼容性 （3）层次性。一级模块；二级模块，…，组件，零件… （4）模块能适应市场需求变化，具有对产品快速应变能
⑤ 用户专用功能 指某些不能预知的、由用户特别指定的功能，该功能由于其不 确定性和极少重复，专用模块结合由非模块化单元实现。
对整个产品系列而言，①—④功能的模块相应于纯模块化产品系统类型；⑤功能 的模块相应于混合产品系统类型。
加工中心的模块构成
模块化产品
• 由模块构成的系统统称为模块系统 • 由模块构成的产品称为模块化产品
模块化既是一种思维方式，也是一种产品开 发方法。在产品开发过程中，模块化是这 样一个过程；通过对某一类产品系统的分 析研究，把其中具有相同或相似功能的单 元分离出来，用标准化原理进行统一、归 并、简化，以通用单元(模块)的形式独立存 在，然后用不同组合规则将模块组合成多 种新产品的一个分解和组合的过程。
模块化设计中接口技术主要包括两个方面内容：
1，接口本身的设计/加工技术，包括接口的可靠性、可 装配性、加工工艺等；
2，模块化设计中接口的管理技术，包括标准化、编 码、接口数据库管理、模块组合可靠性测试等。
广义接口： 输入
模块
输出
接口的功能与接口方式
• 接口由两部分组成(1)物质、能量、信息的输入／ 输出部分；(2)转换、调整部分。
ᐙฒ໌ḞṞኦ块ặ ᐙฒᰦ换Ṟኦ块ặ ᅗ体ᦶᤉṞኦ块ặ ẦᷯṞኦ块ặ
总线型模块化 组合型模块化
• 接口型模块化：是指每种模块通过标准接口被连接到某个 位置。
共享型(component-sharing) ：是围绕公共基础构件来生成产品，通用电气公司设
计的断路开关箱利用该种方法用1 275个共享构件来代替28 000个独立零件，形成40 000种不 同配置的产品；
模块化设计流程
市场调查、分析用户需求
确定新产品开发任务
若
确定要进行模块化改造的产品并对其进行功能分析、功能分解与结构分
模
析
块
若
经
整
机
对该产品进行模块划分
考 核
经
不
考
能
核
对划分出的模块及其接口进行规范化、标准化、系列化
满
不
足
能
要
满
根据新产品开发任务确定的系列型谱开发尚没有的模块并进行系列
求
足
化
要
求
模块考核
• 模块化产品族：基型和变形模块化产 品的集合。根据组成结构模块系列不 同，产品族有横系列、纵系列、跨系 列产品族等几种形式。
2.2 模块化设计的定义
模块化设计有各种定义，具有代表性的定义为
对一定范围内不同功能或相同功能不同性 能，不同规格的产品在功能分析的基础上，划 分并设计出一系列功能和结构模块，使这些模 块系列化和通用化，并具有标准的模块接口； 用户需求通过模块的选择、组合构成不同产 品，以满足市场的不同需求的设计方法。