1模块化设计基本概念

产品的模块划分及综合的过 程就是产品的模块化设计
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模块综合的过程
用户
设计任务输入 存在所需 产品 满 意
查询产品库 设计任务分解
模块综合的过程
模块参数化修 改
不满意
模块选 择
布局选 择
人工选择 模块创建 基型
筛选匹 配程度 最大者
否
所有所需 模块均已 找到
否
布局合理
是
模块创建
是
模块创建系统
模块组合 运动仿真、方 案评价
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模块化设计如何实现产品定制？
产品系统 传统产品结构： 随产品品种的增 加，零部件品种 恶性膨胀。设计 周期长，生产批 量小（正金字塔 结构）
产品2
产品1
产品n
…………
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产品系统
产品1
产品2
…………
模块3
产wenku.baidu.comn
模块1
模块2
模块4
分模 块1
分模 块2
分模 块3
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。倒 金字塔结构。
机械产品模块化设计
主讲教师：陈永亮
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第1章 模块化设计基本概念
一、现代机械产品组成分析 二、产品模块化的基本类型 三、模块化设计的基本内容 四、模块化设计的优缺点 五、模块化设计发展概况
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一、现代机械产品组成分析
现代机械产品系统模型

能量2 物料2 信息2
基于模块矩阵的模块规划模型 21
模块化设计在产品系列中覆盖的程度和形式
横系列模块化
同一规格基础在变型产品范围内进行模块化设计（矩阵 中的一行）
纵系列模块化
对同一类型不同规格基础产品进行模块化设计（主参数 变化）矩阵中的一列。
跨系列和全系列模块化
覆盖不同规模和变型产品。（矩阵中的某几行或全矩 阵）
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模块化设计如何加实现快速开发？
模块的批量化
模块可以有确定成熟的工艺流程 和工艺装备，提高生产率，缩短 制造周期。 模块的标准化 – 对于长周期、高难度的模块，可 进行适当储备，需要时直接调用 拼装，可大大缩短产品供货周
–
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模块化的产品结构，便于组织专业化生
产和社会化协作 – 模块交由专业厂进行专业化生产，可 进一步实现批量化，缩短生产周期 – 整机厂加大了外购、外协模块的数 量，而减少了自行设计、制造的工作 量，从而缩短了产品制造周期
结构，通过对关键技术环节的更新。可 逐步实现企业的技术改造。在生产任务 变化时，模块化的生产线可实现快速的 重组，从而满足多品种小批量条件下的 大规模快速制造
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一个实例
–
波音公司所生产的飞机由450万个零部 件组成，这些零部件以模块的形式分 散在美国和世界各地的1600家企业生 产，而波音总公司的主要工作是整机 的组装和新产品的开发，由于1600家 企业的平行作业，大大缩短了产品的 交货周期和新产品的开发周期。
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三、模块化设计的基本过程
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，以构成不同的产品， 满足市场不同的需求，这种设计方法称为 模块化设计。
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模块、模块化产品
按功能和模块化设计的观点： 实现分功能的载体叫做模块（模块部 件） 实现总功能的载体叫做模块化产品 模块（模块部件）的结构特点：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
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四、模块化设计的优缺点
模块化设计的优点
减轻设计工作量，设计人员主要精力用于产品
和技术创新 适应大批量生产产品的个性化和单件小批量产 品的批量化生产，适应大规模定制生产 扩大生产批量，适用先进工艺技术进行柔性生 产，降低成本 提高产品质量，便于维修，增大部件、零件互 换性
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模块化设计与产品创新 •通过模块划分过程的分析与评价，改 进模块结构实现产品创新： *引入新功能的模块 *引入新技术的模块 *引入新结构的模块 *引入新材料的模块
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两种模块化设计过程
•新产品系列模块化设计 •适应性模块化设计
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新产品系列模块化设计过程
市场调查、分析用户需求 确定新产品的开发任务 若 模 块 经 考 核 不 能 满 足 要 求
若 整 机 经 考 核 不 能 满 足 要 求
功能分析
模块规划
模块设计
模块考核
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
的总功能均可分为若干个分功能或基本 功能－－功能分解 功能－－功能组合
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加工中心类机床功能结构
刀具安装 动力 切削 传动 支承 动力 进给(Z) 传动 支承 导向 切削工件 动力 Y向移动 传动 支承 导向 动力 X向移动 传动 支承 导向 工件安装 工作台 电机 主轴系统 主轴箱体 电机 滚珠丝杠 立柱 导轨 电机 滚珠丝杠 滑座 导轨 电机 滚珠丝杠 床身 导轨 刀卡 子功能1 子功能2 子功能3 子功能4 子功能5 子功能6 子功能7 子功能8 子功能9 子功能10 子功能11 子功能12 子功能13 子功能14 子功能15 子功能16 子功能17
模块考核
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
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产品模块化制造
模块化制造是在产品模块化设计基础 上发展起来的 •产品按模块为单元组织生产 •生产模块组件、部件的制造系统或装备 是模块化的结构。从而可根据产品模块 的变化重组或改组柔性生产线 •产品按模块进行管理
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产品模块化制造
模块化制造是近年提出来的一种制造哲理，1993年 最早见诸于文献，由英国的Rogers提出和研究。日本的 Tsukune研究了智能制造系统中的模块化制造。David M Anderson在“21世纪企业竞争前沿：大规模定制模式下的 敏捷产品开发”中从模块化定制到产品的模块化设计和制 造作为其低层技术，使企业能： 极其迅速的开发模块化产品 对变化的市场和机遇做出敏捷的反应 具有面向客户的竞争优势 具有获得额外收益的机会 更低的间接成本 用户满意度的提高
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•模块的组合 面向不同客户拼组出实现新功 能的产品——组合创新： *功能组合 *技术组合 *新结构组合
通过模块的升级换代逐步使产品升级 换代，实现快速响应客户需求
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模块化产品创新的实例
日本索尼公司在“随身听”产品的创新中，根据不同消费者 的偏好和消费习惯，有针对性地推出不同风格和类型的 “随身听”，形成一个庞大的“随身听”创新产品集群。 索尼公司之所以能在短时期内推出这么多种“随身听”产 品，是因为对产品的创新中采用了模块化设计技术，即在 不改变主要生产技术和产品元件的条件下，通过局部变动 产品设计改变产品的一些辅助功能。 例如，为满足儿童使用需求而使产品更小巧，为满足在运 动中使用的需要而提高产品的防振性能，为满足在海滩娱 乐中使用的需要而增加防水性能等。 在进行这些局部变动时，产品的一些主要结构和元器件， 尤其是利用企业关键技术生产的元器件，如微电机、超薄 机身，“口香糖型”充电电池等都是不变部分。
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模块的划分
可将产品从任意层次上进行划分，形成
该级的模块，模块的层次越低，模块越 简单，通用化程度越高。由于模块数量 的剧增，装备的管理及费用也增加。 系列、通用化较高的产品，应以组件为 模块，以扩大模块的通用化范围（如计 算机，家电，汽车等）。对系列、通用 化较低的产品宜以部件为模块（如机 床，工程机械等）。
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适应性模块化设计过程
市场调查、分析用户需求 确定新产品开发任务 若 模 块 经 考 核 不 能 满 足 要 求 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 析 若 整 机 经 考 核 不 能 满 足 要 求
对该产品进行模块划分
对划分出的模块及其接口进行规范化、标准化、系列化 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 化
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模块化产品
由模块构成的系统统称为模
块系统或称组合系统 由模块部件构成的产品称为 模块化产品
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模块化设计的基本过程
模块划分 模块规划 模块综合 模块接口分析
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模块的划分
任何产品均可划分为若干级
模块部件或组件，划分的原 则是强调功能的独立性。模 块是实现某个独立功能或分 功能的载体，按功能划分的 产品模块叫功能模块
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设计层次 系统级
系统构成框图
产品类型 工程系统
生产批量 ＋
模块级 （板级） 元器件级 （片级）
产品（系统） ＋＋
模块部件
＋＋＋
标准件级
元器件 标准件
＋＋＋＋
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模块化设计如何实现绿色制造？

模块作为通用部件，在投入使用前一般均经过试用和实践验 证，并反复修改优化；作过各种测试和试验；经过若干专家 的会审或鉴定，是集体智慧的结晶；可重复使用。 对同一功能的产品，由于模块化可缩减设计、制造周期，简 化管理，可极大降低成本，取得好的经济效益； 对于同一种新产品，由于模块化可提高产品的质量、可靠性 和维修性，延长了产品的寿命周期，显著提高产品使用性 能，从而提高了产品的价值。 以模块化方式开发新产品，成本增加不多，新功能、多功能 产品会迅速涌现，在及时满足消费者的多样化需要的同时， 还有效地占领了市场 对于模块化产品，通常只有部分模块的技术过时，故仅需更 新被淘汰的模块，就可使这类产品获得新生，从而大大提高 了该类产品的价值寿命； 模块化结构的维修性好，且易于以新模块代替旧模块，因而 具有良好的造价/维护费用比；
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产品系统的构成
产品系统
产品2
产品1
产品n
…………
4
产品结构模式
5
产品系统设计过程模型
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二、产品模块化的基本类型
部件共享模块化 部件互换模块化 组合模块化 混合模块化 总线模块化
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• 组合型模块化系统中，通过标准接口，模块可以多种方式 自由组合构成产品变型。 • 在总线型模块化系统中，具有标准接口的模块允许各种模 块在各个位置连接到基准模块上。 • 槽型模块化是指每种模块通过标准接口被连接到某个位 置。槽型模块化又可以分为部件共享(component-sharing)模块 化、部件互换(component-swapping)模块化、适应模块化(cutto-fit)和混合(mix)模块化等几种类型。
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模块化减少了零部件种类和材料的种
类，除了可缩短生产制造周期外，从管 理角度看，又可极大地提高管理效率。 它缩减了各个生产管理环节的工作量， 缩短了生产准备周期，提高了原材料及 标准部件等的采购及库房管理效率。这 些管理工作内容的简化和效率的提高是 缩短产品交货期的重要环节。
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企业的生产设备及生产线如采用模块化
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模块划分数目的确定
模 块 划 分 数 目 的 影 响 因 素 •模块单元制造成本 •模块化产品装配成本
成本或工作量 总成本 装配成本
最小成本区M M
成本/模块 模块数量 模块数目与成本或工作量
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加工中心机床的模块划分
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模块划分的实质 ——产品的功能、功能分解、功能组合
系统或者产品都是为了实现某些功能 – 房屋－－居住、办公、娱乐、消遣 – 汽车－－交通 – 冰箱－－为了保鲜 – 洗衣机－－洗衣 系统论的功能观点：任何复杂技术系统
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模块化产品规划 ——按矩阵方法把模块和产品组织起来
结构变化
产 品 矩 阵 MP
MP 11 MP 21 ... MP m 1
MP 12 MP 22 ... MP m 2
... ... ... ...
MP 1 n MP 2 n ... MP mn
尺寸变化
得到系列化的产 品
自上而下的规划过程（设计要求的传递）
自下而上的设计过程（设计的实施）
不同模块
基 型 模 块 矩阵 Mb
m 11 m 21 ... m m1
m 12 m 22 ... mm2
... ... ... ...
m1n m 2n ... m mn
模块化产品矩阵
变型
MP MP 11 12 MP MP 21 22 MP= ... ... m1 MP m2 MP
... MP 1n ... MP 2n ... ... ... MP mn
规格大小
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什么是模块综合？
选择具有不同分功能的模块， 评价其组合可能性和合理性，进而 组合成具有特定总功能的产品称为 模块的综合。模块的综合就是产品 的组合过程。
尺寸变化 尺寸变化
得到系列化的模 块
第 i 个 模块的 系列化 矩阵Mi
结构变化
m 1i m 2i ... m mi
1 m1 i m1 2i
... ... ... ...
... m1 mi
m 1ki k m2 i ... k m mi
进行第i个模块的 系列化设计