机械产品模块化集成设计方法研究

文章编号:1006-3269(2006)04-0025-05

机械产品模块化集成设计方法研究

祁卓娅,韩新民

(机械科学研究院,北京100044)摘　要:　分析总结了现有的模块化设计方法,并对其　　

进行了分类分析,将其归纳为侧重功能的模块化设计方法和基于结构的模块化设计方法两类,并总结了其不足之处.在此基础上,提出了一种集成式的模块化设计方法,以流程图的形式描述了该集成式方法的内容和步骤,阐述了该方法的特点.

关　键　词:　机械产品;模块化;集成式模块化设计方法

中图分类号:　TH12　　　文献标识码:　A

的产品进行功能分析的基础上,创建并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合构成不同的产品,以满足市场不同需求的设计方法.

2　现有模块化设计方法研究

目前,对于产品的模块化设计方法,不同的专家学者从不同的角度都进行了一定的研究.总的来说,可以归纳为两大类:一是侧重功能划分的模块化设计方法,这种模块化设计的方法,主要是从系统的观点出发,将整个产品系统划分为各个相对的功能单元,通过对模块的不同选择和组合来构成满足顾客需求的不同产品.在这种方法中,对于模块内部的结构没有作为重点来考虑;另外一种方法侧重于产品或零部件的形状结构的分类.该方法侧重零部件形状结构的分析,对于产品构成简单,但某个零部件形状结构较复杂的单件、小批量的产品,则显得比上面提到的以功能划分为主的设计方法具有优势.2.1　侧重功能分解的设计方法

当今市场变化迅速,企业必须不断应用新技术以快速适应变化的市场环境.能够快速生产顾客满

意的低价位、高质量产品成了企业成功的关键.面对如此紧迫的形势,企业为了在快速发展的全球市场中占有一席之地,纷纷采取相应的应对措施和手段.模块化设计通过产品结构、设计过程的重组,以大规模生产的成本实现了用户化产品的批量化生产及大规模生产条件下的个性化,允许企业通过改进产品的某些零件来快速形成新型产品.模块化设计越来越为企业所关注.

1　模块化设计的基本思想

产品的模块化设计开始于20世纪初,德国一家具公司设计了几种不同尺寸的架体、底座和顶板,用它们可以组成不同规格尺寸的“理想书架”,这就是目前所知的最早模块化设计方法[1].到20世纪50年代“模块化设计”概念被正式提出,它是指在对一定范围内不同功能或相同功能不同性能、不同规格

收稿日期:2006-11-15

作者简介:祁卓娅(1981-),女,河北保定人,硕士,工程师,主要研

究方向为产品模块化设计和制造技术.

对于侧重功能划分的模块化设计方法的研究工

作比较多.在库斯卡(Kusiak)的文章中,表达了一种集成的模块化设计,主要是指产品和过程的集成.主要是对分解、集成和评估部分作了讨论.萨姆瓯斯可(Zamirowski)和奥托(otto)提出了一种整体式的方法,在这种方法中,对关于市场和一系列顾客应用中的性能目标值多样性进行了检验,旨在为模块化设计服务.“需求分析,功能分解,探索式集成和评估”是他们研究的一般结构.撒尔赫(Salhieh)和卡姆尼(kamrani)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(集成).他们提出了连接方法中各步骤的结合度.乔(Jiao)和特森(tseng)发展了一种模块性的系统规

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　成组技术与大批量定制学术研讨专题论文　

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的阶段.在研究中,厄恩斯(erens)和沃尔户斯特(verhulst)1997年提出了一种与乔(Jiao)和特森(tseng)的方法相似的方法(功能领域、技术领域、物理领域),来解答如何实现模块性和整体性的问题.在这里他们组织了这样的流程:分解、分配、集成和验证[2].

从以上的研究当中,我们重点描述以功能分解为主的模块化设计的一般方法.如图1所示:

位,是因为它们对产品的主功能没有影响.这也就是说,一个产品可以缺少一个或多个一般功能要求,但是,它仍然可以看作是一个功能产品,可以满足延伸功能.一般功能要求应该用它们的重要性来衡量.

(3)在对产品的各个不同层次的功能确定完之后,要对产品进行分解.产品/概念分解包括产品物理分解和产品功能分解.在产品的物理分解中,产品分解为基本的物理元件,这些物理元件集成后可以实现产品功能.物理分解将确定基本元件,这些基本元件必须被设计和选用以执行产品的功能;产品的功能分解描述了产品的总功能,并确立了元件的功能,同时还确立了功能元件之间的分界面.

(4)产品/概念集成.在分解过程中的基本元件应排列成块,集成到一个功能系统中去[3].

(5)方案评估.方案的评估既是方案选用的依据,也是决定是否需要再设计的前提,评价在设计过程中起着非常重要的作用.模块化设计方案的评估有下面两种类型———可行性评价(单项指标评价)和综合指标评价.在单项指标评价的额基础上,对指标体系进行综合评价,评选出一些总体上较为满意的方案.评价方法主要可分为3类:基于数学分析的系统化评价方法、实验评价方法及基于现代信息技术的仿真评价方法.2.2　基于结构特征的设计方法

基于形状结构特征的产品模块化设计方法,代表性的研究是德国西门子公司工业汽轮机.国内学者在这方面的代表性研究是浙江大学的祁国宁教授的模块化设计的思想.下面简单介绍一下侧重产品形状结构特征的模块化设计思想.

如图2所示,与前面提到的以功能分解为主的自上而下的模块化设计方法相比,这种侧重形状结构特征的模块化方法是自下而上的.

(1)首先是对零部件的形状特征进行分析.通过对零部件几何形状的分析,发现相似的零部件族,在对零部件功能分析、约束分析的基础上,提出有代表性的标准模块,使其能满足零部件的功能要求和约束要求,为模块的变型设计提供图形基础.

(2)对上节中形成的标准模块进行参数分析.应该通过参数化分析和优化,尽可能减少可变参数的数量,为将来的模块建模打下基础.

(3)建立零部件主模型.零部件主模型利用一些关键的参数来描述零部件的外型以及各尺寸之间的

《成组技术与生产现代化》2006年第23卷第4期　

图1　以功能分解为主的模块化设计流程

(1)该方法一般是始于顾客的需求分析.通过对

收集到的信息进行分析来确定顾客对产品特征和功

能的喜爱程度.一般通过QFD(质量功能配置)技术,将顾客需求转化为产品技术说明,把一些不清楚的、欠明了的顾客需求转化为可以指导产品设计的设计说明.

(2)产品要求分析.利用上一步需求分析的结果来定义产品要求.设计人员应准备一系列的功能目标,用以满足顾客的首要需求.顾客需求的进一步分析揭示了产品的操作功能要求,此操作要求包括关于设计的功能和物理两方面的.顾客的第二要求将被分类为一般功能要求,它们之所以排在第二

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联系.

首先来分析“侧重功能分解的设计方法”,其优

点是:①充分调查和分析了顾客和市场需求,能够较准确地把握产品的顾客群和市场定位,便于迎合市场及顾客的需求;②从整个产品角度着手,系统性很强;③提供了方案评估方法,有利于检查设计的优劣程度.但是该方法也存在一些问题:①在模块化设计之前没有对产品是否适合进行模块化设计进行分析,存在一定的盲目性;②没有事先确定明确的工作目标,缺少针对性;③该方法着重分析分解产品的功能,没有考虑结构方面的问题,具有一定的局限性.“基于结构特征的设计方法”优点是:①充分分析了产品及其零部件的结构,利于产品的变型设计;②建立了产品的主结构,利于快速配置新的产品.该方法存在的问题主要有:①与“侧重功能分解的设计方法”相同,该方法同样缺少模块化工作的可行性分析;②该方法主要是适用于产品的变型设计,适用范围比较窄.

3　机械产品模块化集成设计方法

图2　侧重形状特征的模块化方法

综合分析上述两种方法可以得出:①它们对模块化工作可行性问题的考虑是有限的或没有考虑.换句话说,没有真正检验模块化设计的需求,而都是假设需要进行模块化设计;在模块化流程之前,没有对现有产品的模块性水平进行评估;②除此之外,模块化工作的具体目标没有明确,缺少针对性;③这两种方法适用范围有限,存在一定的局限性.

基于以上存在的问题,研究认为有必要开发一种新的集成式的机械产品模块化设计的方法.3.1　模块化集成设计方法的框架模型

与前面提到的研究相比,本文提出了一种集成式模块化方法,该方法针对不同的设计对象有不同的设计流程,由此扩展了传统的模块化设计流程的边界.下面来阐述一下该方法:

首先,对将要进行模块化设计的产品进行可行性分析.本文采用问卷调查的方式,通过计算积分的方法来进行(在后文中将详细介绍),如果可行则继续,否则放弃模块化设计方案.在确定了可以进行模块化设计之后,要对现有产品的模块性程度进行评估,以确定如何对产品进行模块化设计.接下来,一个很重要的工作就是确定模块化的工作目标,是着重于产品结构变型设计,还是根据顾客的需求定制,亦或是已有产品的模块化改造设计?只有确定了具

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(4)建立产品主结构.产品主结构描述了一个可

配置的、包括所有标准构件的模块化产品系统的组成情况.可以根据不同客户的需求,从产品主结构中派生出客户定制产品的结构.根据派生出来的客户定制的产品结构选择模块,组成客户定制的产品[4].2.3　两种方法的优缺点分析

上面所提到的关于模块化设计方法的研究,从系统论的角度研究开展模块化设计的一般方法和过程,为针对不同的产品进行模块化设计提供了一种基本思路.然而更多学者是从产品设计的某一特定角度或阶段来研究模块化的实施方法和技术的.

对机械产品进行模块化设计和开发,可以归结为3种情况:一是面向整个新产品的模块化设计;二是面向产品的变型设计;三是面向已有产品的模块化改造设计.对于第一种情况来说,前面提到的以功能分解为主的模块化设计方法比较适合,因为它从整个产品角度着手,系统性比较强.而对于第二种情况,以形状特征为主的模块化设计方法更适合一些,因为该方法没有过多地去系统考虑整个产品的分解,而是把着眼点放在了零部件的标准模块建模上,更有利于典型零部件的模块化变型设计.

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体的工作目标,才能选择更合适的方法来有效地完成模块化的工作;要根据具体的产品和工作要求来确定模块化工作目标,做到有的放矢.在确定了工作目标之后,要选择合适的模块化流程来进行模块设计和开发,最后要对模块化结果进行效果评估,如果没有达到预期的效果,就需要重新进行模块化流程的选择来重新设计,直至达到设定的工作目标.

在这种集成式方法当中,模块化设计流程可以从3个不同的方面来进行选择:基于顾客的、基于结构变型设计的和基于已有产品模块化改造的设计.根据模块化的工作目标以及选择的产品或产品族,就可以选择合适的模块化流程,从而增加了这种集成化方法的柔性及可对比性.这种集成式的方法框架见图3.

方面:

(1)分析了产品模块化可行性.即模块化不是所有产品的“灵丹妙药”,它并不是无条件的适用于所有产品.所以很有必要在对产品进行模块化工作之前,对其进行可行性分析.在这里,采用调查问卷的形式来找到对产品或产品族进行模块化是否合适的一种度量.

问卷采用了1(强烈不同意)到5(非常同意)的一种5点利克特(Likert)刻度,每个值之间的距离是相同的,其中一些问题对于模块性的合适程度有负面的影响.将最终计算的总分数放在一个百分制的刻度上,总分数所在的位置则表明了模块性的合适程度.具有高于平均分的合适产品族将适合于进行模块化设计,否则将意味着不再继续,即放弃模块化设计这种方法.

(2)模块性评估[2].在论证了模块化的合适程度之后,接着要对产品如何进行模块化进行分析.同样采用问卷调查表的形式来评估产品模块性程度.问卷也采用了1(强烈不同意)到5(非常同意)的一种5点利克特刻度,将总分数放在百分制刻度上,分数的所在位置表示了模块化的程度.当产品中具有高于平均分数的模块化度时,产品将接受模块化设计.

同时,根据顾客化需求,对模块化策略的模块化结构做必要的改动.具有很低的模块化度,但具有高的模块化合适度的一个产品是将其结构由整体性变为模块化的很好的例子.模块化的程度不应该与模块性合适度分析相混淆,例如,一个产品具有很高的模块性合适程度,但它可能是一个完全的整体式结构.产品的模块化程度与产品适合模块化程度结合起来出现的结果如图4所示[2].

图3　集成式模块化设计流程

3.2　集成式方法的特点

图4　产品模块化程度示意图

本文提出的集成式模块化设计方法与前面归纳

总结的两种方法相比,其优势突出表现在以下几个

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尽管对产品的模块化程度与产品适合模块化程

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度结合结果有了一个清楚的分类划分,但是,可以根

据不同的具体情况对分界线进行轻微的改动.并且,对于产品模块化程度和适合进行模块化程度的分数的改动应及时进行追踪.

(3)产品模块化工作目标的确定.即在开始工作之前,必须明确我们希望通过模块化工作来达到什么样的目标.只有确定了工作目标,才能有的放矢,做好工作计划,为成功实施模块化的工作奠定基础.

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IntegratedModularDesignMethod

forMechanicalProducts4　结　语

本文分析总结了现有的模块化设计方法,并对其进行了分类分析.在此基础上,提出了一种集成式的模块化设计方法,该方法考虑了模块化工作的可行性问题,并对现有产品的模块性水平进行了评估.该方法由于事先明确了产品模块化工作的目标,所以具有较强的针对性和可操作性.同时,对模块化的对象进行了分类,扩展了设计方法的适用范围,增加了方法的柔性,并以流程图的形式描述了该集成式方法的内容和步骤.

QIZhuo2ya,HANXin2min

(ChinaAcademyofMachineryScienceandTechnology,Beijing100044,China)

Abstract:Thispapersummarizestheexistingmodulardesignmethods,andconcludesadisaggregatedanalysisofitsgroupedintotwocategories:focusedonthestructureandfunctionofthemodulardesign,andsumsuptheirdeficien2cies.Onthisbasis,anintegratedmodulardesignmethodisputforword,intheformofaflowchartthatdescribesthecontentandintegratedsteps,andadetailedexplanationofthemethodofcharacteristics.

Keywords:mechanicalproduct;modularization;integrat2edmethodofmodulardesign

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(上接第24页)

ResearchonNumericalControlEquipmentComparabilityEstimation

GONGLin,SUNHou2fang,GAOZhen2qing

(SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology,

Beijing100081,China)

备较多、工艺人员水平不高的情况下,及时给出相似的机床供工艺人员和调度人员参考,具有重要的指导意义.

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Keywords:numericalcontrolequipment;comparabilityestimation;capabilitymodeling

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