（机械工程专业论文）混凝土输送泵模块化设计方法研究.pdf

摘要 目前全球仍受经济金融危机的困扰，但中国经济的发展依然极快，在经济紧缩时，国 家将被迫实施扩张性财政政策，且相当部分国家投资将用于基础建设上，而基础建设与建 筑机械紧密联系，将为建筑机械提供丰厚的市场。目前，国内主要的工程机械企业的技术 水平已趋向相互接近，生产设备条件趋同，在激烈竞争的市场上，企业要想取胜，必须制 定设计创新策略，以创造性主导市场潮流，才能在竞争中取胜。因此，研究设计新理论、 新方法，成为时代的要求。 近年来，“模块化产品”的概念在市场得到推广，极少数企业已经应用于产品的设计 以及生产应用上，而且取得巨大的收益，但大多数企业还只是刚刚开始接受现代工业设计 的基本理论，对工业设计中的“模块设计”新方法几乎一无所知。本文叙述了将模块化技 术应用到混凝土输送泵c l g h 8 80 0 c 系列产品的设计，提出了课题研究的内容，明确了课题 的研究目的，并介绍了课题的研究背景，该机型在设计过程中比较注重整机的“标准化、 模块化以及系列化”，为今后的设计、制造、生产和销售打下良好的基础，也为日后的生 产工作提供了可供借鉴的模版。 论文的主要工作如下： 第一章绪论。对产品模块化和系列化作了简要概述；介绍一了模块化设计在其他领域 的应用；最后给出了c l g h 8 8 0 0 c 型混凝土输送泵的产品平台，介绍输送泵模块化设计的原 理和方法，总结了混凝土输送泵系列产品采用模块化设计的主要：特点。 第二章提出了模块化设计的基本原理和方法。明确了模块化设计模块划分的基本原 则，重点阐述了模块划分的一些主要方法，为混凝土输送泵进行模块化设计提供相关理论 知识。 第三章提出模块化输送泵设计规划。在企业已有资源的约束下，要在尽量短的时间内， 向用户提供低成本、高质量、满足客户个性化需求的产品，是企业在竞争中取胜的关键。 本文就是以此为出发点，着重分析了混凝土拖泵在设计时，如何重用对各部件模块化的划 分，为生产和销售打好基础。 第四章提出了模块化设计与p l m 系统集成。w i n c h i l lp l m 作为柳工企业技术信息化 i i 管理的主要部分，在产品设计过程中己经得到应用。应用w i n c h llp l m 系统来管理产品 数据信息，采取模块化的产品配置设计，为柳工建立了产品模块化配置选择库，从而快速 配置设计符合消费者个性化需求的混凝土机械产品，并在产品配置数据库中保存产品生命 周期中的各种数据，满足了企业快速定制化设计和大批量定制生产的要求。 第五章提出了输送泵整机部件模块划分与分解，对输送泵进；行系统的分析和总结，建 立输送泵基型产品矩阵、变型产品矩阵和全系列产品矩阵，并对输送泵基型产品进行纵、 横系列产品拓展，再对基型模块进行横系列扩展，完成输送泵模块化设计的全系列产品的 构建。在混凝土输送泵各个系统的主要模块化设计过程，模块化的准确划分的对日后功能模块的完善 或增添能起着承上启下的作用。 第六章总结全文的研究内容及工作，并展望今后工作发展方向。 关键词：模块化产品；模块化设计；标准化；模块化；系列化；混凝土输送泵；模版 i i i 目次 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ _ - _ _ _ _ - _ - 一_ _ _ _ - - - - - _ 一 a b s t r a c t a l t h o u g ht h ec u r r e n ts t a g n a n tg l o b a le c o n o m i ca n df i n a n c i a lc r i s i s ，c h i n as t i l li sk e e p i n g a h i g hs p e e do fd o m e s t i ce c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ec o u n t r yi sn o wi r 叩l e m e n t i n ge x p a n s i o n a r y f i s c a lp 0 1 i c y ，a n dac o n s i d e r a b l ep a r to ft h es t a t ei n v e s t m e n tw i l lt ) eu s e df o ri n f h s t m c t u f e ， w h i c hi sc l o s e l yc o n t a c to fc o n s t l 7 u c t i o nm a c h i n e r y je n g i n e e r i n gm a c h i n e r 、n i tw i l lp r o v i d e 1 u c r a t i v em a r k e t a tp r e s e n t ，t h em 萄o rt e c h n o l o g i c a lc o n s t m c t i o nm a c h i n e r y ， p r o d u c t i o n e q u i p m e n t ， c o n d i t i o n a l c o n v e 略e n c e o f e n t e 印r i s e s i so nt h es a m el e v e l i nt h eh i 曲l y c o m p e t i t i v em a r k e t ，c o m p a n i e sw 锄tt os u r v i v e ，m u s td e v e l o pi 1 1 1 1 0 v a t i v es t r a t e g i e sd e s i g n e dt o w i ni nt h ec o m p e t i t i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d y i n gd e s i g no ft h en e wt h e o r i e sa i l dm e t h o d s ，i st h e r e a u i r e m e n t so ft h et i m e s i nr e c e n ty e a r s ，m o d u l a rp r o d u c t ，t h ec o n c e p ti sn o wb e i n gp r o m oc e di nt h em a r k e t ，b u tv e r y f e wc o m p a n i e sh a v ea p p l i e dt op r o d u c td e s i g na n dm a k eg r e a tg a i n s m o s to fe n t e 印r i s e sh a v e o n l yj u s ts t a r t e dt oa c c e p tt h eb a s i cm e o r yo fm o d e mi n d u s t r i a ld e s i g n ，m o d u l ed e s i g l li n i n d u s 扛i a ld e s i g n ，a l s o ，s o m eo ft h e ms t i uk n o wl i t t l ea b o u tt h en e wm e t h o d t h i sp a p e rd e s c m e sm em o d u l a rt e c h n 0 1 0 9 ya p p l i e dt ot h es e r i e so fp r o d u c to fc o n c r e t e p u m p ，c l g h 8 8 0 0 c ，t h ec o n t e n to fp r o p o s e dr e s e a r c h ，t h ep u r p o s eo f t h es t u d ys u b j e c t s ，a n dt h e i n t r o d u c t i o no ft h er e s e a f c hb a c k g r o u n d d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，i tp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h e w h o l e 】a c h i n es t a n d a r d i z a t i o n ，m o d u l a r i z a t i o na n ds e r i a l i z a t i o n ；t 1 1 ed e s i g np r o v i d eas o l i d f o u n d a t i o nf o rp r o d u c t i o na 1 1 ds a l e s t h ed i s s e n a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r ，i ti sb r i e fi n t r o d u c e dt h em o d u l a d z a t i o na n ds e r i a l i z a t i o n ， a p p l i c a t i o n i no t h e rf i e l d s s u m m a r i z e st h et h e o r ya 1 1 dm e t h o du s e di ns e r i e so ft b ec l g h 88 0 0 cc o n c r e t e p u m p i nt h es e c o n dc h a p t e r ，i ti sp r o p o s e dt h em o d u l a rd e s i g no ft h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dm e t h o d s t h em o d u l a rd e s i g nm o d u l ep a n i t i o no fb a s i cp r i n c i p l e ，e l a b o r a t e dw i t he m p h a s i st h em o d u l e p a r t i t i o no fs o m eo ft h em a j o rm e t h o d sf o rc o n c r e t ep u m p ，m o d u i a rd e s i g nt op r o v i d et h e r e l e v a l l tt h e o r e t i c a lk n o w l e d g e i nt h em i r dc h 印t e r ，i ti sp r o p o s e dt h em o d u l a rp u m pd e s i g na n dp l a n n i n g i ne x i s t i n g e n t e 印r i s er e s o u r c e sc o n s t r a i m sa n dt h es h o r t e s tp o s s i b l et i m e ，i no r d e i t op r 0 v i d eu s e r s w i t l ll o w c o s t ，h i g hq u a l i t y ，m e e tc u s t o m e rd e m a j l df o rp e r s o n a l i z e dp r o d u c t sw h i c hi st h ee n t e r p r i s ei n t h ec o m p e t i t i o nt ow i nt h ek e y t h i sp a p e ri st ot a k et h i sa sas t a 一：i i l gp o i n t ，f o c u s e so nt 1 1 e a n a l y s i so f 廿l ec o n c r e t ep u m pi nt h ed e s i g n ，h o w t or e u s et h ec o m p o n e n t so fm o d u l ed i v i s i o n ，t o l a yag o o df o u n d a t i o nf o r t h ep r o d u c t i o na i l ds a l e sd e p a r t m e n t s i nt h ef o u r t hc h 印t e r ，i ti s p r o p o s e dt h em o d u l a u rd e s i g na n dw i n c i l lp l ms y s t e m i n t e g r a t i o n w i n c h i l lp l ma sl i u g o n ge n t e 印r i s e 、st e c l l l l 0 1 0 9 i c a li n f 0 咖a t i o nm a n a g e m e n t p r i n c i p a lp a r t ，i nt h ep r o d u c td e s i g np r d c e s s i t h a sb e e na p p l i e d a p p l i c a t i o no f1 v 昕n c h i up l m s y s t e m t ot h em a n a g e m e n to fp r o d u c td a t ai n f o 珊a t i o n ， a d o p t i ：n g t h em o d u l a r p r o d u c t c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，h a se s 切b l i s h e dam o d u l a rp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd 撕b a s e ，t h e r e b yf a s t c o l l f i g u r a t i o nd e s i g na c c o r d i n gt o c o n s u m e r s 、d e m a n df o rp e r s o n a l i z e dc o n c r e t em a c h i n e r y p r o d u c t s ，a n dp r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd a t a b a s et os t o r et h ep r o d u c tl i f ec y c l ei nav a r i e t yo fd a t a ， t h ee n t e 印r i s et om e e tt h er a p i dc u s t o m i z a t i o nd e s i g na n dm a s sc u s t o m i z a t i o np m d u c t i o n r e q u i 陀m e n t s t v 目次 i nt h ef i n hc h a p t e r ，i ti sp r o p o s e dm o d u l a rd i v i s i o na u l dd e c o m p o s i t i o n ，s y s t e ma n a l y s i s a n ds u m m a r yo fm ep u m pp a i r t s ，e s t a b l i s h e so fp u m pt y p ep r o d u c tm a t r i x ，v a r i a n tp r o d u c t m 撕xa j l dm ew h o l es e r i e so fp r o d u c t sm a t r i x ，a n dt h ep u m pb a s i ( ：p r o d u c t sa r el o n g i t u d i n a l ， t m n s v e r s es e r i e s e x p a l l s i o n ， t h eb a s i cm o d u l et r a n s v e r s es e r i e s e x p a n s i o n ，c o m p l e t em e c o n s t n j c to ft h em o d u l a rd e s 培no ft h ew h o l es e r i e so fp r o d u c t s i nm ed e s i g np r o c e s so f c l g 8 8 0 0 c ，i tp l a y e st h ei m p o r t a n tr o l eo fc o l l i l e c t i n gm t u r el i n ko fm n c t i o n a lm o d u l e s i m p r o v e so ra d d s i ns i x t hc h a p t e r ，a l la c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e i r t a t i o na r es u m m a r i z e ds oa st op u tf o m ，a r d t h e 矗】r 七1 1 e rr e s e a r c h k e y w o r d s ： m o d u i a r p 卜o d u c t ， m o d u l a r d e s i g n ，s t a n d a r d i z a t i o n ，m o d u i a r i z a t i o n ， s e r i a i i z a t o n ，c o n c r e t ep u m p ，d e s i g n ，m o d e l v 致谢 首先，感谢公司能够为我提供此次学习、深造的机会。 本课题研究在导师冯毅雄副教授、企业导师唐绪文所长不辞辛劳的细心指导与帮助 下，排除了各种困难，才得以最终完成的。在这段时间里，不论是课程学习还是科研项目， 导师都给予我强大的支持与鼓舞，在整个课题进行过程中，更要感谢一起工作、设计“四 人组”中其他三位同事：廖克斌、刘斌和赵兴明。没有他们的帮助，整个项目的推进就不 可能这么顺利。对给予我无私的支持与关怀的同事，我表示衷心地感谢! 再次感谢所有帮助和支持过我的人们! 邓振中 二零一一年六月 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 摘要：主要介绍了以c l g h 8 8 0 0 c 型混凝土输送泵的产品平台，介绍输送泵模 块化设计的原理和方法，总结了混凝土输送泵系列产品二采用模块化设计的主 要特点。 1 1 概述 国内基础设施建设的持续发展带动了国内商品混凝土行业的腾飞，施工规模和范围的 扩大更是促进了工程机械以及相关混凝土输送机械的高速发展，为混凝土机械提供了较大 的市场空间。 柳工集团为了打造千亿元国际企业，这几年来合并了不少大、中、小企业，不断丰富 自身的产业链，特别是2 0 0 7 至2 0 1o 至这几年里“东进”势头不减。目前，公司把混凝土 机械作为公司的第四个增长点和实力点，力争在2 0 12 年挺进全国混凝土机械排名第三名。 这项业务的拓展，将大大提前柳工在全国乃至全球的竞争力和影响力；然而，柳工同时也 面临其它兄弟的激烈竞争，“大鱼吃小鱼”已经演变成“陕鱼吃慢鱼”的竞争局面。要在 质量与成本中占据优势，以及快速影响市场需求，继而占领较大的市场份额，实现公司的 制定目标。 本文将结合c l g h 8 8 0 0 c 混凝土输送泵系列产品的研发过程，结合产品模块化、系列化 的概念，探索出一条产品开发的道路。 1 2 课题背景 1 2 1 产品模块化 模块化设计是基于模块思想，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。n 1 产品模块化设计是对传统 标准化形式的突破，是多样化时代的产物，是基于系统理论的一种标准化型式。它从系统 分析的观点出发，以产品的结构设计模式为研究对象通过改革和优化产品的结构模式来解 决产品的质量、效益和品种的问题。模块化是标准化的一种高级形式。应用模块化设计的 1 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 方法可节约时间6 0 7o ，可缩短生产周期5 0 6 0 。 实现产品设计模块化是企业应付产品多样化、小批量生产的重要手段。模块化设计的 主要目的是把系统中硬件按功能和要求分解为若干相互独立、但又具有一定联系的模块， 再利用这些不同功能模块进行不同的组合，通过模块间的接口连接成不同的组合，实现不 同的市场需要，可迅速开发适应市场的新产品。模块化的建立可以从软、硬件环境的配置 和功能模块库的建立来实现。 1 2 2 产品系列化 产品的系列化应从产品功能和用户需求出发，设计初期应做好大量的市场调查，与关 键用户进行深切交流，通过大量的数据分析和对比，确定产品的基本性能参数、主要特征， 把产品归类和划分，筛选出产品标准型、特殊型。选择其中性能好，用途广、结构简单、 性价比合理的配置作为标准型，以其为参考基准，将其他同类的产品按型号、外形尺寸、 性能等参数加以归类、排序，结合市场实际情况淘汰多余的型号，补充某些缺少的型号， 从而形成系列化产品、丰富产品链。 1 2 3 国内外机械产品的模块化、系列化 模块化原理在起重机设计的应用 目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用起重机模块化设 计，并取得了显著的效益。用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本 相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不 同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重机。德国德马格公司的标准起重机系列改 用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降1 2 ，生产成本下降4 5 ，经济效益十分 可观。德国德马格公司还开发了一种k b k 柔性组合式悬挂起重机，起重机的钢结构由冷轧 型轨组合而成，起重机运行线路可沿生产工艺流程任意布置，可有叉道、转弯、过跨、变 轨距。所有部件都可实现大批量生产，再根据用户的不同需求和具体物料搬运路线在短时 间内将各种部件组合搭配即成。这种起重机组合性非常好，操作方便，能充分利用空间， 运行成本低。有手动、自动多种形式，还能组成悬挂系统、单梁悬挂起重机、双梁悬挂起 重机、悬臂起重机、轻型门式起重机及手动堆垛起重机，甚至能组成大型自动化物料搬运 系统。经过几十年的开发和创新，德国德马格公司已形成了一个轻型组合式的标准起重机 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 系列。起重量1 8 0 吨，工作级别a 1 一a 7 ，整个系列由工字形和箱型单梁、悬挂箱形单 梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁等多个品种组成。主梁与端梁相接以及起重小车的布置 有多种型式，可适合不同建筑物及不同起吊高度的要求。根据用户需要每种规格的起重机 都有三种单速及三种双速供选择，还可以选用变频调速。操纵方式有地面手电门自行移动、 手电门随小车移动、手电门固定、无线遥控、司机室固定、司机室随小车移动、司机室自 行移动等七种选择。大车及小车的供电有电缆小车导电、d v s 系统两种方式。如此多的选 择项，通过不同的组合，可搭配成百上千种起重机，充分满足用户不同的需求。 模块化原理在叉车设计的应用 在2 0 0 7 年的r e d d o t “红点子”设计大奖评选中，林德公司的k 车荣获年度设计大 奖，获奖理由不仅是其将流线形的设计贯穿始终的华美外观，最关键的是其突破性地引入 了“模块化”设计的理念，将叉车这种工业车辆的生产和制造提升到了和汽车等高产量高 销量产品一样的高度!k 系列叉车根据模块化的设计思路，将叉车按结构分成若干模块， 如：车体、驾驶室、门架、驱动系统、电池、控制系统等。每个模块都有相对固定的外形 和功能，但其规格可以近乎无极地微调，而且各模块间彼此相互兼容。用户可根据需求或 实际的仓库和货架来选择各模块，使叉车的规格和性能更贴近用户工况。模块化设计真正 做到了“根据客户需求量身打造”同时这种设计方法，可以有效减少配件种类，林德的k 系列叉车，不管1 0 吨还是1 5 吨，其零配件彼此可调用率高达8 0 ! 图卜1叉车模块化设计示意图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 课题意义 扬州柳工的前身是柳工集团收购的扬州机械厂。扬州机械厂在混凝土机械行业有很 长的历史。在输送泵市场上，由于发展较早，扬州机械厂的输送泵还是有一定的影响。多 年来公司对原有产品h b t 6 0 、8 0 系列混凝土输送泵进行升级、换代，但仅进行了两项主要 技术改进：活塞杆直径加大、泵送能力加大到6 0 m 3 。 随着市场竞争日趋激烈，竞争对手为了争夺用户，在市场获得大量订单，在混凝土输 送泵主要配置、价格、交货时间等方面采取最大的优惠措施，这样就大大削弱了扬州柳工 在混凝土输送泵的市场占有率，为公司的正常生产秩序带来了一定的麻烦，另一方面，也 大大加剧了研发部门的设计负担。 首先，销售部门为签下订单，不断满足用户的荷刻要求( 最短的交货期为1 5 天) 。生 产部门在做排产计划时，只能根据信息优先为主，为使销售不掉单，生产部门及各车间只 能根据原基础图纸进行生产，研发部门在接到销售通知后加班加点，下发相关的技术通知， 待物料到装配时再现场整改，这样一来，势必会造成大量的返工，浪费大量的材料和工时。 再者，用户个性化要求过多。合同中除注明相关的交货日期外，用户根据自身的实际 情况，会提出加装些设备，如：电机软起动、整机g p s 跟踪管理、液压支腿油缸的安装、 自动退活塞等功能，为满足用户的要求，研究所设计人员疲于应付。 其三，标准型产品派生出许多结合产品。例如：标准型电机泵c l g h 8 8 0 6 c 配置：9 0 k w 电机、1 8 0 0 姗油缸行程、8 0 m m 活塞直径，1 9 0 变量泵，用户为了追求高层泵送效果，可 以采用另一个c l g h 8 8 0 6 c 配置：1 1 0 k w 电机、1 8 0 0 m m 油缸行程、8 0 姗活塞直径，2 6 0 变量 泵，这样一来泵送的出口压力提高，更适合高层泵送。用户在购买混凝土输送泵之前往往 是对比了多家产品之后才选择产品，其结果是会要求目标主机要实现其他混凝土输送泵的 多种特点和要求。然而，由于各个厂家的布置和采用的产品外形安装尺寸不一样，要求实 现起来难度比较大，往往需要调动多名设计人员和花费相当长的工作时间。 由此看来，混凝土输送泵模块化设计实施迫在眉睫，势在必行。 混凝土输送泵在设计之前就应该对各种可能的配置进行统一考虑，按照系列化的标准 统一布置整机最大空间，力求各类型整机标准统一，工艺流程相同，结构布局近似，可以 进行流水线作业操作，主要部件可进行预先大量生产，大大缩短备产期，为销售部门提供 有力的支持。 产品设计完成后，应该能极大地优化装配工序和生产组织周期，有利于生产部门进行 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 统一规划；产品的通用、互换性好，维修简便。先进的设计方法和理念的采用，可以大大 缩短设计周期，降低制造成本，节约工时，提高技术等级，减少产品的生产准备周期。 c l g h 8 8 0 0 c 在设计过程中采用了模块化设计的手段，将零件、部件、系统集成为模块， 提高了混凝土输送泵各部件的通用互换性。设计过程中，设计人员充分与生产、工艺、销 售部门进行沟通，讨论了各个方案的可行性和优化整机的装配工工艺。 浙江大学硕士学位论文第二章模块化设计的基本原理和方法 第二章模块化设计的基本原理和方法 摘要：简单介绍了模块化设计模块划分的基本原则，重点阐述了模块划分的一些主 要方法，为混凝土输送泵进行模块化设计提供相关理论知识。 2 1 模块化设计的总体规划 2 1 1 总体规划的意义 产品模块化的主要目的之一就是以尽可能少的零部件种类和数量，组成尽可能多的不 同种类、不同规格的产品，以最小的成本满足市场的各种不同需求。因此，在进行产品的 模块化设计之前，进行总体规划具有非常重要的意义。如果不进行规划就盲目地设计或者 规划方法不当，其结果就是达不到预期的效果，很难对市场做出快速响应。 2 1 2 总体规划的步骤 总体规划步骤如下： ( 1 ) 建立产品矩阵 产品设计初期，应当加大市场走访力度和做大量的市场调研，充分了解用户需求分析， 确定要设计的产品范围，依据矩阵理论，建立产品矩阵，大量的市场调研和用户需求充分 分析是模块化设计的前提，在这一前提下确定出的产品设计范围才能符合市场的要求。因 此设计产品范围必须根据市场的需求来确定基型、变型产品，并将所有的产品按下面的产 品矩阵排列： 沁f i = 嵋。 蝎。 蝇。 嵋： 蚂2 坶，：帆呱；帆 浙江大学硕士学位论文第二章模块化设计的基本原理和方法 矩阵中任意一个元素m t i j ( i = 1 ，2 ，m ；j = 1 ，2 ，n ) 代表一种模块化产品，同一行元 素构成横系列模块，同一列元素构成纵系列模块，基于产品矩阵的模块化设计有下列几种 类型：横系列模块化设计，纵系列模块化设计，跨系列与全系列模块化设计，跨 类模块化设计。 产品矩阵的建立是首要工作重点，为日后的设计工作指明了方向和道路。产品矩阵也 是开放式的，既可以根据日后的要求进行产品种类的增添，也可以根据实际要求对已有产 品进行删除或用其也产品取而代之 2 2 模块化产品设计与普通产品设计区别 产品的模块化设计是在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可以构 成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法n 1 。模块化设计包括两个过程：一是如何 根据设计要求进行功能抽象合理创建模块的过程，即模块创建过程；另一是如何根据要求 合理地选择一组模块并组成产品方案的过程，即模块组合舱们。模块化产品设计与普通产品 设计既有相同之处，也有不同之处。 模块化产品设计是普通产品设计的升华，前者既是对后者的经验总结，也是对所完成 工作进行有效的分类和总结，方便日后的引用和重用工作。模块化产品设计和普通产品设 计有一定的因果关系，但也要取决于如何正确运用，否则事倍功半。 2 3 模块划分的基本原则 对于模块的定义，不同的学者有着不同的见解，他们从不同方面、不同角度给出不 同的定义。童时中n 踟认为，模块就是可以组合成系统、具有某种确定功能和接口结构的、 典型的通用独立单元；贾延林n 1 认为，模块是一组同时具有相同功能和相同结合要素( 指 联结部位的形状、尺寸和联结件之间的配合或接触参数) ，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( 零件、组件、部件或系统) ；u l r i c h 1 认为，模块作为产品 的组成部分，相对产品来说是基本的、独立的功能单元，通过标准化接口和相互作用可以 组合成产品；t h o m a sn 叼认为，模块就是与功能结构一一对应的实体结构。 各个模块的相互有机结合，组成各个功能相近或相相似的产品，模块的通用性是比较 重要的，如何相互近似的功能模块与实体结构不能进行连接，这个模块设计意义就不大了， 既要考虑通用性，也要根据不同零部件的个性，创造条件使相关模块与实体能顺利连接， q 浙江大学硕士学位论文第二章模块化设计的基本原理和方法 这才是模块的实用意义。既考虑了整个系统的个性模块，也考虑了其他各个模块的相互应 用。 但随着产品日趋复杂化，内部结构联系联结关系更加复杂，部件个数越来越繁多，但 结构是可以进行分解和优化的瞳1 。麻省理工的u hi c h 和e p p i n g e r 等对产品结构进行如下 定义：产品结构是一个把产品功能分配到物理零部件的规划，它由产品模块分布技术规划 以及模块之间交互的技术安排组成1 。对一个大型复杂系统进行模块划分的基本思想就是 将总功能分解成复杂度较低或处于不同层次的分功能，并确定各个分功能之间的相互关 系、联系。通过聚类实现模块化划分是模块化设计的主要方法，目前，对产品结构进行模 块聚类划分的文献如o tt o 和w o o d 使用功能结构图( f u n c ti nd i a g r a m s t r u c t u r e ) 的方法 对产品结构进行模块化规划n 叭。 进入模块划分的阶段，每个模块的相互关联程度有所不同，有时有可能一个模块可能 与几个模块发生关联，如何划分是个比较棘手的问题，一般的处理方法采用关联重要度进 行划分，关联重要度的是取决于模块设计的相互依赖程度，依赖程度比较大的，则可以挂 挂靠这个模块，成为这个模块的子模块，若该模块与其他模块关联程度不大，则可以单独 成为一个模块。 一个产品中应该包括有以下功能模块：通用模块、专用模块和特殊模块这三个部分。 一般来说，通用模块在这个系列产品中具有“共性”的功能单元，。专用模块与通用模块 的概念是相对的，专用模块往往是针对其一特定的功能进行设计，但随着模块产品中模块 的不断增加，把专用模块当作新通用模块的雏型，有利于模块化产品系统的形成、发展和 完善。1 特殊功能模块在整个产品中并不占有空间，也不是实物，可以把它描述成为整个 产品的设计构想，其表达方式为相关的文件或图纸。 在模块接口匹配是模块组合重要条件，机械产品接口主要侧重于产品模块之间、模块 与平台之间多种结构信息连接，实现平台化产品配置、模块重用和产品的升级换代并易于 维修、回收和适应性变型h 5 1 。从结构的角度考虑，产品是由物理组件和接口两个基本要 素组成。b 1 通用模块的接口包容性非常广，单从这一点来看，其起到的作用应该是承上启 下的作用或者是贯穿各个模块的主线，专用模块则可以理解为与通用模块既紧可密结合又 可相关独立的模块，专用模块是真正实现个性产品的主要前提，特殊模块是真正意义的独 立，既不占空间，也不是实物，但是又不能缺少的模块。根据接口连接构成产品或系统在 完成总功能中的层级地位不同，接口可分为内部接口和外部接口n 1 。 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章模块化设计的基本原理和方法 2 4 模块化划分方法 2 4 1 树形结构 不同工程机械产品的模块有不同的划分顺序。在混凝土输送泵的模块化设计中，先整 体后局部，先主要后次要，先功能后结构的划分顺序是行之有效的模块划分方法。先整体 后局部指的就是先进行系统级的模块划分，然后根据某一个模块系统功能划分出更细的子 模块、子子模块等，直至最后的模块不能再细分。按照这种逻辑构成的产品结构就犹如一 颗树，树根是产品主体，树干是各个功能模块，树叶就是不能再被细分的模块，统称为零 件，见下图。 图2 1 树形结构示意图 主要后次要就是先划分对产品功能具有决定意义的核心模块，然后再划分其它次要的 模块，最后是那些辅助性模块。先功能后结构就是优先按照功能划分模块，在功能模块已 经模糊的情况下，再考虑按照结构划分模块。每一个功能模块的子集对应于一个物理构件。 u l r i c h 认为产品模块化与设计过程的两特点紧密相关：设计中功能域与物理结构域之间 的映射或相似程序影响模块化的程序；产品物理结构间相互影响度的最小化。这两点指 出，在产品功能分解树与结构分解树之间建立合理映射并保证结构树组成元素之间的相互 影响最小是模块化设计的基本要求。砧1 浙江大学硕士学位论文第二章模块化设计的基本原理和方法 2 4 2 产品模块化结构分解 2 4 2 1 关联矩阵计算 关联矩阵 2 1 主要用来描述系统内各要素之间的相互关系。在模块化产品设计中，相互 关系可以理解为：位置联结关系、运动传递关系、信息传递关系、控制信号传递关系、能 量传递关系等。系统要素问的关系还可以分为直接影响和间接影响，并可用邻接矩阵与可 达矩阵进行定量化描述。 用来表示各相关部件之间直接影响的矩阵称为邻接矩阵，它是一个布尔矩阵。矩阵中 相关邻接二部件可由s i ，予以定义。现设矩阵中行元素为s ；列元素为s ，则：二值间有直接 影响时，用s ；，= 1 表示；二值间没有直接影响时，用s i ，= 0 表示。 现以简单系统为例说明关联矩阵的建立过程。设某系统由五个部件组成，它们的关系 如图2 2 所示。在此需要指出，本文所采用的等级分析法只需两两部件间关系就可以描述 和分析系统结构，能用于图示法描述混乱或无法用图示法描述的复杂系统。 以上系统的邻接矩阵为： 图2 2 关联结构图 浙江大学硕士学位论文 第二章模块化设计的基本原理和方法 m = s 1s 2 s 1o1 s 2o0 s 30l s 400 s 5oo s 3s 4s s ooo 1oo o1o 1oo o1o 根据m 矩阵可以分析s ；和s ，的直接关系，但无法表明它们的间接关系。如s ，：= 1 ，s ：， = 1 按二值关系传递规律应s ，= 1 ，但实际上在m 矩阵中s 。= o 。这就需要通过可达矩 阵进一步求出。 可达矩阵是用矩阵形式表示有向图中各节点之间通过一定路径可以到达( 即间接影响) 的程度。可达矩阵可用邻接矩阵加上单位矩阵，再经过若干次运算后求出。邻接矩阵( m ) 加 上单位矩阵( i ) 形成新矩阵a ： 4 = s 1s 2 s 1 11 s 2o1 s 30 1 s 40o s 5o0 s 3s 4s 5 00o 10o l1 o 110 o 11 此新矩阵还不是所要求得的可达矩阵，只有当依次运算到十7 甜手7 = 彩 十川时，矩阵仍手7 才为可达矩阵r 。r 也是布尔矩阵，为n n 方阵。在布尔运算 中，需要注意的是，1 + 1 = 1 ，1 + 0 = o + 1 = 1 ，1 1 = 1 以及ox1 = 1 o = o ，经运算当r ；3 时， 图2 2 模型的可达矩阵为： 彳d = s 1s 2 s l11 s 201 s 301 s 40l 术 s 50 1 木 s 3s 4s s 1 掌1 木o 1l 术o 110 1 1 o 1 幸ll 矩阵中“木”号是原矩阵a 中所没有的，它反应出要素之间的间接关系。 2 4 2 2 等级划分 图2 2 例中各要素的r ( s i ) 和a ( s i ) 如下： 浙江大学硕士学位论文 第二章模块化设计的基本原理和方法 表2 1 要素r ( s i ) 和a ( s i ) 关系表 s ir ( s i )a ( s i )r ( s i ) na ( s i ) 1 1 ，2 ，3 ，4 11 2 2 ，3 ，41 ，2 ，3 ，4 ，52 ，3 ，4 3 2 ，3 ，41 ，2 ，3 ，4 ，52 ，3 ，4 4 2 ，3 ，41 ，2 ，3 ，4 ，52 ，3 ，4 5 2 ，3 ，4 ，5 55 一级部件为s 1 和s 5 ，得出最上一级部件后，可把它从表中划掉，再用同样方法求得下一 级的各部件，这样一直做下去，便可一级一级地把各要素按等级划分出来。 表2 2 要素等级划分表 s i r ( s i )a ( s i )r ( s i ) na ( s i ) 2 2 ，3 ，41 ，2 ，3 ，4 ，52 ，3 ，4 3 2 ，3 ，41 ，2 ，3 ，4 ，52 ，3 ，4 4 2 ，3 ，41 ，2 ，3 ，4 ，52 ，3 ，4 s 2 、s 3 、s 4 为本系统的第二等级的部件集合。根据以上寻求结果，原来的集合s = s 1 ， s 2 ，s 3 ，s 4 ，s 5 ) 被等级划分为s = s 1 ，s 5 ，s 2 ，s 3 ，s 4 ) ，它的可达矩阵r 的各元 素的新的排列次序如下式右侧矩阵： s ls 5 s 2s 3s 4 s 1 j 1 0i 1 1l l 彳d 木：is 5 ：o 1 ：1 1 l ：l is 2 o u 。；l l l ；i l s 3oo ：1 1 1 ：i 【s 4 oo j jjj 如在上述系统中可将、s 1 、s 5 划分为一个模块，s 2 、s 3 、s 4 划分为另一个模块。 1 4 浙江大学硕十学位论文第三章模块化输送泵设计规划 第三章模块化输送泵设计规划 摘要：在企业已有资源的约束下，要在尽量短的时间内，向用户提供低成本、高质量、 满足客户个性化需求的产品，是企业在竞争中取胜的关键。本文就是以此为出发点， 着重分析了混凝土拖泵在设计时，如何重用对各部件模块化的划分，为生产和销售打 好基础。 输送泵模块设计需要投入大量人力、物力、财力的复杂工作。在对其进行模块化设计 的过程中，模块系列构建的科学合理性是进行输送泵产品快速组合、快速响应市场需求的 关键，因此，输送泵模块系列构建技术是其模块化设计的关键技术之一。模块构建是对产 品族进行模块系统的划分、确定及系列化的过程。它包括模块划分方案的确定和模块的系 列化两个部分。本章综合利用模块化设计基本原理和方法，首先构建输送泵系列化模块， 确定基型模块划分方案，然后以基型模块为基础，通过纵、横系列的扩展，得到满足不同 用户需要的输送泵产品的全系列化模块。 3 1 输送泵模块化设计的总体规划 3 1 1 输送泵的产品矩阵 根据矩阵理论，现建立输送泵的产品矩阵： m = m ， 鸠。 蚴聍1 m 2 鸩2 m m 2 i 锻。缘慨i 艘2 l ；l l 护耐五缎2 脚乙i 矩阵中任意一个元素m p ，。( i = 1 ，2 ，3 ，m ，j = 1 ，2 n ) 代表一种