（机械电子工程专业论文）面向产品族的液压机广义模块化设计研究.pdf

摘要 用户需求的个性化正成为制造业变化的重要特色之一，如何快速响应这一市 场需求对企业在竞争中占据有利地位具有重要意义。本文以面向产品族的思想， 采用广义模块化设计方法对液压机产品设计进行了系统的研究。针对液压机主机 机身结构特点，研究了其产品族设计方法，并提出了基于柔性元结构的建模技术。 主要研究内容包括： 1 基于广义模块化设计方法和液压机机身结构的特点，研究了液压机广义模块 化产品族设计理论，探讨了液压机产品族设计的一般方法，将产品族的设计 归结为柔性模块族的设计，然后由各功能模块按照其特定的接口组合成柔性 产品模型，根据用户需求参数实例化柔性产品模型便可生成具体的液压机产 品： 2 以广义模块化产品族理论为指导，研究了产品族规划方法，并对组合框架式 液压机产品族做了系统地规划，作为柔性模块扩展的指导依据； 3 提出了基于柔性元结构的柔性模块结构创建方法，给出了元结构的定义、确 定规则以及元结构库的建立方法，并研究了基于柔性元结构的柔性模块装配 建模技术； 4 研究了柔性模块族的设计方法，即柔性模块扩展技术，详细分析了组合框架 式液压机上梁模块的扩展过程，结合有限元分析工具，研究了立柱模块和下 梁模块的一般设计原则以及整机的设计方法； 5 建立了基于s o l i d w o r k s 的液压机柔性模块参数化设计分析系统，该系统以数 据库为支撑，将c a d c a e 技术有机结合起来，是实现液压机机身模块快速 设计的核心。 关键词：产品族，柔性模块，柔性元结构，广义模块化设计，模块扩展，液 压机 a b s t r a c t i n d i v i d u a l i z a t i o no fc u s t o m e rd e m a n dh a sb e e n b e c o m i n go n eo ft h e m o s t i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fm a n u f a c t u r i n g h o wt or a p i d l yr e s p o n dt ot h i sc h a n g ei s v i t a lf o rt h ee n t e r p r i s e st oh o l daf a v o r a b l ep o s i t i o ni nt h em a r k e t b a s e do nt h ei d e a o f p r o d u c tf a m i l y o r i e n t e dd e s i g n ，t h ed e s i g n o f p r e s s m a c h i n ei ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yu s i n gg e n e r a l i z e dm o d u l a rm e t h o d b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p r e s sm a c h i n eb o d y , t h ep r e s sf a m i l yd e s i g nm e t h o di sd i s c u s s e da n dt h em o d e l i n g t e c h n o l o g yo ff l e x i b l em o d u l e sb a s e do nf l e x i b l eu n i ts t r u c t u r e si sp r o p o s e d t h e m a i nc o n t e x t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do nt h eg e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g nm e t h o da n d a n a l y s eo f t h ec h a r a c t e r i s t i c o f p r e s sm a c h i n eb o d y , t h et h e o r yo f g e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g no f p r e s sm a c h i n e f a m i l yi se x p l o r e d ，a n dt h eg e n e r a lm e t h o do fp r e s sf a m i l yd e s i g ni sd i s c u s s e d t h e p r e s sf a m i l yd e s i g ni sc o n v e n e d i n t ot h ed e s i g no ff l e x i b l em o d u l e f a m i l y b y a s s e m b l i n gt h em o d u l e sa c c o r d i n gt ot h e i ri n t e r f a c e s ，t h ef l e x i b l ep r o d u c tm o d e l c 锄b eo b t a i n e d ，a n d b yi n p u t t i n gp a r a m e t e r sp r e s e n t e db yc u s t o m e r s ，t h e s p e c i f i e dp r e s sm a c h i n ei sg e n e r a t e d 2 g u i d e db yt h e t h e o r y o fg e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g no fp r o d u c t f a m i l y , t h e p l a n n i n go f t h ep r o d u c tf a m i l yi ss t u d i e d ，a n dt h ea s s e m b l e d 一r a n l ep r e s sm a c h i n e f a m i l yi sp l a n n e ds y s t e m a t i c a l l y , w h i c hi s u s e dt o g u i d et h ed e s i g no ff l e x i b l e m o d u l e s 3 t h em o d e l i n gm e t h o do ff l e x i b l em o d u l e sb a s e do nt h ef i e x i b l eu n i ts t r u c t u r ei s p r o p o s e d t h eu n i ts t r u c t u r ei sd e f m e d ，t h er u l e so fc h o o s i n gu n i ts t r u c t u r e sa d d t h em e t h o do fb u i l d i n gu n i ts t r u c t u r e l i b r a r ya r ep r e s e n t e d ，a n dt h ea s s e m b l y m o d e l i n gt e c h n o l o g yo ff l e x i b l em o d u l e sb a s e do nt h ef l e x i b l eu n i ts t r u c t u r ei s d i s c u s s e d 4 t h ed e s i g nm e t h o do ff l e x i b l em o d u l ef a m i l y , i e t h e d e r i v i n gt e c h n o l o g yo f f l e x i b l em o d u l ei s e x p l o r e d t h e m e t h o do fd e r i v i n g u p p e r b e a mo ft h e a s s e m b l e d - f l a m ep r e s sm a c h i n ei sd i s c u s s e di nd e t a i l t h e g e n e r a lr u l e sa n d k n o w l e d g eo f t h ec o l u m na n dw o r k t a b l ed e s i g na r ep r e s e n t e da n dt h ea s s e m b l y m e t h o do f t h e c o m p l e t em a c h i n e i sg i v e n 5 t h er a p i dp a r a m e t r i c d e s i g n a n a l y s i ss y s t e m i se s t a b l i s h e do ns o l i d w o r k s p l a t f o r m w i t ht h eh e l po fd a t a b a s e ，t h es y s t e mi n t e g r a t e sc a d c a eo r g a n i c a l l y w h i c hi st h ek e yt or e a l i z et h e r a p i dd e s i g no f p r e s s m a c h i n e b o d y k e y w o r d s ：p r o d u c tf a m i l y f l e x i b l em o d u l e ，f l e x i b l eu n i ts t r u c t u r e ，g e n e r a l i z e d m o d u l a rd e s i g n ，m o d u l ed e r i v a t i o n ，p r e s sm a c h i n e l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：徐询薛 签字日期：加4 年f 月4f = i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：稻：两薛 签字f i f 期：枷夸年1 月4r 导师签名： 签字日期： 心， 毋i 产1 年 ，厶扣 q f v o 第一章绪论 第一章绪论 现代的产品设计是面向市场、面向用户的设计，企业制造出来的产品要面对 激烈的市场竞争。一个企业对市场的响应速度的快慢、产品开发一次成功率的高 低，不仅决定着企业产品在市场上所占份额的大小，更决定着一个企业的命运。 产品设计是制造业的灵魂。因为产品的结构、性能、质量( 全面满足用户的 要求) 、成本( 售前售后的全部成本) 、交货时间( 含新产品开发周期) 以及可制 造性、可维护性及人机环境关系等，原则上都是在产品的设计阶段确定的、而一 代代的产品在激烈的市场竞争中能否为用户所选中和接受，是制造业能否生存和 发展的关键。模块化设计是适应现代生产模式和产品开发模式的一种新的设计概 念和方法。基于现有可利用资源，充分利用计算机辅助设计( c a d ) 手段，实施 模块化设计，解决其中关键技术问题成为机械产品设计研究的重要内容。 1 1 机械产品的计算机辅助技术研究现状 机械制造业作为三大支柱产业中的重要行业，对国民经济的高速增长起着 至关重要的作用，它不仅要为国内市场提供优质先进的技术装备和物美价廉的消 费品，还要为国际市场提供有竞争力的高附加值的出口商品。但是我国大部分产 品的技术水平还只停留在先进工业国家7 0 年代末、8 0 年代初的水平上。大多数 企业无法以市场需要的速度开发出新产品，这种现状已严重制约了国家整体经济 实力和科技水平的提高。 快速设计脯0 造为改变我国制造业长期落后的面貌带来了希望。国外应用此 技术与方法已有大量成功的先例，如美国克莱斯勒公司开发n e n o 小型汽车，减 少了6 3 的工程技术人员，缩短了2 8 的开发时间：又如d e c 公司使产品开发 时间缩短了6 0 ；通用发动机厂使设计修改量减少了7 5 等等。因此，在我国 制造业中开展快速设计制造技术的研究及应用其收效将同样是相当可观的i j j 。 快速产品设计的具体实施过程与各种计算机辅助技术紧密相关。现代工业的 进步，完全得力于计算机科技的突飞猛进，因此由2 0 世纪进入2 1 世纪，引导人 类科技再次的进步将是与计算机结合的科技。而计算机软件的应用与发展也得力 于计算机科技的进步，将计算机、计算机软件应用于产品的开发、设计、分析与 制造，已成为近代工业提升竞争力的主要方法。设计自动化技术己为工业界所广 泛应用，并已从辅助设计过程的后期阶段向辅助概念设计阶段推进。许多学者将 以计算机辅助为手段的产品设计、分析、制造、创新技术统称为c a x 技术，也 第一章绪论 称计算机辅助机械工程( m c a e ) 技术【2 , 3 , 4 1 。 c a x 技术涉及的内容非常广泛，主要包括计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ；c a d ) 、计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 、计算机辅 助工艺规划c a p p ( c o m p u t e r a i d e d p r o c e s s p l a n n i n g ) 、计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ；c a e ) 、计算机辅助创新( c o m p u t e ra i d e di n n o v a t i o n ；c a i ) 、 以及在涉及整个产品生命周期的知识工程( k n o w l e d g eb a s e de u g i n e e n n g ：k b e ) 与知识发现( k n o w l e d g ed i s c o v e r y i nd a t a b a s e ；k d d ) 技术。 1 1 1 计算机辅助设计 计算机辅助设计 c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；c a d ) 是借助计算机系统在工程 和产品设计的各个阶段提供快速、有效的工具和手段，以辅助设计人员加快和优 化设计过程和设计结果，以达到最佳的设计效果的一种技术。 1 c a d 软件的发展和应用 计算机辅助设计的基础是c a d 软件，c a d 软件的发展水平直接制约设计水 平的发展。7 0 年代的第一代c a d 系统，它以交互式图形编辑为特点，二维设计 系统得到比较广泛的应用。由于三视图表达不完整，设计完成后要以一定比例的 油泥模型作为设计评审和方案比较的依据。8 0 年代出现了第二代c a d 系统，商 品化的三维实体造型系统投入使用，p c 机上的c a d 系统迅速普及，集成化的 c a d c a m 系统开始出现。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，理 论上有助于统一c a d 、c a e 、c a m 模型表达。可以利用各种技术( 如有限元、 优化设计等分析方法) 对方案进行评价和计算，对主要零部件进行强度、刚度的 校核计算。进入9 0 年代，c a d 系统向集成化、智能化方向发展，二维c a d 技 术全面普及，三维特征造型技术和参数化技术以及并行工程、协同设计等技术获 得了巨大的发展。目前流行的c a d 技术基础理论主要是以p r o e 为代表的参数 化造型理论和以s d r c i d e a s 为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于 基于约束的实体造型技术。只有这两种理论是在近1 0 年产生并且赢得了广泛的 认同。在这两种理论之前，基本上是以表面及线框造型技术为代表的无约束自由 造型技术” “。 2 c a d 造型理论 1 ) 参数化技术 参数化( p a r a m e t r i c ) 造型系统是一种尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) 系统。 采用预定义的办法建立图形的几何约束集，指定一组尺寸作为参数与几何约束集 相联系，因此改变尺寸值就能改变图形。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸 第一章绪论 约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。 参数化造型系统一般不能改变图形的拓扑结构，因此想对一个初始设计做方 案上的重大改变是做不到的，但对系列化标准化零件设计以及对原有设计作继承 性修改则十分方便。 2 ) 变量化技术 变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。变量 化设计( v a r i a t i o n a ld e s i g n ) 技术是指几何约束系统的求解不依赖于几何元素及 约束关系构造过程的一种变量几何( v a r i a t i o n a lg e o m e t r y ) 设计方法【8 】。变量化 造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改 的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。 变量化系统的应用领域也更广阔一些。除了一般的系列化零件设计，变量化 系统在做概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产品改型设计这 类创新式设计。 1 1 2 计算机辅助工程 计算机辅助工程【2 , 9 , 1 0 , 1 i , ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ；c a e ) 是用计算机进 行工程特性的数值计算和仿真，包括有限元( f e m ) 分析和过程仿真。c a e 的 技术种类很多，这其中包括有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：f e m ) ，边界元法 ( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ：b e m ) ，有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ：f d m ) 等。每一种方法各有其应用的邻域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现己 应用于结构力学( 包括线性与非线性) 、结构动力学 1 “、热力学、流体力学、电 路学、电磁学等，而越来越多的发展，结合不同的领域，像流体与结构力学的结 合，电路学与电磁学的结合，使得c a e 的发展越来越迅速，应用也越来越广泛。 1 f e m 的发展趋势 有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，即增 加设计功能，减少设计成本。当今国际上f e m 方法和软件开发呈现出以下趋势 特征： 1 ) 从单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题。有限元分析方法最早 是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析。 近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等“耦 合场”问题的求解计算。 2 ) 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，一 些公司开发了专长于求解非线性问题的有限元分析软件，如m a r c 、a b a q u s 和a d i n a 等，这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用 第一章绪论 的非线性材料库。 3 ) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。目前几乎所有的商业化有 限元程序系统都建立了对用户非常友好的g u i ( g r a p h i c s u s e ri n t e r f a c e ) ，使用户 能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需资料，并 按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需资 料的列表输出。 4 ) 与c a d 软件的无缝集成。当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著 名的c a d 软件( 例如p r o ? e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d e a g e 、s o l i d w o r k s 、 i d e a s 、b e n t l e y 和a u t o c a d 等) 的接口。 5 ) 在w i n d o w s 平台上的发展。早期的有限元分析软件基本上都是在大中型 计算机( 主要是m a i n f r a m e ) 上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站( e w s ， e n g i n e e r i n g w o r k s t a t i o n ) 为平台，当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构 都纷纷将他们的软件移植到w i n d o w s 平台上。 在国际化的市场经济中，企业问的竞争同益激烈，为取得竞争优势，企业必 须以高质量低成本的产品迅速占领市场，企业界迫切需要高速、高效、低成本的 设计方法。由此而发展起来的各种c a e 设计工具满足了企业的需求，并广泛应 用于航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、水利等各行各业。 使用c a e 软件与其他软件结合如c a d ，可以对各种不同的企业及工厂建立 典型产品c a d c a e 的专家系统( e x p e r ts y s t e m ) ，可显著缩短产品开发的时间。 2 f e m 的应用及意义 在国际化的市场经济中，企业问的竞争日益激烈，为取得竞争优势，企业必 须以高质量低成本的产品迅速占领市场，企业界迫切需要高速、高效、低成本的 设计方法。由此而发展起来的各种f e a 设计工具满足了企业的需求，并广泛应 用于航空航天、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、水利等各行各业。 有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，即增 加设计功能，减少设计成本。主要表现在以下几个方面u 4 j s ： ( 1 ) 缩短设计和分析的循环周期； ( 2 ) 增加产品和工程的可靠性； ( 3 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； ( 4 ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； ( 5 ) 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； ( 6 ) 进行机械事故分析，查找事故原因。 1 1 3c a d 软件的二次开发 第一章绪论 当前，商用c a d 软件越来越广泛的应用于生产实践，这在很大程度上提高 了生产效率。然而，目前c a d 技术中还存在两个问题： 第一、使用者花费在软件学习上的时间多。要掌握一种c a d 软件并能熟练运 用它，并非易事，要进行大量学习和实践。第二，软件功能很强大，而使用者却 仅需要其中很小的一部分。然而，在购买软件时往往认购全部模块，造成“所买 非所用”；另一方面，使用过程中软件又往往不能满足设计要求，其实是“所用 非所买”。两者直接后果是浪费钱财和精力。 造成以上问题的主要原因是，目前市面上商用c a d 软件其功能通用性强，处 理的是工程设计的共性问题，而对特定设计问题的处理难尽人意。 为实现设计的本地化，通常采取两种方法： 1 ) 直接面向用户，在选定的系统软件和支撑软件的基础上构造面向产品的 特定软件工具或专家系统。如针对具体问题开发专家c a d 系统或智能c a d 系统。 这种方法的优点是，智能化程度高，功能完善而强大；可有效控制软件规模，作 到量体裁衣；便于改进和移植，有自主知识产权。其缺点是：对开发者要求较高， 应具有软件开发和专家知识双重本领：开发周期长，不可预期因素多。 2 ) 基于现有c a d 应用软件平台，进行二次开发。这种方法可避免从底层作 起，从而节省时间并减少工作量。各c a d 软件大都配置了二次开发的接口模块， 如a u t o d e s k 公司的a u t o c a dr x 产品系列，就不断推出基于各版本c a d 系统的二 次开发接口：a u t o l i s p ，a d s ，a d s r x ，o b j e c ta r x ，v b a ，v i s u a ll i s p 等。它 们支持高级编程语言，用户可根据需要定制专用的开发系统，从而扩展了原平台 的功能。s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s 2 0 0 i p l u s 支持c 语言编程，通过一套a p i 函数集，实现对内部命令的访问，达到二次开发的目的。二次开发不仅可以结合 具体产品开发专用的设计系统，而且可以开发c a d c a p p c 肛c a m 的集成系统。 目前在集成系统的开发方面还不成熟。 二次开发所设计出来的软件系统，是作为一种工程设计工具来辅助具体的产 品设计，所以要用工程化的思想来进行开发：一方面二次开发系统必须符合工程 ( 或产品) 设计的特点；另一方面二次开发应按照软件工程的方法和步骤来进行 设计。一般认为二次开发应考虑如下几个方面的问题【16 j ：建立企业产品模块化系 统；慎重选择支撑软件：二次开发队伍组织的科学化：二次开发内容的计划化； “数据与程序分离”及“数据对程序驱动”；设计对象的抽象处理。 1 。2 模块化设计的发展与研究状况 1 2 1 模块化设计的概念研究 第一章绪论 模块化作为一种思想，其应用日益广泛，随着人们研究的不断深入， 对模块化的理解逐渐加深。但目前来说，关于模块化的概念还没用形成统 一的定义，不同的学者从- 不同的角度和深度对其进行了研究，以下从模块 化设计、产品族、模块等几个模块化相关的概念入手，总结分析模块化的 发展现状。 u l r i c h l l7 j 认为模块化与设计中的两个特点紧密相关： ( 1 ) 设计中功能域与物理结构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，首先是在系 统分析规划时，采用适当的方法对设计过程中各个部分，尤其是产品的功 能域、结构域以及二者之间映射关系的合理分析，是模块化设计技术的关 键影响因素。其次，要保证模块的功能、结构的相对独立性，即将模块之 间相互影响的因素尽量减小。 s u h 1 8 从功能一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，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( d p s ) 完成从功能需求域( f r s s p 。c 。) 到设计参数域( d p 。s p a c e ) 的映射，即， f r 卜 a 】- d ) p 】， a 】是设计 矩阵。 p a h l 和b e i t z 1 9 1 认为模块设计是完成从功能需求域到模块功能域的映 射，然后在考虑模块性能( 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，这三种域的映射关系如图1 一l 所示，并将模块功能域 的功能分为基本功能b f 、附加功能a f 、适应性功能a d f 、专用功能c f 、 用户定制功能s f 五类，相应地将模块结构定义为基本模块b m 、附加模块 a m 、适应性模块a d m 、专用模块c m 、用户定制模块s m 。 司 i b m 国多 l 叫 ja mi 回 i a d m i 固回 l 叫 i s t t i 图1 1 三个设计领域的映射图 文献f 2 0 1 认为；“模块化设计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 第一章绪论 求的设计方法。” 文献1 2 ”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。 文献 2 2 1 定义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( 和系统) 的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块 系统，并运用模块组合称产品( 或系统) 的全过程。 综上所述，根据研究的对象和深度，对模块化设计的定义和描述不尽 相同，但从这些研究中可以发现，针对模块化设计的研究主要是围绕产品 的功能域和结构域之间的定义和映射关系展开的。 1 2 2 模块化产品系统设计方法概述 总结近年来关于产品模块系统创建工作的研究，基本可以上分为两类： 1 从普遍意义上进行模块化产品系统的开发研究 文献2 2 t 7 1 指出开展模块化设计的一般思路，应注意五个方面的工作： 市场调查、技术预测、品种规划、科研先行、功能分析，并探讨了模块化 设计的具体实施中需要注意的一些问题。并全面阐述了传统模块化的设计 过程，认为模块化设计要依次按三个层次进行： 1 ) 系统分析阶段( 市场分析、产品系列型谱拟定) ； 2 ) 模块化产品设计( 系统应用阶段) ； 3 ) 模块选择、模块综合模块系统设计( 详细设计阶段) 。 p a h l 1 9 1 将产品设计过程分为：设计任务定义：建立功能系统结构；寻找 原理解和概念：选择和评价；准备布局设计几个阶段。 这种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。 2 针对特定模块化产品和产品族进行系统开发 这类研究主要是针对具体产品，研究模块系统创建工作中诸如模块系 统建模方法、模块划分方法、模块形成原理的技术和实现方法，并从中提 炼、总结规律和方法，为进行相似产品的模块化设计提供了研究基础。 1 2 3 模块化系统分析、建模方法的研究 模块化设计是为解决产品多类型、多品种与设计制造、周期、成本之 间矛盾而发展起来的一种设计理念，包含内容广泛，完整的模块化制造体 系涉及到产品从设计、制造到组织管理全过程。 第一章绪论 七十年代末，日本学者【2 8 】提出了一种分级模块化的思想，他们认为： 在一定级别上的模块，是由属于分级系统中低一级的模块所组成。任何复 杂的机床经过多次分级，都可以用最简单的几何形状来表示。根据该思想 设计的分级模块设计系统可以通过低级模块的组合最大限度地满足用户需 求，然而随着模块数目的增多，模块的管理成本和接口成本也将大幅上升， 因此，分级模块化在实际运用时将是非常困难的。 g u n n a re r i x o n 2 9 1 和p g u t 3 0 , 3 u 等学者从产品生命周期的角度进行模块化 产品系统的分析，其中g u n n a re r i x o n 提出了应用m i m 矩阵 ( m o d u l a r i n d i c a t i o n m a t r i x ) 来进行模块划分的方法，即在功能分解的基础 上，首先从产品的全生命周期中确定若干可以将子功能定义为单独模块的 理由，然后把各子功能依次与各个条件进行比照，确定其符合的程度，据 此确定哪些子功能可分入一个模块内。p g u 在进行功能结构分析时首次模 糊数学中权重的概念，从而为模块划分从定性转为定量提供了依据。 另外，文献1 3 2 从并行工程的角度出发，在考虑设计加工、装配复杂性 的情况下，将功能按其在设计过程中的接口关系划分为不同类型的模块， 并从中选出最优模块，然后根据模块中信息，排定模块中各个功能的优先 权，作为规划设计的依据。文献1 33 】通过在部件、模块、分系统、系统四个 层次上分析产品模块化的可能性及其相应的接口约束，研究生产中企业协 作关系对于模块化的影响。 从上可见，进行模块系统分析的基本过程包括用户需求分析，产品功 能分析，产品物理结构分析。目前为止，还没有一种能够广泛适用的方法 进行模块系统分析创建。 1 2 4 模块接口分析和模块组合研究 模块组合的依据是模块接口，接口的设计与规划对模块化的实施具有 直接影响。 文献结合应用公理化设计原理和传统的d f m a ( 面向装配和制造的 设计) 方法进行模块化设计的接口分析。 日本学者【3 5 提出了一种由g t 编码和力流组成的称为结构模式的结构 描述方法，该描述方法的描述语言为按力流顺序排列的g t 编码。编码结构 如图】一2 所示： 第一章绪论 abcde 么厂_ l j 一 峻嶝l 慧l 麟| 图1 2 日本学者提出的接口g t 编码 前苏联学者证明【3 6 】，在模块组合时，对所有可能组合的每个方案进行 简单枚举是不可行的。它们使用有向图来表示机床的布局结构，用图的顶 点表示模块，顶点之间的边连接表示模块之间的装配关系；把机床划分为 动力部分和安装部分，分别用两个子图表示，通过对子图上始点与终点间 路径的分析确定可能的组合。 1 2 5 广义模块化设计方法 1 广义模块化设计概念的提出 广义模块化设计的概念首先由天津大学的徐燕申 ”1 提出，文章针对液 压机的设计特点，分析了传统模块化设计的不足之处，提出了模块化、参 数化和变量化集成设计的广义模块化设计方法。 设产品结构m c 由功能模块f m ，组成，可表达为： m c = 【f m l ，f m 2 ，f m i ，一，f m 。 ，其中i = 1 , 2 ，n ( 1 - 1 ) 对于工程参数为主要影响因素之一的产品，产品结构是按用户要求的诸特定 参数的函数，即式( 1 1 ) 中 f m ，= f ( g j ，p ，h x ) ( ，j ，k n ) ( 1 - 2 ) g ，为模块结构参数，描述该模块的结构几何参数约束，n 描述载荷、应力、 应变等工程约束；k 描述结构的材料等特性参数。而结构参数g ，是p ，和 r 物理 参数的函数，即 g ，= g ( 0 ，h ) ( 1 - 3 ) 此时其产品结构难于用传统的模块化结构进行组合。但当产品结构组成链中 的结构要求不变，即 m c = f m l ，f m 2 ，f m 一，f m 。】 ( 1 - 4 ) 各组成链具有相对固定的接e l 数，且结构部件可以用一组参数来表达 f m ，= f ( g j ) ( 1 - 5 ) 而结构参数可以用变量p ，、h 。进行优化或优选。称此类产品的模块化设计 为广义模块化设计。 文献3 8 1 继承并发展了广义模块化的概念和原理，以模板模块和实例模 9 第一章绪论 块为基础构建产品模块系统，并以选择实例模块或由模板模块生成实例模 块组成模块化产品的设计方法，称为机械产品的广义模块化设计。 2 广义模块化系统规划 文献p 驯提出面向广义模块化设计的模板模块系统规划的基本层次与步 骤，在其后的研究中【3 ”，把模板模块定义为参数化的柔性模块。 1 ) 模板模块的划分 广义模块化设计中进行模板模块划分，首先要对产品进行功能模块划 分。功能模块的划分指的是从产品功能分析角度将产品总功能划分为若干 功能单元，产品结构中对应于这种功能单元的结构称为功能模块。功能模 块划分的层次高低是否合理对于产品的性能、外观以及模块的通用化程度 和成本都有很大影响。研究对象和研究角度、出发点不同，功能模块划分 的方法和结果各异。 广义模块化中，个功能模块，对应着一族模板模块，这些模板模块 如何划分聚类是进行模板模块系列和产品系列规划的基础。 2 ) 模板模块系列和广义模块化产品系列的规划 产品系列化是模块化设计的目的之，它是根据产品的主参数、型式、 尺寸、基本结构等进行合理规划，协调产品之间的关系，进行标准化，使 之成为一族系列化产品。 广义模块化系统规划过程中，需要进行两个方面的系列化规划：模块 化产品系列和构成模块化产品的模板模块系列。模板模块系列是根据功能 模块按照一定的结构规律进行扩展，派生出横向模板模块系列、纵向模板 模块系列，再在模板模块系列的基础上，规划出模块化产品系列。 3 ) 模板模块结构的创建 模板模块结构创建是对所规划模板模块系列的具体实现，包括模板模 块结构的方案设计、详细设计以及其它模板模块组成信息的组织等，模板 模块结构的创建可以在模块化系统规划过程中进行，也可以系统运行过程 中根据实际设计要求进行模板模块结构创建。模板模块结构创建是完善、 丰富模块系列的基本工作，是保证广义模块化设计系统运行的基础。 3 广义模块化接口研究 文献 ”j 指出，在广义模块化设计中，模板模块接口是描述各模板模块 之间关联定位的形式及拓扑结构。与传统的模块化设计不同，模板接口是 一组参数化的拓扑结构型式描述。 1 ) 模板模块的联接方式 第一章绪论 模板模块在产品结构链中分为单向连接、双向连接和多向连接，如图 1 3 所示。 二二卜一一 二卜一 a ) g n 连接 b ) 双向连接 c ) 多向连接 d ) 多向连接 例i - 3 模板模块的连接方式 单向连接是指模板模块只有一个连接界面，并且仅能与另外一个模板 模块相连接的组合方式，所连接的模板模块之一都处于链或树的末端。双 向连接的模板模块有两个连接界面，能与另外两个模块相连接。多向连接 是指一个模板模块可同时与两个以上的其它模板模块相连接。 2 ) 模板模块接口的表达 模板模块接口可表达为： m i = ( 删，d m )( 1 6 ) s m 表示该接口的源模板模块的信息集合，包括该模板编码信息，模板 模块接口的拓扑结构及其参数定义，接口结构参数的定义一般与模板模块 参数化模型的接口结构参数定义一致；d m 表示该接口的目标模板模块的信 息集合，其信息与源模板模块部分对应。 称以上对应于模板模块的接口为接口模板，当模板模块派生出模块实 例后，其相应的接口模板中的接口结构参数也具有固定参数值，即接口模 板派生为接口实例。 1 2 6 模块化设计在机械行业的应用 模块化设计已经在许多行业广泛采用，并针对各自产品的特点，形成了相应 的模块化设计制造体系。就机械行业而言，机床结构模块化设计在国外应用十分 普遍，已使企业从产品设计、工艺到制造形成整套模块化管理体系。我国自 7 0 年代末也有不少机床厂开始了模块化设计的尝试，到现在业已取得了一定的 成绩。可以说模块化设计在机床行业的研究发展比较深入。 对于机械行业中一些大型机械产品，因其产品本身的特点，使其模块化设计 的思路与传统模块化设计思路有所差异。以液压机为例，这类产品在设计时对强 度、刚度等要求严格，不能随意根据功能简单地确定产品的结构。关于如何进行 这类产品的快速设计，可能基于企业机密的原因，国外资料鲜见报道。国内此类 企业迄今为止，也只有少数几家进行过研究，如济南二机床集团公司针对压力机 进行了模块化设计的尝试，按照机械压力机的特点将其分为三种功能模块形式， 一 丁 第一章绪论 这样划分虽然使产品通用性得到了一定的提高，但它并没有体现压力机设计时强 度刚度等工程参数对结构的影响，设计时只能采用借用件的形式表达基础部件结 构模块，当结构参数变化较大时，对于主结构仍然无法提高设计的速度和质量。 北京理工大学潘风文等人针对液压机本体开发了一个c a d 专家系统1 4 ，将 机身结构及其设计知识组成液压机设计专家知识库，但作为一个独立的设计专家 系统，它无法实现从系统角度规划产品总体设计。文献1 38 】开发了一种液压机广义 模块化设计系统，系统实现了液压机产品的广义模块化管理和建模，但该系统是 面向单个产品的，没有从产品族的角度去把握整个产品族的设计。 1 3 产品族设计研究概况 1 3 1 基于产品族体系构建的模块化设计 当今的产品开发模式基本上是在一定技术下开发一定范围的产品，孤立开发 一个产品的模式不能适应市场要求。而产品族是一种以最小的开发、制造、服务 等成本获取最多产品品种的方法。产品族是与模块化紧密相关的一个概念。模块 化设计的基础是产品族的定义与分析。产品族的基础是技术重用。只有在前期充 分分析客户需求，由此构建具有固定接口的产品族体系，其中能够实现模块互换， 模块生成时，才能实现技术的重用。 根据产品的结构特点和设计特点，产品族的开发模式可以分为两种： ( 1 ) e r e n s l 4 1 对产品族的定义是：“它是这样组产品，具有相同的内部接 口，这些接口在设计的各个领域( 功能域、技术域、物理域) 中必须为标准接口， 以使产品的部件能够完全互换。”这种模式下开发的产品族，其结构尺寸往往呈 固定尺寸标准成为系列，而由此构成的系列即可满足市场和设计需要。 ( 2 ) 当固定尺寸系列不能满足产品设计要求时，则应考虑以参数化的方法 进行产品族的开发。如文献【4 2 】认为：“产品族是这样一组产品，它由一个参数化 数据结构表达，当所有参数赋予一确定值时，可以唯一确定一个产品。”这种模 式下开发的产品族，其结构尺寸则可以根据不同用户要求和设计要求实时改变。 产品族与模块化具有紧密的联系。模块化将产品划分为模块，系统地使用这 些通用模块可以组成多种多样的产品。可以认为模块化就是通过构建基于产品族 框架的模块系统，并由这些模块的组合来实现产品族。图l 一4 描述的就是模块 系统与产品族的关系。 第一章绪论 块 图1 4 模块系统和产品族的关系j 当产品的设计从单个产品扩展为一个产品族时，将要从产品整个生命周期的 的角度来重新考虑产品的物理组织结构。于是，产品的设计将是基于产品族的结 构体系框架的设计，模块化的提出便是基于这种产品体系框架的创建之上的。因 此，可以认为模块化设计的本质即是产品体系框架的构建。 1 3 2 模块化产品族设计方法 1 基于功能分析的模块化产品平台设计方法 功能分析包括以下内容：a 产品各功能单元的布置、排列；b 从产品