（机械设计及理论专业论文）履带台车模块化设计方法的研究及应用.pdf

摘要 摘要 从目前国内外工程机械总的发展趋势看，工程机械产品向着系列化、模块 化、大型化和微型化方向发展。目前国内工程机械履带台车的四轮一带产品已 经实现标准化和系列化，但还没有实现模块化。模块化设计是目前常采用的产 品设计方法，是以快速、经济的手段设计出具有竞争能力的最优产品的有效途 径，它是实现产品系列化、多样化和大批量定制的基础【i 】。为加快履带台车研制 进度，贯彻系统化、通用化、标准化的设计原则，缩短设计周期、缩短制造周 期、降低研发与制造成本、提高产品质量、提高管理效率及提高综合竞争能力， 对履带台车进行模块化设计。 本课题按照基于结构特征的模块化设计流程，在对已有履带台车产品进行 功能分析、约束分析的基础上，划分履带台车主要模块，对履带台车进行模块 化设计；在项目资料基础上开发了一种利用履带台车模块主参数数据库中的模 块主参数驱动p r o e 三维模型的软件，减少了设计人员的工作量，提高了效率。 该软件以w i n d o w sx p 为设计平台，用m i c r o s o f ta c c e s s 建立履带台车各主要模 块主要参数数据库，以v b 为设计界面语言，通过r a n d 公司开发的p r o e n g i n e e r 二次开发接口程序a u t o m a t i o ng a t e w a y v 4 2 ，以履带台车各主要模块主要参数 数据库中的主参数驱动p r o e n g i n e e r 三维图形，直观的实现履带台车的模块主 参数驱动p r o e 三维图形的设计过程。 以同济大学与宝冶制造分公司合作的项目“大型全液压履带式装载机研制” 中履带台车的设计为例演示模块主参数数据库中的模块主参数驱动 p r o e n g i n e e r 三维图形的设计过程。 最后，对本次研究的成果进行总结，并指出本次研究成果中的不足之处和 后续研究的发展方向。 关键词：履带台车，模块化设计，主参数数据库，参数驱动 a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h eg e n e r a ld e v e l o p m e n tt r e n do fc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c a lh o m ea n d a b r o a dn o w , c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c a lp r o d u c t s d e v e l o p m e n tt o w a r d ss e r i a l i z a t i o n , m o d u l a r i z a t i o n ，l a r g e s c a l ea n dm i n i a t u r i z a t i o n a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cc o n s t r u c t i o n m e c h a n i c a lt r a c k e dt r o l l e y s f o u r - w h e e la n do n eb e l t p r o d u c t s h a v er e a l i z e d s t a n d a r d i z a t i o na n d s e r i a l i z a t i o n ，w h i l eh a v i n gn o t r e a l i z e dm o d u l a r i z a t i o n m o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni so n eo ft h eo f t e nu s e dd e s i g nm e t h o d st o d a y , i t st h eb e s t e f f e c t i v ew a yo fu s i n gf a s ta n de c o n o m i c a lm e a n st od e s i g nc o m p e t i t i v ep r o d u c t sa n d t h eb a s i so fr e a l i z i n gp r o d u c t s s e r i a l i z a t i o nd i v e r s i f i c a t i o na n dm a s sc u s t o m i z a t i o n i no r d e rt os p e e du pt h ed e s i g nd e v e l o p m e n to ft r a c k e dt r o l l e y s ，c a r r yo u td e s i g n p r i n c i p l e so fs y s t e m a t i c ，u n i v e r s a l ，s t a n d a r d i z a t i o n ，s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e ，s h o r t e n t h em a n u f a c t u r i n gc y c l e ，r e d u c er da n dm a n u f a c t u r i n gc o s t s ，i m p r o v ep r o d u c t q u a l i t y , i m p r o v em a n a g e m e n te f f i c i e n c ya n de n h a n c et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t y , m o d u l a r d e s i g nt r a c k e dt r o l l e y s i nt h i si s s u e i na c c o r d a n c ew i t ht h em o d u l a rd e s i g nf l o ww h i c hi sb a s e do nt h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，o nt h eb a s i so ft r a c k e dt r o l l e y sp r o d u c t s f u n c t i o na n d c o n s t r a i n t s a n a l y s i s ，d i v i d et r a c k e dt r o l l e y s t o g e tt h em a i ns t a n d a r dm o d u l e s ， m o d u l a rd e s i g nt r a c k e dt r o l l e y s o nt h eb a s i so ft h ei n f o r m a t i o ng o ti nt h ep r o je c t ， d e v e l o pas o f t w a r et h a tu s i n gm o d u l e s m a i np a r a m e t e r so ft r a c k e dt r o l l e y sm o d u l e s m a i np a r a m e t e r sd a t a b a s et op a r a m e t e r - d r i v e np r o et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s ，a sa r e s u l t ，r e d u c et h ew o r k l o a do fd e s i g n e r s ，i m p r o v ee f f i c i e n c y t h es o f t w a r eu s e s w i n d o w sx pa sd e s i g np l a t f o r m ，u s e sm i c r o s o f ta c c e s se s t a b l i s ht r a c k e dt r o l l e y s m a i nm o d u l e s m a i np a r a m e t e r sd a t a b a s e ，t h r o u g ht h ep r o e n g i n e e rs e c o n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mi n t e r f a c e sa u t o m a t i o ng a t e w a y v 4 2 ，w h i c hi sd e v e l o p e db y r a n dc o r p o r a t i o n ，u s em a i np a r a m e t e r so ft r a c k e dt r o l l e y sm o d u l e s m a i n p a r a m e t e r sd a t a b a s et op a r a m e t e r - d r i v e np r o et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，r e a l i z e t r a c k e d t r o l l e y s m o d u l e s m a i n p a r a m e t e r sp a r a m e t e r - d r i v e n p r o e t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l si n t u i t i v l y 1 i a b s t r a c t u s et r a c k e dt r o l l e y s d e s i g ni nt h ep r j e c t “d e s i g no ft h e f u l l yh y d r a u l i cd r i v e c r a w l e r - m o u n t e dt r a c kl o a d e r w h i c hi sac l o s s - c u t t i n gi s s u e st h a t t o n g j i u n i v e r s i t y c o o p e r a t e sw i t hb a o y em a n u f a c t u i n gb r a n c ho f f i c e ，a se x a m p l et o d e m o n s t r a t e d e s i g np r o c e s s o ft r a c k e dt r o l l e y sm o d u l e s m a i np a r a m e t e r s p a r a m e t e r - d r i v e np r o et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l s a tl a s t ，s u m m a r i z et h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c h s t u d y , a n dp o i n to u tt h e d e f i c i e n c i e so ft h er e s e a r c hr e s u l t sa n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff o l l o w - u p s t u d i e s k e yw o r d s ：t r a c k e dt r o l l e y s ，m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n , m a i np a r a m e t e r sd a t a b a s e ， p a r a m e t e r - d r i v e n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：气1 文【南 一年月易日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 钐i 双西 1 年月 第1 章绪论 1 1立题背景 第1 章绪论 1 1 1 我国工程机械发展现状 目前工程机械发展总的趋势是：发展快，水平高，工程机械产品向着系列 化、模块化、大型化和微型化方向发展；电子化、信息化、智能化水平不断提 高，而且这几个方面高度交叉融合，彼此间的界限越来越模糊；环保节能新技 术将得到推广；可靠性、安全性、舒适性、将得到高度重视；面向工程机械产 品生命周期的系统设计将广泛采用、面向施工工艺的研究将不断加强。工程机 械发展正由动力革命变成控制革命，由液压手动控制发展为机群集中控制，电 气设计由仪表检测、断电器控制发展到现场总线控制系统。产品的发展走过了 从工程机械机电一体化发展到机器人化的过程。工程机械机器人是2 0 世纪9 0 年代发展的重要标志，也是2 1 世纪各类工程机械发展的总趋势【2 】。 近年来，工程机械产品以围绕新技术应用、多功能机具、模块化设计和提 高效率为核心，继续向大型化、微型化发展，不断推出新产品，加速更新换代。 1 1 2 产品设计要求及未来工程机械产品的大致发展特色 随着社会各行业的纵深发展以及不同行业的交叉发展，对机械产品的需求 以及要求也越加严格和精细，因此适应不同要求的产品设计也应该提到行业改 革的日程上来，通过对近年来工程机械产品的市场分析来看，未来工程机械产 品的大致发展特色如下： 一、产品功能多样化，设计微型化 功能多样化是近年来工程机械的一个新特点。多功能化作业装置改变了单 一作业功能，为完成更多的作业功能，工程机械主机作业功能将尽可能扩大， 单一功能将向多功能转化，扩大了工程机械的应用领域。 系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列 化进程，形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时，产品更新换代的 第1 章绪论 周期明显缩短。 同样随着行业越来越深入到更为具体更为实际的工作环境，不同层次用户 的需求为求方便，逐渐向小型化及微型化方向发展。几年来，中等型号工程机 械基本上没有大的发展，近几年来还有下降趋势。但小型工程机械一直呈快速 发展之势，特别是在欧美发展很快。显然紧跟市场信息是万能的钥匙。 二、产品的智能化 随着控制及信息等技术的发展，必然导致多行业的交叉创新，从各方层次 各个角度去应用新技术，满足不同行业不同客户的发展需要。机械产品的智能 系统相应的出现了，它广泛应用于工程机械的产品设计，使工程机械向信息化、 智能化方向大步前进，提高了工程机械的高科技含量，促进了工程机械的发展。 随着工程旌工技术的不断发展完善，用户对工程建设机械也提出了更高的 市场要求，实现工程机械工作过程的在线状态监测和自动故障诊断，预测并根 据一定的智能体系排除可能出现的故障是r 前机械行业的最新发展动向。 三、产品设计的绿色环保 一方面，产品设计应该结合产品材料自身的特色，发挥在环保功能上的作 用，这样不仅使得产品的功能得到更好的满足而且很大程度上可以提高产品自 身的功能效益，比如在环保型材料的利用上，应尽量采用能再生利用的材料和 资源，采用长寿命、低能耗及减轻重量的设计原则，延长产品寿命，可减少机 械的生产量和降低其报废量；降低产品能耗，可减少对环境的污染。 另一方面，产品设计在满足产品所自身提供的功能的基础上，更应该通过 一定的先进技术降低在它挥发自身主要功能的同时对环境和其他工作状况的影 响，这一结果必然会达到一个合格而健康的产品的诞生。我们从降低整机振动 与噪声这一产品设计中最关注的焦点来看，显然是必不可少的，减少对环境的 振动与噪声是对减轻了对周围环境的破坏与污染【2 】。 1 1 3 市场竞争 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 2 第1 章绪论 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 2 课题研究价值 产品设计是决定产品性能、质量和水平的重要一环；产品的竞争力，在很 大成度上取决于产品的设计。目前，传统设计的方法难以满足现代设计的需求， 主要存在一下问题：产品有系列和规格，但用户要求干差万别，难于满足多样 化的用户需求；设计繁杂，可用性差，所设计的产品无法实现重组；设计周期 长，设计成本相对较高。为能解决上述问题，人们不断探索和研究新的设计理 论和方法【i 】。作为实现大批量定制生产、敏捷制造的重要一环，产品模块化设计 通过对不同模块的组合实现了以有限资源生产出尽可能多的产品品种。这种设 计方法已逐渐成为研究热点，并被认为是当前工程领域中最优设计的目标之 一。 模块化设计就是新兴的现代化设计方法之一。模块化设计有以下几个方 面的技术经济意义： 1 ) 缩短产品的设计和制造周期，从而大大地缩短供货期限，有利于争取客 户。 2 ) 有利于产品的更新换代及新产品的开发，增加企业对市场的快速应变能 力。 3 ) 有利于提高质量，降低成本，增强产品的竞争能力。 4 ) 便于维修【3 1 。 目前国内工程机械履带台车的四轮一带产品已经实现标准化和系列化，但 还没有实现模块化。为加快研制进度，贯彻系统化、通用化、标准化的设计原 则，缩短设计周期、缩短制造周期、降低研发与制造成本、提高产品质量、提 高管理效率及提高综合竞争能力，对履带台车进行模块化设计。履带台车模块 化设计是将模块化的思想应用于履带台车的设计中，模块都与特定的功能相对 应，每一种模块都有适合各种情况的模块系列，根据需求从模块系列中选择合 适的模块，就可以快速形成履带台车。对适用于不同工作条件的履带台车，它 只需着重设计专用模块，通过调用已进行了标准化和可靠性设计的通用模块组 成履带台车即可。从而大大缩短设计周期，提高履带台车设计的一次成功率， 第1 章绪论 并且可以极快地丰富履带台车系列，提高其性能、质量和对大规模定制生产的 响应能力，从而实现履带台车的快速设计，增强企业竞争力。 实现履带台车模块化设计之后，进行履带车辆的设计工作时就可以根据具 体的设计要求充分利用已有模块，进行合理组合，使其迅速有效地满足用户需 要。如果已有模块组合不能满足用户需要，则向设计部门提供指示信息，如需 要设计哪些模块或对哪些模块进行修改等。因此对履带台车进行模块化设计有 着广泛的经济和社会效益。本课题对于实施履带台车的模块化设计具有较大的 理论指导意义。另外，本课题开发了一种以w i n d o w sx p 为设计平台、以v b 为设 计界面语言、采用基于a t o m a t i o ng a t e w a y 的p r o e _ - 次开发、利用产品模块主 参数数据库中的主参数驱动p r o e 三维图形的软件，而p r o e 的三维图形即可以 直接用来装配，又可以生成二维工程图，大大减少了设计人员的劳动量，缩短 了设计周期。 1 3 模块化设计的发展动态 1 3 1 模块化设计的发展动态 模块化设计和制造的研究开始于5 0 年代木6 0 年代初。8 0 年代初以来，由于 c a d 技术和成组技术的发展，推动着模块化设计和制造的进一步发展。 当前，制造业进入了买方市场，顾客对产品的多样化和个性化的要求越来 越高；同时由于市场的全球化，企业间的竞争越来越激烈，顾客对产品的交货 期和价格的要求也越来越高。为了适应这种新的竞争环境，企业将越来越多地 采用模块化设计和制造技术。 模块化设计和制造技术的核心是以少变应付多变，以产品内部的标准化对 付外部的个性化和多样化，用少量模块组合成尽可能多的品种，优质、高效、 最大限度地满足不同用户的需求。 当前的模块化设计和制造的发展趋势有以下特点：从产品的生命周期看， 模块化设计和模块化制造相结合，使产品真正实现大批量定制生产；从生产模 式看，绝然不同的生产模式( 大批量生产模式和单件生产模式) 也在朝同一个 方向，即模块化设计和制造方向转变；从产品的模块化结构看，机械、电子和 软件的分立模块在向机电一体化模块方向转变；从模块化技术看，模块化设计 4 第1 章绪论 和c a d 技术正更紧密地结合；从设计方法看，模块化设计不仅用于产品的变型设 计，也越来越多地用于产品的创新设计【4 】。 1 3 2 模块化设计目前主要存在的问题 模块化设计目前存在的问题很多，但比较突出的有如下3 个方面： 1 ) 变产品管理为模块管理。目前国内一些厂家虽然采用了模块化设计， 而在生产中还是以产品为单位，以部件的形式进行模块的生产，然后 组装成产品，而不是以模块为基础组织生产。 2 ) 合理划分模块，逐步实现行业内同类产品的关键模块连接形式及尺寸 的标准化与互换性。模块划分的合理，则模块的适应力强，组合性好。 要做到这一点，除进行功能分析之外还应很好的解决模块之间的联系 问题，这种联系既要满足安装、定位的要求，又要满足力流和运动等 的传递方面的要求。因此，首先应实现标准化，由工厂内的标准化， 进而实现行业内的关键模块标准化，向互换性的目标努力，根据国内 某些厂家的经验，目前要达到模块的完全互换还有一定的困难。 3 ) 解决好造型与结构冗余问题。以产品为基础的设计，其造型比较容易 解决，因为各部件之间在该产品范围内协调形状、尺寸即可，因为部 件基本上都是专用的。而以模块为基础的设计则不然，因为同一模块 要在多种产品中应用，要使模块在所有产品中达到造型上的协调、匀 称则不容易做到，特别是模块用于不同规格的产品上时( 纵系列用) ， 常会有尺寸上的不协调问题。所以在进行模块化设计时必须同时注意 其造型，既不但要求其个体造型美观，而且更重要的是在构成产品后 的产品综合造型效果要好f 5 】。 1 4 研究内容与方法 模块化设计具有产品更新及维护简便等优越性，因此模块化设计是产品设 计的发展趋势，是以快速、经济的手段设计出具有竞争能力的最优产品的有效 途径，是一种新型的产品设计方法。为加快履带台车的研制进度，贯彻系统化、 通用化、标准化的设计原则，缩短设计周期、缩短制造周期、降低研发与制造 第1 章绪论 成本、提高产品质量、提高管理效率及提高综合竞争能力。本课题应用模块化 设计方法设计履带台车，并开发一种履带台车模块主参数驱动p r o e 三维模型的 设计软件。 该设计软件以w i n d o w sx p 为设计平台，用m i c r o s o f ta c c e s s 建立履带台车 各主要模块主要参数数据库，以v b 为设计界面语言，通过r a n d 公司开发的 p r o e n g i n e e r 二次开发接口程序a u t o m a t i o ng a t e w a y v 4 2 ，以履带台车各主要 模块主要参数数据库中的参数驱动p r o e n g i n e e r 三维图形，使整个模块化设计 过程更加直观，以同济大学与宝冶制造分工公司合作的项目“大型全液压履带式 装载机研制”中履带台车的设计为例演示模块数据库中的主参数驱动 p r o e n g i n e e r 三维图形的设计过程。 6 第2 章模块化设计 第2 章模块化设计 2 1 模块化设计的概念 2 1 1 模块化 模块化是一种思想方法，它广泛地应用于机械、电子和计算机等行业。目 前对模块化还没有一个统一的定义，一般可以这样理解：统筹考虑产品系统， 把其中含有相同或相似的功能单元分离出来，用标准化原理进行统一、归并、 简化，以通用单元的形式独立存在，这就是模块；然后用不同的模块组合成新 产品，这就是模块化。因此，模块化技术主要包含2 个方面的内容：一是模块的 合理分解；二是模块的有效组合。其概念及特点如图2 1 所示【6 】。 广 1分解i i j 广 l组合l i 一 基 本 功 能 基 本 模 块 基 太 功 能 基 本 模 块 ! 曼竺璺竺竺i ；隋、，、 基 本 功 能 基 太 模 块 模块化产品或系统 图2 1 模块化技术 团：囱 闺：囱夕 ， ， 第2 章模块化设计 作为标准化的一种高级形式，模块化的最终目的是：在多样化需求和多品 种、小批量生产模式下，为社会高效率地提供低成本、高质量的多样化产品或服 务。大规模定制生产要求低成本较好质量地满足用户的个性化需求，模块化 ( m o d u li z a t i o n ) 是取得敏捷性、低成本和个性化的关键和解决复杂性问题的有 效办法【。 2 1 2 模块化目的 从标准化观点着眼，模块化是标准化的高级形式，其目的和宗旨是与标准 化是相同的，就是确保产品质量、提高生产效率。在激烈的市场环境下，在多 样化需求和多品种、小批量生产方式下，如何在合理的价格和稳定供给的前提 下，不断开发产品品种，改进产品质量和可靠性，提高生产效率，取得质量、 品种与效益的有机统一，这就是模块化的目的【l 】。 从方法论角度来看，模块化是一种思维的工具，它通过对模块化对象的特 征、规律的科学分析，采用归纳和演绎、分析和综合、抽象和具体等逻辑方法， 以及系统的思维方法，来优化模块化对象体系的结构，并运用标准化方法，使 各对象的构成要素规范化、有序化，达到提高系统综合运行效率的目的f i 】。 若将上述基本目的进一步具体化，那就是： ( 1 ) 系统的简化 通过部件及子系统的标准化来简化系统及复杂产品的构成模式，从而达到 简化设计、缩短工程系统及新产品开发周期的目的，以适应时代对多样化的需 求。 ( 2 ) 结构的规范化和柔性化 以规范化的、组合式的构成模式，实现整体结构构成的柔性化，使产品机 构、生产结构具有灵活的可变性，提高对激烈而多变的市场竞争的适应性。 ( 3 ) 生产的社会化和专业化 根据当前技术和产业结构的既高度分化又高度综合的特点，促进生产的社 会化和专业化，并通过信息网络，实现资源共享，减少重复劳动和无功劳动， 加快新技术的扩散与运用，促进生产力的发展。 ( 4 ) 综合效益的提高 通过提高生产效率、质量和管理水平，来提高生产的效费比，以取得良好 第2 章模块化设计 的综合经济效益和技术效益【i 】。 2 1 3 模块化设计 模块化设计是将模块化思想引入产品设计，着重解决产品品种、规格与设 计制造周期、成本之间的制约关系的现代设计方法，其实质与模块化是相同 的，即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，以满足市场的不同需求。它包括2 方面的内容： 1 ) 根据设计要求进行功能分析，合理创建出组模块，即模块创建。主要 是根据市场调查与分析，以功能分解为基础，设计结构模块，形成结构模块系 列，为以后的设计及产品配置建立基础。其模块创建过程如图2 2 所示 6 1 。 开始 结束 市场调查 与分析 编写技术 文档 进行产品 功能分析 形成模块 库 拟定产品 系列型谱 模块结构 设计 确定参数范 围与主参数 划分功能模 块 图2 2 模块创建过程 2 ) 根据设计要求将一组存在的特定模块合理组合成模块化产品方案，即模 块组合。这是单个产品的模块化设计，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，本质上是模块选择及组合过程。 其模块组合过程如图2 3 所示。 开始 结束 用户需求 分析计算 确定参数 模块组合 系列型谱确定 模块选择 图2 3 模块组合过程 模块化设计能减少重复设计，缩短设计周期，降低成本，丰富产品类型， 9 第2 章模块化设计 快速响应客户个性化要求【l 】。 模块化设计是一种标准化、组合化设计，它不是面向某一具体产品，而是 面向某一类产品系统以至有相似功能的相邻产品系统，它不必对每种产品施以 单独设计，而是精心设计出多种模块，用巧妙、灵活而多变的方式组合出多样 化的产品。作为实现大批量定制生产、敏捷制造的重要一环，产品模块化设计通 过对不同模块的组合实现了以有限资源生产出尽可能多的产品品种。这种设计 方法已逐渐成为研究热点，并被认为是当前工程领域中最优设计的目标之一。 2 1 4 系列化、通用化、标准化与模块化、模块化设计的联系与区别 系列化、通用化和标准化孕育了模块化，产品系列化的目的在于用有限品 种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足市场对该类产品的要求。单 就规格而论，市场的要求是无限的，比如每个人的身高、体重都不一样，但工 厂设计和制造自行车时，只能用有限的规格来经济、合理地满足人们的要求。 使用者在选取一定规格的基础上，通过调整车把和鞍座的高度以适应自己。严 格地讲，产品的技术参数与用户的要求完全准确的符合是很难的，绝大多数情 况，只是相对的符合，从这个意义上讲，某一规格的产品实质上是一定参数范 围内的通用产品。 零件的通用化是解决品种与需求矛盾的低层次的办法。在新产品设计时， 如能借用原有产品的成熟零部件，不但能缩短设计周期，降低成本，而且还增 加了产品的质量可靠性。在进行产品系列设计时，对相关产品统一规划，使尽 可能多的零部件相互通用早已成为一条必须遵守的原则。 零件的标准化实际上是零件在更大范围内的通用，可以是跨品种、跨厂家 甚至跨行业的通用化。由于这种高度的通用化，使得这种标准件可以由工厂的 单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造，不但随时可以在市场上买到， 而且大大降低了成本，节省了原材料。 系列化、通用化和标准化的出发点都是要合理地解决用较少种类的产品、 部件或零件来满足市场对产品品种和规格的需求。这“三化”特别是通用化， 孕育了模块化的思想，为模块化设计打下了基础，积累了经验。但是，通用化 不等于模块化，因为通用化在设计时主观上往往是借用的概念多于公用的概念， 既在进行变形设计时，尽量利用基型中的已有部件，从而实现某些部件的通用 l o 第2 章模块化设计 化。或者在系列之内或跨系列的产品之间尽量采用同一结构的零件、组件、部 件和系统，以便减少企业生产的零部件种类，从而使制造厂的生产和管理过程 简化，以获得较高的经济效益。但是，单一结构的部件用于不同的产品时，容 易产生性能上的不足或因为超出需要而造成结构上的不必要的复杂，不能很好 的满足用户的多种要求。 而模块化设计则是在市场调查和分析的基础上，对产品进行功能分析，以 划分基本模块、通用模块或专用模块，以模块为基础进行设计，通过更换或加、 减相应模块以构成不同的产品，最大限度的满足市场对产品品种的需求。因此， 模块化设计产品之间必然具有很大的通用化程度，而通用化的产品不一定具有 模块化【3 1 。 2 2 基于模块化技术的产品开发一般程序 2 2 1 模块化设计方法分类 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 划分为各个相对独立的功能单元，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 7 1 。 2 2 2 以功能分解为主的模块化设计流程 以功能分解为主的模块化技术的产品开发一般程序如图2 4 所示。模块化设 计除了遵循一般技术系统的设计原则外，其目的就是要使每个部件和零件特别 是对于重要部件和重要零件，能在整个产品系列中具有尽可能大的通用性。 第2 章模块化设计 市场调查与分析 上 进行产品功能分析 上 拟定产品系列行普 上 确定参数范围及主参数 上 划分模块 上 模块结构设计 上 形成模块库 上 编写技术文件 图2 4 以功能分解为主的模块化设计流程 1 ) 市场调查与分析。这是模块化设计成功的前提。必须注意和预测市场对同 类产品的需求量、市场对同类产品基型和各种变型的需求比例，分析来自 用户的要求，分析模块化设计的可行性。如何在短期内开发和生产出质量 好、成本低、适应范围广的产品系列，快速应对市场，提高市场竞争能力， 这正是应用模块化设计力求缩短设计和生产周期，并降低制造成本的出发 点。 2 ) 产品功能分析与产品系列型谱确定。通过对产品功能、性能和技术水平档 次的分析，合理进行功能组合，划分和确定产品系列。本过程重在符合市 场需求和客观技术规律，兼顾考虑模块化设计原则。 1 2 第2 章模块化设计 3 ) 确定参数范围和主参数。必须根据产品结构特点和般使用范围规律，合 理确定模块化设计所覆盖的产品规格范围。规格范围过大，规格过多，对 市场的应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大，甚至在 一定程度上导致应用模块化技术的难度大；反之，则对市场应变能力减弱， 但设计容易，工作量小，易于提高产品性能和针对性。另外，参数数值大 小和数值在参数范围内的分布也很重要，按使用要求而定。 4 ) 模块结构分析和模块类型确定 模块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足 要求的基础上使产品性能稳定、结构简单、成本低，模块结构应尽量简单、 规范。因此，如何科学地划分模块，是模块化设计中很具有艺术性和关键 性的一项工作，既要满足市场需求和使用要求，又要考虑生产管理方便； 既要达到设计简便、模块数量尽可能少、降低制造成本，还要考虑到该模 块系列将来的进一步扩展和转向及向相近类型产品的辐射，所以划分的好 坏直接影响到模块系列设计的成功与否。总的说来，划分前必须对系统进 行仔细的功能分析和结构分析，因此划分模块要遵循以下原则： 模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性： 模块应达到尽可能大的通用性； 保持模块在功能及结构方面具有一定的独立性和完整性； 模块间的接合要素要便于联接与分离； 模块的划分不能影响系统的主要功能。 同时要根据产品结构的特点，可以进行一级模块、二级模块、三级模块等 的划分，也应根据影响产品结构、生产管理与成本的重要程度区别重要模 块、次重要和次要模块。所谓一级模块，就是组成产品的基本模块；二级 模块是指在一级模块的基础上还可进一步划分并具备模块功能的模块；三 级模块依此类推。进行模块等级划分可以有效地扩展模块化设计的应用、 扩大模块化设计的效果。重要模块就是主要影响到产品结构特点、开发成 本、制造周期、综合效率的模块。进行重要模块、次重要模块和次要模块 的划分可以分清主次，突出重点，更好地提高综合效果。应该注意的是重 要模块并不一定是一级模块。 5 ) 模块设计与建立模块库 由于模块要具有多种可能的组合方式，因此设计时要考虑到一个模块 第2 章模块化设计 的较多结合部位，合适的参数范围应做到制造与装配工艺性好，应尽量采 用标准化的结构。 6 ) 编写技术文件 模块化设计建立的模块最终必须以技术文件的形式确定其组合关系， 使之与具体产品产生联系。因此必须保证技术文件编制的正确性、完整性， 才能将不同功能的模块有机联系起来，指导制造和检验过程 8 1 。 2 2 2 基于结构特征的模块化设计流程 如图2 5 n 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联系 7 1 。 l 零笛件几何形状分析h 相似零部件组i l 端件妻蝴h 嚅掣i 。；耋。+ 。1f 零部件几何模型i l 建立锱件嘏型h 差凳耋凳暑簇i i 建立产品主结构h 产品结构图i i 根据产品主结构进行 l 产品配置 毒 形成所需产品 图2 5 基于结构特征的模块化设计流程 1 4 第2 章模块化设计 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( 9 1 。 2 3 模块化产品的装配 模块化产品系列中结构典型化、标准化、系列化，因此各种变型产品结构 雷同性大，装配要点相差无几，这就给装配工作带来很多有利条件，工人易 于理解、掌握、操作熟练。模块化产品这些根本属性，就使得有条件对整个装 配工序进行合理化分析。根据零部件模块组合过程并考虑到加工进度、工夹量 具条件、运输等因素，将装配工作合理地分成若干个阶段。这样可以减少等待 工时，缩短装配工时，使整个产品的生产相互匹配，更趋合理【5 】。 2 4 模块化产品的生产管理 模块化设计既适用于大批量生产也适用于单件小批量生产。模块化产品生 产系统一般可分为三个部分： ( 1 ) 充分利用模块化产品系列所内涵的多种预制级可能性，根据生产需要和可 能，合理扩大预制件的范围和预加工深度。 ( 2 ) 保持标准件和通用件的合理库存量。 ( 3 ) 安排好需根据用户条件专门设计的零部件( 非模块化零部件) 的生产。 一个具体的模块化产品就是由这三部分零部件装配而成。这种模块化生产 系统对于改进单件小批量产品的生产，使之更为合理化有显著的效果。 模块化产品系列的彻底标准化，也为生产过程的控制和管理的规范化制造 了条件。通过零部件的编码系统，将计算机辅助设计和计算机辅助制造一体化， 易于实现计算机集成生产系统( c i m s ) 5 1 。 2 5 模块化产品的优缺点 ( 1 ) 采用模块化设计，可增强产品的竞争能力，模块化产品系列的开发，扩大 第2 章模块化设计 了产品的应用范围，并提高了产品的适应性和灵活性。模块化产品系列的 开发，为产品的报价( 包括技术方案设计和报价) 提供了许多现成的资料。 因为产品是由标准化的模块组合而成的，因此适合用户要求的技术方案的 提出和价格的估算工作都变得简单多了。模块化产品系列的应用，产品的 彻底标准化、系列化，使具体产品的生产性设计工作量大为减少且简单化， 同时也使产品制造工艺规范化、加工和装配日趋熟练。模块化产品可实现 不同预制级生产，使生产易于控制。这些都促使产品生产周期缩短，产品 竞争能力增强。 通过模块设计，产品的零部件生产批量扩大，加之使设计、加工及装 配工时的减少，标准工夹量具的重复应用等原因使模块化产品成本构成更 趋理。 ( 2 ) 采用模块化设计，产品质量特别是一次成熟性提高。模块化设计的产品系 列，不论其设计计算方法还是各个模块设计图和制造工艺，都在每次具体 产品的生产性设计制造中得到修改完善，不断提高，从而使产品质量达到 较高水平。产品的一次成熟性是衡量新产品或单件少批量产品质量的一个 新的重要的考核要求。所谓产品的一次成熟性即指新产品一经组装或出厂 就应不经调试全部达到设计指标。由于模块化产品采用在各个产品中反复 考验的典型结构以及标准化、系列化模块，因此一般比较容易实现产品的 一次成熟性。 ( 3 ) 采用模块化设计，易于做好用户服务工作。在模块化设计的产品系列中， 制造厂以有限的模块满足了用户较宽广和较灵活的要求，双方都从中得到 了利益。用户得到了较一般产品更适舍自己要求的模块化产品。模块化产 品的结构典型化、标准化和系列化，同样也简化了用户的使用操作和管理。 模块化产品的备品备件库存更趋合理，用户售后的备品备件供应等服务工 作也易于解决。 ( 4 ) 模块化设计的产品系列开发初期投资大，模块化产品的适应性受局限，模 块化产品系列开发的范围广、难度大、风险也大，需要投入的人力、物力 大，开发期也较长。模块化产品比一般产品对用户的适应性好，但模块的 组合和变型总还是有限度的，在某些边界上或产品中的个别零部件，总会 与用户的要求有差距。另外从外观上看，模块的有些组合产品不一定雅观 【5 】。 1 6 第2 章模块化设计 2 6 模块化设计效果 模块化设计可以创建不同需求的产品，满足定制需求；已有的模块、设计 经验和各种资源的反复使用；减少产品工程复杂程度；提高产品工程管理质量 和产品的可靠性。 模块化设计，在产品设计制造中可以缩短设计周期、缩短制造周期、降低 研发与制造成本、提高产品质量、提高管理效率及提高综合竞争能力。 模块化设计使产品的零部件种类减少，批量增大，功能增多，有利于降低 产品成本从而提高产品的经济性，而且模块化设计用于生产批量较小的系列化 产品特别有效。 1 7 第3 章甩f 带台卞的模块化设计 31 概述 第3 章履带台车的模块化设计 对机械产品进行模块化设计和开发，可以归结为3 种情况：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