（机械设计及理论专业论文）模块化设计理论及其在桥式起重机设计中的应用.pdf

摘要 随着经济发展的全球化、加入w t o 等因素，国内机械行业竞争日益激烈，为使企 业在激烈的市场竞争中处于有利地位，必须增强产品刨新能力、缩短发计周期、提高用 户化程度t 同时又要降低成本，保证质量及良好的售后服务。传统的产品设计方法已经 无法满足这些要求，而模块化设计技术通过模块的划分与组合，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，可适应市场激烈竞争的需求。本文通过对现有 模块化理论体系的研究，针对新产品的丌发提出了一套完整的模块化设计方法。 满足客户需求是产品研制的最终目的。本文从面向模块化的角度允析了产品系列的 规划，并详细研究了模块化没计的理论体系。首先通过对客户进行凋查和对市场上类似 产品的分析，确定新产品针对的主要客户群和功能性能要求；其次采用功能分解的方法， 将产品总功能分解为若干子功能模块：在此基础上，对子功能模块之间的各种相关性进 行分析和量化，采用模糊聚类分析方法，将功能模块进行重新组合，并得到一系列功能 模块规划方案；采用熵的概念，从设计、制造、安装及维修等方面对各种功能模块规划 方案进行评价，确定最佳方案：最终通过分析功能模块对客户需求的影响程度，确定产 品系列的核心平台。本文还就单个功能模块的数掘存储格式、功能模块数据库的组织结 构进行了研究，确定了按照模块的功能进行分类和检索的模式，并提出了基于模糊模式 识别的功能模块选择方法。文章最后以桥式起重机为实例，对此模块化设计方法进行了 验证。 本文的研究工作进一步完善了模块化理论体系，提供了运用模块化设计进i j - 新产品 丌发的设计步骤和设计内容，对于促进模块化设计在工程中的应用有实际的意义。 关键词：模块化设计；产品规划；功能分解；模糊聚类分折：相似理论；桥式起重机 a b s t r a c t w i t ht h e g l o b a l i z a t i o no fe c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc h i n a se n t e r i n gi n t ow t o ，t h e c o m p e t i t i o ni nd o m e s t i cm e c h a n i c a lm a r k e ti sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e v e r e i no r d e rt ok e e p c o m p a n y sa d v a n t a g e i nt h e c o m p e t i t i o n ，w e m u s te n f o r c ei t m o v a t i v e c a p a b i l i t y s h o r t e n d e s i g nc y c l ea n di n c r e a s ed e g r e eo f c u s t o m i z a t i o na tt h es a m et i m e ，w eh a v et or e d u c ec o s t ， m a i n t a i nq u a l i t yo fp r o d u c ta n dg o o da f t e r s e r v i c e t r a d i t i o n a lm e t h o do f d e s i g n i n gc a n n o t h a v em e ta b o v e - m e n t i o n e dn e e d s m o d u l a rd e s i g nt u r n sm a s s p r o d u c t i o n o fc u s t o m i z e d p r o d u c t sa n di n d i v i d u a l i z a t i o no fi ti n t or e a l i z a t i o nb ym o d u l ep r o g r a m m i n ga n dc 6 m b i n a t i o n a n di tc a nf i tt h ed e m a n do fc u t t h r o a tc o m p e t i t i o no fm a r k e t o nt h eb a s i so fc u r r e n tm o d u l a r d e s i g nt h e o r y ，af u l lm o d u l a rd e s i g nm e t h o di sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i sa i m i n ga ta l ld e s i g n p r o c e d u r e si nt h ed e v e l o p m e n t o f n e 、p r o d u c t i ti st h ef i n a li n t e n t i o no f d e v e l o p i n gn e wp r o d u c t st om e e tt h en e e d so fc u s t o m e r s i nt h i s t h e s i s ，t h ep r o g r a m m i n go fp r o d u c tl i n ei sa n a l y z e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fm o d u l a r i z a t i o n a n dt h et h e o r yo fn l o d u l a rd e s i g ni ss t u d i e di nd e t a i l f i r s tt h em a i nc u s t o l n e r g r o u pa n dt h e i r e x p e c t a t i o nt ot i l en e wp r o d u c ti sc o n f i r m e db yt h em a r k e tr e s e a r c ha n da n a l y s i so fs i m i l a r i t y p r o d u c ti n t h em a r k e tt h e n t h em a i nf u n c t i o no fn e wp r o d u c ti s d e c o m p o s e di n t os m a l i f u n c t i o n a lm o d e l b yt h em e t h o d o ff u n c t i o nd e c o m p o s i t i o n o nt h eb a s i so f t h e s e t h er e l a t i v i t y o ff u n c t i o n a lm o d e l si sa n a l y z e da n d q u a n t i f i e d a n df u n c t i o n a lm o d e l sa r er e a s s e m b l e db yt h e m e t h o do fr l z z yc l n s t e r i n ga n a l y s i s t h u s ，as e r i e so fp r o g r a m m i n gp l a n sa r eo b t a i n e d u s i n g e n t r o p y ，ab e s tp r o g r a m m i n gp l a nc a l lb es e l e c t e db y t h ee v a l u a t i o no fd e s i g n ，m a n u f h c t u r e ， a s s e m b l ea n dm a i n t a i na n ds oo n f i n a l l y ，ap r o d u c tp l a t f o r mc a nb es e tu db ya n a l y s i so f i n f l u e n c ed e g r e eo ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e st oc u s t o m e rc o m m a n d t h es t o r a g ef o r m a to fa f u n c t i o n a lm o d e ja n dt h es t r u c t u r eo ff l l n c t i o n a lm o d e ld a t a b a s ea r ea l s ob e e ns t u d i e di nt h i s t h e s i s t h ef u n c t i o no fm o d e li ss e ta st h e k e y w o r d o ff u n c t i o n a lm o d e ld a t a b a s e a m o d e l - s e l e c t i n ga l g o r i t h mb a s e do nf u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o ni sb r o u g h tf o r w a r dh e r e t h e v a l i d i t ya n du s a b i l i t yo ft h em o d u l a rd e s i g nm e t h o dp r e s e n t e di nt h i st h e s i si sv e r i f i e db yt h e e x a m p l e o fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e t h i s s t u d y s u p p l e m e n t st h et h e o r y o fm o d u l a rd e s i g n a n dt h ed e s i g np r o c e s sa n d i n t e g r a t e dd e s i g nc o n t e n ta r ep r e s e n t e dh e r e ，w h i c hi sap r o m o t i o nt ot h em o d u l a rd e s i g n t e c h n o l o g yu s i n gi nm e c h a n i c a lp r o d u c td e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：m o d u l a rd e s i g n ；p r o d u c t p r o g r a m m i n g ；f u n c t i o n a l d e c o m p o s i t i o n ；f u z z y c l u s t e r i n ga n a l y s i s ；s i m i l a r i t yt h e o r y ；o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e 模块化设计理论及茸在桥式起重机的应用 1 绪论 1 1 选题背景 随着经济发展的全球化、市场竞争的日益激烈我国的制造业面临着巨大的挑战， 制造企业必须提高复杂产品及设备的创新能力和快速响应市场的能力，才能在全球竞争 的范围内立于不败之地。加入w t o 以来，关税壁垒保护的丧失，我国起重机械行业也 面临着更加激烈的市场竞争。根据市场预测，仅仅对工程机械这一行业我国的需求量为 7 6 0 亿元左右”i 。为使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位，必须增强产品创新能力、 缩短设计周期、提高用户化程度，同时又要降低成本，保证质量及良好的售后服务。传 统的产品设计方法已经无法满足这些要求，而模块化设计技术通过模块的划分与组合， 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，可适应市场激烈竞争的 需求，因而受到了国内外学术界和工业界的广泛关注。 “模块化设计”是欧美国家5 0 年代提出的一种新的设计概念和设计方法。提出这种 设计方法的目的，是为了提高设计效率，使设计经验能够传递和继承，以利于进一步提 高没计和生产水平。这种方法具有采用互换性的一定功能和联接要素的单元进行组合而 形成产品的特征，它强调以功能分析为基础，以市场预测为导向，把功能不同或者功能 相同而性能不通的模块进行组合和互换，形成多种通用、变形的产品，使产品系列具有 很大的适应性。这种设计方法具有的明显优势就是不仅能满足用户多品种的要求，而且 缩短设计周期，使企业在市场竞争中获得主动权。 现代机械是由动力模块、传动变换模块、执行模块、电脑模块、控制模块组成的， 能完成一定工作的装备口1 。定义可以很明显的给出机械的宏观模块分类。传统设计方法 设计出来的产品，都是根据设计要求，“量身定制”，单件设计，单件生产，属于个体“小 农”思维方式，因此部件的通用性差，并且引起维修性能差，功能部件更换或者升级困 难。“模块化设计”是一种着重解决产品品种、规格与设计周期、成本之间的矛盾的设计 方法。具体一点，模块化设计是- - l o g 使性能不同而具有一定功能或用途的同类部件( 或 组件) 之间的联系尺寸( 结合要素) 标准化，而部件具有很强的互换性，便于组装和更 换的设计方法。也有很多人认为：在对一定范围内的不同功能或相同功能、不同规格的 产品进行功能分析的基础上，划分出一系列功能模块，通过功能模块的选择和组合就可 以构成不同的产品，以满足市场的不同需求，这种方法称为“模块化设计”。 传统的起重机设计方法，是根据主参数及其性能要求而进行整机及各部件设计，没 有或很少考虑某一功能单元的部件在跨系列产品中的使用，因此部件的通用性差，缺乏 标准化设计思想，经验难以传递或积累。起重机械的模块化设计，以其能缩短起重机械 的开发周期，加快研制步伐，便于生产管理，有利于降低成本和新技术的利用，而得到 广泛的发展。本文的主要工作就是研究模块化设计的思想体系，并将其应用于起重机械 的设计中，促进其技术手段的进步。 1 2 选题意义 模块化设汁理论驶其神嘶式起重机的心用 由于模块化设计技术在国内起步比较晚，该方法在机床行业等已经得到非常广泛的 应用，而在机械其他行业没有得到推广。近年来经济的飞速发展，国家基础建设的增加， 对机械产品的需求量增加，模块化技术的硕究和应用在这些行业也得到了重视。对模块 化设计技术进行研究和运用，在机械行业领域将产生很大的效益。 121 缩短产品的供赁周期 缩短产品的设计周期、制造周期和供货周期，这样有利于缩短产品的上市时间，提 高产品的市场竞争能力。采用模块化技术丌发新产品族之初，需要对市场需求进行大量 的调查和论狂，并且结合产品自身的结构和功能特点，进行模块的划分并确定基本模 块和可变模块。在后续的新产品行发中，部分功能采用己有的基本模块来实现，从而很 好的复用了以前的设计资源，缩短了设计周期。模块化实质上是部件级、甚至予系统级 的标准化，它在满足产品多样化需求的同时，有效地统一、简化和限制了零部件的品种、 规格。模块化产品是按模块 装备，生产率高，制造周期 大缩短供货周期l 。 模块化的产品结构，是 厂生产。对于专业厂商，模 了成本：许多整机厂加入了 从而缩短了产品制造周期。 模块化减少了零部件种 看，又可极大地提高管理效 周期，提高了原材料及标准 组织生产的，模块有一定的批量，有确定的工艺流程和工艺 短。对于长周期、高难度的模块，如有适当的储备，更可大 组织专业化生产和社会化协作的基础。许多模块可交由专业 块将成为其系列化的商品，可以实现批量化生产，大大降低 外购、外协模块的数量，而减少了自行设计制造的工作量， 类和材料的种类，除了可缩短生产制造周期外，从管理角度 率，它缩减了各个生产管理环节的工作量。缩短了生产准备 部件等的采购以及仓库管理效率。这些管理内容的简化和效 率的提高是缩短产品交货周期的重要环节。 企业的生产设备及生产线如果采用模块化结构，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。 1 2 2 有利于取得市场竞争的主动权 有利于发展产 时代发展的趋势 ，改变一个局部 可靠性、交货期 现有通用模块的 种。由模块产品 品种和 因而产 节，常 价格。 同组合 种发展 进新技术，取得市场竞争 多品种发展已成为市场竞 致整体结构的全谣变动， 块化产品是组合式结构， 形成新品种，或者对产品 方式可以看出，各种新产 主动权。产 的重要环节 仅设计周期 模块作为其 某个或几个 均以通用模 多样化和高级化 传统的整体式产 ，而且影响产品 成单元，可以通 块改型，形成新 ( 不变部分) 为品。长构模块 的争不以中品 引品导模，的 品，环和不品 是口的过品 模块化设计理论及儿在桥式起重机的戍用 基础，只改变少量模块及组合关系就可以形成新品种，因而可以大大加快新品种丌发速 度，增强企业对市场变化的快速响应能力。 模块化结构有利于在产品中及时引入新技术，以新技术来改造相应模块，取代那些 在技术上或结构上已经陈旧的模块，在不变更其他模块的基础上，形成先进的新产品， 使产品不断保持先进性，取得市场竞争的主导权。 1 23 降低产品开发成本，提高产品质量 对于同一功能的产品，由于模块化可缩短设计、制造周期，简化管理，可极大地降 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，从而提高了产品的质量、 可靠性和维修性，延长了产品的寿命周期；以模块化方式丌发新产品，成本增加不多， 新功能、多功能产品会迅速涌现，在及时满足消费者多样化需要的同时，还有效地占领 了市场。单一的模块也将由专人负责设计、生产和测试，使得单一模块的性能得到保障。 这都有利于新产品质量的提高p i 。 采用模块化设计，产品以已有模块的组合为主，模块己定型，可拿过来就用，设计 师的主要精力可放在刨新上，而按模块化原则设计的新模块，转化成通用模块后，又可 供别人共享。所以，模块化设计减少了设计人员低水平的重复劳动，降低了设计成本： 同时，设计师可以将更多的聪明才智应用于创造性设计。 12 4 便于维护、维修 从维修的角度观察，模块是可从整机上拆卸的设计部件。在模块化结构的产品中， 由于模块间有明显的功能分割，发生故障易于判断，可迅速找到有故障的模块，缩短了 故障诊断时间：由于模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以模块为单位进行，从而显 著改善了维修条件，简化了维修程序，加快维修速度和提高修理后的质量；由于简化了 故障诊断及拆装作业，改善了维修条件，可显著降低对维修人员的技术水平和技能的要 求。如有备用模块，甚至设备的操作者就可以及时进行快速更换，而将换下的失效模块 送到专门的模块维修部门。这样保证生产工作顺利进行，将损失减小到最低程度。更换 下的模块再进行进一步的处理。这样就做到了维修时间与生产时间同时进行，提高了产 品的维护性能和可维修性能。 1 3 模块化设计的发展 2 0 世纪初德国一家具公司设计出了一种“理想书架”，由此诞生了模块化设计原理 和方法。并且，这种设计原理和方法在众多行业得到了广泛的应用，在机床行业尤为应 用的广泛。 模块化设计理论段靠桥式起重口l 的胧用 - _ - - _ 1 3 1 国外的发展状况 1 9 0 0 年德国一家具公司用模块化原理设计出所谓的“理想书架”，该设计是将书架 划分为底座、架体和顶板三种模块，其中架体具有几种不同的尺寸，用户根据要求选择 不同的架体组成合乎自己要求的“理想书架”。这是现在知道的最早按照模块化原理设计 的产品之一。此后，模块化这种设计思想和理论得到各行业专家学者进一步的研究和应 用，进行了概括和总结，并e 在逐渐形成“模块化设计理论”。 1 9 2 0 年左右，在欧洲，尤其是德国，模块化原理已开始应用于机械产品的设计中。 德国的弗罩茨一韦尔纳( f r i t z w e m e r ) 公司设计的铣床，就是把铣床上的一些部件按功 能划分成模块而进行设计和制造的，可以很方便的组装出符合客户需求的产品。德国联 合车床厂把车床的主轴箱设计成模块化系统，该系统共有6 3 个不同的齿轮，通过选择、 搭配，可以组合成6 0 种不同的主传动系统，分别用于丝杠车床、光杆车床、六角车床和 卧式深孔钻床等川。 到2 0 世纪5 0 年代，经过大量的摸索和实践欧美专家正式地、系统地把模块化设 计作为- 7 0 0 先进的设计方法提出柬。这种设计方法由此丌始逐渐得到重视，随着各行业 专家学者的研究，其理论和应用技术的进展和完善，模块化设计也成为各类机械产品研 发中普遍采用的一种现代化设计方法。 模块化设计首先是针对机床产品设计所提出来的，因此模块化机床产品在工业发达 国家已经十分普遍，诸如模块化机床、铣床、钻床、镗床和磨床等等。 模块化产品在建筑机械行业也得到迅速发展。7 0 年代，法国的p o t a i n 公司、瑞典的 l i n d e n 公司以及德国的l i e b h e r r 公司等首先将模块化设计的方法应用到塔机产品的开发 过程中，用有限的模块有机组合成适用于各种具体施工需要的塔机。例如瑞典l i n d e n 公 司采用6 1 个标准模块和一些非模块零部件，经过选择理论上可组合成4 万多种不同性能 的上回转塔机，它们的起重力矩从1 0 0 吨米到8 0 0 0 吨米，臂头吊重从1 吨到7 0 吨， 幅度最多达到1 0 米，固定式高度最高达1 4 5 米。美国的c a t e r p i l l a r 公司和闩本的 小松公司在土方运输机械方面应用模块化设计方法，推出众多系列的铲土运输机械。美 国的c a s e 公司将模块化设计方法应用于小型装载机产品上，在发动机功率为1 3 2 4 4 1 k w 的范围内，发展了3 0 多种基型和变型产品。前苏联莫吉疗夫基洛汽车制造厂， 利用模块化系列设计方法，开发了1 7 6 ，5 k w 的机械族产品等【2 j 。德国德马格( d e m a g ) 公司所设计和制造的单梁吊车改为模块化设计后，其设计费用仅为单台设计时的1 2 ， 生产成本降为4 5 1 6 j ，显著提高了经济效益和产品的竞争能力。 1 3 2 国内的发展状况 模块化设计技术在国内起步较晚。 2 0 世纪7 0 年代术开始，我国的机床行业中不少厂家应用“模块化设计”原理进行 新产品开发或系列设计，取得了不少成果。 北京第一机床厂利用模块化原理进行龙门铣床的设计，几年中为用户生产了模块化 的标准型、变型、专门化中段龙门铣床2 0 多种。为长春汽车制造厂和天津汽车制造厂生 模块化设汁理论及j c 在桥式起重机的应用 产的两种变型龙门铣床( x 2 0 2 5 8 0 2 和x 2 0 1 6 5 0 2 ) 中选用了现成的模块，连同 新设计的4 种部件组成了相应规格的两种龙门铣床，设计周期也缩短了四分之一。 东方机床厂应用模块化方法设计轻型龙门刨床，取得了良好的效果。该厂在原声长 龙门刨床的基础上，设计出3 种型号、8 种规格的轻型龙门刨床，仅用不到一年的时间 就试制出了第一台样机。 杭州汽轮机厂主要通过引进德国s i e m e n s 公司的技术在模块化系列产品的开发中取 得了显著的效益。该厂生产的工业汽轮机由于使用对象和使用场合的不同，通常需要具 有不同的性能要求的产品型式。2 0 世纪7 0 年代后期引进s i e m e n s 公司的模块化工业汽 轮机系列的整套技术后，将汽轮机划分为三个区段：前区段、中区段和后区段，为适应 不同的蒸汽参数、数量、转速和功率等的要求，各区段又分别形成尺寸不同的分档，即 模块，各尺寸分档按一定规律可以相互拼接组合，以满足不同用户的要求_ o l 。 上海仪表机床厂和上海市机床研究所曾对仪表车床进行模块化设计，通过合理规划 和组织，在较短时间内完成1 3 个品种设计和制造。平均每个设计人员每年完成1 5 台新 产品的设计，而过去采用单台设计时，要3 个人用1 5 年才能完成一台的设计。采用模 块化设计新产品使他们的设计速度提高了近6 倍。在制造周期上效果也很显著，用一个 多月的时间就可试制出2 种新产品，在正常生产情况下，平均一个月左右就推出一种新 产品，这是单台设计和制造方法无法实现的。还可以不断地把最新技术应用于模块的设 计中，代替那些结构上或技术上陈旧的模块，在不变更其他模块的基础上，组成先进的 产品，使产品不断保持先进性”1 l 。 除机床外，其他行业也丌始采用“模块化设计”方法。机械电子工业部1 9 8 9 年1 0 月公布的机械电子工业第一批产品现代设计计划表中列出模块化设计项目7 1 项，1 9 9 1 年公布的第二批计划中列入1 5 项，共8 6 项。这些模块化设计项目涉及到机床、加工中 心、磨具、照相机、泵、电表、电机等，范围相当广泛。为了解决模块的制造和生产 管理方法问题，1 9 8 8 年1 1 月发布了机床行业计算机辅助企业管理信息代码系统产 品设计代码系统、1 9 8 9 年3 月发布了机床行业计算机辅助企业管理信息代码系统工 业代码系统和1 9 9 1 年发布了机床行业计算机辅助管理信息代码系统机床零件编码 系统t l b 系统( j b t 5 2 4 8 4 一1 9 9 1 ) 等指导性技术文件，为解决模块化设计与生产管 理提供了依据。 1 3 3 模块化设计理论研究现状 在理论研究方面，国内外的许多大学、 做进一步的研究，不断地完善其理论体系。 化设计理论也得到进一步的充实。 学术机车勾都在对模块化设计理论和实际应用 随着新的设计理论和方法的不断出现，模块 台湾学者黄俊哲( c h u n c h eh u a n o ) 、梁文耀( w e n y a ul i a n g ) 以及美国学者 a n d r e w k u s i a k 8 ，9 o ，2 1 正在研究面向对象的模块化设计技术，应用电子产品、机电结合 的设计取得了一定的成果。韩国学者h a k s o om o k i h l 等也对产品的模块化进行了一系 列的研究，并在学术刊物上发表了研究成果。加拿大学者pg u h 】贝0 结合全生命周期理论 对产品的模块化设计进行了一系列的研究。 模块化设计理论及其在桥起重机的应用 章时中从系统论的角度研究了模块化设计，指出：从系统的观点出发，模块化设计 是对模块化对象采用分解和组合方法，建立模块体系和运用模块组合成( 产品) 系统的 全过程。他认为模块化是标准化的高级形式，是一种思维的工具i l i 。 天津大学徐燕申教授在数控机床的结构模块化设计i l 、模块选择算法【l ”以及应用方 面丌展了研究，研究的重点主要是广义模块化、柔性模块化系统。浙江大学与青海大学 联合开发了基于模块化设计思想的加工中心“，重庆工学院应用模块化设计理论丌- 发数 控加工中心主传动系统l i ，清华大学王爱民教授在将模块化设计方法应用于产品族设计 方面展开了研究睢。专家们在充分研究之后，出版了不少的专著“，专门介绍模块 化设计理论体系和应用方面的工作。所有这些工作的丌震，都在不断地完善、拓展模块 化设计的理论内容和应用深度，更大地发挥模块化设计的技术价值和经济价值。 1 4 模块化设计方法与传统设计方法 传动设计方法是模块化设计方法的基础，模块化设计方法是传统设计方法的完善和 发展，传统设计方法之中包含着模块化设计思想。传统机械设计方法已经不适合于当今 市场对机械产品品种，规格、样式以及高性能等多样性要求，而模块化设计则可以使机 械产品的设计和生产进入高效、高性能的阶段。但传统机械设计仍然是模块化设计的基 础。这是由于一方面，模块化设计中不可避免地会延用一些经典的传统机械设计理论； 另一方面，传统机械设计中的系列化、通用化和标准化孕育着模块化设计的思想 ”。 1 5 模块化产品设计面临的难题和关键技术 市场是产品开发与存在的根本原因，新产品的丌发只有抓住了市场的需求和发展趋 势，不断的满足客户的要求，才能真正的生存下去。产品的模块化设计是提高新产品市 场竞争能力的手段，因此产品的模块化设计从广义上讲是更复杂的设计，它包括模块创 建和模块综合两大过程l “ 。因此，模块化产品设计的主要难题和关键技术如下： ( 1 1 确定客户需求是模块化产品的根本出发点 客户就是上帝，只有满足了客户的需求，才。能更多地赢得市场。而了解客户的途径 主要为用户调查、类似功能产品的市场销售情况，以及综合经济、环境等因素，对客户 需求趋势作进一步的研究。获得客户需求的原始数据之后，要对这些需求进行归类，确 定重点客户群。 f 2 ) 产品的功能分析是良好的产品模块化系统的基础 从客户的需求出发，确定产品的功能和主要参数。参考已有产品的结构，对新产品 进行功能分解，将复杂问题分解为简单易于实现的子问题( 子功能) 。通过对子功能之问 进行相关性分析，将子功能聚类成功能更强大的功能模块，并对模块系统进行评价。 ( 3 ) 模块的管理 由于模块产品是以模块为单元进行设计、生产和存储的，因此，有必要改变传统的 整体产品管理模式，研究适合于模块化设计的模块管理理论和方法”1 a 模块化设计理论及c 在桥式起重机的脚用 1 6 本文的主要研究内容及章节结构安排 本文拟对模块化设计方法进行较为系统的理论研究对产品族的规划、客户群的归 类分析以及模块系统的建立等展开系统的研究工作，形成较为系统的新产品模块化设计 方法。具体内容如下： 第一章：介绍本课题的提出背景和研究意义，模块化设计在国内外的应用状况以及 目前的理论研究工作，阐述模块化设计中需要解决的关键问题。 第二章：研究模块化设计的基础理论知识，介绍模块化设计的基本原理，对这种先 迸的设计思想形成系统的认识。 第三章：研究面向模块化设计的产品规划问题。从新产品丌发的基本出发点丌始， 研究客户群的界定，针对客户群需求进行产品族的规划。 第四章：研究模块化系统的创建及其评价。采用功能分解方法，将产品从总体功能 上进行分解。并建立各个子功能之间的相关性；将子功能相关* k i w - 进行组合，形成子矩 阵；采用模糊聚类分析方法进行重新组合。对确定的组合进行设计、安装等方面的评价， 确定最佳模块系统。 第五章：研究模块数据库的建立结构以及模块单元的存储结构，形成高效方便的模 块管理系统。 第六章：以桥式起重机为实例，采用本文论述的方法进行模块化设计，并评价其合 理性和优越性。 第七章：进行全文总结，并展望模块化设计的发展趋势。 1 7 本章小结 本章系统地分析了模块化设计提出的背景和意义，讨论了模块化设计的应用和理论 研究状况，并分析了其中的难题和关键技术。 模块化改计理论放j c z i 挢j 起重机的应用 2 模块化设计理论体系 现代机械是由动力模块、传动变换模块、执行模块、电脑模块、控制模块组成的， 是能完成一定工作的装备。现代设计技术及制造技术的发展，使其中大多数功能单元成 为功能独立的部件，这样为模块化设计方法的应用提供了条件。模块化设计的具体思想 是受到“齿轮啮合互换性”的启发：一个齿轮刘以与另一个同类型的具有相同模数及压 力角的任意形状、尺寸和齿数的齿轮相啮合。与之相似，模块化设计是以功能分析为基 础，通过功能相同而性能、用途不同的各模块的互换，可以组合成各种基型产品和变型 产品【“。 本章首先从模块化设计原理出发，研究了模块化设计的内在规律。介绍了一些密切 相关的概念，接着介绍了模块化设计的过程，讨论模块规划方案的评价方法以及模块数 据库的管理等。 2 1 模块化设计的概念 模块化设计概念的提出出来己久。目前，模块化设计的思想已渗透到许多领域。例 如机床、减速器、家电、计算机等等。在每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含 义。山于各设计对象和应用范畴千差万别，至今尚未给出模块化设计的确切含义。目前 啦界上通行的模块化设计的含义可表达为：模块化设计是将同一功能单元设计成具有不 同用途或性能的、可以互换的模块。显然，这一含义未能从深层次揭示出产品模块的划 分原理与模块组合成产品的一般规律。 211 相关概念 在给出“模块化设计”定义之前，先定义引入几个与本文密切相关的概念刮： 1 ) 系列产品：是指具有相同功能种类、基本相同的结构型式、基本相同的制造工 艺，但性能参数不同的一组产品。 2 ) 系列产品分类：根据约束条件的不同，可以把系列产品划分为纵向系列产品、 横向系列产品和全系列产品。 3 ) 纵向系列产品：具有相同功能种类、基本相同的结构型式、基本相同的制造工 艺，但其几何尺寸和主要功能参数大小不同的一组产品。 4 ) 横向系列产品：产品的主要功能参数或功率不变，仅仅通过互换一部分功能种 类相同、性能参数不同的执行部件来改变或调整产品主要性能参数之间的关系 丽形成的一组变型产品。 5 ) 全系列产品：纵向系列产品的一部分或全部机型通过附加或更换部分功能模块 而构成的一组包含各种大小规格机型、功能参数各异的纵向和横向系列产品。 ! 世丝堡型堡墨塾! ：堡垒塑里! ! 堕! 兰旦 6 ) 产品族：是响应客户需求和适应市场竞争的产品集合，建立产品族的目的是针 对一定范围的顾客群，折衷用户需求种类和产品设计、制造效益的平衡，最大限 度地实现设计参数和生产过程的可重用性，以最小的产品变异来适应市场的竞 争。 从以上概念的定义中可以看出，系列产品具有明显的特征即通过不同大小规格 的功能模块实现同一总功能的不同性能参数组合。 2 1 2 模块化设计的定义 目前国内外对模块化设计的定义一直没有统，通行的几个定义如下： 定义l ：模块是一组同时具有相同功能和相同结合要素( 指联接部位的形状、尺寸 和联接件之问的配合或接触参数等) ，而具有不同陛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) 。 定义2 ：模块化产品是指其部分或者全部由组特定的模块在一定范围内组合而成 的产品。 定义3 ：模块化设计是基于模块的思想，将般产品设计任务设计成模块化产品方 案的设计方法。它包括两方面内容：一是根据新设计要求进行功能分析，合理创建出一 组模块即模块创建；二是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 品方案即模块综合。它有两种设计形式：一是基型设计，另一是变型设计。基型设 计明显包含上述两方面内容，而变型设计一般只包含第二方面内容，但当互换模块不存 在时，也须包含第一方面内容。 根据以上定义，本文还引入了几个相关概念，现定义如下吲： 1 ) 横向系列模块化产品：属于横向系列产品范畴的模块化产品。 2 ) 纵向系列模块化产品：属于纵向系列产品范畴的模块化产品。 3 ) 跨系列模块化产品：出于较好的经济性能考虑，不同的横向系列产品之问部分或 全部机型共用一种或若干种功能模块而构成的一组产品。 4 ) 横系列模块化设计：将一般产品设计任务设计生成横向系列模块化产品方案的设 计方法。 5 ) 纵系列模块化设计：将一般产品设计任务设计生成纵向系列模块化产品方案的设 计方法。 6 ) 跨系列模块化设计：将一般产品设计任务设计生成跨系列模块化产品方案的设计 方法。 般情况下机电产品是由零部件组成的。然而并非任何零部件都能称为“模块”，也 并非任何由零部件总装而成的机电产品都能称为“模块化产品”。作为模块的特征是具有 标准的接口，能够互换。然而一些标准零件( 如螺栓、销子等) 虽然具有模块的特征， 但往往不特指为模块，一些非标准件( 如床头箱、立柱等) 具有模块特征时往往被特指 为模块。 任何设计过程都包含设计分析与设计综合两个过程，从模块化设计定义可看到，它 也不例外地包含了两个过程：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， 模址化殴汁理论及其在桥j t 超重目【的心用 即设计分析过程；另一是如何根据设计要求合理地选择一组模块并组成产品方案的过程， 即设计综合过程。前者是后者的前提和条件，后者是前者的目的。 从模块创建、模块综合两过程可知，模块的设计问题是模块化设计的核心问题。因 此，合理地划分模块并构造模块结构是模块化设计与制造的关键。显然，欲实现计算机 辅助模块化设计与制造，合理清楚地描述和表达模块及组成模块的零件的功能、结构特 征以及设计、工艺、制造与装配等方面的信息，建立模块级水平上模块定义模型，是求 解上述问题的关键技术，是实现模块内零件c a d c a m 集成从而实现模块的c a d c a m 集成的基础，是实现跨系列模块化设计的前提，同时办是实现模块装配及装配线路自动 化生成的前提和基础。 综上所述，本文归纳的模块化设计定义为：通过对一组( 族) 产品进行需求分析和 功能分解，确定产品族需要丌发的功能模块；对功能模块进行相关| 生分析，确定产品族 的核心平台；以核心平台为基础。通过添加其他辅助功能模块和支撑功能模块，构成横 系列、纵系列、跨系列及全系列产品族。 22 功能模块的分类 模块化产品系统由功能模块构成。为了对功能模块分类，应该首先确定在模块化产 品系统中反复出现的功能种类，并对其定义，这些功能种类作为功能模块互相组合，以 实现多种总功能。 图2 1 模块化产品中的功能模块种类 f i 9 2 。1f u n c t i o nm o d u l et y p e s i nm o d u l a rp r o d u c ts y s t e m s 基本功能在一个产品系列或产品族中是基本的、反复出现和不可缺少的。它们基本 上是不变的。基本功能模块构成这一产品系列的核心，对于不同的主参数产品系列，基 本功能模块则可以采用柔性模块系统实现。基本功能模块是一个单独的功能模块或者由 垡鉴些堂生里堡垒! ! 垄堡苎塞里! ! 塑婴一 更小的功能模块单元组成o “。 辅助功能在产品系列中的主要作用是联接和连 按基本功能模块和其他功能模块的参数规格进行开 特殊功能模块是特殊的、补充的和新产品开发 块相对应，不一定在产品族中的每个产品都反复出 殊功能而设计的。 适应功能模块是为了使产品适应特殊环境、其 应功能模块只是部分地在一定程度上可以预见，在 通。在产品族中，辅助功能模块需要 发和确定。 要求的子功能模块。它与基本功能模 现，只是作为某些产品需要实现的特 他系统和边界条件而设计的模块。适 个别情况下适应功能模块由不可预 图2 2 模块化系列产品研制与设计过科 f i 9 2 2d e v e l o p m e n t a n dd e s i g np r o c e d u r eo f m o d u l a r p r o d u 。t 定。 决现济实经柬场块 市模。能块功模个 的这。 计过的设通现而要实要主上需则础 制求基订需等户能块客功模 足的能满制功地订助好户辅 更客、 了而块为，模是求能则要功 。块的本定模户基 决能客在所功足是件门满块条专该模 界殊应门边持口w 专 的 产殊 见 了特 一一 堡堡些兰塑：型垦墨丛! ：堑茎望墨! ! 些竺旦 2 2 模块化设计的基本原理和方法 产品模块化设计的主要步骤为：模块化设计的产品品种规划：模块化设计的产品总 体布局；模块化设计的功能分析：模块综合可行性评定和模块结构设计，如图22 【! 。慨 示。模块结构设计属于具体详细设计的范畴，在本文内不做详细研究。 2 2 1 模块化设计的产品品种规划 在系列产品或产品族的设计中，首先要进行产品品种规划。产品品种规划的主要内 容包括： ( 1 ) 市场需求调查与分析 产品的市场调查和分折是进行新产品开发的基础和出发点，在这个阶段需要根据功 能划分客户群，并确定其中的主要客户群及客户群功能需求。其实现的手段是通过对市 场进行调查、对市场同类型产品或类似功能产品进行调查，确定原始数据，针对这些原 始数据进行分析。 ( 2 ) 产品系列型谱的拟定 产品系列化型谱拟定的主要内容是确定产品系列或产品族功能需要覆盖的范围。这 一步需要确定产品系列中的纵系列产品、横系列产品、跨系列产品和全系列产品。根据 拟定的系列型谱，可以确定产品系列或产品族的核心平台和其他辅助功能模块。核一心平 台是进行产品族设计的基础实现了新产品开发所需要的基本功能。而新产品的开发也 可以以这个核心平台为基础通过添加一定的辅助功能模块、特殊功能模块，来实现新 的总体功能。 ( 3 ) 产品参数范围分折和主参数的确定 产品系列参数范围与产品系列型谱拟定是相互交叉进行的。分析确定了系列产品的 参数范围，可以根据相似理论确定纵系列型谱。对于纵系列产品，各种产品的主参数相 同：两对于横系列或跨系列产品，产品之间的主参数可能不相同，需要分别进行确定。 2 2 2 模块化设计的产品总体布局 产品总体布局指通过模块化设计得出的一组产品的总体布局方案，其含义为它包括 哪一些相关的品种，以及具有什么样的主要功能和结构特征，从而对这组产品在满足市 场需求方面做出定位1 6 1 。 产品总体布局是在产品的概念设计和功能原理确定的过程中进行初步确定，在详细 设计中进行精确设计。按模块化设计的产品在产品系列中所覆盖的形式和程度，人们常 把模块化设计的布局方案分为横系列模块化、纵系列模块化、跨系列与全系列模块化以 及跨类模块化等类别，不同类的模块化设计时有不同的考虑和特点，分述如下。 ( 1 ) 横系列模块化 横系列模块化是指在统一规格的基础上在变型产品范围内进行模块化设计，即在基 模块化改计脞论及萁在桥式起系村l 的应用 型产品的基础上，通过变更、增加或减少某些特定模块而形成变型产品。 由于横系列模块化是系列内同一规格产品的模块化，而同一规格产品的主要参数 特别是动力参数是相同的，产品的不同主要反映在某些功能、结构、布局、控制系统或 工作方式等方面，不会对基本模块提出很大的不同要求。因此，这种模块化设计是最容 易实现的一种，在覆盖的产品中模块的通用化程度也比较高，整套产品所需的模块种类 也必然较少。 ( 2 ) 纵系列模块化 纵系列模块化设计是同一类型中不同规格的