（机械电子工程专业论文）基于模块化的膜产品的方案设计.pdf

摘要 膜技术发展于2 0 世纪5 0 年代，7 0 年代后在各个工业领域中得到大规模的 应用。众所周知，人类社会水资源日益短缺，并且水资源浪费现象又特别严重， 水资源的再生利用是一个迫切要解决的问题，膜产品在污水处理等水资源的再生 利用方面得到广泛应用，是一种非常具有发展潜力的新型技术。 随着经济全球化的不断深入，市场竞争日趋激烈。企业必须提供交货快、质 量高、成本低和服务好的产品才能在竞争中处于有利地位，这样对于膜产品在生 产各个环节尤其是方案设计阶段的要求也越来越高。模块化设计方法作为现代设 计方法中的一种，其相关理论已经得到了研究，该方法能够快速高效完成设计， 但研究和应用中的一些关键问题还需要进一步得到解决。本文结合膜产品的特 点，以基于模块化设计思想为指导，在膜产品的方案设计方面做了深入的探索和 研究。 1 研究模块化设计的基本思想、模块的划分以及组合的方法，并对膜产品 中的连续微滤( c m f ) 水处理系统迸行模块的划分及组合。 2 研究基于知识工程的膜产品的初步方案设计的方法，探索知识的获取与 推理方法。提出膜产品的初步方案设计的k b e 方法。 3 研究基于模块化产品实例的膜产品的详细方案设计的方法，讨论模块化 产品实例的实例库以及实例相似度计算方法，并对实例进行替换及修改。 按照形成的详细设计方案进行方案图的设计工作。 4 在应用技术经济评价法和模糊评价法进行产品方案评价方面做了较为 深入的研究，对各个详细设计方案进行优化比较，选取最优方案。 5 研究基于模块化的膜产品的方案设计应用系统的体系结构和功能模型， 设计开发基于模块化的膜产品的方案设计系统 所开发的方案设计系统可以提高膜产品方案设计的效率和准确性，降低产品 成本，增强企业市场竞争力。 关键词：膜产品模块化方案设计知识工程基于实例推理 a b s t r a c t t h em e m b r a n et e c h n i q u ed e v e l o p e da t1 9 5 0 s , a n dh a sb e e na p p l i e di nm a n y i n d u s t r i a lf i e l d sa f t e r1 9 7 0 s i t sk n o w nt ou sa l lt h a tt h ew a t e rr e s o u r c ei sh a r du pa n d t h ew a s t ei ss e v e r e t h ew a t e rr e u s ei sa nu r g e n tp r o b l e mt or e s o l v e ，t h em e m b r a n e e q u i p m e n th a sb e e na p p l i e di nt h ew a t e rr e u s es u c ha sw a s t e w a t e r t r e a t m e n t i ti st h e d e v e l o p m e n t a lt e c h n i q u e w i t ht h ec o n s t a n t l yd e e p e n i n go fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，t h em a r k e tc o m p e t i t i o ni s b e c o m i n gm u c ht e n s e i no r d e r t ob em o r ec o m p e t i t i v e , e n t e r p r i s e sm u s tq u i c k l yo f f e r p r o d u c t sw i t hh i g hq u a l i t y , l o wc o s ta n dg o o ds e r v i c e s ot h ed e s i r ef o rt h ep r o d u c t i o n p r o c e s so f t h em e m b r a n ee q u i p m e n t ，e s p e c i a l l ys c h e m ed e s i g np h a s e ，b p a 7 o m e sm o 珥 a n dm o r eh i g h a so n eo ft h em o d e r nd e s i g nm e t h o d ，t h et h e o r yo fm o d u l a rd e s i g n m e t h o dh a sb e e nr e s e a r c h e d i tc a l la c c o m p l i s ht h ed e s i g nq u i c k l y b u tt h ek e y p r o b l e md u r i n gt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n m u s tb er e s o l v e d t h i st h e s i sc o m b i n 髓 t h ec h a r a c t e r i s t i co fm e m b r a n ee q u i p m e n t ，u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h em o d u l a rd e s i g n t e c h n i q u e ，d o e sa l li n t e n s i v es t u d yi nt h ed e v e l o p m e n t o fs c h e m ed e s i g ns y s t e mo f m e m b r a n ee q u i p m e n t i s t u d yt h et h o u g h to f t h em o d u l a rd e s i g n ，m o d u l ep a r t i t i o nm e t h o da n d c o m b i n a t i o nm e t h o d i tc a r r i e do u tt h em o d u l ep a r t i t i o na n dc o m b i n a t i o no nt h e c m e 2 s t u d yt h ep r e l i m i n a r ys c h e m ed e s i g no f t h em e m b r a n ee q u i p m e n tb a s e do n k b e d i s c u s st h ek n o w l e d g ea c q u i s i t i o na n dt h ek n o w l e d g ei n f e r e n c e p u t f o r w a r dt h ep r e l i m i n a r ys c h e m ed e s i g no ft h em e m b r a n ee q u i p m e n tb a s e do n k b e 3 s t u d yt h ed e t a i ls c h e m ed e s i g no ft h em e m b r a n ee q u i p m e n tb a s e do nm o d u l a r p r o d u c te a s e d i s c u s st h em o d u l a rp r o d u c tc a s ea n dt h ec o m p u t i n gm e t h o do f t h es i m i l a rd e g r e eo ft h em o d u l a rp r o d u dc a s c a n dm o d u l er e p l a c e m e n ta n d m o d i f i c a t i o n c o m p l e t et h ed r a w i n g sa c c o r d i n g t ot h ed e t a i ls c h e m ed e s i g n 4 r e s e a r c ho nu s i n gt e c h n o l o g y - e c o n o m i c a lm e t h o da n dc o n f u s i n gm e t h o dt o e v a l u a t i n gt h es c h e m e o fp r o d u c t s c a r r yo u tt h e o p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o na n d s e l e c tt h eo p t i m i z a t i o n 5 r e s e a r c ho nt h es y s t e ms t r u c t u r ea n df l i n c t i o nm o d e lo ft h es c h e m ed e s i g n s y s t e mo ft h em e m b r a n ee q u i p m e n tb a s e do nm o d u l a d z a t i o n d e v e l o pt h e s c h e m ed e s i g ns y s t e mo ft h em e m b r a n ee q u i p m e n tb a s e do nm e d u l a r i z a t i o n t h es c h e m ed e s i g ns y s t e m 啪i m p r o v et h es p e e da n dv e r a c i t yo ft h eq u o t a t i o no f t h em e m b r a n ee q u i p m e n t ，r e d u c et h ep r o d u c tc o s t ，a n de n h a n c et h ec o m p e t i t i v e n e s s o fe n t e r p r i s e k e yw o r d s ：m e m b r a n ee q u i p m e n t ；m o d u l a r i z a t i o n ；s c h e m ed e s i g n ； k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ( k b e ) ；c a s eb a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) 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，也不包含为获得丢盗王些太堂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：夸准i 乱 签字日期：2 口7 年月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丢洼王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权云姿王些太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：銮渔i 丸 i 签字日期：如7 年，月；口日 导师签名：l 易1 汤眵 签字日期：0 年f 月。日 学位论文的主要创新点 一、将模块化技术和基于实例推理技术引入到产品方案设计中， 提出基于实例推理的模块化方案设计的思想，并以这种思想作为膜产 品方案设计系统的指导思想，在对膜产品进行模块化设计的基础上， 开发了膜产品的方案设计系统，提高膜产品方案设计的效率和准确 性，增强企业市场竞争力。 二、提出了基于知识的初步方案设计方法与基于实例的详细方案 设计方法，两种方法从粗到细完成膜产品方案设计工作，实现了系统 的方案设计功能。对设计的方案应用技术经济评价法和模糊评价法 进行优化比较，选取最优方案。 第一章绪论 1 1 膜产品简介 第一章绪论 膜分离技术是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一门高技术学科，7 0 年代后在各 个工业领域中得到大规模的应用。近几年来，膜技术发展很快，首先是在水处理 方面得到应用，而后在其他许多领域中推广应用i ”人类可以从江河湖泊中取用 的淡水只占总水量的0 0 1 4 。而目前的局面是这o 0 1 4 的水又遭到严重的污染。 一方面水资源日益短缺，另一方面水资源浪费现象又特别严重。随着社会、经济、 技术和城市化的发展，排放到环境中的污染物量日益增多，造成水体污染日益严 重1 2 l 。水处理正随着全球水环境问题的日益突出而发展成熟起来，并朝着产业 化、商品化、规模化的方向前进。膜分离技术不仅促进了环境科学的发展，而且 带动了医药、食品等行业的革新。采用膜技术制备医疗用水，可以有效克服蒸馏 水中含有细菌残体的缺点，有利于病人恢复健康。在味精提纯、酱油除菌、牛奶 脱脂等领域，膜技术也发挥巨大的作用，并促进海水淡化、污水处理等相关产业 的结构调整和技术升级。 膜分离技术的主要作用原理是以压力梯度为驱动力，利用特定膜的透过性能 分离水中离子、分子和杂质而进行的滤膜机械筛分作用，是膜技术从化工领域向 水处理领域、发展的结果。膜分离技术的工程应用是从2 0 世纪6 0 年代海水淡化 开始的，在近二三十年内迅速发展。目前膜技术已被广泛地应用于电镀、含油、 化纤、印染、化工、造纸、石油、食品、医药、核能等工业部门的废水处理，膜 分离技术既能对工业废水进行有效的净化，又能回收其中有用物质，还可节省能 源，是一种最具有发展潜力的新型水处理技术，发展前景更为广阔。 目前比较常见的用于水处理的膜分离技术包括【3 j ： 1 反渗透( r o ) ：反渗透是以压力为推动力，利用反渗透膜只能透过水而 不能透过溶质的选择透过性，从某一含有各种无机物、有机物和微生物 的水中，提取纯水的物质分离过程。 2 超滤( u f ) ：超滤是溶液在压力作用下，溶剂与部分低分子量溶质穿过 膜上微孔到达膜的另一侧，而高分子溶质或其它乳化胶束团被截留，实 现从溶液中分离的目的。 3 微滤( m f ) ：微滤是以筛孔原理为主的薄膜过滤，在外加压力下，溶剂、 第一章绪论 水、盐类及大分子物质均能透过膜，仅微细颗粒和超大分子物质被阻留 下而达到分离净化目的。 4 液膜( l m ) ：液膜是利用两液相问形成的第三相( 又称膜相1 界面，通过 选择性渗透，将互溶的两种( 或两种以上) 组分分开，从而达到分离提纯 的目的。 5 电渗析( e d ) ：电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利 用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶 液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。 6 纳滤( n f ) ：纳滤是介于超滤和反渗透之间的新型膜分离技术，它的出 现弥补了反渗透与超滤间的空白。纳滤膜的表面分离层由聚电解质所构 成，对无机盐有一定的截留率。纳滤膜分离技术在饮用水生产方面正在 发挥其独特的作用。 膜产品是膜分离技术在水处理方面的应用，是以膜组件为核心部件、配 以可实现各种辅助功能的其他部分所组成的一套完成水处理工作的系统。目前常 用于水处理的膜产品主要是连续微滤水处理系统、膜生物反应器水处理系统等。 1 连续微滤( c m f ) 水处理系统 连续膜过滤( c m f ) 水处理系统是专为中水回用、生产高标准饮用水和高 等级工业用水以及一些特殊的分离工艺而设计的。系统采用具有独特结构的高抗 污染型中空纤维膜元件和独特气水双洗的工艺技术，配以特殊设计的管路阀门、 自清洗单元、加药单元和自控单元等，形成一个闭路连续操作系统。当处理液在 一定压力下通过微滤膜过滤，达到物理分离的目的。特别适用于过滤自来水、地 下水、地表水和城市污水经生化处理后的排放水，从中去除细菌、微生物和悬浮 物等杂质，净化后的水清澈透明，浊度近于零。连续微滤水处理系统如图1 - 1 所 示。 2 第一章绪论 图1 1 连续微滤( c m f ) 水处理系统 2 膜生物反应器( m b r ) 水处理系统 膜生物反应器( m b r ) 是高效膜分离技术与活性污泥法相结合的新型水处 理技术中空纤维膜的应用取代活性污泥法中的二沉池，进行固液分离，有效的 达到了泥水分离的目的膜的高效截留作用可以有效地截留硝化菌，使其完全截 留在生物反应器内，使硝化反应得以顺利进行，有效去除氨氮，避免污泥的流失， 同时可以截留一时难于降解的大分子有机物，延长其在反应器的停留时间，使之 得到最大限度的分解。应用m b r 技术后，水质良好且稳定，可以直接回用，实 现了污水资源化。 1 2 膜产品方案设计的现状 本课题是以天津工业大学膜天膜工程技术有限公司为应用背景，针对其主要 膜产品开发的一个基于模块化的膜产品方案设计系统。 天津膜天膜工程技术有限公司是一个高科技产业化企业。公司的水处理技术 广泛应用于污水处理、中水回用、海水淡化、饮用水净化和一些特殊的分离工艺 过程。公司膜产品的特点是定制式订单生产。公司以其设计方案参加工程招标或 者与客户协商，如果通过投标或者协商得到了客户的订单，再按照订单生产产品。 在产品的方案设计过程中，产品的具体形式不固定，依客户的要求、产品的工作 空间等各方面条件的不同而有很大的差异，从而造成每次产品的方案设计均不相 同。当客户的要求、产品的工作空间等各方面条件一定时，依据产品的性能、质 量、成本等诸多要素的要求，产品的设计方案也不相同。因而，公司的方案设计 第一章绪论 过程中将会存在如下问题： 1 目前的膜产品设计工作首先由客户的要求、产品的工作空间、产品的性 能、质量、成本等条件采用人工手段先确定一个设计方案，整个过程中 工作量大，客观条件多并且人的主观因素起决定性作用，因而确定的初 步设计方案比较粗糙甚至可能并不准确。 2 在对初步设计方案的详细设计过程中，采用人工查手册等方式选择各种 零部件，存在工作量大、不准确、花费时间长等问题。 所有这些都使得方案设计的时间相对较长，而且所提供的设计方案也比较粗 糙。这些都直接影响到公司所参加的工程投标工作。因此，对于膜产品，如何提 高方案设计的速度和准确性显得至关重要。 1 3 课题的提出以及意义 本课题是以天津工业大学膜天膜工程技术有限公司为应用背景，针对其膜产 品开发的一个基于模块化的膜产品的方案设计系统。 目前我国在关于产品的方案设计系统开发研究方面做了很多的工作，针对各 种产品的方案设计系统的开发和应用已经十分广泛。但在对于膜产品，国内相关 公司的方案设计工作还不太成熟，还处于探索阶段。采用计算机为辅助工具的膜 产品的方案设计的研究还属于空缺的研究方向。 一些发达国家在膜产品的模块化、方案设计等方面已经比较成熟。我国的膜 工程是近些年新兴的一门产业尚处于起步阶段，在膜产品的组件、材料等方面的 研究已逐步成熟，但在工艺流程等其他方面总体水平不成熟使得我国的膜工业与 发达国家相比缺乏一定的竞争力在竞争日益激烈的今天，竞争的焦点已经不再 是能将产品制造出来，而是能否快速开发出符合市场需求的、有竞争力的产品， 快速地对客户的各种要求做出反应企业对市场的反应速度直接影响着企业在竞 争中的地位。快速设计对企业迅速抢占市场和降低产品的成本起着很大的作用。 通过开发基于模块化的膜产品的方案设计系统，可以使膜产品的设计工作进一步 规范化： 1 通过基于知识工程的初步方案设计可以快速、客观地确定满足符合客户 的要求、产品的工作空间、产品的性能、质量、成本等条件的若干初步 设计方案以满足用户要求。 2 通过基于实例的详细方案设计可以针对已经确定的初步设计方案进行 详细设计。在已有的实例模型上进行修改和模块的替换可以快速完成产 品的详细方案设计提高企业对市场的快速响应能力，从而增强企业的竞 第一章绪论 争能力 1 4 课题的主要研究内容 本课题是开发基于模块化的膜产品的方案设计系统。膜产品的设计方案由方 案文件以及方案图两部分组成。其设计过程可以利用模块提取的方式快速地形 成：首先根据用户需求运用知识工程的思想获得符合要求的膜产品的若干初步设 计方案，对于各个初步设计方案运用实例推理技术提取相似的模块化产品实例， 对实例进行修改完成详细方案设计。对于各个详细设计方案进行比较选择最优方 案。根据最优方案的膜产品的组成绘制方案图。从而完成膜产品的方案设计工作。 这种方式可以大大提高产品方案设计的效率。因此，本课题的主要工作如下： 1 研究模块化设计的基本思想、模块的划分以及组合的方法，并对膜产品 中的连续微滤( c m f ) 水处理系统进行模块的划分及组合。 2 研究基于知识工程的膜产品的初步方案设计的方法，探索知识的获取与 推理方法。提出膜产品的初步方案设计的k b e 方法。 3 研究基于模块化产品实例的膜产品的详细方案设计的方法，讨论模块化 产品实例的实例库以及实例相似度计算方法，并对实例进行替换及修 改。按照形成的详细设计方案进行方案图的设计工作。 4 在应用技术一经济评价法和模糊评价法进行产品方案评价方面做了较 为深入的研究，对各个详细设计方案进行优化比较，选取最优方案。 5 研究基于模块化的膜产品的方案设计应用系统的体系结构和功能模型， 设计开发基于模块化的膜产品的方案设计系统。具体内容包括如下： 1 ) 将基于实例推理的模块化设计思想和知识工程的思想引入到膜产品的 方案设计中，提出方案设计系统的设计思想。 2 ) 提出对膜产品的初步方案设计和详细方案设计的设计过程。提供对实例 的提取、管理功能，并使其应用于方案设计系统中。 提供完善的数据管理功能，建立用户数据库、物料数据库、典型实例数 据库等数据库，并对各数据库提供完善的查询、添加、删除、修改等功 能。 1 5 小结 介绍了膜分离技术以及目前比较先进的水处理技术膜法水处理技术和 膜法水处理的装置，说明了本文的研究背景和课题所做的主要工作。 第二章膜产品的模块化设计技术 第二章膜产品的模块化设计技术 2 1 模块化设计的概念与关键技术 产品的模块化是实现产品设计的一个有效的实现手段。模块的概念是人们在 征服、改造自然的过程中，在总结生产实践经验的基础上提出来，并随着生产实 践的深化而不断发展完善的。至今未能有一个正式的定义。在不同的应用领域， 模块有不同的表现形式，目前人们对模块的概念有以下几种认识【4 j ： 1 模块是产品中具有某一功能特性的基础件，其本身可由若干子模块所组 成。 2 模块是产品中具有标准化联系尺寸、具有一定功能或用途的可互换性部 件或组件。 3 模块是产品中具有特定功能，可有多种用途，可互换且结构可系列化的 功能单元( 包括零件、组件、部件、装置或系统等) 。 4 模块是具有某种功能的产品部件，通过对其选择和组合可以构成不同的 产品。 侯亮认为模块是模块化产品的基本组成元素，是一种实体的概念，他把模块 定义为一组同时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结 构特征，但能互换的单元【s l 。童时中在分析了各种模块定义局限性的基础上，认 为：所谓模块，就是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构的、典型的 通用独立单元1 6 l 。提取其共同的内涵和特征，可表述为：模块是可以组合成体系 的、具有某种确定功能和接口结构( 界面) 的、典型的通用单元。 模块化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 组合可以构成不同产品以满足市场不同需求的一种设计方法【7 1 。该设计方法自从 2 0 世纪5 0 年代被欧美些国家提出以来，已被应用到许多行业取得了理想的效 果。模块是构成模块化产品结构的基本单元，具有独立的功能和标准的接口，能 够被整个产品族中的产品所使用。所以模块化技术能充分利用已有的模块资源， 配置出不同的产品方案，从而实现产品的多样化，为设计提供了良好的支持。 模块化设计的工作原理：模块化设计是以功能分析为基础的一种现代设计方 法，用系统的观点，采用分解和组合的方法，建立模块体系，并将若干具有相同 第二章膜产品的模块化设计技术 或不同功能、可以互换的模块，采用模块的选择和组合，构成不同的产品。模块 化设计的主要是模块化分与组合。 要使模块化产品方案设计顺利进行，需注意以下几点关键技术【8 l ： 1 模块的划分 模块化设计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 础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，各模块结构应尽量简单、 规范，模块问的联系尽可能简单。因此，如何科学地、合理地划分模块，是模块 化设计中一项关键工作，既要照顾制造管理方便，避免组合时产生混乱，又要具 有较大的灵活性，考虑该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。其设 计过程如图2 - 1 所示： 图2 - 1 模块划分图2 - 2 模块组合 2 模块的组合 组合是根据产品的特定技术性能和使用条件，选择特定的模块以合适的连接 方式进行连接，使各个功能小系统融合为符合要求的适用产品。简单的说：就是 在基型产品的基础上通过更换或者增减一些模块的方法形成很多变种产品；模块 化设计出来的产品，是通过选用综合功能模块、基础单元模块和零部件进行模块 组合而成的，达到以有限的模块数来发展多品种的通用产品和专用产品。其设计 过程如图2 - 2 所示。 3 模块标准化 模块标准化是指模块结构标准化和模块接口标准化。模块接口一致性是不同 第二章膜产品的模块化设计技术 功能模块之间进行组合和相同功能模块之间进行替换的关键因素，因此，必须提 高接口的标准化、通用化和规范化程度。标准化是企业在进行产品模块化设计之 前必须达到的要求。 4 模块的设计资源管理 通过计算机对模块化设计的设计资源进行管理，实现计算机辅助模块化设 计，更好地体现模块化设计的优越性。建立模块编码结构和建立集中、统一、准 确的模块数据集合，实现模块数据的共享和集中管理、维护，是计算机辅助模块 化设计设计资源管理的重中之重。 2 2 模块化设计中模块划分方法的研究 由模块化设计的概念，我们已经知道，模块划分是模块化设计中最基础也是 十分重要的一步，模块划分结果的好坏将直接影响到模块化产品的功能、性能和 成本1 9 1 ，下面我们将从不同的方面来进行模块划分方法的研究。 2 2 1 模块划分的角度 对产品进行模块划分时，往往会根据特定的意图从不同的角度迸行考虑，由 于考虑问题的侧重点不同，会得到不同的模块划分方案。但从产品生命周期的角 度来看，这些不同的划分角度都是针对生命周期中一个或几个特定阶段的1 1 0 1 。 因此，根据模块划分所面向的生命周期中的阶段，模块划分的角度为如下几类【1 1 】： 1 面向设计的模块划分主要是根据产品各组成部分之间功能上的相关程 度来进行划分的，其目的是用不同的结构形式实现同一功能，以实现产 品的系列化、标准化、多样化。在需求出现变化进而要求对产品设计做 出修改时，可以只改进或更换相应的功能模块，而保留原有的其他模块。 2 面向制造的模块划分重点考虑加工方面的问题，在模块制造过程中，充 分利用成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ：g t ) 实现大批量生产，从而缩短 模块制造周期，降低模块制造成本。这样有利于合理地组织加工制造过 程，提高制造效率，改进产品质量。 3 面向使用、装配和维修的模块划分重点考虑的是模块的接口问题，以方 便模块的装卸为目标。如果用户需要经常对产品的某些部分进行更换或 维护时，产品模块划分通常侧重于面向装配和维修。 4 面向回收的模块划分主要考虑的是模块的可重用性，便于模块回收，使 同一模块的材料、价格、零部件的生命周期尽量一致。 第二章膜产品的模块化设计技术 虽然模块划分有不同的角度，然而在对产品进行模块划分时，并不是从单一 的角度进行考虑，而是从多个角度综合考虑才得到最终的划分结果。从不同的角 度进行模块划分，得到不同的划分方案，即便是从单一角度进行模块划分，需要 考虑的问题通常也是多方面的。无论从哪种角度对产品进行模块划分，模块的功 能都是要考虑的一个基本问题，因为功能是所有模块划分的基础。虽然不同角度 的模块划分有着各自的特点，但也有共同点，即以满足用户需求为最终目标，以 功能为基础，以结构为载体，模块内部具有强耦合性，模块之间具有松耦合性1 1 2 1 。 2 2 2 模块划分的原则 一般来说，并没有完全统一的模块划分方法，研究对象不同，侧重点不同， 划分的功能模块也不相瓦j p 3 1 。在模块化设计中，必须结合产品的实际情况，从 系统角度出发，应用系统分析方法，以功能分析、分解为基础进行划分，才能达 到最好的效果但是在划分过程中需要注意几个原则： 1 功能独立原则：传统上部件和组件的划分注重结构完整性，而模块则更 强调功能的独立性。功能独立的模块有利于产品的组合，减少功能冗余。 2 结构独立原则：在功能独立的前提下，模块结构应尽可能独立，这样为 模块的设计、制造、产品的组装等都提供了方便。 3 部件原则：以结构相对独立的部件作为模块单元是最常见的模块类型， 便于模块的互换，其结构和性能直接取决于用户需求，便于结构参数化。 4 基础件原则：基础件，例如机架、车架等，其材质大都为铸铁件或焊接 件，需要做模型，而且生产加工周期长，会影响产品开发周期。因此整 个系列模块设计只有采用同一类型的联接为基础，建立基础件模块，经 济地派生出各式各样的产品。 5 粒度适中原则：模块分解的粒度太大，模块与模块之间的耦合度必然增 加，模块化设计及制造并行开展的余地就减小；模块分解的粒度太小， 则会导致产品开发及生产制造的进度过于零碎，可操作性差。 一供水泵 一 排水泵 一反洗泵 一 酸洗泵 一 碱洗泵 _ 计量泵 1配酸泵 产1 m 9 2 i 图2 - 3 泵模块组成示意图圈2 4 迸水模块组成示意图 器一 一 一 一 p，-l 一 进水模块 一 第二章膜产品的模块化设计技术 本文中结合膜产品的特点，如果按照部件原则来划分膜产品，更强调结构的 独立性以有利于产品模块的互换，其模块组成示意图如图2 - 3 所示。 如果按照功能独立原则，更强调功能的独立性以有利于产品的组合，其模块 组成示意图如图2 4 所示。按照不同的划分原则，供水泵可以属于泵模块也可以 是进水模块的组成部分。模块的划分是多样的。 2 2 3 模块划分的层次 一般来说，模块划分可以从产品的任意层次上进行，从而得到不同级别的模 块。模块划分具有层次性，这是由产品自身的特点所决定的对于一般的产品， 尤其是结构复杂的产品，无论是在功能上还是结构上都具有层次。从功能上看， 产品的整体功能可以分解为一系列子功能，丽每一种子功能又可分解为若干更低 级别的予功能，从而表现为产品功能的树状形式。从结构上看，产品通常由一些 大的部件组成，而这些部件又由零件或较小的部件组成，从而表现为产品结构的 树状形式。因此，在以模块来描述产品组成时，也应体现出这种层次关系。 一级模块 = 级模块 图2 - 5 模块层次示意图图2 - 6 模块划分层次和成本的关系 如图2 - 5 所示的产品由若干一级模块( 如模块1 、模块2 等) 直接组合而成， 而一个一级模块又可能由若干个二级模块组成( 如模块2 就是由模块2 1 、模块 2 2 等) 组成。 模块的层次和级别越低，模块数越多，模块就越简单，通用化程度就越高， 有可能组成更多的产品品种。但随着模块数目的增加，产品的制造、装配和管理 也越复杂。模块划分越粗，模块数越少，模块越复杂，模块本身的设计工作量就 越大，导致模块组合生成产品的柔性降低。所以我们说模块划分最重要的问题是 分解的层次与规模，从图2 - 6 可以看出，在设计时应该避免模块数量的不足或超 量，要合理确定模块划分层次和减少接口复杂性，使设计总成本最小。对于系列 化程度较高、生产批量较大的产品，往往这些产品组成结构也比较复杂，因此应 使模块划分层次降低，以提高模块的通用程度，满足大批量定制的要求；对于非 系列化或系列化程度较低的产品，其产品构成比较简单，且多为单件小批量生产， 1 0 第二章膜产品的模块化设计技术 则应使模块划分层次提高，以降低系统管理成本。 在不同层次上进行模块划分时，考虑问题的角度往往不同。当划分较高层次 的模块时，由于这些高层次模块往往是由用户直接进行选择和替换的，应侧重考 虑模块功能上的独立性和接口的简易程度，即侧重从设计和使用的角度来进行模 块划分。当进行较低层次的模块划分时，由于低层次模块与零件更为接近，所以 应适当地考虑模块的加工和装配方面的问题，即从制造和装配角度进行模块划 分。一些复杂的产品由成百上千零部件组成，其内部结构关系非常复杂，以分级 模块的方式来组织产品，可以把一些低级的关系隐藏在模块内部，从而使产品整 体结构更加清晰，便于对产品的内部关系进行分析。 图2 - 7 连续微滤( c m f ) 水处理系统的模块划分 膜产品的模块化方案设计以膜产品的模块划分为基础。连续微滤( c m f ) 水处理系统是膜产品中使用最普遍的一种产品，针对c m f 水处理系统进行了模 块的划分。根据c m f 水处理系统的功能结构映射，得到满足功能需求的各 个结构单元，按照模块划分原则，考虑各个结构单元之间的相关程度( 功能相关、 1 1 第二章膜产品的模块化设计技术 装配相关、信息相关等) ，模块划分层次降低以提高模块的通用程度。c m f 水处 理系统划分为4 个一级模块，一级模块进一步分解得到1 2 个二级模块，结构如 图2 7 所示。 1 电控模块：包括p l c 模块和电路控制模块两个二级模块。 2 。气控模块：包括气控仪表模块和气路系统模块两个二级模块。 3 设备模块：包括进水模块、产水模块、浓水模块，支架模块和连接附件 模块五个二级模块。 4 公用模块：包括公用附件模块、泵模块和罐模块三个二级模块。 电控、气控、设备以及公用模块是由用户直接进行选择和替换的，应充分考 虑模块功能上的独立性和接口的简易程度。面p l c 模块、电路控制模块、产水 模块以及泵模块等二级模块应充分考虑模块的加工和装配方面的问题。 2 3 模块化设计中模块组合方法的研究 2 3 1 模块组合的原则 为了便于产品的可拆卸和回收，产品中的模块组合应该尽量采取链状或树状 结构，即只存在纵向的连接，而没有横向的连接。但随着所考虑的模块单元数量 的增长和其内部结构的复杂程度日益增加，要设计成完全没有横向连接已经越来 越困难或者不可能。因此，只能实现部分链状或树状结构，即只能有最少的横向 连接，这样的分级结构一般可以降低产品的几何尺寸和其复杂程度。有利于绿色 设计与制造的模块组合规则包括： 1 尽量沿着产品横向排列模块以达到产品可以用少量的拆卸费、简易地拆 卸。 2 尽量减少沿着纵向的模块分级，除非其为实现功能是绝对必要的、沿纵 向的摔列会提高产品的拆卸费用。 3 将模块之间沿横向的连接减少至最少、如果存在，则优先考虑纵向的装 配和拆卸。 4 通过减少要设计的模块的功能分级来减少分级模块的数量从而降低产 品的复杂程度。 5 在模块组合的过程中引进现有的和可利用的外赠件或外购模块。 6 当修理费用很昂贵，并且存在模块全套更换的可能性时，采用整体化方 式或集成结构方式；当模块根据其结构的和功能的构成与其分模块的结 构有类似的维修更新的可能性时，采用分级组合结构。 就产品的质量而言，从根本上讲，环境承受能力将成为未来发展的质量准则。 第二章膜产品的模块化设计技术 此外，质量意味着满足开放式系统构造的要求，意味着满足绿色性和可持续性的 结构规则和设计规则相联系的高可靠度和长寿命性。因此，要想使产品提高到可 持续发展思想意义下的质量就要提高产品的模块化设计程度，这也是产品设计 发展的直接后果。 2 3 2 模块组合的连接 根据模块与其它模块连接的数量，可分解为单向连接双向连接和多向连接， 如图2 - 8 所示： 口一 卜+ a 单向联接b 单向联接 图2 - 8 模块连接方式 单向联接指模块只有一个联接界面，并且仅能与另外一个模块相联接的组合 方式，所联接的模块之一都处于链或树的末端。双向联接的模块有两个联接界面， 能与另外两个模块相联接。多向联接是指一个模块可同时与两个以上的其它模块 相联接。 根据模块的相关性模块的连接方式分为刚性和柔性连接。刚性连接是指模 块之间直接几何相关，有直接的装配关系：柔性连接是指模块之问具有间接物理 相关，根据模块之间连接的拓扑关系和研究的方便，模块在产品中成链状，部分 链状、树状和网状结构，如图2 9 所示： 謇鱼 1 , 3 第二章膜产品的模块化设计技术 只抗结祷 图2 - 9 模块的连接结构 膜产品的模块化方案设计系统中，膜产品的模块采用柔性连接，连接结构采 用树状结构，模块连接结构采取树状结构便于产品的可拆卸和回收。连接结构如 图2 1 0 所示 图2 - 1 0 连续微滤( c m f ) 水处理系统的模块连接结构 2 4 模块化设计的意义 随着时代的发展，市场对于产品的品种、规格、性能、质量以及交货周期方 面提出了越来越高的要求，传统的设计方法已经难以满足这些要求，因此提出了 一系列的现代设计方法，从不同的角度来解决这一矛盾。而模块化设计是解决产 品品种、规格多样化与设计制造周期、成本之间矛盾的有效手段： 1 简化设计过程，实现资源共享。模块化产品的构成模式可以用一个简单 的公式表达：新产品= 通用模块+ 专用模块。以区别于传统设计的从一个 个零件、部件开始的，设计工作量大、周期长。 2 加快新产品的开发速度，取得市场竞争的主动权。多样化、高级化是时 代的趋势，产品的多样化会导致整体结构的全面变动，模块化产品通过 现有的通用模块( 不变部分) 的不同组合、模块改型或增减专用模块形 “ 第二章膜产品的模块化设计技术 成新产品。只改变少量模块及组合关系就可以形成新品种。 3 提高生产效率、缩短供货周期。模块化产品是按照模块组织生产的，模 块具有一定的批量，有确定工艺流程和工艺设备，生产率高，制造周期 短。而且模块化的产品结构有利于组织专业化生产和社会化协作。 4 。有利于提高产品的质量和可靠性。从可靠性出发，导致产品失效的主要 有四大因素：设计缺陷、制造缺陷、组装差错以及环境影响。在模块化 结构中，以现有模块为主加新研制的模块，组合构成新产品。其中现有 模块的可靠性已经得到全面的验证，只要验证新模块的可靠性。 5 具有良好的效费比( 效能费用) 评价经济效益的常用方法是“价值工 程”即价值= 功能成本。而模块化可以缩短设计制造的周期、简化管理 降低成本、提高产品的质量、可靠性和维修性，延长产品的寿命周期即 提高了产品的使用性( 功能) ，从而提高了产品的价值。 6 推动科技进步，实现科技成果产业化。模块化把较大的精力放在创新上。 现代设计理论和方法向着模块化方面发展，是现代制造业发展的要求，模块 化方法是实现产品系列化的有效途径，是多样化和小批量生产方式的产物。采用 模块化设计方法，可以有效地增强产品结构的重构能力，缩短产品的设计和制造 周期，降低成本，高效、优质的满足用户对产品多样化、多层次的需求。 2 5 方案图的模块化设计 当前，膜天膜工程技术有限公司的设计工作是采用人工查找零部件厂家提供 的产品手册等方式确定工程中所采用的各种零部件的型号，然后在产品方案图的 绘制过程中参照零部件产品手册中提供的图样，在手册提供的产品数据表中查取 所选型号的相关数据，然后依照数据完成相关零部件的绘制工作。这个过程不仅 要花费大量的时间，同时绘制过的零部件图形的可重复利用性很差。由于缺乏相 关零部件信息和图样的整理，在以后的方案设计过程中，如果遇到完全相同的或 者结构相同但型号不同的零部件，还要做重复的工作而大大降低了设计的效率。 为了提高工作效率和避免大量的重复劳动，可以针对膜产品的相关零部件进 行参数化图库的开发。根据常用零部件供应商的产品手册，对同类零部件的尺寸 系列进行参数化处理，将手册中同类零部件的不同型号所对应的不同尺寸系列用 数据表的形式记录在图库中。在设计过程中，可以直接在图库中选择零部件，然 后在数据表中选择所需零部件的型号，就可以直接提取该型号零部件的图符插入 到方案图中。 按照模块划分的思想，如果能够以零部件图库为基础，按照模块划分的结果 第二章膜产品的模块化设计技术 和各级模块的系列开发各级模块的图库，那么在产品方案设计过程中就可以使用 各级模块的图库快速地搭建出产品的方案图，通过这种方式达到模块化设计的目 的。同理，如果能够以参数化的零部件图库和各级模块图库为基础，针对已经完 成设计的工程中比较典型的工程开发典型工程的图库或者叫做产品实例图库，就 可以在新工程方案设计的方案图绘制过程中实现基于实例的设计。 膜产品方案图的图库开发的总体思路是：以模块划分为基础，逐级向上地开 发三级的图库。如图2 - 1 1 所示。 ， 棱块划分 、 ，图库、 = 一j c m f 水处理系统 典型工程 图库 | 电控模块1i 气控模块 设备模块公用模块 l l - l 亡 _ l_ l上 j _上_ l上j j 一 上一 气气连公 陲兰s 引 控路进 产 浓机接用 泵罐 l 各级模块i 仪系水永水架附附 模 模 图库f p e 路 表统模模模模件件 块块 l c 模 模模 块块块块 模模 块 块块块块 ，一一 。 一一 一 一 i 习 零部件 零部件 一 图库 弋夕 图2 - 1 1 膜产品的三级图库体系 1 首先开发最底层的零部件参数化图库。 2 然后以零部件的参数化图库为基础，按照模块划分结果开发上一层模块 的图库，如此逐层向上开发各级模块的图库。 3 最终以各级模块图库为基础开发典型工程图库，或者称为产品实例图 库。 2 6 小结 本章以膜产品为研究对象，介绍了模块化设计的概念、关键技术、模块