（机械制造及其自动化专业论文）基于ug的砂带磨床模块化、参数化设计及基本模块库的创建.pdf

中文摘要 摘要 随着社会的进步和科技的发展，市场对砂带磨床的设计提出更高的要求：既 要求产品向多品种、小批量方向发展，又要求产品具备性能齐全、优质可靠和高 效等特点；且对供货周期和性价比要求也越来越高。传统的砂带磨床设计与制造 方法已无法满足市场在这些方面越来越高的要求。而“模块化设计 以产品设计 周期短、响应市场快、成本低、通用性与重组性好等优点，越来越受到行业设计 人员的重视。 本论文通过模块化设计理论与参数设计技术的研究与分析，论述了砂带磨床 模块化设计的方法与步骤及模块参数化设计与建库的实现方法。论文的主要研究 工作如下： 首先，论文阐述了模块化设计的相关概念和运用的基本原理与方法，对模块 化关键技术及评价指标进行了研究，分析总结了模块化设计的一般流程和模块化 设计的三种模式。 其次，论述了国外模块划分理论的现状，对模块划分理论作了进一步深入研 究，以无心外圆砂带磨床为例对模块划分作了具体分析；并通过对通用c a d 系统 实现零件参数化设计的分析，研究了模块详细结构参数化设计的方法与关键点， 最后以无心外圆砂带磨床磨头主轴的参数化建模为例进行了介绍。 然后，通过对u g 二次开发技术以及基于u g 的三维参数化模块库的建立方法 等的研究与分析，提出了一种将电子表格法和程序设计法相结合的建库方法，综 合运用u g 参数化建模技术、u g p a r tf 锄i l i e s 工具以及u g o p e n m e n u s 谢p t 、 u g 0 p e nu i s 锣l e r 和u g o p e na p i 等u g 二次开发技术对u g 进行二次开发，实现了 三维参数化模块库的建立。 最后，论述了两种装配设计方法和装配设计中应用到的一些关键技术，实现 了基于砂带磨床模块库的无心外圆砂带磨床各功能模块和整床的配置设计。 关键宇：无心外砂带磨床，模块化设计，参数化，模块库 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t l lt h ee x t e n s i v e 印p l i c a t i o no fa b r a s i v eb e l t 酊n d i n gt e c l l l l o l o g y ，1 1 i 曲e ra 1 1 d l l i g h e rr e q u i r e m e n t sf o ra _ b r a s i v eb e l t 蛐d e ra r ep r o p o s e d m o r ev a r i e t i e s 缸1 ds m a u b a t c h e sc u s t o m e r - o r d e r e dw i l lb et h ed e v e l o p m e n tt r e n d h o 、e v e r ，m ed e v e l o p m e n to f a b r a s i v eb e l tg r i n d e ri ss l o wi no u rc o u 劬呼m a n yf a c t o r i e ss t i l lu s ec o i l l 【i l o nd e s i 驴 m e t h o d ， l e a d i n gt ol o n g d e s i g nc y c l ea i l dl l i g hp r o d u c t i o nc o s t ， s oc a i l tm e e t c u s t o m e r - o r d e r e dn e e d sa i l da d 印tt of i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n m o d u l a rd e s i 盟i so n e o f 协ek e yt e c h n i q u e st oa c l l i e v ep r o d u c td i v e r s i f i c a t i o nr a l p i dd e s i 印，w 1 1 i c hh a sg r e a t s i g i l i f i c a n c ef o rm a n u f a c t l l r i n ge n t e 印r i s e st oe 1 1 l l a n c et l l e i ra b i l i t yt or e s p o n dt om a r k e t d e m a l l dq u i c l ( 1 ya n dt oo c c u p ya v a n t a g ep o s i t i o ni nt 1 1 em a r k e tc o m p e t i t i o n i nt h i sp a p e r ，t h r o u 曲m er e s e a r c ha i l da 1 1 a l y s i so ft h em o d u l a rd e s i g nt 1 1 e o r ya 1 1 d p 越i i i l e t e rd e s i 弘t e c l l l l 0 1 0 9 y ， d i s c u s s e dm er e m i z a t i o nm e t l l o do ft 1 1 ee x t e m a l c y l i r l d r i c a lc e n t e r l e s sg r i n d e rm o d u l a rd e s i g n ，i n c l u d i n gt h em o d u l ep a r 锄e t r i cd e s i g n m e t h o da n dd a t a b a s eb u i l d i n gm e t l l o d 7 n l em 萄nr e s e 鲫c hc o n t e n t so fn l ep a p e ra r ea s f o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t l l i sp a p e rd i s c u s s e dt h er e l a t e dc o n c e p t s 龇l db a s i c 砸n c i p l eo ft 1 1 e m o d u l a rd e s i 铲，s t l “e dt 1 1 e k e yt e c l l i l o l o g i e s a 1 1 de v a l u a t i o ni n d e x ，锄a l y z e da n d s a r i z e dt 1 1 eg e n e r a lp r o c e s sa i l dn l e l r e em o d e l so ft l l em o d u l a rd e s i g n s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fm a l 【i n gaf h m l e rs t u d yo nm em o d u l ed i v i s i o nt h e o r y ，t h e m o d u l eo ft h ee x t e m a lc y l i i l d r i c a lc e n t i e r l e s sg r i n d e rw 2 u sd i v i d e d b ya 1 1 a l y z i n gt l l e r e a l i z a t i o nm e t l l o do fp a n sp a r 锄e t r i z a t i o nd e s i g no ft h eg e n e r a lc a d s y s t e m ，s t u d i e d t l l ep 踟e t e r i z a t i o nd e s i g nm e t l l o do ft h em o d u l es 仃u c t u r e f i n a l l y ，d e s 嘶b e dt h e m e t h o di nd e t a i li nac a s es t u d yo fm ep a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i n go ft h ec e n t e r l e s s c y l i n d r i c a l 蛐d e r 西n d i n gh e a d t h e l l ，t l o u 曲m er e s e a r c ha l l da n a l y s i so ft h eu g s e c 伽dd e v e l o p m e n tt e c l l n o l o g y a n dd 撕b a s eb u i l ( 1 i n gm e t h o do ft h ep a r a m e t r i c3 dm o d e l i n gm o d u l eb a i l l ( b a s e do nu g p u tf i o 刑a r dan e wd a 劬a s eb u i l d i n gm e 也0 db yc o m b i n gt l l es p r e a d s h e e tm e t h o da 1 1 d p r o g 舢d e s i g nm 甜l o d d e v e l o p e du gs e c o n 出吖埘t l lt h et o o l si tp r o v i d e s ，l 妇 p a r a m 嘶cm o d e l i n gt e c l l n o l o 戥 u g p a nf a i i l i l i e st o o l s ， u g o p e n m e n u s c r i p t ， u g o p e nu l s 够l e r a 1 1 du g o p e na p i e s t a b l i s h e dt h e3 d p 蹦l i l l e t r i cr n o d u l el i b 聊y f i n a j l y ； d i s c u s s e dt 1 k i n d so f a s s e m b l yd e s i g nm e t h o da n ds o m ek e y t e c l l l l o l o g i e s d e s c i r b e dt 1 1 ed e t a i l e dm o d u l a r d e s i g np r o c e s s o fm ec e n t e r l e s s i i i 重庆大学硕士学位论文 c y l i n 幽c a l 面n d e r b a s e do nt h em o d u l e1 i b r a 珥 k e y w o r d s ：c e m e d e s se x t e m a la l b r a s i v eb e hg 血l d e r ，m o d u l a rd e s i g i l ，m o d u l e l i b r 挪mp a 】阻m e t e r i z a t i o n 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的背景 砂带磨削作为一门新兴的机械加工技术，因其加工效率高、适应性强、使用 成本低等特点，广受现代制造业的青睐。砂带磨床作为砂带磨削的重要设备，其 设计开发状况将直接影响砂带磨削技术在工程中的应用【l 】。当今市场对砂带磨床产 品的需求也逐渐向多品种、小批量方向发展，而且要求具备性能齐全、性价比高、 高效率等特点。然而，国内砂带磨床设计发展较缓慢，仍然是采用传统的、通用 的设计方法，无法满足市场在这些方面越来越高的要求。传统设计方法没有考虑 某一功能单元的部件在一个系列砂带磨床产品中的应用，所用部件的互换性差， 标准化设计思想、设计经验很难积累和传递，单件设计与单件生产，零部件的通 用性和可移植性差；劳动重复量大，设计周期长，生产成本高等，不能及时快速 地满足用户对磨床产品精度、性能、寿命及品种多样化提出的更高要求。造成这 些问题的主要原因有管理上的问题，也有技术设计上的问题。在技术设计上主要 有以下几个原因： 传统的设计方法只是根据砂带磨床的主参数及其性能要求来进行整机及 各部件的设计，没有考虑某一功能单元的部件在跨系列砂带磨床中的使用，因此 部件的通用性差，缺乏标准化设计思想，经验难以积累和传递； 传统方法设计出的砂带磨床，是产品的单件设计与生产，这导致了产品部 件通用性差，不利于部件的重复利用和合理调配组装； 传统的设计只注重砂带磨床的功能设计，即能满足用户的使用要求即可， 对于人机界面和外观造型考虑的很少。整机与国外磨床相比，有时性能并不比国 外磨床差，但外观不好，这也是国产磨床滞销的一个原斟2 1 。 面对砂带磨床向多品种、小批量、制造周期短的发展趋势，在激烈的市场竞 争中，如何缩短产品研制周期、提高产品质量、降低成本，并且具备根据客户需 求实现快速设计的能力，成为企业抢占市场的先决条件【3 j 。采用模块化与参数化相 结合的设计方法，来提高砂带磨床的设计和修改效率势在必行。模块化是2 0 世纪 中期发展起来的一种新的标准化形式，它是以模块为基础，综合了标准化、通用 化、系列化的特点。模块化设计也是一种先进的产品设计方法，是以功能分析为 基础，划分并设计出一系列通用的功能模块，然后通过模块的选择、组合构成不 同的产品，以满足客户不同需求的一种设计方法【4 】。 目前国内的重庆三磨海达磨床有限公司、杭州祥生砂光机制造有限公司和北 京第二机床厂在各种型号的砂带磨床研制和市场推广上做的比较成功。为了提高 重庆大学硕士学位论文 砂带磨床的设计效率，更好的满足市场的需要，因此“模块化设计”这一新的设 计理论和方法己逐步成为企业用来解决产品品种、规格多样化与设计制造周期、 成本之间矛盾的有效手段之一。 1 2 磨床模块化设计的发展及研究现状 1 2 1 国外磨床模块化设计的研究 随着现代科技的迅猛发展，模块化已成为工程产品的主要发展趋势之一。模 块化作为标准化的新形式，模块化成为实现产品多样化的主要途径，及实现并行 工程、大规模定制的基本研究方法。s o t s k y ，g e o r g er 应用模块化的思想，发明了 一种模块化旋转磨床，该磨床有模块化的配置组装模块组成，当有的模块陈旧或 损坏时，只需更换模块即可【5 j 。k h a n y a e v ，a 等人发明了s 1 2 外圆磨床，由于其模 块化的设计使其有一个广泛的技术资料库和可以操作的外部p c ，这使得机器易于 维护，并且可以很方便的修改模块以适应客户需求【6 】。a n o n 根据模块化的概念， 设计了基于模块化的高精度数控磨床。该磨床可以根据客户的具体要求，将主要 机器部件模块化，再由各模块组装成一台机器，其设计速度提高了2 倍左右【7 j 。 1 2 2 国内磨床模块化设计的研究 北京第二机床厂的陈耀昌以最大磨削直径和长度为2 0 0 5 0 0 i i u i l 的半自动高效 外圆磨床为基型产品，论述了横系列、纵系列和区间跨系列模块化设计方法，模 块的建立及技术文件的模块化编制。在两年时间里试制出了四种典型外圆磨床产 品，并为客户提供了两种变型产品。通过模块化设计，促进了新技术的发展，缩 短了设计周期，降低了成本，并使机床性能稳定可靠，达到了提高综合效益的目 的【8 】。 上海理工大学的张金莲和上海机床厂的汪雪英以m 1 4 3 2 b 外圆磨床为基型，对 其进行了模块划分，设计了各个功能模块安装的标准化接口，并对模块整理形成 模块库，利用p d m 对模块库实施管理。利用该模块化设计模型成功派生出了其它 多个品种，提高了企业的产品开发能力【9 j 。 杭州机床厂的陈向东、徐慧芳等根据龙门式平面磨床的特点，经过多年的基 础研究和生产实践，成功地实现了大型数控龙门式平面磨床的模块化设计、开发、 生产，形成了大型数控龙门式平面磨床系列产品u o 】。 天津大学的齐尔麦建立了以模块化设计技术为基础，引入智能化设计技术和 计算机辅助技术的多技术融合的快速设计技术体系。引入了柔性模块和虚拟模块 的概念，提出了机械产品广义模块化设计方法，该方法适用于更大范围内的机械 产品设计1 。 合肥工业大学的李艳阐述了产品模块化设计的整体设计方法，并且归纳了现 1 绪论 有模块化产品评价标准中存在的缺陷，将系统工程以及面向过程的技术中的知识 引入到模块化评价中。并且对已有的轴承套圈磨床的现状进行了初步研究，在总 结国内外轴承套圈磨床生产厂家模块化设计的基础上，研究了模块化轴承套圈磨 床配置设计方法，并且重点讨论了轴承套圈磨床的模块化的结构设计模型以及在 此基础上的产品配置【1 2 】。 重庆大学的司莉纳将模块化设计思想应用于砂带磨床，对无心外圆砂带磨床 的模块化设计做了初步的研究，提出了一些模块化设计过程的运算法则，建立了 无心外圆砂带磨床模块化设计的结构模型【1 3 j 。 综合国内外磨床模块化的研究成果不难看出：国外学者主要是利用模块化的 思想设计出易于互换、维修的磨床产品。而国内学者主要是将模块化的思想对已 有的磨床产品进行模块划分，从而对已有磨床产品进行模块化改造。然而，对砂 带磨床模块化的内容还很少涉及，缺乏对砂带磨床模块体系形成方面的研究，没 有从整个配置过程上提出磨床模块化产品的配置和框架，还没有关于砂带磨床模 块化设计与参数化设计方面的模块库系统等。 1 3 课题来源及本文主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于重庆大学，重庆三磨海达磨床有限公司，重庆市材料表面精密 加工及成套装备工程技术研究中心共同申请的重庆市科技攻关计划项目“核反应 高压容器高效磨削加工关键技术与装备研制及产业化”( c s t c 2 0 0 7 a b 3 0 0 4 ) 。 1 3 2 课题意义 如何使模块化设计在砂带磨床设计领域得到实际的运用，并取得良好的效益 正是本课题的意义所在。通过对模块化设计中的一些基础理论和模块划分方法的 研究，并以无心外圆砂带磨床为例进行了砂带磨床模块化设计具体分析；通过对 参数化设计技术、u g 二次开发技术以及基于u g 的三维参数化模块库的建立方法等 进行了深入研究与分析，论述了无心外圆砂带磨床模块的建库方法，提出了基于 u g 的三维参数化模块库的系统结构和开发流程，并综合运用u g 参数化建模技术、 u g 佃a r tf 锄i l i e s 工具以及u g o p e n m e n u s c r i p t 、u g o p e nu i s t y l e r 和u g 0 p e na p i 等u g 二次开发技术对u g 进行二次开发，研制并建立了砂带磨床三维参数化模块 库。三维参数化模块库具有良好的人机交互界面，操作简单方便，能在指定位置 快速生成各种模块，提高了产品设计质量、缩短了产品开发周期，并将设计人员 从繁琐的模块重复建模工作中解放出来，提高了生产率。 1 3 3 主要研究内容 第1 章，介绍了本课题的研究内容及意义、相关背景和当前国内外磨床模块 重庆大学硕士学位论文 化设计的发展与研究概况。 第2 章，论文阐述了模块化设计的相关概念和运用的基本原理与方法，对模 块化关键技术及评价指标进行了研究，分析总结了模块化设计的一般流程和模块 化设计的三种模式。 第3 章，论述了国外模块划分理论的研究现状，对模块划分理论作了进一步 深入研究，以无心外圆砂带磨床为例对模块划分作了具体分析；并通过对通用c a d 系统实现零件参数化设计的分析，研究了砂带磨床模块详细参数化结构设计的方 法及模块三维参数化造型设计的关键，最后以砂带磨床结构设计中常用的磨头主 轴为例进行了介绍。 第4 章，通过对u g 二次开发技术以及基于u g 的三维参数化模块库的建立 方法等的研究与分析，提出了一种将电子表格法和程序设计法相结合的建库方法， 并综合运用u g 参数化建模技术、u a r tf a m i l i e s 工具以及u g 0 p e n m e n u s c r i p t 、 u g o p e nu i s t y l e r 和u g o p e na p i 等u g 二次开发技术对u g 进行二次开发，实现 了三维参数化模块库的建立。 第5 章，论述了两种装配设计方法和装配设计中应用到的一些关键技术，实 现了基于砂带磨床模块库的无心外圆砂带磨床各功能模块和整床的配置设计。 第6 章，总结全文与进一步研究展望。 1 4 本章小结 介绍了课题的背景，阐述了传统设计方法与模块化设计方法的特点；介绍了国 内外关于磨床模块化设计的发展及研究现状；说明了砂带磨床模块化设计研究的 意义和本文主要的研究内容。 4 2 模块化设计的理论研究 2 模块化设计的基础理论研究 2 1 模块化设计的理论基础 2 1 1 模块与模块化 模块 模块( m o d u l e ) 是模块化设计的基础。模块可以定义为：“由标准件和非标准件 经设计组合，具有某种特定功能及结构的单元，它能够与其他组件( 或模块) 通 过标准接口构成更大的组合、部件或系统。”模块通过“搭积木”方式即可组成系列 标准化产品，也可以配置组成在性能、结构上有较大差别，能满足不同用户多样 化要求的非标准产品。例如，机床卡具、联轴器等可称为模块但不如称为标准件 好。在模块化设计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需被设 计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的设备的单元。一般地说， 模块应具有以下特征。 1 ) 相对的独立性，可以进行独立的设计和组织生产。 2 ) 具有广泛的通用性和良好的互换性，可以根据需要组合成新的功能或结构 单元。 3 ) 具有标准的接口结构，通过简单而可靠的连接形式实现模块之问的组合。 模块化与标准化 为了解决多品种、小批量的复杂化产品组织高效率的社会大生产的问题，人 们普遍运用了“标准化”的方法。即通过反复优化设计，选择合理系列的功能、结构 单元形成标准件，并利用标准件来组合成多样化的产品。这些简化了的功能或结 构单元具有广泛的通用性和互换性，可以组织起高效率的社会化大生产，从而协 调了人们对产品个性、多样化追求与产品高效率生产之间的矛盾。而且由标准化 单元组成的产品可靠性、可维修性也大大提高，升级换代也更容易。 标准化究竟有哪些形式和方法，一直是人们探讨的问题，不过至今并未形成 一个最有权威的一致的看法。一般认为，标准化的形式和方法主要是：简化和统 一化、通用化和组合化、系列化、模块化。 模块化是在通用化、系列化、组合化等标准化基础上引入系统工程原理而发 展起来的一种标准化的高级形式。可定义为：从系统观点出发，采用分解和组合 的方法，建立模块体系和运用模块组成产品( 系统) 的全过程。它是一种标准化 的高级形式，表现为特征尺寸模数化、结构典型化、部件通用化、参数系列化、 组装积木化。作为组合化发展的高级阶段，模块化的理论基础是系统的分解与组 合原理。 重庆大学硕士学位论文 以模块为主，加上部分专用部件组成的产品称为模块化产品。 所谓系统，就是由相互作用和相互依赖的若干个组成部分结合而成的具有特 定功能的有整体。任何一个系统都可以由若干个功能单元组成。由于某些功能单 元具有广泛的通用性和互换性，因此可以将这样功能单元从系统中分离出来，使 之成为标准单元或通用单元来进行单独制造，这一过程称为系统的分解；反之， 为了满足一定的使用要求，又可以将事先准备好的标准单元、通用单元再加上个 别的专用单元组合成一个具有某种特定功能的新系统，这一过程称为系统的组合。 上面所说的功能单元可以称之为模块。因此，模块与系统一样是一个相对的 概念。一个复杂的系统，可以按功能和层次体系划分为分系统、设备、整件、部 件等模块，这些组成模块中的任何一个模块都是由下一层的模块组合而成。模块 化就是针对具体的对象，根据系统工程的要求和预先规定的目标，将该对象按功 能和层次体系划分为若干模块，再由这些模块以不同的方式剪裁，组合成满足不 同使用要求的系统。由此可见，模块化高度综合了通用化、系列化、组合化等标 准形式，是标准化的高级阶段。 2 1 2 模块化设计及其优越性 所谓模块化设计，就是在标准化理论的基础上运用系统工程的原理，将一复 杂的工程产品分解成层次合理的简化、系列化、标准化单元模块，并用这些标准 化模块组合成各种不同产品的过程。它是以功能分析为基础，通过功能、用途不 同的各模块的互联组合实现基型产品和变型产品，主要包括模块划分与模块组合 两个过程，模块划分是功能模块的结构设计过程，模块组合则是根据具体的功能 要求，选择合适的模块组合成产品。 根据模块化设计思想，产品的构成层次发生了重大变化，模块成了设计制造 单元，要设计并建立标准模块库、专用模块库与相似零部件库。标准模块库具有 产品一切不变的主参数特征，专用模块库则能够完成某项独立的功能。生产时， 查找标准模块库、专用模块库，对无法直接利用的模块可在其基础上进行变型设 计形成新的模块，重新拼合模块使之成品化，缩短了设计周期。 模块化设计是模块化制造的前提，是充分发挥模块化方法优越性的保证。产 品采用模块化设计具有多方面的优势，主要表现如下： 模块化设计为产品的市场竞争提供了有力手段。当今市场竞争激烈，要求 产品花样多变，性能各异，结构上具有高度的灵活性。模块化设计特别适用于那 些品种多、批量小、结构复杂的产品。 模块化设计有利于开发新技术。模块化设计使得设计工作简化，避免了大 量的重复设计工作，便于优化设计及发展新产品、新品种。这对缩短产品研制周 期，加快型号的更新换代，提高复杂产品的可靠性、维修性和综合保障能力，减 2 模块化设计的理论研究 少全寿命周期内的费用投入意义重大。 模块化设计有利于组织大生产。模块化设计将复杂产品的非标准单件生产 变成结构相同、工艺相同的批量生产，使得生产过程简化，有利于实现生产自动 化和工艺标准化，提高了生产效率，缩短了生产周期，降低了生产成本。 模块化设计提高了产品的可靠性。品种多、批量小的产品由于设计工作多 变、生产工艺不稳定，质量不易保证。模块化设计容易积累经验，大批量生产也 便于提高产品的加工精度和保证产品质量。 模块化设计提高了产品的可维修性。模块化设计使得产品结构简化、接口 标准，容易将易损部件集中设计或者选择设计，方便了产品的维修及升级换代。 模块化设计使得复杂产品的分区、分道建造、检验、调试成为可能，避免 了可能的返工及各工程的相互干扰。 模块化设计易于建立分布式组织机构并进行分布式控制，易于进行异地设 计、生产和调度。 2 1 3 模块化系统的分类 模块化系统根据不同的标准有不同的划分方法，比如，按产品模块使用多少 分类，可分为纯模块化系统和混合系统；按模块组合可能性分类，可分为闭式系 统和开式系统。本论文主要是研究按模块实现一定功能分类，主要分为以下5 种类 型。 基本功能( 相应模块称为基本模块) 是系统中基本的、经常重复的、不可 缺少的功能，在系统中基本不变。例如，无心外圆砂带磨床中的张紧轮等。 辅助功能( 相应模块称为辅助模块) 主要指实现安装和连接所需的功能。 例如，一些用于连接的压板、特制连接件。 特殊功能( 相应模块称为特殊模块) 是表征系统中某种或某几种产品特殊 的、使之更完善或有所扩展的功能。 适应功能( 相应模块称为适应模块) 是为了和其他系统或边界条件相适应 所需的可临时改变的功能。它的尺寸基本确定，只是由于上述未能预知的条件， 某个( 些) 尺寸须根据当时情况予以改变，以满足预定要求。一些厚度尺寸可变 的垫块即可构成这种性质的模块。 用户专用功能指某些不能预知的、由用户特别指定的功能，该功能由于 其不确定性和极少重复，专用模块结合由非模块化单元实现。 其中功能的模块属于标准模块库，也既可标准化、模块化的非标常用件， 此类模块占据了产品零部件结构设计的7 0 8 0 。此类模块是本论文研究的重 点，论文将在分析无心外圆砂带磨床模块划分的基础上，重点研究此类模块的参 数化建模和模块库的建立；功能的模块属于相似零件库，功能的模块属 7 重庆大学硕士学位论文 于专用模块库。 2 1 4 模块化设计研究运用的基本原理和方法 运用的基本原理 在进行模块化产品开发时，遵循了以下基本原理：相似性原理、分解与结合 原理、相对独立性原理、层次压缩原理以及模块优化原理n 引。 1 ) 相似性原理 相似性主要包括几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性四种基 本形式。通过归纳方法对零部件几何形状之间、产品结构之间、部件或产品功能 之间以及事物处理过程之间的相似性加以梳理归纳，形成标准的零部件模块、标 准的产品结构和标准的事物处理过程，而这些对于减少产品的内部多样化有非常 重要的作用。 2 1 分解与结合原理 模块化设计实质上就是建立在产品模块系统的分解与组合的理论基础上的一 种设计方法。系统既可以分解也可以组合。一个总系统可以分解为若干个子系统， 子系统又可以分解为若干个具有独立功能的单元，单元还可以分解为一些基本的 构成要素。子系统、独立功能单元和基本构成要素构成了不同层次的模块，而产 品则是由具有不同作用原理或不同功能的模块组合而成的。 3 ) 相对独立性原理 进行模块研制时模块必须具备一下几方面的特点，首先模块应该具有一定的 独立性和从整体分离的可能性；其次模块可作为“黑箱”独立流通于市场，不能因一 个模块要与某个模块连接而在结构上必须作为它的附属装置才能完成自己的特殊 功能，即保证每个模块的相对独立性；最后还必须具有良好的通用性和互换性， 通过更换模块组合成多种变型产品；而且要便于单独组织生产、便于售后服务和 升级更新等。 4 ) 层次压缩原理 产品的结构可以运用树状结构进行层次描述，树状结构的层次多少间接反映 了产品的复杂程度和制造难度。通常产品结构层次越多产品的研制与生产周期就 越长，合理压缩产品的层次简化产品的结构，不仅可以缩短产品的研制与生产周 期，而且还能简化产品研制过程。产品层次压缩的主要方法是提高模块的“功能集 成度”和外购现成的部件模块。 5 ) 模块优化原理 研制产品模块化体系时需要对模块进行分离和优化。优化的目标：尽量使模 块内的结构、信息和功能等的关联度达到最大；尽量使模块间的结构、信息和功 能等的关联度最小。模块优化后应具备较高的功能集成度和利于产品的结构的简 8 2 模块化设计的理论研究 化。 运用的主要方法论 研究模块化设计方法需要结合一些其它的设计方法，主要采用方法和手段介 绍有【1 5 】： 1 ) 系统工程法 正确运用系统论的原理研制模块化体系系统是开展模块化设计并取得良好设 计效果的基础。系统工程法内容很多，在模块化设计研究中主要运用其中整体分 析法和系统分析法。整体分析法是指从全局出发综合考虑各要素的组成、结构、 性质以及功能的方法。在进行模块化设计研究时首先是进行市场调查获取客户对 产品的总体需求，然后才是进行产品模块化设计的规划，确定模块化设计的实施 范围，即建立周密的模块化总体规划和宏观控制、协调。系统分析法是用来解决 大型复杂系统的一种综合分析方法，主要是对系统进行“分解”与“综合”，在结构和 功能分析的基础上将大系统分解为子系统，对子系统进行优化处理，然后将子系 统重新组合成优化的大系统。任何一个复杂的系统都可以通过分解，将之简单化。 在模块化设计系统中，通过对产品功能的分析，得出总功能下的各个子功能，然 后对子功能进行相关度分析，进而确定了模块，再选择合适的模块重新组合成新 的产品1 1 6 j 。 2 ) 标准化方法 标准化是模块化设计的前期步骤和必要条件，是降低产品内部多样化成本的 方法。主要从零件、材料、特征和工艺四个方面进行产品的标准化。 3 ) 类型学设计方法 类型学为我们提供了产品设计的新思维和新触角，它的设计本质是简化抽象 与还原，表现出的设计过程为类型选择类型简化类型转化与组合，最终产生 多样化的新类型。产品模块化设计可以是一种基于类型学原理的通过标准的模块 来实现产品多样化的创新设计。 4 ) 质量功能配置法( q f d 法) q f d 法即q u a l 时( 质量) 、f u l l c t i o n ( 功能) 与d e v e l o p m e n t ( 发展) 。q f d 方法 是建立在产品和服务应该按照顾客要求进行设计的观念基础之上，所以顾客是整 个过程中最重要的环节，它是一种将客户需求转化为详细设计说明的有效方法， 它的核心是绘制客户需求关系图表，将客户对需求的定性描述转化为供设计人员 使用的定量数据，以保证资源的合理运用。 5 ) 层次分析法 在产品模块化设计系统评价和客户需求优先排序中，主要运用的方法是层次 分析法，通过评价指标两两比较，将复杂无序的定性问题进行量化处理。 9 重庆大学硕士学位论文 6 ) 黑箱法 黑箱法是暂时忽略内部因素，着眼于系统的输入、输出关系来分析系统总功 能的方法。在产品模块化系统中，一般的设计人员将模块作为“黑箱”对待，不必考 虑它的内部构成，只需了解模块与模块问的接口关系。相对应的是模块设计者把 模块当作“白箱”处理，详细地了解其功能和构成结构。本文后续部分将提出采用灰 箱法来对产品进行设计开发。 2 2 模块化设计的关键及模块化程度评价 2 2 1 模块化设计的关键 模块标准化和通用化 模块标准化和通用化是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化和通用化。 模块化设计所依赖的是模块的组合，即连接或啮合，又称为接口。显然，为保证 不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和互换性两个 特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的 程度。比如，为保证模块的有效组合，具有相同功能、不同性能的单元要具备相 同的安装尺寸和相同的安装界面才能实现。 模块的划分 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 基础上使产品精度、性能稳定、结构简单、成本低廉、且模块结构设计应尽量简 单、规范，模块间的联系尽可能简单。因此，如何科学地、有节制地划分模块， 是模块化设计很具有艺术性的一项工作，既要照顾制造管理方便，具有较大的灵 活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型 产品的辐射。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、系统的功能分析和结构分析，并要注意以下各点： 1 ) 模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性； 2 ) 保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性； 3 ) 模块间的接合要素要便于连接与分离； 4 ) 模块的划分不能影响系统的主要功能。 2 2 2 模块化程度评价 现有模块化产品评价方法中存在的问题 产品设计方案评价是设计过程中必不可少的一个步骤，通过设计方案的评价 可以从众多的可行性方案中选择最优的方案加以实施，也可以对现有的方案加以 评价提出对现有方案的改进意见。而对产品设计方案的评价应该是有针对性的， 基于不同的目的和不同的评价原则，对同一产品设计方案的评价结果可能是截然 1 0 2 模块化设计的理论研究 不同的。例如：从使用的角度来看，一个产品的设计方案可能很好；但从制造的 角度来看，该设计方案的可制造性可能很差，这是由于评价者所处的位置不同而 造成的。 很多学者针对产品设计方案评价开展了研究工作，如文献【1 7 】阐述了可制造性 的概念，并对产品可制造性评价方法，即粗评、精评、综合评价予以讨论；文献【1 8 在装配与拆卸序列的自动生成与评价方法研究中提出了采用层次与关系相结合的 装配模型，研究了利用割集法自动求解装配与拆卸的并行序列问题；文献【19 】提出 了面向对象模型量化评价方法，在虚拟制造系统面向对象模型设计的基础上，引 入了一种面向对象模型量化评价方法，以便更科学地评估虚拟制造系统面向对象 模型的复杂度。也有人研究如何把评价指标进行综合分析。文献【2 0 】提出了产品设 计中一种理性化的多属性多人评价方法，讨论了多个属性评价结果的聚合，以及 对多个评价者评价结果进行聚合的理性化准则，分析了准线性权重聚合函数对这 些准则的符合性，提出了基于准线性权重聚合函数的多属性多人评价方法。 目前许多评价方法虽然分别从不同的角度对一定类型产品的设计方案进行评 价，但很少涉及到产品模块化程度评价的方法。模块化程度是评价模块化产品设 计优劣的一项重要指标，它决定了产品在多大程度上可以享有模块化所带来的优 越性。 在有限的模块化产品设计方案的评价方法中，文献j 所提出的加工中心类机 床设计方案综合评价方法相对比较系统和完整。该方法根据模块化的原则，利用 模糊综合评价方法，并与层次分析法相结合，对加工中心类机床模块化设计方案 进行评价。这种方法在总体上来说属于一种综合评价方法，只是在评价过程中适 当地考虑了模块化的原则。 本文则提出了一种产品模块化程度全面评价( m o d u l a i z a t i o nd e g r e ea p p r a i s e ) 方法。该方法根据模块化的原则划定模块化评价的全面指标专门对模块化程度进 行综合评价，根据评价指标从模块化的角度给出参考意见。而此模块化程度评价 的结果又作为产品设计方案的若干评价指标的一部分。 模块化程度评价指标 将机械产品分解成模块( 尤其是机床等大型机械产品) ，并将模块商品化，则 各个产品模块生产企业只需负责设计、生产产品的某个模块即可，各个企业都将 本企业有限的精力专注于某个产品模块的设计、生产上，这样有利于各个模块生 产企业建立起自己的核心优势，使自己在某一方面做深、做精、做大，从而生产 出低成本、高质量的产品。采用模块化原理还可以使产品设计更加清晰，不仅容 易设计而且也容易阅读和理解，因为模块和模块之间只通过接口发生联系，一旦 出现问题，只要对某一模块或某个模块的接口进行重新设计即可，这样使得产品 重庆大学硕士学位论文 设计容易测试和修改，并且有助于产品模块系统的管理。 而评价产品的模块化程度是模块化设计中必不可少的一项工作。因为产品模 块化程度的高低决定了该产品享有模块化产品优越性的程度。要评价产品的模块 化程度，首先必须分析产品的模块化程度体现在哪些方面。本文提出在设计信息 不十分完备的情况下，从模块化设计的角度并结合软件工程基础的相关知识对模 块化产品的整体设计方案进行评价，即为了评定一个模块化设计产品的模块化程 度，应测量它的各种特征，即通过测量模块的封装性、设计成本粗评价、模块可 重用性、模块可扩展性和模块功能覆盖度等各项指标来评价产品模块化程度。在 评价产品模块化程度高低时，应围绕上述所有指标进行评价，后续部分将会作较 为详细的描述。 1 ) 模块封装性( e n c a p s u l a t i o n ) 当我们对产品进行模块化设计的时候应该遵循信息隐蔽原理，即模块内部的 信息对于不需要这些信息的模块来说是不可见的，也是不可访问的。意味着有效 的模块化中产品的各个模块之间仅仅通过模块之间的接口组合成产品，而模块内 部的信息彼此都是不可见的。 将模块功能封装可以使得产品在安装和维护时变得容易。因为模块的绝大部 分信息对于模块的其它部分而言是不可见的，一个模块内部如果存在设计错误， 那么这些设计错误也很少会影响到其它模块。信息隐蔽程度也就是指模块的封装 程度，模块的信息隐蔽程度越高，即模块的封装程度越高，则产品模块化程度就 越高。这应该作为模块评价的一个指标，它对于是否能有效地实现模块化具有很 重要的意义。 2 ) 模块化设计成本的粗评价( c o s t ) 进行模块化设计这并不意味着分解的模块越多越好。分解的模块越小，完成 该模块的成本就越低，但是却增加了模块集成的难度。这是因为模块越多，设计 模块之间的接口就越多，要考虑的光、电、磁等方面因素就越多，这将使设计变 得复杂。因此在对系统进行模块分解时要适可而止。图2 1 大致描述了模块数与开 发成本之间的关系。模块数目应该取何值才能使产品的开发成本达到最小，要根 据所设计产品的复杂程度具体分析而定。 1 2 2 模块化设计的理论研究 成 本 或 工 作 量 低模块划分层次 高 图2 1 模块数目和产品设计成本的关系 f i g 2 11 1 1 el e v e lm o d u l ed i 、，i s i o na n dc o s to rw o r k l o a d 模块化设计成本的粗评价包括外部品种多样性和内部加工复杂度的评价。外 部品种多样性是指装配产品时，希望可以相互连接的不同模块越多越好，这样可 以组成不同功能用途的新产品。但由此带来的问题是增加了模块之间的接口数目 和接口复杂程度，所以一方面希望模块数量多、模块小，另一方面希望接口简单、 成本低。 3 ) 模块可重用性( r e u s a b i l i 妫 可重用性也称为模块可复用性，指同一个模块同时有不同的用途，只要接口 一致则可以作为不同产品的模块使用。例如机床的尾座模块只要能够实现其装夹 作用，其就可以安装在模块接口标准一致的不同机床上，因此产品模块之间的接 口应该尽量做到标准化。 当真正实现模块化生产时，在新产品开发中，一部分工作是使用可重用模块， 一部分工作是对已有的模块稍作修改，而另一部分工作是全新设计。所以评价模 块的可重用性对于模块的整体价值意义亦很重要。 4 ) 模块可扩展性( e x p a i l s ib i l i t y ) 模块的可扩展性是指在更换某一个模块或将某一个模块进行变型设计时，整 体产品的性能对此模块变化的响应。在模块化设计产品时，必须首先考虑模块的 性能和可扩展性，这是由于在设计的后期无法将可扩展性添加到模块中去。我们 希望在对产品某一模块进行修改时，产品的性能对该模块变化的反应越大，即模 块的可扩展性越好，模块化程度越高。 5 ) 模块功能覆盖度( o v e r l a y ) 一个模块化程度好的产品，其各个产品模块应该尽量做到功能互不干涉，且 不重复，而且在将模块组装成产品模块系统时应尽量保证全部模块的功能均能实 现。 因此可以通过模块功能覆盖度这个评价指标来对产品模块的功能集成度进行 重庆大学硕士学位论文 评价。模块功能覆盖度越小，说明产品各个模块之间的功能相互制约、相互影响 就越小，则此时产品模块的集成度则最高，模块化程度就越高。 6 ) 模块可靠性( d e p e n d a b i l i 动 模块的