大规模定制下的汽车底盘模块化设计技术研究与应用.pdf

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1、合肥工业大学 硕士学位论文 大规模定制下的汽车底盘模块化设计技术研究与应用 姓名：汪敏 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：张利 20050501 大规模定制下的汽车底盘模块化设计技术研究与应用 摘要 大规模定制( M a s sC u s t o m i z a t i o n ) 生产模式是企业以大规模生产的效率 和成本向客户提供定制产品的一种生产模式，被认为是2 1 世纪企业发展的新前 沿。面向大规模定制生产的产品设计技术( D e s i g nf o rM a s sC u s t o m iz a t i O H ， D F M C ) 是实施大规模定制的核心，现代产

2、品设计技术的研究与应用对企业的长 足发展将产生深远影响。 本论文以此为背景，针对汽车底盘研究面向大规模定制的产品设计技术及 应用方法。对建立产品族结构模型的面向大规模定制设计方法进行了研究，重 点讨论了面向大规模定制的产品族规划流程，并对产品族规划过程中重要的设 计方法一模块化设计方法展开系统、深入的研究。本文针对具有模块化特性的 客车底盘产品，建立了客户需求层次分析模型，鞫明客户需求及需求权重是建 立面向大规模定制的产品族结构模型的重要依据，论述了利用层次分析法确定 客户需求权重的方法和过程，拟定了面向客户需求的底盘产品系列型谱。在对 底盘模块相关性进行详细分析研究的基础上，确定底盘产品的模

3、块划分方案并 最终建立了底盘产品族结构模型。分析研究了模块编码系统的功能，建立起 K D B I 客车底盘编码系统，为实现高效的计算机辅助模块化设计及信息集成和资 源共享建立了基础。 关键词：大规模定制；产品族：产品结构模型：模块化设计；编码 S t u d ya n dA p p l i c a t i o no fM o d u l a rD e s i g nT e c h n o l o g y f o rA u t o m o t i v eC h a s s i st oM a s sC u s t o m i z a t i o n A b s t r a c t M a s s

4、C u s t o m i z a t i o n ( M C ) a i m sa tp r o v i d i n gc u s t o m i z e dp r o d u c t sw i t ht h e e f f i c i e n c ya n dc o s to fm a s sp r o d u c t i o n I ti sc o n s i d e r e da st h en e wf r o n t i e ro f2 1 c e n t u ry D e s i g nf o rM a s sC u s t o m i z a t i o n ( D F M C

5、 ) i st h ek e ya s p e c t f o rl h e i m p l e m e n t i n go fm a s sc u s t o m i z a t i o n S t u d ya n da p p l i c a t i o no fm o d u l a rd e s i g n t e c h n o l o g yw i l li n f l u e n c ea l lt h ec o m p a n yd e e p l y ， B a s e do nt h i sv i e w ，t h ep a p e rs t u d i e st h

6、ed e s i g nt e c h n o l o g yf o ra u t o m o t i v e c h a s s i st om a s sc u s t o m i z a t i o n B e c a u s eo ft h ek e yr o l eo fd e s c r i b i n gp r o d u c tf a m i l y s t r u c t u r em o d e lt oD e s i g nf o rM a s sC u s t o m i z a t i o n ，p l a n n i n gp r o c e s sf o rp r

7、 o d u c t f a m i l ya r ep r e s e n t e df i r s t l y , a n dm o d u l a rd e s i g n t h ei m p o r t a n td e s i g nm e t h o da r e d i s c u s s e d D u et ot h ei m p o r t a n c eo ft r a n s f o r m i n gt h ef u z z yr e q u i r e m e n to f c u s t o m e ri n t ot h en u m e r i ci n d

8、 e x e si np r o d u c tf a m i l y , a na n a l y t i ch i e r a r c h ym o d e lo f c u s t o m e r r e q u i r e m e n tf o rm o d u l a r i t ya u t o m o t i v e c h a s s i si sc o n s t r u c t e d T h e m e t h o da n dp r o c e s so fu s i n gA n a l y t i cH i e r a r c h yP r o c e s s (

9、A H P ) a r ed i s c u s s e dt h e n A l lo ft h e s ew o r k sg i v ec o n d u c ta n dt e s ts t a n d a r dd u r i n gt h ec o u r s eo fp l a n n i n g p r o d u c tm o d e l sB a s e do nd e t a i ls t u d yo ft h er e l a t i v i t yo fc h a s s i sm o d e l s ，t h er e s u l t o fa u t o m o

10、 t i v ed i v i d e dm o d u l ei sp r e s e n t e da n dt h es t r u c t u r em o d e lo fa u t o m o t i v e c h a s s i sp r o d u c tf a m i l yt om a s sc u s t o m i z a t i o ni sd e s c r i b e di nt h ee n d As e to f m o d u l ec o d i n gs y s t e mn a m e dK D B Mi sg i v e nb a s e do n

11、u n d e r s t a n d i n gt h es t r u c t u r e o fa u t o m o t i v ec h a s s i sa n da n a l y s i so ff u n c t i o no fm o d u l ec o d i n gs y s t e m I ti s h e l p f u li nc o m p u t e ra i m e dm o d u l a rd e s i g n i n ga n dr e s o u r c ei n t e g r a t i n ga n ds h a r i n g K e y

12、 w o r d s ：M a s sC u s t o m i z a t i o n ，P r o d u c tF a m i l y , P r o d u c ts t r u c t u r em o d e l ，m o d u l a r d e s i g n ，c o d i n g 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名 o 弱乏 L 导师 娘匆 l I 局防锄弓谢 厶抄“ 、锄 h 衙 护 教 投 髟 荚 教 冲 磁 嗽 黧融 插图清单 图1 1 产品族类结构3 图2 1 传统设计向大规

13、模定制设计转变过程6 图2 2 面向大规模定制设计的产品族规划流程7 图2 3 六种模块化方法一8 图2 4 模块体系表1 0 图2 5 模块化产品系统总功能和模块类型1 4 图3 1 底盘模块化设计系统框架一1 7 图3 2 底盘产品的客户需求层次分析模型1 8 图3 3 比率标度含义1 8 图3 4 系列型谱内轻型客车示意图2 l 图3 5 底盘结构示意图2 2 图3 6 底盘产品功能模块体系2 3 图3 7 公理性设计方法2 4 图3 8 面向大规模定制的底盘产品结构模型2 9 图3 9 模块综合的作用3 0 图4 3 模块化底盘产品系列3 7 图4 4 模块信息分类编码系统结构模型3

14、9 图4 5 底盘坐标系4 5 图4 6 模块的图样编码4 6 表格清单 表3 1 判断矩阵1 9 表3 2 判断矩阵及相对重要性权值2 0 表3 3 国产部分6 5 7 m 轻型客车底盘的技术参数一2 2 表3 4 独立模块判断矩阵2 7 表3 5 子功能之间的相关矩阵2 8 表4 1 具有代表性的成组技术编码系统3 2 表4 2 ( 续) 模块的隶属关系编码4 0 表4 3 模块隶属关系编码的实例解释4 0 表4 4 模块的结构功能编码4 1 表4 4 ( 续) 模块的结构功能编码4 1 表4 5 模块结构功能编码的实例解释一4 2 表4 6 模块的接口信息编码4 3 表4 6 ( 续)

15、模块的接口信息编码4 3 表4 7 模块接口信息编码的实例解释4 4 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金墅工些太堂 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谢意。 学位论文作者签名：砂移签字日期：刀鳓巧目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒避王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文

16、被查阅和借阅。本人授权盒月l 王些盔堂可 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后通用本授权书) 二鸯蠡锋嘧 学位论文作者签名：碜刍坂 签字日期：劲年歹月2 牙日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： = 黧F 巧日签字日期：埘年月巧日 电话 邮编 致谢 在本论文完成之际，首先向我的导师张利教授致以深深的谢意，在我两年 多的研究生学习和论文撰写过程中，导师一直给予我悉心的指导和最真诚的帮 助。导师严谨的治学态度、勤恳朴素的生活作风和高度的责任心是学生永远学 习的楷模。感谢张建军副教授，在我

17、研究生学习和论文撰写过程中给予我的指 导和帮助。 感谢江淮汽车股份有限公司的戴茂方总工、任国清高工、魏中良高工、尤 勇工程师等对项目研究给予的大力支持和帮助，正是有了他们的指导与合作， 才使研究得以顺利开展。 感谢分布式控制实验室的张维勇老师、王跃飞老师、魏振春老师、马学森 老师所给予我学习和研究工作中的解惑与帮助。 感谢分布式控制实验室的毕翔、王世福、朱芸、段玲琳、陈海兵、石雷、 辛达、石小兰、徐娟、陆军等所有帮助和关心过我的同学们。 感谢我的爸爸、妈妈和姐姐对我一直以来的支持和帮助；感谢我的婆婆在 我紧张、艰苦的研究生学习阶段给予我及我女儿生活上的照顾；感谢我的爱人 和我的女儿，没有他们的

18、支持和鼓励，就没有我今天所取得的成绩。 作者：汪敏 2 0 0 5 5 第一章绪论 1 1 选题背景 随着现代科学技术的飞速发展，产品结构日趋复杂、产品生命周期日益缩 短；同时，人们不再满足对企业已有产品进行选择，而希望产品可按个性化需 求进行设计、生产。日益激烈的市场竞争给众多企业造成了严酷的生存环境。 如何在实现产品多样化与定制化的同时减少定制成本、缩短定制时间，使 定制产品具有同大批量产品相抗衡的优势是企业面临的严峻挑战。而实施大规 模定制( M a s sC u s t o m iz a t i o n ) 生产方式就是企业应对这些挑战的有效措施。 I 1 I 大规模定制 大规模定制是

19、一种先进的敏捷产品生产模式，其基本思想是：将定制产品 的生产问题，通过产品结构和制造过程的重组全部或部分转化为批量生产，以 规模生产的效率、成本满足个性化市场需求。对客户而言，所得到的产品是定 制的、个性化的；对企业而言，该产品是采用大批量生产方式制造的成熟产品I l l 。 大规模定制把大批量和定制这两个看似矛盾的方面有机综合在一起，真正实现 了生产的批量与成本、速度无关，必将成为2 1 世纪主要的生产模式之一。 从1 9 7 0 年由A l v i nT o f f l e r 在未来的冲击中对大规模定制进行预想开 始，国内外学者分别从不同角度，运用不同方法对大批量定制问题进行研究， 如，

20、从产品设计方法学上、从企业生产的组织上、从定制产品的成本分析上等。 本论文将针对具有模块化特性的产品，对大批量定制产品的设计方法及其应用 进行研究。 1 1 2 面向大规模定制的设计 设计在整个生产过程中占有及其重要的地位，有关调查数据表明，虽然产 品开发设计成本只占总成本的6 ，但对产品总成本的影响却占了7 0 。设计是 实现任何一种生产方式的前提，大规模定制的实现同样依赖于产品设计的成功。 1 9 9 6 年，T s e n gM 在( D e s i g n i n gf o rm a s sc u s t o m i z a t i o n 中提到“1 ：大规 模定制生产在概念设计和初

21、始开发阶段就可以有效实现。并在文中对面向大规 模定制的设计( D e s i g n i n gf o rM a s sC u s t o m i z a t i 0 1 ，D F M C )的概念进行详 述。 面向大规模定制的设计方法有标准化、规范化设计、面向产品族的设计、 模块化设计、后延设计及产品配置等等，其重点就是建立合理的产品族结构 ( P r o d u c tF a m i l yA r c h i t e c t u r e ，P F A ) ，同时完成一组产品的设计，而不只针 对一个产品。 因为产品族结构模型上的各个节点实体是构成产品的模块，所以进行产品 的模块化设计是实施面

22、向大规模定制设计的关键技术。 1 1 3 产品的模块化设计 1 产品的模块化设计 “模块化设计”“1 方法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， 通过功能模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场的不同需求。因此， 模块化设计的核心是设计一系列能快速拼装成产品的具有通用接口的标准模 块。 按模块化设计思想，模块是设计制造的单元，功能模块的可交换性、可组 合性是实现快速设计、制造的基础 4 1 提高产品及模块的标准化水平可使产品 结构达到最优。 2 分类编码系统 面向大规模定制的设计需要快速响应市场需求，要想实现产品的快

23、速设计 就需要对企业内产品信息资源进行电子化管理，实施计算机辅助设计。制定合 理的模块信息分类编码系统，是提高设计效率、实施计算机辅助模块化设计的 有效方法。 编码系统运用字符来描述与设计生产相关的模块特征信息“1 ，计算机辅助 模块化设计系统正是通过这些标准化模块信息对产品实行模块化管理和新产品 配置的。根据底盘产品及模块的特性，本文将会在第四章叙述如何构建底盘模 块编码系统。 1 2 课题来源 课题来源于对江淮汽车合肥工业大学汽车技术研究院汽车模块化设计 及客户化产品定制系统的研制开发项目( 0 4 - 9 8 ) 的“汽车底盘模块化设计方法” 部分的深入研究。 1 3 选题意义 汽车产品

24、可由模块组合而成，采用不同的模块进行组合装配，可以实现按 客户需求提供定制产品一一即模块化定制。由于面向大规模定制的设计的基础 是实施模块化设计技术，在汽车底盘的设计中具有可适用性，因此本课题的研 究对企业实际应用的意义主要有： 1 可以缩短汽车底盘的设计和制造周期，有利于争取时间。 设计周期的缩短主要表现在两方面：一是底盘系列设计时，可利用相似性 原理类比设计模块：二是利用已有模块和少量专用模块可快速提供需要的底盘 2 品种。由于模块化底盘是按模块组织生产的，定型的工艺流程和工艺装各也大 大缩短制造周期和供货期。 2 有利于底盘的更新换代及新产品开发，增加企业对市场的快速反应能力。 在模块化

25、设计中，可以不断把新技术应用于某些模块，在不变更其它模块 的基础上，组成先进的产品“1 。因此，在汽车工业推广模块化设计具有深远意 义，是关系国家经济发展的大事。 3 有利于提高质量，降低成本，增强汽车底盘产品的竞争力。 在模块化底盘中，相对独立的模块由专人负责设计、生产、试验研究，利 于提高模块及产品的质量：按模块组织生产便于实现生产专业化，提高提高劳 动生产率、降低生产成本。 4 便于维修。 汽车底盘由相对独立模块组成，维修方便，必要时可更换模块。 1 4 国内外发展概况 1 4 1 国外概况 1 面向大规模定制设计( D F M C ) 理论研究在国外的发展概况： 在M c 中，客户对设

26、计过程的参与极其重要。国外的理论研究表明：多变的 市场要求企业提供客户个性化服务，并指出质量功能部署( Q u a l i t yF u n c t i o n D e p l o y m e n t ，Q F D ) 已经成为把客户需求信息转换为产品开发、制造、维护等产 品全生命周期信息的有力工具“1 。 有文献“”指出：面向大规模定制的设计( D F M C ) 要求建立一个面向产 品族的产品平台；采用模块化的思想，根据对客户需求分析的结果，建立各种 基本模块，每个模块可以类的形式存在，并对形成产品族的类进行了规划，提 出通用的信息模型框架1 “”1 。本论文的研究重点集中在图1 1 所示

27、的产品族实 体类模型的建立。 图1 1 产品族类结构 2 模块化设计在国外的发展概况 1 9 2 0 年左右，德国首先把模块化原理应用于铣床、车床的设计，获得成功。 直到本世纪5 0 年代，欧美国家才提出了“模块化设计”的概念。 德国一家具公司于1 9 9 0 年用模块化原理设计出所谓“理想书架”。该设计 将书架分为底座、架体和顶板三种模块，其中架体具有几种不同的尺寸，用户 可选择不同的架体组成适合自己的“理想书架”，这是较早的模块化产品之一。 “模块化设计”在国外电器业、家具业、汽车业应用也愈来愈多，成为产 品设计的一种趋势。 3 模块化设计在国外汽车制造业实施概况： 在日本，汽车零件可以按

28、多种方式组合并在不同型号汽车间互换，实现了 快速生产新型汽车，显著降低产品成本。 德国大众公司采用底盘平台的概念将底盘数量由8 个缩减为4 个，底盘平 台的标准部件变化后，装上不同的外罩，就可以低成本迅速制造出全新车型。 1 9 9 6 年，福特公司发动机部总工、美籍华人汽车专家顾永平率先实现汽车 发动机的模块化设计，使不同规格发动机绝大部分组件通用，以最少的规格部 件实现最大的灵活组合。 2 0 0 3 年初，德国的M A N 公司面向国际市场推出L i o n S 公交车等3 款车型 均采用M A N 客车技术，并加以模块化设计，迅速提高了市场竞争力。 1 4 2 国内概况 7 0 8 0

29、 年代间，“模块化设计”在我国受到重视并得到应用。1 9 8 i 年，北 京机床厂对龙门铣床进行模块化设计；北京第二机床厂对精密外圆磨床进行模 块化设计；杭州汽轮机厂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技 术“”。机械电子工业部1 9 8 9 年l O 月公布的机械电子工业第一批产品现代设 计计划表及1 9 9 1 年公布的第二批计划中列出模块化设计项目共8 6 项。这些 模块化设计项目涉及机床，加工中心，模具，照相机，泵，电表，电机。 9 0 年代末期，重汽集团公司以引进斯太尔技术的成熟总成及零部件为基 础，对1 0 m 1 2 m 大客车实施模块化设计“”

30、。 由于国内模块化设计起步较晚，在汽车行业该理论应用还不太普遍。因此， 有必要对汽车底盘进行模块化设计研究。 1 5 本文研究内容安排 针对当前制造业面临的困境及企业实施面向大规模定制设计的趋势“”，本 课题着重研究面向大规模定制的产品模块化设计方法及其在客车底盘产品设计 中的应用。为实现计算机辅助模块化设计“”，本课题还将对汽车底盘模块的编 码系统建立进行研究，开发适合模块化设计的模块分类编码系统。 论文的研究内容安排如下： 第一章介绍课题来源、选题背景及国内外大规模定制的研究和发展状况。 4 阐明论文研究的主要内容和研究方向。 第二章归纳出面向大规模定制设计的产品族规划流程，并对产品族规划

31、中 重要的设计方法一模块化设计方法展开系统、深入的研究，将模块化设计与及 其它相关概念加以比较区分。 第三章通过对汽车底盘结构的介绍，阐明汽车底盘产品是具有模块化特性 的产品；在建立了汽车底盘产品的客户需求层次分析模型的基础上，详述利用 层次分析法确定客户需求权重的方法和过程，并以客户需求为依据拟定底盘产 品系列型谱：在构建底盘功能体系结构的基础上，将产品的功能域与产品物理 域映射方法及产品子功能相关性计算、判断方法应用于底盘产品，确定底盘产 品的模块划分方案并最终建立底盘产品族结构模型。 第四章通过对零件编码系统及编码在计算机辅助模块化设计中作用的分析 研究，归纳出模块编码系统的框架结构。以

32、K D B M 客车底盘编码系统实例的形式， 详述编码系统所表达的模块信息内容及表达方法。 第五章总结了本文的主要工作及课题新见解，指出有待进一步解决的问题 和研究展望。 第二章面向大规模定制的产品设计方法 2 1 建立产品族结构模型 随着W T O 的加入和经济全球化，我国汽车企业面临着巨大挑战a 这使得汽 车企业迫切需要大规模定制( M a s sC u s t o m i z a t i o n ，M C ) 生产模式。 实施大规模定制设计需要科学建立产品族结构模型，产品族结构模型的合 理建立决定着产品定制方式及其模块性、可调整性、可变型性之间的最佳平衡 “1 。所以下文就如何实施有效的

33、面向大规模定制的产品设计方法加以论述， 并在后续章节以汽车底盘为例阐述合理建立面向大规模定制的产品族结构模 型的方法与过程。 1 面向大规模定制的设计( D F M C ) 随着并行设计、敏捷生产等现代设计理论和方法的发展及市场需求状况的 变化，传统设计逐步向面向大规模定制设计转化。随着设计方式的不断发展， 设计时需要考虑的涉及产品生命周期中的环节和因素也越来越全面和人性化， 如图2 1 所示： 幽2 1 传统设计向大规模定制设计转变过程 从图2 1 可以看出，D F M C 是客户参与的一种现代设计方法“1 。面向大规模 定制的设计就是要捕捉并定义个体客户对产品的需求，建立能提供变型设计的

34、产品模型，为按客户需求进行产品配置和快速设计提供基础。其核心是开发一 个和基层元组件设计过程集成的面向大规模定制的产品族结构，以此作为统一 的产品建立和传递过程模型。 2 产品族结构模型的建立 面向大规模定制的产品族规划从客户需求为起点，基本内容包括三个层次 和三个规划过程。这三个层次分别为产品需求定义层、产品系列定义层和模块 系列定义层；三个规划过程则分别是利用质量屋的客户需求向产品需求的信息 转换过程、拟定产品系列型谱的过程和划分功能模块、建立模块系列的过程。 其中，质量功能部署( O u a l i t yF u n c t i o nD e p l o y m e n t ，Q F D

35、 ) “”的方法使得以产 品族的观点实现产品设计和过程的重用成为可能，而质量屋是Q F D 的形式化工 6 具。产品族规划流程如图2 2 所示： 图2 2 面向大规模定制设计的产品族规划流程 图2 2 中虚线表示的是以产品族模型中划分好的模块系列为基础实现新产 品设计的过程。从分解和组合的角度来看，产品族的规划过程和客户需求新产 品的设计实现过程是互逆的，即模块划分和产品族结构模型的建立是以确定的 客户需求和产品系列为出发点的，而合理适度的模块划分所建立起来的产品族 模型反过来又是实现大规模定制的基础和重要环节。 在产品规划阶段，合理确定客户需求及需求权重将直接影响汽车底盘产品 的市场迎合度和

36、底盘产品模型的柔性。以客户需求为起点规划出模块系列就可 以建立面向大规模定制的产品族模型，对底盘产品的生命力及底盘厂的发展有 重要的作用。 产品族模型的最直观表现是产品族结构模型。产品功能结构单元( P r o d u c t F u n c t i o na n dS t r u c t u r eC o m p o n e n t P F S C ) 是产品结构模型上的一系列可配置 节点。它们封装了满足客户需求的功能、原理特征属性和相应的操作方法以及 P F S C 的配置约束规则“”。在产品族结构模型中，有些P F S C 为其父节点独有， 这体现了面向客户设计的个性化特征；而有些P P

37、 S C 是父节点共用的，则体现了 大规模设计的通用化和标准化特性。被产品族中所有产品都包含的产品结构模 型中的P F S C 是一种通用模块的概念，只被某些产品包含的P F S C 贝E J 属于专用模 块。所以产品结构模型中的P F S C 就是一系列含有设计、制造、销售特征和操作 法则信息的模块，而合理的产品模块划分就是建立柔性产品结构模型的基础。 产品族模型采用模块化的产品框架，因此面向产品族的大规模定制设计的 关键技术之一是产品设计的模块化。在大规模定制中，将各个标准模块的设计 文档动态汇总为定制型号产品的设计文档，它随着标准模块的设计变动而变 动，真正达到快速响应市场。 所以模块化

38、设计是实施面向大规模定制的产品设计方法的基础，也是构建 合理产品族结构模型的关键。 2 2 模块化设计方法 2 2 1 模块化的概念 所谓模块：就是指一组具有同一功能和结合要素( 联接部位形状、尺寸、 配合、啮合参数等) 、可互换，但性能、规格或结构不同的单元。 7 明p DD 凸e9 臼 菇享元件攫袅化 互搬元件机疑他- 扯- - 三二 罾譬 萤囝由一匕j 士一 “蟪詈墅。擅块化 - 盛拽墅攫块他 。拼撞墅。接块化 图2 3 六种模块化方法 1 共享元件模块化：模块被不同产品共享； 2 互换元件模块化：某功能有可互换模块； 3 “量体裁衣”型模块化：在保证机械性能的前提下，改变元件的规格 4

39、 “组合”型模块化：通过模块的适当组合构成整个产品或系统： 5 “总线”型模块化：带有标准接口的元件接入标准结构中形成系统： 6 “拼接”型模块化：通过元件的拼接实现不同的组合。 在实施模块化的企业中，通常各种方法同时存在。 2 2 2 模块化设计与传统设计的关系 传统设计是模块化设计的基础“2 ”，作为现代设计方法，模块化设计从优 化产品结构入手，是对传统设计的总结、提高和演化。其不同于传统设计的方 面主要表现如下“”： 1 模块化设计面向产品系统 传统设计面向具体产品进行功能、结构设计；模块化设计则是面向某类产 品系统，将产品的构成分成通用部分和实现多样化的变动部分，新产品的设计 主要是进

40、行少量专用模块的设计。模块化产品结构模式如下式描述： 新产品( 系统) = 通用模块( 不变部分) + 专用模块( 变动部分) 2 模块化设计是标准化设计 传统设计是专用设计：模块化设计是包含标准化理论的通用设计。例如： 美国I n t e l 公司的标准单板计算机、存储板、接口板等模块可以面向各类产品 系统、各个领域的计算机控制系统，推动了计算机技术的普及，也给I n t e l 公 司带来了巨大的效益。 3 模块化设计程序由上而下 传统设计着眼于功能设计、详细设计，基本特征是“由下而上的”；模块化 设计着眼于产品系统的规划、功能分解与组合、产品系统宏模型及系列型谱的 制定，在完成概要设计后

41、进入详细设计阶段，它是“由上而下”。 4 。模块化设计是组合化设计 传统产品的部件以特定的方式组合；模块化产品以模块进行组合，设计中 需充分考虑系统的协调性、互换性和组合性，设计难度大于传统设计。 5 模块化设计需以一定的新理论为支撑 传统设计者具备扎实的专业知识和设计经验就可设计出好产品；而模块化 设计者必须理解并运用系统工程原理和方法、模块化理论及设计知识等新理论。 6 模块化设计有两个对象 传统设计是以产品为对象进行的：但模块化的对象既可以是产品，也可是 模块，模块是由具有功能独立性的产品组成的”如0 由上述模块化设计的特点，可以归纳出模块化设计的三个阶段： 1 模块化系统设计； 2 模

42、块系列设计； 3 模块化产品设计。 2 2 3 模块化系统设计 模块化系统设计是模块化设计的第一阶段，模块系列设计和模块化产品设 计均将在模块化系统设计界定的框架内进行。模块化系统设计通过对系统的分 解和组合、分析和综合，进行系统宏模型的总体策划。 1 系统的外部设计 1 ) 定义系统：调查研究模块化对象及同类系统的相关资料，弄清新系统的 目的与要求，并提出新系统的设想。 2 ) 目标的选择和计划的制定：根据对新系统的设想，分析各种制约条件， 选择有实用价值的系统并制定整体规划。 2 系统的方案设计 1 ) 系统的总体构成：描述系统的轮廓、构成模式、规模及主要技术参数： 2 ) 系统的功能分割

43、：运用模块化原理，把系统分解为予系统，拟就多级的 模块化产品系统层次图，分割应考虑系统的合成； 3 ) 系统的人机功能设计：确定系统的自动化方案。 3 系统功能( 指标) 设计 1 ) 确定子系统及模块的性能参数； 2 ) 确定子系统及模块的几何尺寸系列； 3 ) 确定系统的基本结构布局，确定功能模块与结构模块的结合形式： 4 ) 编制模块化产品系统的系列型谱。 5 ) 确定模块的接口：给出各模块的接口参数，确定接口模式； 6 ) 可靠性分析： 系统评价从技术和经济方面对各种系统方案进行评价。价值分析是系统评 价中常用的方法，系统的价值( v ) 由系统的功能、费用、日期及可靠性等方面 进行综

44、合评价确定，通常把价值分为V ，V ：，V 。V 。，依次乘以适当的权w ， 然后进行相加，即V = w 。V 。 在系统设计阶段，为了有效地进行系统评价，一般只评价各方案的不同部 分。例如，由于设计参数变更等原因，使系统性能有所提高，而性能提高又带 来相关费用的变化，在分析和评价时只检索这部分费用即可。 2 2 4 模块系列设计 模块系列设计是模块化设计中承上启下的环节：将模块化系统具体化，形 成可应用的模块系列实体，建立模块化系统的微模型。 i 模块系列总体设计 通过对模块化产品系列型谱的分析研究，将相同或相似的单元分离出来， 形成功能独立、结构典型及接口标准的通用模块。 模块系列设计分为

45、总体设计和详细设计两个阶段。总体设计描绘出各模块 的具体轮廓，并在进行构成的典型化和集成化的基础上，列出整个模块化体系 完整而详细的实体结构系列表；然后各种模块的详细设计工作才能有秩序地全 面展开。模块体系表如图2 4 所示： 产品型谱 模块系统构成要素 图2 4 模块体系表 2 系统的分解 模块化产品由模块组成，系统的分解以功能为核心、以机械结构为基础进 行。所以，以机械结构要素为基础进行分解是最一般的系统分解方法托”。其它 各种功能模块也往往以机械结构模块为载体，参与整机和系统的组装。 l O 系统分解要考虑模块组合成系统时组装和调试的难易程度。从模块的规模 大小来看，希望模块越小越好，越

46、小越易于处理( 设计、修改) ，但模块越小， 数量就越多，在组合成系统时难度越大。所以，系统分解时模块的数量与规模 是两个相互矛盾的因素。 系统分解时，应在系统分析的基础上，按层次依次展开。每个层次由数量 及规模适中的模块组成，事实上，层次性是系统的基本特征之一。模块的通用 性随着层次的下降而增大，使整个系统呈现宝塔型结构：而模块的规模随层次 的下降而减小。系统的层次结构，不仅使系统的构成显得简明，而且提高了系 统的适应性和灵活性，使系统易于扩展、调整和修改。 3 模块的定型化 由系统分解而得到的模块，有的是标准通用产品，有的是需经过设计人员 详细设计并经研制才能形成具有实用价值的模块实体。在

47、反复优化的基础上， 进行参数定型、结构定型、接口定型，最终形成企业的通用标准模块。 4 接口的处理 模块之间通过接口构成具有一定功能的系统，其功能传递是依赖模块结合 处的共享界面实现的。在模块化产品中，模块间接口的协调与匹配，是组成系 统并保证系统正常运行的重要环节。实现接口协调的主要问题是接口的标准化。 解决接1 2 1 的途径有二：一是将接口结构作为模块的组成部分之一，在组装成系 统时通过连接件进行连接；二是设计接口模块，作为模块化系统的组成部分之 一o 5 模块的更新和改型 模块化系统中，产品的更新和派生是通过模块的更新( 局部改进) 实现的。 只有不断对模块实施新陈代谢，才能保持模块化系统的生命力和竞争力。由于 模块的确定和定型，都是由上而下分层次进行，其主要参数、接口和机械结构 都已经