产品模块化设计方法范文

导语：如何才能写好一篇产品模块化设计方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：模块化设计;机械设计;运用操作

1前言

随着我国经济的高速发展下，越来越多的集中式体户变为了个体户，更多的是要求机械制造商在制作的过程中降低成本。当然传统的机械设计方法已经不再适用于现在的要求了。而从设计的角度来看，我国模块化设计方法在机械设计的运用中得到肯定，而这样就可以缩短工期，从而降低机械制造陈本，所以说模块化设计无论是从设计为理念还是制造上为基础，都是机械制造商最好的选择。

2模块化设计的概念与特点

(1)模块化设计方法是目前机械设计当中的一种尤为重要的方法，它指的是在进行机械化设计中，将原有得不同的部分规划与想对应的模块里，并对每个模块的设计进行了全方位的思考，然后将其各个部位重新组装在一起，最后完成整个机械设计的所有概念、内容。在机械设计的过程中，要对模块做好划分，并且全方位做好规划，确保知道每个模块具有的功能，然后考虑到每个模块相互之间组合在一起的意义。同时，还要保证每个模块之间的独立性能，并且做到能够进行相互的更换，才能促进了系统功能的升级。模块设计方法作为一种新的观点理念，它本身具有显著的特点存在着［1］。(2)模块化在设计当中的主要方式分为以下几种:①横向式的模块化设计方式，在不改变原产品的基础上，利用到模块化设计成变种形态的产品，而这种模块化设计的形式容易实现操作、更易于广为推出。②纵向式的模块化设计方式，在不改变原产品的基础上，在同一形式当中对不同规格的产品进行统筹的设计。③横向式和跨系式的综合型模块化设计，当然，除了发展横向式系列的产品以为，改变了某种模块的设计还可以得到出了其他不同系类的产品，从而便于横向系类和跨向系类模块的设计。④全种系类的模块化设计包括了纵向形式与横向形式，而全种系类更是在基础之上用于制造出类似于跨系列产品模块化设计。(3)模块化设计的推出方便了维修。模块化设计方法能使维护变得简单操作，以少量应多量，以及尽可能的投入少的生产得到多的产品的理念，以最具有划算的方法满足于现在各种需求。由于模块化设计法本身具有可替换性，并且在当中出现了一个模块的故障，那么在机械设计应用中就可以通过检查，将出现问题的模块部位进行更换即可，免去了不必要的资源流失。(4)模块化设计方法节约成本。模块化设计简化了包装的整个过程，以前机械制造商在包装设备的时候只能根据产品自身的特点为其采取指定包装过程。而这样的范围规定太过于狭小，设计出来的包装只适合运用到同一种规模下的产品，然后其他的系列的产品又要从新制造出新的包装，从而给包装带来很大的不方便。这样不仅仅是在人力、物力上的一种铺张浪费，更是难以提高机械制造商运行的成效。然而运用模块化设计方法形成出的产品，在具体的运用中，能满足于各种产品，从而使包装简单化。模块化设计的方法能够节省成本，并且可以用在于有较少的模块当中去完成更多的机械的包装上，从而有效的节省了资源的设计成本［2］。

3模块化设计与其他具有现代化技术的融合

3．1模块化与成组技术的共同的特点

模块化的组成技术都是针对于现代生产的产物提出多样化的。成组的技术主要是利用零件的形状及工艺上具有某种的相似性为其理论，利用有关数据以及事物本体的相似性做到问题的归类化。并通过对具有相似零件的标准形式，做规范的处理，从而使小批量的产品成为具有流水生产方式的一种。而规模化技术也是秉着生产出小批量的产品、中批量的模块、大批量的零件的方法，也充分的利于机械机床部件上的相似性，把具有相似的部件经过同意的归类所形成的模块。而两者具有共同点是:集中的处理具有相似的事物，并把具有一定相似性的事物规范化［3］。

3．2模块化与柔韧性制造的技术

柔韧性制造技术自始以来，一直以多样化、快节奏作为前提，重点强调出系统对生产反应的可变、多变性能。然而模块化正好符合柔韧性技术这一特点的前提依据，模块化技术在利用模块化解决机械机床上的共同特性之后，又具有集中的解决单独的个性问题。并且达到以最少的模块组成最大机床的思想来实现当今社会的多样化。当机床为生产工具的时候，则其利用模块化的特点，灵活多用，并通过模块的组合达到了柔韧性的制造技术。

3．3模块化与高科技辅助技术

将高科技辅助系统和数据库里的技术引用到模块化技术里，在相当大的程度上取代了人类完成大量工作无法完成的复杂、重复性的工作当中。并且，具有一定的稳定性等方面超越了人类。而在另一面。通过模拟化的方法，把复杂系统分解成各个简单的系统，并对各个简单的系统做高科技的技术分导，可以充分发挥高科技的重要性以及具有强大的功能。

4模块化技术在机械设计中的运用

4．1机械设计的理念

机械设计指的就是满足于当代社会经济指标配合着相对式的技术条件，并对其功能的需求锁定出最有综合性方案的进程，而机械设计本身具有综合性能、相近性能、多层次性能等特点。而这些性能更是成为创造新型的机械产品必不可少的基础，从而根本上的决定了生产出的产品功能、质量以及性能。而用户群体对机械产品有着多样化、个性化、高品质、低消费的要求也是逐步扩大。而加入了模块化设计方法更是能面对广大群众对机械设计要求上的一种挑战。

4．2对模块进行划别区分

在对产品进行模块划分的同时，要以独立功能的单月形式作为整体的模块，既可以对已划分的功能在结构上做到独立的特性，这样模块容易拼成、组建以及搭配。并且形成了多种的变形产品，这样的模块才具有完整性，并能保证其质量的过关。而以组件部分作为模块来看，功能分解细化之后，可以通过进一步的将部件中的某些组建进行模块化，更是可以通过替换与舍掉一些零件，可以使部件产生出不同的作用与用途。而这比替换了整个部件更方便一些，而参照模块划分出来的层次，并参照其需要，结构以及功能上对产品模块做出细微的划分，而对产品本身的需求也是对客户需要的划分。要在客户需要的基础之上对该产品进行功能性的区别划分，又必要要在产品功能的基础之上对产品所处的结构进行总的区分。并且将具有同种功能的结构进行合理的区分，可以这么说，模块划分的好与坏影响着模块设计的成与败、质与量。但同时，要考虑在模块本身的发展空间里做出一定的余留，以便可以引入新的观点理念时不会出现阻碍模块构成的障碍而基于模块化设计的合理方法来看，多样化且个性化的体系更能满足于广大顾客们的需求，并且产品可以快速的分解、结合，同时还能通过大批量的生产和管理上的统一从而降低了生产和管理的经济成本［4］。

4．3对现有的模块进行编码

模块编码的意义在于对完整的模块当中的规格、参数等和模块之间相互进行完整的整合管理，并且标明其名称。并对产品的模块进行重新的编码，以便于区分产品，便于管理，从而建设出统一并且完整的标准规范化的模块，更充分的利用产品生产的开发。对模块化设计进行独特性、完整性、合理性、的编码，并实现产品的通用性能与开放性性能。

4．4进行有效率的模块组装

在产品功能确定了以后进行了模块的组合，从而保证了整个机械设计的合理性，同时也需要在实际运用中也起到关键的作用。组装产品的时候要确保组成部件的完整，不可缺失、丢失。进行模块间的合理分配，做到注重布局的合理效果。同时，因为模块又具有替换性能，所以在使用的过程中可出现问题是可以进行更换的，并且要做到某个模块的更换并不会影响到其他模块的正常运行。

4．5完成设计本职工作

在通过之前的设计、组装等时候，还是要进行完成整个产品的工作。而将模块化设计运用到机械式机床上时，包括了机床的传动式模块、执行力度模块、辅助模块等。其中传动室的模块包括了主传动力轴、水平的进给箱、垂直的进给箱等。而执行的模块又概括于、刀子架机、工作桌台等，辅助模块又包含了保护罩、刀架库、机床的电气等。

5结论

而综上所述，模块化的设计方式是实现我国当代机械设计当中大规模生产产品的主要保障，使得产品更加的符合当前的广大顾客、市场上的需求。而在提高自身的效率同时，也降低了机械设计的资金成本，并且在质量占有着相当大的优势。而模块化设计的方法在很大的程度上又满足了机械设计当中的需要，并且在机械设计的具体运作当中又有了良好的效果。它已经不仅仅是作为缩短设计时间的一个重要因素，更是又利于创造出机械设备的一个基础，提高了我国机械设计的水平。因此，往后在进行机械设计产品的时候，需要注重模块化设计方法的灵活运用。并懂得把握住重要的分析点，严格的按照规定去划分好模块，并对设计人员的综合素质做出深入的培养，重视起经验的分析与总结，使模式化设计得到更好的应用，我相信，随着模块化设计越来越标准化的进一步提升，模块化设计之间相互转化的性能也会上升，而机械设计理念与制造水平将会更得到提高，从而促进我国机械化水平的日趋增升。

作者:刘吉宝 单位:兰州理工大学

参考文献:

［1］蔡业彬．模块化设计方法及其在机械设计中的应用［J］．机械设计与制造，2005(08):154～156．

［2］蔡燕华．分析模块化设计方法及其在机械设计中的应用［J］．科技传播，2014(04):160，154．

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关键词：模块化设计 无损检测 模块化设计在无损检测中的应用

引 言

随着生产技术的迅速发展和日趋激烈的市场竞争，以及用户个性化的设计需求，会对制造企业的批量生产造成巨大冲击，制造企业生产方式会由传统的少品种大批量转变为多品种小批量生产。这就会给机械设计人员及企业造成许多的困扰。如何既能为顾客提供个性化产品，又能保证生产周期，保质保量地完成客户的需求，提高企业服务水平和客户满意度，已成为制造企业及设计人员追求的目标。模块化设计是解决这一矛盾的有效方法。模块化设计可以在保证产品通用性的同时，提供多样化配置，既能满足用户个性化需求，又不降低企业效益。从而使个性设计和批量生产这对矛盾得以解决。与传统设计方式相比，模块化设计可降低设计风险，提高产品可靠性，缩短产品研发周期。模块化产品设计可以以少变应多变，以尽可能少的投入生产尽可能多的产品，以最为经济的方法满足各种要求。因此，模块化设计在各个领域已广泛应用。

1.模块化设计的概念及其意义

1.1.模块化设计的概念

模块化是以可完成独立功能的模块为基础。具有通用化、系列化、组合化的特点，是可以解决复杂系统多样化与功能多变要求的一种标准化形式。

模块化设计（Modular Design，MD）是指模块化设计是指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的设计方法。

1.2.模块化设计的意义

采用模块化设计具有以下优点：

1.2.1.有助于提高产品研发质量

1.2.2.提高工作效率和节省生产周期

1.2.3.节约生产成本

1.2.4.有助于改进企业管理。

1.2.模块化设计的意义

基于上述模块化设计的优越性，模块化设计这一新的设计概念和设计方法迅速在各个领域得到广泛应用，它的竞争优势主要体现在两个方面：一方面解决品种、规格的多样化与生产的专业化的矛盾；另一方面也为先进的制造技术、提高设备的利用率创造必要的条件，实现以不同批量提供顾客满意度的产品，进而使企业实现产品多样化和效益统一。

2.模块化设计在无损检测技术中的应用

2.1.无损检测及其作用

无损检测技术即非破坏性检测，就是在不破坏待测物质原来的状态、化学性质等前提下，为获取与待测物的品质有关的内容、性质或成分等物理、化学情报所采用的检查方法。无损检测技术在现代许多领域中，不仅起到保证产品质量与安全监督作用，还在节约能源和原材料资源、降低生产成本、提高成品率和劳动生产率方面起到积极的促进作用。作为一种新兴的检测技术，其具有以下特征：无需大量试剂；不需前处理工作，试样制作简单；能进行在线检测；不损伤样品，无污染等等。所以无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。

模块化设计原则

模块化设计的原则：

2.1.1.力求以少量的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，模块间的联系尽可能简单；

2.1.2.模块的系列化，其目的在于用有限的产品品种和规格来最大限度又经济合理地满足用户的要求。

模块化设计有两种情况，一种是在对各种不同类型、不同规格产品进行分析的基础上，从中提炼出较强的共性。据此设计模块，其目的不仅是为满足某种产品要求，更是为了在更广的范围内通用，称为模块创建；另一种是为完成某种复杂产品功能。选用设计合适的模块确立它们的组合方式，称为模块组合。产品进行模块化设计时，根据用户需要，将模块合理组合，通过不同的组合方式，就可以设计出千变万化的产品。

2.2.模块化设计在无损检测技术中的应用

基于模块化设计的优点，模块化设计现在已广泛地应用于各个领域。以下就是机构模块化设计在超声波检测中的应用的实例。超声波检测是无损检测技术应用最广泛的手段之一。超声波检测适用于适合于金属、非金属、复合材料等多种材料的无损检测。针对不同的被检测物需要有不同的机械辅助机构，这将给设计、生产以及周期上的带来种种不便，模块化设计可以有效地解决这一问题。

引用模块化设计后，被测零件可以千变万化，而机构的模块化设计可以保持不变或者是稍有改变，这样可以大大节省设计时间和生产周期，从而节约成本。

3.结论

设计师运用模块化设计思想开发检测系统的辅助机构的设计，通过严谨细致的全面思考，充分利用已建立和考验过的实践经验，最大程度地降低了各方面的研制风险，节省了开发费用、缩短了研制周期，提高了产品质量和可靠性。随着客户对产品个性化需求的增加，产品定制化趋势越来越明显，模块化设计可以使产品在保证高通用性的同时，提供多样化配置，这是解决制造企业产品的标准化、通用化、定制化及柔性化之间矛盾的可行方案。模块化产品的可分解性、模块的兼容性、互换性和再利用性等，是绿色产品的特性，是制造业发展的趋势。产品的模块化设计具有广阔的发展前景和极大的市场竞争力，势必会对未来市场的产业发展带来极大影响。

参考资料：

[1] 林宋 《机械模块化设计关键技术》， 机械工业出版社， 2011-06

[2] 张俊哲《 无损检测技术及其应用》，科技出版社，第一版. 1993

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【关键词】造船；模块化；区域导向型造船；中间产品导向型造船

中国造船工业从20世纪80年代初开始与日本的造船业合作，引入设计、制造、管理技术，经过多年的改变，慢慢的由区域导向型造船走向中间产品导向型现在造船模式。尽管这种模式尚处在初级阶段，但这对中国造船工业却是一次十分深刻的造船“革命”。

船舶工业的生产过程是一个复杂的有机的整体大系统，随着计算机技术、信息技术在工业中的广泛应用，造船行业正经历着又一次新的技术革命，其目标是通过现代集成制造技术带来造船业更高的经济效益，其主要特征是由区域导向型造船走向中间产品导向型造船。这其中核心技术是基于设计制造一体化的船舶模块化建造技术的发展。

一、模块化概念

所谓模块，就是具有一定功能和特定结合要素的零件、组件和部件。模块化设计就是将一组特定模块在一定范围内组成不同功能或功能相同而性能不同的产品。模块化设计可以满足产品多品种、多规格的要求，并可大大缩短设计周期，提高性价比，使产品便于维修，只是对于结合部位和形体设计有着特殊的要求。模块化设计就像搭积木一样，可根据不同的作用和任务进行组件装配。

模块化造船已经有30多年的历史了，技术上日趋成熟。目前已被多国海军采用，如美国、德国、丹麦、瑞典、俄罗斯等。应用也很广泛，航母、潜艇、巡洋舰、护卫舰等水上、水下舰艇等都开始采用。模块化造船的目的主要是降低整个全寿期费用和保持全舰系统的先进性。包括研发、设计、建造、维护、改装。突出的优点是加快建造周期，升级灵活，便于安装新系统。

二、区域导向型造船与中间产品导向型造船

传统的造船模式采用区域功能型组织结构，即按共同的生产活动调集资源。工程师和生产人员按功能组织起来。而现代造船模式采用产品导向型组织，即以产品导向型工程分解和成组技术为基础。中间产品是指生产的作业单元，是对最终产品进行任务分解的一个组成部分，也是逐级形成最终产品的组成部分。成组技术适宜多品种生产，即多种产品小批量生产.设计和生产以同一方法加以组织，均以同一产品为目标，在造船中即以中间产品为目标。一切设计、计划、船体建造、舾装和涂装均按船舶的地理区域进行，船厂把整艘船舶作为最终产品，用工业工程的方法把它分解为零件和层层部件（部件、分段、总段、舾装单元等）以及特定的任务（如涂装、调试、试航）称之为“中间产品”。把所有“中间产品”委托给厂内外专业化高效的生产组织制造，这种先进的造船方法称之为“中间产品”导向型法。“中间产品”是一种概念导向，其目的是将传统的生产过程加以层次化分解，其实质是船舶设计数据信息的一种管理方式。

三、船舶舾装模块化

模块化造船的概念贯穿于船舶的初始设计、建造过程和试航、操作过程。模块化造船的关键是模块化设计。

基于模块化设计技术的模块化建造方法能够给造船业带来巨大收益，并为长远带来降低设计成本，缩短设计周期，使个性化产品和系列化产品之间的维护、更新、回收和设计再造变得更容易等好处。

直至近几年，模块化造船概念的应用仍主要集中在有序的建造所需要的生产和装配计划上，生产设计继续按照传统的功能系统方式进行，结果在一张图上表示了一大堆以专业划分的工作，并没有去考虑诸如区域装配等模块化建造概念的应用。问题的关键在于设计，模块化建造不仅要求从系统观点出发，更要求从建造观点出发进行提前设计。这已不是生产设计和成组技术能够解决的问题，模块化船舶设计概念的产生源于设计优化、结构简化、功能单元化、目标多样化。

船舶管系设计是轮机设计中工作量最大、最复杂、最繁琐的部分，同时也是船舶制造过程中生产设计及工艺设计、加工制造和现场安装工作量最大、最复杂、最繁琐的部分。长期以来，船舶管路设计采用的是在头脑中进行三维构思而用二维绘图表达的传统方式，通过平面、立面、侧面及剖面等几个基本视图表达管路布置和管子加工信息。随着计算机软硬件水平的不断提高和计算机应用技术的不断进步，设计数字化技术实现了产品设计手段与设计过程的数字化和智能化。数字化设计优点集中体现在：减少设计时间、减少生产准备时间、提高生产效率、故障的早期诊断、使改变设计变得容易、尽量减少信息错误及面向生产的数据的可获得性。目前国际上和国内使用的集成化船舶设计软件主要有：TRIBON等。近年来世界上许多造船发达国家应用计算机模拟造船，并取得了很大程度上的成功，同时也推动了船舶设计与制造向模块化方向发展。

四、模块化建造的发展趋势

1、采用先进的计算机技术

高性能的计算机工具为整个模块化设计、建造过程提供支持，设计阶段利用先进的设计软件，可以大大的减少设计更改，缩短建造周期，节约建造费用。

2、采用标准化和开放式体系结构

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1快速创新设计理论与方法

1．1模块化设计理论与方法

模块化是指采用具有相对固定结构和功能作用的模块对产品或系统进行组织和规划;通过对产品在某种范围内按照不同功能、相同功能的不同性能或者不同规格进行分析，规划出不同的功能模块，通过不同模块的选择和组合，配置出系列产品，以满足用户的不同需求的设计方法［2］。模块化设计是适应性设计、快速配置设计和可重构设计等现代设计的重要设计方法和核心技术，通过功能模块的配置组合能够实现产品的标准化和个性化设计。模块化设计已在现代产品设计中广泛应用，其理论基础是Suh［3］提出的独立公理理论，即“一个最优设计必须保持功能需求的独立性”。20世纪50年代，欧美一些发达国家提出了模块化设计［4］的概念，随着计算机技术的发展，这一概念越来越得到设计界的广泛关注和深入研究。人们在模块化设计概念的定义、模块的划分与组合、实现过程，以及基于模块化设计的产品平台规划与设计等方面都有相当多的研究。Suh［3］从“功能-设计参数”映射的角度给出了模块化设计的定义:模块化设计是将产品、过程和系统以一定的形式表现，满足预定的客户需求，采用的方法是选择恰当的设计参数，完成从功能需求域到设计参数域的映射。Ulrich等人［4］从设计学角度指出了影响模块化设计程度的两个基本因素:1)产品功能域与物理结构域之间的对应程度。2)产品物理结构间相互关联程度的最小化。PAHL等人［5］仍然认为模块化设计是完成从功能需求域到模块功能域的映射，再考虑模块特性参数(如尺寸、重量等)，完成从模块的功能域到模块的结构域映射，并按照不同的模块功能，在设计域内(功能域和结构域)进行模块分类与定义。在模块化设计的方法研究中，模块划分技术是关键技术之一。ERIXON等人［6］提出了产品某项功能成为独立模块需要满足的11个条件，并将其作为模块划分的普遍原则，根据子功能结构建立模块识别矩阵，然后对模块识别矩阵进行聚类分析。STONE等人［7］考虑产品的各个子功能与能量流、物流和信号流的关联性，将一种功能模型定量化建模方法用于产品架构开发，并以客户需求重要度为度量标准，建立需求与功能数据库，将功能与需求的关系定量化作为模块划分与模块发展的主要依据。GU等人［8］提出了一种基于产品全生命周期技术的多目标(可回收设计、可升级设计、可重用设计和重构设计)模块划分方法，并将模糊数学中权重的概念应用于功能结构分析，为定量化模块划分提供了依据。模块组合技术是模块化设计的另一关键技术。O’GRADY等人［9］针对网络设计环境下分布协同设计，研究了其模块组合方法，即建立一个基于面向对象的模块化产品设计环境，根据用户的需要，将不在一个地区的各个模块制造商生产的模块快速组合成模块化产品。TSAI等人［10］考虑产品设计、加工和装配等复杂性，基于并行工程思想，按产品功能在设计过程中的不同类型接口关系进行模块的不同类型划分，并从中选择最优模块，最后根据模块包含的相关信息，对模块中的各个功能进行优先权排序，以此作为产品规划设计的原则。另外，在模块化设计中，模块接口的匹配是模块组合的重要条件，即一个零/部件结构能够成为模块的条件是零/部件的功能、结构以及其接口特征不能超出模块化产品给定的标准接口所允许的范围［11］。HILLSTROM［12］基于公理化设计原理，并结合面向装配和制造的设计方法，对模块化设计的接口进行了系统分析。

1．2参数化设计理论与方法

参数化设计是产品设计规格化、系列化的一种简单、高效和快速的方法，通过改变结构特征某一部分或某几部分的尺寸，基于参数化驱动技术，实现对特征中相关部分的自动改动。参数化设计是CAD的一个重要理论和方法，它包括两个基本要素:参数化图元和参数化修改引擎。CAD中的图元都是以对象特征的形式表现，并通过参数的调整变化驱动图元的变化，参数包含作为数字化对象图元的所有信息。参数化修改引擎所使用的参数驱动技术，使设计者对设计对象所做的全部改动都可以在其他相关联的部分自动反映出来，并采用智能结构单元、视图和注释符号，通过一个变更和约束驱动引擎使每一个图元都可互相关联。对象特征尺寸的改动、移动或者删除所引起的参数变化，会引起相关对象特征参数产生相应的变化，不同视图下所发生的改变都能以参数化的、双向的方式扩散到所有其他视图，以保证所有设计对象的一致性，不必对所有视图逐一进行修改，从而显著提高设计效率和设计质量。1963年由Sutherland［13］在SketchPad系统中提出参数化设计方法，Light等人［14］在1982年提出变量几何和几何约束思想。为提高零件生成的智能化，在20世纪80年代将人工智能技术(AI)应用到参数化设计中，如神经网络和几何推理等技术，更重要的是将参数化技术应用到实体造型并形成了特征造型技术。产品开发之初，零件形状和尺寸都具有一定的不确定性，因此希望零件模型具有柔性修改的能力。参数化设计可将零件模型中固定的参数变量化，使之成为可以在一定范围内修改的参数，根据不同设计要求，对变量化参数赋予不同数值，就可获得不同形状和规格的零件模型。约束是CAD中参数化模型的重要内容，包括零件图形的几何约束和工程约束。几何约束分为尺寸约束和结构约束。尺寸约束是指通过指定特征尺寸参数描述的约束，如长度尺寸、角度尺寸以及直径尺寸等;结构约束是指几何元素间的拓扑约束关系，如垂直、平行、相等、同心和相切等。工程约束是指尺寸之间的函数约束关系，即根据工程设计知识，通过定义尺寸各变量之间在参数值或者逻辑上的关联关系来表示。

1．3产品族设计理论与方法

产品族设计是通过基本特征、组件或子系统的共享，以满足不同市场需求的多产品设计方法，是实现规模化产品制造的有效手段。对于产品族的定义，许多学者给出了不同的描述。Ulrich［4］将产品族定义为由某种参数化数据结构确定的一组产品，当所有参数赋予某一具体数值时，就表现为一个具体产品。Erens等人［15］认为产品族是具有相同内部接口的一组产品，并且在设计的各个领域(功能域、技术域和物理域)中产品族接口为标准化接口，能够实现产品部件的完全互换。McAdams等人［16］将产品族定义为具有相同功能流的一组产品。Simpson等人［17］定义的产品族是建立在通用产品平台之上的一组相关产品，并共享平台通用特征、部件和子系统，以此满足市场的多样化需求。其中，参数化产品族(scale-basedproductfamily)在平台公共变量不变的基础上，通过可调节变量的值来满足不同性能要求的系列化产品，是产品族设计的一个具体方法，平台通用性的考虑和实例产品性能选择是参数化产品族设计的关键问题［18］。产品族结构体系(ProductFamilyArchitecture，PFA)是现代大规模定制设计方法(DesignforMassCustomization，DFMC)的核心部分，它为制造企业内的不同部门协同工作提供一个公共平台，同时作为一个类产品以实现产品变型设计来满足客户多样化需求。目前研究的产品族模型主要有通用物料清单(GenericBill-of-Material，GBOM)模型、三视图模型和产品族主结构模型等。Tseng等人［19］给出的产品族三视图体系结构模型，包括功能视图、行为视图和结构视图及其相互之间的映射关系。其中，功能视图表达产品的总体功能及其子功能结构图;行为视图从技术角度描述产品功能的技术原理;结构视图则描述产品的零/部件组成与装配模型。Hegge等人［20］提出GBOM定义，以产品族将GBOM定义为一组变量，并通过一组参数指定具体值来确定这些变量，现在GBOM已成为表达产品族结构及其构型的基本模型。在国内也开展了产品族的大量研究。祁国宁等人［21］提出了面向大批量定制(MassCustomization，MC)的产品事物特性表建模技术。由描述产品构成的产品族主结构以及描述零/部件的主模型和主文档组成模块化产品族。其中，产品族主结构描述了一个可配置的模块化产品系统的组成情况，并包括所有标准零/部件。基于产品族的主结构、构件主模型和主文档，结合客户的个性化需求，采用配置设计或变型设计方法，可以进行产品的快速定制设计。此外，Jiao等人［22］在面向对象方法和语义网络的基础上，建立了通用产品族信息模型，其多视图产品族结构采用树形结构、多样化变量值和配置规则进行表达，以此生成不同特殊需求的产品变型，同时减少各视图间的数据冗余。Nomaguchi等人［23］根据标准建模语言(UnifiedModelingLanguage，UML)，提出了关于产品族体系结构的知识表达模型，该模型记录了设计的整个过程的详细步骤和设计结果，方便设计过程的跟踪查看;为便于设计者进行准确、无冗余的知识获取，模型还将用户需求、产品功能、结构和成本等不同层面的产品信息进行了集成。目前，本体技术开始应用于产品族模型的建立，Nanda等人［24］构建了基于本体的产品族设计方法，在表达产品族结构时使用网络本体语言，应用规范化的概念分析(FormalCon-ceptAnalysis，FCA)方法寻找设计特征间的共性元素，在此基础上，建立了产品族多视图模型的一般表达方式;高鹏等人［25］也基于本体的方法提出了本体之间的映射法则，构建了本体映射、知识映射和模型映射三层映射模式，并以此为核心搭建了产品配置模型的建模框架。Siddique等人［26］研究了产品族设计体系结构的开发过程，给出了产品族体系结构的数学模型、评价指标和有效性推理规则，并对产品组件、模块和体系结构进行了构建，给出了装配过程的描述方案。朱斌等人［27］则对传统设计方法学和面向产品族设计的差异进行了研究，从产品设计的需求模型、功能原理模型和结构设计模型等三个方面，论述了关于产品族设计模型的构建方法。

1．4可重构设计理论与方法

来源于可重构制造系统的可重构性的概念出现于20世纪90年代。1997年美国Michigan大学的Ko-ren等人［28］首次提出可重构制造系统的概念。可重构制造系统(ReconfigurableManufacturingSystem，RMS)指系统能根据生产的需要，准确地构建出需要的生产功能和生产能力。在1999年国际生产工程研究学会(CIRP)上，Koren等人［29］又对可重构制造系统进行了重新定义，即可重构制造系统是一种预先设计为可快速改变结构、硬件与相应软件的制造系统，并能实现在一个零件族内快速调整生产能力和生产功能，以满足市场或客户需求的突然变化;因此，RMS的主要特点是:1)将加工零/部件控制在一个零件族内;2)突出生产能力和生产功能变化而驱动的重构;3)以可重构机床(ReconfigurableMachineTools，RMT)为基础进行重构。随着可重构性及可重构制造系统的研究发展，其重要性日益显现。美国国家研究委员会(NRC)于1998年在《2020年制造挑战的设想》报告中，就明确地将可重构技术列入21世纪的六大挑战与十大关键技术中，而且排在十大关键技术的第一位。随着制造领域的研究应用，可重构思想开始从制造系统逐步发展到组织体系、制造装备以及产品设计等各种领域，形成了可重构性的概念。Setchi等人［30］基于可重构性的用途，从较为宏观的角度给出了可重构性的定义，他们认为可重构性是一种重复变更或重排系统中构件的能力，且具有继承性、定制性、可转换性、可诊断性和产品化等特征，以此实现产品多样性、重用性、快速性、低成本、高效率、可靠性和简化性等要求。英国剑桥大学的Siddiqi等人［31］给出了需要驱动的可重构的主要因素，并提出了可重构系统建模方法。我国在最近几年也开展了可重构性理论相关研究。清华大学的罗振璧等人［32］针对传统可重构的局限性，提出了基于面向用户需求与使用变化的和基于拓扑相似性“广义组合理论”的可重构性定义。梁福军等人［33］综合运用相似性分析、图论和集合论等理论，研究了制造系统的逻辑重构设计;楼洪梁等人［34-35］利用图论研究了机床的可重构性。在可重构算法方面，王素欣等人［36］运用粒子群算法解决了关于制造系统单元可重构的问题。刘溪涓等人［37］研究了零件配置过程中约束的不同类型，利用“有效可选域”的概念，建立了最小损失函数算法，该算法不仅考虑了构件约束，还考虑了零件重构约束。刘世平等人［38］研究并建立了重构目标模型，利用两个聚类定量指标给出聚类的目标函数，并采用遗传算法对重构进行求解。在可重构设计方面，各国学者主要研究了机床、机器人和其他新产品的可重构设计。在机床方面，Tilbury等人［39］对机床的组成原理进行了研究。冯宁等人［40］结合可重构机床的特征，运用矩阵结构化方法建立机床各组成部分的运动学方程，并提出了由所选择的构件组成机床的所有拓扑结构的方法。许虹等人［41］基于并行工程思想，提出了一种考虑加工工艺与机床配置同时完成的可重构机床设计方法。在可重构机器人方面，Hui等人［42］研究了一种产品化、可重构和可扩展的机器人系统(IntegratedRasterImagingSystem，IRIS)。Paredis等人［43］研究了可重构机器人及其可产品化系统(ReconfigurableModularManipula-torSystem，RMMS)。赵广涛等人［44］基于树状拓扑结构研究了产品化机器人的重构规划设计问题。于海波等人［45］结合图论原理方法，给出了一种比较简单有效的可重构机器人构型综合方法。魏延辉等人［46］采用两级计算(遗传算法和迭代算法)优化了机器人构形组合设计。李树军等人［47］研究了可重构机器人产品的结构，最后总结并设计了七种具有功能独立性的产品。李国喜等人［48-49］提出了基于功能-原理-行为-结构的产品模块化可重构设计方法和基于可拓理论的变形设计与配置方法。

2快速设计方法使能技术

快速设计方法离不开其使能技术的支撑，这其中最重要的使能技术有并行工程和虚拟样机技术。

2．1并行工程

并行工程(ConcurrentEngineering，CE)不仅是一种设计思想，更重要的是一种方法论，是现有先进设计制造和管理模式的理论基础［50］。美国防御分析研究院于1988年给出了并行工程的定义［51］:对产品设计及其相关过程，包括设计过程、制造过程和市场营销等过程，进行并行、一体化设计的系统化工作模式。这种工作模式要求产品设计开发者在开始设计时，要考虑产品生命周期中的各个阶段因素，其中包括用户需求、产品质量、生产成本与阶段进度。传统的企业组织结构会带来部门之间的分割与封闭，并行工程打破了这种各自独立的工作局面，站在产品全生命周期整个过程的高度，突出参与者集群协同工作的效应，对产品开发过程进行重构，结合先进的设计方法学，并在产品设计的初期将后期的所有因素进行综合考虑，力争完全实现产品设计和制造一次成功，从而极大地缩短了开发周期，降低了产品成本，增强了企业的竞争能力［52］。传统的产品设计制造模式为串行工程(SequentialEngineering，SE)模式，其产品开发过程是顺序完成，各个过程之间基本上是独立的，每一过程的开始是以上一个过程的结束作为前提，彼此缺乏信息交流。并行工程的关键是以系统集成为基础对产品及其过程实施并行设计，即是通过多学科产品开发人员的协调与合作，整合产品的开发流程，以缩短开发周期、提高产品质量、降低成本和增强企业竞争能力为目标的设计［53］。当然，并行设计的产品开发周期也分为不同阶段，每一阶段都有自己相对独立的时间段，不过时间段之间有一部分相互交叉重叠，而这部分重叠时间表示开发过程是同时进行的，因此，并行设计开发的时间远小于串行设计所用的时间。与传统线形的、顺序的且部门相对独立的过程相比，并行设计要求在设计的各个阶段，企业的相关部门应以互相合作、交互和平行的方式进行产品开发。当然，并行工程必须以先进的信息技术和产品设计技术为支撑，如以产品数据管理平台作为支持产品开发的环境，采用工作流来实现设计流程重组与流程管理，采用产品的数字化描述、面向制造的设计(DFM)、面向装配的设计(DFA)和质量功能配置(QFD)等技术来提高产品的设计水平［54］。

2．2虚拟样机技术

在激烈的市场竞争环境下，企业要想占据市场的主动地位，必须比同类企业提前设计并生产出满足用户需求的具有较高质量的新产品，由于物理样机存在成本高、生产周期长等不足，难以支撑企业的快速生产需求，成为企业保持竞争优势的一大技术瓶颈。越来越多的企业和研究机构开始研究采用何种方法取代物理样机从而突破这一瓶颈，正是在这样的技术背景下虚拟样机技术应运而生。虚拟样机技术(VirtualPrototypingTechnology，VPT)是一种基于数字化样机的虚拟设计方法，是计算机辅助/面向设计(CAx/DFx)技术在各个领域的发展和应用。对于虚拟样机的定义［55-56］，从20世纪90年代以来，国内外的研究人员根据各自的研究领域特点，给出了不同的概念。文献［57］中定义虚拟样机技术是“一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法”，这里的数字模型指的就是虚拟样机。一个虚拟样机融入了不同工程领域物理模型数据，从产品的功能、技术原理、外观形态到产品的运行管理均模拟真实产品，并支持并行设计等方法学。虚拟样机技术的最核心优势是技术和信息的集成，即基于并行工程思想，应用计算机技术将计算机辅助设计(CAD)技术、系统运动学和动力学、数值计算方法和有限元技术，以及计算机辅助工艺等现代先进设计制造技术结合在一个系统中，迅速高效地解决问题。利用计算机辅助设计建立产品几何结构模型，在计算机技术和专业技术的支撑下，进行虚拟仿真产品的运动学和动力学分析，在此基础上，采用有限元技术进行数值计算分析，验证产品的强度等性能需求，最后将分析的结果通过动画显示、图表等方式直观表达，这样设计者可以方便快捷地对模型进行修改，在同一模型上赋予各种物理特性，取代物理样机，实现产品功能、结构、制造和试验等全过程的仿真分析，由此将设计意图通过计算机实时地表现出来。王栋［58］指出，虚拟样机技术是基于先进建模/仿真技术、信息技术、先进设计制造技术和企业管理技术，并将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对它们进行集成管理，因此与传统产品设计支撑技术相比，虚拟样机技术更强调系统的集成，集成的思想将覆盖产品整个生命周期，通过不同领域的虚拟化协同设计，实现对产品的全方位测试、分析与验证。随着虚拟样机技术的研究和应用，产品设计开发新模式“设计-虚拟样机-产品样机”逐渐替代了传统模式“设计-样机制造-试验分析”，这对于增强产品设计创新、提高产品设计质量、缩短生产周期和降低产品成本具有重要意义［59］。虚拟样机的应用主要针对大型复杂机械产品，如飞机、车辆和轮船等。最典型的实例为波音公司无纸化研发777飞机［60-61］，整个设计过程全部运用虚拟样机技术，研制费用减少94%，模具设计精度提高10倍，研制周期缩短50%，更重要的是确保了产品一次制造成功。基于虚拟样机技术，德国宝马汽车公司(BMW)研究开发了在三维虚拟环境中的交互碰撞仿真系统，通过改变汽车物理参数(如几何、拓扑结构等)，进行碰撞仿真分析，快速获得碰撞仿真结果，并实时对结果进行动态显示和分析［62-63］。德国大众汽车公司从1994年开始将虚拟样机技术成功用于新产品开发，开发过程中以实时交互的方式进行，以连续和逼真的方式获得产品的设计结果，明显地提高了产品的质量，缩短了产品的开发周期，产品的开发成本也大大降低［64］。国内在20世纪末开始了对虚拟样机技术的跟踪与研究，并取得了初步的研究进展。在21世纪之初，随着我国市场化机制的日渐成熟，产品在市场中的竞争更加激烈，对虚拟样机技术的需求明显增加，社会逐渐形成了这样一个共识，企业要提高产品竞争力，必须应用虚拟样机这一关键技术。清华大学依托985学科重大项目“轿车数字化工程”［65-67］，在国内率先开展了虚拟样机技术的应用。随后，在武器装备［68］、航空发动机和机车车辆等复杂机械产品中也采用了虚拟样机技术，以提高产品的性价比［69-70］。可以预见，在国内复杂产品的设计制造行业中，虚拟样机技术必将成为设计、制造、试验和运行等阶段的技术分析与评价的重要手段之一。

3设计需求与发展趋势

上述每种设计理论都有其各自提出的背景和积极意义，并以解决其应用背景和特定范围内的设计问题为目标，侧重点不尽相同，并无简单的孰高孰低之分。一个好的设计理论应当能适合自身的时代、背景的需求和技术的支持(包括约束)，同时集成现有设计方法的可取之处，运用相关领域的先进研究手段创造性地提出自身的解决方案，并且具备可操作的支持工具与相对完善的评价体系。针对复杂机械系统设计，笔者认为上述设计方法有待从以下几方面进一步完善。1)模块化设计:信息技术、先进制造技术等的不断发展，给产品模块化设计理论和应用研究提出了更多新的课题，融合、利用其他现代设计方法、制造和管理技术已成为现代模块化设计的特点，模块化设计是快速设计、产品族设计和可重构设计等设计理论的基础。但是，复杂机械产品系统内部模块间物理相互作用的非线性、过程之间的耦合性，将造成任何环节或过程出现问题都会导致产品的设计出现问题，因此，基于智能知识的用户需求和功能的整理是模块化设计研究的重点。2)参数化设计:经过几十年的发展，参数化技术在设计中应用越来越广泛，不仅极大地扩展了图形的修改模式，增强了设计的弹性空间，在产品设计的各个阶段，包括概念设计、结构设计、实体造型设计、装配与公差分析以及数值仿真、设计优化等，均显示出强大的生命力，发挥的作用越来越大。对于复杂机械产品，产品设计具有层次性、尺度间的耦合性和参数的模糊性，不可能通过零/部件尺度参数简单的放大与缩小来满足多用户环境的需求，因此，多学科、多参数优化设计是复杂产品设计的必然趋势。3)产品族设计:参数化产品族主要关注于产品设计变量取值的合理共享，是参数化和模块化设计的进一步延伸。复杂机械在结构设计上表现为递归性，即迭代性和反复性，一般需要借能仿真系统，因此，要获得具有平台常量和可调节变量集的数学模型。4)可重构设计:相对传统的设计方式，可重构设计方法较好地解决了继承性和创新性两个设计问题，具有显著的优越性。可重构设计在重用已有的各种设计资源和设计经验知识的基础上，实现了产品的创新设计，能够快速响应竞争激烈的市场多样化和个性化需求，符合未来的发展方向。但传统的可重构性设计的理论基础是独立公理设计理论，强调“设计的明智”和“过程的合理”，强调发散性思维带来的设计创新，而复杂结构机械系统的耦合性和模糊性，则很难满足这一条件。借助模糊集理论研究模糊可重构设计理论和方法是发展趋势之一。

4结语

篇5

Abstract: For the customization of the product modularization design,we use the product symbol concept to build product semantic modle, and simplify product structure, in order to let the customers have a clear view of the product design idea and product structure. This make the geometry information data pass more convinent between designers and users. This process of information transfer among the users is actually a designer coding and user decoding process, and then customize the individualized product process more easily. This article primarily validates the conclusion through the application of symbols semantics in bag filter modular design.

关键词 ：符号语义；模块化设计；袋式除尘器；概念设计

Key Words: symbols semantics; modular design; bag filter; concept design

一 引言

随着经济的迅速发展，作为经济增长引擎的制造业蕴藏着巨大的市场机遇，但同时存在着激烈的竞争。要想赢得未来竞争的胜利，制造业就必须通过优化整个产品生命周期来左端产品上市时间、提高产品质量、降低成本，同时还要不断通过研发来满足客户需求。技术的不断进步导致产品工程越来越复杂，企业必须在不断变化的环境中适应越来越复杂的工程技术。随着个性化产品需求的增加，产品定制化也越来越明显，企业必须创建大量的产品系列来满足客户需求。同时企业必须具备不断提高创新能力和增加产品的科技含量的方法来满足客户日益增长的个性化需求。

企业一方面可以通过批量化、标准化和通用化来缩短产品的上市周期、降低成本、提高产品质量，另一方面还要通过产品创新，保持产品的竞争力来满足客户需求。这样，周期短、成本低、批量大和多样化生产之间就存在了很大矛盾。如何能够使产品上市周期短、成本低、批量大、多样化同时实现呢？

模块化的产品设计和生产可以在保持产品较高通用性的同时提品的多样化配置，因此模块化的产品设计是解决定制化生产和批量化生产即周期短、成本低和多样化之间矛盾的一个途径。

产品开发必须满足消费者的需求并为企业盈利，即使是为了公共目的而进行的开发，也要顾及开发的效率。模块化概念早在20年代的斯堪尼亚（当今世界上领先的重型卡车和大型巴士制造商之一，它是一个有着一百多年发展历史的瑞典企业。）已初露端倪[2]。在后来的发展过程中，这个理念不断得以实践及持续完善。1992年6月的东京国际会议正式提出了并行工程技术，随之在此基础上发展成为缩短产品设计周期为目的的快速设计技术和方法。系列化、模块化设计技术与方法作为快速设计技术与方法的重要组成部分，受到了人们的大力关注。随着科学技术的发展，模块化思想已经被用于各个领域，如汽车、家电、建筑、船舶等工业产品和信息产品的模块化设计[1]。模块化设计方法无疑给产品设计者提供了方便。

但是，在模块化产品设计迅猛发展的同时，对产品信息的表达方面一直是困扰开发商和用户的一个难题，不管从哪个角度考虑，产品信息的表达都欠缺完整性、通俗性和易管理性。往往使使用者无法理解所要的和所给的对应原则。这无疑不给个性化产品的定制带来不便，给使用者制造了定制困难也给开发者提出了新的挑战。

产品符号学的产生是设计思想史的一次重大变革，它源于语言学，使用者通过符号语义表达对产品的设计有了比较全面的了解，同时，产品概念设计中对产品细节信息表达的不足之处也得到了弥补。为了满足快速变化的市场，产品开发者要尽可能的加快产品的开发速度同时提高产品的适应性。模块化思想简化了产品设计者的设计过程，符号语义在产品模块化设计中的应用则为用户和设计者之间的交流提供了方便，通过方便的交流途径使设计者设计的产品更好的满足用户的需要。设计者通过符号语义的表达来描述符号对象及其之间的相互关系，使使用者对产品的设计不言自明。

因此，产品符号学在模块化产品设计中的应用快速回应了用户对个性化产品的大批量需求。通过产品信息的符号化表达，定制信息在使用者和设计者之间的交流将会更加方便。

二 相关概念

1 模块化设计的概念

产品模块化设计就是将产品分成几个部分，也就是几个模块，每一部分都是具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。通过模块的组合配置，就可以创建不同需求的产品，满足客户的定制需求 ；相似性的重用，可以使整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源简化。

模块化设计同时达到产品的低成本和品种多样化的目的[3]。缩短产品的设计和制造周期，提高产品质量和可靠性，增加企业对市场的快速应变能力。但是对产品信息的表达欠缺，不易于做好用户服务。

在软件的体系结构中，模块是可组合、分解和更换的单元。在模块化产品设计中，应遵循的基本原则：

（1）功能独立性,可以对模块进行单独设计、制造、调试、修改和存储，这便于有不同的专业化企业分别进行生产；

（2）互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块更大数量的满足不同产品的需要；

（3）通用性，有利于实现横系列、纵系列产品间的模块的通用，实现跨系列产品间的模块的通用[8]。

2 符号语义的概念

产品符号学的产生来自于语言理论：符号学。人通过处理符号来交流信息、采取行动。符号学是研究有关符号性质和规律的学科，是交流的一种理论，它的目的是建立广泛可应用的交流规则[4]。符号学的应用及其广泛，目前已经应用到语言学、建筑学和工业设计等多个学科。

符号学的研究始于19世纪末期，主要有两个源头。分别是由瑞士现代语言学之父费迪南•德•索绪尔(Ferdinand de Saussure)创立的语言符号学和美国实用主义先驱查尔斯•桑德斯•皮尔士(Charles Sanders Pierce)创立的逻辑符号学。索绪尔说：“语言是一种表达观念的符号系统。因此，我们可以设想有一门研究社会生活中符号生命的科学，我们管它叫符号学。”[9]。后来，皮尔士的学生查尔斯•莫里斯(Charles Morris)创造性地把符号学分为“语义学”、 “语构学”、和“语用学”。

产品语义学是随着西方整个人文社会科学呈现语言学转向而出现在产品设计领域的一种思潮，主要是基于皮尔士的逻辑符号学以及莫里斯所划分的符号学体系。根据莫里斯所划分的符号学体系，相应的产品符号学包括：

（1）产品语义学：研究产品造型的形态与意义的关系。

（2）产品语构学：研究产品造型与功能结构的构成关系。

（3）产品语用学：研究产品造型的可行性以及与人的关系。

因此可以说，产品语义学是根植于符号学，并且建立在其理论框架之上的，与符号学有着不可分割的紧密联系。

以符号单元做为模块化设计中设计师的表达工具，借助符号单元所具有的形状载体作用及富有的高层次工程语义来实现产品模型的高层次功能描述与低层几何表示的统一，并与语义相结合来描述符号对象及其之间的相互关系，实现了对符号单元抽象化和形式化的表达[5]。

3 符号语义的表示方法

在产品设计中符号语义的表示方法可以是树状图的形式，也可以使数学公式的形式等等。不管哪种表示方法都是通过符号、字母、数字等一些元素组成，这些符号代表着一定的内涵，通过这些符号将产品的设计信息传达出来供使用者和顾客来参考解读。

例如：花板是由板、孔、尺寸信息聚合而成。如下图所示圆弧和字母A表示花板与三个元素之间的聚合关系。根据板、孔和尺寸信息的性质不同其符号形状也不一样，如板和孔是组成花板的零部件用矩形框表示，而尺寸信息时文本形式的则用其他形状来表示[5]。

树状图表示法：

图1 组件与元素之间的聚合关系

公式表示法：公式1

其中ai指组成组件的几何元素板和孔bj指组成组件的文本元素即尺寸信息。

三 符号语义模型在模块化产品设计中的应用

产品作为一个符号系统，必然由能指与所指共同构成。它从用户需求开始直至完成功能结构设计的过程是一个符号单元逐渐演变的过程。概念设计当中符号单元的演变过程实际上就是各种设计信息和知识发生的从功能到符号，再从符号到结构的映射过程。模块化概念设计更加形象的表达了这个演变的过程，每一步的转换都包含了抽象、分解、综合、迭代、循环的过程。

基于符号语义的模块化概念设计是一个设计者将用户功能符号化，分析其功能信息并将其转化为模块化结构信息，并展示在用户面前的过程。这个过程本质上是一个设计师与使用者交流的过程。设计师作为产品形式的创造者，同时也是信息的传达者。设计者界定了需要向消费者传达的信息之后，进行编码，将这些信息转化为一定的符号，从而使产品形态成为传达载体，将信息传达给使用者，最后由使用者来决定产品的雏形。

图2 模块化概念设计图解

上图充分说明了产品设计的过程，在模块化设计中，符号语义的作用是不可磨灭的，产品设计的过程是一个用户将信息提供给设计者再由设计者将所设计的产品结构信息拿来与用户交流，然后由用户将其他一些功能信息传达给设计者这样一个循环往复的过程。

设计师对产品语义、生成方法以及对用户理解造型符号的习惯的认识，对于实现二者之间的成功交流来说是非常重要的。

四 应用实例

根据对符号语义表示方法的理解，我们分别用两种方法来表示符号语义在袋式除尘器结构优化系统的模块化设计中应用。

1 用符号公式的方法进行模块化设计描述

袋式除尘器结构优化系统设计分为四个模块分别用s0：结构数据库模块，s1：结构CAE模块,s2：结构优化模块；s3：帮助文件。

（1）袋式除尘器结构优化系统可表示为：

,公式2

结构图文件用ai表示、文本文件用bj表示、对话框文件用ci表示，程序文件有两种，一种是CAE程序文件用xi表示，一种是优化程序用yj表示。

（2）结构数据库模块：

，公式3

其中i取0、1、2时为整机结构图，其余为零部件结构图；

c0文件指材料性能对话框；

bj表示载荷文件，j取0～14时为型材文本文件，15～24为基础载荷文件。

（3）结构CAE模块：

公式4

xi表示CAE程序文件，其中i取0～4时为整机CAE程序，取5～13时为零部件的CAE程序。

（4）结构优化模块：

公式5

C1为快捷优化对话框；yi为定制优化程序；b25为快捷优化结果文本文件。

（5）系统帮助模块：

公式6

di表示结构CAE模块程序当中的参数对照表，包括12个零部件的39个excel表格；

b26表示袋式除尘器结构优化系统的工矿定制情况说明；

b27表示系统分析结果验证说明；

m表示系统帮助文件和系统简介。

公式表示法表示模块设计情况中，各个模块之间是相互独立的，易于读者解读和进一步使用。而且各个零部件以及他们之间不同的组合关系、不同的相关度等都可以用不同的符号来表示再付一个映射表将更加清楚明了,如下所示：

表1 符号名称对照表

符号参数名 在系统中的映射

S 袋式除尘器结构优化设计系统

s0 结构数据库模块

s1 结构CAE模块

s2 结构优化模块

s3 帮助文件

ai 图形文件（结构图）

bi 文本文件

ci 对话框文件

di excel表格文件

xi CAE程序文件

yi 优化程序文件

m 帮助文件

2 用树状图的形式实现模块化设计的表达

对于树状图表达形式比较直观，很容易对整个系统形成完整的思想。

对袋式除尘器结构优化系统所建立的树状符号图如下图所示，其中父级和子级的关联关系有多种包括组合关联、概括关联、实例关联和聚合关联，例如结构数据库及其下面的三个子级模块的关系为概括关联，用圆弧可字母A和三条起连接作用的直线表示；子模块根据其属性的差异用不同的形状来表示，如结构图用一个立方体形状的控件表示；文本说明类的文件用折页的纸形状的控件表示等等。

不论是以数学公式的方式还是以树状图的方式给出的袋式除尘器结构优化系统模块化设计的符号表示都使信息在使用者和设计者之间的传递显得非常方便，以符号语义的形式来传输信息有利于用户对系统的理解。

图3 系统树状图

通过符号语义在模块化设计中的应用，更加清楚明了的将产品的结构呈现在使用者面前，在产品详细设计过程中，便于用户对产品进行个性化定制。解决了使用者和开发者之间的交流问题，即编码和译码的繁琐难懂得到了解决。而且，模块化设计方法也使产品设计得到简化，产品各个零部件的相似性和重用行等特点得到充分发挥，也便于文件、数据等的管理。所以，符号语义在模块化定制设计中的应用必将使产品设计尤其是结构复杂的产品设计等这种让人头疼的事情得到缓解。

五 结语

人的意识过程是一个符号化的过程，思维即是对符号的一种组合、转换、再生的操作过程。符号是人类认识事物的媒介，它作为信息载体是实现信息存储和传递的工具，是表达设计意图的基本单元，是设计师描述设计对象与设计过程的工程语言。

本文介绍了符号语义在袋式除尘器结构优化系统模块化设计中的应用。符号语义在产品设计中的应用为信息在使用者和设计者之间的交流提供了方便，也为功能信息和结构信息的传递提供了一种途径，而且也使系统数据便于管理。总之，符号语义在模块化设计中的应用为产品设计提供了方便，同时模块化设计也实现了低成本、个性化、大批量的生产。通过模块化设计用户可以定制出多种个性化袋式除尘器产品，以满足广大用户的需求。

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【11】 Gero J S, Kannengiesser U. The situated function-behaviour-structure framework [J].Design Studies, 2004，25(4): 373 - 391.

The application of the semeiology in modular design of product

Abstract Directed towards the modular design method of the structural optimization system, the conception of the symbol and semantic used in the product design can simplify the products’ structure and convenient the information transform between the users and the designers. Actually this process which pass message to the users can be describe as coding of the product’s message. This method can give convenience to the users. Paper provides an example which used symbol and semantic conception to help the modular design of the filter bag, and it also verified this conclusion.

Key words symbol and semantic, modular design，filter bag ,conceptual design

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【关键词】模块化;产品设计;变形

一、产品设计中的模块化设计

（一）模块化设计的概念及内涵

模块化设计通常是指把性能不同而具有一定相同功能或用途的同类部件的联系尺寸（结合要素）标准化，使部件具有很强的互换性。“块”是指由若干个零件组成的一个部件。模块化设计的特性是：一个“块”可单独实现一个功能;“块”与“块”之间有明确的划分界面，各自独立。模块化设计允许不改动其体系结构中其它“块”，而只对体系结构中某个模块加以更改而改进产品的功能。

（二）变形设计及模块化设计

快速变形设计是通过对产品成本影响大、使用频率高的零部件进行标准化、模块化，通过对各个部位的变形来满足需求。模块化是标准化原理的具体应用。通过对模块的选择可组合成不同的产品，生产不同的模块进而生产出不同种类的产品来满足不同客户的要求。模块化设计是一种充分利用了规模经济和范围经济的效应变形设计的重要方法，不仅在很大程度上降低了产品设计的成本，还可以快速开发产品，走向市场。

二、模块化设计的优越性体现

（一）通用化

1.通用化的方法

通用化是以互换性为前提，只有同时具备功能互换性和结构互换性的产品才可以通用。通用化的形式一般有：继承型通用化、开发型通用化。

a）继承型通用化：是指在研制新系统时选用现有系统中可以继承的单元的一种通用化形式。我们常说的“借用”就是这种通用化形式。b）开发型通用化：是指通过对未来发展需求的预测，有目标、有选择的设计、生产某些通用化单元，然而在研制新系统中推广使用这些单元的一种通用化型式。

2.通用化的对象

通用化的对象极为广泛，可以是系统、分系统、设备、组件、零部件、原材料及其品种、规格、乃至结构、尺寸要素。通用化单元的通用性越强，应用范围越广，则其效果越好。通用化单元的层次越高，通用化的意义也越大。

（二）系列化

1.系列化的方法

系列化的基础是通用化，即系列产品中的每一个都要在一定范围内通用，而且还要形成产品系列，以适应更广泛的需求。系列化工作的主要内容是制定产品基本参数系列标准、编制产品系列型谱和开展系列化设计。产品基本参数系列标准是编制产品系列型谱和开展系列化设计的基础，是系列化的首要环节。制定产品基本参数系列标准是按某类产品的特点和发展规律确定其基本参数，按使用需求和一定数列（如优先数列）将其基本参数划分成若干级别和档次。

产品的系列化设计，是按产品系列型谱设计的基型产品，并在此基础上作横向或纵向扩展，构成一系列的产品或变型产品。

2.系列化的对象

和通用化一样，系列化的对象也极其广泛，主要有：分系统、设备、组件、零部件、元器件及其性能参数、尺寸参数和结构型式。零部件、元器件系列化的例子：各种标准紧固件、电阻、电容等。产品系列化的例子：各种微电机的系列化等。

（三）组合化

1.组合化的方法具有一定数量模块的模块系统，这里的模块，是指具有特定功能和典型结构的通用、独立单元.例如积木。模块必须：a）具有独立的功能和结构，模块都应是具有独立的、不受干扰的特定功能，可以进行单独的运转或测试、制造、储备;b）可组合、可拆卸，模块是分解的产品，应能“回归”到产品中去，所以模块应具有良好的联接接口，有很强的组合能力，即组合性，可以与其它组成部分进行有机的结合，构成新产品;也易从产品中拆卸和更换;c）具有标准接口，在一定范围内通用，模块应是具有标准接口或联接要素的标准单元或通用单元，应具有典型性、通用性、互换性或兼容性。

2.组合化的对象，组合化是采用分解和组合的原理，将一类产品的功能进行分解，形成通用的、具有相对独立功能的模块系统，以便能组织批量生产，随后利用模块系统中的模块和其他专用部分组合成所需要的新产品。以达到缩短研制周期、降低成本、提高质量与可靠性、简化维修和后勤保障的目的。因此这种方法的对象在武器装备中主要是系统、分系统和设备。

三、模块化设计的人性化应用

实用新型婴儿车的设计，重点在于婴儿车的多用途性，多功能性。用一辆婴儿车，解决解决不同种情况下需要的多种形态。适用范围广，极大地扩展了婴儿车的适用范围及使用次数。创新点在于，将设计的两种不同的理论角度考虑婴儿车的设计，即人性化和人机设计。这样不仅使婴儿车的设计理论兼具理性和感性，而且为童车设计提供了新的设计思维理念。

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模块化理念早在20实际50年代就由一些欧美国家正式提出，并逐步广泛应用于计算机、电气产品、机械制造、建筑施工等多个领域。近年来，欧美国家又将这一理念引入到机电工程中，并通过很多成功的实践事例，给机电工程的技术前景带来新的思路。本文将对模块化理念在化工机械设备工程中进行推广的优势、基本方法、可行性等进行简单的阐述。

关键词：机电工程、化工机械设备、模块化施工

中图分类号：TU85文献标识码： A

一、模块化施工理念简介

模块化施工理念，就是将大型产品从设计时，就拆分为较小结构单元，或将复杂的产品，拆分为相对简单的单元，这些拆分出来的单元就是模块，通过模块化的设计和生产，来优化产品工艺，提高效率。模块通常在工厂制造出来，通过运输、拼装、就位等一系列操作，最终在预定位置完成整体产品的再现，实现其设计的使用功能。

二、模块化施工应用详解

1、设计阶段

设计阶段的策划是模块化实施的重点，是由传统工程模式向模块化施工模式转变能否成功的前提。

设计阶段需要对整个产品进行初步设计的同时，进行模块化可行性分析，主要是整体化工机械产品能否被合理的拆分。模块拆分的原则一般要根据产品的结构特点和技术特性，通常的模块都具备较独立的结构和较独立的功能，其要点包括：1）拆分界线宜选择在非关键连接部件处，便于装配且不会影响到设备的精度；2）每个独立的模块应有较规则的外形，便于制造和运输、储存；3）每个模块应有足够的刚度和稳定性，以便在吊装等工序中具备可操作性，刚度、稳定性不够时，可增设框架或补强结构；4）模块的规格及重量应能满足运输要求和现场拼装条件；5）每个模块尽可能形成完善的独立功能结构，如机械装置的附属油、气、电管路及线路应同时配备、并形成标准连接接口；6）对产品结构相同或相似的部位，可拆分为相同模块，为制造阶段的批量化生产提供便利，也便于现场安装。

完成化工机械设备的模块拆分后，后续详细设计中与常规产品设计的区别是：对模块间接口设计合理的拼装方法，给出拼装要求和公差范围。

在刚刚开始进行模块化设计时，往往会加大设计者的工作量，使设计难度增大，但是随着经验和资料的积累，相应标准产品图册、产品图集的形成，反而会使设计过程更加便捷。

2、实施阶段

通过系统化的模块设计，在实施阶段，工作就变得相对简化了。制造厂在生产时，只需按照设计给出的基准点（或线）进行模块的生产，并使关键部件的精度符合设计给出的阶段性公差，模块通过检验验收，交付现场施工。

现场施工时，首先依据设计要求在安装现场建立测量网，作为安装的定位依据。每一个模块入场后，即可按照制造时的基准点（或线），将模块按照设计坐标进行就位安装、调整，使模块的偏差满足预定的阶段性公差。模块的现场拼装过程类似于垒积木，其效率远远大于传统的现场安装施工，其区别在于：主要的部件连接工作已经在制造阶段完成，使现场组焊工作最小化；单个模块拥有预设的自身精度控制体系，不必待所有部件都到场再进行装配；便捷的接口连接工作，简化工作流程，有时可以先就位多个模块，再进行连接作业，令施工更为集中，提高生产率，节约机械台班消耗。

三、模块化应用于机电工程中的优势

化工机械设备作为较特别的产品，往往具备外形庞大、重量高、结构复杂等自身特点，通常又具备工期紧、施工量大、交叉作业多等外部特点，在工程实施中往往又分为制造、运输、现场安装等多个阶段，所以在应用模块化优化施工工艺时，侧重点与方式也不尽相同：

1、通过模块化改进制造工艺

应用模块化可以提高制造阶段的生产效率。通过定型模块的设计，对大批量的产品更容易形成固定的流水作业，每个作业组负责部分工作，更易于快速掌握成熟经验；将整体制作拆解为多点制作，缩短制造周期；生产任务过饱和时，对技术不复杂的非关键模块，可以外委给具备资格和能力的合作单位制作，减轻生产压力。模块化制造与传统的按零部件划分制造单元的方式相比，更具集成性，既方便管理，简化了最终整体组装的复杂流程，使制造工艺的选择多样化。

2、通过模块化解决运输的限制

由于化工设备往往外形较大，所以受运输能力限制，制造施工往往具有地域性。将大型的设备系统以模块进行制作和运输安装，将打破传统的市场格局，对持续发展有利。

3、现场装配的优势

散件运输虽然也能解决机电产品的运输问题，但是在现场装配时，模块化的产品在保证质量、进度等方面都有很大的优势。

机电安装的过程的质量控制，就是对制造精度的现场再现，由于受现场人员技能水平、熟练度的影响，施工专业化机械的影响，材料的质量水平，施工环境的影响等，精度往往很难达到制造的标准。以模块化的理念，将技术密集或精度高的组合件，在制造厂内完成，最小化现场的装配工作的同时，以标准的接口，简化施工工艺，进而提高质量，也缩短了安装周期。对大型设备进行模块化分解，有利于现场安排多点平行作业，在工期紧张的情况下，更容易安排赶工。

四、模块化施工方式的注意要点

1、安装工序的设计

设计单位在进行模块设计时，应同时策划好安装次序，避免因工序失当而导致返工。

2、避免累积公差的影响

合理规划好制作、安装各阶段的公差要求，明确出最终公差范围，避免因公差累积造成精度无法满足要求，特别是有配合精度要求的接口部位，更应严格控制。对在施工阶段无法避免较大偏差的部位，应设置补偿件。

3、试运行的注意事项

对模块包含的动设备，在具备单机试运行的条件下，应在模块安装前完成试运行工作；包含管路的模块，宜在安装前按标准完成试压或泄露性试验；电器装置、线路应完成相应的调试及试验工作。

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【关键词】 价值工程； BOM设计； 质量-成本优化； 成本控制

通常使用者购买商品，首先考虑的是该商品的特定功能，然后才考虑该商品的价格等问题，而价格是受成本约束的，产品质量也是服务于产品功能的，价值工程（Value Engineering，VE）正是这一思路的体现。从产品自身看，产品功能的实现和成本因素的考虑都取决于“物料清单”（Bill of Material，BOM），产品成本也是通过BOM来归集的。在很大程度上，产品成本在产品设计阶段就已经决定了，在以后阶段成本降低的空间相当有限。

一、产品功能的模块化设计

在买方市场的现代社会，产品需求决定产品供给。产品需求总是以服务于客户的特定功能需求为前提的，对产品功能需求的分析是BOM设计首先要考虑的问题，也是产品成本控制的前提。

（一）产品功能需求分析

设计制造出能满足市场需要的产品是产品被市场接受的重要前提，前面提到，人们购买产品，并不是要购买产品本身，而是购买产品所能实现的功能。因此，我们除了要关心市场对产品的需求以外，更要注重用户对产品功能需求的分析，称之为“产品功能需求分析”。一般产品往往能提供系列功能，需要企业做认真细致的市场调研。通常，人们比较重视产品的主要功能，次要功能容易被忽视，但细节上的问题也对产品影响很大，这就要求企业充分重视人们对产品的功能需求并关注其变化。

1.调查市场对产品功能的需求

可以通过产品销售和售后服务网络掌握用户对产品的功能需求，了解产品在使用过程中出现的功能满足方面的问题，作为今后产品改进的方向。调查方法包括：对重点客户的访问、问卷调查以及德尔菲法等，调查内容包括功能具体内容及功能重要性评价等，充分把握市场对产品功能的需求，保证产品所提供的功能是市场所需要的。

2.识别产品功能需求

分析人员要对调研资料进行充分的分析、归纳和总结，整理和明确市场对产品功能的需求，确认哪些功能是可以满足的，哪些功能是产品无法满足的，进一步对产品不同功能的需求程度进行系统分类，排列出产品功能的优先级，以便在设计制造等环节企业的重要资源向其倾斜。在识别产品功能需求中，还要注意分析用户对产品潜在的功能需求，分析要有一定的超前意识，要跟上并引领产品发展的社会进步潮流。

（二）确定产品功能模块

1.产品功能模块化

产品设计模块化是客户功能需求多样化的必然结果。在产品功能的设计中，应该将产品功能结构模块化，这样可以根据不同用户的需求对功能模块进行组合，进一步满足不同用户的个性化功能需求，更重要的是可以降低设计、制造和维护的成本。为了能更好地生产出满足用户功能需求的产品，将用户视角的产品功能需求转化为设计制造者视角的功能需求模块是非常必要的。

2.产品功能模块的划分

通过功能整理，明确产品功能模块。在功能模块划分中，要确保以下几个问题：（1）基本功能模块的通用性，以利于规模生产；（2）各功能产品模块独立制造，利于维修和单独销售；（3）模块间接口简单，便于装配和分离；（4）各模块的内外部关系要满足高内聚低耦合的要求，提高模块独立性；（5）模块分解大小适中，为模块的功能组合提供便利。

二、产品模块成本与功能的匹配

为实现产品的必要功能，对相应功能模块的成本保障就成了产品设计中必须考虑的问题。

（一）产品各功能模块的成本与功能的匹配

产品结构是为实现产品功能服务的，所以产品成本的控制必须在实现产品功能的前提下考虑。

首先，计算各模块的功能评价系数。用层次分析法（AHP）对前述的产品功能需求及评价进行量化处理，计算得到各功能模块的功能评价系数。

然后，确定各模块的成本参数。从价值工程的角度看，希望成本C很低而功能F很高。在实际应用中，则强调成本C与功能F的匹配，用fi表示第i个功能模块的功能评价系数，用ci表示第i个功能模块的成本评价系数，则第i个功能模块的价值vi=fi/ci。其中∑fi=1，∑ci=1。一般而言，vi越接近1越好；若vi大于1，说明该模块功能重要，但产品模块成本可能不足；若vi小于1，说明该模块成本过高，是成本降低的重点；若vi接近于零，就应考虑该功能有无存在的必要，其功能能否被替代。总之，运用价值工程的方法对模块功能/模块成本进行平衡，使功能模块的成本评价系数等于功能模块的功能评价系数，即fi=ci。

（二）产品目标成本在各模块间的分配

企业在制定目标成本时，既要充分考虑本企业的内部条件，又要考虑企业所处的外部环境，制定出一个低于现行成本经努力可以实现的目标成本，进而计算各模块的目标成本，即：

某模块的目标成本=该产品目标成本×该模块的成本评价系数

根据产品结构模块与产品功能模块的对应关系，各功能模块的目标成本即为各产品模块的目标成本。

三、产品BOM设计中质量-成本的优化

值得注意的是，从不同思路出发可能会出现同一功能可以由完全不同原理的产品结构来实现，根据用户需求和成本优先的原则，确定产品BOM结构。

在产品结构模块的BOM设计过程中，满足要求的某零部件往往不止一个，设计者应该根据质量-成本优化的要求对其进行选择。为形象地描述选择过程，笔者用方框表示与节点，圆圈表示或节点，得到一个产品模块结构的与或树。

下面以一个案例来说明BOM设计中质量-成本优化控制的过程。

背景资料：某公司的齿轮减速箱产品的输出轴系模块Pi由输出轴p1、大齿轮p2、轴承p3和定距环p4组成，p1、p2、p3和p4为底层零件，p1有备选零件x11和x12，p2有备选零件x21、x22和x23，p3有备选零件x31和x32，p4有备选零件x41和x42，输出轴系模块Pi的目标成本为Ci为240元，如图1所示：

0-1规划法求得最优解：x11=x22=x32=x42=1，质量最优值Qi为1.92，设计成本234元

四、结论

从以上分析可以看出，运用价值工程原理对产品成本进行源头控制有其独特优势。这个优势表现在以下两个方面：

第一，从满足用户产品功能需求的角度，将用户对产品功能需求进行模块化处理，对功能模块进行组合，可以满足不同用户的个性化功能需求，从而降低产品整体的设计、制造和维护的成本。这样不会出现产品功能剩余或功能不足的问题，同时也克服了单纯追求降低产品成本而牺牲产品功能的弊端。

第二，从产品BOM设计的角度，按照产品功能模块设计相应的产品结构模块，依据价值工程原理将产品目标成本在各产品结构模块间进行分配，使产品各功能有与之匹配的成本保证。在模块化产品结构的BOM设计中，通过零部件的质量-成本优化选择和控制来最终确定产品的BOM，保证了在目标成本控制的条件下实现产品的质量最优，从而实现产品成本的源头控制及优化控制的目标。

【参考文献】

[1] 刘夫云，等.产品模块化程度评价方法研究[J].中国机械工程，2008，（4）.

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框架式结构对于产品的开发设计，体现出很多的优点，可归纳为以下几个方面。

1．1生产灵活性(flexibility)与整体性奥迪汽车公司推出的第三代车身空间框架(AudiSpaceFrame，ASF)如图1所示，该空间框架采用最新技术制造出更坚韧、更强操作性能的全铝车身框架，此车架结构的采用为奥迪汽车提供了更轻、更强和更安全的车身构造。框架式结构设计原理是将产品根据功能的关联性程度进行模块化分析与设计，该原理运用于ASF车架设计中则是将一种多体连接的整体式结构转化为主次连接的框架式简化结构。根据该设计原理，在生产过程中，会将产品整体划分为主体框架和分体模块，如图1中的奥迪汽车车架由主体框架和三个功能厢体模块组成。另外有些产品如多功能螺丝刀、吸尘器的设计，采用通用性的接口连接，这样根据局部功能进行模块化更换和生产，满足不同产品功能需要，可降低生产成本，提高生产的灵活性。

1．2维护性(maintainability)框架式结构采用模块化装配方式，每个模块相对独立，如果某个部件出现故障需要维修，只需对该模图2苹果G5电脑机箱块的局部进行修理和维护，不改变其他模块的链接关系，无需拆解整体结构，这与传统整体式结构相比体现出了高效性、便利性和低成本等优点。如奥运场馆水立方的外墙采用了模块化的框架式结构;苹果电脑公司推出的G5电脑机箱采用全铝金属框架结构，如图2所示，该产品的内部零件模块、外观侧板和基座都是连接在整体结构上的。本文将探讨在LLPC产品开发设计中导入框架式结构的可用性，系统地从设计角度分析功能模块的布局;运用框架式结构的设计手段保持产品整体风格，在用户视觉范围内不暴露结构性零件，进而保持产品的外观整洁性。

1．3外观造型的系列感(series)框架式结构在各类产品开发设计中的应用对外观风格颇有影响，如在系列化产品的开发设计中，采用统一的框架式结构可塑造出外观造型相似的系列化产品风格特征。根据不同人群定位、功能定位等要求，更换局部模块以形成不同功能产品，而整体结构保持着相对稳定和独立性，进而保持产品的系列化风格。图3所示为电子产品外观夹边设计，此结构方式的采用使其在外观上形成了一种独特的视觉分割效果，使产品显得更精致和纤薄。Iphone4手机也采用了这种设计方法，根据不同功能需求更换上盖模块，中框结构和下盖可以保持不变，可获得视觉效果不同的系列产品。图4所示的IBM服务器机柜整体设计也采用了框架式结构，外壳与内部零件模块可根据功能需要进行选择性装配。这样的设计方式可实现只更换前面板和内部模块，形成不同功能产品系列。

1．4可控性(controllability)基于框架式结构的产品开发设计流程可控性好、风险低，通过对功能布局、整体结构和框架结构等几个关键环节的质量控制，可确定整体结构形式，后期设计研发过程中可变因素少，大大降低了设计风险。特别是在产品升级与更新时，框架式结构可减少产品零件的定制数量，简化研发流程，进而提高对产品功能品质和工艺的控制性。使用过程中，如果哪个部件出现问题，即可更换或者局部改良，不影响其他零/部件的使用。

1．5拓展性(extending)大型机床产品的系列延续性对于品牌产品的战略发展尤其重要。单一的产品系列可能导致片面的市场格局，在稳定产品品质的基础上可根据市场细分，基于同一平台拓展出不同功能定位的产品，这一策略在大众、标致等汽车的车型工程开发中尤为常见。框架式结构形式有助于功能的模块化定义，对于影响终端界面的模块可进行更新换代，而共用的基础部分保持不变，即可根据产品的系列化定位进行基于平台架构的不同功能组合延展，在不增加太多成本的基础上实现不同产品系列的拓展，因此具有较好的产品拓展性。

2大型激光加工中心的结构特点与工业设计分析

大型激光加工中心(Large-scaleLaserProcessCen-ter，LLPC)是一种通过激光对截面积在2m×2m内、高度为0．15m内的大体量金属材料件进行打孔、切割和雕刻等加工的设备，可进行材料的熔覆及修复工作，LLPC是本文研究的主要对象。其功率可设定在1～2kW范围内;X轴行程为3～4m，Y轴行程为1．5～2m，Z轴行程为0．1m左右，最大速度可达18m/min，定位精度为±0．015mm，重复定位精度为±0．01mm。该设备控制系统由高功率激光器、激光专用制冷系统、外光路系统和多功能大型激光数控加工机床组成。其技术特点有:1)采用高效的自动化激光熔敷技术，可以有效地减小热影响区，降低叶片裂纹的产生。2)可以在氢气保护下进行，而无需真空环境。3)加工精度高，易于数字化控制，可加工几何形状复杂的零/部件。大型激光加工中心主要应用于模具加工、机械制造、石油、化工、轻工、能源和交通等行业。

该类产品开发设计中需要综合考虑加工效率、安全性、良好人机交互性和良好维护性等方面的要求。因此，在设计过程中需分析各个功能模块的合理化布局，以获得高效率的加工方式，如考虑在设备加工过程中操作人员的安全性问题;考虑人员操作的易用性，以获得良好的精确操作及监视效果;考虑使用后的定期维护需求，将控制模块进行独立布局，不与其他模块形成功能交叉区域。奥地利生物学家贝塔朗菲(1937年)最早对一般系统作出了定义:系统是由若干要素以一定结构形式连接构成的具有某种功能的有机整体。按照系统的定义，本文的研究对象LLPC产品设定为系统需要满足三个基本条件，即:若干要素、结构形式和功能输出。基本系统性关系可以用式(1)表示:式中:M为产品系统设计的功能输出，即LLPC产品设计的结果与加工过程的整体效果;S为系统功能模块(即要素)的集合;F为建立在模块集合S上的各种结构链接关系。

在LLPC产品系统中，M为一个产品系统设计的功能输出，即产品设计的功能效果;S为固定的功能成模块，只在产品系列化时才产生变化;F为一个可变的要素，包含了结构形式，也包含了连接方式与系统、外界交互形式。在该类产品设计中，可采用整体结构连接与框架式结构连接两种方式，前者是产品的每个功能模块相互产生结构性连接，形成固定模块的整体产品系统;后者则是根据设计要求先将整体结构方式进行独立设计定型，然后再进行功能模块组装，如控制柜、操作面板和检测门等模块均采用常规标准件，然后与主体框架结构进行连接，形成有主体框架和可变模块组成的产品系统。通过产品设计系统分析、以用户为中心的设计评估等方法适当改变F的关系，可获得一个更优化、更高效率的产品系统功能输出M。

因此，该类产品开发设计的重点是F。式(1)中的M也可以表示为:式中:M1为大型设备产品中各个组件模块之间的关系，如激光加工模块与加工材料的空间位置匹配关系，材料进、出口与主体的对接，控制机柜与激光加工模块的相对位置等;M2为个体模块与整体加工中心系统的关系，如材料进、出口对操作人员的视觉与操作障碍，控制柜对产品其他模块的位置重叠影响，控制面板与检测门的位置重叠影响等;M3为本产品系统功能与外环境的关系，包括产品占地面积，产品与加工环境的匹配关系，其他工序对该产品可能的相互影响等内容;M4为本产品系统与人的人机关系，包括一般操作人员对该产品控制过程的直观性，应急操作的方式与位置等内容。式中:n为产品功能模块数量，可根据工业设计分析方法进行针对性定义;Wi为产品中的第i个独立模块;ki为第i个独立模块的设计特征与要求，即某个模块对系统的影响因子，如控制面板是与人直接接触的，则其他模块的位置不能布局在人的操作范围内;如控制柜必须是开放的独立空间，该范围不再安排其他模块;又如检测门可与其他模块重叠，但需保证对操作人员安全保护性;材料进、出口位置须是独立的。

本文将LLPC产品设定为一个系统，其功能输出M体现在经工业设计有效地完成大型材料的激光加工的效果。而要素S为激光加工模块(范围)、控制模块、待加工的材料、加工完成的材料、正在加工的材料、操作模块，以及基座七大部分;其结构链接形式为F，该结构形式的选择将影响该产品系统功能M的最终结果。本文将运用三维虚拟原型辅助法进行分析，假定可变性结构连接F为框架式结构，从功能布局、人机界面模块化、产品维护和外观整体性等几个方面研究框架式结构在LLPC产品开发设计中的可行性。

2．1功能布局分析———框架式结构理念的条件以功能为对象，大型激光加工中心产品按加工流程可分为:进料区、加工区(含控制区)及出料区。每个功能区在工作过程中相对独立，在各功能区功能完成后进行区间对接。如进料口完成材料装载工序后，将待加工的材料输送至加工区进行加工工序，进料口完成输送动作后与加工区保持暂时性的独立;此时，可考虑向进料口分配下一件材料，加工区在加工过程中保持独立空间。加工过程中，工作人员需要适时观察与调整加工工序，因此，需要考虑加工过程中的人机界面，加工完成的材料从出料口输出，完成加工过程等几方面因素。图5所示为基本功能布局图，图5中激光加工范围包括:激光模块(含三轴电动机)及其行程范围。从模拟的原型中，分析模块布局与加工过程，发现该加工流程可初步地分为线型、L型两种流程布局，这两种流程布局占用空间大、效率低。通过分析加工流程的间歇性相关特点，笔者发现设备在进料工序的行程与出料的行程相似，基于运用框架式结构原理的进料口与出料口重叠式的优化布局方式，将进料输送动作与出料动作合并，即N型的流程布局。加工流程布局如图6所示。经过三种布局形式对比，发现线型布局为进料口与加工区域、出料口呈现线型横向排列，如图6a所示;L型布局为三个功能模块呈现L型的排列，如图6b所示;N型布局为进料口与出料口重叠布局，利用升降架结构完成出料、进料的上错位输送，如图6c所示。对三种布局结构从以下几个主要内容进行对比研究。

1)完成流程所需的时间，是指完成一个零件从输入加工输出所需的时间。2)场地占用，为产品的投影面积，同时结合工作人员活动范围的投影进行综合分析，场地占用面积大可能造成工作人员与机床工作的空间重叠而造成安全隐患。3)操作效率，是指流程布局对完成加工总量的效果，同时结合工作人员对操作模块的不定期检测所影响效率的情况。4)产品整体性，是指该加工中心布局形式对整体产品的完整性、形象的统一感的比较。布局的效益对比见表1。表1所示表明，以框架式结构为基础的N型布局具有较好的优势，因此选择N型布局进行加工中心结构设计是可行的。

2．2人机(human-machine)界面的模块化分析以工作人员(用户)为中心进行产品分析，按操作人员的活动流程为:开机启动电动机复位调试操控入料加工控制监视(加工过程)控制出料(加工完成)检查材料操控入料查看与维护等。基于N型布局，其操作过程中产生几个重要的人机界面，可能影响结构布局与产品外观设计，分别为:操作控制界面、观察界面和维护界面。因此，需要根据以用户为中心的评价原则，对该产品的几个重要人机界面进行分析。图7所示为大型激光加工中心人机操作范围平面图，该范围包含了操作界面、观察界面和维护界面，从而可确定LLPC产品的外观平面格局。图8所示为人机操作范围的立面图，图8所示是以人机数据为依据，将操作控制界面、观察界面和维护界面进行了区域划分，确定产品立面基本外观格局。通过界面平面与立面图的综合研究，得出以框架式结构为基础的人机界面模块化组合形式的可控性高。

2．3维护的需求在LLPC产品的使用过程中，工作人员需要不定期地对控制模块进行检查、维护以及零件的更换。因此，该产品的维护模块需保持足够的开放性与独立性。按框架结构设计原理应选择独立模块，以便不影响加工范围及人机界面模块。由此，该模块应该设计在产品外立面，以图7所示为例，维护模块应设计在加工中心外沿曲线范围内，在图8所示中，维护模块应设计在人的观察界面(窗口)范围之外，比如上方或下方，考虑到操作的便利性，笔者认为下较为合适。

2．4外观设计整体感要求及隐藏式结构LLPC产品是体量较大的工业产品，其外观设计对于产品的品质、形象具有重要的作用。整体产品外观设计应保持完整性，即外观上应看不到结构装配的零件，即产品零件的工程结构连接方式是隐藏式连接结构;同时，视觉上的体量不能给予用户过大的压迫感。具体要求:1)在外观整体风格一致情况下，在用户视觉范围内应看不到暴露的结构零件，以保持外观的整体性与设计感，因此对结构的连接方式提出了挑战。2)产品系列化的扩展性，即该产品在系列化功能拓展时，可保持产品的基本功能不变，可根据需要更换某个模块。鉴于以上对LLPC产品外观设计的要求，试用框架式结构原理进行验证，发现运用框架式结构设计原理可以满足不同功率、不同加工种类和不同型号产品系列化的要求。

3工业设计验证

采用框架式理念的设计思路对LLPC产品进行设计验证，首先根据系统分析确定模块布局，基于该布局进行框架结构设计，然后进行外观设计，运用计算机辅助软件Pro/E进行产品数据构建及结构设计、装配等，完成后期数据分析及修改后，将数据转换为工程图输出，进行数字化的生产加工。将生产完成的产品结构、外观零件根据预先设计的装配流程进行最后实物装配。完成装配的整体产品实物如图9所示。其中左边低矮的箱体部分为上下N型结构，分别进行待加工材料的装入和加工完成材料的卸出工序(编号2、编号3);整体外观保持了整洁感，无外露结构件;操作模块设计在产品右侧(编号6)，便于观察与控制，高度参考人机工程95%的人体尺寸;控制模块设计在产品右边(编号7)，保持独立性。以上验证结果均体现了框架式结构在LLPC产品开发设计中的各项优势，即可行性高的特点。

4结语

框架式结构是一种具有诸多优势的产品工程结构方式，其应用面较广，本文提出的在大型激光加工中心产品开发设计中的应用，符合该类产品的开发设计要求;通过最终的产品实物使用效果发现，该产品的设计方法是可行的，通过本文的研究，得出以下结论。

1)前期的产品结构应与该产品的外观、功能需求等因素结合考虑，为结构、外观造型设计打下基础。

篇10

摘要:

系统地介绍了低压成套开关设备传统设计方法及其存在的问题。集中阐述了参数化设计在低压配电系统中的实现方法和作用。参数化设计能提高设计人员的设计效率，减少出错，是企业实现智能制造的必要条件。

关键词:

低压成套开关设备;参数化设计;整合设计资源;智能制造

0引言

在电力供配电系统中，低压成套开关设备处在配电系统的终端，主要功能是实现电能的分配、控制、保护和测量，也是应用最为广泛的关键配电设备。因此，提高低压成套开关设备的设计水平和制造水平显得相当重要。这也是保证低压成套开关设备可靠运行的必要条件。参数化设计为开关设备的设计和制造提供了可靠的、高效的解决方案。低压成套开关设备是个性化很强的“订单驱动型”产品，每台产品总存在差异，不同的场合(客户)又有不同的技术方案，技术人员的设计过程实际就是把每一个技术方案对应的具体设计要求(如进线设备、负荷情况、现场设备和现场条件)转化为设计图纸和清单，其中，设计图纸包括一次系统图、二次原理图、平面布置图等，而清单主要是成套开关设备材料清单和零部件清单。

1传统的设计方法低

压成套开关设备的设计一般由变压器开始，根据变压器参数计算短时耐受电流和额定电流，从而选择母线系统的规格;根据负荷情况及现场控制要求或条件设计一次系统图和二次原理图、平面布置图，并结合用户要求选定低压成套开关设备的型号［1］;由二次原理图及元器件型号可进一步落实面板布置图;最后，编制成套开关设备材料清单和零部件清单。整个设计过程要求设计人员熟悉一定的理论知识，更需要设计经验，要熟悉各种设计规范，如行业标准、企业级产品设计规范、母线选用规范、地区标准等。在较短的时间内设计人员需要考虑的东西太多，容易出错，影响了低压成套开关设备的交付和质量。传统的设计方法存在不足，具体如下:

(1)设计模式主要还是靠经验，就算有了标准模板，开关柜的技术参数很多还是以图形储存，查询、引用困难。标准模板的应用也是“有经验”才能根据“印象”或“记忆”进行查找和复制，设计人员要查询以前类似或相同方案非常困难。

(2)重复设计:每个设计人员根据项目要求进行各种复杂繁琐的计算，而且设计过程一般细分为三个阶段:电气设计、结构设计和母线设计。这三个阶段主要是从流程纵向切分，而每个阶段再按模块横向切分，每个阶段都要对技术条件进行检索，相当多检索都是重复的、多余的。如电气设计要检索开关型号规格，结构设计和母线设计也都要检索开关型号规格。三个阶段重复检索同一条件，效率低、易错漏。

(3)周期较长:设计员在接到项目后，不但要落实项目的特殊要求，还要查阅各种设计规范。如低压行业标准、产品设计手册、抽屉附件选型、开关母线选型表、开关柜安装要求、电容柜安装要求、地区标准和二次原理图等。较短的时间内需要考虑的东西太多，设计时间较长、易错漏。

2参数化设计

参数化设计是一种新颖的智能设计方法。它可根据设计者设计时输入的技术驱动参数，由计算机自动计算和智能判断，并通过调用程序，自动调用各个设计阶段的子模块(子模块包括各种图纸、报表、文字或文档等)，最后快速准确地输出各种设计资料(图纸和报表)。参数化设计中的参数就好比控制机器人的指令，而调用方法程序就是机器人的大脑，各个子模块就是机器人的各个执行机构。参数化设计是动态的，也是智能的，可根据输入不同设计参数进行智能的快速设计;参数化设计就好像一张无形动态网络，链接并控制着所有的设计资源;参数化设计其实也是整合、梳理和共享设计资源的过程，建立设计各个阶段的子模块和设计调用方法程序是参数化设计两个关键条件。

2．1参数化设计的目的

提高低压成套开关设备设计人员的设计工作效率，减少出错率，缩短设计周期，降低设计成本。

2．2实现参数化设计的方法

首先建立设计各个阶段的子模块，然后设计调用方法程序。产品模块树如图1所示。从图1可看出，要实现参数化设计，须建立低压成套开关设备产品级别的数据库。设计人员输入技术参数就可快速从产品级别数据库中检索到所需数据，但直接建立产品级别数据库相当困难，因为低压成套开关设备是各种电器元件和部件的总装，一般每台设备总存在差异。从图1的产品模块树可看出，产品级别数据库其实是产品级模块库，模块级别越高，模块数量越大，模块数量以模块级别为函数快速增长，如式(1)所示:N=X11X12X13X21X22…Xnm(1)式中:N———产品级模块数量;n———模块级别;m———同级模块的类别数量;Xnm———n级模块中类别为m的模块数量。因此，必须采用间接的方法来建立产品级别数据库。这也是参数化设计的关键。首先，建立低级别的各种模块库，因为模块级别较低，模块库数量不大，易做到，相应地也容易维护;然后制定模块库的调用方法，并利用计算机技术固化成程序。VBA调用程序［2］如图2所示。对于设计人员，有庞大的产品级别数据库可使用;对建库者，只需要建立低级别模块库和调用方法程序，就可实现快速建立、快速设计和快速维护。

3参数化设计达到的效果

(1)减少重复。设计人员根据技术参数驱动快速生成设计图纸和报表。设计图纸包括一次系统图、二次原理图、平面布置图、设备面板布置图等，减少不同设计阶段的重复工作，也降低了错漏。抽屉柜驱动参数输入界面如图3所示。实际项目测试数据对比可知参数化设计可提高设计效率(设计一台柜子由原来的29min减少到4min)和设计准确率(提高到100%)。

(2)统一标准。设计人员通过参数化设计，设计数据得以整合和梳理，设计资源得以共享，统一由产品级数据库取得数据，设计规范和设计图纸完全统一。

(3)缩短周期。参数化设计使设计人员抛开厚重的设计规格或设计手册。现在设计员应对客户的要求已经是在跟时间赛跑，相对繁琐的事情交给计算机，以此提高设计效率，大大缩短了设计周期。在实际的项目应用中，使用参数化设计方法，一个约100台柜的项目设计时间由原来的几天缩短到一天。

4结语

低压成套开关设备的参数化设计使设计人员由原来繁琐且孤立的设计过程变得快速而简单，实现设计经验和设计资源的共享和协同。它是以新一代信息技术为手段，整合共享设计资源，最终实现智能制造的创新模式，在实际中也得到推广应用。

参考文献：

［1］低压成套开关设备和控制设备第1部分:总则:GB7251．1—2013［S］．