产品模块化设计理论、技术与应用研究进展

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1、万方数据第40卷第1期204年1月机械工程学报vol40No,1CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJan204产品模块化设计理论、技术与应用研究进展+侯亮唐任仲(浙江大学现代制造工程研究所杭州310027)徐燕申(天津大学)摘要：作为实现大批量定制生产、敏捷制造的重要～环，产品模块化设计通过对不同模块的组合实现了以有限资源生产出尽可能多的产品品种。这种设计方法已成为研究热点，并被认为是当前工程领域中最优设计的目标之一。然而，产品模块化设计的理论研究则落后于其实践应用，

2、解决方案也多表现在概念阶段上。通过研究模块化设计相关文献，论述了模块化产品设计的有关概念、方法、关键技术及其应用实例；最后，提出了产品模块化设计的研究热点课题和发展趋势。关键词：模块化产品模块产品族大批量定制敏捷制造中图分类号{TP39170前言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、缩短设计周期和提高用户化程度；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己无法满足这些要求，定制化的产品将成为未来的市场主要发展趋势。模块化设计通过产品结构、设计过程的重组，以大规模生

3、产的成本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，使产品在品种与成本、性能之间找到最佳平衡点。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【l“。作为标准化的新形式，模块化被视为实现产品多样化的主要途径吲及并行工程、大规模定制等领域设计实践的基本方法。通过文献研究，回顾、综述产品模块化的有关概念、技术及工业应用，并提出模块化产品开发的热点研究方向。1模块化产品概念及其工业应用功能和结构分析是产品设计的基础。Suh针对产品功能特点提出功能独立设计公理，指出“一个最优设计必须保持

4、功能需求的独立性，J【“。因此，如果可能，产品所具有的一个功能与产品所具有的其他功能将互不相关。对产品功能独立性的研究进一步引申出对产品结构体系及功能一结构相互关系的研究，这也是进行产品模块化设计理论研究的基·国家自然科学基金(50275105)和宁波市一浙江大学科技合作专项资金(2002D40019)资助项目。20021029收到初稿，20030229收到修改稿弋～、础。1．1产品模块化的概念模块化一般指使用模块的概念对产品或系统进行规划和组织。产品的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能

5、、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，以满足市场不同需求的设计方法【7】。Ulricht23认为产品模块化与设计过程的两个特点紧密相关：①设计中功能域与物理结构域之间的映射或相似程度影响模块化的程度。②产品物理结构间相互影响程度的最小化。这两点指出，在产品功能分解树与结构分解树之间建立合理映射并保证结构树组成元素之间的相互影响最小是模块化设计的基本要求。基于这一观点，Ulrich定义了三种模块化类型：部件互换模块化、部件共享模块化和总线模块

6、化口】，这三种方式描述了模块化产品中模块的基本组合方式。这些不同的模块组合方式，则是形成不同类型产品系列的基础。模块是模块化产品的基本组成元素，是一种实体的概念，如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。一个部件结构成为模块的条件是：部件的功能、空间以及其他接口特征存在于模块化产品的特定标准接口允许的范围内。模块化产品设计过程中，通过不同模块的组合和匹配可以产生大量的变型产品，这种不同的组合体使模块化产品模型具有独特的功能、结构和性能特点和层次。因

7、此，模块化产品是一种重要的柔性策略形式U31，即柔性的产品设计使企业可以通过组合现有模块或新模块，以快速、低成本地生产能够万方数据万方数据机械工程学报第40卷第1期提高了软件模块化程度。作为汽车大批量定制生产的关键技术，汽车模块化设计正在成为汽车制造业的重要发展方向。它将进一步推进汽车工业的分工和改组，改变了传统的汽车零部件厂从属于整车厂的地位，有利于整车厂开发高水平的平台，形成以汽车为主导，以零部件为基础的新格局。另外，模块化在飞机、机器人、造船、工业汽轮机和家电等众多行业也得到广泛应用。不同的行业虽然具

8、体模块化实施方法和程度不同，取得成果有大有小，但作为工业界实现标准化、多样化的一种主要途径，模块化的研究和推广势在必行。2产品模块化设计方法与关键技术Pahl[3】将产品设计过程分为：设计任务定义，建立功能系统结构，寻找原理解和概念，选择和评价，准备布局设计几个阶段。参考文献[5]提出开展模块化设计的一般思路：即市场调查、技术预测、品种规划、科研先行和功能分析；认为模块化设计要依次按三个层次进行：①系统分析阶段f