产品模块化设计

这是一篇关于产品模块化设计的思维导图，主要内容包括模块化设计概念，模块化设计的目的，模块化设计原理模块的特征，模块化与系列化，组合化，通用化和标准化的关系。

产品模块化设计

• 模块化设计概念
  • 模块化设计是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构成不同的顾客定制的产品，以满足市场的不同需求。
  • 模块的定义：
    • 模块：一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。
  • 模块化设计的定义：在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块化设计。
  • 模块化与绿色设计相结合
    • 将绿色设计思想与模块化设计方法结合起来，可以同时满足产品的功能属性和环境属性，一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。
• 模块化设计的目的
  • 模块化设计的思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机等等。在每个领域，模块及模块化设计都有其特定的含义。
  • 模块化产品设计的目的是以少变应多变，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。由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的输入输出接口，如果模块的划分和接口定义符合企业批量化生产中采购、物流、生产和服务的实际情况，这就意味着按照模块化模式配置出来的产品是符合批量化生产的实际情况的，从而使定制化生产和批量化生产这对矛盾得到解决。
• 模块化设计原理
  • 模块化产品设计方法的原理是相似性原理在产品功能和结构上的应用，是一种实现标准化与多样化的有机结合及多品种、小批量与效率的有效统一的标准化方法。
• 模块的特征
  • 模块：一组具有同一功能和接合要素（指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等），但性能、规格或结构不同却能互换的单元。这里的部件，一般包括分部件、组合件和零件等
  • 系列产品中的模块是一种通用件，模块化与系列化已成为现今装备产品发展的一个趋势。模块是模块化设计和制造的功能单元，具有三大特征：
    • 1.相对独立性，可以对模块单独进行设计、制造、调试、修改和存储，这便于由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，从而使模块满足更大数量的不同产品的需要；
    • 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。
• 模块化与系列化、组合化、通用化和标准化的关系
  • 模块化设计技术是由产品系列化、组合化、通用化和标准化的需求而孕育的。
  • 系列化的目的在于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求方对产品的要求。
  • 组合化是采用一些通用系列部件与较少数量的专用部件、零件组合而成的专用产品。
  • 通用化是借用原有产品的成熟零部件，不但能缩短设计周期，降低成本，而且还增加了产品的质量可靠性。
  • 标准化零部件实际上是跨品种、跨厂家甚至跨行业的更大范围零部件通用化。由于这种高度的通用化，使得这种零部件可以由工厂的单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造。
• 产品模块化设计分类
  • 产品模块化设计按照自顶向下研究分类，包括系统级模块、产品级模块、部件级模块、零件级模块；
  • 再按照功能及加工和组合要求研究分类，包括基本模块、通用模块、专用模块；
  • 然后按照接口组合要求研究分类，包括内部接口模块、外部接口模块。
  • 以产品级模块化为例，就是在需求调查的基础上，对装备产品的构成进行分析，考察其中的功能互换性与几何互换性的关系，并划分基本模块、通用模块或专用模块，以模块为基础进行内部接口、外部接口设计，通过加、减、换、改相应模块以构成新的产品，并满足装备产品的功能指标的要求。
• 如何开展模块化设计工作
  • 模块化设计基本过程
    • 模块化设计涉及到两个基本过程:模块划分和模块组合。
  • 模块划分的基本思路
    • 依据模块划分的原则,从不同的角度将产品划分为若干基本单元→进行相关度计算,建立相关矩阵→聚类成模块。
  • 模块化设计的前提与基础
    • 模块是模块化产品的基本组成单元,合理有效的模块划分是模块化设计的前提与基础。
  • 模块划分的原则
    • 模块划分最基本的原则是以少数块组成尽可能多的产品。一般来说,并没有完全统一的模块划分的原则,因为研究对象不同,其侧重点也不同。
  • 模块划分的角度
    • 模块的划分根据其划分角度的不同,有不同的划分方式,最终得到不同的基本单元。从产品生命周期的观点看,这些不同的划分角度分别是面向产品生命周期中的不同阶段因此,可以根据模块划分所面向的生命周期中的具体阶段,把模块划分为5个阶段
    • 模块划分的5个阶段
      • (1)面向设计的模块划分
        • 当某类产品的市场需求种类较多或者需求的变化较快时,模块划分通常侧重于面向设计,主要根据产品各个组成部分之间功能上的相关程度进行模块划分,即对产品的总功能进行分解得到一系列基本的功能单元,然后按照相关性影响因素进行聚类分析,最后得到功能模块
      • (2)面向制造的模块划分
        • 如果产品的市场需求相对稳定,而制造过程比较复杂,模块划分通常侧重于面向制造,在模块划分中应重点考虑加工方面的问题。通常模块内部越简单,其制造就越容易
      • (3)面向使用、装配和维修的模块划分
        • 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,在这一类模块划分中,应重点考虑的是装卸和接口方面的问题。
        • 面向装配的模块化设计重点从保证装配过程和装 配质量的角度进行模块划分。产品划分的模块越多, 接口就越多,装配中考虑的因素也越多,对装配过程和 装配质量影响也越大
      • (4)面向回收的模块划分
        • 如果市场对产品的环保性能要求较高,模块划分通常侧重于面向回收,在这类模块划分中,应重点考虑材料和可重用部件的问题。
        • 应用绿色准则(重用性、升级性、维护性、回收性和处理性)、功能准则和零件合并准则来指导模块的划分;
      • (5)面向整个生命周期的模块划分
        • 前面几种模块划分针对的只是产品生命周期的某个阶段,没有从整个生命周期的角度考虑。产品的生命周期从产品的市场需求开始到回收利用结束,涉及到多个过程、多方面因素,均对模块的划分产生或多或少的影响。
        • 理想情况下,模块化产品应该同时达到生命周期 各阶段的所有目标,但实际上产品生命周期涉及多目 标,针对不同的目标有不同的模块划分结果,需要进行 多目标的协调。
• 机械产品模块化设计举例
  • 床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如插头、插座，广而言之也可称为模块，但不如称为标准件为好。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。
  • 机床模块化设计的主要方式有：
    • 1）横系列模块化设计。
      • 不改变产品主参数，利用模块发展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。常是在基型品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。例如，更换端面铣床的铣头，可以加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床卧式铣床或转塔铣床等。
    • 2）纵系列模块化设计。
      • 在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。主参数不同，动力参数也往往不同，导致结构形式和尺寸不同，因此较横系列模块化设计复杂。若把与动力参数有关的零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大、材料浪费。因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往合理划分区段，只在同一区段内模块通用；而对于与动力或尺寸无关的模块，则可在更大范围内通用。
    • 3）横系列和跨系列模块化设计。
      • 除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其它系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了。德国沙曼机床厂生产的模块化镗铣床，除可发展横系列的数控及各型镗铣加工中心外，更换立柱、滑座及工作台，即可将镗铣床变为跨系列的落地镗床。
    • 4）全系列模块化设计。
      • 全系列包括纵系列和横系列。例如，德国某厂生产的工具铣，除可改变为立铣头、卧铣头、转塔铣头等形成横系列产品外，还可改变床身、横梁的高度和长度，得到三种纵系列的产品。
    • 5）全系列和跨系列模块化设计。
      • 主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨产品的模块化设计上。例如，全系列的龙门铣床结构与龙门刨、龙门刨床和龙门导轨磨床相似，可以发展跨系列模块化设计。
• 现代家具模块化设计举例
  • 家具模块化设计,指在对家具进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列的家具功能模块,通过功能模块的选择与组合构成不同的家具,以满足市场多样化需求的设计方法；是通用模块与专用模块通过标准化的接口组合成家具的设计方法,同时兼有标准化设计、组合化设计,和多样化设计。 家具模块化设计是面向某一类家具或具有相同功能的相邻产品的设计,它既要设计家具产品,又要设计家具零部件模块；是家具传统设计方法的变革性发展。
  • 板式家具模块化设计的思路:首先运用模块化原理,对家具的功能进行合理分解,并将其功能要素进行归并和简化,也就是将具有相同或相似功能的单元部件分离,以形成具有某种特定功能的通用模块,如支承模块、围合模块、挂物模块、放物模块等。然后再对模块进行造型设计、参数设计和结构设计。
  • 1）模块的造型设计
    • 产品造型的多样化可以通过游离于功能之外的“换妆式”来实现,即对同一产品设计出不同风格,但又有相同结构模板的配色方案或装饰实物供客户选择搭配,实现的基本途径有色彩、材质、形态、表面处理的变化等。消费者就可以按照自己的审美情趣、生活习惯,在购买和使用产品的整个过程中对产品的造型、色彩乃至附加功能等方面进行重新设计。
  • 2）模块的参数设计
    • 在考虑存放物品种类、数量、存放形式,还要考虑有关家具标准、人体工程学、板材出材率等因素的前提下,可以运用模数化原理,对模块在宽度、深度和高度方向上的尺寸进行设计,以形成系列。
  • 3）模块的结构设计
    • 对模块进行模数化、标准化的接口设计,以设计出标准化、通用化的家具零部件,其核心是板件设计。将设计好的模块存入模块库,以备设计家具产品使用。模块库可根据技术和市场需求等变化,周期性地进行模块的淘汰、修改和扩充。
  • 4）家具模块化产品设计
    • 设计师依据用途和美学原则选择模块,组合成典型的家具产品组合方案供顾客选用。对遇到客户的某种特殊要求,而现有的模块库中的模块无法满足时。可根据客户的特殊需求开发设计专用模块的方法加以解决。