机械产品模块化可适应设计平台的构建及其实现技术.pdf

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1、庀赢天洋大薯中国近代第一所大学硕士学位论文一一_ _ _ _ _ _ _ _ 一学科专业：越越判造盈县目塾丝作者姓名：王学福指导教师：缝墓由熬撞2 0 0 6 年1 月中文摘要模块化设计是实现产品多样化和快速设计的关键技术之一，其设计原理、方法都处于不断的发展和完善之中。本文在现有理论和实践的基础上提出了模块化可适应设计平台的构建原理和实现方法。第一章在查阅大量文献的基础上，重点对模块化设计的相关内容，包括模块化设计的研究内容，国内外的研究进展等傲了研究。同时，给出了模块化可适应设计平台构建的目的、意义及本文主要研究思路。第二章研究了可适应设计的基本原理，提出了匹配度，可适应度等概念。依据此原

2、理对模块化可适应设计平台进行理论模型的构建，为系统开发作理论上的准备。第三章在第二章理论研究的基础上，主要研究模块化可适应设计平台中构建和定制的三个子系统：包括平台框架构建子系统，产品方案设计子系统和设计资源管理子系统。第四章对模块化可适应设计平台的若干关键技术做了研究，包括构建软件平台的统一建模语言研究，模块化设计系统的编码规则等。第五章开发了机械产品模块化可适应设计平台，构建了系统的功能模型，并对系统的主要功能、软件工具的开发环境、总体结构、设计流程进行了说明，并结合实例说明软件工具的功能和应用过程。该平台是在研究了多种模块化设计方法和多个具体模块化设计实际项目的基础上构建的，它提供统一的

3、底层知识库结构和设计流程。使用时只需要作少量扩展即可完成一个模块划设计平台的构建，其主要作用就是要将设计人员从繁重软件设计工作中解脱出来，使其更专注于对具体机械产品模块化设计。以该平台为基础进行模块化设计软件平台的搭建，将极大的提高设计系统的质量，减少人员投入，同时缩短设计系统所花费的时间。关键词：机械产品，可适应设计平台，广义模块化设计，产品平台，广义模块。A B S T R A C TM o d u l a rd e s i g ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e st oa c h i e v ep r o d u c td i v e r s

4、 i f i c a t i o na n dr a p i dd e s i g n,w h i c ht h e o r ya n dm e t h o d sa r eb e i n gd e v e l o p e da n da m e n d e d 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o nh a sp u tf o r w a r dt h ec o n s t r u c t i o nt h e o r ya n dd e v e l o p m e n tm e t h o do fm o d u l a ra d a p t a b l ed e

5、s i g np l a t f o r mb a s e do nc u r r e n tt h e o r i e sa n dp r a c t i c e s I nc h a p t e ro n e,t h r o u g hr e f e r r i n gt ol o t so fl i t e m t u r e t h ek e yp o i n ti st or e s e a r c ht h er e l a t e dc o n t e n t so fm o d u l a rd e s i g n,s u c ha st h es t u d yc o n t

6、 e n to fm o d u l a rd e s i g n,t h ep r o g r e s so fd o m e s t i ca n do v e r s e as t u d ye t c I nt h es a m et i m e，t h ep u r p o s e，m e a n i n ga n ds t u d ym e t h o do fb u i l d i n gt h em o d u l a ra d a p t a b l ed e s i g np l a t f o r mh a v eb e e np r o v i d e&C h a p

7、t e rt w os t u d i e sf i r s t l yt h eb a s i ct h e o r yo fa d a p t a b l ed e s i g n,a n dt h e np u t sf o r w a r ds o m ec o n c e p t ss u c ha sd e g r e eo f m a t c ha n dd e g r e eo f a d a p t,b u i l d st h et h e o r ym o d e lo fm o d u l a ra d a p t a b l ed e s i g np l a t f

8、 o r ma c c o r d i n gt ot h i st h e o r y,p r e p a r e st ot h et h e o r yt od e v e l o pt h es y s t e m C h a p t e rt h r e em a i n l ys t u d i e sh o wt ob u i l dt h et h r e ec h i l ds y s t e m so fm o d u l a ra d a p t a b l ep l a t f o r mw h i c ht oc u s t o m i z em o d u l a

9、rd e s i g ns y s t e mi n c l u d i n gp l a t f o r mf r a m e w o r kb u i l d i n gc h i l ds y s t e m，p r o d u c ts o l u t i o nd e s i g nc h i l ds y s t e ma n dd e s i g nr e s o u r c em a n a g e m e n tc h i l ds y s t e mb a s e do nt h et h e o r yo f c h a p t e rt w o C h a p t e

10、rf o u ra d d r e s s e st h er e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fb u i l d i n go fm o d u l a ra d a p t a b l ed e s i g np l a t f o r m,i n c l u d eu n i f o r mm o d e ll a n g u a g ew h i c hb eu s e dt oc o n s t r u c ts o R w a r ef r a m ea n dc o d er u l eo f m o d u l a

11、rd e s i g ns y s t e me t e I nc h a p t e rf i v e，t h em o d u l a ra d a p t e dd e s i g np l a t f o r mh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h ef u n c t i o nm o d e lo fs y s t e mh a sb e e nc o n s t r u c t e d T 1 l i sc h a p t e ra l s op r e s e n t st h em a i nf u n c t i o n s。t h e

12、i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t,t h et o t a lc o n s t r u c ta n dt h ed e s i g np r o g r a mo ft h i sS o f t w a r e F i n a l l y,i td e s c r i b e st h ef u n c t i o na n da p p l i c a t i o np r o c e s so fs o f t w a r eu s i n gc o n c r e t es a m p l e

13、1 1 1 em o d u l a ra d a p t a b l ed e s i g np l a t f o r mh a sb e e nb u i l to nr e s e a r c ho nd i f f e r e mm o d u l a rd e s i g nm e t h o d sa n dc o n c r e t em o d u l a rd e s i g np r o j e c t s，i tp r o v i d e su n i f o r md a t as t r u c t u r e，u n i f o r md e s i g np r

14、 o g r a m Am o d u l a rd e s i g ns y s t e mw i l lb eb u i l tn e e do n l yt om a l【eal i t t l eo fe x p a n du s i n gt h i ss o f t w a r ep l a t f o r m n 圮m o s tu s e f u lp o i n to ft h i ss o R w a r ei st or e l e a s et h ed e s i g ne n g i n e e rf r o mt h eh e a v yw o r k so fs

15、 o f t w a r ed e s i g n,S Ot h ed e s i g ne n g i n e e rc a nc o n c e n t r a t eh i m s e l ft om o d u l a rd e s i g no fp r o d u c t T ob u i l dm o d u l a rd e s i g nS o f t w a r eb a s e do nt h i ss o f t w a r ep l a t f o r mw i l li m p r o v et h eq u a l i t yo fs y s t e m,d e

16、c r e a s et h en u m b e r so fd e s i g np e r s o n,c u tt h et i m e so fs y s t e mnd e s i g n K e y w o r d s：m e c h a n i c a lp r o d u c t，a d a p t a b l ed e s i g np l a t f o r m,g e n e r a l i z e dm o d u l a rd e s i g n,p r o d u c tp l a t f o r m,g e n e r a l i z e dm o d u l

17、e n I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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘鲎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了谢意。学位论文作者签名：至秀手劲签字日期：仲年z 月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞蠢兰有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机

18、构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：互髻彳饧签字日期：z 印年月日：c 叶签字日期：加年堋日第一章绪论第一章绪论随着社会的发展、技术的进步和经济的日益繁荣，以及全球经济一体化进程的加快和中国已加入W T O，我国机电产品不仅要承受国内市场的激烈竞争，而且要面临国外产品的猛烈冲击，它不再是先前的由产品来主宰市场的需求。而是演变为由市场的需求来决定产品的品种、规格、式样和档次，市场的革命性变化极大地冲击了传统的生产和管理模式，尽快适应这种变化已经成为生产企业亟待解决的关键性问题。为满足广大用户的各种需求，客观上要求机械产品迅速更新换代，扩大品种、规格

19、和式样，降低成本，提高产品质量和服务质量。因此，国内机械产品生产企业要在国际国内市场需求变化的挑战中取得竞争优势，立于不败之地，就必须不断地开发新产品和变型产品。制造企业为扩大竞争和生存空间，必须增强产品创新能力、缩短设计周期、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。以数字化、集成化、并行化、网络化为基础，以缩短产品设计开发周期为目标的模块化设计技术是使企业在市场竞争中占据有利地位的关键技术。系统研究模块化设计与制造的理论、方法和技术，并开发可适应性设计平台，使企业建立产品快速设计及制造的响应机制，对提高企业的市场竞争力意义重大。1 1 模块化设计的发展及研究状况1 1 1

20、 模块化设计的概念、形成及发展模块化设计作为一种现代快速设计方法，在缩短产品设计与试制周期、提高产品质量、降低成本等诸多方面有很大的优越性，可以快速、经济地设计出满足用户个性化需求、具有市场竞争力的优质产品，它已经成为产品设计广泛使用的技术，是值得研究和推广的一种产品快速设计方法。模块化设计方法在很多国家已被广泛采用，我国不少企业也进行了有效的尝试并取得了良好的成果。目前，还没有为大家所公认的权威性模块化设计定义。对传统的模块化设计概念有一个基本的认识是【1 l：对一定范围内不同功能或相同功能不同性能，不同规格的产品在功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能和结构模块，使这些模块系列化和通用化

21、，并具有标准的模块接口；用户需天津大学硕士学位论文求通过模块的选择、组合构成不同产品，以满足市场的不同需求的设计方法。实施模块化设计的重要前提是。三化”即：产品系列化，产品品种系列化的目的在于用有限的品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足市场对该类产品的需求。模块通用化，通用化是在新产品设计中，通过借用原有产品的成熟零部件来缩短设计周期、降低成本、增加产品的质量可靠性，在模块化设计中，同一种功能的模块单元不一定是一种单一的部件，可能是若干可互换的模块部件，从两使所组成的产品在结构上和性能上更为协调。在模块化设计中，同一功能的模块可在基型、变型、甚至跨系列、跨类的产品中使用，所以它具有在

22、较大范围内通用化的特征。零件及接口的标准化，标准化是更大范围内的通用，可以是跨品种、跨厂家甚至是跨行业的通用。由于这种高度的通用化，使得这种标准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，从而降低成本，节省材料。在模块化设计中，为了经济地适应多品种小批量的生产模式，尽量使用标准化的零件，并使相关的模块之间的连接接口及结构要素一致，或使其标准化，以便于装配和互换。模块化或模块化设计是现代设计中的一个热门术语，它的思想和概念自古就有，中国古代的城砖通过长、宽和高的不同组合可以构成各种尺寸或形状的城墙，因此，这种城砖就是一种构成城墙的基本模块。模块性是现实世界中客观的而且无处不在、无处不

23、有的，如分子由原子构成，宇宙由星系构成，国家由省、市构成等等。产品的模块化设计始于二十世纪初，首先在欧洲出现了模块化家具，德国的一个家具公司于1 9 0 0 年用模块化原理设计出所谓“理想书架”，这种理想书架是已知最早的按模块化原理设计的产品之一。此后，这种原理逐渐为其他行业，特别是机床制造业所采用。1 9 2 0 年左右，欧洲特别是德国的一些厂家首先把模块化原理应用于铣床和车床等机床的机械系统设计中，如德国的弗里公此尔纳公司设计的铣床，就是按功能将其划分成模块而进行设计和制造的，这些模块可供用户选择以便组合成所需的铣床。上世纪5 0 年代，欧美一些国家正式提出所谓“模块化设计”的概念，自此以

24、后，模块化设计愈来愈受到重视。机械制造行业所使用的组合夹具是使用较早，也较成熟的模块化系统，用已有的夹具模块可组成所需的夹具，而不必单独设计与制造，用后再拆开，以便另行组合。瑞士肖布林(S C H A U B U N)公司在不断积累设计和制造经验的基础上，在2 0 世纪5 0 年2第一章绪论代就已对仪表机床进行了模块化设计，从而使其产品具有精度高、功能多及互换性好等优点，具有很强的竞争能力。由于在机床行业中的广泛应用和成功经验，模块化设计愈来愈多地扩展到其他行业，如，电器、电子、计算机及家具等，成为了产品设计的种趋势。1 1 2 模块化系统设计方法概述总结近年来关于产品模块系统创建工作的研究，

25、基本可以分为两类：1 从普遍意义上进行模块化产品系统的开发研究文献【2。6 1 指出开展模块化设计的一般思路，应注意五个方面的工作：市场调查、技术预测、品种规划、科研先行、功能分析，并探讨了模块化设计的具体实施中需要注意的一些问题。并全面阐述了传统模块化的设计过程，认为模块化设计要依次按三个层次进行：1)系统分析阶段(市场分析、产品系列型谱拟定)；2)模块化产品设计(系统应用阶段)；3)模块选择、模块综合及模块系统设计(详细设计阶段)。P a h l t”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。这种研究从系统论的角度研究开展模块化

26、设计的一般方法和过程，为针对不同的产品进行模块化设计提供了一种基本思路。2 针对特定模块化产品和产品族进行系统开发这类研究主要是针对具体产品，研究模块系统创建工作中诸如模块系统建模方法、模块划分方法、模块形成原理的技术和实现方法，并从中提炼、总结规律和方法，为进行相似产品的模块化设计提供了研究基础。1 1 3 传统模块化设计方法该方法从模块化基本原理出发，将产品划分为多个模块。从功能角度描述模块特征，其模块结构的尺寸大小和拓扑形式相应的表达为一定功能的函数，其模块可称之为刚性模块。模块划分是模块化设计的前提与基础，模块划分的结果直接影响模块化设计系统的功能、性能和成本，一般的模块划分都是从产品

27、的功能分析天津大学顽士学位论文入手。如，U l r i c h s】认为模块划分与设计中的两个特点紧密相关：设计中功能域与物理结构域之间的对应程度影响模块划分的程度；产品物理结构间相互影响程度的最小化。以上从设计学角度指出了影响模块划分的基本因素：首先是在系统分析规划时，采用适当的方法对设计过程中各个部分，尤其是产品的功能域、结构域以及二者之间映射关系的合理分析，是模块化设计技术的关键影响因素。其次，要保证模块的功能、结构的相对独立性，即将模块之间相互影响的因素尽量减小。1g卜订L几1团I _ J国蜃f几习几习I _ JI _ Jn 几订I _ j1 _ JL 叫lS t tl1 一需求域功能

28、域模块结构域圈1-1 三个设计领域的映射图P a h l 和B e i t z 7 1 认为模块划分是完成从功能需求域到模块功能域的映射，然后在考虑模块性能(如尺寸、重量等)基础上完成从模块功能域到模块结构域的映射，即模块的划分。这三种域的映射关系如图1 1 所示，将模块功能域的功能分为基本功能B F、附加功能A F、适应性功能A d F、专用功能C F、用户定制功能S F五类，相应地将模块结构定义为基本模块B M、附加模块A M、适应性模块A d M、专用模块C M、用户定制模块S M。S u h t 9 从功能一设计参数映射的角度定义模块化设计：模块化设计是一种分析结果的产生，这种结果以产

29、品、过程和系统的形式表现，并满足预定的需求，其方法是选择适当的设计参数(D P s)完成从功能需求域(F R ss p a c e)到设计参数域(D P ss p a c e)的映射，即，【F R =【A】【D P】，【A】是设计矩阵。E r i x o nG1 1 0 则是研究面向产品全生命周期的模块划分。首先确定全生命周期中模块化的影响因素，建立模块识别矩阵(M I M)，在该矩阵中，确定各功能载体对各因素的影响程度，据此对各功能载体进行聚类，从而实现4第一章绪论产品的功能模块的划分。1 1 4 广义模块化设计方法广义模块化设计的概念首先由天津大学徐燕申教授【1 1】提出，当时主要是针对液

30、压机的设计特点，分析了传统模块化设计的不足之处，提出了模块化、参数化和变量化集成设计的广义模块化设计方法。设产品结构M C 由功能模块F M，组成，可表达为：M C=【F M l，F M 2，F M。，一，F M。】，其中i=1,2，以(1 1)对于工程参数为主要影响因素之一的产品，产品结构是按用户要求的诸特定参数的函数，即式(1 1)中F M，=f(g，P J，k)(1,J，K N)(1-2)g，为模块结构参数，描述该模块的结构几何参数约束，P，描述载荷、应力、应变等工程约束：h。描述结构的材料等特性参数。而结构参数g，是办和k 物理参数的函数，即g，=g(，h)(1-3)此时其产品结构难于

31、用传统的模块化结构进行组合。但当产品结构组成链中的结构要求不变，即M C=【F M l，F M 2，F M f 一，F M。】(1-4)各组成链具有相对固定的接口数，且结构部件可以用一组参数来表达F M，=f(g，)(1-5)而结构参数可以用变量p，、k 进行优化或优选。称此类产品的模块化设计为广义模块化设计。广义模块化设计的基本思想是：以传统模块化设计基本理论为基础，通过对一系列产品进行功能分析并结合其在设计、制造、维护中的特点，划分并构造具有更大适应性的广义模块，广义模块包括参数化的柔性模块，功能独立但结构不独立的虚拟模块，以及参数化的虚拟柔性模块等。通过广义模块的组合实现产品的快速设计。

32、广义模块化设计中的研究重点是柔性模块的创建原理、方法等相关内容。柔性模块模型是多个模块经过抽象、归纳后形成的参数化结构，在一定范围其结构可以变化，从而形成新的模块模型。文献1 2 以4】对机械产品广义模块化设计理论、方法进行了研究，提出了包括柔性模块、虚拟模块、虚拟柔性模块等概念的广义模块用于产品结构设计，形成了一套较为完整的广义模块化设计理论和方法体系，并结合液天津大学硕十学位论文压机、汽车覆盖件模具等产品对广义模块化设计理论进行了实践，取得了良好的效果。齐尔麦n 5 1 基于上述的广义模块化设计理论和方法开发了用于机械产品快速设计的工具集，用计算机辅助进行机械产品的广义模块化设计。1 1

33、5 基于产品平台的广义模块化设计方法产品平台作为一个工程概念，并不是最近才出现的，从汽车实现大批量、流水线作业就开始有。亨利福特著的现代人(M o d e mM a n)中有一章详细描述了组成汽车的各子系统，探讨了为提高汽车的舒适性、易使用性、耐用性而在公司内外出现的技术，其中就用到了产品平台的概念【1 6】。2 0 世纪3 0 年代开发D C 3 的过程中，航空公司首先设计了D C l 平台，它包含一系列主要飞机予系统的创新，新平台包括新型焊接框架、新型发动机、新型导航系统、更强大的着陆装置等，然后基于这个平台开发出了新型客运机、新型货运机、新型军运机等衍生产品，D C 3 是其中的一种【l

34、”。产品平台技术的研究内容涉及到了产品平台设计过程的多个方面，其中研究比较集中的是基于产品平台的产品族的规划及产品平台的构建这两个方面。在模块化设计中，产品及模块系列的规划也是重要内容，如文献【l3 J 中根据模块化产品在系列产品中所覆盖的形式和程度，把模块化产品规划为横系列模块化、纵系列模块化，跨系列模块化和全系列模块化四类。文献【1 7】在上述研究的基础上，根据产品的结构变型和规格变化可以将一组产品构造为一个产品矩阵，矩阵中每行的第一个元素称为基型产品，第一列称为基型产品系列。并以基型产品为研究对象派生功能模块矩阵，再把功能模块映射为结构模块矩阵，这些结构模块可以组合成不同的模块化产品。该

35、方法从宏观上进一步分析了模块化产品设计的横系列、纵系列及跨系列模块化之间的关系，并对其深层作用机理的作了深入的分析，提出一套基于矩阵的产品及模块系列的规划方法。U l r i c h 1 9】等学者研究了模块化的产品系列规划和设计方法在产品品种、部件标准化、产品性能及产品开发管理方面的影响。基于产品平台的产品族规划不同于模块规划，T i m o t h yW S i m p s o n J o n a t h a nR A M a i e r 2 0 1 等人指出，面向产品族的产品平台规划策略可以分为两种类型，即自顶向下法和自底向上法，并重点对自顶向下法的规划过程进行了研究。6第一章绪论自顶向

36、下法是针对新产品开发的规划方法，它从分析市场客户的需求数据入手，在此基础之上确定产品的功能、特性，再把这些产品的功能、特性转化为用共用产品平台和不同功能模块来表达的框架结构。在基于产品平台的产品族设计中，产品平台的构建是研究的热点。产品平台是否合理不仅关系到和它连接的其它专用模块的划分和设计而且也关系到整个产品族是否能够适应市场的需求并有一定的改进空间和更新能力。目前，解决这一问题的方法较多的是根据实际情况或已有的条件建立优化数学模型，然后采用一定的求解算法进行计算得出产品平台的设计参数，再依据约束条件对平台进行详细设计。1 2 模块化设计的应用及其意义1 2 1 模块化设计在机械行业的应用模

37、块化设计已经在许多行业广泛采用，并针对各自产品的特点，形成了相应的模块化设计制造体系。就机械行业而言，机床结构模块化设计在国外应用十分普遍，己使企业从产品设计、工艺到制造形成一整套模块化管理体系。我国自7 0 年代末也有不少机床厂开始了模块化设计的尝试，到现在业已取得了一定的成绩。可以说模块化设计在机床行业的研究发展比较深入。对于机械行业中另外一些机械产品，因其产品本身的特点，使其模块化设计的思路与传统模块化设计思路有所差异。例如一些大型的机械产品以液压机为例，这类产品在设计时对强度、刚度等要求严格，不能随意根据功能简单地确定产品的结构。关于如何进行这类产品的快速设计，可能基于企业机密的原因，

38、国外资料鲜见报道。国内此类企业迄今为止，也只有少数几家进行过研究，如济南二机床集团公司针对压力机进行了模块化设计的尝试，按照机械压力机的特点将其分为三种功能模块形式，这样划分虽然使产品通用性得到了一定的提高，但它并没有体现压力机设计时强度刚度等工程参数对结构的影响，设计时只能采用借用件的形式表达基础部件结构模块，当结构参数变化较大时，对于主结构仍然无法提高设计的速度和质量。北京理工大学的潘风文等人针对液压机本体开发出了一个C A D 专家系统【2，将机身结构及其设计知识组成液压机设计专家知识库，但作为一个独立的设计专家系统，它无法实现从系统角度规划产品总体设计。文献【2 2】7天津大学硕j 学

39、位论文开发了一种液压机广义模块化设计系统，系统实现了液压机产品的广义模块化管理和建模，但该系统是面向单个产品的，没有从产品族的角度去把握整个产品族的设计。1 2 2 模块化设计的意义发展模块化的机械产品，在技术上和经济上都具有明显的优越性，其意义主要体现在如下的几方面 2 3-2 4 ：1)有利于发展产品新品种和引进新技术，增加企业对市场的快速应变能力，取得市场竞争的主动权多样化是时代的趋势，产品向多品种发展已成为市场竞争的重要环节。传统的整体式的产品，改变一个局部环节，常导致整体结构的全面变动，不仅设计周期长，而且影响产品的可靠性、交货期和价格。模块化产品是组合式结构，以模块作为其构成单元。

40、形成新品种的发展方式为：现有通用模块的不同组合；产品中某个(或几个)模块改型：增加具有新功能或新性能的模块；改变与产品外观有关模块的外观结构或附加装饰要素。由这些品种发展方式可看出，各种新产品均以通用模块为基础，只需改变少量模块及组合关系就可形成新品种，因而可大大加快新产品开发进度，增强企业对市场变化的快速应变能力。模块化结构有利于在产品中及时引入新技术，以新技术来改造相应模块，取代那些在技术上或结构上已陈旧的模块，在不变更其它模块的基础上，变成先进的新产品，使产品不断保持先进性，取得市场竞争的主导权。2)缩短产品的设计和制造周期，从而显著缩短供货周期，有利于争取客户缩短产品的设计周期体现在两

41、个方面：一是在模块化设计中，因为已有一个现成的模块体系，产品设计的主要任务是选用模块，进行组装设计，只有当现有模块的组合不能满足新产品需要时，才需对某些模块进行改型或设计一些新模块，因此可极大减少设计工作量；二是模块化设计有利于由若干人平行地开展联合设计，在总体设计师的规划之下，各模块可由不同的设计师同时进行设计，从而缩短设计周期。模块化产品是按模块组织生产和管理的，有利于组织专业化生产和社会化协作。许多模块可承包给专业厂生产，在专业厂中，模块成为系列化8第一章绪论的商品，有确定的工艺流程和工艺装备，生产效率高，制造周期短，降低了成本。不同的模块交给不同的专业厂平行作业生产，这样就大大地缩短了

42、产品的交货周期。3)有利于提高产品质量和可靠性模块是一种技术比较先进，结构比较合理的独立的单元，在用作通用模块之前，一般均经过试用和考核，并反复修改优化，作过各种测试和试验，因而模块的质量和可靠性一般比较高。虽然产品的质量不是模块质量的简单总和，但优质的部件无疑是优质产品的基础。从可靠性考虑出发，由于整机可靠性是各单元可靠性的乘积，因而可以认为，模块化结构大大提高了整机的可靠性。4)良好的可维修性在模块化结构的产品中，由于模块易于从整机中拆卸和组装，维修可以以模块为单元拆装，不受工具、测试设备、操作空间等限制，从而大大改善了维修条件，简化了维修工作，可加快维修速度，如果损坏的模块一时无法修复，

43、还可及时更换新的模块，不致造成整机的失效，以免影响正常使用。“5)有利于减少设计人员低水平的重复劳动，推动科技进步和实现科技成果产业化采用模块化设计，产品以已有定型的模块组合为主，设计师的主要精力可放在模块创新上。所以，模块化设计对设计师来说是某种意义上的解放，从而可将更多的聪明才智应用于创造性设计。模块化还是科技成果转化为生产力的最佳途径。把科技成果按模块化原则进行改造，使其转化为一种具有通用接口的独立单元(模块)。可以为多个领域中的各种产品直接运用。1 3 模块化可适应设计平台的构建1 3 1 模块化设计中存在的问题当前，模块化设计在不同领域、不同产品的应用过程中存在的问题主要是：1)机械

44、产品品种多样，形式各异，现有的设计理论和方法难于满足不同类型产品设计的需要。2)缺乏计算机辅助模块化设计的工具和平台，计算机辅助模块化设计9天津大学硕j 学位论文的过程非常复杂，从底层数据库的设计，到用户G U I 界面的设计需要大量的人力，尤其需要既了解产品设计技术又熟悉软件开发的设计人员参与。针对上述问题本文在研究各种模块化设计方法及其具体实例的基础上，总结出模块化设计的一般方法并构建出满足一般产品的模块化可适应设计平台。1 3。2 创建可适应设计平台的目的和意义鉴于计算机辅助模块化设计系统的复杂性，为了缩短模块化设计系统的设计时间，本文提出可适应设计平台的构建技术。其目的就是每当面对新机

45、械产品的模块化设计时，不必再从底层数据库的构建开始傲起，而是从该设计平台开始搭建，设计人员不必过多地关注于数据库设计和软件结构设计，设计人员也不必具备很多计算机专业知识，从而可以更多地关注于所要设计的机械产品。模块化设计系统的可适应性是指系统能够被调整以用于一个特定的设计环境，从而使系统可以满足不同产品的模块化设计要求。这种适应是两方面的适应，即系统本身做自我调节以适应具体机械产品的模块化设计，同时该机械产品也要调整自身的知识库结构和设计流程，以便更好地发挥该平台作用。在深入研究不同的模块化设计方法的基础之上，找出其相同点与不同点，构建一个可适用于各种设计方法的快速设计平台。该系统主要包括设计

46、资源管理和产品方案设计两大部分，利用该系统可以实现模块化设计系统软件平台的快速构建。设计资源管理部分提供统一的数据结构，实现无需从最底层构建数据库开始搭建平台，可以直接从已划分的模块开始构建，节省了建立数据库结构的开发时间。产品方案设计提供统一的设计流程，使用时只需添加模块接口部分算法，即可完成这一部分的构建。该平台是在研究了多种模块化设计方法的基础上构建的，它提供统一的底层知识库结构，提供统一的设计流程。使用时只需要添加接口算法即可完成一个模块划设计平台的构建。其主要作用就是要将设计人员从繁重软件设计工作中解脱出来，使其更专注于对具体机械产品模块划分，模块设计。以该平台为基础进行模块化设计软

47、件平台的搭建，将极大的提高设计系统的质量，减少人员投入，同时缩短设计系统所花费的时间。1 0第一章绪论计系统的质量，减少人员投入，同时缩短设计系统所花费的时间。1 3 3 可适应设计平台构建的研究思路可适应设计平台的构建并不是凭空想象出来的，它是建立在以往理论沉淀的基础上，建立在多个实际项目经验基础之上的，是以往理论与实践的总结与发展。本课题的研究思路如图1-2 所示。数控机床的模块化设计广义模块化设计方法翰嬲翻盔淞液压机的模块化设计1 匣翻囡强髓岛曩霸强瞳曩墨雹圈口鲍麟1 曩疆离曩薯瞄瞳圈矗豳圈强翻啊圈毒妻；苹百两产亘模顼记设蘸墨2 日目硷一粗沙机的模块化设计苛瑶面丽军否两建丽墓云趸铥横蒺砭

48、葡运面谩钎军百酾两遥可适应千图1-2 本课题研究思路本课题的第一步是总结和研究模块化设计的一般理论。模块化设计理论发展至今，可以分为传统模块化设计理论，广义模块化设计理论和基于产品平台的广义模块化设计理论。如图卜2 所示，本文将依次研究数控机床的模块化设计，液压机的模块化设计和粗沙机的模块化设计。在理论与实践的研究基础之上，总结出可适应设计平台构建的基本理论，对可适应设计的可适应性做了较详细的理论研究，最后构建出模块化可适应设计平台，在此平台上可适应不同产品的模块化设计。1 4 课题的提出和主要体系结构1 4 1 课题的提出本文所构建的可适应设计平台是在研究了如下项目课题的基础上，得出了模块化

49、设计一般性原理及可适应于各种模块化设计的数据结构及数据流程后进行设计的，其中包括：天律宏大纺织机械厂的托锭粗纱机为研究对象，并结合天津市科技攻关培育项目“粗纱机计算机辅助模块化设计系统的研究与开发”(项目编号：0 4 3 1 0 1 6 1 1)以及国家自然科学基金项目“机械产品广义模块化设计原理、方法及设计工具研究”(编号：5 0 2 7 5 1 0 5)进行了相关内容的研究。天津大学硕士学位论文1 4 2 论文的主要研究内容及结构体系本文共分为五章，各章具体内容如下：第一章绪论，在查阅大量文献的基础上，重点对模块化设计的相关内容，包括模块化设计的研究内容，国内外的研究进展等做了研究。同时，

50、给出了模块化可适应设计平台构建的目的意义及本文主要研究思路。第二章研究了可适应设计的基本理论，提出了匹配度，可适应度等概念，并在此基础上提出了系统可适应度的评估方法。依据此理论对模块化可适应设计平台的进行理论模型的构建，为实际开发系统做了理论上的准备。第三章模块化可适应设计平台的具体实现，在第二章理论研究的基础上，本章主要研究如何具体实现可适应设计平台中完成模块化设计系统定制功能的三个子系统，平台框架建立子系统，产品方案设计子系统，设计资源管理子系统。第四章可适应设计平若干关键技术研究，本章对模块化可适应设计平台的若干关键技术做了研究，包括构建软件平台的统一建模语言研究，并为可适应设计平台设计