对产品模块化与系列化设计的探讨

本教案系统介绍了模块化、系列化工作在设计工作中的运用,通过系统的阐述,使读者能够将模块化、系列化设计思想应用于工作中,进一步提高设计速度和效率,产生事半功倍的作用。

对产品模块化与系列化设计 的 探讨徐信志 2008-2

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一、快速设计技术1、快速设计技术 快速设计(Rapid Design :RD)也称快速响应设计 (Rapid Response Design : RRD)、敏捷设计(Agile Design)。目前国际上针对快速设计的并行设计技术、 快速原型技术、系列化模块化技术和虚拟制造技术等 发展较为迅速。 产品多样化、瞬变性 21世纪更加个性化的市场趋势 产品投放市场的时间

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目的：缩短产品的设计开发周期，提高产品设计质量， 以及提高企业对市场的快速响应能力。 应用：现代标准化前沿——“模块化”研究报告 现代标准化前沿——“模块化 模块化” 现代标准化前沿20世纪末美国产业经济的复兴、日本产业停滞等现象，大部分都 可以从这个角度来解释。他们又认为，“在信息技术革命的背景 下，产业结构正在发生根本性的变化，经济学和经营学领域里找 到了更深层次的原因—模块化，是模块化推动了产业经济发生了 结构性变化。

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电脑产业发展到今天这样的产业集群，其根源在于电脑 设计的模块化。广泛采用模块设计的方法，戏剧性地提 高了创新的速度。 依据产品架构理论(模块化是一种产品架构形式)寻求构 筑新的企业制胜模式。 电脑产品由整体(一体化)架构转向模块化架构。这个模 块化架构一经出现，便推动着美国信息产业快速持续增 长并且形成了较为合理的产业结构。 模块化设计方法已经在机械如数控机床、模具、减速箱、 工业汽轮机和电工电子如微机、通信设备、电动控制仪 表以及船舶、建筑、电力、武器装备如方舱、雷达、航 空电子设备等行业中得到广泛运用 。

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美国参数技术公司PTC:产品开发技术的全球领先者 ： 美国参数技术公司PTC,成立于1985年，总部设在美国马萨诸塞(麻省)的沃尔瑟姆 。 今天，有50,000多家客户使用PTC的产品开发、内容管理和动态 出版解决方案。被公认为是帮助离散型制造商优化产品开发绩效 的全球领先者。 中国兵器装备研究院 通过引进和应用PTC 公司的产品开发体系，利用PTC产品开发体 系的专用工具，灵活地实现自顶向下的装备新产品模块化、系列 化设计工作。 三一重工携手PTC公司CAX/PDM项目启动 以实现集团产品设计、联手PTC强强合作打造重工行业标志性企 业。

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2、机械产品快速设计的内容 快速设计从内容上包含以下几个方面： ⑴ 机械产品族结构规划 利用模块化设计方法对产品的结构变形及规格系列进 行规划，建立系列化的产品族结构； 四大产品系列及多种规格系列产品 产品系统配置表、系统结构图 构造模块系统并利用参数化、变量化方法建立产品库、 模快库； CP、 HP 、AD、COT、DEV

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利用知识化方法建立产品设计对象及其设计过程知识库。标准件库 外购件库 特征库 管路库 管线库

⑵ 机械产品设计方案的快速生成 根据用户需求，利用知识化方法和变量化方法，匹配并 定制特定产品所需模块； 通过模块综合，生成满足用户需求的产品设计方案。 ⑶ 机械产品设计方案的快速评价与仿真 对产品设计方案进行装配、运动仿真和动、静态性能分 析，评价方案的可行性及设计需求满足程度； 对产品设计方案进行优化并对影响产品性能的薄弱模块 环节进行修改。

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3、机械产品快速设计系统框架模型 基于快速设计技术原理研究，可建立机械产品快速设计 框架体系。该体系分为方法层，工具层与应用层。 ⑴ 机械产品快速设计的技术构成 模块化设计技术(核心和基础技术) 包括模块化产品族规划、模块化 产品数据建模和管理、 模块化产品方案设计、方案评价技术等； 智能化设计技术 (提高速度和质量的重要手段) 包括产品设计经验和知识的采 集、整理、表达、建模 以及基于知识的推理求解技术等； 各种计算机辅助技术(快速设计的重要工具) 包括各种 CAD、SolidWorks工具。

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⑵ 快速设计软件工具系统的构成 现有的、发展成熟的方法和工具， 设计开发面向具体应用、解决具体设计问题的计算 机 软件系统。 ⑶快速设计系统集成平台(作用体现在两个方面) 将快速设计使能工具集和各种支撑工具有机集成在统一 的框架内，使之能够为具体的产品设计任务提供快速设 计支持； 提供对并行协同设计模式的支持，使各个设计环节之间 能够进行有效的分工与合作。

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二、产品模块化与系列化设计 产品模块化与系列化设计1、电子设备模块化及标准化模块是具有相对独立功能和通用接口的单元 实现电子设备模块化的基础 以“电路为先导，结构为先行”的模式组装出定制的 产品电路模块 功能差异 多变因素 受限制 结构模块 电路的载体 变化因素少，尺寸互换性 工艺、工装通 用化 缩短产品制造周期和降低成本 结论：结构模块可以独立先行，以结构模块去制约电路模块；

没有模块化、标准化就没有大规模定制。

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电子设备模块化的发展 ⑴ 模数数列将元器件、零部件、整机的形状及其间组装关系，置于一个两维 或三维的坐标网络系统中来考虑，即各种元器件、零部件定位于 坐标网格的固定点上，并且它们的外形尺寸占有整数倍的网格格 距。如将格距称之为“模数”,则元器件、零部件的尺寸及其安 装间距应是模数的倍数。 解决模块化产品结构的互换、兼容和空间损失最小等问题的有效 办法 数系 0.5mm、2.5mm、25mm三种

格距

重要接口外接口 —房屋建筑与房间设施，如：门、电梯、地面等； —包装和运输，如：汽车、船舶和空运的托盘和集装箱； —各类设备的集成，如：开关和传动设备、电源、工业过程设备。

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内接口 —印制电路板，连接器和机电元件； —半导体元件； —电缆和布线； —功能单元，如AC/DC转换器，测量、控制功能单元和熔断器等。

⑵ 电子设备典型结构 各类不同的模块化典型结构模式的出现如：电子设备壳体逐步形成了盒、箱、柜(包括屏)、台四大类型基本 结构模式，逐步形成了一些典型结构。 具有普遍意义的结构模式有： 1)嵌套式层次结构(内插式结构):主要是指由IEC297和IEC917系 列标准所规定的模式，它是一种插件——插箱——机柜系统。是目前标 准化程度最高、也是应用最广的一种模块化结构模式。 2)外插式结构：其基本单元是盒式插件模块，将具有独立功能的模块， 并列地直接从外部进行机械和电气互连，从而构成一套新的装置。 3)层叠式结构：由具有相对独立功能的机箱模块逐层叠装而成，加上 电气互连就可构成一套功能齐全的整机。

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4)套装式结构：几种模块套装于机箱模块内构成整机，主要用于箱式的 仪器。 5)装架(屏)式结构：将各种具有规定尺寸的功能模块集装于标准的安 装架上构成电子设备。 6)拼装式结构：将若干种不同结构形式的模块，按规定的模式组装成一 台整机。通过巧妙的设计，几种有限的模块可组装出多种形态各异的装置， 如各种形式的控制台。 7 7)单元组合式结构：由若干风格统一、但结构各异、有独立功能的单元 组合成成套装置。

⑶ 电子设备机械结构标准体系整个标准体系由四大部分组成，即： —IEC917族模数尺寸数列标准； —IEC297族(19in)机械结构尺寸标准； —与设备环境特性有关的标准及其试验标准； —其它与电子设备机械结构有关的标准。

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2、产品系列化设计 ⑴ 系列化是对同一产品中的各组产品同时进行标准化 的一种形式。 针对这一目标采取的项目进程是：通过模块化设计的 研究，建立模块分类及库管理，确立模块接口的特征 匹配，使零部件模块能够按照功能要求实现通用化、 组合化，进而实现产品的系列化。 产品系列化，一般可分为：制定产品参数系列、编制 系列型谱和开展系列化设计。 ⑵ 系列设计的方法 在系列内选择基型 KS-C200最具代表性 规格适中 用量较大 结构较先进 使用性能可靠 有发展前途

基型产品技术设计

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向横的方向扩展(在基型产品基础上扩展外部的变型 产品系列) KS-C300 → KS-S200 → KS-L200 → KS-M100集束型 星型 直线型 独

立式

图样中表示的产品代号 向纵的方向扩展(主要零部件可通用的几种规格装产品 形成一个族产品系列)变型系列或族产品系列 C12A0 C12C0 C12D0 C12A1 C12C1 C12D1 C12A2 C12C2 C12D2 ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ ┆ …… …… ……

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三、关于解决方案的建议 关于解决方案的建议1、认识公司产品的特点及现状公司引进国外技术，采用国际通行的工艺集成模块系统，形成了 国产化的生产秩序和系列化多品种的规模。 系统消化吸收 单元模块创新 产品投入期、成长期 电子设备更新换代快，应用领域广，功能、使用场合的差异及用 户个性化和小批量的生产需求。 产品多样化 瞬变性 离散型产品 定制化 设计周期短 日益增长的市场需求与产品设计能力的矛盾 公司 2008年的新目标 十一五计划项目 扩大销售 降低成本 缩短周期

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产品设计开发需要从源头抓起，打好基础 产品系统化设计的思想和基础架构还不明晰； 产品结构与配置不系统，装配图绘制不规范 ，图纸及BOM不完 整； 图样编号不易识别，单元结构工艺性、可靠性不强，信息共享程 度低，图纸重用性低。 2、几点建议 ⑴ 学习继承产品设计开发先进经验及成果，认清我们的优势和 差距，明确当前最迫切需要解决的问题…。 ⑵ 设计人员需要不断更新知识，转变观念 思维决定一切不管你的产品是用什么精密技术加工出来的，它终究还是一帮人群策群力想出来 的，…。

想清楚了再做大部分公司预算5%用于设计，但是70%产品成本都是由设计产生的——部分原 因是80%的质量问题都是无意间被设计到产品之中去的。…要留出30%~40% 的预算来检测并修改产品——真是马后炮。

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多好才算够好 6 西格玛是我们追求的完美水平。 6 西格玛管理哲学就是99%还不够 好。…换句话说，要达到99.99966%的成功率。 而我们现在也就能达到2西格玛多一点(安打率大约在70%上下)。 又好又快 设计进度和设计质量不是矛盾的 不注重质量，只求进度等于拔苗助长。

⑶ 产品设计开发系统不仅是一个设计应用问题，而是代表着先进的 设计管理理念，是产品设计流程再造 产品结构与配置/编码 软件应用/模板、BOM 系统化、模块化、规范化、完整性 协同设计/流程整合/快速设计 ⑷ 选择合适的项目作为实施切入点

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模板、BOM测试 新开发项目 积极参与 集思广益 持续改进 提出合理化建议 ⑸ 改变独立、分散的设计模式，开展专业化设计、并行协同设计、 异地协同设计、稳健性设计等设计方法的课题研究。 ⑹ 产品设计开发和产品改进的标准化审查 产品开发符合标准化的要求，提高产品设计质量，满足系统性、 完整性、规范性、可复制性等要

求。 产品模块单元组成系统性 电气系统图 、气动管路图等图样及 BOM的完整性 总图 单元装配图 部件装配图 技术要求 装配工艺 设备总精度检验卡片 (数据说话)

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