關(guān)于模塊化設(shè)計在工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計中應(yīng)用的探究

馮 穎

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州，510800）

關(guān)于模塊化設(shè)計在工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計中應(yīng)用的探究

馮 穎

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州，510800）

模塊化設(shè)計是通過對各種不同模塊進行組合的方式，協(xié)調(diào)設(shè)計中的各種不同需求，充分利用企業(yè)的有限資源生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品品種，這種設(shè)計方法充分運用了計算機成型技術(shù)和虛擬表達、多媒體技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),可以有效的減少設(shè)計成本，因此在產(chǎn)品造型設(shè)計中應(yīng)用十分廣泛。本文主要是主要是在分析了模塊化關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過具體實例分析了模塊化設(shè)計在工業(yè)產(chǎn)品造型中設(shè)計應(yīng)用的可行性。

模塊化;工業(yè)設(shè)計;工業(yè)產(chǎn)品造型;技術(shù)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)之間的競爭也越來越激烈，若想在競爭中處于優(yōu)勢地位，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計就要爭取在最短的設(shè)計周期內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新，從而在保障質(zhì)量的前提下減少了生產(chǎn)成本。而傳統(tǒng)的設(shè)計方式已經(jīng)漸漸無法與時代的要求相符合，模塊化設(shè)計通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)計過程的重組，以大規(guī)模生產(chǎn)的成本實現(xiàn)了產(chǎn)品的批量化及個性化，既保障了產(chǎn)品功能、品種的創(chuàng)新，又實現(xiàn)了成本最小化的目的。目前，模塊化已成為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的一個重要發(fā)展方向，已經(jīng)成為實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化的主要途徑。

圖1 四級系統(tǒng)模塊圖

1 模塊化概念及設(shè)計原則

1.1 模塊化概念

模塊化實際上就是將模塊的概念應(yīng)用于產(chǎn)品的規(guī)劃重組當(dāng)中。產(chǎn)品的模塊化設(shè)計是在對某些具有相同功能而性能、規(guī)格等方面存在差異的產(chǎn)品，或者是具有不同功能的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，將這些模塊進行重組就可以創(chuàng)造出各種不同的產(chǎn)品，從而更好的適應(yīng)市場對各種產(chǎn)品的需求。

1.2 模塊化設(shè)計原則

工業(yè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計實現(xiàn)，首先依據(jù)的是功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，再借助已有產(chǎn)品通用的各種部件來描述設(shè)計任務(wù)，也就是說在進行系統(tǒng)分解時就已經(jīng)考慮到了各個分模塊與產(chǎn)品功能的對應(yīng)情況，從產(chǎn)品設(shè)計的初期就可以預(yù)測產(chǎn)品設(shè)計的整個過程將產(chǎn)

生的費用等，進而提高了設(shè)計效率，也節(jié)約了設(shè)計成本。在本研究中將工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的功能化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分成產(chǎn)品、功能模塊、主要功能組件、功能元件四個層次（如圖1）。通過運用這種功能化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，將產(chǎn)品分解成對應(yīng)各種功能的模塊，然后將這些模塊按照一定的規(guī)則進行重組，組建出各種產(chǎn)品來。運用軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù),將變形設(shè)計和組合設(shè)計結(jié)合起來,根據(jù)分級模塊化原理,將工業(yè)產(chǎn)品分成不同的級別,再進行功能模塊分組,最后由這些功能模塊組合成各種不同的產(chǎn)品。

1.3 模塊化設(shè)計步驟

我們在本次研究中將模塊化設(shè)計分成兩個層次，其一是針對系列產(chǎn)品的設(shè)計，在設(shè)計過程中首先要進行市場調(diào)研，根據(jù)調(diào)研結(jié)果進行模塊化設(shè)計；其二是針對個別產(chǎn)品的模塊化設(shè)計，在設(shè)計過程中主要要分析清楚購買者的具體要求，然后依據(jù)相關(guān)技術(shù)進行重新搭配和組合產(chǎn)品，總之，模塊化設(shè)計是在按照相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)進行的設(shè)計步驟，如圖2：

圖2 模塊化設(shè)計步驟

2 模塊化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

Pahl將模塊化設(shè)計分成了三個層次，即系統(tǒng)分析階段、模塊化產(chǎn)品設(shè)計、模塊選擇、模塊綜合模塊系統(tǒng)設(shè)計，通過這三個階段循序漸進的進行進入到具體的設(shè)計工作當(dāng)中。那么針對這種層次劃分的思路，本文介紹了幾種需要用到的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 模塊識別

模塊識別實際上是一個比較復(fù)雜的，對各種影響因素及目標(biāo)進行優(yōu)化的過程。模塊識別的一般方法就是相關(guān)性分析，即對產(chǎn)品的各個組成部分從功能或者是結(jié)構(gòu)方面進行相關(guān)性分析，將這些組成部分進行聚類就形成了模塊（圖3）。從功能的相關(guān)性分析看，主要是將產(chǎn)品的各個功能分解成相應(yīng)的子功能，再根據(jù)相關(guān)影響因素進行聚類分析，從個子功能間的功能、裝配、信息和空間相關(guān)的角度對功能進行分類劃分，并制定出一種功能模型建模方法，將模型中各子功能跟產(chǎn)品中傳遞的能量流等相關(guān)聯(lián)，參照客戶需求建立功能--需求數(shù)據(jù)庫。從結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析來看，主要分析其結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)部件的組成及其之間的聯(lián)接方式，結(jié)構(gòu)作為功能的載體，功能的聚類會映射為一定的結(jié)構(gòu)體，通過相關(guān)性分析和計算將結(jié)構(gòu)組成部分聚集成模塊，最終通過模塊識別優(yōu)化了工業(yè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計。

圖3 基于聚類分析的模塊識別

2.2 模塊接口

模塊接口是進行模塊組合的有效依據(jù)，它實際上就是模塊間相互結(jié)合的部分。對于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計來講，接口是非常重要的，它不僅在模塊化設(shè)計中占據(jù)重要地位，在整個工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計過程中都占據(jù)重要地位。關(guān)于模塊接口主要涉及兩點內(nèi)容，一是接口本身的設(shè)計加工技術(shù)，二是接口的管理技術(shù)，即接口數(shù)據(jù)庫管理和模塊組合測試等。據(jù)相關(guān)資料顯示，已經(jīng)研制出了一種基于公理設(shè)計的接口設(shè)計方法,而且還可以通過DFMA軟件來評價設(shè)計方案，選擇出最佳的接口設(shè)計方案。

2.3 模塊編碼

影響模塊化設(shè)計的種種因素中，模塊編碼也是十分重要的一部分，是否能夠選擇合適的模塊編碼直接影響著模塊選擇和組合，進而影響到整個產(chǎn)品設(shè)計過程。目前，我們已經(jīng)實現(xiàn)了模塊的計算機輔助組合，并在這一研究的基礎(chǔ)上研制了非定長的模塊參數(shù)碼,這樣就能夠?qū)⒛K本身的功能和結(jié)構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)確的進行描述。

3 模塊化在產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用

模塊化設(shè)計在國內(nèi)產(chǎn)品造型設(shè)計中的應(yīng)用十分廣泛，如在機床行業(yè)，德國SARMANN公司的鍵銑床,法國HURON公司的模塊化銑床等，北京第一機床廠、天津第一機床廠等；在電子行業(yè)中，計算機模塊已經(jīng)實現(xiàn)了自由互換和匹配,而隨著CORBA組件技術(shù)的發(fā)展,軟件模塊化程度也在不斷的提高。本文主要以二極管泵浦固體激光機的產(chǎn)品造型設(shè)計為例來研究模塊化設(shè)計的應(yīng)用。

從工業(yè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計角度來看，二極管泵浦固體激光機在外形上主要包括機座、輸入、輸出控制部件、激光部件等,其產(chǎn)

品設(shè)計中包含的技術(shù)有激光、結(jié)構(gòu)工藝、接口、計算機軟件編程以及電子技術(shù)等（如圖4），在相關(guān)人員對這些技術(shù)的應(yīng)用進行分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員根據(jù)造型設(shè)計組合到由機座、激光部件等組成的產(chǎn)品當(dāng)中。因為受到專業(yè)技術(shù)知識的限制，設(shè)計人員并不能參與產(chǎn)品各個系統(tǒng)的設(shè)計，而是將產(chǎn)品的整體功能分成各個模塊，例如在本次研究中我們就根據(jù)二極管泵浦固體激光機涉及的不同技術(shù)和造型上的不同要求，將其分成了各個模塊，由不同的專業(yè)人員分工來完成（如圖5）。在運用模塊化設(shè)計方法進行產(chǎn)品造型設(shè)計的過程中，為了避免由于各個子模塊功能目標(biāo)的差異帶來的模塊間在方法和結(jié)構(gòu)上的沖突，要注意運用相關(guān)的優(yōu)化手段綜合考慮、權(quán)衡、合理分配各目標(biāo)。

圖4 二極管泵浦固體激光機技術(shù)系統(tǒng)

圖5 二極管泵浦固體激光機組件系統(tǒng)

4 結(jié)論

產(chǎn)品模塊化設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的多樣性，同時可以滿足更多用戶的要求,這就要求在產(chǎn)品造型設(shè)計的實際應(yīng)用中,工業(yè)設(shè)計人員可以清楚的分析各個專業(yè)系統(tǒng)的特點,采用模塊組合設(shè)計,并有效的對模塊化工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計進行管理，通過DFMA軟件進行優(yōu)化選擇的基礎(chǔ)上實現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計，并不斷的對模塊化與系列化的資源庫進行完善。工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計中運用模塊化設(shè)計方法可以有效的減少產(chǎn)品研制風(fēng)險，降低研究成本，通過對各種產(chǎn)品造型的整合和改造,最大限度的提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品創(chuàng)新能力。

[1] 高楠.工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新的方法與案例[M].北京:化工工業(yè)出版社,2006.

[2] 孔凡凱.大型定制產(chǎn)品模塊化制造關(guān)鍵技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué).2006(05)

[3] 胡曉鵬.產(chǎn)品模塊化:動因、機理與系統(tǒng)創(chuàng)新[D].中國工業(yè)經(jīng)濟.2007(12)

[4] 孔凡斌.面向客戶選項的模塊化產(chǎn)品開發(fā)方法與技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué).2012(05)

馮穎，女（1979.9—），漢族，湖南衡陽人，碩士，講師，研究方向：工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計

On the application of modular design in industrial product model design research

Feng Ying
(Guangzhou College of South China University of Technology,Guangdong Guangzhou, 510800)

The modular design is based on the combination of the various modules,different requirements of various coordination in the design,make full use of more varieties of products produced by the limited resources of enterprises,this method makes full use of computer technology,multimedia technology and virtual expression of modern science and technology,can effectively reduce the design cost,therefore the application in product design is very extensive.This paper is mainly based on analyzing the key technologies of modular,through concrete examples and analyzes the feasibility of application of modular design in industrial design in product modeling.

modular;industrial design; product design;Technology