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(jì)在工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)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(jì)是通過對(duì)各種不同模塊進(jìn)行組合的方式，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)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(jì)方法充分運(yùn)用了計(jì)算機(jī)成型技術(shù)和虛擬表達(dá)、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(jì)成本，因此在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)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(shí)例分析了模塊化設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品造型中設(shè)計(jì)應(yīng)用的可行性。

模塊化;工業(yè)設(shè)計(jì);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(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，若想在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)就要爭(zhēng)取在最短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)方式已經(jīng)漸漸無法與時(shí)代的要求相符合，模塊化設(shè)計(jì)通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)過程的重組，以大規(guī)模生產(chǎn)的成本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量化及個(gè)性化，既保障了產(chǎn)品功能、品種的創(chuàng)新，又實(shí)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(jì)的一個(gè)重要發(fā)展方向，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣化的主要途徑。

圖1 四級(jí)系統(tǒng)模塊圖

1 模塊化概念及設(shè)計(jì)原則

1.1 模塊化概念

模塊化實(shí)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(jì)是在對(duì)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(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，將這些模塊進(jìn)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(chǎng)對(duì)各種產(chǎn)品的需求。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)原則

工業(yè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)任務(wù)，也就是說在進(jìn)行系統(tǒng)分解時(shí)就已經(jīng)考慮到了各個(gè)分模塊與產(chǎn)品功能的對(duì)應(yīng)情況，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期就可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程將產(chǎn)

生的費(fèi)用等，進(jìn)而提高了設(shè)計(jì)效率，也節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。在本研究中將工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gè)層次（如圖1）。通過運(yùn)用這種功能化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，將產(chǎn)品分解成對(duì)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(jìn)行重組，組建出各種產(chǎn)品來。運(yùn)用軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù),將變形設(shè)計(jì)和組合設(shè)計(jì)結(jié)合起來,根據(jù)分級(jí)模塊化原理,將工業(yè)產(chǎn)品分成不同的級(jí)別,再進(jìn)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(jì)步驟

我們?cè)诒敬窝芯恐袑⒛K化設(shè)計(jì)分成兩個(gè)層次，其一是針對(duì)系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中首先要進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)；其二是針對(duì)個(gè)別產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)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(jìn)行重新搭配和組合產(chǎn)品，總之，模塊化設(shè)計(jì)是在按照相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)步驟，如圖2：

圖2 模塊化設(shè)計(jì)步驟

2 模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

Pahl將模塊化設(shè)計(jì)分成了三個(gè)層次，即系統(tǒng)分析階段、模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模塊選擇、模塊綜合模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過這三個(gè)階段循序漸進(jìn)的進(jìn)行進(jìn)入到具體的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。那么針對(duì)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(shí)別

模塊識(shí)別實(shí)際上是一個(gè)比較復(fù)雜的，對(duì)各種影響因素及目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化的過程。模塊識(shí)別的一般方法就是相關(guān)性分析，即對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)組成部分從功能或者是結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行相關(guān)性分析，將這些組成部分進(jìn)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(gè)功能分解成相應(yīng)的子功能，再根據(jù)相關(guān)影響因素進(jìn)行聚類分析，從個(gè)子功能間的功能、裝配、信息和空間相關(guān)的角度對(duì)功能進(jìn)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(huì)映射為一定的結(jié)構(gòu)體，通過相關(guān)性分析和計(jì)算將結(jié)構(gòu)組成部分聚集成模塊，最終通過模塊識(shí)別優(yōu)化了工業(yè)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)。

圖3 基于聚類分析的模塊識(shí)別

2.2 模塊接口

模塊接口是進(jìn)行模塊組合的有效依據(jù)，它實(shí)際上就是模塊間相互結(jié)合的部分。對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來講，接口是非常重要的，它不僅在模塊化設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位，在整個(gè)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中都占據(jù)重要地位。關(guān)于模塊接口主要涉及兩點(diǎn)內(nèi)容，一是接口本身的設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)的接口設(shè)計(jì)方法,而且還可以通過DFMA軟件來評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案，選擇出最佳的接口設(shè)計(jì)方案。

2.3 模塊編碼

影響模塊化設(shè)計(jì)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(jìn)而影響到整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程。目前，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模塊的計(jì)算機(jī)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(jìn)行描述。

3 模塊化在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

模塊化設(shè)計(jì)在國內(nèi)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用十分廣泛，如在機(jī)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(jī)床廠、天津第一機(jī)床廠等；在電子行業(yè)中，計(jì)算機(jī)模塊已經(jīng)實(shí)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(jī)的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)為例來研究模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

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

品設(shè)計(jì)中包含的技術(shù)有激光、結(jié)構(gòu)工藝、接口、計(jì)算機(jī)軟件編程以及電子技術(shù)等（如圖4），在相關(guān)人員對(duì)這些技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員根據(jù)造型設(shè)計(jì)組合到由機(jī)座、激光部件等組成的產(chǎn)品當(dāng)中。因?yàn)槭艿綄I(yè)技術(shù)知識(shí)的限制，設(shè)計(jì)人員并不能參與產(chǎn)品各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而是將產(chǎn)品的整體功能分成各個(gè)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(jī)涉及的不同技術(shù)和造型上的不同要求，將其分成了各個(gè)模塊，由不同的專業(yè)人員分工來完成（如圖5）。在運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的過程中，為了避免由于各個(gè)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(yùn)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(jī)技術(shù)系統(tǒng)

圖5 二極管泵浦固體激光機(jī)組件系統(tǒng)

4 結(jié)論

產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的多樣性，同時(shí)可以滿足更多用戶的要求,這就要求在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中,工業(yè)設(shè)計(jì)人員可以清楚的分析各個(gè)專業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn),采用模塊組合設(shè)計(jì),并有效的對(duì)模塊化工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)進(jìn)行管理，通過DFMA軟件進(jìn)行優(yōu)化選擇的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，并不斷的對(duì)模塊化與系列化的資源庫進(jìn)行完善。工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法可以有效的減少產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)，降低研究成本，通過對(duì)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(jì)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(dòng)因、機(jī)理與系統(tǒng)創(chuàng)新[D].中國工業(yè)經(jīng)濟(jì).2007(12)

[4] 孔凡斌.面向客戶選項(xiàng)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(jì)

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