模块化设计与制造0218.docx

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模块化设计与制造0218

模块化设计与制造

第一章现代制造业

理解趋势，符合趋势的经营，顺水顺风。

如果一个产品设计复杂，但产量不大，如何进行生产？

四化：

零件标准化、功能系列化、结构模块化、零部件通用化

一、离散型制造与流程型制造

制造业生产管理的具体内容有：

生产计划、排程、存货管理、质量管理、车间管理、物料采购、配送、设备维护等管理活动。

离散型制造企业的生产特征是：

1.生产计划

a）影响计划的因素较多，生产计划的制订非常复杂；

b）能力需求是根据每个产品混合建立，并且很难预测。

2.生产过程控制

a）生产任务多，生产过程控制非常困难；

b）生产数据多，且数据的收集、维护和检索工作量大；

c）工作流根据特定产品的不同经过不同的加工车间。

因每个生产任务对同一车间能力的需求不同，因此工作流经常出现不平衡；

d）因产品的种类变化较多，非标准产品多，设备和工人必须有足够灵活的适应能力；

e）通常情况下，一个产品的加工周期较长，每项工作在工作中心前的排队时间很长，引起加工时间的延迟和在制品库存的增加。

3.成本管理

a）原材料、半成品、产成品、废品频繁出入库、成本计算复杂，需要针对成本对象并随着生产过程进行成本的归集和分配；

b）使用标准成本法进行成本核算；

c）注重实际成本和标准成本的差异比较和不同角度的成本分析。

在我国，离散型制造企业分布的行业较广，主要包括：

机械加工、电子元器件制造、汽车、服装、家具、五金、医疗设备、玩具生产等。

流程制造（FlowManufacturing）：

流程制造包括重复生产（RepetitiveManufacturing）和连续生产（ContinuousManufacturing）两种类型。

重复生产又叫大批量生产，与连续生产有很多相同之处，区别仅在于生产的产品是否可分离。

重复生产的产品通常可一个个分开，它是由离散制造的高度标准化后，为批量生产而形成的一种方式；连续生产的产品是连续不断地经过加工设备，一批产品通常不可分开。

流程型制造企业的生产特征是：

1.生产计划

a）计划制定简单，常以日产量的方式下达计划，计划也相对稳定；

b）生产设备的能力固定。

2.生产过程控制

a）工艺固定，工作中心的安排符合工艺路线。

通过各个工作中心的时间接近相同；

b）工作中心是专门生产有限的相似的产品，工具和设备为专门的产品而设计；

c）物料从一个工作点到另外一个工作点使用机器传动，有一些在制品库存；

d）生产过程主要专注于物料的数量、质量和工艺参数的控制；

e）因为工作流程是自动的，实施和控制相对简单；

f）生产领料常以倒冲的方式进行。

3.连续生产企业的特有特征；

a）配方的管理要求很高，如配方的安全性、保密性；

b）需要对产品的质量进行跟踪，往往需要从产成品到半成品、供应商等进行跟踪，因此对批次管理要求较高；

c）某些产品常常有保质期；

d）生产过程中常常出现联产品、副产品、等级品。

重复生产的行业主要有：

电子装配、家电产品、各种电器等，常常表现为流水线的方式；连续生产的行业主要有：

化工、食品、饮料、制药、烟草等，常常通过管道进行各工序之间的传递。

二、生产方式的转变

定制时代。

大批量备货生产时代转变为定制时代。

创造定制时代的大批量。

大批量定制综合了大批量生产的低成本、高质量、短交货期以及定制生产满足客户个性化、多样化需求的优点，有利于企业的生存和发展。

三、当前制造行业的形势

市场上总体情况是供给大于需求。

客户的需求呈现多样化，备货生产越来越困难，生产商不得采用定制策略。

客户需求、解决方案、合同、产品设计、采购、制造、测试、交货安装、调试、验收。

客户的感觉是什么？

1.交货周期变长

2.延期交付的情况多

3.产品价格高

4.质量问题多

5.维护维修困难

生产商的感觉是什么？

1.库存高，不是备货产生的库存，是零部件库存增加

2.合同不能按期交付

3.对客户的响应不及时

4.生产任务不均衡，生产组织困难

5.质量问题多

6.技术人才难培养

7.生产规模上不去

8.公司盈利能力差

四、制造业生产运作

工业化时代，需求单一，适用大规模生产，福特流水线。

信息化时代，需求多样化，适用于定制化生产，产品批量小，品种多。

生产组织分散化。

产量：

大批量单一品种、小批量多品种、单件

定制与备货

专业化：

产品质量才能更好

规模化：

产品成本才能更低

生产组织的分散与集中。

多地区、小规模、专业的公司在市场上更有竞争力。

五、压缩机行业的情况

1.技术相对成熟。

原理、结构、材料、工艺、生产组织形式有多少变化（变化慢）。

2.供天于求。

中小机型需求稳定，超大机型需求较少。

供应厂家多，国外厂商品牌声誉好，国内有些企业知名度较高，还有众多民营小企业。

3.利润率差异较大。

单个机器利润不低，厂家利润率不高。

4.规模大小共存。

行业内规模大和盈利好的企业不多。

行业内企业的目标是什么？

企业的实现目标应采取的经营策略是什么？

5.产品设计中的价值分析、成本分析

六、思与变

1.哲学理念、经济学观念、管理学观念。

2.哲学上，简单有序才美：

复杂的问题简单化，无序的问题有序化。

经济学上，专业化（分工）与模块化（组合）。

管理学上，效率与质量。

变则通，通则久。

3.事物是发展的，行业也是发展，行业中阻力和动力也在不断变化。

认清形势，抓住机会。

需求的变化、技术与材料的变化、生产组织形式的变化、理念的变化、行业中企业的变化。

4.亚当-斯密的专业化，赫伯特-西蒙的模块化。

100个零件的手表，与10个组件的手表的组装。

零件、部件（模块化组件）、产品、系列产品。

5.推动事物发展的力量，阻碍事物发展的力量。

6.设计思想。

测算受力大小，根据材料强度，计算零件最佳尺寸----大型构件（既不浪费，又没有强度不够）。

选择一个电子芯片，用其8个脚中的两个。

7.复杂性与模块化。

复杂是由多个单元构成，单元间差异大，个别单元难理解。

计算机这个产品是复杂的。

复杂得产品由较少的模块构成，这使得产品复杂性降低。

临界点—复杂的超出一个一般水平技术人员的理解能力。

8.设计A模块时，不应改变与之相关的B模块。

模块具有独立性。

9.在不重新设计系统的情况下，只改变某个模块，从而改变系统的功能。

10.模块化给合作者带来机会，降低了岗位的技能要求。

七、标准化

1798年，美国E.惠特尼（1765～1825）提出零部件互换性建议，应用生产，开始了最初的标准化。

1947年，成立了目前世界最大的国际标准化机构─“国际标准化组织”

1978年9月，中国加入国际标准化组织。

标准化的益处：

实行标准化能简化产品品种，加快产品设计和生产准备过程，保证和提高产品和工程质量；扩大产品零件、部件的互换性，降低产品和工程成本。

八、产品系列化（产品族）

不同系列：

根据产品功能将产品划分成不同系列。

奥迪的A、Q、R系列。

根据产品的主参数，确定产品基型品种。

A1、A3、A4、A5、A6、A8。

基型的变型：

次参数的改变以适应不同的消费需求。

A6标准型、舒适型、运动型、豪华型。

产品族（productfamily）是指一组能满足市场一系列需求的共享某些公共特征、组件或者子系统的相关产品。

九、平台化战略

产品族设计的基本思想是“平台战略”。

产品平台（productplatform）是指在产品族内各产品共享的一系列参数、特征或者组件。

通过对产品平台添加、减少、修改相应的功能模块，可以实现产品族设计。

产品族（Productfamily）是指那些在某个确定的应用范围内按照一定的规律划分其参数等级，用相同的方法实现相同功能的技术对象（整机、部件或零件）。

产品族模型是在概念设计阶段针对某个相似客户群的抽象对象模型，包括功能模型、原理模型和结构模型三个具有映射关系的视图。

在大成组思想的指导下，面向区域内规划产品族，既可以为分散的客户群提供一个选购的平台，又有利于生产企业形成更大的规模经济效益

一十、产品配置设计

产品配置设计是根据预定义的零部件集及它们之间的相互约束关系，通过合理的组合，形成满足客户个性化要求的产品设计过程。

产品配置过程的输入是用户需求，而输出是一个可用于制造和销售的配置方案。

一十一、延迟区分战略

一种有效支持产品多样化和定制化的战略，能够控制成本的同时实现产品多样化，以满足个性化需求。

实质是在不同产品的生产中，尽可能地采用相同的制作过程，使符合定制要求或最终需求的差异化过程尽可能被延迟。

模块化生产使得企业延迟制造产品差异直到最后组装阶段，也就是说，根据最终消费者对功能模块组合和搭配方面的需求进行组装。

因此，企业更接近市场，不仅提高了对市场的响应速度和应变能力，而且提高了经营和服务效率。

此外，通过使用这种延迟生产（延迟区分战略）方式，企业大大减少了新产品开发的工作量，实现了产品结构的柔性化，降低了成本，缩短了产品开发周期。

一十二、大批量定制的基本原理

相似性原理：

大批量定制的关键是识别和利用大量不同产品和过程的相似性，对这些相似的信息和活动进行归纳并进行统一处理。

重用性原理：

在定制产品和服务中存在着大量可重新组合和可重复使用的单元（包括可重复使用的零部件和可重复使用的生产过程）。

全局性原理：

需求、产品、设计和制造通盘考虑。

面向整个产品族，而不仅仅是产品的开发设计过程。

“简化”和“重用”是核心。

简化包括产品结构的简化、生产过程的简化和组织机构的简化等一系列内容。

一十三、大规模定制

功能各异的模块，通过重用、改进和整合，能够迅速地制造出满足消费者个性化需求的产品，协调生产的规模化与需求的个性化之间的矛盾，真正实现生产上的“弹性专精”（flexiblespecialization）。

模块化是实现大规模定制的重要方法，分为组件共享（component-sharingmodularity）、组件互换（component-swappingmodularity）、量体裁衣（fabricate-to-fitmodularity）、混合（mixmodularity）、总线（busmodularity）、组合（selectionmodularity）等六种方式。

组件共享模块化中，同一组件被用于多个产品以实现范围经济。

组件互换模块化运用不同的组件与相同的基本产品进行组合，形成与互换组件一样多的产品。

量体裁衣模块化指一个或多个组件在预置或实际限制中是连续变化的，从而满足顾客个性化需求的连续变化。

混合模块化是指不同组件混合在一起形成完全不同的产品。

总线模块化的本质在于确定一个可以附加大量不同组件的标准结构，允许插入标准结构的模块类型、数量和位置等方面的变化。

组合模块化允许任何数量的不同组件类型按任何方式进行配置，只要一种组件可以与其他组件通过标准接口进行连接。

第二章模块化原理

模块化理论研究的重点是模块的标准化和通用化。

模块化是结构设计的规则，以促使组成模块之间的协调，能够克服设计者认知的不足。

模块化是管理复杂事物的一整套规则，将复杂的系统分为独立的部分，各部分在结构内部可通过标准界面交流。

模块是半自律的子系统，通过和其他同样的子系统按照一定的规则相互联系而构成的更复杂的系统或过程，这是新产业结构的本质。

一、模块

模块是可以构成系统的有特定功能、结构、接口的典型通用独立单元。

独立性、结构典型化、部件通用化、参数系列化、组装积木化。

模块的三个特征：

可重用性（Reuseable）、可重构性（Reeonfigurableness）和可扩充性（Sealable）。

可重用性是指模块具有标准接口或连接要素的标准单元或通用单元，可多次、反复、重复使用。

可重构性是指模块具有很强的组合能力，可以与其他组成部分进行有机地组合，构成新产品，也易从产品中拆卸和更换。

可扩充性是指模块的可升级、可收缩、可扩展性。

✧具有特定的功能

✧多个模块可以组合成新的系统

✧模块间通过接口（界面）发生联系

✧模块的尺寸模数化。

为此，模块的结构形状和配合部位尺寸必须标准化，以便

二、模块化

从系统的观点出发，研究系统的功能和构成形式，通过组合和分解的方法，建立模块体系，并运用模块组合成系统的过程。

Simon关于模块化概念的核心是复杂系统中子系统内部的相互作用与子系统之间的相互作用的区别。

如果子系统之间没有相互作用，那么系统是完全可分解（fullydecomposable）的。

但自然界很少存在完全可分解的系统，常见的是近似可分解（nearlydecomposable）的系统。

近似可分解意味着子系统之间的相互作用显著少于子系统内部的相互作用，近似可分解性对于复杂系统的演进速度意义重大。

三、模块化的优点

（1）提高了复杂性的可控范围，将设计和制造循环锁定有某个范围。

减少不必要循环，提高系统成功的机会和质量。

（2）模块化可实现并行设计和并行制造。

不能让所有零部件紧密、有机地互联，因为“牵一发而动全身”在设计和生产上会有很多问题。

四、模块化设计演进

新模块与旧模块的更替。

五、模块化的应用

军工器械：

采用模块化设计大大减少了备件数量，更加便于维修。

计算机：

主板、处理器、驱动器、电源、外接设备等。

IBM推出的360电脑系统。

中医药：

药材（零件）、方剂（基本模块）、处方（产品）

组合夹具：

组合机床：

六、模块化存在的问题

1.成本不降反升。

一个小零件坏了，就得更换一个模块。

七、相关概念

标准化、模块化、成组技术

系列化、通用化、标准化、模块化

八、模块化设计的特点

模块化设计方法不同于传统设计方法，主要表现在：

①模块化设计面向产品系统而传统设计针对某一专项任务。

②模块化设计是标准化设计而传统设计是专用性的特定设计；③模块化设计程序是由上而下而传统设计程序是由下而上的；④模块化设计是组合化设计而传统设计是整体化化设计：

⑥模块化设计需要系统的新理论支撑而传统设计主要依靠经验；⑥模块化设计的产物既可以是产品也可是模块而传统设计的产物是产品。

九、模块化的层次

模块化设计、生产、组织。

设计的模块化：

降低零部件功能之间的相互依存性，从而提高设计和研发效率。

生产的模块化：

由以往集中零部件散件在组装企业内装配变为模块供应商在组装企业附近，甚至就在组装企业的生产车间内，在组装生产线旁进行模块的生产供货。

由模块生产企业建成副生产线为组装企业的主生产线供货。

采购的模块化：

汽车组装企业出于降低成本的考虑，降低内制率成为一种趋势。

模块化采购的交易品是集成度很高的主模块，交易对象是模块集成供应商，组装公司—模块组装公司—零件生产公司。

大大减少了供应商数量，改善供应关系。

行业内有组装企业、模块集成供应商、模块构件生产企业以及非模块零部件生产企业。

一十、模块化基本原理

系统化原理

标准化原理

模块化是标准化的高级形式。

✧系统简化：

电脑、汽车的由模块组合而成。

✧结构规范化：

结构的构成和接口

一十一、模块研究方法

模块物元可拓设计方法包括模块物元的拓展和评价两方面内容。

模块物元的拓展方法包括发散树法、相关网法、产品构思第二创造法和产品构思第三创造法等；模块物元评价方法包括真伪物元判断法、优度评价法、相容度评价法以及可拓综评价法等。

一十二、模块化的发展

模块化在计算机、汽车等制造业领域相当成熟。

二十世纪20年代，德国出现模块化设计理念用于铣床、车床的设计和制造。

1920年左右，德国的弗里茨.韦尔纳（Fritz-Werner）公司设计的铣床，把铣床上的一些部件按功能划分成模块而进行设计和制造的，可以很方便的组装出符合客户需求的产品。

德国联合车床厂把车床的主轴箱设计成模块化系统，该系统共有63个不同的齿轮，通过选择、搭配，可以组合成60种不同的主传动系统，分别用于丝杠车床、光杆车床、六角车床和断式深孔钻床等。

80年代中期，菲亚特制造的由14个模块集成的1LTopo发动机是第一台模块式内燃机。

1991年福特的Contour概念车为第一辆模块化轿车。

90年代，中国标准化协会搞过模块化重点课题，1995年搞过重点推广项目。

国防科工委曾为缩短武器装备研制周期，提高其质量、可靠性和综合保障能力，把开展模块化作为发展国防科技和武器装备的一项基本政策，在90年化投入巨资，全面开展军事装备模块化的研究、设计、试制工作。

一十三、主要研究和实践者

青木昌彦：

第三章模块化设计

一、设计

1.设计创造价值：

理解需求、设计产品和制造过程。

2.设计：

是对制品的结构和功能进行完备描述。

描述的既准确又完全，设计是通过参数来描述。

表现形式语言、图片等。

3.制品：

制品的内部结构，有其特定的功能。

制品是由单元按一定构成规则组合起来。

设计循环有时是必要的。

4.制品的价值和价格取决于制品的功能（使用价值），不取决于产品的结构。

使用者关心功能不关心结构。

5.设计：

在满足约束（成本、时间、材料等）的条件下实现功能。

在未知领域求解，一旦知道生产什么，如何生产，设计就结束了。

如果生产不知道怎么做，那就是设计工作还没完成。

任何不确定的设计都会对生产产生影响，对于大规模生产的影响就更大。

6.改进设计：

就是使制品的一个或几个功能比现有制品更好。

7.设计者需要理解制品的价值。

发现并追求新的价值。

价值、功能、结构。

8.参数的确定：

独立参数、关联参数、矛盾参数。

运算速度、重量、能耗、体积、成本等。

确定哪些参数的重要性排序（权重），以及每个参数的值。

设计参数矩阵（一级参数、二级参数）

9.分解（分析）。

当系统复杂到超过特定的阀限，我们就要将系统分成不同模块。

10.设计的目标是什么？

设计的价值如何衡量？

设计的价值是多少？

设计的目标是创造价值，设计的价值衡量产品的销量或获利多少。

设计的价值是市场确定的。

产品市场的价值是产品带来的利润，超出现有产品的利润。

资本市场的价值是投资者对设计的估价。

这两个价值出现的时点往往不同。

11.设计是有意识的、预见性的活动。

12.当制品变得复杂时，设计和制造都是个体不能完成的，因此就变成集体活动。

13.环境随时间变化、设计者认知的不足等大量复杂性和不确定性因素影响着设计过程。

因而模块化是最好的选择。

通过把结构划分为模块并将任务分配给具有不同专业知识的设计者，有助于克服设计者认知的不足。

二、相互依赖型设计

1.相互依赖型设计，一个小小变化都要让整体设计重新再来一遍。

2.生产在试错过程中进行，使用则完全是实验性的。

三、一般设计工作

一般产品设计：

需求、功能、原理、结构、部件、零件。

重复性工作多，设计制造周期长，外包外协困难等。

四、面向大批量定制开发设计过程

前期工作阶段和产品建模阶段。

前期工作阶段的主要内容有：

建立面向大批量定制的编码体系；零部件ABC分析；零部件分类；零部件名称分析等。

产品建模阶段的主要任务是在前期工作的基础上建立零部件主模型、主文档和产品主结构，主要内容有：

零件几何形状分析；零件参数分析；建立零部件主模型；建立零部件主文档；建立产品主结构。

五、模块设计规则

模块化系统能否高效运行，关键在于严格界定设计规则（也称之为系统信息）。

设计规则分为系统设计规则（可见信息）和个别设计规则（不可见信息），系统中所有模块必需遵守系统设计规则。

系统设计规则界定了模块之间的相互关系，由结构、界面、标准三个要素组成。

结构确定哪些模块是系统的构成要素，模块如何发挥作用；界面详细规定模块如何相互作用，模块之间的位置如何安排、如何交换信息等；标准用来检验模块是否符合设计规则，用来测定模块的性能。

而个别设计规则仅限于一个模块之内，对其它模块的设计没有影响，可以被替代或事后再选择。

六、零部件间的关系

功能相关性、几何相关性、物理相关性

七、零件的标准化程度分类

八、模块化设计

模块化设计分为模块创建和模块配置。

模块创建是依据某种标准把产品创建成以模块为基本构成单元的过程，是模块化设计的前提和基础，对其处理是否合理直接影响产品的功能、性能和成本。

模块配置是在综合分析客户需求的基础上，在产品设计约束的调控下，通过对不同功能、性能的模块组合的可能性以及合理性进行评价，进而配置出满足客户个性化需求产品的过程。

模块化设计三部分：

模块化系统（整体设计）、模块系列设计、模块化产品设计。

九、模块化产品设计

新产品（系统）=通用模块（不变部分）+准通用模块（改型部分）+专用模块（新设计部分）

模块化产品的构成模式可用一个简单的公式表达：

新产品（系统）=通用模块（不变部分+专用模块（变动部分））

一十、接口设计

一十一、模块划分

一十二、产品外观设计

一十三、模块划分

划分的功能模块应该满足下列的原则：

（1）保持模块在功能和结构方有一定独立性和完整性。

（2）模块间的接口要素要便于联接和分离。

（3）模块与模块之间的相关要尽量的少，即弱耦合；模块内部各部分之间具有强耦合。

（4）分解的粒度要适中。

一十四、子功能应作为一个独立的模块的条件

1）通用性：

产品系列都具有的子功能。

2）单独制造性：

子功能作为单独模块进行加工，或有特殊的生产周期。

3）便于装配：

子功能在装配时作为一个整体。

4）便于使用：

子功能可作为单独产品流通于市场。

5）维修：

子功能作为独立的模块进行维修。

6）回收：

子功能载体材料是污染性或可回收的。

一十五、模块划分合理性检验