1、基于UG 的砂带磨床模块化、参数化设计及基本模块库的创建The Modularization and Parametric Design of the Abrasive Belt Grinder Based on UG and Basic Module Library Creating摘要随着社会的进步和科技的发展，市场对砂带磨床的设计提出更高的要求：既要求产品向多品种、小批量方向发展，又要求产品具备性能齐全、优质可靠和高效等特点；且对供货周期和性价比要求也越来越高。传统的砂带磨床设计与制造方法已无法满足市场在这些方面越来越高的要求。而“模块化设计”以产品设计周期短、响应市场快、成本低、通用性
2、与重组性好等优点，越来越受到行业设计人员的重视。本论文通过模块化设计理论与参数设计技术的研究与分析，论述了砂带磨床模块化设计的方法与步骤及模块参数化设计与建库的实现方法。论文的主要研究工作如下：首先，论文阐述了模块化设计的相关概念和运用的基本原理与方法，对模块化关键技术及评价指标进行了研究，分析总结了模块化设计的一般流程和模块化设计的三种模式。其次，论述了国外模块划分理论的现状，对模块划分理论作了进一步深入研究，以无心外圆砂带磨床为例对模块划分作了具体分析；并通过对通用CAD系统实现零件参数化设计的分析，研究了模块详细结构参数化设计的方法与关键点， 最后以无心外圆砂带磨床磨头主轴的参数化建模为
3、例进行了介绍。然后，通过对UG二次开发技术以及基于UG 的三维参数化模块库的建立方法等的研究与分析，提出了一种将电子表格法和程序设计法相结合的建库方法，综合运用UG 参数化建模技术、UG/Part Families工具以及UG/OpenMenuScript、UG/Open UIStyler和UG/Open API 等UG二次开发技术对UG进行二次开发，实现了三维参数化模块库的建立。最后，论述了两种装配设计方法和装配设计中应用到的一些关键技术，实现了基于砂带磨床模块库的无心外圆砂带磨床各功能模块和整床的配置设计。关键字：无心外砂带磨床，模块化设计，参数化，模块库IABSTRACTWith the
4、 extensive application of abrasive belt grinding technology, higher and higher requirements for abrasive belt grinder are proposed. More varieties and small batches customer-ordered will be the development trend. However, the development of abrasive belt grinder is slow in our country. Many factorie
5、s still use common design method, leading to long design cycle and high production cost, so cant meet customer-ordered needs and adapt to fierce market competition. Modular design is one of the key techniques to achieve product diversification rapid design, which has great significance for manufactu
6、ring enterprises to enhance their ability to respond to market demand quickly and to occupy a vantage position in the market competition.In this paper, through the research and analysis of the modular design theory and parameter design technology, discussed the realization method of the external cyl
7、indrical centerless grinder modular design , including the module parametric design method and database building method. The main research contents of the paper are as follows:First of all, this paper discussed the related concepts and basic principle of the modular design, studied the key technolog
8、ies and evaluation index, analyzed and summarized the general process and the three models of the modular design.Secondly, on the basis of making a further study on the module division theory, the module of the external cylindrical centerless grinder was divided. By analyzing the realization method
9、of parts parametrization design of the general CAD system, studied the parameterization design method of the module structure. Finally, described the method in detail in a case study of the parameterization modeling of the centerless cylindrical grinder grinding head.Then, through the research and a
10、nalysis of the UG second development technology and database building method of the parametric 3D modeling module bank based on UG, put forward a new database building method by combing the spreadsheet method and program design method. Developed UG secondary with the tools it provides, like parametr
11、ic modeling technology, UG/Part Families tools, UG/OpenMenuScript, UG/Open UlStyler and UG/Open API. Established the 3D parametric module library.Finally, discussed two kinds of assembly design method and some key technologies. Descirbed the detailed modular design process of the centerlessIIIcylind
12、rical grinder based on the module library.Keywords: Centerless External Abrasive Belt Grinder, Modular Design, Module Library, ParameterizationIV目录中文摘要I英文摘要III1 绪论11.1 课题的背景11.2 磨床模块化设计的发展及研究现状21.2.1 国外磨床模块化设计的研究21.2.2 国内磨床模块化设计的研究21.3 课题来源及本文主要研究内容31.3.1 课题来源31.3.2 课题意义31.3.3 主要研究内容41.4 本章小结4 2 模块化
13、设计的基础理论研究52.1 模块化设计的理论基础52.1.1 模块与模块化52.1.2 模块化设计及其优越性62.1.3 模块化系统的分类72.1.4 模块化设计研究运用的基本原理和方法82.2 模块化设计的关键及模块化程度评价102.2.1 模块化设计的关键102.2.2 模块化程度评价112.3 模块化设计流程162.3.1 模块化设计的一般流程162.3.2 模块化设计的三种模式172.4 本章小结193 无心外圆砂带磨床模块划分及参数化设计方法研究213.1 模块划分技术研究213.1.1 国外模块划分方法的研究现状213.1.2 模块划分流程223.1.3 系统功能分解模型233.2
14、 模块划分算法研究24V3.2.1 子功能之间相关性分析253.2.2 建立子相关矩阵263.2.3 模块划分的l - 截矩阵263.3 无心外圆砂带磨床的模块划分273.3.1 无心外圆砂带磨床功能分解273.3.2 无心外圆砂带磨床功能模块划分283.3.3 功能模块与结构模块之间的映射303.4 砂带磨床模块参数化设计方法研究313.4.1 基于通用 CAD 系统实现零件参数化设计的方法313.4.2 砂带磨床模块采用的参数设计方法323.4.3 创建零件三维参数化模型模板的关键333.5 本章小结374 基于 UG 的无心外圆砂带磨床模块库的建立394.1 UG 及其二次开发技术394
15、.1.1 UG 软件应用特点及研究现状394.1.2 UG 二次开发工具414.1.3 基于 UG 的三维参数化模块库的建立方法454.2 基于 UG 的无心外圆砂带磨床模块库的总体方案设计474.2.1 基于 UG 的三维参数化模块库的创建目标474.2.2 砂带磨床模块库的建库方法484.2.3 基于 UG 的三维模块库的系统结构和开发流程494.3 基于 UG 的无心外圆砂带磨床基本模块库的建立504.3.1 注册工程路径524.3.2 工程目录结构524.3.3 创建模板零件库524.3.4 编写菜单文件与设计用户界面对话框554.3.5 应用程序设计584.4 基于 UG 的三维砂带
16、磨床模块库的运行实例624.5 本章小结655 基于模块库的无心外圆砂带磨床配置设计实例675.1 装配设计方法675.2 装配设计中的一些关键技术675.3 无心外圆砂带磨床模块化配置设计695.4 本章小结72VI6 结论与展望736.1 研究成果736.2 研究展望74参考文献77VII1 绪论1.1 课题的背景砂带磨削技术作为一门新兴的机械加工技术，因其加工效率高、适应性强、使用成本低等特点，广受现代制造业的青睐。砂带磨床作为砂带磨削技术的重要设备，其设计开发状况将直接影响砂带磨削技术在工程中的应用1。当今市场对砂带磨床产品的需求也逐渐向多品种、小批量方向发展，而且要求具备性能齐全、性
17、价比高、高效率等特点。然而，国内砂带磨床设计发展较缓慢，仍然是采用传统的、通用的设计方法，无法满足市场在这些方面越来越高的要求。传统设计方法没有考虑某一功能单元的部件在一个系列砂带磨床产品中的应用，所用部件的互换性差，标准化设计思想、设计经验很难积累和传递，单件设计与单件生产， 零部件的通用性和可移植性差；劳动重复量大，设计周期长，生产成本高等，不能及时快速地满足用户对磨床产品精度、性能、寿命及品种多样化提出的更高要求。造成这些问题的主要原因有管理上的问题，也有技术设计上的问题。在技术设计上主要有以下几个原因： 传统的设计方法只是根据砂带磨床的主参数及性能要求来进行整机及各模块的设计，没有考虑
18、某一功能单元的模块在跨系列砂带磨床中的使用，因此模块的通用性差，缺乏标准化设计思想，经验难以积累和传递； 传统方法设计出的砂带磨床，是磨床产品的单件设计与生产，这导致了产品模块通用性差，不利于模块的重复利用和合理调配组装； 传统的设计只注重砂带磨床的功能设计，即能满足用户的使用要求即可， 对于人机界面和外观造型考虑的很少。整机与国外磨床相比，有时性能并不比国外磨床差，但外观不好，这也是国产磨床滞销的一个原因2。面对砂带磨床向多品种、小批量、制造周期短的方向发展，在激烈的市场竞争中，如何缩短产品研制周期、提高产品质量、降低成本，并且具备根据客户需求实现快速设计的能力，成为企业抢占市场的先决条件3
19、。采用模块化设计技术与参数化设计技术相结合的设计方法，来提高砂带磨床的设计和修改效率势在必行。模块化是 20 世纪中期发展起来的一种新的标准化形式，它是以模块为基础，综合了标准化、通用化、系列化的特点。模块化设计也是一种先进的产品设计方法， 是以功能分析为基础，划分并设计出一系列通用的功能模块，然后通过模块的选择、组合构成不同的产品，以满足客户不同需求的一种设计方法4。目前国内的重庆三磨海达磨床有限公司、杭州祥生砂光机制造有限公司和北京第二机床厂在各种型号的砂带磨床研制和市场推广上做的比较成功。为了提高1砂带磨床的设计效率，更好的满足市场的需要，因此产品模块化设计方法，这一新的设计方法和理论已
20、逐步成为企业用来解决产品品种、规格多样化与设计制造周期、成本之间矛盾的有效手段之一。1.2 磨床模块化设计的发展及研究现状1.2.1 国外磨床模块化设计的研究随着现代科学技术的迅猛发展，模块化已成为工程产品设计的主要发展趋势之一。模块化作为标准化的新形式，模块化成为实现产品多样化的主要途径，及实现并行工程、大规模定制的基本研究方法。Sotsky，George R.应用模块化设计的思想，发明了一种模块化旋转磨床，实现了磨床的模块化配置组装，当某一模块部件陈旧或损坏了，只需更换相应的模块部件即可5。Khanyaev，A.等人发明了S12 系列外圆磨床，在设计中运用了模块化设计，形成了一个广泛的技术
21、资料库和可以操作的外部 PC，这使得外圆磨床易于维护，并且可以很方便快捷的改变模块以适应客户要求6。Anon 根据模块化设计的概念，研制了基于模块化的高效率、高精度的数控磨床，该系列数控磨床可以根据用户的详细功能要求，将主要磨床部件模块化，再由各模块组装成一台新的数控磨床，其设计效率提高了 2 倍左右7。1.2.2 国内磨床模块化设计的研究北京第二机床厂的陈耀昌以半自动高效外圆磨床为工程实例，具体论述了横系列、纵系列和区间跨系列模块化设计的方法与步骤，以及模块系列体制的建立及相应技术文件编写。通过两年的试验，以基型产品为基础试制出了4种典型外圆磨床产品，并根据用户的功能需求研制了两种变型产品。
22、通过模块化设计方法的运用促进了外圆磨床新技术的发展，缩短了产品设计周期，降低了设计与生产成本，并使外圆磨床性能稳定可靠，达到了提高产品综合效益的目的8。上海理工大学的张金莲和上海机床厂的汪雪英对M1432B外圆磨床系列进行了模块划分，并对模块的标准化和通用化进行了研究和设计，重点完成了模块标准化安装接口的设计，并整理形成模块系列库，利用PDM对模块库实施管理。并基于该模块库，采用模块化设计方法成功配置出了多个相似品种，提高了企业的产品开发能力和效率9。杭州机床厂的陈向东、徐慧芳等通过对龙门式平面磨床的研究，经过多年的基础设计和生产实践，成功地实现了大型数控龙门式平面磨床的模块系列设计、模块库开
23、发、产品配置与生产，形成了大型数控龙门式平面磨床系列产品10。天津大学的齐尔麦建立了快速设计技术体系，该体系的研究以模块化设计方法为基础，将智能化设计技术和计算机辅助技术等多项设计技术结合起来。在体系中运用了柔性模块和虚拟模块的概念，提出了机械产品广义模块化设计方法与2步骤，该方法适用于普遍机械产品的设计11。合肥工业大学的李艳论述了机械产品模块化设计的总体设计方案，并且阐述了现有模块化产品评价标准中的不足，将系统工程和面向过程的技术等理论引入到模块化评价系统中。并对轴承套圈磨床的现状进行了初步研究，在对国内外轴承套圈磨床模块化设计应用进行分析的基础上，研究了模块化轴承套圈磨床的配置设计方法与
24、步骤，重点讨论了轴承套圈磨床的模块化的结构设计模型以及在此基础上的产品配置12。重庆大学的司莉纳将模块化设计方法运用到砂带磨床产品的设计与开发，对砂带磨床的模块化设计方法与步骤做了初步的研究，研究了模块化设计运用的运算模型，完成了无心外圆砂带磨床模块化设计的配置结构模型13。综合国内外磨床模块化设计的发展现状可以看出：国外学者主要是运用模块化的方法，设计出便于互换、维修的磨床产品；而国内学者则主要是将模块化的方法用于对已有的成熟的磨床产品进行模块化划分，从而实现基于已有磨床产品进行模块化产品设计与改造。然而，当前对砂带磨床模块化设计的研究还很少， 缺乏砂带磨床模块化体系形成与创建方面的分析与研
25、究，很少从产品整个配置的角度，提出砂带磨床模块化产品的配置设计框架，也没有关于砂带磨床模块化设计与参数化设计方面的模块库系统等。1.3 课题来源及本文主要研究内容1.3.1 课题来源本课题来源于重庆大学，重庆三磨海达磨床有限公司，重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心共同申请的重庆市科技攻关计划项目“核反应高压容器高效磨削加工关键技术与装备研制及产业化”(CSTC2007AB3004)。1.3.2 课题意义将模块化设计的方法与理论运用到砂带磨床产品的实际设计中，并取得良好的效益是本课题的意义所在。通过对模块化设计中的一些基础理论和模块划分方法的研究，并以无心外圆砂带磨床为例进行了砂带
26、磨床模块化设计具体分析；通过对参数化设计技术、UG二次开发技术以及基于UG的三维参数化模块库的建立方法等进行了深入研究与分析，论述了无心外圆砂带磨床模块的建库方法，提出了基于UG的三维参数化模块库的系统结构和开发流程，并综合运用UG参数化建模技术、UG/Part Families工具以及UG/OpenMenuScript、UG/Open UIStyler和UG/Open API等UG二次开发技术对UG 进行二次开发，研制并建立了砂带磨床三维参数化模块库。研制开发的三维参数化模块库具有良好的人机交互界面，操作方法简便， 能在建模环境中指定位置快速生成相应的模块，提高了产品设计效率、缩短了产3品开
27、发周期，并将设计人员从繁琐的模块重复建模工作中解放出来，提高了产品的生产率。1.3.3 主要研究内容第 1 章，介绍了本课题的研究内容及意义、相关背景和当前国内外磨床模块化设计的发展与研究概况。第 2 章，论文阐述了模块化设计的相关概念和运用的基本原理与方法，对模块化关键技术及评价指标进行了研究，分析总结了模块化设计的一般流程和模块化设计的三种模式。第 3 章，论述了国外模块划分理论的研究现状，对模块划分理论作了进一步深入研究，以无心外圆砂带磨床为例对模块划分作了具体分析；并通过对通用CAD 系统实现零件参数化设计的分析，研究了砂带磨床模块详细参数化结构设计的方法及模块三维参数化造型设计的关键
28、，最后以砂带磨床结构设计中常用的磨头主轴为例进行了介绍。第 4 章，通过对 UG 二次开发技术以及基于 UG 的三维参数化模块库的建立方法等的研究与分析，提出了一种将电子表格法和程序设计法相结合的建库方法， 并综合运用 UG 参数化建模技术、UG/Part Families 工具以及 UG/OpenMenuScript、UG/Open UIStyler 和 UG/Open API 等 UG 二次开发技术对 UG 进行二次开发，实现了三维参数化模块库的建立。第 5 章，论述了两种装配设计方法和装配设计中应用到的一些关键技术，实现了基于砂带磨床模块库的无心外圆砂带磨床各功能模块和整床的配置设计。第
29、 6 章，总结全文与进一步研究展望。1.4 本章小结介绍了课题的背景，阐述了传统设计方法与模块化设计方法的特点；介绍了国内外关于磨床模块化设计的发展及研究现状；说明了砂带磨床模块化设计研究的意义和本文主要的研究内容。42 模块化设计的基础理论研究2.1 模块化设计的理论基础2.1.1 模块与模块化 模块模块(Module)是模块化设计的基础。模块可以定义为：“由标准件和非标准件经设计组合，具有某种特定功能及结构的单元，它能够与其他组件（或模块）通过标准接口构成更大的组合、模块或系统。”模块通过“搭积木”方式即可组成系列标准化产品，也可以配置组成在性能、结构上有较大差别，能满足不同用户多样化要求
30、的非标准产品。例如，机床卡具、联轴器等可称为模块但不如称为标准件好。在模块化设计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的设备的单元。一般地说，模块应具有以下特征。1） 相对的独立性，可以进行独立的设计和组织生产。2） 具有广泛的通用性和良好的互换性，可以根据需要组合成新的功能或结构单元。3） 具有标准的接口结构，通过简单而可靠的连接形式实现模块之间的组合。 模块化与标准化为了解决多品种、小批量的复杂化机械产品组织高效率的社会化生产等问题， 行业普遍运用了“标准化”的思想与方法。即通过反复论证及优化设计，选择一定的功能、结构单元组成标
31、准件，并利用标准件来配置成多样化的产品。简化后的功能或结构单元构成的标准件具有普遍的通用性和互换性，便于高效率的社会化大生产的实现，从而缓解了市场对产品个性、多样化追求与产品高效率研制之间的矛盾。而且由标准化单元配置形成的产品具备可靠性、可维修性高，升级换代容易等特点。标准化的形式和方法是人们一直研究和讨论的问题，但至今尚未形成一个最具权威的、一致的观点。通常认为，标准化的形式和方法主要表现为四个形式： 简化和统一化、通用化和组合化、系列化、模块化。模块化是在通用化、系列化、组合化等标准化基础上引入系统工程原理而发展起来的一种标准化的高级形式。模块化的概念可定义为：从系统工程的观点出发，采用分
32、解和组合的方法，建立产品模块体系和运用各功能模块组成新产品的全过程。模块化是标准化的一种高级形式，主要表现为结构典型化、特征尺寸模数化、模块通用化、参数系列化、组装积木化。模块化设计的理论基础是系统工5程的分解与组合原理，是组合化发展的高级阶段。模块化产品可以定义为：“以各功能模块为主，加上部分专用模块配置而成的新产品。”所谓系统，就是由相互作用和相互依赖的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。任何系统都可以看成是由若干子功能单元构成的总系统。由于某些子功能单元具备良好的互换性和通用性，通常可以将这些子功能单元从总系统中分解出来，经过优化使之成为标准化和通用化程度高的单元来进行单独生
33、产，这样的过程被称为总系统的分解；相反，为了达到一定的使用需求，按功能要求将事先设计生产好的标准单元、通用单元，再附以个别专用功能的单元，配置组合成具备某一特定功能的新产品，这样的过程称为总系统的组合。上面所说的各功能单元既称之为模块。因此，模块与系统一样是一个相对的概念。一个复杂的系统，可以按功能和层次体系划分为分系统、设备、整件、部件等模块，这些组成模块中的任何一个模块都是由下一层的模块组合而成。模块化就是针对某一具体的产品，根据系统工程原理的要求和预先规定的目标，将该产品总功能按功能和层次体系划分为若干子功能模块，再由子功能模块按用户性能需求以不同的方式剪裁，配置满足不同使用要求的产品总
34、系统。由此可见，模块化高度综合了通用化、系列化、组合化等标准形式，是标准化的高级阶段。2.1.2 模块化设计及其优越性模块化设计，就是在标准化理论的基础上运用系统工程的原理，将一复杂的工程产品分解成层次合理的简化、系列化、标准化单元模块，并用这些标准化模块组合成各种不同产品的过程。模块化设计通常是以产品的功能分析为基础，通过对功能、用途不同的各模块配置，实现基型产品和变型产品的设计，主要包括产品模块划分与模块配置组合两个过程，产品模块划分是功能模块划分和结构设计的过程，模块配置组合则是根据客户具体的功能要求，通过对模块不同的配置组合形成新产品。按照模块化设计方法，产品的构成层次和设计方法发生根
35、本变化，具备一定性能的功能模块成了设计制造单元，而且模块化设计要研制通用化程度高的标准模块库、专用模块库与相似零部件库。标准模块库的模块应具备产品一切不变的主参数特征，专用模块库的模块则能够实现某种独立的功能。进行产品设计时， 首先查找标准模块库和专用模块库，对不能直接使用的可在原有模块基础上进行结构修改设计形成新的功能模块，重新配置模块使之成品化，从而缩短研制周期。模块化设计是实现模块化制造暨社会化大生产的前提，也是充分发挥产品模块化方法优势的保证。采用模块化设计方法有多方面的优势，主要表现如下： 模块化设计有效提高了产品的市场竞争能力。当今市场竞争越来越激烈，6要求产品具备花样多变、性能各
36、异等特点，结构上也向高度的灵活方向发展。产品模块化设计方法特别适合品种多、结构复杂、批量小产品的设计与生产。 模块化设计利于新技术的研究与开发。模块化设计在很大程度简化了产品的设计工作，避免了产品设计中许多的重复工作，便于产品优化设计和变型设计， 易于形成新产品。这对产品生产周期的缩短，产品的更新换代，提高产品的稳定性、可维修性和综合保障能力，减少产品全寿命周期内的经费投入具有很大意义。 模块化设计便于实现社会化大生产。通过采用模块化设计方法，可将非标准单件的复杂产品的研制与生产，转换成结构和工艺相同模块的批量生产，使得产品设计与生产过程简化，便于产品生产自动化和工艺标准化的实现，缩短了研制周
37、期，提高了产品生产效率，降低了产品成本。 模块化设计增强了产品的稳定性。对于品种多、批量小的产品，通常因为结构多变、生产工艺不稳定，从而导致质量可靠性不高。采用模块化设计方法利于经验积累，模块的大批量生产有利于提高模块的加工精度，从而保证产品的质量。 模块化设计增强了产品的可维修性。模块化产品具备结构简化、接口标准等特点，利于对易损模块集中的分析与设计，有利于产品的维修及更新换代。 模块化设计使得复杂产品的设计与生产具备了分区、分道建造、检验、调试等特点，从而在很大程度上避免了可能的返工及工程之间干扰的现象。 模块化设计便于组织产品的分布式生产和分布式控制，利于产品异地设计、生产和调度的实现。
38、2.1.3 模块化系统的分类模块化系统划分，依据不同的标准划分方法也不同，比如，按产品模块使用情况分类，可分为纯模块化系统和混合系统；按模块组合可能性分类，可分为闭式系统和开式系统。本文研究的主要是按模块实现一定功能分类，主要分为以下5 种类型。 基本功能是产品系统中基本的、重复率高的、必须的功能，在系统设计中基本保持不变，对应模块称为基本模块，例如无心外圆砂带磨床中的张紧轮等。 辅助功能主要指完成连接和安装运用的功能，对应模块称为辅助模块。例如，一些用于连接的压块、连接件等。 特殊功能是用于表征系统中某系列或几种系列产品特殊的、有待扩展的功能，对应模块称为特殊模块。 适应功能是用于功能系统之
39、间或边界条件相适应所需的可临时改变的功能，对应模块称为适应模块。此类模块的尺寸可基本确定，只是因为一些未能预知的因素，某些尺寸须根据具体情况予以更改，以达到预定要求。例如，垫块即7可构成这种性质的模块，其厚度尺寸根据具体要求是可变的。 用户专用功能指根据用户需求特别指定的、不能预先设计的功能，该功能因其不确定性和极少重复使用，由非模块化单元实现。其中功能的模块属于标准模块库，也既可标准化、模块化的非标常用件， 此类模块占据了产品零部件结构设计的70%80%。此类模块是本论文研究的重点，论文将在分析无心外圆砂带磨床模块划分的基础上，重点研究此类模块的参数化建模和模块库的建立；功能的模块属于相似零
40、件库，功能的模块属于专用模块库。2.1.4 模块化设计研究运用的基本原理和方法 运用的基本原理在进行模块化产品设计与开发时，遵循了以下基本原理：相似性原理、分解与结合原理、相对独立性原理、层次压缩原理以及模块优化原理14。1) 相似性原理相似性的四种基本形式有几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性。通过梳理与归纳，对产品模块几何形状之间、模块结构之间、模块或产品功能划分之间以及模块处理过程之间的相似性进行分析与整理，形成通用化、标准化零部件模块、系列化的产品结构和规范化的模块处理过程，这样利于减少产品结构内部的多样化和复杂性。2) 分解与结合原理模块化设计本质上就是以系列产品模块体系为
41、基础，运用系统分解与组合理论进行产品设计的一种新的方法。根据系统工程原理，产品总系统可以划分为若干个子功能系统，子功能系统又可以进一步划分为若干具备某特定功能的单元， 这些单元又可以划分为一些基本的组成要素等。功能子系统、独立子功能单元和部件基本构成要素组成了产品不同层次的模块，而产品则是由具备不同工作原理或功能不同的模块配置而成的。3) 相对独立性原理进行模块研制时模块必须具备一下几方面的特点，首先模块应该具有一定的独立性和从整体分离的可能性；其次模块可作为“黑箱”独立流通于市场，不能因一个模块要与某个模块连接而在结构上必须作为它的附属装置才能完成自己的特殊功能，即保证每个模块的相对独立性；
42、最后还必须具有良好的通用性和互换性， 通过更换模块组合成多种变型产品；而且要便于单独组织生产、便于售后服务和升级更新等。4) 层次压缩原理产品的结构可以运用树状结构进行层次描述，树状结构的层次多少间接反映8了产品的复杂程度和制造难度。通常产品结构层次越多产品的研制与生产周期就越长，合理压缩产品的层次简化产品的结构，不仅可以缩短产品的研制与生产周期，而且还能简化产品研制过程。产品层次压缩的主要方法是提高模块的“功能集成度”和外购现成的部件模块。5) 模块优化原理研制产品模块化体系时需要对模块进行分离和优化。优化的目标：尽量使模块内的结构、信息和功能等的关联度达到最大；尽量使模块间的结构、信息和功
43、能等的关联度最小。模块优化后应具备较高的功能集成度和利于产品的结构的简化。 运用的主要方法论研究模块化设计方法需要结合一些其它的设计方法，主要采用方法和手段介绍有15：1) 系统工程法正确运用系统论的原理研制模块化体系系统是开展模块化设计并取得良好设计效果的基础。系统工程法内容很多，在模块化设计研究中主要运用其中整体分析法和系统分析法。整体分析法是指从全局出发综合考虑各要素的组成、结构、性质以及功能的方法。在进行模块化设计研究时通才对产品市场调查准确掌握用户对产品的总体需求情况，接着是对产品作模块化设计的准备和制定计划，最后分析明确模块化设计的应用领域，即建立详细的模块化设计总体方案、宏观控制
44、和调控。系统分析法是用来解决大型复杂系统的一种综合分析方法，主要是对系统进行“分解”与“综合”，在结构和功能分析的基础上将大系统分解为子系统，对子系统进行优化处理，然后将子系统重新组合成优化的大系统。任何一个复杂的系统都可以通过分解，将之简单化。在模块化设计系统中，通过对产品功能的分析，得出总功能下的各个子功能，然后对子功能进行相关度分析，进而确定了模块，再选择合适的模块重新组合成新的产品16。2) 标准化方法标准化是模块化设计的前期步骤和必要条件，是降低产品内部多样化成本的方法。主要从零件、材料、特征和工艺四个方面进行产品的标准化。3) 类型学设计方法类型学为我们提供了产品设计的新思维和新触
45、角，它的设计本质是简化抽象与还原，表现出的设计过程为类型选择类型简化类型转化与组合，最终产生多样化的新类型。产品模块化设计可以是一种基于类型学原理的通过标准的模块来实现产品多样化的创新设计。4) 质量功能配置法 (QFD 法)9QFD 法即 Quality(质量)、Function(功能 )与 Development (发展)。QFD 方法是建立在产品和服务应该按照顾客要求进行设计的观念基础之上，所以顾客是整个过程中最重要的环节，它是一种将客户需求转化为详细设计说明的有效方法， 它的核心是绘制客户需求关系图表，将客户对需求的定性描述转化为供设计人员使用的定量数据，以保证资源的合理运用。5) 层
46、次分析法在产品模块化设计系统评价和客户需求优先排序中，主要运用的方法是层次分析法，通过评价指标两两比较，将复杂无序的定性问题进行量化处理。6) 黑箱法黑箱法是暂时忽略内部因素，着眼于系统的输入、输出关系来分析系统总功能的方法。在产品模块化系统中，一般的设计人员将模块作为“黑箱”对待，不必考虑它的内部构成，只需了解模块与模块间的接口关系。相对应的是模块设计者把模块当作“白箱”处理，详细地了解其功能和构成结构。本文后续部分将提出采用灰箱法来对产品进行设计开发。2.2 模块化设计的关键及模块化程度评价2.2.1 模块化设计的关键 模块标准化和通用化模块标准化和通用化是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化和通用化。模块化设计所依赖的是模块的组合，即连接或啮合，又称为接口。显然，为保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和互换性两个特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。比如，为保证模块的有效组合，具有相同功能、不同性能的单元要具备相同的安装尺寸和相同的安装界面才能实现。 模块的划分模块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度、性能稳定、结构简单、成本低廉、且模块结构设计应尽量简单、规范，模
