关于模块化设计在工业产品造型设计中应用的探究

冯 颖

（华南理工大学广州学院，广东广州，510800）

关于模块化设计在工业产品造型设计中应用的探究

冯 颖

（华南理工大学广州学院，广东广州，510800）

模块化设计是通过对各种不同模块进行组合的方式，协调设计中的各种不同需求，充分利用企业的有限资源生产出更多的产品品种，这种设计方法充分运用了计算机成型技术和虚拟表达、多媒体技术等现代科学技术,可以有效的减少设计成本，因此在产品造型设计中应用十分广泛。本文主要是主要是在分析了模块化关键技术的基础上，通过具体实例分析了模块化设计在工业产品造型中设计应用的可行性。

模块化;工业设计;工业产品造型;技术

0 引言

随着科学技术的发展，企业之间的竞争也越来越激烈，若想在竞争中处于优势地位，工业产品设计就要争取在最短的设计周期内实现产品设计的创新，从而在保障质量的前提下减少了生产成本。而传统的设计方式已经渐渐无法与时代的要求相符合，模块化设计通过产品结构、设计过程的重组，以大规模生产的成本实现了产品的批量化及个性化，既保障了产品功能、品种的创新，又实现了成本最小化的目的。目前，模块化已成为工业产品设计的一个重要发展方向，已经成为实现产品多样化的主要途径。

图1 四级系统模块图

1 模块化概念及设计原则

1.1 模块化概念

模块化实际上就是将模块的概念应用于产品的规划重组当中。产品的模块化设计是在对某些具有相同功能而性能、规格等方面存在差异的产品，或者是具有不同功能的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，将这些模块进行重组就可以创造出各种不同的产品，从而更好的适应市场对各种产品的需求。

1.2 模块化设计原则

工业产品的模块化设计实现，首先依据的是功能化的产品结构，再借助已有产品通用的各种部件来描述设计任务，也就是说在进行系统分解时就已经考虑到了各个分模块与产品功能的对应情况，从产品设计的初期就可以预测产品设计的整个过程将产

生的费用等，进而提高了设计效率，也节约了设计成本。在本研究中将工业产品设计的功能化产品结构分成产品、功能模块、主要功能组件、功能元件四个层次（如图1）。通过运用这种功能化产品结构分析，将产品分解成对应各种功能的模块，然后将这些模块按照一定的规则进行重组，组建出各种产品来。运用软件构件技术和CAD技术,将变形设计和组合设计结合起来,根据分级模块化原理,将工业产品分成不同的级别,再进行功能模块分组,最后由这些功能模块组合成各种不同的产品。

1.3 模块化设计步骤

我们在本次研究中将模块化设计分成两个层次，其一是针对系列产品的设计，在设计过程中首先要进行市场调研，根据调研结果进行模块化设计；其二是针对个别产品的模块化设计，在设计过程中主要要分析清楚购买者的具体要求，然后依据相关技术进行重新搭配和组合产品，总之，模块化设计是在按照相关技术系统进行的设计步骤，如图2：

图2 模块化设计步骤

2 模块化设计的关键技术

Pahl将模块化设计分成了三个层次，即系统分析阶段、模块化产品设计、模块选择、模块综合模块系统设计，通过这三个阶段循序渐进的进行进入到具体的设计工作当中。那么针对这种层次划分的思路，本文介绍了几种需要用到的关键技术。

2.1 模块识别

模块识别实际上是一个比较复杂的，对各种影响因素及目标进行优化的过程。模块识别的一般方法就是相关性分析，即对产品的各个组成部分从功能或者是结构方面进行相关性分析，将这些组成部分进行聚类就形成了模块（图3）。从功能的相关性分析看，主要是将产品的各个功能分解成相应的子功能，再根据相关影响因素进行聚类分析，从个子功能间的功能、装配、信息和空间相关的角度对功能进行分类划分，并制定出一种功能模型建模方法，将模型中各子功能跟产品中传递的能量流等相关联，参照客户需求建立功能--需求数据库。从结构相关性分析来看，主要分析其结构布局和结构部件的组成及其之间的联接方式，结构作为功能的载体，功能的聚类会映射为一定的结构体，通过相关性分析和计算将结构组成部分聚集成模块，最终通过模块识别优化了工业产品的模块化设计。

图3 基于聚类分析的模块识别

2.2 模块接口

模块接口是进行模块组合的有效依据，它实际上就是模块间相互结合的部分。对于工业产品的设计来讲，接口是非常重要的，它不仅在模块化设计中占据重要地位，在整个工业产品的设计过程中都占据重要地位。关于模块接口主要涉及两点内容，一是接口本身的设计加工技术，二是接口的管理技术，即接口数据库管理和模块组合测试等。据相关资料显示，已经研制出了一种基于公理设计的接口设计方法,而且还可以通过DFMA软件来评价设计方案，选择出最佳的接口设计方案。

2.3 模块编码

影响模块化设计的种种因素中，模块编码也是十分重要的一部分，是否能够选择合适的模块编码直接影响着模块选择和组合，进而影响到整个产品设计过程。目前，我们已经实现了模块的计算机辅助组合，并在这一研究的基础上研制了非定长的模块参数码,这样就能够将模块本身的功能和结构参数准确的进行描述。

3 模块化在产品造型设计中的应用

模块化设计在国内产品造型设计中的应用十分广泛，如在机床行业，德国SARMANN公司的键铣床,法国HURON公司的模块化铣床等，北京第一机床厂、天津第一机床厂等；在电子行业中，计算机模块已经实现了自由互换和匹配,而随着CORBA组件技术的发展,软件模块化程度也在不断的提高。本文主要以二极管泵浦固体激光机的产品造型设计为例来研究模块化设计的应用。

从工业产品的模块化设计角度来看，二极管泵浦固体激光机在外形上主要包括机座、输入、输出控制部件、激光部件等,其产

品设计中包含的技术有激光、结构工艺、接口、计算机软件编程以及电子技术等（如图4），在相关人员对这些技术的应用进行分析研究的基础上，设计人员根据造型设计组合到由机座、激光部件等组成的产品当中。因为受到专业技术知识的限制，设计人员并不能参与产品各个系统的设计，而是将产品的整体功能分成各个模块，例如在本次研究中我们就根据二极管泵浦固体激光机涉及的不同技术和造型上的不同要求，将其分成了各个模块，由不同的专业人员分工来完成（如图5）。在运用模块化设计方法进行产品造型设计的过程中，为了避免由于各个子模块功能目标的差异带来的模块间在方法和结构上的冲突，要注意运用相关的优化手段综合考虑、权衡、合理分配各目标。

图4 二极管泵浦固体激光机技术系统

图5 二极管泵浦固体激光机组件系统

4 结论

产品模块化设计能够实现产品的多样性，同时可以满足更多用户的要求,这就要求在产品造型设计的实际应用中,工业设计人员可以清楚的分析各个专业系统的特点,采用模块组合设计,并有效的对模块化工业产品造型设计进行管理，通过DFMA软件进行优化选择的基础上实现产品造型设计，并不断的对模块化与系列化的资源库进行完善。工业产品造型设计中运用模块化设计方法可以有效的减少产品研制风险，降低研究成本，通过对各种产品造型的整合和改造,最大限度的提高产品质量和产品创新能力。

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冯颖，女（1979.9—），汉族，湖南衡阳人，硕士，讲师，研究方向：工业产品造型设计

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