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工业设计/产品设计 |
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模块化设计思想在工业产品造型设计中的运用 |
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1 机械加工的特征
第一次工业革命后，机械加工逐步成为产品加工成型的主要手段，特别是机械工业产品。机械加工以产品的系列化，加工的标准化，形成零、部件具有通用化、互换性，显示了它强大的生命力。
系列化的目的在于用有限品种和规格的产品来最大限度、且较经济合理地满足需求方对产品的要求。组合化是采用一些通用系列部件与较少数量的专用部件、零件组合而成的专用产品。通用化是借用原有产品的成熟零部件，不但能缩短设计周期，降低成本，而且还增加了产品的质量可靠性。标准化零部件实际上是跨品种、跨厂家甚至跨行业的更大范围零部件通用化。由于这种高度的通用化，使得该零部件可以由工厂的单独部门或专门的工厂去单独进行专业化制造。
2 机械的设计特征孕育了模块化设计思想
一般产品设计都具有一个明确的使用功能，机械产品的总体使用功能是通过各个结构来实现的。由于机械产品的结构与功能之间并非是一一对应的关系，一个结构实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种结构实体予以实现。可以视机械产品中的实体结构为结构模块，将机械产品的总体功能分解若干个子功能，功过结构模块将功能模块转化成实体模块，从而实现总体功能。模块化设计方法视产品具有某种功能的实现为整体结构模块，通过各个结构模块的组合，实现产品的整体方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。综上所述，模块化设计思想是建立在系统化设计方法的基础之上，将设计任务由抽象到具体（由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构）进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，整个设计过程系统化，设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。可见，运用建立在系列化基础上的模块化设计思想，已成为现今机械产品设计的一个趋势。在保持产品基本模块的基础上，通过模块化、系列化设计，可以方便地实现内部功能的整合、外部功能的扩展，既保持了成熟产品的内在优势，又大大拓宽了产品创新发展的空间。产品系列化、组合化、通用化和标准化孕育了模块化设计技术。
3 模块化设计思想对工业设计的影响
模块化思想起源大工业生产，其目的在于简化设计程序和制造过程，缩短产品研制和设备准备的时间。工业设计涉及的内容较广，曾经对世界经济的发展做出过重大的贡献，工业设计主要任务是研究产品与人之间相互协调的关系，工业产品的结构形态是工业产品造型的载体。伴随着现代科学技术深入和分工进一步地细化，将在机械加工方面获得成功的模块化设计思想引入工业设计，能协调设计中多个需求，实现整体系统、创造多个不同的形态并降低产品成本的一种有效方法和有力的尝试。
工业设计专业是基于机械化大工业的基础上诞生发展的，在他身上带有明显机械的标准化、批量化、组合化、通用化等痕迹，在现代加工成型的3种主要手段中，机械加工成型，在企业中至今仍占有一定的比例。模块化设计思想在机械加工中成功地运用，必然会影响工业设计的模式；产品的成型与产品设计程序、产品形态的美观与实用效果、加工工艺、材料选择、运用何种科学技术，用什么样的加工设备、使用的环境和要求、经济定位等因素都会对产品的造型设计形成阶段性的影响。
4 模块化设计原则
机械产品的模块设计，是以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品通用零、部件等，描述设计任务，即分解系统时就考虑每个分模块是否对应的产品功能目标，这样，能够在产品规划阶段就消除设计模块中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。传统的机械设计将模块设计的功能化产品结构分为4层，产品-功能组成-主要功能组件-功能元件。见图1，并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、降低制造风险十分有利。
图1 四级系统模块图
提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构，组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将工业产品由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。
在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解出与机构型式最佳相对应功能子模块。“结构建立”模块则作为满足功能要求，选择对象以便于实现总体功能的结构设计。
5 模块化设计思想在产品造型设计中的运用
随着科学技术的深化和知识的爆炸，现代产品往往是集多种技术于一身，通常是由多个专家组成的研发小组或专家组共同协作和打造，特别是高新技术含量较高的电子、家电、通讯器材等产品，这已形成现代高科技产品的设计特点。二极管泵浦固体激光机的产品造型设计，就是一个典型的例子。
根据机械产品模块化分级思想，二极管泵浦固体激光机在外形上看，主要由机座、输入、输出控制部件、激光部件等几个主要部件组成，所涉及的技术有激光、结构工艺、冷却系统、液压系统、计算机软件编成和接口、电工、电子技术等，每一个专业技术系统都由相关的专家负责，这些技术系统最后，通过工业设计师根据造型设计组合到由机座、控制部件、激光部件所组成的整体机体中去。由于专业功能系统形成的组合界面，又时呈硬形态（固定形态），有时呈出软形态（非固定形态），这为工业设计师设计多种形态创造了良好的条件。
由于专业的限制，特别是在高新产品造型设计中，工业设计师不能直接参与实现产品总功能的各个专业子系统的设计，而是将产品的总体功能设计目标转化为多个总体结构形态模块，见图2。
然后将产品的总体功能，分解成为各个二级专业功能模块，如：根据现在科学技术的分工，二极管泵浦固体激光机根据所涉及的技术分为激光、结构工艺、冷却系统、液压系统，计算机软件编成和接口、电工、电子技术等专业模块。工业设计师根据总体造型设计要求和系统功能要求，综合考虑、权衡、合理设计整体形态造型与专业功能子系统之间的相容关系，工业设计师根据人机工程学法则和美学法则，进一步分解形态模块，二级以下的专业功能系统，则由各个专业的专家进一步分解形成，见图3。
可见，工业产品造型设计中的模块建立的思想与机械设计中谈到的模块建立稍有不同：机械产品设计是有明显的功能目的性的，将产品根据制造合理、加工容易实现等条件，分为各个相应的零、部件，形成模块，其功能与结构之间的关系较稳定，模块可以由实体结构呈现，也可以由功能块来实现。而工业产品造型设计总体功能目的的实现，有以下几个特点：（1）首先必须由工业设计师将系统功能目的转换成系统整体形态系统，（2）根据各个专业子模块的要求，将产品整体功能目标系统分解成各个专业子系统模块体系，见图4;
(3)各个专业的专家根据二级功能模块的要求，进一步分解功能子系统。当然，简单的产品造型设计（如：实木家具、服装等产品），可以直接通过功能模块体系转化成总体形态模块来实现。在现代产品造型设计中，整机的造型及结构设计，二级以下的专业系统模块主要是由各专业设计师，根据产品总功能，在系统内进一步分解形成结构单元模块（其中可以是硬模块、也可以是软模块）。运用模块设计思想，对在同一个工业产品造型设计中，各个子模块因追求不同功能目标，而导致各模块之间在方法与结构形式方面形成相互冲突，综合考虑、权衡、合理分配各目标，取得相对满意的结果是行之有效的方法，解决系统中模块之间在形态、技术、结构的衔接和协调的问题，专家系统、模块设计、优化等手段都在这一领域获得了充分的发展空间。
6 结语
从总的产品造型设计方面来看，国内工业设计专业模块化设计应用并不是十分广泛。究其原因，在于工业产品造型本身的复杂性及多样化，虽然模块化设计在工业设计中已有成功的先例，但在工业设计中广泛运用模块化设计方法，还需要做大量的基础工作，其中最主要的是大多数工业设计师，目前还不能运用现代科学技术加工成型知识，以及大量机械加工模块化成功的经验，推动工业产品造型设计模块化的发展。在工业产品整体造型设计中，针对产品整个生命周期各个目标的模块化设计方法，可用于新产品的模块化设计、非模块化产品的模块化设计，以及现有模块化产品的改进模块化设计来实现。其步骤设计方法如下：
（1）确定该模块化产品的目标域。包括：要达到的目标、功能、目标的重要性程度；对总目标总功能起作用，同时与模块化设计相关的各种因素进行描述、定义；设计种类（全新设计、适应型设计、变型设计）；生命周期；设计规模等。
（2）分解和划分整体功能模块。首先，根据产品所涉及的技术范围，分解出二级功能模块和部件模块。若是开发性设计，则构造出功能结构框架；对适应性设计，则从现有产品中构出各模块之间接口形式。然后，确定各模块的目标。
（3）针对要实现的目标，从安装形式、空间几何关系、实现功能种类等几方面对基础模块进行分析，定义出量化的对目标的影响因素值及两两零件相连的重要性程度值。
（4）模块设计。加入适当的约束条件创建模块，形成一个模块数量减少的模块化产品；根据整体功能目标，可以对约束、目标进行调整、迭代，求出或多种方案，用于优化、比较［)］。在产品造型设计的实际应用中，要求工业设计人员具有较高的技术水平和美学创造、表达能力，在产品开发的环境中，能够准确地抓住各个专业系统的特点，用简练的专业语言和绘画语言表达模块接口特征，采用模块组合设计，有效管理模块化、系列化产品组织的复杂设计，并将总体的设计意图和方案有效贯彻始终。通过循环优化，完成产品的整体设计，并及时丰富和完善模块化与系列化的资源库。模块化设计在产品造型设计中应用体现了发展思路、设计思路、管理思路的变革，工业设计师运用模块化设计思想开发产品造型设计，通过严谨细致的全面规划，充分利用专业系统的建立，专家对专业系统的研究，最大程度地降低了各方面的研制风险，节省了开发费用、缩短了研制周期，提高了产品质量和可靠性。同时，通过整合、规划、改造成熟产品造型，使原有的产品系统焕发了新的活力。(end)
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(2/12/2008) |
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