建筑设计的模块化研究

建筑设计的模块化研究（共12篇）

建筑设计的模块化研究 篇1

0 引言

随着制造装备业的快速发展, 机床的更新换代不断加速, 为了缩短开发周期, 以最快速度响应市场变化的需求, 模块化设计具有重要意义。模块化设计是通过模块之间的重组性及互换性, 创建出不同功能的产品, 它不仅使企业在市场竞争者中掌握主动权, 而且为创新设计和变型设计提供依据, 为实现敏捷制造奠定基础, 因此, 本论述就模块化设计的原则进行探讨。

1 有关模块化设计的概念

1.1 模块的概念

模块作为模块化设计的基本要素, 是指系统中结构独立, 彼此之间存在定义好的接口, 且具有一定功能的零件、组件或部件。一个部件成为模块的条件是:部件的功能、空间以及其他接口特征存在于模块化产品的特定标准接口允许的范围内。

模块根据功能可划分为:基本模块、辅助模块、特殊模块等。

(1) 基本模块:实现系统中最基本的功能, 是不可缺少的模块。

(2) 辅助模块:实现系统之间连接的模块。

(3) 特殊模块:实现特殊功能的模块。

1.2 模块化设计的概念

模块化设计应用于机械、电子、家具等诸多行业中, 通过模块之间的相互组合, 可设计出不同的变型产品。基本概念是:为了开发多种不同功能结构, 或相同功能结构而性能不同的产品, 不必对每种产品单独进行设计, 而是精心设计出一批模块, 将这些模块经过不同的组合, 构造出具有不同功能结构和性能的多种产品。

模块化设计以用户需求为导向, 通过市场调研和经济技术评价, 确定模块的系列型谱。模块的系列型谱分为纵系列型谱、横系列型谱、跨系列模块。纵系列型谱为系统中模块的功能及原理方案相同, 结构相似, 但尺寸参数不同。例如, 德国SHW厂生产的工具铣床, 只需改变床身和横梁2个基础件的高度和长度, 就可以得到3种纵系列规格的产品。横系列型谱是在一定基型产品的基础上更换或添加模块, 以得到扩展功能的同类变型产品。跨系列模块为采用相同的基础件和通用件的不同类型产品。但机床行业的模块化设计并不是各模块之间的简单拼接, 模块的强度、刚度以及接口的标准化都是模块化设计过程中的难点, 因此, 如何系统地协调各模块之间的关系是机床模块化设计研究的一个方向。

2 模块化设计的步骤

2.1 明确任务

以市场需求为导向, 明确产品的总功能, 在市场调研的基础上, 以需求最为广泛的作为主要模块, 摈弃市场需求较少而又制造代价高的模块。例如, 以车床的需求为例, 通过一些企业的调查, 无尾座的切削占60%~82%, 因此, 无尾座的设计作为主要模块, 尾座可作为特殊模块类设计。

2.2 建立功能结构

此阶段的主要任务是在明确总功能的基础上, 进行功能分析, 划分各个子功能, 再转化为相应的功能模块。见图1所示, 模块分类图。总功能分解为基本功能、辅助功能、特殊功能, 转化为相应的模块。以车床为例, 首先通过市场调研, 明确任务, 根据车床的切削原理, 划分为4大基本功能, 再具体化为九大功能模块, 以便组合成不同功能的车床, 见图2所示。

2.3 确定模块的系列型谱

模块化设计在应用时也应该遵循系列化设计的原理, 即:每类模块具有多种规格, 而每种规格参数按照优先数系的公比划分。若公比小, 则模块划分较细, 虽可能组合成较多的变型产品, 但系列型谱内的许多优点得不到充分发挥。反之, 若公比较大, 模块划分过粗, 得到的变型产品规格种类较少, 难以满足用户的需求。因此, 必须在市场调研的基础上, 通过全面的技术分析, 才能确定最佳公比。

2.4 各模块的组合

按照不同功能划分的模块, 组合时遵循以下原则: (1) 如何以较少的模块种类组合出尽可能多的产品为目的; (2) 各模块的结合面要保证具有良好的强度、刚度, 以满足零件抗震性的要求; (3) 尽可能遵循“四化原则 (标准化、系列化、通用化、典型化) , 以确保各模块连接时的通用性及快速更换。

对于机床而言, 各模块的组合并不是模块之间简单的拼凑, 接口部分是直接影响机床性能的关键部位, 据统计, 整机阻尼的70%, 刚度的60%决定于接口, 所以接口部分的设计在整个模块化设计中占有重要地位。

3 模块化设计的优点

模块化设计在缩短产品的制造周期, 快速响应市场, 加强市场的竞争力等方面有显著的优势, 此外, 模块化设计还有以下优点。

(1) 随着科学的发展, 用先进的技术设计出新模块, 取代旧模块, 提高产品的技术性能, 加快产品的更新换代。

(2) 采用模块化设计, 只需更换部分模块, 或设计更改个别零件, 就可推出满足用户要求的产品, 不仅缩短了设计周期, 而且提高了产品的更新换代。

(3) 模块化设计中的大部分零件都由模块组成, 如果机器发生故障, 只需更换相关模块即可, 因此, 维修方便, 耗时短, 对生产的影响较小。

(4) 模块化设计方法推动了整个企业技术、生产、管理和组织体系的改革。由于产品的大多数零部件由单件小批量生产性质变为批量生产, 有利于采用成组加工等先进技术, 有利于组织专业化生产, 即提高质量, 又降低成本。

4 应用举例

模块化设计在专用机床中最典型的应用就是组合机床的设计。所谓组合机床就是根据工件的加工需要, 以大量的通用部件 (据统计:组合机床的通用件与标准部件占零件总量的70%~90%) 为基础, 配以少量专用部件和夹具而组成的一种高效专用机床。图3所示, 典型的单工位三面钻床, 其中夹具7、多轴箱8、中间底座2为专用部件, 需要根据加工零件的结构自行设计外, 其余部件都为通用件与标准部件, 用户根据不同的需要可将通用件模块与标准件组合成不同形式与功能的机床。组合机床采用采用模块化设计原则, 不仅缩短了制造周期, 维修更换零部件方便, 而且由于组合机床采用多刀加工, 自动化程度高, 提高了经济效率。

1.滑台;2.中间底座;3.侧底座;4.立柱底座;5.立柱;6.动力箱;7.夹具;8.多轴箱;

5 结束语

在制造业高速发展的今天, 模块化生产本着“以最少模块组合出尽可能多的产品”为原则, 以低成本和快速响应市场为切入点, 解决了品种、规格多样化和成本之间的矛盾, 找到了它们的最佳平衡点, 为精益-敏捷-柔性化的制造业发展趋势打下了坚实的基础。

参考文献

[1]关慧贞, 冯辛安.机械制造装备设计[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[2]刘纪超, 李晓舟, 许金凯.产品模块化设计方法及其发展趋势[J].机电技术, 2015 (3) :157-160.

[3]侯亮, 唐任仲, 徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展[J].机械工程学报, 2004, 40 (1) :56-60.

[4]李琴兰.机床模块化设计技术研究[J].河南科技2011 (21) :62-63.

[5]蔡业彬.模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J].机械设计与制造, 2005 (8) :154-156.

[6]欧阳中和.浅论机械产品模块化设计技术[J].装备制造技, 2007 (11) :104-105.

[7]龚京忠, 吴宝中, 李国喜, 等.产品模块化设计通用支持平台的研究开发[J].机械制造, 2006, 44 (502) :30-33.

[8]刘小鹏, 张卫国, 钟毅芳.机床模块化设计中的模块创建及应用[J].华中理工大学学报, 2000, 28 (5) :16-17.

[9]于英华.组合机床设计[M].北京:清华大学出版社, 2012.

建筑设计的模块化研究 篇2

所属年级： 指导教师：

课题组成员（有哪些人参与本课题的研究）：

一、研究性学习开展的背景

背景说明（怎么会想到本课题的）： 课题的意义与价值（为什么要进行本课题的研究）：

二、研究性学习的教学目的按照新课程标准的三纬目标阐述进行研究性学习的教学目的。

知识与技能：

过程与方法：

情感态度与价值观：

三、学习者特征分析

重点分析学生有哪些共性、有哪些差异，尤其对开展研究性学习有影响的因素。智力因素方面：知识基础、认知能力、认知结构变量。

非智力因素：动机水平、归因类型、焦虑水平、学习风格。

四、研究的目标与内容

课题研究所要解决的主要问题是什么，通过哪些内容的研究来达成这一目标，学生可能的选题内容是什么：

预期成果及其表现形式（研究的最终成果以什么样的形式展现出来，是论文、实验报告、实物还是其他形式）：

五、资源设计

根据主题教师提供的资源：

学生自行准备的资源：

六、研究性学习的阶段设计

在这里先概述一下整个研究性学习活动时间的安排，以及各活动之间的关系，包括评价的设计。

研究性学习的阶段 学生活动 教师活动 起止时间

第一阶段动员和培训阶段（初步认识研究性学习、理解研究性学习的研究方法）

第二阶段 课题准备阶段 提出和选择课题 列举课题名称

成立课题组

形成小组实施方案

开题报告和评审

第三阶段课题实施阶段

第四阶段评价、总结与反思阶段

七、总结提高

建筑设计的模块化研究 篇3

关键词：高职；平面设计；模块化课程；实践

当前，国家高等教育环境营造良好，作为高等教育重要的组成部分之一的高职教育也进入更深层次的改革发展阶段。国家教育部副部长鲁昕在全国高职高专校长联席会议2015年年会上的讲话中指出，“高职发展站在新的起点。”[1]不容置疑，近年我国高职教育发展迅猛，但透过繁荣表象的背后，当前高职教育实则面临诸多困难，不少问题与矛盾有愈演愈烈之势，正如教育部职业教育与成人教育司巡视员王继平针对专家提出的问题回答的那样，“职业教育仍是教育领域的薄弱环节。”[2]在经过了初创、发展、创新、保持等诸阶段后，高等职业教育正进入一个更高起点的发展阶段。

1 高职平面设计工作室课程现状

通过调研分析，目前高职平面设计课程呈现出以下特点：

1.1 课程设置仍受本科教学的影响

1996年，全国人大通过并颁布了《中华人民共和国职业教育法》，从法律上确定了高职教育在我国教育体系中的地位。而本科教育作为高等教育中的中级层次，是高等教育的主要骨干力量。我国的平面設计和发达国家相比存在较大的差距，本科教育尚且如此，作为低于本科教育阶段的高职教育在很长的时间里都沿袭本科教育的路前行。虽然当前高职教育在办学理念、办学条件、师资队伍建设和培养人才质量等方面有了较大改观，也形成了自己的课程特色，但在整体课程模块和框架设置上仍无法摆脱本科教育的大框架。

1.2 课程设置与市场需求对接不够

当前职业教育行业空间大，市场的多元化发展为高职教育的发展提供了机遇。[3]换言之，社会需要高职教育，高职教育就必须为市场和地方经济服务。这也是高职教育的社会价值所在。因此，市场被看作是检验学校教育质量的标准。近年来，各院校越来越重视校企合作，通过召开专业研讨会、课程改革座谈会、校企合作洽谈会等措施优化平面设计专业，整合课程，提高人才培养质量。但由于学校教育和行业在师资管理、教学实施、设备更新、教学理念等方面存在一定分歧，校企无缝合作存在难度，在课程设置上与职业岗位实践的要求衔接仍然不够。这种情况会大大削弱高职教育的功能，无法彰显职业教育的特色。

1.3 工作室模块化课程体系没有建立

高职教育课程模块结合自身特点包括通识性课程、专业群基础课程、岗位能力课程。在这三大模块中，岗位能力课程对接市场岗位需求，对学生就业的竞争力起着关键作用。但目前高职教育平面设计的岗位课程多是以印刷物为媒介的视觉传达设计。课程设置没有形成项目模块，仍然是单一的课程。

2 高职平面设计工作室模块化课程的研究与实践

通过对高职平面设计课程现状分析，发现问题，结合我院专业特点，寻求解决问题的有效途径。

2.1 项目工作室

“工作室”制教学模式，指的是以工作项目代替简单传统的课程任务，将教室与生产实践融为一体，将传统的学校封闭式教学变为面向生产实际的开放式教学，以课程知识为基础，以专业技术的应用为核心，以承接技术项目为主要任务，将生产与教学紧密结合，由教师带领学生在承接和完成生产技术项目的过程中完成综合专业技术的训练。

高职项目工作室提倡“以工作过程为导向”、“充分发挥学生的主观能动性”，由教师团队和企业共同指导学生完成项目，学生是项目执行过程中的主体，教师是其服务者、指导者，企业是最终的评委。具体地讲就是把实训项目贯穿教学，采取企业或公司出项目——项目贯穿教学——教师和企业提供指导——学生方案被企业择优采用——给学生物质肯定或证书等形式的认可，从而推广学院和企业，达到双赢的教学效果。

2.2 岗位模块化课程体系

目前许多高校在教学改革中都提出了模块化课程建设，但由于市场需求、地方经济、行业特点以及学校政策和条件等方面存在问题，导致模块化课程实践无法落到实处。平面设计专业模块化课程构建必须针对平面设计行业岗位职业能力的构成要素，以工作过程为导向，将课程体系按照行业的实际工作流程进行重构。针对该专业各岗位需求确定核心能力，每项核心能力对应相应的课程包，而这个课程包会形成一个课程模块。掌握了每个课程模块，就会基本具备该岗位需求的核心能力。当然这个课程模块是移动且富有变化的，因为岗位需求的能力会随着市场的变化产生变化。

2.3 项目工作室模块化课程的研究与实践

我院艺术设计专业前期已进行了项目工作室的改革与实践，随着工作室教学模式的进一步实施，其课程建设就成为势在必行的工作。具体表现在对平面设计工作室现有的课程进行调整，针对平面设计师的岗位能力需求重新设置课程包，在每个模块中设置课程内容。同时把项目贯穿整个教学，在执行项目的过程中有针对性地学习课程，这样的好处有三点：一是工作室的项目来自于市场，能及时反映市场动态的变化，对课程有指导作用；二是基于真实工作过程的项目对学生乃至老师而言都有挑战性，能较大程度锻炼学生的实践能力，使学生由入门新手逐渐成长为设计能手；三是项目是鲜活的，项目的完成不但能创造经济价值，提高学生的学习积极性，同时能满足学生的专业荣誉感。

（1）平面设计各岗位职业核心能力分析（如图1所示）。

（2）项目工作室模块化课程的实施方法。确立严格依据项目进行课程设置的理念，按照“岗位职业核心能力分析表”中的能力从下往上进行讨论，既可以确保课程体系的完整性、逻辑的清晰性，又可以大大提高工作效率。由于高职教育的特殊性，学生在校学习时间较短，为充分提高学生的专业实践能力，缩短就业再培训周期，学生通过1～3学期的职业基本技能学习，4～5学期进入校内工作室项目实践的职业核心技能学习，教师边做边教，学生边学边做，在设计实践中提升发现、分析、解决问题的能力，完成由学生到职业设计师的角色转换，努力为第6学期的企业顶岗实习和就业实现“零对接”。

3 平面设计项目工作室模块化课程实施的保障

平面设计项目工作室模块化课程的实施离不开学院的政策扶持，企业的项目支持、行业的技术帮助以及双师型教师的教学支撑。

3.1 学院政策扶持

近年来学院高度重视平面设计项目工作室的课程改革，增添了教学设备，如写真喷绘机、覆膜机等，逐步实现产、学、研教学一体化。同时系部领导也大力倡导校企合作下的课程改革，并制定了相关的政策措施，如每年派教师外出学习，鼓励教师到企业锻炼，为学生提供实训岗位等。这些措施为模块化课程的顺利实施提供了政策保障。

3.2 企业和市场的支持

项目工作室模块化课程的实施离不开企业的支持，因为项目来自于企业，企业为学生提供项目实训的平台，这是完成项目教学、实施模块化课程的前提和基础。目前，我院平面设计专业在模块化课程研究实践的初期在各个岗位都完成了对接的项目（如表1所示）。

目前获得项目的渠道有三处：一是参赛项目包括全国大学生广告艺术大赛，四川省大学生艺术节等；二是从企业或行业中拿项目，稳定合作的企业或行业包括泸州市旅游协会、中国钢笔画联盟、泸州市龙腾文化传播有限公司、泸州市博物馆、泸州国窖醇酒业有限公司等；三是从互联网上找项目，如标志征集网。这里值得一提的是在和合作企业行业共同完成项目时，行业资深设计师的指导介入是完成模块化课程的有力保障。

3.3 “双师型”教师的技术支撑

基于真实工作过程的项目工作室模块化课程的构建对教师提出了较高要求。教师是项目实施过程的指导者，要掌控整个项目流程，既要具备教师教学基本能力，同时也要有行业实践经验，熟悉工作流程，了解市场前沿动态，寻找合作企业和项目。换言之，教师要具备企业设计师和学院教师的双重身份和双重能力，以确保项目的顺利进行。因此选派教师外出参加各类研讨学习，要求工作室教师到企业进行技术更新的自我培训，和行业设计师互相学习，共同完成項目课程的开发、实践和评价等措施培养教师的双师型素养。

4 结语

平面设计工作室模块化课程的研究与实践是基于真实的工作过程，在完成真实项目的时间、质量、评价方式等方面都以工作岗位为标准，既符合高职教育的要求，又符合行业和艺术设计专业特点。当然，课程改革面临如教师教学能力和实训能力的不平衡，获得项目方式的不稳定性，社会和行业的认知度还不高等问题。发现的问题或即将出现的新问题必然使课程改革成为一项长期的研究工作，而每一位设计教育工作者都会努力成为解决问题的人。

参考文献：

[1] 鲁昕.在全国高职高专校长联席会议2015年年会上的讲话[Z]. 2015.

[2] 王继平.教育规划纲要实施5周年·回眸与展望上答问[Z].2015.

[3] 马晓天，谢伟玉.职业教育，即将放开的千亿级蓝海——“十三五”教育系列报告之一[Z].申万策略.

[4] 唐春妮.高职艺术设计专业项目工作室教学模式的思考与实践[J].艺术与设计，2010（08）：50-51.

[5] 杨友妮，何劲.重构高职艺术设计专业项目工作室教学体系[J].高等教育，2009（02）：32-33.

[6] 王茂林，林南枝.高职艺术设计专业项目工作室教学模式的实践与研究[J].美术大观，2010（01）：41-42.

[7] 徐涵.以工作过程为导向的职业教育[J].职业技术教育，2007（34）：78-79.

建筑设计的模块化研究 篇4

机床的模块化设计可通过模块组合缩短设计周期,是应对市场个性化、快速多变的有效方法之一[1,2]。人们对机床能耗、材料利用率、环保性和安全性等要求越来越高,对机床可持续设计的要求不断增加,可持续设计将成为未来全球设计领域的主流理念[3]。在未来机床制造业,机床可持续设计和其加工精度、加工效率、制造成本等一样重要,甚至将是机床市场准入的重要指标。因此,建立面向现代机床设计、实用化的机床可持续设计评价的有效分析模型及其实现方法是十分必要的。文中在对机床模块化设计和评价的基础上,提出可持续设计指数( sustainable design index,SDI) 的概念并建立模型,对机床的可持续设计进行评价。

1 机床模块化设计及其评价

1. 1 基于公理化设计的机床单元划分

公理化设计( axiomatic design,AD) 是由美国Nam P.Suh教授于1990 年提出的一种能够指导设计过程的基本公理[4]。公理化设计的设计过程分为用户域、功能域、结构域和过程域。相邻的两个域中,左边的域是“要达到的什么目标( what) ”,而右边的域是“选择什么方法来实现左边域的要求( how) ”。

基于公理化的工具机床模块划分是根据公理化设计的思路对工具机床进行功能和结构模块的“之”字映射分解,将机床功能划分成最基本的功能单元,对应得到机床的最基本结构单元。以某型号的单轴卧式半自动铣床为例,单元划分结果如图1 所示。

1. 2 机床模块聚类

将工具机床划分为最基本单元后,需要进行模块聚类分析。以基本单元为基础,通过分析各基本单元之间的功能相关度,将功能密切相关,相互协作完成某一功能的单元作为同一模块。通过聚类分析,将机床划分为9 大模块。其基本组成如下,床身单独一个模块; 立柱模块: 立柱、升降丝杆、立柱托板和纵向丝杆组成; 切削头模块: 切削头箱体、主轴、传动轴和刀轴组成; 电动机单独模块,工作台模块: 工作台和工作台底座组成; 液压夹具模块: 夹具液压缸和液压缸底座组成; 液压润滑模块: 润滑液压缸和液压缸底座组成; 水冷却模块: 水箱和水箱接头组成; 电气控制模块: 按钮和行程开关等电气元件组成。

1. 3 机床模块化设计的评价

完成机床的模块化设计之后,选取模块度和复杂度两项指标对其设计结果进行评价。

a) 模块度评价

机床模块度的计算可以从两个层面开展: 模块层和机床层。模块度是指模块或机床的模块化程度[5]。模块的模块度大小取决于组成该模块的各零部件之间的关联度大小,及其和其他模块零件部件的关联度大小。零部件间的关联度可以分为各个方面,文中将从功能交互性、结构交互性和物理交互性对其进行分析。

功能交互性: 功能交互性是零部件之间相互协作完成某一功能的关联程度。功能交互性分析是模块化设计的关键部分,基本单元的形成就是通过对机床功能的分解实现的。根据各零部件间功能关联程度,定义功能交互值,如表1 所示。

结构交互性: 结构交互性指零部件之间在空间结构几何方面的相关性。包括零部件之间的接口联接方式、形位约束关系等。结构交互值定义如表2 所示。

物理交互性: 物理交互性是指零部件之间存在的各种物理形式的相互联系,包括能量流、信息流、物质流和力等方面的交互性。物理交互值定义如表3 所示。

零部件之间的加权平均交互值定义如下:

式中: R (i,j) 为零部件i和j之间的加权总交互值Rf(i,j) 、Rs(i,j) 和Rp(i,j) 分别为零部件i和j之间的功能交互值、结构交互值和物理交互值; ωf、ωs和 ωp为相应的权重值,且 ωf+ωs+ωp= 1,权重值的大小由层次分析法( analytic hierarchy process,AHP) 或德尔菲法确定。

根据以上分析,可以定义模块k的模块度计算公式如下式[6]:

式中: Mk为机床模块k的模块度,nk,mk分别表示组成机床模块k的第一个零件和最后一个零件的索引; N为组成机床的主要零部件总数。

确定了所有模块的模块度后,就可以确定整个机床的模块度,机床模块度计算公式如下:

式中: M为机床总模块度; Nm为机床的模块总数; ωk为机床模块k的权重,根据机床模块的多少可由AHP或德尔菲法法确定,且。

b) 复杂度评价

不同的模块化设计方案不仅会影响机床的模块度,还会影响机床的复杂度,例如制造复杂度和装配复杂度。模块划分的层次不同,机床包含的模块数目和每个模块所包含的零部件数目也不同,机床的制造和装配的复杂程度就不同。

利用信息熵的概念对机床的复杂度进行评价,熵最初是用来表示热力系统不可逆现象的概念[7]。信息熵是由信息论创始人香农( Shannon) 提出来的,用来描述系统状态不确定性的概念,信息熵也可以用来表示系统的复杂度。信息熵的计算公式如下:

式中: k为系数; pi为系统事件i的发生概率,且满足关系式。

制造复杂度:机床模块划分的粒度越粗,各模块包含的零部件的数量就越多,设计制造时需要考虑的因素也就越多,制造的复杂度也就越大。反之,制造也就越简单。定义机床制造的复杂度如式( 5) 。

式中: H( M) 为机床制造复杂度,fi为机床第i个零部件的相对制造复杂度。

装配复杂度: 机床划分的粒度越细,机床的包含的模块数也就越多,模块组合装配时需要考虑的因素也就越多,装配过程也就越复杂。反之,装配也就越简单,定义装配复杂度如式( 6) 。

式中: H( A) 为机床装配复杂。

机床复杂度定义为:

2 SDI计算模型

可持续发展是既满足当代人的需求,又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展[8]。SDI是本文新提出的一个用以对机床设计方案进行可持续评价的相对指数。它以可持续设计的思想为基础,从可持续设计的自然、经济、社会、科技四方面分别对机床设计的各方案或产品进行评价比较。基于此,文中从可持续设计的四方面属性出发,选取环境、能源、成本、安全、模块度、复杂度和轻量化7 个指标,对模块化设计机床的可持续性进行评价比较,计算其SDI值。模块度、复杂度的计算方法前面已详述,下面不再赘述。SDI的层次结构如图2 所示。

2. 1 SDI指标分析

a) 环境指标

机床对环境的影响按照其生命周期可以分为两个时期。一是机床自身在制造过程中对环境的影响,用其环境生态指数大小表示; 二是机床作为母机工作加工过程中对环境造成的影响,用其产生的废弃物多少表示。

1) 机床制造指标: 材料在开采提炼制成原材料过程中对环境影响最大,其他过程较小可以忽略,机床制造过程的环境影响可用环境生态指数表示[9]。材料的生态指数指单位质量的一种材料从原始状态转化为后续加工或制造所需状态对环境的影响数值。生态指数反应了产品系统对环境的相对影响程度,其绝对值并不能完全代表产品系统的实际环境负荷。常用材料生态指数如表4所示[10]。

工具机床的制造过程指标即生态指数可以用式( 8)表示:

式中: Ek为零部件k的材料环境指数; mk为零部件k质量。

2) 机床加工过程指标: 机床加工过程中对环境的影响表现为,机床加工过程中会产生固体污染物、液体污染物和气体污染物等,对工作环境和自然环境造成直接或间接的污染。本文所选的单轴卧式工具铣床,加工过程中产生的主要污染物为废弃切削液,以机床的每年切削液产生量作为加工过程指标,计算公式如下:

式中: V( f) 为机床每年的切削液排放量; V1为机床每次更换切削液的使用量; n1为切削液每年的更换次数。

确定制造指标和加工指标后,分别对其标准化处理,最终确定环境指数计算公式为:

式中: Ev为环境指数; G’和V’分别为制造指标和加工指标标准化后的值,标准化方法见2. 2 节。

b) 能源指标

越来越严重的能源危机,使得机床能耗方面的研究越来越受到重视[11,12],人们越来越重视清洁可再生能源的开发和能源利用率的提高。据此,选择机床所用能源类型和能源的利用率两项指标对机床的能源可持续性进行评价。根据各能源的可再生性和清洁性分别赋予0 ~ 1 不同分值,如表5 所示。定义机床的能源指数计算公式如下:

式中: E为能源指数; ET为能源类型得分; η 为能源利用率。

c) 成本指标

对于机床的成本模型,考虑机床的可预测成本,包括初始成本、定期维护成本和残值价值,建立机床的成本计算公式如下:

式中: C为机床总成本; Ck为机床第k年的定期维护成本;n为机床使用寿命年限; i为资金折现率,一般取值银行存款年利率; α 为机床的残值率; 按照国家有关法律规定,内资企业固定资产残值率统一为5% ,外资企业一般为10% 。

d) 安全性指标

有关机床的安全指标计算模型,借用文献[11]的机床风险评测模型,机床的风险大小和风险产生的伤害程度、人们暴露于危险区的频率、危险出现的频率都有关,是三者综合作用结果。风险指数计算公式如下:

式中: y为危险严重度; C为风险产生的伤害程度,根据伤害程度和死亡人数,其值范围为0 ~ 100; E为人们暴露于风险的频率,分值范围为0 ~ 10; L为风险发生的概率,分值范围为0 ~ 10。

定义机床安全度指数为1 减去危险度指数,即:

式中: s为机床的安全度指数。

e) 轻量化指标

机床的轻量化设计可以大幅减少机床质量,节省材料,有助于降低机床能耗。据统计,机床质量的80%用于保证机床的刚度,只有20%用于机床的运动。所以,机床材料有很大的节省空间。机床床身是机床的大质量部件,机床的大部分质量集中在床身部件,因此,以床身的轻量化程度来来计算机床的轻量化指数,计算公式如下:

式中: L为机床轻量化指数,其值越大,表示其轻量化设计越好; kb为床身静态刚度; Vb为床身所占空间体积; mb为床身质量。

2. 2 指标值标准化处理

SDI的计算模型属于多指标评价体系,由于各评价指标的性质不同,其量纲和数量级也各不相同,如果要直接用原始数值计算SDI,各指标的作用相差很大,数量级高的指标作用大,数量级低的指标作用则弱。为保证SDI计算结果的可靠性,需要对原始数据进行标准化处理。根据指标的性质,将SDI各评价指标分为两类分别进行标准化处理,即效益型指数和成本型指数。

a) 效益型指标标准化

对于效益型指数,其值越大,机床的可持续性越强,包括环境指数、能源指数、安全指数、模块度指数、轻量化指数等。效益型指标的标准化值可以用其值占各方案值总和的比例表示:

式中:为第j个效益型指标方案i的原始值;为其标准化后的数值; m为方案总数。

b) 成本型指标标准化

成本型指标是指其值越小,机床可持续性越强的指标,包括制造生态指数、加工过程指数、成本指数、复杂度指数等。对于成本型指标,其倒数值是效益型,可用效益型指标标准化公式处理,所以,成本型指标标准化公式如下:

式中:为第j个成本型指标方案i的原始值;为其标准化后的数值。

2. 3 指标权重确定

确定权重的方法主要有主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法包括德尔菲法、AHP等。主观赋权可以最大限度地反映评价者的主观意愿,但较难保证权值的客观性。客观赋权法有熵权系数法、主成份法和因子分析法等。客观赋权法是通过评价指标样本自身的相关关系和变异程度确定权重系数,根据各指标所提供信息量的大小来决定相应指标的权重系数。本文综合AHP和熵权系数法两种方法确定各指标权重值。

假设由AHP和熵权系数法确定的指标j的权重向量分别为 λj、θj,则指标j的最终权重计算公式为:

2. 4 SDI值计算

至此,可以得各方案的标准化指标向量Di*=[D*i1D*i2… D*in]( i = 1,2 …,m) ,权重向量为W =[ω1ω2… ωn],各方案的SDI值计算公式如下:

式中: SDIi为方案i的可持续设计指数值,i=1,2…,n。

3 SDI模型实现及实例计算

3. 1 SDI模型实现

完成SDI计算模型后,以两方案的比较选择为例,选取Matlab的GUI编程语言,完成了SDI计算的程序模型。该模型可以输入初始数据或者选取初始数据文件,并可以检测出初始数据或文件是否有误,然后计算SDI的各个指标值大小,并实现SDI值的计算。程序的SDI计算主界面如图3 所示。

SDI各指标的计算过程分别对应相应子程序,主程序界面如图3 所示,主程序可以链接到各指数计算的子程序。各指标计算程序可以选择初始文件或输入初始数据,并对输入的参数或选择的文件进行检测,如果输入参数或选择文件有误,程序会给出提示。以能源指标为例,其计算界面如图4 所示。

标准化后的指标计算结果可以在主界面显示。得到所有标准化指标数值后,就可用熵权系数法计算各指数的权重,同时,通过AHP和熵权法综合计算指标权重向量。至此,就可以按照式( 19) 计算各方案的SDI值。

3. 2 实例计算

选取某型号的单轴卧式铣床的A、B两种方案,评价其可持续性的大小,选择更优方案。按照式( 1) -式( 18) 可以计算各个指标的数值并标准化处理,通过AHP和熵权系数法综合计算各指标的权重,标准化处理后的各指标值及各指标的权重如图3 所示。最后通过式( 19) 可分别计算方案A、B的SDI值分别为0. 52 和0. 46。据此,说明方案A的SDI比方案B的大,其可持续性更好,应选择方案A。

4 结论

提出基于模块化设计的机床可持续设计指数( SDI)概念,对机床进行可持续设计评价,建立SDI的计算模型,通过Matlab GUI编程语言实现SDI的计算模型。选取某机床A、B方案为实例,计算SDI值分别为0. 52 和0. 48,说明方案A的可持续性更强,应选择方案A。目前正在进一步开展机床进行可持续设计指数直接植入于机床CAD设计系统的开发工作,此工作将对未来机床设计和实用化的机床可持续设计有重要促进作用。

参考文献

[1]蔡业彬.模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J].机械设计与制造,2005,(8):154-156.

[2]Ashley,S.Manufacturing Firms Face the Future[J].Mechanical Engineering,1997,(2):70-74.

[3]高金锁,梁丽娜.小城镇地域色彩的可持续设计理念[J].科技与生活,2012,(20):224-225.

[4]Nam P.Suh.Axiomatic Design:Advances and Applications[M],London:Oxford University Press,2001.

[5]宋守许,刘志峰,唐涛,等.模块化产品评价方法研究[J].农业机械学报,2004,35(5):181-184.

[6]Guo F,Gershenson J K.A comparison of modular product design methods based on improvement and iteration[C].ASME 2004International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference.Salt Lake City:American Society of Mechanical Engineers,2004:261-269.

[7]张继国.Vijay P.Singh.信息熵——理论与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

[8]江牧,胡书可,林鸿.人类可持续发展视野下的机械产品设计趋势[J].机械设计与制造,2013,(6):264-266.

[9]黄海鸿,刘志峰,张雷,等.材料环境效能因子在绿色设计中的应用[J].机械工程学报,2008,44(4):36-40.

[10]Consultants P R.Eco-indicator 99 Manual for designers[J].Ministry of Housing,Spatial Planning and the Environment,2000.

[11]Ding H,Guo D,Cheng K,et al.An investigation on quantitative analysis of energy consumption and carbon footprint in the grindingprocess[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part B:Journal of Engineering Manufacture,2013:1-7.

建筑设计的模块化研究 篇5

打印的表格按栏目嵌套分类，一般有两种基本类型。一是关系型表格，即表格内各栏目之间是一种平行的关系，不存在栏目之间的嵌套；二是结构型表格，即表格内有的栏目有更下一级的小栏目，可能某些小栏目还会有更下一级的子栏目，从而形成表格中的栏目嵌套，反映栏目之间数据的包含与被包含关系。从这两类表格的应用频率看，关系型表格简便适用的优点更为人们所青睐，因而使用很普遍。本模块专门针对关系型表格打印而设计。

关系型表格全通用打印是指在指定的关系型数据表(指*．DBF文件，下同)文件中，可任意选择打印字段(形成表格中的栏目)，任意筛选打印记录(形成表格中的各行)，从而实现随心所欲的关系型表格打印，其通用性主要体现在适应任何数据表文件的表格打印方面。本设计就以会计软件中的打印功能为例。

一、设计的目的及意义

会计是一个专门处理一定时空范围内经济数据的信息系统，其数据量大、动态性强、结构复杂，表格在会计核算中被广泛使用，会计主要是利用表格形式定期和不定期地提供会计信息。实现会计电算化以后，很多各种格式的账表需要打印输出，其账表打印的工作量很大，一方面要满足会计档案存档保存的需要，另一方面又要满足各项经济管理的需要。因而表格打印始终是会计软件中一个十分重要的模块，尤其是全通用表格打印更具有十分重要的理论意义和实践意义。

从目前系统软件提供的表格样式看，一般主要有Vis-ualFoxPro(以下简称VFP)表格、Excel电子表格、Word表格、Html超文本表格4种。其中VFP表格是软件本身提供的一种表格，它的表格处理功能远不及Excel电子表格和Word表格，而Html超文本表格的优点是可以在网上发布，同时它本身还提供将超文本表格很方便的转换为Word表格的功能。VFP本身不能同时提供Excel电子表格、Word表格和Html超文本表格，但我们完全可以立足于VFP系统，借助于Windows的某些功能，从VFP的关系型数据表文件中采集数据，同时打印输出上述4种样式的表格，从而将数据交换和表格打印集于一身，实现全通用表格打印，弥补VFP系统本身报表设计器的不足．

因此，有必要设计一个全通用打印模块实现以下两个方面的功能：一是利用VFP系统报表设计器的某些功能，弥补该设计器的不足，实现VFP表格打印输出；二是实现上述4种样式表格的全通用打印输出，以VFP的*．DBF表文件为基础，实现各种表格的数据交换。顺利兑现这两大设计目前具有十分重要的积极意义。

不论是VFP，还是ORACLE、POWERBUILDER等等，它们自身都附带了报表设计器，用户可以根据需要灵活应用，设计出不同格式的报表。但由于VFP、ORACLE、POWERBUILDER等都是国外开发的系统软件，这些软件事先拟定好的报表格式一般都不符合中国人对表格的审美观，即打印输出的表格不具有中国特色。中国人普遍认同的报表格式即带有报表名称，左右标题，左右注脚，尤其是有网格型的表格。另外，VFP系统附带的报表设计器由于过度迁就操作性，以致不能满足使用者灵活多样的.需要，报表一经定义好，格式基本上就已经定型，所有的信息都保存在,FRX和．FRT两个报表文件中，其中的字段个数、字段捧列顺序、源数据表、索引名称、栏目宽度、栏目标题、报表样式等都已经固化在文件中，若需修改则要进行繁琐的面向对象操作，使用起来很不方便。

VFP从DOS版本发展到现在，报表功能已经很强大了。过去在DOS状态下打印表格，其表格线是按特定的11个表格线符号，按字符控制的，DOS的这种设计方法由于Windows的象素控制原因已经很不适用。在DOS环境下，报表设计方式是将报表生成的各大要素保存在内存变量中，在需要时，可以恢复内存变量直接运行程序即可打印出自己事先定义好的报表。这种方式下，不存在Windows下象素的影响，打印的表格整齐美观，而且速度较快，但这种打印方式有个致命的缺点，就是每次都要自定义打印参数以及打印的五大要素，然后保存在内存变量文件中，这种打印方式增加了工作量，而且缺乏通用性和灵活性。PoxPro发展到Windows环境，由于象素的关系，原有报表设计方式显然有自身的缺点，因此报表的设计一直是困扰VFP开发者的一个难题。在VFP面向对象的编程环境下，为了体现面向对象的优点以及解决象索的问题，报表设计器由此诞生。报表设计器的原理就是提供一个面向对象的界面给操作者通过手工操作，然后将操作者的定义内容保存到．FRX／．FRT两个文件中，在生成报表时，再从报表文件．FRX／．FRT两个文件中取值从而生成报表。从报表生成的原理中我们可以看出，操作者定义的所有参数保存在．FRX／．FRT两个文件中，那么，我们只需研究．FRY／．FRT文件的结构，然后对其中的值根据自己的需要不就可以定义出我们所需的报表了吗，并且完全可以脱离报表设计器繁琐的操作和固定的格式，我们可以随心所欲地进行定义，从而一个全通用的报表设计方式变成了可行。利用VFP强大地数据处理能力，从而可以事先对选定数据表的任意字段、任意捧列顺序，按需要任意定义条件打印，利用VFP内存变量可以事先自定义大标题、小标题、左标题、右标题、左注脚、右注脚以及左页边距等等，利用微软产品集成的特点，可以灵括与我们常用的软件进行数据交换，实现优势互补。众所周知在微软产品中Excel具有强大的数据处理能力以及最强大的打印预览功能，WORD具有很强大的文字管理功能，对于表格WORD格式提供了许多的自动套用格式，从而可以打印出各种各样类型的报表，加上强大的文字处理功能，从而可以设计出各种各样所需的报表；在网络环境下，网络数据查询以及WEB发布必不可少，因此HTML超文本表格就极具实用价值。由于我国普遍使用的是网格型报表打印，因此本系统只有默认的网格型报表一种方式，但这种方式已经基本能满足各个企业不同财务报表打印的需要了。

二、模块组成及功能

(一)模块文件构成

本关系型表格全通用打印模块的系统磁盘文件有以下三个。

1．表单文件(KHLSC)(和KHI．SCT)两个，其中KHI．

SCX是表单的库文件，KHI．SCT是表单的备注文件。每设计一个表单均有这两个磁盘文件，利用表单设计器直接操作的是KHLSCX文件。众所周知，表单设计器中有很多控件可供使用，利用这些控件既可设计出较好的界面，又可由操作者现场指定打印参数。关系型表格全通用打印设计中，有很多与打印有关的参数，需要利用有关控件进行大量的人机交互来确定，因而必须利用表单进行设计，而不可只用命令文件来设计。

2．打印文件的登录表文件(DYMEM．DBF)一个。该表文件主要是为表单中的组合框控件赋值提供数据，它有三个字符型字段，即“数据源表”、“报表文件”、“报表名称”和一个“打印设置”备注型字段，它登记了当前目录所有打印文件及其相匹配的数据源表文件和报表名称，随着新建或删除操作的进行，该表文件中的记录会动态更新。

(二)模块主要功能

1．新建打印文件功能

(1)可以选择本机任意文件夹中的DBF文件，也可以选择网上邻居中计算机中的DBF文件，使打印不只限于本机当前目录的DBF文件，还可通过数据转换接口将其他软件的数据导入进行打印。

(2)打印任意字段任意排列顺序的功能。可以选择当前打开的数据表的任意字段打印，可以灵活地进行选择，操作在选择之后撤销选择也可以恢复字段初始的排列颐序。

(3)选择任意字段组合进行升序、降序撑列的功能。

(4)自定义表头大标题、小标题、左标题、右标题、左注脚、右注脚功能。系统默认大标题为当前打开数据表以绝对路径形式返回的文件名称，小标题赋值为空，右标题默认为打印带总页数的页码，操作者若不想打印页码也可以自定义右标题，左注脚默认为打印操作者，右注脚为打印日期，这些参数操作者都可以修改。

(5)自定义打印标题栏标题的功能，操作者可以修改打印栏目的标题和打印栏目的宽度，并且可以在原选定字段的基础上再次确认打印的字段，但是注意打印字段不要修改。

(6)由系统自动生成逻辑条件和操作者自定义逻辑条件的功能，既方便了专业操作者灵活操作又兼顾了普通操作者的简单使用。

(7)提供强大的各种不同方式的打印功能，包括VFP报表打印，Excel电子表格打印、Word表格打印、HTML超文本表格打印功能。可以充分利用Excel电子表格的数据加工能力和公认地最强大地打印预览功能，Word表格的表格样式及文字处理功能、HTML超文本表格的WEB发布功能既便于打印也便于数据的发布。

(8)操作者可以选择打印表头表尾，也可以直接打印表格的功能，以及各个打印参数的保存以备下次直接打印或编辑时使用．自定义打印左页边距的功能，可以使操作者根据表格的宽度和纸型根据需要自动进行调整。

(9)自定义表头字体和表体字体的功能，对打印机进行打印设置的功能。可以选择打印机，打印纸型，打印方向等等。该功能对HTML超文本表格不起作用。

2．编辑打印文件功能

此功能是将事先保存在打印内存变量中的文件参数赋值给表单中的各个控件，可以方便操作者修改和观察。该功能要用到一个报表登录文件DYMEM．DBF，该功能只对VFP报表起作用。操作者可以再次选择打印字段，若字段改变则初始化的打印栏目标题也随之改变，未被选中的事先选择的捧序字段将被过滤掉：也可以重新定义表体栏和栏目宽度等等，该功能是新建功能的重复，只是增加了对各个控件(包括初始打印字段，拌序字段、排序类型、表头表尾项目、左页边距、栏目标题、栏目宽度、是否打印表头表尾等)初始赋值的功能。

3．打印输出表格功能

此功能可以方便对原先定义好的报表文件(以下划线开头的内存变量文件，该文件中保存有以DY打头的22个内存变量)直接进行打印，并且该功能不会产生．FRX和．FRT文件，这种类型的文件由程序自动生成，系统仅作为临时文件使用。此功能只对VFP报表起作用。

4．查询打印信息功能

操作者可以查看已经建立的打印文件的己选字段、未选字段、源数据表以及系统定义的22个打印内存变量，和打印文件参数。

三、系统设计思路及数据流程图

(一)全通用关系型表格打印实现原理

1．报表的构成

一般情况下报表包含表头、表体和表尾三部分：

(1)表头。在每页的顶端，显示报表的标题及其他提示信息等。

(2)表体。包含报表的主体，是报表的关键部分，一般由循环数据项构成。

(3)表尾。出现在每页的底端，显示打印操作者、日期等文本信息等。

2．VFP报表信息库的结构

我们知道在VFP中，报表的信息是保存在以.FRX为扩展名的数据库文件中(备注文件以．FRT为扩展名)，了解报表数据库的结构有助于问题的解决。报表库(．FRX)的结构有74个字段，各字段的主要参数摘录如表所示。

3．常用控制对象的特征

报表数据库的字段Objtype(对象类型)和Objcode(对象代码)的值确定了控制对象的类型。为节省篇幅仅把最常用制表控制对象(文字，直线，表达式等)的特征值如表2所示。

其他常用到的字段有：①水平坐标(Hposh②宽度(Wid-th)；③表达式类型(Fillchar);④字体(Fontface);⑤对齐方式(Offset)。

4．全通用关系型表格打印的实现

从数据库中自动读取字段名、类型、宽度，通过修改报表库(．FRX)的内容达到动态制表的目的，其算法设计如下：

(1)栏目宽度：定义二维数组XMCD(NJSQ,4)用于存放中间打印结构表(TEMP STRU．DBF)的结构信息：

(2)打印栏目标题及字段变量名称：从中间打印结构表(TEMP STRU．DBF)获取打印栏目宽度存入数组MXZD(NJSQ,3)，字段变量存入数组MXZD(NJSQ，1)：

(3)获取打印表头表尾项目，通过自定义方法程序AP-PHEAD自定义方法程序向报表添加表头项目；

(4)通过自定义方法程序APPLINE自定义方法程序向报表中添加线条；

(5)通过替换命令REPLACE对．FRX文件中的参数进行修改以获得我们所需的网格型表格样式，修改方式同修改．DBF文件一样。

最后，报表生成之后，若需要通过Excel、Word或超文本表格方式输出报表，可利用createobjed()函数将表格直接输出到相关软件。

从以上动态VFP报表的实现原理可看出，本设计打印输出VFP的表格只是巧妙的充分利用了它的．FRX库，存在磁盘上的报表文件却是*．MEM文件，而不是它的报表文件．FRX和．FRT。

四、小 结

本设计所研究仅仅是利用VFP实现通用关系型表格打印。但是，基于此设计思想，深入设计还可实现多行表头的结构型表的打印，字段合并和分解打印、更复杂的单据打印以及自定义纸张，自定义打印机等等，但目前在国内外还没有一个软件能够将所有功能包容其中。要实现一个真正的全通用表格打印，而不仅仅限于关系型表格的通用性，这些问题还有待进一步深入研究。

主要参考文献

[1]黄昌勇，电算会计基础[M]．上海：立信会计出版社，2002．

[2]张洪举．visualFoxPro程序设计参考手册[M]．北京：人民邮电出版社，2004．

[3]Jeffrey D．Ullman Jennifer Widom AFirst Course ln Database Systems数据库系统基础教程(影印版)[M]．北京：清华大学出版社，2000．

建筑设计的模块化研究 篇6

[关键词]测控专业；毕业设计；模块化；运行机制

[中图分类号] G642.477 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）06-0099-03

本科毕业设计是本科学习的最后部分，是学生将所学习到的知识进行应用的重要环节，也是本科教育评价的关键组成部分。

测控技术与仪器专业是仪器科学与技术一级学科唯一的本科专业。测控专业是涵盖了机械测量、几何测量计量、热工测量计量、光学测量计量等多工程领域的测量计量学科。测控专业的专业特点决定了其本科毕业课题来源丰富，类型复杂，平台多样，课题工艺指标难以统一化。

随着电子信息技术的飞速发展， 测控专业的结构已发展成为集传感技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一身的系统，虚拟化、网络化、微型化、智能化的发展趋势，使测控专业的多学科综合及多系统集成的属性越来越明显。课题的复杂性、多样性使得测控专业的毕业课题管理较为困难。

应用型本科是介于学术型本科和技能型高职之间的大学教育，其主要功能是服务于地方行业。企业对本类高校学生的要求是：具有较为扎实的理论基础，具有熟练的操作能力，具有一定的创新能力。因此，本科毕业设计必须具有较强的工程性、应用性和实用性，同时还应该具备一定理论基础、创新和前瞻性。良好的本科毕业设计可以很大程度上集成学生的知识能力，提高学生适应预期工作的能力。

面对当前环境对应用型测控专业本科毕业设计的要求，毕业设计的运行机制是保证毕业设计顺利进行的重要条件。面向应用型的测控专业的毕业设计应该具有通用化、标准化、系列化和工程化等特色，这样培养出来的测控专业的本科毕业生才具有较强的工程实践能力。

基于模块化管理的毕业设计管理机制可以满足毕业设计中通用化和标准化等要求。该机制从毕业课题的选题评价、课题跟踪完成、答辩过程管理等方面进行管理控制，为提高测控专业本科毕业设计提供一种有效的思路。

一 、当前测控专业毕业设计的现状

（一）课题类型题目很多，但缺乏科学的评价技术指标

当前的毕业课题主要有两个来源，一个是来自于实际的工程课题。这些工程课题包括实际的科研项目，工厂/公司/科研院所的实际课题或任务。这类课题的特点是难易程度各不相同，或大或小，如果设立为本科毕业课题，可能需要进行一定的修订。另一个是来自于教师自拟。教师自拟的项目容易把握难度。

由于出题教师对课题的理解各不相同，课题出来之后，课题指标不明确是最大的问题。课题指标不是单纯的技术指标，而是一个综合了课题与本专业的相关度、深度、广度、难度和创新度等的综合概念。很多课题明显偏离了测控方向，或者难度系数接近硕士研究生水平，或者难度系数仅仅为课程设计，工作量的多少也没有一个统一的标准。

课题指标不明确是毕业课题最大的问题，实际上这也是教师本身的问题、课题组织的问题，以及毕业设计运行机制的问题。这是毕业设计的核心问题。

（二）课题节点不明确

课题节点，不是简单的时间节点，而是教师根据课题的具体情况设置的课题完成步骤的量化指标。这些指标通过具体的文档、软件、硬件的参数来衡量。每个节点还应该进行打分评估，计入总成绩。

学生在完成课题的时候，由于没有明确的控制节点，或者虽有节点却不计入总分，经常出现前松后紧的情况，导致课题完成顺序混乱，重点难点不分明。由于只看重结果，甚至出现有学生请人代工，网上请人做毕业课题的情况。

（三）评审和答辩过程标准不统一

课题的多样化，也导致了评审和答辩过程标准的不统一。有些课题来自于教师的科研项目，这些项目并不为一般人所熟悉，因此在评审和答辩中很难进行有效的交互；教师们对专业兴趣的差异，也使得评审标准变得很困难。这种不统一造成的后果是毕业设计的分数不能反映学生的工作量。此外，由于每个教师的专业兴趣点的差异，使得某些答辩提问或过于简单，或者过于复杂，无法体现测控专业培养的基本特点。

二、模块化运行机制

模块化运行机制，主要对以下方面进行模块化处理：毕业课题的审核评价，节点控制，模块化答辩评分，模块化答辩指导等。

（一）毕业课题的审核评价

实践证明，毕业课题的来源是关乎毕业设计最为重要的环境。由于出题教师各自的科研背景不同，出题的类型和范围差异很大。为了方便进行评价，采用指标评价法对某个课题进行打分评价，合格者才能进入毕业设计环节。表1为设计的毕业课题指标打分加权系数。

上面技术指标表虽然有不完善和不科学的地方，但很大程度上反映了本科毕业设计的基本要求。

课题来源反应了课题的含金量。国家自然基金、地方自然基金、国家攻关计划等纵向课题通常被认为含金量高，可认为8分以上；来自企业的或实际的工程课题，可认为6分以上；自拟的课题，4分以上。

在课题分类中，把与测控专业的相关度作为考查指标之一。如果课题没有涉及电/光/机械/自动化等类型，则为0分。软件和硬件分类主要是针对工作量的。具体工作量由专业委员会进行标准细化，软件主要从代码行数、难度、完成时间等进行规范；硬件主要从完成的时间、测试难易程度进行衡量。平台性主要鼓励教师多利用当前学校/学院已有的实验室平台进行选题。

课题创新性。相似度是指和以往课题的相似度，如果没有相似则为5分，完全相同则为0分。创新性需要出题教师进行单独说明，可以是算法、硬件、功能等方面的创新；难度主要是指在软件算法上、硬件指标上的情况。如某课题提出需要学生完成一种自适应模糊控制算法，这样难度就会达到很高的分。具体的难度分，需要根据学生是否学习过、如果全新需要多少时间才能完成、教师提供的指导情况等进行评价。

与课程/实训的相关程度。这个子项目主要考查毕业课题与本专业的相关程度。教师在出题时，需要明确哪些主干课与本课题有关并进行打分；同时考查实训与课题的相关程度。学科交叉程度是课题涉及的学科范围。鼓励进行多学科交叉，但不作为主要的考查因素。

课题完成条件。如果某个课题只有极少数优秀毕业生才能完成，5.1项目得分低。如果课题的硬件/软件环境都要求高，学生没有学习过使用，得分也会很低。

综上所述，毕业课题指标表示一个综合反映课题来源、难度与创新、可完成等各方面的一个表，可较为客观的评价一个毕业课题。如果某课题得分低于设定值（如60分），那么该课题就要被委员会讨论是否需要替换/修改/否定。此外，我们还引入学生反馈评价，期望毕业课题完成后能得到学生的评价。这将是一个重要的评价过程。

（二）毕业课题的完成节点评价

毕业课题的完成节点是进行毕业设计管理的重要方式。同样，我们这里采用模块化进行管理，对毕业设计的整个过程进行模块化管理。其中时间节点必须按照节点的先后顺序进行设置。只有某个节点完成后才能进入下一个节点。如果某个节点延时完成，则分数为0分。节点分的总分按照一定比例计入最终的毕业设计得分。

（三）答辩中的模块化管理

课题答辩是毕业设计的最后一道过程，是学生展示自己的设计成果、讲述设计思路、论证论文观点、回答教师提问的互动空间。本科毕业答辩不同于硕士生或博士生答辩，其基本特点是时间较短，答辩内容较多、较宽泛。根据这样的特点，模块化管理体现如下。

1.答辩小组教师构成。应该按照大的模块分类进行组织。单片机/DSP组：毕业课题以单片机/DSP为核心完成的各种测量/控制等课题；PLC组：以PLC为核心完成的各种控制；平台组：以实验室平台完成的各种课题；理论研究及仿真组：以研究某种算法及其Matlab或ANSYS等专业软件进行仿真实现的课题；杂项组：非前面所有的类型的课题。

2.答辩问题的分类模块化。尽管答辩过程含有很多主观因素，课题也千差万别，但答辩问题进行模块化却带来很多有利因素，如问题有的放矢，难度可控，体现专业色彩，避免过多主观因素等。如毕业课题涉及测量类，那么测量模块化问题有：（1）测量方案的构建依据？（2）测量的量程/精度/不确定度？（3）测量涉及信号采集，则采集过程中的标定？（4）测量中测控电路的设计/选用/关键点？（5）测量通道中的信号干扰及应对措施？（6）实际测量情况和误差分析？（7）测量模型中有无关键算法等等。

这些问题其实在开题报告和实际设计过程中都应该由学生逐一进行解决，得出设计结果。当然如算法一类可以给某些优秀学生一些设计空间。

答辩中的模块化有利于考查学生的整体状况，提高答辩效率，考查设计水平。

三、 模块化运行机制在应用型本科设计中的应用分析

应用型本科院校的毕业设计应该凸显应用的地位。基于模块化管理的毕业设计在这方面具有较强的应用能力。我们在重庆科技学院电气信息工程学院测控专业2014届及2015届本科毕业设计中应用了模块化管理，收到了较好的效果。

在选题方面，模块化管理就起到了至关重要的作用。如2014年某教师所出题目为《基于智能算法的滚动轴承状态监测与故障诊断系统开发》，对其进行指标评价：该课题为教师自拟题目，主要目的是通过测试滚动轴承的振动情况判定轴承的故障，采用的方法是人工智能算法，ANN或SVM；该课题的专业相关度一般，软件工作量很大，硬件工作量极小（硬件均为采购或已有）；在课题创新性方面，难度过大反而得分很低；与课程交叉程度一般（主要为数字信号处理），与实训无交叉；学科交叉一般；对学生要求很高，软件环境需要掌握Matlab或编程语言，学生压力大。同时，在节点运行上也可能出现：由于资料较多，学生知识面窄，在规定时间难以完成的情况。最终该题得分情况为62分。

经过委员会的评价，认为该课题的主要问题在于：1.理论高度过大，本科学生知识储备明显不够；2.要熟练认知/掌握Matlab里面人工智能算法的模块，毕业设计时间不够；3.学生所学课程对完成课题支持情况不全面。

因此该课题要么作废，要么进行修订。修订的结果为《滚动轴承振动信号采集及状态监测系统》。该题目降低或消除了智能算法，增加了硬件采集的设计，并要求学生设计信号转换电路、放大电路和滤波电路；软件方面，要求动态处理采集信号，然后进行傅里叶变换分析等。这样可操作性大大增加，指标得分为75分，完全达到要求。事实证明，学生能顺利完成毕业课题。

经过两年的运行，我们提出的模块化毕业设计管理，运行较为有效。课题学生反馈的分数与理论分数相差不大。该机制在考查学生的基本能力和创新能力方面都较为妥当。

四、结论

本文提出的模块化毕业设计运行机制的思路和实现策略，表现在3个方面。

1.对课题来源进行评分，通过最终得分评判课题是否合格，避免过难的课题和过于简单的课题。这是模块化管理的核心关键。

2.在课题完成过程中，采用节点化管理。对每个节点进行打分评判，计入毕业答辩的总成绩，避免学生不按照计划推进。

3.在答辩过程中，对答辩分组、问题、评价等内容进行模块化管理，使得答辩过程更加有效。

本文提出的方法，在重庆科技学院测控专业应用两年来，取得了较好的成绩，可以为应用型本科的测控专业提供借鉴。但本方法也存在不足，如对创新型课题支撑力度不够大，对科研与教学的专业不适用。此外，该方法也在逐步探索中。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 冯旭哲， 陈建云， 明德祥. 测控技术与仪器专业本科毕业设计研究与实践[J]. 高等教育研究学报，2011（1）：86-88.

[2] 徐治. 工科专业本科毕业设计教学改革的探讨[J]. 大学教育，2015（5）：143-145.

[3] 李雅峰，郗涛，张宏杰.测控技术与仪器专业毕业设计改革与创新性探索[J].实验实践教学，2013（22）：181-184.

[4] 李晓斌， 孙海燕. 应用型本科自动化专业毕业设计运行机制的创新研究与实践[J]. 教育教学论坛，2015（2）：91-94.

可重构机床控制的模块化设计研究 篇7

关键词：可重构机床,可重构性,模块化设计,控制模块

0 引言

目前, 全球化带来了激烈的市场竞争, 客户对于产品的要求也越来越趋向于定制化, 造成厂家必须缩短产品制造周期, 米适应市场的变化。如何能否快速响应, 并且具有良好的经济性是目前制造业亟待解决的一个问题。显然, 如果还使用传统的流水线生产模式不能快速响应, 近年来快速发展的柔性制造系统虽然在一定程度可以适应不同的生产模式, 但其快速改造能力差。基于此, 可重构制造系统应运而生, 通过合理的配置机床模块, 可以快速重组, 实时更新, 很好的响应新的市场需求[1~3]。

由于机床的配置模块本身不能及时更新换代, 因此现有的机床不能满足快速增长的需求, 需要具有可重构能力的机床来实现机床功能的可重构属性和定制化要求。

1 国内外研究概况

可重构机床的概念最早在1996年由美国密歇根大学可重构制造工程研究中心提出, 它是一个复杂的系统工程, 伴随着机床模块化技术的发展和控制器技术的日臻成熟, 可重构机床研究也取得了长足的进步和丰硕的成果。

可重构机床不仅仅是机械结构的可重配置, 而且还必须做到控制器也具有可重配置和模块化的能力, 覆盖软硬件两部分内容。目前, 相关研究有软件建模、模块化逻辑控制器、开放式体系结构控制器等[4,5]。

位于美国密歇根州的ERCIRMS CENTER正在研究一种非开放式结构控制器, 它采用的编程语言为C++, 包括人机交互界面、仿真工具和配置工具三部分组成。开放式体系结构控制器可以在机械模块可重配置的时候同时实现可重构。

B.Birla提出运用软件建模的方法来可重配置机床控制器, 该方法有四个主要的应用领域:1) 单向精确定位运动控制;2) 单向精确定位运动静态模型构建;3) 单向精确定位运动动态模型构建;4) 多向多自由度运动控制。

E.T.Enslew等通过采用逻辑模型模拟可重配置生产流程, 来选择最优参数, 评价和检验可重配置生产系统, 以控制输入, 保证并稳定输出。

RF.Walita和P D.Khargonekar提出了一种可以详细表达分析系统的分层结构框架, 以便在不同层次上协调集成控制器。这种方法不仅面向对象, 而且模块化, 该方法借鉴了Zacard提出的TCF (Timed Conversion Formers) 方法实现模型构建, 并应用了Robert和Ralf提出的TTTB (True Time Timed Border) 理论和工具。

S.Gark, D.M.Tilbuyr和PDKhatgonekar在汽车行业领域, 根据生产节拍开发了一种模块化控制器, 可以进行基础的功能分析, 并能够模拟工况, 算出不同时期不同状态下的产量。

2 离散事件系统定义及其组成

本文首先介绍离散事件系统定义及其组成, 之后再详细开展可重构机床模块化控制器设计方法研究。

离散事件系统是非静态系统, 它通过突然发生的独立事件的形式来描述。在本文中。离散事件系统的主要表现有两个方面, 分别是语言和有限状态机。这两种手段各有优缺点, 前者执行起来较为困难, 但是非常容易, 后者实施简单但是原理和逻辑非常繁杂, 存在嵌套和迭代。本文采用的方法是通过有限状态机来进行模型构建。

2.1 语言

如上所述, 语言的表达方式简单容易, 主要应用在离散事件系统, 其基础是字符串, 体现事件发生可能性的序列排列即概率大小的排列。

字符串 (string, s) :表示按照概率大小进行的一组排列。ε代表的是空行, 即事件发生的概率为0。对于随机发生的两个事件S1和S2, S2表示字符串S2中的时间因为S1发生而发生的概率。

语言 (Language, L) :表示所有可能发生事件的序列集合。若事件集合定位为∑, 且ε∈∑, 则对于任意两个语言Ll, L2均∈∑

映射:L在∑’上的映射表示为f∑’ (L) , 有如下定义:

2.2 有限状态机

有限状态机作为另一种表达方式, 具有操作容易, 简介直观的优点, 故使用频率很高。如图1所示, 有限状态机的表示方法较为特殊, 主要通过关键节点和箭头来表示流程的流转和转移, 与流程图非常类似, 学名叫做状态图。其中, 圆圈状的节点用来代表当下的实时情况, 箭头用来代表流转方向。

有限状态机 (FSM) 其数学特征表现为一个五元函数组:

其中各参数含义为:Q定义为状态集合, ∑定义为事件集合, δ定义为转移函数, q0定义为初始态, F定义为终止态集合。

最重要的是通过标记来表述任务循环往复的状态, 避免出现死循环, 转移函数δ参数表如表1所示。这里的δ通常表达一种字符串到状态集合的递归映射关系。

3 可重配置机床模块化控制器系统设计

利用前面所提到的设计和计算方法, 可以实现可重构机床控制器的模块化和可充配置化。如图2所示为一个典型可重配置机床, 该机床机械模块组成部分有:机床床身, 回转台, 立柱, 怀胎, 动力刀头等, 要进行控制器模块化可重配置需进行一下三个方面的改造:1) 设计控制器整体系统结构;2) 定义各控制模块之间的信息流;3) 构造控制模块的有限状态机。

3.1 模块化控制器整体结构概要设计

由于本文主要依托于离散事件系统来开展, 所以逻辑控制是重中之重, 通过逻辑控制来进行排列组合, 完成可重构机各个机械模块的拆分重组。为了实现点对点的实时精确控制, 我们队每一个机械模块都开发了对应的机械控制模块, 如图3所示。

1) 用户结构控制模块

此模块通过面板上的按钮实现人机交互, 完成整体系统的启动, 关闭, 转换刀头等加工功能。通过传递用户指令完成控制达成并实时显示当前状态。该模块的关键是图3中的端口A, 它是信息通讯的桥梁。

2) 模式转换控制器模块

此模块由手动和自动两个模块构成。手动模式下, 通过人工输入微调指令实现精确控制刀头的进给以及各加工参数。自动模式下, 机床按照NC代码顺序加工, 避免重复加工, 精确有效。两种模式之间的转换通过转换开关来控制。

此模块一共有4个端口, 分别是端口A、B、C、G, A代表控制协调用户接口, B代表自动选择合适准确的加工模式, C代表人机互动完成NC代码的编制, G代表控制协调机床各个机械模块功能互联。

3) 机床协调器模块

机床协调器的功能主要用来实现命令分解和命令冲突调整。命令分解主要用于分解上游控制器发送的指令细化传递到各个子控制模块;命令冲突调整主要用来避免发生非法指令的出现和碰撞干涉的可能。此模块一共有5个端口, 分别是端口C、D1、D2、D3、E, 分别用于模式转换控制器控制、机械运动部件的移动、动力刀头组件的进给等功能实现。

3.2 控制模块信息流构建

在上述控制器中, 模式转换控制器的端口起到了最关键的最用。正是通过它才实现了主模块与子模块之间的相互控制、传递和调用, 实现系统高效稳定简洁的运行。如图4所示为模式转换控制器端口G的有限状态机示意, 通过箭头的指向代表了状态之间的转移流转, 表2所示为模式转换控制器端口G有限状态机的参数状态, 表3所示为其逻辑上事件状态, 表4所示为其逻辑转移函数。

3.3 控制模块有限状态机构建

通过上面的阐述, 可以看出不需要复杂重复的设计定义工作, 最终有且仅需要进行一次设计定义, 之后每一个控制模块, 每一个控制器接口即可完成任意可重配置装配需求, 同时其相对应相关联的控制模块会随着直接可重配置成全新的控制器。图5所示即为可重配置机床动力刀头控制器模块的有限状态机模型, 表4所示为可重配置机床动力刀头控制器模块的状态实时动态, 表6所示为可重配置机床动力刀头控制器模块的端口实时动态, 表7所示为可重配置机床动力刀头控制器模块的状态跃迁参数。

4 结论

本文通过运用离散时间系统来构建可重构机床的控制器模块, 并主要使用有限状态机来完成层次设计和系统搭建, 实现了机械模块和控制模块的一一对应。因此, 不管机械模块如何可重配置, 相对应的控制模块都可以在模型的自动转换下实现可重构, 并且只要一次可重配置证明了准确性, 其它情况无需再次检验, 在提高准确性的同时大幅提高了效率, 从根本意义上实现了机床的可重构。

参考文献

[1]Mchmbi.M.I C., Ulsoy.BG.Y.Jerry.Reconfigurable Manufacturing Industry:The Important Future Manufacturing.Journal of intellective Manufacturing, 2001. (20) :404-419.

[2]Robert Clause.Reconfigurable Machine Tools—A New ensample in Machine Tools.2008Thailand-UK colloquia on Reconfigurable Automation.10:23-260.

[3]Philip E.Allen, Douglas R.Normal Affirm for Analysis Which Makes Reconfigurable Controllers.Transaction of the Japan Control Conference.Tokyo, Feb.2005.329-336.

[4]Kelly Clarkson.Exoteric Architectonics Controllers Development.Transaction of the CIRP, 2011 (33) 4.

基于模块化方法的家居设计研究 篇8

21世纪90年代, “模块化设计”概念在西方国家被正式提出, 并对其进行了系统的理论研究。模块化设计最早是应用于室内家具中, 随后逐步被广泛应用到机械设计和软件工程中。现阶段, 家居设计中的模块化设计方法主要是研究建筑、家具和装饰三个方面的内容, 该方法包含了标准化和集成化。“模块化设计”的定义是:在一定范围内, 产品的某些要素进行组合, 生成一个具有特殊功能的子系统。我们称该子系统为一个模块, 并通过对模块的特定组合, 构成新系统以满足各种功能需求的设计过程。就具体设计工作而言, 产品中的模块是一种通用件, 通常可以认为是具有一定功能的零部件。为了实现多模块之间的多种组合, 模块需要进行接口和结合要素设计。

模块化设计作为绿色设计的实现方法之一, 它已经从设计理念转化为成熟的设计方法。通过对产品功能进行分析, 采用不同的划分方法, 设计出一系列具备各种功能的模块, 经过细致选择和有效组合构成不同的产品, 从而生产出系列产品以满足市场的需求。当然, 在功能分析的过程中, 针对的是一定范围内、具有不同性能的产品, 或是功能相同、性能不同、规格不同的产品。

2 模块化设计与绿色设计

2.1 模块化特征

模块化具备以下四方面的特征。

2.1.1 功能独立

产品有模块构成, 模块的功能构成了整个产品的功能, 其中, 模块的功能都是自我实现和包含的。在集成化产品结构中, 部件和产品功能的关系是多对多的, 这使得部分修改设计会影响产品的功能, 导致了零部件的修改不能确定范围。为了实现一个功能完善的产品, 会导致很多部分被修改, 产品的复杂程度和产品组件 (比如产品结构管理和相关信息的再利用程度) 也将变得非常困难, 尤其是在产品系列化、生产批量模式的企业, 非互换性相似类型的改善备件业务将会成倍增加销售、采购、物流、制造和服务等方面的管理难度。

2.1.2 标准连接、一致接口

为了实现同类模块之间的互换, 必须严格把握接口尺寸和输入、输出接口的定义。几何连接接口可以是机械领域的销、面、键和螺栓等, 也可以是电器领域的信号、能量等。

2.1.3 平台依赖

虽然模块的功能是自我包含、自我实现的, 但是模块的存在和划分必须是以产品平台的整体功能为前提的。模块的功能和互换性是基于产品平台功能和配置的变化而存在的, 没有了产品这个平台和对其配置上的需求, 模块的功能就得不到实现。

2.1.4 层次化

模块可以包含子模块的功能, 模块是系统功能的一个组成部分, 而子模块的功能应该是主模块的基本功能之一, 它可以被称为模块的视角。同样, 较大的模块层级会让管理更加困难, 当模块层次划分太多, 又出现了非模块化产品时, 它们的结构之间是没有差异的。

2.2 模块化设计与绿色设计的关系

随着全球对“绿色”需求的升温和消除绿色贸易壁垒的紧迫性, 越来越多的资金和研究投向绿色产品的开发, 小到企业的生存和发展, 大到地球环境和自然资源, 会越来越来多地考虑产品的绿色程度。绿色设计将生态环境意识融入到设计理念中, 在达到设计目的的同时, 以降低对环境的负面影响, 实现人与自然的和谐发展, 实现设计和生态的双赢。绿色产品在满足环境目标的同时, 还要保证产品应有的基本功能和使用时间。

模块化设计方法与绿色设计思想的结合, 能够同时满足产品的功能要求和环境属性, 同时, 可以大大的缩短产品研发和制造周期, 丰富产品种类, 保证产品质量, 适应市场快速变化的需求。另一方面, 融入绿色设计思想的模块化设计方法可以减少甚至消除对环境的破坏, 为后期产品的升级、重用和维修提供了方便, 而且产品废弃后可以进行拆卸、回收和再利用。

3 家居设计中模块化应用分类

3.1 建筑模块化系统

建筑模块化系统, 又被称为空间体系的模块式装配建筑系统。建筑系统的所有构成模块都需要在工厂进行预制, 这些模块构建分别作为构建单元和空间单元。构建单元是指该模块具备自己的结构, 不依赖外部结构, 可以独立支撑。空间单元意味着由于功能需求的不同, 将模块内部进行空间划分, 根据不同的要求进行设施装配。经过设计的模块在工厂完成预制后, 运输到工地进行吊装、组装, 最终完成建筑的搭建。现今, 国内外出现了不少模块化的建筑, 例如美国Westchester Modular Home公司已将该技术进行商业化运营。

随着生活水平的提高和新材料、新技术、新工艺、新设备的出现, 人们对生活条件的要求会越来越高, 他们会提出更高的标准和要求, 使用新住宅、新装饰材料和新家具设备以及新的布局方法。传统的住宅楼使用的一些承重部分已与现有生活融为一体, 更新是很困难的。此外, 在建筑的模块化设计中, 由于相位使用的是分离承重部分的一部分, 所以, 很容易在不改变更新的承重部分的情况下只使用一部分, 这是符合经济原则的, 并适应以科技为先导, 以满足人民日益增长的物质需求的快速发展的要求。

3.2 家具模块化系统

家具模块化设计意味着实用家具在进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列的家具模块, 通过选择功能模块的组合构成不同的功能要求, 以满足市场对多样化的设计需求。家具模块化设计是将特定的模块融入到家具的设计中, 通过标准化接口的方法, 将设计与通用模块相结合。家居模块化设计既是规范设计, 也是多样化的设计。模块组成的系统都有一些共同的特点和接口独立单元的具体结构。家具模块可以组装成家具产品, 并生产一些有共同特点和界面结构的家具零件、部件或组件。模块可以单独设计家具制造业, 可以预先储备相应的内容以满足迫切需要, 也可以规模化生产来降低成本, 甚至可以由专业工厂生产, 商品在市场上独立流通。模块化是以获得最佳效益, 从系统角度出发来研究的产品或以系统的形式构成, 用分解和方法的组合来构建模块系统, 采用模块组合成一个产品或系统的过程。家具模块化设计为某一类型的家具或具有相同功能的相邻产品的设计, 同时, 它也有家具部件模块的设计, 家具模块化设计方法是传统家具设计方法的发展。表1是家具模块化设计与传统设计方法的比较。

3.3 装饰材料模块化系统

装饰材料和装饰元素是应用模块化设计的基础, 对标准和通用性方面有更高的要求。例如在厨房集体设计中, 需要对基础的龙骨进行标准的模块化, 往往很多小厂家研发的龙骨在新的集成吊顶中会出现偏差, 这样就会影响整体集成厨房的设计。

4 基于模块化方法的家居设计

基于模块化方法结合了绿色设计, 采用自顶向下的设计思想, 其设计流程见图1所示。先根据用户需求进行功能分析, 对模块进行功能划分和初始化设计, 并生成功能一一对应的零件序列。然后, 使用零部件合并准则, 使用功能准则和绿色准则进行划分, 以确保产品和功能实现绿色的程度。接下来就是对模块集成和评估阶段的一个合理测试, 将模块划分方案细化, 最终设计并进行部分模块的接口设计, 直至整个产品设计的最终完成。

4.1 模块划分

在模块化设计中, 模块划分是非常重要的, 它将影响产品的功能和模块度, 直接关系到产品的环境属性和功能属性, 因此, 模块划分是模块化设计的研究重点之一。模块划分准则主要分为三个方面的属性:零件合并属性、功能属性和绿色属性, 详细的准则见表2.

4.1.1 零件合并准则

零件合并准则是指通过对多个零件的合并, 使这些零件之间的功能、信息和物质等交互作用进行转化, 变成零件内部的交互作用, 从而达到节约材料和方便再次利用的目的。零件合并准则包括: (1) 使用同一材料生产零件或改进、升级零件; (2) 零部件之间相互接触, 相互之间没有运动并且是刚性联接; (3) 所有的模块零件均为标准件, 没有外购配件; (4) 对零件进行合并后, 产品的拆卸性和组装性没有受到破坏。

4.1.2 功能准则

部分最初的设计是从功能实现的角度来考虑的, 它是相应的功能要素实现的重要考虑因素。根据系统部件之间的相互作用、类型和尺寸, 制订相应功能的标准进行全面检测。如表2所示, 功能属性准则主要包括5个准则:结构交互准则、能量交互准则、物质交互准则、信号交互准则和作用力交互准则。在一般情况下, 零件间的交互作用与模块的划分成正比, 即交互作用越大, 零件越应该划分在一起。

4.1.3 绿色准则

绿色设计的目标包括以下三方面:有效提高产品的资源和能源利用率, 尽量减少产品开发和生产周期成本, 保证生产产品的环境污染最小化。为了实现这些目标, 最有效的办法就是选择污染小的原材料, 提高零部件的利用率和延长产品的使用期限。

为了实现产品的基本功能, 并确保产品的最佳环保性能, 提高产品的可重用性, 易升级、易维护性和可循环再用的处理, 必须依据绿色准则对部分模块进行划分。一般情况下, 在设计过程中需要考虑以下准则: (1) 重用性准则。零件或材料的再利用要避免废物的产生, 当产品在回收和再利用的附加值寿命达到最高预期时, 就会降低产品的生命周期成本。 (2) 升级性准则。升级部件模块或直接升级时更换该模块, 可以减少对环境的不利影响, 在提高产品的市场竞争力的同时, 可以减少开发时间和成本。 (3) 维护性准则。良好的保养可以减少废弃物的排放, 延长产品使用寿命, 提高产品质量, 最终提高产品的环保性能, 减少对环境产生的负面影响。 (4) 回收性准则。在产品设计阶段, 应尽可能选择环境协调性好、低功耗、低成本、少污染、易加工和便于回收、利用的材料, 并尽量减少产品材料种类的使用。 (5) 处理性准则。不能进行不利于再利用和再循环组件的工作, 要根据自然降解, 比如焚烧和掩埋等不同的方法将其分为不同的模块, 这样的方法有利于产品的后期加工, 降低了拆卸和分拣成本。

4.2 模块度评价

从功能分析和模块划分与组合的角度来看, 影响某一模块模块化程度的因素主要有以下五点:结构交互性、作用力交互性、能量交互性、物质交互性和信号交互性。一般认为, 这五种交互性越强, 就表示模块间的相互作用越大, 相互联系越强, 相应的, 产品、模块的零部件设计和接口设计的难度也会越大, 模块的互换性也会越差。所以, 此模块的模块度会相应减小。对某一个模块, 可用如下方法进行模块度评价。

4.2.1 建立因素集

式 (1) 中:u1——结构交互性;

u2——作用力交互性;

u3——能量交互性;

u4——物质交互性;

u5——信号交互性。

4.2.2 建立权重集

设计者可以根据不同产品的特点赋予因素集中五个因素不同的权重, 或按确定隶属度的方法来加以确定, 因素较多时, 也可利用AHP方法建立权重集。

其中, Σ1≤i≤5 ai=1, 0≤ai<1.

4.2.3 建立备选集

模块度的取值区间为[0, 1], 按等步长离散得出备择集:

4.2.4 建立评判矩阵

式 (2) 中:Ri——单因素评判集。

以各因素评判集的隶属度为行, 建立评判矩阵如下:

为了全面考虑各单因素评判结果的情况且保留全部有用信息, 该模型采用M (., +) 模型进行综合评判, 可得模糊综合评判集:

4.2.5 评判指标处理

为了保留全部有用信息, 采用加权平均法处理评判指标, 可由式 (7) 得出该模块的模块度D.M.M.:

4.3 模块组合

模块化产品不是整体式结构, 而是由模块构成的组合式结构, 其组合方式主要有以下几种。

4.3.1 直接组合

在模块化系统中, 模块之间的组合是直接结合而成的。对于属于相同产品系列型谱的模块化系统, 一般可以直接组合。在一般情况下, 这样的组合是最合理、最紧凑、最经济的方法, 它是最佳的组合。

4.3.2 集装组合

将几种不同规格的模块加载到一定的结构模块中, 然后插入机器。在这时, 模块结构一般需要作一些改进、改动或增加成员支持不同的模块, 也常常使用集装方式形成一体化、大小不同的模块, 以简化整体结构, 总集成模块的接口具有尺寸互换性, 便于整机的组装。

4.3.3 改装组合

外购的一些模块机械结构和电气互连的接口结构模块不匹配, 需要对接口进行修改, 以更改模块或使用本机的结构模块。比较常见的是被修改电源, 然后将其作为一个特殊的模块进行组装。

4.3.4 间接组合

采用间接组合一般有两种情况: (1) 基于产品要求进行布局, 而不是直接组合; (2) 都不使用外包模块, 它不能直接组合成模块系统的一部分。间接的模块化设计、特殊连接件, 都要遵循相应位置上各模块的要求。

4.3.5 离散组合

参与模块的各种组合, 通常都是自包含的独立产品、设备的离散及其相应位置的离散, 没有直接的机械组件组合。

5 小结

模块化设计方法结合了绿色设计思想, 不仅可以互相学习、互相利用, 还可以实现产品的功能特性和环境属性。利用模块化的设计方法具有如下优势: (1) 它可以缩短产品开发和制造周期, 增加产品种类, 提高产品质量, 快速响应市场的变化; (2) 可以减少或消除对环境的不利影响, 经过回收和处理后, 以方便重用、升级和维护。

参考文献

[1]季涛频.绿色设计诗意内涵研究[J].包装工程, 2012 (14) :111-114.

[2]梁惠萍, 蒲江, 黄蜜.基于绿色设计原则的产品功能设计探析[J].包装工程, 2011 (16) :138-140.

[3]周斌.绿色设计思潮对产品包装设计的启示[J].包装工程, 2011 (02) :99-101.

[4]许继峰, 张寒凝.现代家具的绿色设计方法探析[J].生态经济, 2009 (06) .

[5]艾飞.基于绿色设计原则的产品设计理念探究[D].武汉:武汉理工大学, 2012.

[6]鄢莉.模块化设计方法在儿童家具设计中的运用[J].包装工程, 2010 (01) .

[7]钟伟弘.基于广义模块化设计的产品重构技术研究[J].制造技术与机床, 2010 (11) .

[8]耿凯阳.基于QFD的模块化系列产品绿色设计方法[D].上海:上海交通大学, 2013.

[9]唐涛, 刘志峰, 刘光复, 等.绿色模块化设计方法研究[J].机械工程学报, 2003 (11) :149-154.

建筑设计的模块化研究 篇9

20世纪80年代以来,一种更加顺应可持续发展要求的废旧产品处理方式——绿色再制造(Green Remanufacturing)引起了全社会的广泛重视。绿色再制造是以产品全寿命周期理论为指导,以废旧产品性能提升为目标,以优质、高效、节能、节材、环保为准则,以先进技术和产业化生产为手段,来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造产品的优势十分明显,其性能可达到或超过原型机新品,而成本仅为新品的50%左右,节能60%,节材70%以上,经济效益和社会效益突出。

各大率先进行废旧产品回收和再制造加工的企业在实践中认识到,如果早在新产品的设计阶段就考虑产品使用寿命到期后的回收和再制造阶段的相关要求,融入新产品的可再制造性的设计理念,就可以显著地提高再制造的效益,更好地实现资源的可持续发展战略。

面向再制造的产品设计(Design for Remanufacturing),是指按照再制造的目的设计产品,在产品设计阶段对产品的再制造性进行充分考虑,并提出再制造性指标和要求,使得产品到达寿命末端时具有良好的再制造能力。

(一)LCA在面向再制造的产品设计中的使用

LCA,Life Cycle Assessment,简称生命周期评价。国际标准组织(ISO)给出的LCA是:汇总和评价一个产品或服务体系在整个寿命周期所有投入与产出对环境造成的和潜在的影响的方法。可见,生命周期评价主要用于评估产品在它的生产、使用到回收整个过程中,对环境造成的影响。包括所耗费的原材料、能源以及所产生的排放。

面向再制造的产品设计应该在新产品设计阶段就考虑产品服役周期结束后需要进行拆解和回收利用,运用LCA的方法对产品从原材料的选择、设计加工、销售运输、回收清洁、拆解检测、再制造加工、再制造成品组装等各个环节充分考虑对资源的消耗和对环境的影响,尽量提高产品的再制造性。

面向再制造的产品设计完成了由传统的“被动解决问题”向“主动预防问题产生”的方向的转变,是产品设计思想的一次创新和变革,大大节约了资源和能源,并将带来巨大的经济和社会效益。

(二)设计重点是提高产品的再制造性

面向再制造的产品设计的重点是提高产品的再制造性。再制造性(Remanufacturability)也称为可再制造性,是产品本身的一种属性,是决定废旧产品进行再制造的前提,是面向再制造的产品设计中的重要内容。其定义可描述为:再制造性是产品设计过程赋予产品的一种固有属性,是指由于各种原因产品退役后,综合考虑各种因素,该产品经过再制造加工后达到规定性能时,获取原产品价值的能力。

再制造性评价具有明显的阶段性,主要包括新产品设计开发阶段和废旧产品再制造前的决策阶段。其中,新产品设计开发阶段十分关键,产品在新产品设计阶段就已经将材料性能、各零部件的连接方式、产品结构等因素确定了下来。废旧产品的再制造性的影响因素,既包括该产品在新品设计阶段就确定下来的那些因素,又包括产品服役期满后的产品状况、当时的再制造技术的发展状况、环境和经济状况等因素。所以,产品的再制造性具有动态性、个体性、地域性和时间性等特点,即使同一产品在不同情况下的再制造性也是不同的。可见,在新产品设计阶段就考虑其后期回收和再制造的需要,尽量提高产品的再制造性是十分必要的。

二、实施绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径

面向再制造的产品设计需要同时解决这样一些难题:使产品在设计之初就全面考虑该产品在其多生命周期内的环境属性及零部件的重复使用性,无论是所选用材料还是产品的结构,连接方法设计都能方便其日后的维修、升级,以及产品废弃后的拆解、回收和处理,同时保证与环境得有更好的协调性。显然,原有的传统设计方法不能满足这些要求。面向再制造的绿色模块化设计方法正是在这种情况下提出来的,绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径。

(一)面向再制造的绿色模块化设计的含义

绿色设计(Green Design)是指在产品整个生命周期内优先考虑产品环境属性,如可拆卸性、可回收性、可维护性和可充分利用性等,并将其作为设计目标,在满足环境目标要求的同时,保证产品应有的基本性能、使用寿命和质量等。在产品的设计阶段就考虑其回收、拆解等需要,才能最终实现产品的回收和再制造效率。

模块是产品的子结构,它与产品的功能元素子集有一一对应的关系。产品的模块化设计,就是在产品设计时,根据原材料属性、产品的结构,以及日后的使用功能、升级、维修,废弃后的回收、拆卸等因素,将产品划分为不同的模块单位,把离散的零件聚合成模块。产品的模块化设计,既可以在产品生产时大批量生产模块化的半成品,降低生产成本,获得规模效应;又可以根据顾客的个性化需要,将不同功能的模块进行组合,提高了产品对市场差异化需求的响应能力。

绿色设计和模块化设计密切相关。绿色设计要求产品易维修与升级,不易轻易淘汰;绿色设计要求产品具有可拆解性和易回收性,经简单再制造加工后就能恢复或超过原品性能并能被再次利用。这些正需要模块化设计思想来实现。模块化设计方便失效模块的简易替换和产品的快速升级,延长产品的使用寿命,减少产品的丢弃和环境的破坏,与绿色设计的某些理念不谋而合。通过绿色模块的构建,产品比传统产品具有更好的多方面效益,产品的功能属性和环境属性能同时满足,效果十分显著。

面向再制造的绿色模块化设计方法是将绿色设计和模块化设计进行有机结合后,运用于产品的再制造性设计阶段中,使产品同时满足易于拆解和装配、易于修复和升级、环境友好性等再制造性的指标和要求。在模块化的设计时,考虑产品的再制造性,让产品在寿命末端回收之后,能容易地拆卸为不同的模块,且尽可能减小各模块内的可再制造性的差异,则可提高产废旧产品回收利用率。这种设计方法是一种顺应时代发展的崭新的设计方法,有助于实现制造业的可持续发展。

(二)面向再制造的绿色模块化设计的优点

1. 能有效提高产品的易拆解和装配性

再制造加工过程包括前期对回收产品的拆解环节,和后期将再制造后的零部件装配为再制造成品的环节。所以,面向再制造的产品设计一定要考虑零部件的易拆解和装配性,这既影响再制造过程的效率,又影响再制造产品的质量。

再制造的拆解不同于再循环,需要确保拆解过程中尽可能少地损坏零部件。因此,产品结构设计,连接件的数量和类型,以及拆解深度的选择成为面向再制造的产品设计的重点内容。不同的产品结构将导致不同的拆解方法和拆解难度。常见的拆解方法有两种:有损拆解和无损拆解。常见的有损拆解是机械裂解或粉碎。机械产品中常见的连接方式有四种:可拆解连接、活动连接、半永久性连接和永久性连接。前三种连接一般都可以拆解,第四种则只能采用有损拆解的方法。

产品结构设计时应改变传统的连接方式,零部件之间尽量不采用焊接或粘接的连接方式,代之以易于拆解的连接方式。扣压和螺钉的方式便于拆解,前者较后者又更容易拆解、更省时。连接件方面,卡式接头和插入式接头更容易拆解和装配,已经有越来越多的企业在产品设计时就采取了这些类型的连接方式。尤其是一些易损零件,由于更换次数较多,在设计其安装结构时就考虑其易拆性,较多采用插入式结构设计、标准化插口设计等。如计算机主板上的插槽与上面插装线路板的连接方式。

采用绿色模块化设计既能明显简化产品结构,又能大量减少连接件的数量和类型,大大提高产品的易拆解和装配性,并减少产品的破损率,提高产品的拆卸和装配效率。

2. 有助于提升产品的易分类性

同一部机器上往往有钢、铁、铝、铜、塑料、木材等不同的材料,它们的表面常常有油漆覆盖,不易区分,应加强标识,便于拆卸和分类存放。同一材质、不同形状和尺寸的零部件,由于加工方式或使用机床的不同,也要进行标识和分类,提高总的再制造效率。

采用绿色模块化设计有助于大量减少零部件的数量和种类,使拆解后的零部件更易于分类和识别,将使再制造生产加工时间大为缩短。

3. 能显著提升产品的易修复性和升级性

再制造工程包括再制造加工和过时产品的性能升级。前者主要针对报废的产品,把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯,采用表面工程等先进技术使其性能恢复,甚至超过新品。后者对过时的产品通过技术改造改善产品的技术性能,使原产品能跟上时代的要求。所以,对原制造品进行修复和技术升级是再制造过程中的一个重要部分。

实施绿色模块化设计,可以采用易于替换的标准化零部件和可以改造的产品结构并预留模块接口,以备升级之需,在必要时即可通过模块替换或增加模块实现产品修复或升级,减少拆解中的破损,增强再制造加工和产品升级改造的效率。

三、面向再制造的绿色模块化设计的具体实现步骤

在进行产品的再制造性设计时要兼顾产品材料的合理性、易运输装卸性、易拆解和装配性、易于分类性、易清洗性、易修复和升级性。面向再制造的绿色模块化设计方法将绿色设计和模块化设计进行了有机结合,其具体实现步骤归纳如下:

1.进行用户需求分析

面向再制造的绿色模块化设计活动首先从分析用户对产品的需求开始。在调查、了解用户对产品的功能、使用寿命、价格、需求量、升级性能等具体要求后,考虑该产品采用绿色模块化设计的可行性。如果经过分析,在满足环境属性的前提下用户对该产品的要求均可满足,则该产品的绿色模块化设计的可行性获得通过,面向再制造的绿色模块化设计活动可以进入下一环节。

2.选取合理的产品参数定义范围

面向再制造的绿色模块化设计活动的第二步,是选取合理的产品参数定义范围。通常,产品参数分为三类,即动力参数、运动参数和尺寸参数。合理地选取产品的参数定义范围十分重要。如果参数定义范围过高,将造成能源和资源等的浪费,有悖于绿色模块化设计的思想;如果参数定义范围过低,又满足不了客户的要求。通常的做法是先定义主参数,然后在参数满足用户需求的基础上实现尽可能高的绿色化和模块化。

3.确定合理的产品系列型谱

面向再制造的绿色模块化设计活动的第三步,是系列型谱的制定,即合理确定绿色模块化设计的产品种类和规格型号。型谱过大过小都不好。如果型谱过大,则产品规格众多,市场适应能力强,环境属性好,模块通用程度高,但工作量也相应增大,人力资源能耗大,成本上升,总体来说效果并不好;反之,则又会走向另一个极端,效果也不好。因此,产品系列型谱的制定至关重要。

4.产品的模块划分与选择

面向再制造的绿色模块化设计活动的第四步,是产品模块的划分与选择,这是模块化方法最重要的内容。通常根据产品的功能,将其分为基本功能、次要功能、特殊功能和适应功能等,然后划分相应的模块。模块的划分使得产品的设计过程思路清晰,并有利于产品报废退役后的零部件回收、重新利用或升级换代。

5.绿色模块的组合

面向再制造的绿色模块化设计活动的第五步,是模块的组合。划分完模块后,将这些模块按照直接组合、集装式组合或改装后组合等方法组合成系统。组合时要考虑今后的易拆解性、不易损坏性及产品的节能省时等环境友好性特征。

6.对设计好的产品进行分析校验

面向再制造的绿色模块化设计活动的第六步,是用机械零件设计软件包、优化设计软件包、有限元软件包等现代设计工具对设计好的产品进行分析、计算和校验。如果分析校验不合要求,就要回到模块选择上进行修改、完善,重新整合模块,直至产品符合要求。

7.产品设计的绿色度与模块度指标评价

面向再制造的绿色模块化设计活动的最后步骤,是采用层次分析法(AHP)及模糊综合评价法等数学工具对产品再制造设计的绿色度和模块度指标进行计算及评价,再根据计算结果对产品的有关参数加以调整或进行重新设计。

参考文献

[1]朱胜,姚巨坤.再制造设计理论及应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]苏和平,等.绿色产品及绿色设计[J].哲里木畜牧学院学报,2000,(2):75.

建筑设计的模块化研究 篇10

弯管类零件尺寸多变, 所需的成型模具的凸、凹模等内部相关零件的尺寸都需要相应的变化, 由于模具的整体结构是一致的, 只是内部相关件的尺寸发生变化, 但也需要进行重新设计。为了减少设计员的重复设计, 对弯管零件进行参数化建模, 用零件的参数来驱动成型模具的尺寸与型面, 从而实现只要改变零件的参数, 其成型模具的相关部分也随之发生变化, 最终实现模具模块化设计的目的。此类零件的模块化设计的实现, 大大提高了设计速度, 为生产准备节约了大量的时间;另外, 模块设计的实现, 也大大提高了设计质量。

2模具参数化装配设计

2.1确定零件的可变参数:

如图1, 角度:A1;管外径:D1;外径公差:I;半管高度:H;管直段长度:L;成型圆角:R;中心半径:R1;料厚:T。

为了实现参数化设计的最终目的, 在装配图表达式中将零件的各个可变参数给予对应的变量名称, 如图2。

2.2弯管零件的参数化建模

用UG的绘制草图、软管、拉伸及边倒圆等功能完成零件的建模。

在建模过程中, 要把可变的参数与装配图中的变量用引用的功能联系在一起, 这样当改变装配图中的变量时, 部件的相应参数也会发生相应的改变。例如:弯管零件中的管外径要用命令与装配图中的D1进行连接。如图3

2.3凸模的参数化设计

因为凸模是零件成型的主要零件, 它的上型面与零件的内型面是完全贴合的, 因此可以用WAVE几何链接器抽取零件的内表面并缝合, 再用拉伸功能完成工作部分及固定部分的建模。如图4

2.4压边圈的参数化设计

压边圈的内型面与凸模工作型面之间保持0.1MM的间隙, 可以近似为无间隙, 用WAVE几何链接器抽取凸模上工作型面的边缘曲线, 用拉伸功能与圆柱进行布尔运算———差, 完成内型孔的操作。装配时压边圈的上表面与零件的高度H之间保持一个料厚T的关系。如图5

2.5凹模的参数化设计

凹模的工作型面与零件的外表面最大外廓是一致的, 因此用WAVE几何链接器抽取零件的外表面并缝合, 用拉伸功能与圆柱进行布尔运算———差, 完成内型孔的操作。如图6

2.6顶出筒的参数化设计 (如图7)

顶出筒的下工作型面与零件的外表面贴合, 因此抽取零件的外表面进行缝合, 沿周型面与凹模内型面保持单边间隙0.1MM, 可以近似为无间隙, 用WAVE几何链接器抽取凹模内型面外廓边缘线, 拉伸成实体, 再用缝合的面剪裁实体并进行边倒圆。凸缘部分用外型面边缘线拉伸完成。

2.7固定板的参数化设计

按选择的设备1000KN液压机的下顶杆的位置、尺寸安排4个顶杆孔的位置、尺寸。内型面用WAVE几何链接器抽取凸模固定部分边缘封闭曲线, 拉伸后与圆柱进行布尔差运算完成固定型面的造型。

2.8上顶杆位置的确定

零件的大小与管子的角度发生变化, 上顶杆的位置也相应变化, 必须保证顶杆打在顶出筒上。抽取零件中的草图, 将顶杆孔的位置定在草图的三点上, 这样草图发生变化, 顶杆孔的位置也会随之改变。

2.9顶板的参数化设计

顶板是上顶杆与3个小顶杆之间的转接板, 它的形状应与3个小顶杆的位置变化而变化。用WAVE几何链接器将小顶杆的位置抽取过来, 根据3点位置设计顶板形状。

2.10标准零件的选取

上模板—GB2855.11 250x45

下模板—GB2855.12 250x55

导柱—GB2861.2-90 B35X210X60、GB2861.2-90 B40X210X60

导套—GB2861.6-90 A35x105x43、GB2861.6-90 A40x105x43

模柄—HB824-90 B60

顶杆—HB862-90 A20x100

小顶杆—HB862-90 B8x23

内六角螺钉—GB70-85 M12X20、GB70-85 M12X70、GB70-85 M16X40

圆柱销—GB119-86 A12X70

3弯管模具模块的应用

通过现场的10多个不同尺寸的零件的验证, 又对局部进行了改进, 最后完成了此模具的模块化设计。经过试验, 从拿到现场零件图到确定参数尺寸, 再输入尺寸, 手工更新二维图, 最后出图仅仅用了20分钟。此模块到现在为止已为现场设计了15套模具图, 有的已投入了生产, 应用效果良好。

摘要：通过参数来驱动弯管的三维模型, 再用UG的WAVE等功能将零件的参数与成型模具的各个零件型面、尺寸相联系, 从而实现零件的参数发生变化, 成型模的相应部分也随之变化, 最终完成模具的快速设计 (模块化设计) 。

关键词：参数化驱动,凸凹模,成型模具,建模,WAVE几何链接器

参考文献

[1]《实用模具技术手册》陈锡栋、周小玉主编-北京机械工业出版社2001.7

建筑设计的模块化研究 篇11

化学教育是将学生的科学素养得到提高作为根本目标，而要使学生的科学素养提高，科学探究是重要的途径。在《普通高中化学课程标准（实验）》（2003）中也对化学教学提出了新的要求，教师的教学方式应该由接受式教学转变为促使学生积极参与，主动探究，勤于动手的探究式教学。

《化学反应原理》选修模块在现在的高中化学的整体教学中是非常重要的，它涵盖了高中化学知识中的几乎所有的理论。对学生来讲，学习起来有一定困难。

如果单纯用讲授法的教学方式，可以给学生将知识剖析的更为透彻一些，也可以给学生补充一些知识进去，整个模块的课时也相对轻松一些，但是学生对知识的理解可能不够深刻，大多是死记硬背，生搬硬套，且新课标是要求教师在三维目标上培养学生的，主要包括知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度。如果单纯用讲授法，将重视知识与技能的培养，而忽略另外两个方面，这与新课标的要求是不相符的；而如果完全采用探究法的教学方式，确实可以让学生感受更为深刻，对知识的理解也更为透彻，同时通过探究活动可以培养学生的动手能力，思维能力等等，使学生能够全面发展，但最为关键的问题是，如果完全采用探究法的教学方式，那么模块安排的课时将远远不够。

目前针对选修4模块，我国的研究方向有下列几种情况：

1.理论方面的研究。这方面要从探究式教学这种模式自身来说，它的基础是新课程改革的要求，主要对实践教学中怎样构建探究式教学的情境进行了强调，将传统的讲授教学法和探究式教学的不同进行了比较，阐述了探究式教学的优点。对课堂教学模式指出了详细的要求，如提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等活动。

2.反思目前探究式教学模式。说出了探究式教学模式的实际意义：可以培养学生的多种能力，如创新能力，实践能力，提出问题和解决问题的能力，交流与合作的能力，人际交往能力等等。另外可以通过对教学过程的反思，提高教师的教学能力。

3.分析实际教学案例。针对怎样开展探究式教学围绕实际的化学知识进行了探讨，将讲授法教学模式进行了改变，应用类比的思想，将应用知识进行迁移；善于对学习进行反思，使思维技能得到发展。

4.将教学中出现的实验进行探究设计。不仅仅的单纯的进行演示实验，更在实验的过程中引入探究性活动，将学生的积极性充分调动起来，以实验的过程为重点，准确把握实验的结果，使教师观变为引导学生进行学习，使学生通过解决问题，产生探究的兴趣，学会解决问题，形成创新思维。

5.分析教材。目前国内系统的分析新教材的比较少，主要有以下这三种常见的形式：

（1）解读教材的总体设计理念。着重强调“要改变学生的学习方式，培养学生各方面的能力”，“将学生的发展视为根本”等新的课程理念。

（2）具体分析教材中的探究性实验。分析教材中有关实验教学的安排形式同时对操作提出建议。

（3）对教材中设计的探究活动形式进行解读。对教材中探究活动的内容、形式、分类等方面进行了详细的分析，从三个方面如教材、教学、教师进行了反思。

（4）定位教学的角色。对教师的地位进行了明确的指出。包括创设者：创设问题情境；设计者：设计学生的学习活动；组织者、合作者：主要针对教学活动；促进者：对学生学习方式、情感意识以及转变策略等进行促进。

（5）分析学生自身的探究能力，制定了培养和评价的实际标准：对探究性的问题解决其表现以及学生的自身素质，并有建设性意见提出。

（6）从两个方面研究探究性学习的情境的创设：①对问题情境进行创设，应该对学生的思考进行引导，思考一些有实际化学价值的问题；②对探究情境进行创设，实现时可以充分借助社会热点问题，身边生活现象，实验现象等等。

（7）研究如何培养学生提出问题的能力。首先让学生练习发现问题，其次对学生进行引导，使他们逐渐学会对教材进行提问，慢慢发展到对生活实际问题提问，最后培养形成提问的技能。

有从教师角度对科学探究实践的认识，如“认识高中化学新课程科学探究栏目”，“高中化学教学中如何引导学生进行科学探究”。还有一些研究者提出，教师理念的改革是发展科学探究的首要前提，所以要重视利用探究性学习活动来发展学生自身的科学探究能力。对探究来说，学生的认识也很模糊，应该充分利用课堂，向学生渗透科学探究式学习的思想。笔者在第一线教学实践中的所见所感与一些学者研究的结论是相似的，通过对教师的教学理念进行改革，从而让真正的科学探究能够被教师所了解，也是今天的重点。

模块化在产品设计中的应用研究 篇12

关键词：模块化设计,产品设计,设计方法

1 模块化产品设计方法

在模块化产品设计的过程中, 通过分析得出模块化设计原则, 以作为设计的依据, 方法如下:

(1) 模块化设计的产品必须满足所有需求:依据文献、调查, 及访谈获得使用者需求的重要资料, 将其整理后, 根据使用者需求项目进行模块化设计, 以利用不同单元模块搭配组合, 满足不同使用者的需求。

(2) 依据功能需求进行分割, 设置模块化单元:将可合并的功能加以整合成为独立的单元, 进行单元模块设计, 并考虑单元模块间的连接, 制定标准化尺寸, 一次为单元模块设计的依据。

(3) 可排列组合的模块单元:设计的模块强调可灵活排列组合, 能适用于各种空间环境, 满足不同人群的需求, 且考虑各模块设计风格的一致性, 其各系统的单元均能互换使用。

2 模块化导入产品设计分析

产品开发程序分为十个阶段: (1) 确认顾客需求。 (2) 建立目标规格。 (3) 概念产生。 (4) 概念选择。 (5) 概念测试。 (6) 设定最终规格。 (7) 专案计划。 (8) 经济分析。 (9) 建立竞争产品标杆。 (10) 模型与原型。

由以上活动可以看出在概念发展阶段主要是了解客户需求, 并将客户需求转换为产品目标规格, 并建立产品概略外形及概略的产品组装流程图, 最后产生数个产品雏型, 经过专案团队评估分析, 以找出最佳的产品雏型。所以在产品概念阶段既导入模组化设计有以下的缺点:

(1) 模组化设计会限制设计及创新的自由度, 设计初期应集思广益, 主动寻找好的产品创意, 针对不同的市场与顾客需求, 权衡考量设计可能会产生的各方面影响, 如一开始既受限于模组化的框架, 不利于产品创新的发展。

(2) 产品设计初期, 设计变更所影响的产品架构幅度较大, 反复的设计变更导致于产品架构与功能模组之间也不断地跟着变动, 如此变动造成在产品开发初期花费太多时间于模组化过程中, 导致产品开发时间过长, 延迟产品上市时间, 不利于产品取得市场优势。

系统层级设计阶段主要是根据产品概念发展阶段所产出的产品雏型, 定义产品的结构, 产品子系统与构件之划分以及产品系统的最终组装方案等, 在此阶段产品架构定义明确, 不容易产生大变动的设计变更, 所以在系统层级设计阶段根据产品架构定义产品模块, 界定模块界面, 避免花费太多时间于大幅度及重复地模块化变更, 以缩短产品开发之时间。

3 模块化产品设计原则

产品的构成是由许多的零件在空间上进行装配而成, 但一产品的组成少则十几个零件, 多则上千上万个零件, 如何将这些零件依产品之架构分成不同之模块, 模块的范围如何界定, 在模块化过程中应依据哪些准则, 基于上述之问题本研究提出之模组化设计的原则如下。

(1) 单一功能化:

模块单一功能化应是产品模块化设计的第一步, 一产品按照其功能可以区分为不同的系统, 例如自行车依其功能性不同可分为五大系统包含车架系统、制动系统、车轮系统、传动系统及转向系统, 而这五大系统既可分为五个模组。

(2) 标准化:

也可以称之为重复化, 就是同样的零组件重复出现在不同的产品上。在产品开发过程中重复使用现有零组件, 可以分摊开发的成本, 降低新零件数量, 缩短整体开发时程。标准化分为内部标准化及外部标准化。

(3) 规格化:

也可称之为参数化或数据化。模块化设计强调模块可搭配变换, 所以模块与模块之间锁固方式的相关参数 (例如螺栓大小、螺栓孔数量、螺栓孔距离等) , 及模块实体的相关参数, 须建立系统化标准规格, 唯有如此才可以确保模块在组装的时候, 彼此之间能够正确稳固的结合、安装。

(4) 可拆解化:

产品元件之间的接合可分为永久接合及可拆式接合, 模组化设计强调模组可搭配变换, 所以模组与模组之间锁固方式不可使用永久接合方式, 应以可拆式接合为主。

4 模块化产品设计流程

产品开发分为数个不同阶段, 本研究依据产品开发流程, 在系统层级阶段导入模组化设计, 本研究所提出之产品模组化流程如下:

(1) 建立产品结构:设计者在此阶段提出产品的架构与主要功能。个别的组成元件与其主要的功能需求予以决定, 并传递到下一个步骤。

(2) 选择元件:设计者选择符合上一步骤定义所需要的元件。

(3) 取得组装关联:分析并定义出产品元件之间的设计关联性。

(4) 验证组装关联:检查产品元件间的设计关联性, 是否满足整个产品的主要功能需求, 这些关联是否合理, 是否有矛盾的现象。

(5) 确认:确认所有选择的元件是否都有被使用到。如果必要的修改已经完成, 则视为所有的元件都已满足所定义的需求。

(6) 建立产品架构:当所有的元件都已经被选择, 且彼此间的关联性已被完整定义, 此产品的架构即定义完成。

参考文献

[1]童时中.模块化原理设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社, 2000.

[2]王受之.世界现代设计史[M]北京:新世纪出版社, 1995.